终端直通专题组技术报告.pdf

IMT-2020(5G)推进组 终 端直通 专题组技术报告 技术报告 Technical Report 版权声明 Copyright Notification 本文档由 IMT-2020（ 5G） 推进组 终 端直通 专题组成员单位起草 未经书面许可 禁止打印、复制及通过任何媒体传播 2015 IMT-2020推进组版权所有 目录 第一章 终端直通技术需求与场景 . 5 1.1 VDC 需求与场景 . 5 1.2 协作通信需求与场景 . 8 1.3 业务连续性需求与场景 . 11 1.4 Low Cost 需求与场景 . 13 第二章 解决方案与评估 . 15 2.1 VDC 方案介绍 . 15 2.1.1 V2V 空口方案 . 15 2.1.2 动态频谱共享 . 21 2.1.3 网络辅助拥塞控制 . 22 2.1.4 基于地理位置的广播 . 23 2.1.5 基于网络连通性的资源分配 . 25 2.1.6 快速直连终端的发现 . 26 2.2 协作通信方案介绍 . 27 2.2.1 方案 1 . 27 2.2.2 方案 2 . 28 2.2.3 方案 3（ MUCC， Multiple User Cooperative Communication） . 29 2.2.4 方案 4（多中继系统网络编码） . 31 2.2.5 多跳传输动态路由算法 . 33 2.2.6 多中继系统网络编码在消息分发中的应用 . 35 2.2.7 使用于 D2D 协作通信的协作分集方法 . 36 2.2.8 评估与结论 . 39 2.3 业务连续性方案介绍 . 58 2.3.1 基于功率控制和模 式切换的业务连续性方案 . 58 2.3.2 模式切换时的数据前转方案 . 59 2.3.3 评估与结论 . 61 2.4 Low Cost D2D 方案介绍 . 67 2.4.1 Low Cost D2D 设计方案 . 68 2.4.2 评估与结论 . 69 第 一章 终端直通技术 需求与场景 1.1 VDC 需求与场景 随着经济社会高速发展，中国汽车保有量迅速增长，道路交通事故频繁发生，已成为近年来影响我国公众安全感的重要因素之一，道路交通安全问题已经成为影响社会和谐和改善民生的基本问题之一。车联网是融合了通信、汽车、交通等行业的新兴智能战略产业，通过车辆之间及交通设施之间通信，将人、车、路、网有机地结合在一起，形成车路协同，可以有效解决传统激光、雷达、机器视觉分析等存在的距离、角度等缺陷，从而能够全方位提升汽车主动安全系统的感知范围和感知程度，大幅降低交通事故，避免碰撞引发的生命财产损失，提高交通通行能力，解决交通拥堵， 提升道路承载能力，减少噪音与尾气排放。 车联网中的通信技术， V2X，包括车车通信（ V2V）和车路通信（ V2I 或者V2R），也称之为 Car2X，是车联网核心部分之一。车联网的无线通信技术主要上分两种，一是无线局域网，二是蜂窝移动网络 （技术指标间表 1.1-1）。使用WLAN 可以降低成本，提高带宽，能够满足交通信息实时交互的需求。 WLAN环境下，路边基础设施为无线网关 AP，车辆与车辆、车辆与路边基础设施之间通过 WLAN 进行通信。而且这样可以和手机的移动通信区分开来，有效的从根本上避免了干扰。 众说周知， WLAN 的标准是以 802.11 为基础的，目前国际上选用 IEEE 802.11p 协议作为车联网通信系统的协议，符合智能交通系统中相关应用的需求。但是，由于 802.11p 采用的是 CSMA 接入技术，所以当车辆密度大时，所有车辆必须竞争使用有限的资源，导致信道拥塞，影响通信质量与效率。另外，由于使用 WLAN 技术必须在路边建设基础设施，使其部署成品大大提高，商业模式也不明朗，因此自 2010 年发布以来至今没有实现大规模商用。 随着高性能的 LTE 全面商用，相比于 IEEE 802.11p， LTE 拥有大覆盖范围的基站作为 “与生俱来 ”的基础设施，可以支持长距离信息传递，高速移动节点，稀疏交通场景以及复杂的传输环境。