C-V2X切片随机接入技术*

杨保峰，宋健，沈庆国,2**

（1.网络通信与安全紫金山实验室，江苏 南京 211111；2.东南大学移动通信国家重点实验室，江苏 南京 211189）

0 引言

作为4G 和5G 通信系统中的关键技术，V2X（Vehicle-to-Everything，车到万物）泛指车辆使用邻近服务实现和其他任意网络、任意个体间的通信，包含车辆—车辆（V2V,Vehicle to Vehicle）、车辆—行人（V2P,Vehicle to Pedestrian）、车辆—路边基础设施（V2I,Vehicle to Infrastructure）等多种通信形式[1]，可为许多新的应用场景提供支持，如车辆自动驾驶、公路安全系统、交通信息管理等。

V2X 和D2D（Device-to-Device，设备到设备直接通信）技术有很大的相关性。自3GPP 在LTE Rel.12 和Rel.13 中提出了基于D2D 的V2V 概念后，C-V2X（蜂窝V2X）技术迅速发展，日益受到业界的关注。伴随着3GPP LTE-V2X Rel.14 版本的完成，V2X 产业推动也正式开始启动，全球多家通信公司发布了支持V2X 的芯片或模组，国内也开展了V2X 的测试床试验[2]。V2V、V2P、V2I 等V2X 可采用多种技术实现，而软件定义的统一控制将使它们各自优点得到充分发挥[3]。

随着5G 网络在大流量、低时延等方面能力的增强，基于5G 的NR-V2X 技术得到进一步发展，在协作驾驶、道路告警、远程遥测、信息娱乐等方面的应用研究进一步深化。这些C-V2X 应用场景在QoS 特性方面有很大差异，为此需要在移动网络中针对不同应用场景建立多种切片。这些切片共享移动网络核心网CN 和接入网RAN基础设施，根据各自业务端到端传输需求，基于虚拟化技术构建各自的核心网功能和接入功能，形成相应的核心网切片和接入网切片。

对于协作驾驶业务切片，需要支持具有超低时延、超高可靠性等特点和V2V、V2I 等通信要求，并且车辆和边缘服务器间还有实时视频传输；对于遥测切片，需要支持众多车辆上的海量传感器与厂家服务器间小微数据的随机上报；对于信息娱乐切片，需要支持向车辆传输高吞吐量的娱乐信息。需要从接入网到核心网对各切片协议栈进行个性化定制和编排。由于空口面临的无线资源紧张、切换频繁等问题更具挑战性，因此接入网切片如何设计和管控更为关键和困难，业界近年进行了大量研究，以期满足V2X 在超低时延、超高可靠性等方面的要求。

车辆高速移动时，在不同蜂窝间切换频繁。每一次切换都要发起随机接入，如果随机接入完成较慢，则切换完成时间较长，影响业务的服务质量。另外，在车辆遥测中，大量车载传感器终端大部分时间处于挂起状态，当有小微数据发送时可直接在随机接入过程中完成小微数据的上报，如果随机接入请求消息碰撞过多，将影响小微数据的有效上报。

各V2X 接入网切片在随机接入时延方面具有不同的要求，不能直接沿用4G/5G 网络的随机接入方案，需要制定不同的随机接入方案。目前相关研究报道还较少。为此本文首先分析C-V2X 切片基本架构，对各类切片的随机接入需求进行归纳提炼，然后基于现有4G/5G 随机接入过程基本机制，通过对前导码进行灵活、个性化的配置与分配，给出典型C-V2X 切片的随机接入方案设计，并进行细致的理论分析和性能仿真论证其可行性，从而实现以有限的随机接入资源高效满足多种异构服务的随机接入需求。

1 C-V2X切片基本架构

切片是一种网络虚拟化服务技术。切片与以往的VPN、VLAN 等虚拟网络有些类似，都是在一个物理网络上组建多个逻辑网络，但VPN、VLAN 仅在第3 层或第2层实现[7]，而切片则可涉及物理层或应用层等更多层次的个性化配置，能更好地适应传输环境和用户业务需求。移动网络由无线接入网和核心网组成，移动网络切片也由接入网切片与核心网切片组成。下面以5G 移动网络为例，对移动网络中的主要功能实体以及网络切片功能进行说明。

