探索5G网络与C-V2X网络融合发展的新路径

2022-07-23陈海燕

通信电源技术 2022年5期

刘冰，陈海燕

（安徽电信规划设计有限责任公司，安徽合肥 230031）

0 引言

在科技新基建的宏观背景下，利用5G网络实现“人、车、路、云”协同交互式车联网发展是大势所趋，既可以实现低时延、高可靠的自动驾驶类业务，又可以满足车载娱乐、在线视频会议等大带宽类增值业务需求[1]。同时5G网络与蜂窝车联网（Cellular Vehide-to Everything，C-V2X）网络融合发展可以实现基础设施的集约化建设，释放有限的空间资源，节约建设与运维成本[2]。5G基站型路测单位（Road Side Unit，RSU）能够将RSU功能与5G基站相融合，从而利用一个设备、一套网络实现5G在车联网领域的赋能。基于蜂窝通信技术的C-V2X网络涉及众多行业，产业链上下游已经形成了完整的产业链生态[3]。5G基站设备与RSU设备融合需要打破原有产业链体系，完成跨部门、跨行业的融合，是个长期发展的过程。基于此，有必要设计一套不依赖设备合并的网络融合方案。

1 5G与C-V2X独立组网方案

5G与C-V2X独立组网阶段，RSU与5G基站一般部署在不同位置。C-V2X网络依据车路协同需求规划布局，实现车辆与道路覆盖；而5G网络则依据公众用户的需求规划布局，实现广域全局覆盖。

C-V2X技术包括LTE-V2X技术及其平滑演进形成的5G-V2X技术，其中5G-V2X支持基于Uu接口的网络通信模式（5G Uu）和基于PC5接口的终端直通通信方式（5G PC5）[4]。5G Uu接口基于5G蜂窝网络技术大带宽、低时延、高可靠的特性，支持车辆、交通基础设施、人以及云端平台之间信息的快速传输。而5G PC5支持车辆、人、交通路侧基础设施之间的直接通信，适配更多的应用场景，可以保障无网络覆盖环境下的互联互通[5]。此外，5G Uu接口还可以实现针对5G PC5接口的资源调度，以便合理地分配直连通信传输资源，提高5G PC5通信传输的可靠性[6]。5G与C-V2X独立组网拓扑如图1所示。

图1 5G与C-V2X独立组网拓扑

5G-V2X技术是NR-V2X技术的一部分，是LTE-V2X技术的增强和补充，在未来很长一段时间内会与LTE-V2X共存，并针对不同用例提供服务。终端设备将同时配备LTE-V2X模块和NR-V2X模块，其中LTE-V2X模块支持基本安全类业务，NR-V2X模块则支持面向自动驾驶的高级应用[7]。根据车载信息服务产业应用联盟和未来移动通信论坛联合工作组基于蒙特卡洛仿真和确定性分析计算等得到的研究结果，5 850～5 925 MHz作为全球范围以及区域性融合的智能交通系统（Intelligent Traffic System，ITS）频谱，可以与现有同频业务和邻频业务共存，在兼容性方面具有频率使用的可行性[8]。

根据我国对5G网络的频谱分配和运营商共建共享情况，5G网络将分别由中国移动/广电共建在700 MHz和2.6 GHz频谱范围内，而电信/联通则部署在SUB 6GHz频段上。运营商5G频谱分布如图2所示。

图2 运营商5G频谱资源分布

5G-V2X技术是NR-V2X技术的一部分，是LTE-V2X技术的增强和补充，在未来很长一段时间内会与LTE-V2X共存，并针对不同用例提供服务。终端设备将同时配备LTE-V2X模块和NR-V2X模块，其中LTE-V2X模块支持基本安全类业务，NRV2X模块则支持面向自动驾驶的高级应用[7]。根据车载信息服务产业应用联盟和未来移动通信论坛联合工作组基于蒙特卡洛仿真和确定性分析计算等得到的研究结果，5 850 MHz～5 925 MHz作为全球范围以及区域性融合的智能交通系统（Intelligent Traffic System，ITS）频谱，可以与现有同频业务和邻频业务共存，在兼容性方面具有频率使用的可行性[8]。综合分析，建议在第一阶段建设中将5G PC5与5G Uu口的5G-V2X网络部署于5.8 GHz频段。独立组网阶段C-V2X网络频谱资源分布建议如图3所示。

图3 独立组网阶段C-V2X网络频谱资源分布

2 基于MEC的5G-V2X协同组网方案

在时延、带宽以及计算能力等方面，各类C-V2X应用场景对网络环境提出了不同的要求[9]。高级别自动驾驶和传感器共享等增强型的V2X场景时延最低要求3 ms，全局路况分析场景则要求对视频、雷达信号等感知内容进行精准分析和处理[10]。

随着5G网络在行业应用中的不断成熟，基于移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）和网络切片的5G专网建设将进入新的阶段，5G网络与C-V2X网络的融合也将迎来基于MEC的5G专网协同建设新阶段。基于MEC的5G专网与C-V2X融合是将C-V2X业务部署在MEC平台上，借助5G Uu接口或5G PC5接口支持实现“人-车-路-云”协同交互，通过路边MEC降低端到端数据传输时延，缓解终端或路侧智能设施的计算与存储压力，提供本地化的高质量服务[11,12]。基于MEC的5G-V2X协同组网拓扑如图4所示。

图4 基于MEC的5G-V2X协同组网拓扑

我国3 300～3 400 MHz频段用于5G室内覆盖，由4家运营商共享[13]。在实际的部署中，考虑到与4G系统融合时低频器件成熟度更高、成本更低等因素，运营商并未将5G部署在该频段。由于车联网主要覆盖道路侧，其覆盖信号与室内信号重叠区域范围小，因此可以考虑将整个C-V2X频段迁移至3 300～3 400 MHz频段，与5G共享室内频谱资源，有利于降低设备器件的建设成本。协同组网阶段5G与C-V2X网络频谱资源分布如图5所示。

图5 协同组网阶段5G与C-V2X网络频谱资源分布

3 基于频谱共享的网络融合方案

在基于MEC的5G-V2X协同组网阶段，5G基站设备可以与RSU设备共同部署在同一位置，与C-V2X覆盖区域形成一个“同心圆”重叠区域。在此基础上，采用5G微站设备实现两网同覆盖，降低建设成本。5G网络可以在无线侧、传输侧以及核心侧分别采用载波隔离、FlexE接口隔离、UPF/AMF下沉等方式与公网用户完全隔离，实现更高安全性的车路协同5G专网覆盖。基于频谱共享的网络融合拓扑如图6所示。

图6 基于频谱共享的网络融合拓扑

在频率方面，可以采用集中或分布的方式实现C-V2X与5G资源的动态频谱共享，以提升未来高级别车联网业务能力。频谱集中式架构下，在MEC上增加高级管理节点或直接在MEC中融合频谱高级管理功能，实现共享频谱管理[14]。频谱分布式架构下，不新增高层管理节点，在5G基站与RSU之间直接进行信息交互，实现竞争或协商的频谱共享[15]。融合组网阶段5G与C-V2X网络频谱资源分布如图7所示。