NR-V2X直通链路定位技术标准研究

郑石磊，习一凡，赵锐，胡金玲，房家奕，赵丽

（1.移动通信及车联网国家工程研究中心，北京 100191；2.中信科智联科技有限公司，北京 100191）

0 引言

近年来，随着通信系统和车辆终端能力的快速发展，涌现出大量基于位置的服务应用，为了有效提高道路安全性，提升交通效率，获取实时、准确的车辆位置信息，实现车辆的高精度定位成为了智慧交通和自动驾驶等应用的必要条件。C-V2X（Cellular-V2X，蜂窝车联网）作为当前全球车联网建设的主要候选技术，支持蜂窝通信和终端直通通信[1]。考虑到直通通信不受蜂窝网络和全球导航卫星系统覆盖限制的特点，与定位技术的结合可以支持车联网的多场景定位，以及满足车联网低时延、高可靠和高精度的定位需求[2]。

为了满足车辆在时延、精度、安全性等方面对定位服务的多样化需求，2021年12月，在3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）RAN（Radio Access Network，无线接入网）全会的第94次会议上，直通链路定位技术作为NR（New Radio，新空口）定位技术的扩展和增强，决定在版本Release 18（Rel-18）中开展标准化研究[3]。研究过程分为9个月的SI（Study Item，研究项目）和9个月的WI（Working Item，工作项目），面向覆盖范围内、部分覆盖和覆盖范围外的应用场景，在定位方法、物理层结构设计、定位信令流程以及资源分配等方面开展研究。在2022年5月和8月的两次3GPP RAN1会议中，直通链路（Sidelink，SL）定位讨论主要集中在定位场景和需求、定位仿真评估以及潜在的定位解决方案三个方向。

本文主要内容如下：（1）对3GPP中提出的车联网定位需求和定位场景进行介绍；（2）介绍直通链路定位架构，对SL定位中的关键技术原理进行分析说明；（3）分析总结直通链路定位研究可能面临的挑战，并对定位技术的后续演进方向进行展望。

1 定位场景和需求

从车联网应用场景角度来看，需要定位技术支持的业务应用主要包括自动驾驶、交通安全、信息服务等[4]。对于不同业务应用，有不同的定位性能指标需求。

同时，车辆作为移动的实体会经历不同的应用场景，包括高速公路、城市道路、封闭园区以及地下车库等[4]。因此除车联网应用场景外，还需要考虑和无线网络覆盖范围相关的定位场景，3GPP TR 38.845对V2X定位的无线网络覆盖场景进行定义[5]。当至少两个UE（User Equipment，终端）参与V2X定位时，可以考虑以下三种网络覆盖场景，以两个UE参与定位的情况为例：覆盖范围内场景是指两个UE都在蜂窝网络覆盖范围内的情况；部分覆盖是指一个UE处于蜂窝网络覆盖范围内，而另一个UE在蜂窝网络覆盖范围之外；覆盖范围外场景是指两个UE都在网络覆盖范围之外的情况。UE可以在覆盖范围内、部分覆盖范围和覆盖范围外场景之间转换。

在不同的覆盖场景中可以获取不同的定位结果，根据测量量和解算结果不同，可将SL定位技术分为绝对定位、相对定位和测距，其中绝对定位是确定UE在绝对坐标系中的水平、垂直坐标；相对定位是确定UE相对于其他网络节点或UE的位置坐标；测距是指测量两个UE之间的距离和/或相对方位[5]。

V2X场景中车辆的定位需求取决于其所需的业务应用，具体由用例或定位服务级别来确定，3GPP将定位精度划分为以下三个类别[5-7]：

（1）第一类：定位精度10～50 m，置信水平68%～95%，主要包含信息服务、信息提示类等对定位精度要求不高的业务应用。

（2）第二类：定位精度1～3 m，置信水平95%～99%，主要包含安全预警、交通效率提升类、动态交通管理类业务应用。

（3）第三类：定位精度0.1～0.5 m，置信水平95%～99%，主要包含自动驾驶类业务，协作式智能交通等无人驾驶或远程驾驶类业务应用。

具体的V2X场景中对于SL定位的定位精度需求目前正在3GPP Rel-18中展开研究。

2 SL定位关键技术

本节主要介绍SL定位物理层的关键技术，并对潜在技术方案进行分析比较，主要包括：SL定位方法、SL定位资源池、SL定位物理层结构、SL定位资源分配机制。其中，SL定位方法确定了整体定位交互的流程以及信令内容；SL定位资源池是影响SL定位整体方案的主要技术点，后续关键技术依据不同的资源池确定方法分别对应不同的方案设计；SL定位物理层结构主要介绍SL定位物理信道结构等；SL定位资源分配机制则主要关注定位过程中涉及到的资源选择以及资源确定的方法。