国际电信联盟（ITU）将5G 移动服务划分为三大场景：增强型移动带宽eMMB（Enhanced mobile Broadband），大规模机器式通信mMTC（massive Machine Type Communication）和超可靠低时延延迟通信URLLC（Ultra-Reliable and Low Latency Communications）。这些差异化服务可通过网络切片方式进行访问[5]，避免服务之间相互干扰。基于SDN 技术以及控制面和用户面功能的解耦，通过应用程序和网络功能的可编程性进行功能位置替换，可实现用户平面功能靠近用户，减少访问服务器时延；控制平面功能可集中在一个中心站点，从而减少管理和操作的复杂性[6-7]。

5G 的RAN 协议栈按CU-DU 架构（中心单元-分布单元，Centralized Unit-Distributed Unit）实现。CU-DU架构可实现动态配置和分割NR 协议栈功能，CU 和DU之间接口遵循3GPP 制定的相关5G 规范。不同的需求决定NR 协议栈不同的分割形式。DU 主要处理物理层和实时性要求较高的层2 协议功能；CU 可管理多个DU，主要处理非实时的高层协议栈功能，CU 中还可部署边缘计算MEC（Multi-Acess Edge Computing），实现本地化的应用服务器AS（Application Server）。在CU-DU 基础上，虚拟化技术可灵活地根据业务需求和传输条件实现NR 协议栈层1 层2 层3 功能的分割和部署。

RAN 切片是在CU-DU 架构基础上，将空口无线资源进行切片配置，实现CU-DU 的灵活配置和部署，满足不同场景下的组网切片需求[6-7]。如图1 所示，RAN 切片由层1、层2、层3 等层切片组成，各层切片是对层资源的分割和层协议的个性化配置。层1 切片负责无线资源分配和物理层协议适配，层2 切片负责对RAN 切片的最大聚合速率、调度优先级、资源利用率等进行配置和优化，层3切片实现RAN 切片内授权能力、终端设备优先级等配置。各层通过软件定义协议功能，实现CU-DU 协议栈功能的云化部署，并根据具体场景需求实现层1 层2 层3 功能组合。在车辆娱乐信息（eMMB 场景）切片下，层2 层1 协议栈配置在接近用户终端的DU 上以保障高清视频等业务的实时性要求，层3 在CU 内实现；在车辆远程诊断（mMTC场景）切片下，信息传输实时性要求不高，可将层1 配置在DU 内，层2 层3 集中配置在CU 内，在CU 中实现海量终端的集约化管控和处理，从而提高处理资源利用率。

图1 虚拟化高层协议

CN 切片是对核心网控制平面和用户平面功能的重新适配和剪裁。如常规核心网中移动管理实体（MME,Mobility Management Entity）和服务网关或分组数据网关（P/S-GW）功能，在各CN 切片中要根据不同场景下要求进行个性化配置。如在自动驾驶场景中，可通过多MME 和单个HSS（归属用户服务器）快速完成业务流切换，完成移动性、身份验证、授权和订阅管理等核心网功能。在车辆娱乐信息切片中，通过P/S-GW（Packet Data Network/Serving Gateway）的路由表项配置，可将娱乐信息内容托管在远程或边缘，并且采用部署多个MME 的方式满足用户访问远端和边缘内容的多重QoS 需求。在车辆远程诊断和管理切片中，多个P/S-GW 和MME 的配置适应了车辆与核心网间不同频次数据交互需要，提高控制平面和用户平面功能的效率。

