NR-V2X容量能力综合分析

张建国，彭博，段春旭

（华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310052）

0 引言

NR-V2X支持单播、组播和广播三种传输模式，三种传输模式都支持控制信息和用户数据的发送和接收。除此之外，单播传输模式支持Sidelink HARQ反馈、Sidelink功率控制、Sidelink确认模式传输、检测PC5-RRC连接失败等功能；组播传输模式支持Sidelink HARQ反馈功能[1]。

NR-V2X UE在PC5接口上，支持NG-RAN（Next Generation-Radio Access Network，下一代无线接入网）调度资源分配和NR-V2X UE自主资源选择两种资源分配模式。对于NG-RAN调度资源分配模式，NR-V2X UE需要先和NG-RAN建立RRC连接，由NG-RAN分配PC5接口上的时频资源；对于NR-V2X UE自主资源选择模式，在NG-RAN覆盖区内和NG-RAN覆盖区外，NR-V2X UE均可传输数据，NR-V2X UE从资源池中自主选择PC5接口上的时频资源。

根据3GPP协议，当NR Uu接口和PC5接口并发操作时，NR Uu接口支持的频率是n71频段（FDD制式，上行：663—698 MHz，下行：617—652 MHz），PC5接口支持的频率是n47频段（TDD制式：5 855—5 925 MHz）。NR Uu接口的最大信道带宽是20 MHz，支持的子载波间隔是15 kHz和30 kHz；PC5接口的最大信道带宽是40 MHz，支持的子载波间隔是15 kHz、30 kHz和60 kHz，较大的子载波间隔有助于减少多普勒频移的影响并减少数据的传输时间[2-3]。

本文接下来的容量能力分析基于以下假设：广播传输模式；采用NG-RAN调度资源分配模式；NR Uu接口的信道带宽是20 MHz，子载波间隔是30 kHz；PC5接口的信道带宽是40 MHz，子载波间隔是30 kHz。

1 NG-RAN动态调度资源分配过程

NR Sidelink物理层信道包括PSSCH（Physical Sidelink Shared Channel，物理Sidelink共享信道）、PSBCH（Physical Sidelink Broadcast Channel，物理Sidelink广播信道）、PSCCH（Physical Sidelink Control Channel，物理Sidelink控制信道）、PSFCH（Physical Sidelink Feedback Channel，物理Sidelink反馈信道）。NR Sidelink物理层信号包括DM-RS（Demodulation Reference Signal，解调参考信号）、CSI-RS（Channel-State Information Reference Signal，信道状态信息参考信号）、PT-RS（Phase-tracking Reference Signal，相位跟踪参考信号）、S-PSS（Sidelink Primary Synchronization Signal，Sidelink主同步信号）、S-SSS（Sidelink Secondary Synchronization Signal，Sidelink辅同步信号）。当采用广播传输模式时，不配置PSFCH信道以及CSI-RS信号，对于FR 1（410—7 125 MHz），也不配置PT-RS信号[4]。

Sidelink资源池包括m个子信道，每个子信道由nSubCHsize个PRB组成，nSubCHsize取值为10、12、15、20、25、50、75或100[5]，见图1。PSCCH和其相关联的PSSCH在时间重叠但是频率非重叠的资源上传输，PSSCH的另外一部分和PSCCH在时间非重叠的资源上传输，PSCCH在时隙的开始位置传输有助于NRV2X UE尽早解调PSCCH信道，NR-V2X UE提前获得PSCCH可以降低UE功耗。NR-V2X的SCI（Sidelink Control Information，Sidelink控制信息）由两部分组成，1st阶段SCI在PSCCH上传输，2nd阶段SCI在PSSCH上传输。

图1 Sidelink资源池示意图

对于PC5接口上的时频资源，频域资源分配的最小单位是子信道，1个PSSCH可以占用多个连续的子信道，时域资源分配的最小单位是时隙。

NG-RAN调度资源分配模式涉及到2个空中接口，分别是NR-V2X UE与NG-RAN之间的NR Uu接口以及NR-V2X UE之间的PC5接口。PC5接口与NR Uu接口的协议栈类似，包括PHY、MAC、RLC、PDCP和RRC层，用于NR-V2X UE之间的信令和数据传输[1]。