2.1 SL定位方法

NR Uu常用的无线定位方法[8]主要包括RTT（Round Trip Time，往返时间）、AoA（Azimuth of Arrival，到达方位角）、TDOA（Time Difference of Arrival，到达时间差）、AoD（Azimuth of Departure，离开方位角）、ZoA（Zenith of Arrival，到达天顶角）、ZoD（Zenith of Departure，离开天顶角）、E-CID（Enhanced-Cell ID，增强小区ID）。SL定位应该结合自身特性尽可能地复用NR Uu通信相关的定位方法。考虑到V2X场景中用户的高速移动性，因此对于定位的时延以及精度均具有较高的要求。综合考虑，RTT、AoA/ZoA、TDOA三种定位方法比较适用于现阶段的V2X定位，但是每种定位方法都存在一定的局限性，需要继续分析研究。

RTT定位方法由于需要收发节点之间往复发送一对或多对SL-PRS（Positioning Reference Signal，定位参考信号），交互时延对高速移动场景的影响需要重点考虑。AoA/ZoA定位方法的主要问题在于目前V2X UE接收天线数有限，导致测角精度受限。TDOA定位方法对于节点间的同步要求非常严格，如果想采用此方法，必须优先解决节点间同步问题。AoD/ZoD定位方法则更适合于高频段的FR2（Frequency Range 2，频率范围2）频段以及具备MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多天线）能力的UE，对于目前的V2X UE并不是十分适用。对于E-CID方法，由于其精度较差，可能无法满足V2X定位场景的基本需求。

对于SL定位流程的触发，可以考虑由目标UE主动触发整体定位流程，或者由网络侧触发整体定位流程。对于SL定位的解算过程，车辆UE可以考虑在UE侧完成，也不排除由网络侧辅助完成的相关方案。上述相关内容由SA（Service and System Aspects，服务及系统）技术规范组确定，目前仍在研究[9]。

2.2 SL定位资源池

对于SL定位资源池的划分，由于需要与SL通信资源池共享相同的频谱资源，因此考虑以下两种方案：引入SL定位专用资源池、SL定位与SL通信共享资源池。

（1）SL定位专用资源池：对于SL定位专用资源池，该资源池仅可以用于SL定位相关信道/信号的传输。SL定位资源池可以与SL通信资源池采用时分/频分的物理资源复用方式，而由于定位精度直接受到带宽的影响，因此建议二者仅采用时分复用的方式，如图1（a）所示。引入定位专用资源池的优点在于将SL定位与SL通信二者完全从物理资源上分离，互相之间没有任何影响；其弊端在于只有等到特定资源池对应的时间段才可以发送相应的业务，会增加SL通信以及SL定位系统的整体时延。

（2）SL定位与SL通信共享资源池：对于SL定位与SL通信复用相同的资源池，二者可以在共享资源池内部采用时分复用或频分复用的方式，如图1（b）所示。共享资源池的优点在于可以提升整体的资源利用率，但由于复用相同资源池，二者间的资源干扰是无法避免的，并且SL定位传输的带宽也会受限，导致整体定位精度可能无法满足V2X场景需求。此外，该模式对于NR-V2X Rel-16/17用户也会引入兼容性问题，旧版本的UE无法正常接收SL定位相关信息。

图1 SL定位资源池示意图

综上所述，不论是引入SL定位专用资源池，还是SL定位与SL通信共享资源池，二者各自存在优缺点。考虑到系统的兼容性、可扩展性、高效性以及可靠性，两种方案均可以作为未来SL定位标准化的潜在技术方向。

2.3 SL定位物理层结构

SL定位物理层结构的设计很大程度上受到SL定位资源池方案的影响。如果引入SL定位专用资源池，则需要参考SL定位与NR Uu定位的特性，设计一套全新的适用于SL定位的物理层结构。而对于SL定位与SL通信共享资源池的情况，为了保证兼容性，SL定位很大程度需要继承SL通信物理层结构的特性。