移动网络切片是核心网和无线接入网的功能集合，即在特定场景下，通过配置满足场景在移动性、安全性和交互性能（例如延迟、可靠性、吞吐量）的不同要求。

图2 中展示了V2X 三种典型场景用例，场景一是智能城市中行驶的自动驾驶汽车；场景二是车载信息娱乐系统上播放的高清视频流；场景三是车载增强的实时汽车车况诊断和管理。通过配置多个网络切片，可在一个物理网络中高效地同时满足这些异构服务需求。一个切片由一个租户运营。不同的切片可通过租户ID（如道路管理局、视频流提供商、汽车制造商）和切片类型（自动驾驶、车辆信息娱乐、车辆远程诊断）进行识别[8-9]。场景一中网络切片支持自动驾驶，车与车之间通过直连通信接口（PC5）实现近距离场景通信，为提高移动网络覆盖范围和兼容性，车辆可通过多种无线接入技术（RAT,Radio Access Technology）如RAT1、RAT2 接入网络，由MME 服务器和HSS（Home Subscriber Server，归属用户服务器）服务器进行管控。网络边缘V2X 应用服务器（V2X AS）为车辆提供交通、道路和服务信息的集中控制和分发。对RAN 进行切片包括各种RAT 参数配置，如时间、频率资源、帧大小和混合自动重传请求（HARQ，Hybrid Automatic Repeat reQuest）等。网络切片的定制能更好地实现车辆前向碰撞警告、协同自适应巡航、安全增强保障。三种场景切片特点如表1 所示。

表1 V2X三种典型场景切片特点

图2 4G/5G-V2X 典型切片基本架构[4]

无线接入网络切片可以选择不同的无线接入技术、无线网络架构、无线电资源分配策略和更细粒度的空中接口参数子集。其中多个无线接入技术的配置使用可以增加车辆信息娱乐网络切片的V2I 连接容量。

不同场景的承载服务质量等级（QCI,QoS Class Identifier）不同，也是实施不同网络切片的依据之一，QCI 的不同等级决定场景服务的质量体验。长无线帧时间（如1 ms）可应用于车辆信息娱乐等吞吐量要求高的应用上，短无线帧时间（如0.125 ms）可用于自动驾驶的快速反馈或重传。

2 C-V2X切片的随机接入过程方案设计

2.1 4G/5G蜂窝网络随机接入基本过程

随机接入RA 是UE 和网络之间建立无线链路的必经过程，只有在随机接入完成之后，eNB 和UE 之间才能正常进行数据互操作。UE 可以通过随机接入取得上行同步所需的定时提前TA，与基站建立RRC（Radio Resource Control，无线资源控制）连接。

由于用户的随机性以及无线信道的复杂性决定了这种接入的发起及采用的资源也具有随机性，随机接入过程使终端与网络建立通信连接成为可能。

下面以基于竞争的LTE随机接入流程为例进行说明[10]，5G NR 随机接入过程基本相似[11]。

图3 是36.321 协议给出的竞争随机接入的四步过程，包括Random Access Preamble（MSG1）和Random Access Response（MSG2）、Scheduled Transmission（MSG3）和Contention Resolution（MSG4）。

图3 基于竞争的随机接入流程示意图

（1）MSG1：UE 向eNB 发送前导码。

随机接入前导序列码集合是由物理层生成的最大数目为64 个Zadoff-Chud 的序列及其移位序列组成。eNB 侧的RRC 分配部分或全部Preamble 序列的索引值用于竞争随机接入，并通过系统信息SIB2 广播到UE（5G NR 中是通过SIB1）。UE 侧的RRC 收到SIB2 后，解析出其中的Preamble 信息并配置到MAC，由MAC 根据路损等信息在Preamble 集合中随机选择一个Preamble 索引配置给物理层，物理层根据MAC 的Preamble 索引，通过查表/ 公式生成有效的Preamble ZC 序列并发送到eNB。每个小区可用的Preamble 码总数不超过64 个。

（2）MSG2：eNB 向UE 发送MSG2。

eNB 会在PRACH 中盲检测前导码，如果eNB 检测到了随机接入前导序列码，则上报给MAC，后续会在随机接入响应窗口内，MAC 产生包含随机接入响应RA Response的MSG2，并在下行共享信道PDSCH 中反馈给终端。

MSG2 是一个独立的MAC PDU。一个MSG2 中可以包含多个UE 的RA Response，即响应多个UE 的随机接入请求。UE 通过检测MSG2 中是否携带了其发送的Preamble 码来标识是否收到了eNB 的随机接入响应，但此时还没有完成竞争解决，并不表示此次eNB 侧的应答就是针对本UE 的应答。

