【原】【学术论文】6 GHz频段V2X车联网系统与卫星固定业务兼容性研究

导读：

车联网作为5G的重点业务之一，正在逐步构建以人、车、路协同的辅助驾驶、自动驾驶为核心的智能交通系统，新场景、新需求的引入对数据通信与计算提出了更高的要求，也推进车联网从支持车载信息服务（Telematics）向支持车联一切（V2X）服务的下一代车联网发展。为了促进5G通信的技术交流，推动我国5G通信技术的发展，《电子技术应用》杂志2019年第8期和第9期推出“5G与车联网”主题专栏，论文内容涵盖5G车联网关键技术与发展现状、5G车联网标准进展、5G车路协同解决方案和5G车联网应用方案与实践案例等，期待为5G时代的车联网技术和应用部署提供有益的借鉴。

特约主编：朱雪田，北京邮电大学工学博士，教授级高级工程师，中关村国家自主创新示范区高端领军人才，北京邮电大学通信与信息专业工程硕士导师，现就职于中国电信智能网络与终端研究院。长期从事4G/5G移动通信和互联网技术创新与研发工作，作为项目组长先后负责多个4G/5G领域的移动通信国家重大项目，发表学术论文超过50篇，发明专利100余篇，个人专著3本。

摘要：

现阶段，我国正处于制造业转型升级、新兴科技产业创新发展的重要时期，作为新兴智能产业的车联网正日渐受到国家重视。以第五代移动通信(5G)系统为基础，采用国际电信联盟(ITU)相关建议书和报告书提供的传播模型，通过确定性计算，开展了对6 GHz频段下V2X车联网系统与卫星固定业务的兼容性研究。结果表明，6 GHz频段下V2X车联网系统与卫星固定业务具备共存的可能性。

中文引用格式： 张少伟. 6 GHz频段V2X车联网系统与卫星固定业务兼容性研究[J].电子技术应用，2019，45(9)：5-7，12.
英文引用格式： Zhang Shaowei. Research on the compatibility between V2X Internet of Vehicles system and FSS at 6 GHz frequency band[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(9)：5-7，12.

0 引言

    车联网系统是能够实现智能网联汽车与公共网络通信的移动通信系统。车用无线通信技术(Vehicle to Everything，V2X)是车辆与一切事物相连接的新一代信息通信技术，其模式包括：车-车(Vehicle to Vehicle，V2V)、车-路(Vehicle to Infrastructure，V2I)、车-人(Vehicle to Pedestrian，V2P)、车-网络(Vehicle to Network，V2N)的交互，如图1所示。

    目前，我国已为LTE-V2X规划了5 905～5 925 MHz频率用于直连通信(工信部无[2018]203号)。3GPP也已启动了5G NR V2X的标准化工作，计划于2019年底之前完成。根据未来移动通信论坛(FuTURE Forum)和车载信息服务产业应用联盟(TIAA)联合发布的白皮书，根据智能网联汽车的渗透率不同，支持自动驾驶至少还需40~400 MHz的频谱资源。现有可能成为全球协调频率的5 850~5 925 MHz难以满足全部的频谱需求，存在频段上扩的需求和空间。

    本文从兼容性角度分析在6 GHz频段为V2X寻求频谱资源扩展的可行性。

1 C-V2X概述

    C-V2X(Cellular Vehicle to Everything)是基于蜂窝通信技术演进形成的技术。C-V2X包含两种通信接口：PC5接口(车、人、路之间的短距离直接通信接口)和Uu接口(基站和终端之间的通信接口，可实现远距离和更大范围的可靠通信)。C-V2X是基于3GPP全球统一标准的通信技术，包含LTE-V2X和5G-V2X，从技术演进角度讲，LTE-V2X支持向5G-V2X平滑演进。

    C-V2X支持有蜂窝网络覆盖和无蜂窝网络覆盖两种工作场景。当车载终端、智能手机、路测单元等支持C-V2X的终端设备处于蜂窝网络覆盖内时，可在蜂窝网络的下使用Uu接口来进行V2X通信；而PC5接口无论是否有蜂窝网络覆盖，均可进行V2X通信。C-V2X将这两种接口相互结合，相互支持，共同支撑V2X业务传输，能够形成有效的冗余，用来保障通信的可靠性。