另一方面，不同于 802.11p 自组织组网方式， LTE 采用中心组网方式，可以保证 V2X 的通信质量，解决 802.11p 可靠性低的问题。但是，目前的 LTE 标准并不支持 V2V 通信，经过基站的通信方式会大大增加通信时延，这在车辆网中是不可容忍的。密集组网下的周期性广播技术无法在 LTE 网络下实现。 表 1.1-1： 各通信技术指标 因此，在 VDC 中首先需要满足使用终端直通技术实现 V2V 通信并满足车联网中的延时和可靠性指标。其次，如何在密集组网场景下实现周期性广播也是终端直通技术中需要考虑的。 为了保证交通安全， VDC 中车辆需要以广播形式发送安全类消息，周围的车辆接收到此类消息后，如果发现有可能会发生碰撞的危险，则会向驾驶员发出预警，以便于驾驶员及时避让。基本消息类型分为 CAM 消息和 DENM 消息。CAM 消息用于向位于单跳通信范围内的邻居 ITS 终端提供本 ITS 终端的位置、速度、加速度、方向等车辆的基本状态信息，适用于前方车辆告警、摩托车接近指示等场景。所有 VDC 节点启动后， CAM 消息大体上会 按照一定的周期向外发送。 DENM 消息用于通知特定事件的发生，当定义的特定事件发生时，触发对应的 DENM 消息，在事件取消前，对应的 DENM 消息将周期性向外发送，适用于紧急电子刹车灯告警、逆向超车提示等场景。车辆安全消息对于时延、可靠性和传输距离均有较高的要求，通常而言，车辆安全消息的传播时延需要控制在100ms 以下，可靠性方面需要确保较高的包递交率和包接收率，覆盖范围方面需要支持数百米的传输能力。 另外车车 /车路之间通信，一方面需要保证对发送节点的可信性，防止来自恶意节点的安全威胁，同时还要保证发送消息的完整 性、机密性；另一方面也需要保护发送节点的个人隐私。 表 1.1-2 VDC 描述 通信方式 a) 道路上的车与车 及车与人及车与路边单元 之间的通信 b) 道路上的车辆与基站间的通信 应用场景 a) 交通安全 b) 行车效率 c) 信息服务及娱乐 消息类型 a) CAM (Cooperative Awareness Message) b) DENM (Decentralized Environmental Notification Message) 消息周期 100ms 通信类型 a) 单跳 b) 多跳 图 1.1-1：应用场景 1.2 协作通信需求与场景 随着经济社会的高速发展，互联网服务移动化的趋势越来越明显，各种新的App 层出不穷，为工作、生活、娱乐、出行等方方面面提供了良好的用户体验，人们对于 “随时随地连接 ”的需求变得愈发强烈，但是传统的蜂窝通信并不能保证手机与基站间的信道状况始终良好。另一方面，不断普及的智能终端设备也拥有越来越强的通信能力，一部手机除了可以通过蜂窝通信外，往往还可以使用 wifi、蓝牙等短距离通信技术。临近的多个用户间通过短距离技术进行协作，互相中转数据，这样就使得某一终端设备与基站间有多条信道，当某一信道状况不好时，总可以选择其它更优的信道通信，这样能够提升吞吐量，有助于带来更好的用户体验。 数据共享网络建立在终端直连技术上，在基站的控制 /协助下或者由终端自发组织建立起数据传输网络。如图 1.2-1 所示，数据共享网络可以对数据进行网络编码，获得分集或复用增益。 图 1.2-1 数据共享网络 D2D 通信的应用对终端之间的距离比较敏感，终端间距越大， D2D 传输的优势越不明显，而单纯提 高发射功率，则会导致终端功耗上升从而使得 D2D 的竞争力下降。因此对于常规的 D2D 通信来说，可能往往需要将其传输距离限定在百米甚至十米的数量级范围内。而协作通信则具有克服 D2D 通信距离受限的可能。 网络编码是一种典型的协作通信技术。传统的数据传输策略是信源产生数据，中间节点进行复制、存储和传输，接收节点接收数据，数据之间是独立、不相关的。