（1）SL定位专用资源池

如果引入SL定位专用资源池，考虑到SL通信的资源分配机制，首先应该解决SL-PRS资源预约指示的问题。

方式一：在SL定位专用资源池中引入控制信道用于承载SL-PRS资源预约指示信息；

2）方式二：在SL通信资源池中指示SL-PRS的资源预约情况，即控制信息与关联的SL-PRS分别位于不同的资源池上。

第一种方式的优点在于控制信道与关联的SL-PRS在相同的定位专用资源池中传输，可以简化信息指示的内容，无需跨资源池交互，整体处理复杂度较低；但是可能需要重新设计相应的信道结构、信令内容，并且会额外占用部分用于传输SL-PRS的资源[10]。第二种方式的优点在于无需在定位专用资源中引入除SL-PRS外的其他信号，信道结构简单[11]，其问题在于SL UE需要在SL通信资源池上设计相应的SL-PRS控制信令，信令内容也较为复杂，并且涉及到跨资源池调度的相关问题。目前两种方式均在讨论中，具体的说明示意图如图2（a）、（b）所示。

图2（a）中AGC（Automatic Gain Control）为自动增益控制符号，用于接收机调整接收信号功率。GP（Guard Period）为保护间隔，用于预留UE收发转换所需的时间。不同用户的SL-PRS资源可以采用时分复用或者RE（Resource Element）级的频分复用，也可能在SL定位专用资源池中仅支持时隙级的传输，不支持多用户复用单个时隙的情况。对于方式一，需要对PSCCH（Physical Sidelink Control Channel，直通链路控制信道）中承载的用于调度SL-PRS的相关控制信息进行设计。对于方式二，需要设计资源预约包含的相关控制信息，该控制信息可以由PSSCH（Physical Sidelink Shared Channel，直通链路共享信道）承载（图2（b）中的PSCCH用于调度关联的PSSCH，而非SL-PRS）。

图2 解决SL-PRS资源预约指示问题的两种方式

在方式一的结构中，由于PSCCH与SL-PRS占用带宽不同，UE在进行接收时需要一定的转换时间，因此是否将PSCCH的末尾符号设置为GP符号也需要进一步讨论。

（2）SL定位与SL通信共享资源池

当SL定位与SL通信共享相同的资源池时，在原来的信道结构基础上插入SL-PRS[12]，如图3所示，需要重点考虑系统兼容性。对于这种新型的信道结构会导致旧版本的UE无法识别SL-PRS；此外，为了降低对系统中其他版本UE资源感知过程的影响，SL-PRS的传输带宽需要与PSSCH保持一致，限制了SL-PRS的测量性能；而且为了保证兼容性，PSCCH的相关设计需要保持Rel-16/17内容不变，对于SL-PRS的映射规则也需要进行限制，如何指示相应的SLPRS资源占用情况同样也是需要解决的问题。

图3 SL定位与SL通信共享资源池时的信道结构图

为了解决SL定位与SL通信共享资源池时SL-PRS带宽受限的问题，跨多个资源池发送SL-PRS可以作为一种解决方案，但需要保证多个资源池的资源感知过程不受影响。该方案在实现中，可能很难选出合适的且可用于支持跨资源池传输的资源。

2.4 SL定位资源分配机制

SL定位资源分配机制整体设计思路与原SL通信资源分配机制类似，具体可以分为两类：

（1）集中式：以网络为中心进行SL-PRS资源调度；

（2）分布式：UE自主进行SL-PRS资源分配。

对于集中式机制，主要考虑网络侧分配资源用于SL-PRS的传输，如通过gNB、LMF（Location Management Function，位置管理功能）、gNB结合LMF等进行调度。原有的NR-SL Mode 1的三种调度方式：动态调度、配置授权类型1、配置授权类型2可以作为研究的出发点，需要重新设计相应的DCI（Downlink Control Information，下行控制信息）以及RRC（Radio Resource Control，无线资源控制）信令内容。

对于分布式机制，如果SL定位与SL通信共享资源池，那么此场景下的分布式资源分配机制可以重用NRSL Mode 2资源分配机制。当引入SL定位专用资源池，且SL定位专用资源池中仅包括SL-PRS时，资源分配过程同样复用NR-SL Mode 2资源分配机制即可。本节重点讨论当SL定位专用资源池中既包括SL-PRS又包括用于调度PSCCH时的资源分配机制。

如图4所示，UE1在时隙1和时隙2上预约了用于发送PSCCH和SL-PRS的资源。当UE2在T时刻触发了资源选择过程时，可以感知确定UE1在时隙2上的资源占用情况，如果UE2在时隙2上的PSCCH 资源集和SL-PRS资源集中选择资源，应该分别避开UE1预约的PSCCH资源和SL-PRS资源。相比于原Mode 2资源分配机制，主要的区别在于UE需要独立地对PSCCH和SL-PRS进行资源分配，而具体的资源分配流程类似[5]。

