《電子技術(shù)應(yīng)用》
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6 GHz頻段V2X車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)兼容性研究
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第9期
張少偉
中國電信股份有限公司智能網(wǎng)絡(luò)與終端研究院,,北京102209
摘要: 現(xiàn)階段,我國正處于制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、新興科技產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的重要時期,,作為新興智能產(chǎn)業(yè)的車聯(lián)網(wǎng)正日漸受到國家重視,。以第五代移動通信(5G)系統(tǒng)為基礎(chǔ),采用國際電信聯(lián)盟(ITU)相關(guān)建議書和報告書提供的傳播模型,,通過確定性計算,,開展了對6 GHz頻段下V2X車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)的兼容性研究。結(jié)果表明,,6 GHz頻段下V2X車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)具備共存的可能性,。
中圖分類號: TN929.5
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190855
中文引用格式: 張少偉. 6 GHz頻段V2X車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)兼容性研究[J].電子技術(shù)應(yīng)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.
Research on the compatibility between V2X Internet of Vehicles system and FSS at 6 GHz frequency band
Zhang Shaowei
Intelligent Network and Terminal Research Institute of China Telecom Co.,Ltd.,,Beijing 102209,,China
Abstract: At this stage, as China is in an important period of transformation and upgrading of manufacturing industry and innovation and development of emerging technology industries, the emerging intelligent industry V2X is increasingly receiving national attention. Based on the fifth-generation mobile communication system(5G), the compatibility between the V2X Internet of Vehicles(IoV) system and the fixed satellite service at 6 GHz is researched through the deterministic calculation, via using the communication model provided by the relevant recommendations and reports of the International Telecommunication Union(ITU). The results show that the V2X IoV system is compatible with fixed satellite service(FSS) at 6 GHz frequency band.
Key words : 5G;V2X,;Internet of Vehicles,;fixed satellite service;compatibility

0 引言

    車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是能夠?qū)崿F(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)汽車與公共網(wǎng)絡(luò)通信的移動通信系統(tǒng),。車用無線通信技術(shù)(Vehicle to Everything,,V2X)是車輛與一切事物相連接的新一代信息通信技術(shù),其模式包括:車-車(Vehicle to Vehicle,,V2V),、車-路(Vehicle to Infrastructure,V2I),、車-人(Vehicle to Pedestrian,,V2P)、車-網(wǎng)絡(luò)(Vehicle to Network,,V2N)的交互,,如圖1所示。

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    目前,,我國已為LTE-V2X規(guī)劃了5 905~5 925 MHz頻率用于直連通信(工信部無[2018]203號),。3GPP也已啟動了5G NR V2X的標準化工作,,計劃于2019年底之前完成,。根據(jù)未來移動通信論壇(FuTURE Forum)和車載信息服務(wù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用聯(lián)盟(TIAA)聯(lián)合發(fā)布的白皮書,根據(jù)智能網(wǎng)聯(lián)汽車的滲透率不同,支持自動駕駛至少還需40~400 MHz的頻譜資源?,F(xiàn)有可能成為全球協(xié)調(diào)頻率的5 850~5 925 MHz難以滿足全部的頻譜需求,,存在頻段上擴的需求和空間。

    本文從兼容性角度分析在6 GHz頻段為V2X尋求頻譜資源擴展的可行性,。

1 C-V2X概述

    C-V2X(Cellular Vehicle to Everything)是基于蜂窩通信技術(shù)演進形成的技術(shù),。C-V2X包含兩種通信接口:PC5接口(車、人,、路之間的短距離直接通信接口)和Uu接口(基站和終端之間的通信接口,,可實現(xiàn)遠距離和更大范圍的可靠通信)。C-V2X是基于3GPP全球統(tǒng)一標準的通信技術(shù),,包含LTE-V2X和5G-V2X,,從技術(shù)演進角度講,LTE-V2X支持向5G-V2X平滑演進,。

    C-V2X支持有蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋和無蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋兩種工作場景,。當(dāng)車載終端、智能手機,、路測單元等支持C-V2X的終端設(shè)備處于蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋內(nèi)時,,可在蜂窩網(wǎng)絡(luò)的下使用Uu接口來進行V2X通信;而PC5接口無論是否有蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋,,均可進行V2X通信,。C-V2X將這兩種接口相互結(jié)合,相互支持,,共同支撐V2X業(yè)務(wù)傳輸,,能夠形成有效的冗余,用來保障通信的可靠性,。

1.1 PC5接口關(guān)鍵技術(shù)

    C-V2X在PC5接口上的機制設(shè)計基礎(chǔ)是LTE-D2D技術(shù),。為支持V2X消息廣播,行駛方向,、速度,、位置等快速變化的動態(tài)信息交換,以及未來更先進的自動駕駛應(yīng)用(如共享傳感器,、車輛編隊行駛)等,,C-V2X在多方面進行了增強設(shè)計,主要包括:

    (1)物理層結(jié)構(gòu)增強,。為了解決車輛間因相對高速度而導(dǎo)致的多普勒效應(yīng)和頻率偏移等問題,,C-V2X對物理層結(jié)構(gòu)進行了增強。

    (2)支持全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同步,。在C-V2X通信期間,,需要使其發(fā)射端和接收端保持同步,,以此來確保通信性能。此外,,C-V2X可支持多種同步源類型(如車輛,、基站、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等),,通信終端能夠通過調(diào)取預(yù)配置信息,、網(wǎng)絡(luò)控制等方式來獲取最優(yōu)同步源,以最大程度來實現(xiàn)全網(wǎng)同步,。同時,,C-V2X還能依靠對最優(yōu)同步源的動態(tài)維護,使終端能夠及時同步到高優(yōu)先級的同步源,。

    (3)更高效的資源管理機制和擁塞控制機制,。PC5接口作為C-V2X的核心技術(shù),可支持Mode-3和Mode-4(即資源調(diào)度式分配方式和終端自主資源分配方式),。另一方面,,C-V2X還支持集中式和分布式相結(jié)合的擁塞控制機制,可以顯著提升高密度場景下的用戶接入數(shù),。

1.2 Uu接口關(guān)鍵技術(shù)

    為了更好地匹配V2X的業(yè)務(wù)特性,,C-V2X在Uu接口上主要對以下幾個功能進行了增強:

    (1)上下行傳輸能力。上行傳輸支持基于業(yè)務(wù)特性的多路半靜態(tài)調(diào)度,,不僅能夠保持業(yè)務(wù)傳輸?shù)母呖煽啃?,還能使上行調(diào)度時延大幅度降低。下行傳輸針對V2X業(yè)務(wù)的局部通信特性,,支持小范圍廣播,、低時延的多播/組播和單小區(qū)點到點單播。此外,,LTE-V2X還支持核心網(wǎng)元本地化部署,,并且為了保證業(yè)務(wù)傳輸?shù)男阅埽€針對V2X業(yè)務(wù)特性定義了專用服務(wù)質(zhì)量參數(shù),。

    (2)多接入邊緣計算研究,。針對如自動駕駛、實時高清地圖下載等具備超低時延,、超高可靠性傳輸需求的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù),,C-V2X可以采用多接入邊緣計算技術(shù)。目前ETSI和3GPP等標準組織都將該技術(shù)作為重點研究項目,,針對其整體框架,、用戶選擇、業(yè)務(wù)分流,、移動性和業(yè)務(wù)連續(xù)性以及網(wǎng)絡(luò)能力開放等關(guān)鍵方面進行研究,。

2 衛(wèi)星固定通信系統(tǒng)

    衛(wèi)星固定通信系統(tǒng)一般分為空間段(通信衛(wèi)星),、地面段(地球站和關(guān)口站)、跟蹤遙測及指令分系統(tǒng),、監(jiān)控管理系統(tǒng)四大部分組成,。

    (1)空間段:由中圓地球軌道衛(wèi)星,、地球靜止軌道衛(wèi)星和傾斜地球同步軌道衛(wèi)星等3種軌道衛(wèi)星組成,,主要起無線中繼站的作用,通過衛(wèi)星搭載的星上轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)地球站的信號,。

    (2)地面段:地球站一方面負責(zé)將地面信號發(fā)送到衛(wèi)星,,另一方面接收來自衛(wèi)星的信號后發(fā)送給相應(yīng)的地面用戶終端。關(guān)口站可以認為是一種特殊的地球站,,是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的核心,,為公眾網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)提供傳輸信道。

    (3)跟蹤遙測及指令分系統(tǒng):跟蹤檢測衛(wèi)星信息,,修正其運行軌道和保持其位置姿勢,。

    (4)監(jiān)控管理系統(tǒng):對通信性能進行監(jiān)測和控制,以確保系統(tǒng)能夠正常通信,,并能滿足不同衛(wèi)星通信系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)要求,。

    甚小天線地球站(Very Small Aperture Terminal,VSAT)是衛(wèi)星固定通信系統(tǒng)中的一個典型應(yīng)用,,主要包括主站部分,、小站部分及用戶終端。

    VSAT主站部分的設(shè)備配置較遠端小站復(fù)雜,,天線尺寸大,,發(fā)射功率高。VSAT網(wǎng)絡(luò)基帶設(shè)備負責(zé)處理衛(wèi)星信號,,包括調(diào)制解調(diào)器,、復(fù)用器和編/解碼器,通過網(wǎng)絡(luò)管理平臺進行管理,;程控交換機用于管理電話通信,;關(guān)口站用于連接PSTN和Internet。