而网络编码推翻了独立比特不能被压缩的经典结论，指出网络信息流可以被数 据 源接 收 端分 数 据 包 1分 数 据 包 3分 数 据 包 2压缩，从而进一步提升网络吞吐量。网络编码的基本思想是：允许网络中的节点对接收到的信息合并后再传输，中继节点对来自不同链路的信息进行编码组合，使得网络节点既具有路由功能又具有编码功能。由此可见，网络编码技术本身的一个主要优势就是通过合并多个链路的信息来提高等效 SINR。这也意味着，将网络编码应用到 D2D通信中，则具有克服传统 D2D传输距离受限、从而提高 D2D通信性能的优势。 D2D协作通信中的网络编码除了可以提高系统的容量，还能够带来分集增益。由于终端的天线高度和天线增益远低于基站天线，而且具有移动性，因此终 端与终端之间的信道质量较传统上行和下行的要差。为了保证信号传输的可靠性，分集对于 D2D通信尤为重要。 图 1.2-2所示的蝶形网络是典型网络拓扑结构，源节点 A和 B分别发送 1比特到目的节点 X1和 X2，假设各链路的容量为 1。图 (A)中采用的是传统路由方法，即节点 C一次只能传送 1比特到节点 D，节点 D也只能传送 1比特到节点 E和 F，节点 C和 D之间的链路不得不使用了两次；图 (B)采用基于模二加的网络编码方法，节点 C对输入信息流进行编码，将编码的结果 X1 X2 ( 表示模 2加 )传送到节点D，再通过节点 D传送给节点 E和 F。 节点 E根据自身已收到的信息 X1和 X1 X2，可以解码出 X2（ X2=X1 (X1 X2)）。同样，节点 F也能解码出 X1，平均速率是 2比特 /单位时间。 图 1.2-2 蝶形网络的网络编码示意图 根据业务类型的不同，潜在的存在以下业务场景： - 终端数据发布场景： 终端触发的数据共享场景。该场景由终端触发发布数据，并由网络侧下发业务广播，在寻找到接收兴趣方后，建立数据共享网络并实施数据协作传输。 - 网络数据发布场景： 网络触发的数据共享场景。该场景由网络触发发布数据，并由网络侧下发业务广播，在寻找到接收兴趣方后，建立数据共享网络并实施数据协作传输。 数据协同接收场景：终端发起的基于某特定数据的预约协同传输场景。该场景由终端向网络侧提出对某特定数据的接收需求，网络侧下发协同广播，在寻找到协作接收方后，建立数据共享网络并实施数据协作传输。 上 面提到的 协作通信 的内容是 对应网络编码最常见的应用 无线 /卫星通信，属于简单拓扑场景，对网络编码本身的要求较低，通过最简单的 XOR 加或PHY Network Coding 即可实现，但对节点到基站的链路状态存在一定要求，因此只适用于中等及较远距离下的 D2D 通信。此外，与标准 D2D 相比，基站辅助监听方案中会对进行辅助传输的基站造成一定负荷，影响小区频谱繁忙程度；而且在基站为多个 D2D 通信对进行辅助的场景中，基站需要接收来自多个 UE 的信息，间接要求物理距离较远（ e.g.两跳范围以外）并在标准 D2D 中有可能复用时频资源的多个 UE 在基站辅助监听方案中需要使用额外的时频资源，从而影响整个系统的资源复用程度。因此基站辅助监听可视为在标准 D2D 和同构网下行传输间进行组合折中的一类方案。类似 地，邻近 UE 辅助监听方案会对辅助UE 造成影响，可能需要选择较空闲的 UE 进行辅助，并通过不同 D2D 通信对选择不同辅助 UE 的策略，减轻邻近 UE 辅助监听方案对系统复用时频资源程度的影响。 多中继系统网络编码方案通常对应较复杂的多信源多中继拓扑场景，在中继节点上限可知的情况下，可以采用 MDS-FFNC 作为网络编码，但要求实现对编码矩阵及系统中各个节点使用的 encoding kernel 进行配置，且网络编码使用的有限域维度必须能够容纳当前中继节点的需求，造成系统的灵活性和可扩展性相对较差，实施复杂度较高。当网络规模较 大，中继节点数目较多时，可使用随机网络编码，并选取较大的有限域维度，但高维有限域编码会为系统引入可观的计算复杂度，造成额外开销。综上所述，网络编码应用于复杂拓扑场景时带来的高