1.1 PC5接口关键技术

    C-V2X在PC5接口上的机制设计基础是LTE-D2D技术。为支持V2X消息广播，行驶方向、速度、位置等快速变化的动态信息交换，以及未来更先进的自动驾驶应用(如共享传感器、车辆编队行驶)等，C-V2X在多方面进行了增强设计，主要包括：

    (1)物理层结构增强。为了解决车辆间因相对高速度而导致的多普勒效应和频率偏移等问题，C-V2X对物理层结构进行了增强。

    (2)支持全球卫星导航系统同步。在C-V2X通信期间，需要使其发射端和接收端保持同步，以此来确保通信性能。此外，C-V2X可支持多种同步源类型(如车辆、基站、全球卫星导航系统等)，通信终端能够通过调取预配置信息、网络控制等方式来获取最优同步源，以最大程度来实现全网同步。同时，C-V2X还能依靠对最优同步源的动态维护，使终端能够及时同步到高优先级的同步源。

    (3)更高效的资源管理机制和拥塞控制机制。PC5接口作为C-V2X的核心技术，可支持Mode-3和Mode-4(即资源调度式分配方式和终端自主资源分配方式)。另一方面，C-V2X还支持集中式和分布式相结合的拥塞控制机制，可以显著提升高密度场景下的用户接入数。

1.2 Uu接口关键技术

    为了更好地匹配V2X的业务特性，C-V2X在Uu接口上主要对以下几个功能进行了增强：

    (1)上下行传输能力。上行传输支持基于业务特性的多路半静态调度，不仅能够保持业务传输的高可靠性，还能使上行调度时延大幅度降低。下行传输针对V2X业务的局部通信特性，支持小范围广播、低时延的多播/组播和单小区点到点单播。此外，LTE-V2X还支持核心网元本地化部署，并且为了保证业务传输的性能，还针对V2X业务特性定义了专用服务质量参数。

    (2)多接入边缘计算研究。针对如自动驾驶、实时高清地图下载等具备超低时延、超高可靠性传输需求的车联网业务，C-V2X可以采用多接入边缘计算技术。目前ETSI和3GPP等标准组织都将该技术作为重点研究项目，针对其整体框架、用户选择、业务分流、移动性和业务连续性以及网络能力开放等关键方面进行研究。

2 卫星固定通信系统

    卫星固定通信系统一般分为空间段(通信卫星)、地面段（地球站和关口站）、跟踪遥测及指令分系统、监控管理系统四大部分组成。

    (1)空间段：由中圆地球轨道卫星、地球静止轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星等3种轨道卫星组成，主要起无线中继站的作用，通过卫星搭载的星上转发器转发地球站的信号。

    (2)地面段：地球站一方面负责将地面信号发送到卫星，另一方面接收来自卫星的信号后发送给相应的地面用户终端。关口站可以认为是一种特殊的地球站，是卫星通信系统的核心，为公众网络和卫星通信系统提供传输信道。

    (3)跟踪遥测及指令分系统：跟踪检测卫星信息，修正其运行轨道和保持其位置姿势。

    (4)监控管理系统：对通信性能进行监测和控制，以确保系统能够正常通信，并能满足不同卫星通信系统间的协调要求。

    甚小天线地球站(Very Small Aperture Terminal，VSAT)是卫星固定通信系统中的一个典型应用，主要包括主站部分、小站部分及用户终端。

    VSAT主站部分的设备配置较远端小站复杂，天线尺寸大，发射功率高。VSAT网络基带设备负责处理卫星信号，包括调制解调器、复用器和编/解码器，通过网络管理平台进行管理；程控交换机用于管理电话通信；关口站用于连接PSTN和Internet。