（3）MSG3：UE 向eNB 发送MSG3。

UE 根据RA Response 中的TA 调整量可以获得上行同步，并在eNB 为其分配的上行资源中传输MSG3，以便进行后续的数据传输。

MSG3 可能携带RRC 建链消息，也可能携带RRC 重建消息。如果有层3 消息，那么MAC 需要保存该层3 消息，因为eNB MAC 发送MSG4 的时候需要将该消息回发给UE，当做竞争解决标识（UE Contention Resolution Identity）使用，以便完成最终的竞争解决。

（4）MSG4：eNB 向UE 发送MSG4。

eNB 和UE 最终通过MSG4 完成竞争解决：

1）对于初始接入和重建的情况，MSG4 中的MAC PDU 会携带竞争解决标识（UE Contention Resolution Identity）。UE 在PDSCH信道中获取MSG4 的MAC PDU 内容，并解码成功后，与UE 之前在MSG3 中发送的层3 消息进行比较，二者相同则竞争解决成功（因为不同的UE，其标识不同）。此时MSG3 的MAC-CE 中不会携带C-RNTI 字段，对于重建而言，层3 消息中则会携带C-RNTI 信息，RRC 据此区分不同的UE。竞争解决后，TC-RNTI 转正为C-RNTI。

2）对于切换、上/ 下行数据传输但失步等其他场景进行的竞争随机接入场景，此时因为UE 已经分配了C-RNTI，在MSG3 的MAC-CE 中会将C-RNTI 通知到eNB，因此eNB 使用旧的C-RNTI 加扰的PDCCH 调度MSG4，而不使用TC-RNTI 加扰MSG4（The C-RNTI on PDCCH for UE in RRC_CONNECTED）。UE 解码出PDCCH 调度命令的时候表示完成竞争解决，MSG4 中的具体内容已经与竞争解决无关。这时，MSG2 中由eNB分配的TC-RNTI 失效，后续由eNB 继续分配给其它UE使用。因此，此种场景MSG4 中不包括UE 竞争解决标识。

2.2 C-V2X切片的随机接入过程方案设计

C-V2X 切片的随机接入过程，需要针对不同的切片类型体现出其不同的随机接入特征和需求。如自动驾驶切片所需要的快速接入与高可靠性，车辆信息娱乐所要求的平滑接入与业务负载接纳控制，以及车辆远程诊断和管理所要求的高并发接入和捎带小微数据等特征。

前导码是随机接入过程中一种重要的空口资源，前导码的分配方案直接影响到整个系统的传输性能[13]。在4G/5G 蜂窝网络随机接入基本过程中，随机接入前导码通常不依据具体业务需求来进行分配，不能满足各类C-V2X 切片的需求。因此，作为随机接入过程中最为重要的一种无线资源，需要针对不同C-V2X 切片，对前导码进行灵活以及个性化的配置与分配，以实现同一随机接入过程高效满足不同异构服务的需求。

为分析方便起见，这里假设存在两类切片业务，第一类为优先级较高或延时要求较高或对接入成功要求较高的切片业务（如自动驾驶切片，后文以ACh代表），第二类为优先级较低或延时要求较低或对接入成功要求较低的切片业务（如车辆信息娱乐切片，后文以ACl代表）。

基于碰撞概率最小化的前导码分配方案是针对不同类型切片业务对传输性能要求的折衷。比如ACh对于其自身碰撞概率要求要尽可能低，而从整个系统来说，在尽量满足这一类切片业务需求的同时，对整个系统的碰撞概率也需要综合考虑，以达到一定的性能要求。因此，一味地通过为ACh分配更多的前导码来降低其碰撞概率并不可取。对于不同类型的切片业务，允许每个前导码独立地分配给一个或多个ACs[16]。在具体实现中，该方案中指定的前导码分配由eNB 在RRC 层生成SIB2（LTE 中）或SIB1（5G NR 中），再广播到每个AC 中的UE，以供UE 在前导码选择中使用。切片业务类型由网络运营商定义。

在LTE 中，在RA 过程期间单小区的PRACH 碰撞概率主要取决于竞争用户的数量和预先分配的前导码的数量。eNB 通过为关键V2X 切片预留所有的前导码，可以确保关键V2X 业务的低碰撞概率要求。然而，为这些关键V2X 服务预留所有前导码也阻止了剩余服务使用LTE 网络的机会。基于前导码分配的原理是分割和降低争用以获得更好的碰撞概率性能。