NG-RAN可以通过多种方式分配PC5接口上的时频资源。第一种是NG-RAN动态分配资源方式，即NGRAN通过NR Uu接口的PDCCH信道（使用SL-RNTI对CRC进行扰码），动态为NR-V2X UE分配PC5接口上的时频资源。第二种是配置授权方式，即通过RRC信令，直接为NR-V2X UE提供配置授权，或RRC定义周期性的配置授权。第三种是半静态分配方式，即NG-RAN通过NR Uu接口的PDCCH信道（使用V-RNTI对CRC进行扰码），半静态分配PC5接口上的时频资源。本文接下来主要分析NG-RAN动态分配资源模式。

NG-RAN动态分配PC5接口上的时频资源由以下4个步骤组成[1]，如图2所示：

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图2 NG-RAN动态分配PC5接口上的时频资源示意图

第1步：NG-RAN通过系统消息SIB12或RRC重配置过程，把资源池配置信息发送给NR-V2X UE，资源池配置信息包括PSCCH配置、PSSCH配置、子信道尺寸以及子信道数量、资源池在时域上的位图等信息。

第2步：NR-V2X UE在NR Uu接口上，解调DCI（Downlink Control Information，下行控制信息）格式3_0的PDCCH信道，DCI格式3_0的PDCCH信道用于调度PSCCH和PSSCH，DCI格式3_0包括资源池索引、时间间隔、子信道分配的最低索引以及SCI格式1-A的部分信息（包括频域配置指配和时域配置指配）。

第3步：NR-V2X UE根据接收到的DCI格式3_0信息，在PC5接口上发送SCI格式1-A的PSCCH信道以及PSSCH信道，SCI格式1-A承载的是1st阶段SCI，用于调度PSSCH，SCI格式1-A包括优先级、频率资源指配、时域资源指配、DM-RS模式、MCS（Modulation and Coding Scheme，调制编码方案）、DM-RS端口数量等信息，为了增加传输的可靠性，1个PSCCH信道可以调度1个、2个或3个PSSCH。

第4步：NR-V2X UE根据SCI格式1-A信息，解调PSSCH信道，NR-V2X UE首先解调PSSCH上承载的控制信息，即SCI格式2-A信息，SCI格式2-A承载的是2nd阶段SCI信息，SCI格式2-A包括HARQ进程号、源地址和目的地址等信息。如果该消息是发送给5G V2X UE的，则NRV2X UE继续接收PSSCH上承载的数据信息。

2 NR-V2X容量能力分析

NG-RAN动态分配PC5接口上的时频资源涉及两个空中接口的资源，分别是PC5接口上的时频资源和NR Uu接口上的PDCCH资源。PC5接口的容量能力即PC5接口承载的NR-V2X用户数与PC5接口的带宽、发送消息的频率和发送消息的大小等有关；NR Uu接口的PDCCH容量能力与控制区域提供的CCE数以及1个PDCCH占用的CCE数等有关[6]。

2.1 NR-V2X的业务模型

NR-V2X UE的业务数据分为两类：一类是非周期性的数据，另一类是周期性的数据。

对于非周期数据，业务模型如下：物理层的数据包尺寸在200个字节到2 000个字节之间，步长是200个字节；分布规律是均匀分布；数据包之间的间隔是50 ms+指数分布的随机变量，指数分布的随机变量的平均值是50 ms，本文假设非周期数据包的平均间隔是100 ms；调制方式是QPSK或16QAM，编码速率是0.33～1.67。控制包尺寸是64个比特，调制方式是QPSK，编码速率是0.26。对于不同的数据包尺寸，非周期数据需要的RE（Resource Element，资源单元）数如表1所示[7]：

表1 NR-V2X非周期数据包需要的RE数

对于周期数据，业务模型如下：物理层的数据包尺寸分别是800个字节和1 200个字节；800个字节的概率是0.8，1 200个字节的概率是0.2；数据包的时间间隔是50 ms；调制方式是16QAM，800字节的编码速率是0.66，1200字节的编码速率是1。控制包的尺寸是64个比特；调制方式是QPSK，编码速率是0.26。对于不同的数据包尺寸，周期数据包需要的RE数如表2所示：

表2 NR-V2X周期数据包需要的RE数

根据表1和表2，可以发现，NR-V2X UE在PC5接口上传输1个非周期数据包需要2 513到2 549个RE，传输1个周期数据包需要2 524或2 549个RE。为了计算上的方便，本文假设NR-V2X UE传输1个非周期数据包和1个周期数据包各需要2 549个RE。