    VSAT小站部分的天线尺寸小，发射功率低，负责天线接收、射频处理及卫星信号处理。

    用户终端负责普通用户接入终端(如固定电话、视频播放器等)。

    根据我国无线电频率划分规定，5 925 MHz以上频率主要业务有固定业务、卫星固定业务(Fixed Satellite Service，FSS)和移动业务，表1所示为该频率段划分表。其中5 925～7 125 MHz频段是C波段FSS的上行频段，FSS也是该频段实际使用最多的无线电业务。由于固定业务(该频段主要是微波系统)点对点通信架设高度通常较高，故与V2X易于兼容，而移动业务虽已被划分，但仍未启动相关应用，因此V2X与FSS的兼容性将影响V2X业务在该频段的频谱扩展。

3 兼容性研究相关参数

3.1 V2X系统相关参数

    车联网自动驾驶类应用是3GPP目前研究的5G uRLLC技术的重要场景之一。NR-V2X技术支持自动驾驶技术场景，与LTE-V2X基础类安全驾驶辅助协同形成场景互补。根据3GPP目前的性能评估研究，本研究主要参考TR37.885关于NR-V2X的参数^[1]，以用于系统参数指标进行兼容性共存研究，相关参数如表2所示。

    中国及其周边区域内在同一时刻处于发射状态的NR-V2X设备总数计算如表3所示。

3.2 卫星固定业务系统参数

    5 925～7 125 MHz频段FSS系统参数如表4所示。

4 V2X系统与FSS系统的共存研究

4.1 V2X系统与FSS系统干扰场景

    选择干扰恶劣的情况，具体如图2所示。

4.2 自由空间传播模型

    V2X系统干扰FSS卫星，采用ITU-R SG3提供的ITU-R P.525传播模型^[2]。

    对于点对点链路，使用下述公式计算全向天线间的自由空间衰减，即自由空间基本传输损耗：

    

其中，f是频率，d是距离。

4.3 Clutter Loss模型

    Clutter Loss模型主要采用ITU-R P.2108模型^[3]。

    对地面到地面的路径L_ctt，不超过p%位置的地物损耗由下面的公式给出：

4.4 确定性计算

    确定性分析方法是在各参数、频谱发射模板等条件下，根据通信处于最恶劣的环境下，得到被干扰系统受到的最大干扰。

    一条典型的干扰链路主要包括干扰系统、被干扰系统及传播路径。具体来说，包括干扰发射功率、干扰和被干扰天线增益、路损，满足如下公式：

    

其中，P_rx表示干扰功率，P_tx表示发射功率，G_tx表示发射天线增益，G_rx表示接收天线增益，L_loss表示传输损耗。

    通过上述公式可以得到被干扰系统接收机的干扰功率，对比保护准则可以评估是否满足保护条件。同频干扰评估公式如下：

    

其中，K表示玻尔兹曼常数，B表示带宽，T表示噪声温度。

    由表4可知卫星的G/T值，所以评估公式可变为：

    

    若I/N-I₀≥0，则说明两个系统之间没有干扰，可以共存；若I/N-I₀<0，则说明两个系统之间存在干扰。

5 计算结果

    针对60E和116E两个同步地球轨道卫星轨位，根据式(9)可以算出两个卫星轨位下的I0值，结果如表5所示。

    由表5可以看出，卫星位于60E轨位时，可以共存，还有30.9 dB的保护余量；卫星位于116E轨位时，可以共存，还有23.9 dB的保护余量。

6 结论

    基于V2X未来频谱需求预测，经过初步确定性分析，结果显示V2X系统可与6 GHz频段FSS系统兼容共存，频谱资源向上扩展具备一定的可行性。未来实际的频谱使用还需要根据V2X业务的发展对频谱资源的实际需求，结合实际系统参数开展进一步仿真研究和测试论证。

参考文献

[1] Study on evaluation methodology of new vehicle-to-every-thing(V2X) use cases for LTE and NR(Release 15)[S].3rd Generation Partnership Project(3GPP) TR 37.885，2018.

[2] Recommendation ITU-R P.525. Calculation of free-space attenuation[S].Geneva：ITU，2016.

[3] Recommendation ITU-R P.2018.Prediction of clutter loss[S].Geneva：ITU，2017.

作者信息:

张少伟

(中国电信股份有限公司智能网络与终端研究院，北京102209)