图4 分布式资源分配机制示意图

2.5 带宽对SL定位精度的影响

本节基于引入SL定位专用资源池的假设，在高速公路场景下对不同带宽下能达到的定位精度进行了仿真验证，仿真拓扑模型如图5所示[14-15]：

图5 高度公路拓扑结构图

仿真参数如表1所示：

表1 仿真参数

仿真中RSU（Road Side Unit，路侧单元）作为锚节点，UE作为定位目标节点，假设各个RSU之间时间理想同步，每次采用6个RSU联合进行绝对定位解算，节点间的信道均为LOS（Line of Sight，视距）信道，仿真结果如图6所示。当带宽为40 MHz时，在高速场景下，系统的定位精度可以满足车道级的定位需求（约1.77 m）；当信号带宽提升至100 MHz时，定位精度可以达到亚米级（约0.74 m）。

图6 高速场景下UE定位仿真结果

3 挑战与展望

3.1 SL定位技术面临的挑战

影响SL定位技术精度的核心因素包括以下方面：

（1）信号带宽：信号频域带宽越大，其时域信号时间分辨率越高，支持的定位精度越高。目前SL频谱资源有限，如果想通过SL定位技术支持高精度定位场景，需要进一步拓展SL频谱资源才可能实现。

（2）信道环境：信道环境会直接影响信号传播时延的测量精度。如果当前通信环境比较复杂，收发节点间遮挡物比较多，那么此时的信道多径传输可能以NLOS（Non-Line of Sight，非视距）为主，定位精度会急剧下降。在实际车联网定位应用的过程中，由于车辆运行速度较快，通信环境变化较快，如果可以快速准确地获得信道多径类型信息，对于提升整体定位精度具有极大的帮助。测量过程中可以基于信道类型筛选定位结果，提升定位系统整体的置信度[16]。

（3）高速移动性：对于静止或低速运动的目标UE，定位时延带来的影响几乎可以忽略不计。然而对于高速运动场景下的车辆定位，较大的定位时延会使得定位结果存在较大误差，甚至导致其获得的位置信息是无效的。以相对速度240 km/h为例，20 ms的定位时延导致约1.3 m的偏移误差。因此对于SL定位需要尽量简化定位流程，减小定位时延，在解算过程中需要考虑到由于车辆高速移动导致的偏移误差。

（4）UE间干扰：UE间干扰问题主要存在于UE自主选择SL-PRS资源，即Mode 2资源分配。此时没有网络侧进行资源调度，UE通过感知以及分布式资源分配机制进行资源选择。当系统中节点数较多时，各UE自主选择SL-PRS传输资源，互相之间难免造成干扰，会导致定位精度受到影响。因此需要进一步改进SL资源选择机制支持SL定位技术，降低UE间的干扰，提升系统资源利用率。为了解决UE间资源碰撞问题，基于Rel-17 UE间协调机制增强设计SL定位技术，是潜在的增强技术。

3.2 SL定位技术演进展望

通过提升信号带宽是最直接有效的提升定位精度的方法，目前3GPP Rel-18正在开展的非授权频段SL技术可以考虑作为优选方案[17]。将SL定位通信在频域维度扩展到非授权频段，可以有效地提升SL-PRS的传输带宽，进而获得定位精度的提升，需要重新设计相应的物理层信道结构以及对应的信道接入机制。

另外一种可能提升定位精度的方法是在SL定位技术中引入载波相位追踪定位技术。载波相位追踪定位虽然对于信号带宽没有严格的要求，但是为了保证相位追踪的连贯性，可能需要时域连续（或周期较小）发送SLPRS，通过牺牲时域资源以及高复杂度来提升整体定位精度。在比较理想的通信环境下，载波相位追踪定位技术通过实时迭代可达厘米级定位精度[18]，但需要解决时域资源密度过高以及复杂度较高的问题，可作为未来重点研究方向。

4 结束语

本文针对目前C-V2X业务对低时延、高可靠、高精度定位的需求，对近期在3GPP Rel-18开展标准化研究的SL定位进行介绍，给出SL定位技术的场景和需求；对SL定位标准化过程中涉及到的物理层关键技术和潜在方案进行了详细的分析介绍；通过仿真说明了3GPP Rel-18 SL定位精度；最后分析目前SL定位技术面临的挑战，并对SL定位技术演进方向进行展望。