考虑基于竞争的随机接入过程，其可用前导码个数n满足1 ≤n≤64。设分配给ACh的前导码个数为kh(1 ≤kh≤n)，分配给ACl的前导码个数为kl(1 ≤kl≤n)，且kh+kl≥n。假设采用的RA 参数是：PRACH 配置索引6；退避指示器为20 ms；前导传输的最大数目为m，则可用前导码个数n=64-m；ACh的估计RACH 强度为Mh/s（每秒收到Mh条MSG1 消息），ACl的估计RACH 强度为Ml/s。前导码分配条件见图4。其中“1”代表该前导码已分配给当前业务切片，“0”代表该前导码未分配给当前业务切片，上“1”下“0”代表该前导码已分配给ACh未分配给ACl，上“0”下“1”代表该前导码已分配给ACl未分配给ACh，上“1”下“1”代表该前导码同时分配给ACh和ACl。

图4 C-V2X切片的随机接入过程前导码分配方法

上面是指在PRACH 信道频域资源固定时的前导码分配方案。对于随机接入中的时间资源与频率资源，也可做进一步针对性的配置。另外，还可以在退避算法方面进行优化工作。

如果某个切片内终端过多，为进一步降低碰撞概率，还可以通过增加其PRACH 信道频段宽度来增加可用前导码数量。

此外，对于自动驾驶这类要求快速接入的切片类型，还可采用缩短随机接入响应窗口、冲突解决窗口等策略；为了加快该切片内的切换速度，可进一步采用仅有MSG1和MSG2 消息的无竞争随机接入过程。

3 C-V2X切片的随机接入过程性能分析与仿真

3.1 PRACH信道容量

下面以LTE 网络为例对PRACH 信道容量进行分析，该分析思路也适用于5G NR 网络。根据文献[12]-[15]，PRACH 碰撞概率的估计值如下：

式中，L是每秒随机访问机会的总数，γ是随机访问强度，即在单小区内平均每秒有γ个随机访问尝试。这里假设小区中存在大量适用于此场景的设备。此外，还假设PRACH 请求的到达随时间服从均匀分布。

3GPP 37.868[13]总结了LTE 帧结构类型1、2 中不同PRACH 配置索引值的RACH 机会/ 秒/ 前导码的一些可能值，如表2、表3 所示。

表2 帧结构类型为1时的RACH值

表3 帧结构类型为2时的RACH值

3.2 C-V2X切片的随机接入过程性能分析

下面在前导码数量一定条件下，分析切片间不同前导码分配方案的性能。根据PRACH 碰撞概率公式，可知存在两种切片业务类型的条件下，单小区PRACH 碰撞概率为：

同理可得，单小区内ACh和ACl的碰撞概率Pbh和Pbl分别为：

3.3 仿真结果

（1）kh=n时

假设n个前导码全部分配给ACh，即kh=n，如图5所示。则分配给ACl的前导码个数应满足1 ≤kl≤n，设ACh的估计RACH 强度Mh=50，ACl的估计RACH 强度Ml变化且满足Mh/Ml={50,5,1,1/5,1/50}。根据式(2)，可得数值仿真结果如图6 所示。

图5 前导码分配满足kh=n

图6 前导码分配满足kh=n时的系统、ACh与ACl碰撞概率性能

从图6 可知，对于前导码全部分配给ACh这种情况，对于系统碰撞概率来说，随着分配给ACl前导码数量的增多而不断降低，而且ACh与ACl切片业务的碰撞概率也会同步降低，并且三者性能相差不大。以碰撞概率=10%作为衡量指标，则当Mh/Ml=50,5,1,1/5 时，需要分配给ACl的最少前导码数量分别为6，12，20 和33 个。而当Mh/Ml=1/50，也即ACl的估计RACH 强度Ml远大于ACh的估计RACH 强度Mh时，即便将所有前导码都分配给ACl，仍无法满足系统碰撞概率≤10%的要求，此时能够达到的最低碰撞概率为21%。

（2）kh+kl=n时

假设n个前导码不重复使用并分别分配给ACh和ACl，即kh+kl=n，如图7 所示。则分配给ACl的前导码个数kl应满足kl=n-kh。设ACh的估计RACH 强度Mh=50，ACl的估计RACH 强度Ml变化且满足Mh/Ml={50,5,1,1/5,1/50}。根据式(2)，可得数值仿真结果如图8。