对于非周期数据，数据包的平均间隔是100 ms，1 s内需要传输10个数据包；对于周期数据，数据包的时间间隔是50 ms，1 s内需要传输20个数据包。对于1个NRV2X用户，1 s内传输的非周期数据包和周期数据包共计是30个。

2.2 PC5接口的容量能力分析

根据3GPP TS 38.214协议，分配给NR-V2X UE的PSSCH包含的RE数见式(1)[8]：

根据以上参数，可以计算出1个PRB内，PSSCH包含12×(12-0)-0-18=126个RE。根据2.1节的计算，NR-V2X UE传输1个数据包需要2 549个RE，即需要2 549/126=20.23个PRB，对应的子信道尺寸是25个PRB。需要注意的时，子信道除了传输PSSCH外，还需要传输PSCCH，25-20.23=4.77个PRB能够满足PSCCH的传输需求。

对于PC5接口，当信道带宽是40 MHz、子载波间隔是30 kHz时，在频域上共计有106个PRB，当子信道尺寸为25个PRB时，频域上共计有4子信道。在时域上，1个时隙是0.5 ms，1 s内有2 000个时隙，共计有8 000个子信道。根据2.1节的分析，1个NR-V2X UE在1 s内需要传输30个数据包，因此PC5接口可以承载的NR-V2X用户数是8 000/30=266个。当PSSCH传输2次或3次时，PC5接口可以承载的NR-V2X用户数分别是133个和88个。

2.3 NR Uu接口的容量能力分析

NR Uu接口的PDCCH信道在CORESET（Control-Resource Set，控制资源集合）上传输，当信道带宽是20 MHz、子载波间隔是30 kHz时，CORESET在频域上最多占用48个PRB，在时域上占用1、2或3个OFDM符号。1个PDCCH可以包括1、2、4、8或16个CCE（Control-Channel Element，控制信道单元），1个CCE由6个REG（Resource-Element Group，资源单元组）组成；1个REG在频域上占用1个RB，在时域上占用1个OFDM符号，1个REG上有12-3=9个RE用于传输PDCCH，1个CCE共计有9×6=54个RE用于传输PDCCH，PDCCH采用QPSK调制方式，因此1个CCE可以传输108个比特的信息。当配置的OFDM符号是1、2和3个时，1个CORESET可用的CCE数分别是8、16和24个[9]。

当采用NG-RAN动态调度资源分配模式时，通过DCI格式3_0的PDCCH信道分配PC5接口上的时频资源，对于广播传输模式，DCI格式3_0包括以下字段：

资源池索引：最大为3个比特。

时间间隔：最大为3个比特。

SCI格式1-A的时域资源指配：当PSSCH传输2次时，时域资源指配是5个比特；当PSSCH传输3次时，时域资源指配是9个。

CRC，24个比特[10]。

当CORESET配置为1个OFDM符号时，CORESET内可用的CCE数是8个，则1个CORESET内可以传输8/2=4个DCI格式3_0的PDCCH信道，1 s内可以传输4×2000=8000个DCI格式3_0的PDCCH信道。根据第2.1节的分析，1个NR-V2X UE在1s内需要传输30个数据包，因此当CORESET配置为1个OFDM符号时，可以动态调度的NR-V2X用户数是8 000/30=266个。当CORESET配置为2个和3个OFDM符号时，CORESET可以动态调度的NR-V2X用户数分别是533个和800个。

通过以上分析，可以发现，对于广播传输模式，NR Uu接口的PDCCH信道调度的NR-V2X用户数明显高于PC5接口承载的NR-V2X用户数，这是因为广播传输模式下，DCI格式3_0包含的字段较少，1个DCI格式3_0的PDCCH信道只需要2个CCE。当采用单播传输和组播传输模式时，DCI格式3_0还需要包括HARQ进程号、PSFCH到HARQ定时索引、PUCCH资源索引等信息，则1个DCI格式3_0的PDCCH信道需要4个CCE，NR Uu接口的PDCCH信道调度的NR-V2X用户数会减半。

3 结束语

本文给出了NR-V2X的业务模型，并分别分析了PC5接口和NR Uu接口承载的NR-V2X用户数。在实际组网的时候，还需要考虑调度策略、网络负荷、干扰等因素，因此NR-V2X网络可以承载的用户数会低于本文计算的NR-V2X用户数。当运营商或车企大规模部署NR-V2X网络后，可以通过对NR-V2X用户的行为进行分析，结合本文给出的NR-V2X容量能力计算方法，更有效地指导NR-V2X网络的容量规划和扩容。