    VSAT小站部分的天線尺寸小,,發(fā)射功率低,,負責(zé)天線接收、射頻處理及衛(wèi)星信號處理,。

    用戶終端負責(zé)普通用戶接入終端(如固定電話,、視頻播放器等)。

    根據(jù)我國無線電頻率劃分規(guī)定,,5 925 MHz以上頻率主要業(yè)務(wù)有固定業(yè)務(wù),、衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)(Fixed Satellite Service,,F(xiàn)SS)和移動業(yè)務(wù),表1所示為該頻率段劃分表,。其中5 925~7 125 MHz頻段是C波段FSS的上行頻段,,F(xiàn)SS也是該頻段實際使用最多的無線電業(yè)務(wù)。由于固定業(yè)務(wù)(該頻段主要是微波系統(tǒng))點對點通信架設(shè)高度通常較高,,故與V2X易于兼容,,而移動業(yè)務(wù)雖已被劃分,但仍未啟動相關(guān)應(yīng)用,,因此V2X與FSS的兼容性將影響V2X業(yè)務(wù)在該頻段的頻譜擴展,。

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3 兼容性研究相關(guān)參數(shù)

3.1 V2X系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

    車聯(lián)網(wǎng)自動駕駛類應(yīng)用是3GPP目前研究的5G uRLLC技術(shù)的重要場景之一。NR-V2X技術(shù)支持自動駕駛技術(shù)場景,,與LTE-V2X基礎(chǔ)類安全駕駛輔助協(xié)同形成場景互補,。根據(jù)3GPP目前的性能評估研究,本研究主要參考TR37.885關(guān)于NR-V2X的參數(shù)[1],,以用于系統(tǒng)參數(shù)指標進行兼容性共存研究,,相關(guān)參數(shù)如表2所示。

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    中國及其周邊區(qū)域內(nèi)在同一時刻處于發(fā)射狀態(tài)的NR-V2X設(shè)備總數(shù)計算如表3所示,。

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3.2 衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)系統(tǒng)參數(shù)

    5 925~7 125 MHz頻段FSS系統(tǒng)參數(shù)如表4所示,。

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4 V2X系統(tǒng)與FSS系統(tǒng)的共存研究

4.1 V2X系統(tǒng)與FSS系統(tǒng)干擾場景

    選擇干擾惡劣的情況,具體如圖2所示,。

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4.2 自由空間傳播模型

    V2X系統(tǒng)干擾FSS衛(wèi)星,,采用ITU-R SG3提供的ITU-R P.525傳播模型[2]

    對于點對點鏈路,,使用下述公式計算全向天線間的自由空間衰減,,即自由空間基本傳輸損耗:

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其中,f是頻率,,d是距離,。

4.3 Clutter Loss模型

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

    對地面到地面的路徑Lctt,,不超過p%位置的地物損耗由下面的公式給出:

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4.4 確定性計算

    確定性分析方法是在各參數(shù),、頻譜發(fā)射模板等條件下,根據(jù)通信處于最惡劣的環(huán)境下,,得到被干擾系統(tǒng)受到的最大干擾,。

    一條典型的干擾鏈路主要包括干擾系統(tǒng)、被干擾系統(tǒng)及傳播路徑,。具體來說,,包括干擾發(fā)射功率、干擾和被干擾天線增益,、路損,,滿足如下公式:

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其中,,Prx表示干擾功率,Ptx表示發(fā)射功率,,Gtx表示發(fā)射天線增益,,Grx表示接收天線增益,Lloss表示傳輸損耗,。

    通過上述公式可以得到被干擾系統(tǒng)接收機的干擾功率,,對比保護準則可以評估是否滿足保護條件。同頻干擾評估公式如下:

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其中,,K表示玻爾茲曼常數(shù),,B表示帶寬,,T表示噪聲溫度,。

    由表4可知衛(wèi)星的G/T值,所以評估公式可變?yōu)椋?/p>

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    若I/N-I0≥0,,則說明兩個系統(tǒng)之間沒有干擾,,可以共存;若I/N-I0<0,,則說明兩個系統(tǒng)之間存在干擾,。

5 計算結(jié)果

    針對60E和116E兩個同步地球軌道衛(wèi)星軌位,根據(jù)式(9)可以算出兩個衛(wèi)星軌位下的I0值,,結(jié)果如表5所示,。

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    由表5可以看出,衛(wèi)星位于60E軌位時,,可以共存,,還有30.9 dB的保護余量;衛(wèi)星位于116E軌位時,,可以共存,,還有23.9 dB的保護余量。

6 結(jié)論

    基于V2X未來頻譜需求預(yù)測,,經(jīng)過初步確定性分析,,結(jié)果顯示V2X系統(tǒng)可與6 GHz頻段FSS系統(tǒng)兼容共存,頻譜資源向上擴展具備一定的可行性,。未來實際的頻譜使用還需要根據(jù)V2X業(yè)務(wù)的發(fā)展對頻譜資源的實際需求,,結(jié)合實際系統(tǒng)參數(shù)開展進一步仿真研究和測試論證。

參考文獻

[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:

張少偉

(中國電信股份有限公司智能網(wǎng)絡(luò)與終端研究院,,北京102209)

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