图7 前导码分配满足kh+kl=n

图8 前导码分配满足kh+kl=n时的系统、ACh与ACl碰撞概率性能

从图8 可知，对于前导码不复用地分配给ACh与ACl这种情况，对于系统碰撞概率来说，随着分配给ACl前导码数量的增多而不断降低，随后转为不断增高。对于ACh与ACl切片业务来说，由于前导码分配中未进行复用，故两者的碰撞概率均随着所分配前导码数量的增多而降低。以系统碰撞概率为观察对象，则对于Mh/Ml={50,5,1,1/5,1/50}，为获得最小系统碰撞概率，其对应的前导码分配数量及系统碰撞概率分别为(Pb=1.65%,kh=15)、(Pb=3.53%,kh=22)、(Pb=7.14%,kh=27)、(Pb=16.45%,kh=32)、(Pb=56.42%,kh=39)。以ACh为观察对象，则对于ACh的估计RACH 强度Mh=50，当1 ≤kh≤34 时，其碰撞概率可保持在10%以内。以ACl为观察对象，则对于Ml=1,10 和50，当kl分别满足6 ≤kh≤n，12 ≤kh≤n和20 ≤kh≤n时，其碰撞概率可保持在10%以内。

（3）n

假设n个前导码有部分被重复使用并同时分配给ACh和ACl，即n

图9 前导码分配满足n

图10 前导码分配满足n

从图10 可知，对于前导码以部分复用形式分配给ACh与ACl这种情况，对于系统碰撞概率来说，当分配给ACh的前导码数量一定，则随着分配给ACl前导码数量的增多而不断降低。对于ACh与ACl切片业务来说，情况则较为复杂。例如当kh=33 时，无论ACl的估计RACH 强度Ml如何变化，Pbh均随着kl的增加而增加，且达到最大值后会随着kl的增加而逐步降低。而Pbl则在Mh/Ml={50,5}时随着kl的增加而增加，在Mh/Ml={1}时随着kl的增加先减后增具有最小值，在Mh/Ml={1/5,1/50}时随着kl的增加而降低。

Pbh与Pbl的情况具体如图11 所示。

图11 前导码分配满足n

3.4 结论

C-V2X 几种主要切片类型具有各自不同的业务需求与特点，如自动驾驶切片所需要的快速接入与高可靠性，车辆信息娱乐切片所要求的平滑接入与业务负载接纳控制，以及车辆远程诊断切片所要求的高并发接入和捎带小微数据等特征。因此，随机接入作为UE 和网络之间建立无线链路的必经过程，应针对不同的切片类型体现出其不同的随机接入特征和需求。

本节分析并研究了C-V2X 切片的随机过程性能并进行了仿真。结果表明，前导码作为随机接入过程中最为重要的一种资源，进行合理分配和灵活个性配置，在保证整个系统的碰撞概率性能的基础上，可有效满足不同切片类型各自业务需求。在具体分配与配置过程中，应根据切片业务类型优先级以及RACH 强度的不同进行，以最终达到系统碰撞概率与各类型切片业务碰撞概率的合理折衷。

4 结束语

协作驾驶、道路告警、远程遥测、信息娱乐等C-V2X 应用在QoS 特性方面有很大差异，需要在移动网络中针对不同应用场景建立多种切片，从接入网到核心网对各层协议进行个性化定制和编排，形成各自的核心网切片和接入网切片。

各V2X 接入网切片可采用CU-DU 架构实现协议栈分布式部署。根据各类切片在随机接入时延方面不同要求，本文基于现有4G/5G 随机接入协议基本机制，通过对前导码进行灵活、个性化的配置与分配，给出了典型C-V2X 切片的随机接入过程方案设计，提高了切片化C-V2X 业务的性能。

随着5G 网络的广泛部署和SDN、虚拟化技术不断发展，C-V2X 切片技术通信将逐步得到应用。尤其是随着各界对基于5G 的V2X 的车辆自动驾驶和智能交通系统的开发，C-V2X 应用将得到进一步推广。