工業技術研究院 資訊與通訊研究所 徐國晃 王玉喆

NR V2X已在Rel-16中指定為補充接入技術，旨在提供更好的服務給具有更嚴格要求的複雜應用案例，如車隊行駛、自動駕駛等。

電機電子工程師協會（IEEE）和第三代合作夥伴計劃（3GPP）分別為ITS定義兩種存取層技術。第一種方法是專用短距通訊（Dedicated Short Range Communications, DSRC），主要以IEEE 802.11p／ITS-G5為基礎，支援車載自組織連接無線區域網路（WLAN）技術。第二種方法是基於蜂窩式的C-V2X技術，它是由3GPP基於長期演進（LTE）所提出，也稱為LTE-V2X。

歐洲車載通訊技術標準ETSI ITS和美國IEEE 1609系列標準，也稱為車用環境無線存取（Wireless Access in Vehicular Environment, WAVE），都可使用IEEE 802.11p / ITS-G5或C-V2X作為接入技術。事實上，為了部署這兩種方法，這些存取層已被標準化為歐洲標準規範（EN），指定它們在歐洲5.9 GHz ITS頻段中使用的運作細節。除此之外，IEEE 1609標準的分層定義不僅僅是基於802.11p存取層，現在也允許WAVE使用C-V2X當作其存取層，並且C-V2X還可以使用WAVE安全標準，例如IEEE 1609.2，而WAVE網路服務標準（IEEE 1609.3）已更新為同樣適用於DSRC與C-V2X。而NR V2X已在Rel-16中指定為補充接入技術，旨在提供更好的服務給具有更嚴格要求的複雜應用案例，如車隊行駛、自動駕駛等。本文介紹基於5G NR技術的C-V2X通訊Rel-16標準的現狀，將分析標準從4G C-V2X到5G C-V2X的進展，並從架構的角度說明需求、規範和操作模式。

精彩內容 1. 用於V2X通訊的5GS架構 2. V2X服務的應用層支援 3. 5G V2X應用需求

Rel-16 5G NR V2X技術

3GPP所定義的V2X增強無線電接入、通訊協定、核心網路等功能用以支援下列類別的車間通訊：

• 車輛對車輛（V2V）：直接在車輛的用戶設備（UE）之間通訊
• 車輛對行人（V2P）：在車輛和行人的UE之間通訊
• 車輛對基礎設施（V2I）：在車輛和道路基礎設施之間通訊，例如路側單元（RSU）為V2X應用提供與其他UE的連接
• 車輛對網路（V2N）：車輛和蜂窩網路實體之間通過蜂窩網路進行的廣域通訊，用於支援V2X的交通運作

3GPP Rel-14是第一個為V2X通訊導入至4G增強功能的標準，主要為基於長期演進技術之車聯網服務（LTE-based V2X service）的標準化工作，而LTE-based V2X服務技術又主要是基於Rel-12/13之裝置對裝置通訊（Device-to-Device Communication）的無線接取網路通訊協定架構進行強化，並於2017年完成Rel-14標準化制定。Rel-15第三代合作夥伴計畫之車聯網服務第二階段（3GPP V2X Phase 2）標準化工作主要基於Rel-14的無線接取網路通訊協定架構增加相關技術強化，例如傳輸分集（Transmission Diversity）、載波聚合（Carrier Aggregation）以及64點正交振幅調變（64 QAM）等技術的強化，可達到低延遲與高容量之需求，並於2018年完成Rel-15的標準化制定。Rel-14與Rel-15是依據長期演進技術（Long Term Evolution, LTE）架構所完成之車間通訊服務需求，而為滿足自動駕駛及遠端控制駕駛等需要高速傳輸與超可靠性服務需求，第三階段依據新無線電技術（New Radio Access Technology）架構進行Rel-16之第五代蜂巢式車聯網（5G C-V2X）的標準化制定，以符合5G蜂巢式車聯網之超低延遲、超高速傳輸需求、超可靠性、超密度點及隨時隨地可接入性等需求。

表1 V2X在3GPP Rel-14、Rel-15和Rel-16規範中之特性。

用於V2X通訊的5GS架構

圖1概述5GS架構為支援Rel-16 TS 23.287中定義的5G NR V2X功能所做的改善，包括5GC所涉及的所有網路功能（Network Functions, NF）。

3GPP指明5GS架構為V2X提供以下介面，且5GS還規定經由應用功能（Application Function, AF）為V2X通訊提供服務參數的架構。AF的功能通常由V2X AS負責。ØLTE PC5，可向下相容Rel-15 PC5參考點Ø LTE PC5，可向下相容Rel-15 PC5參考點

• E-UTRA Uu，可向下相容Rel-15 Uu參考點
• NR PC5，可連接支援NR V2X通訊的UE
• NR Uu，可連接UE與下一代（Next-Generation, NG）-RAN節點

圖1 支援V2X功能的5GS架構。

圖2顯示如何將基於NR的V2X場景對應到TS 23.287所定義的架構中，以及幾種連接示例。為方便說明，僅列出5GC架構中涉及V2X的部分網路功能（NF），如圖中綠色部分所示；通訊場景中透過5G NR V2X介面運行的上行（uplink）、下行（downlink）和側鏈（sidelink）則以紅色箭頭表示。圖2演示處理群播模式（groupcast）的典型用例—卡車隊列行駛。需要注意的是，群播地址管理始終由上層負責，而不是在MAC層處理。

5GC的其中一個任務是將UE的授權狀態發送給NG-RAN節點。在沒有LTE V2X控制功能（Control Function）的情況下，其授權和配置功能分布在與V2X相關的5GC實體中（如圖1所示）。具體而言，策略控制功能（Policy Control Function, PCF）提供V2X策略／參數配置（Police Provisioning）功能，例如QoS、無線電參數以及PLMN在CP平面的非接入層（Non-Access Stratum, NAS）信令上所支援的NR Uu和NR PC5參數配置。當UE斷定PCF為V2X通訊所提供的策略或參數無效時，例如遺失、逾時或不合邏輯，UE可以啟動策略提供程序（Policy Provisioning procedure）以聯繫PCF並修復之。

該標準支援以下方式來提供或更新V2X配置參數，以調節經由PC5和Uu介面到UE的V2X通訊：

• 預先儲存在ME中
• 在UICC中配置
• 預先儲存在ME中，同時在UICC中配置
• 由V2X AS透過PCF或V1提供
• 由PCF提供給UE

圖2 Rel-16 5G NR V2X 架構。

V2X服務的應用層支援 (V2XAPP）

Rel-16導入與V2X服務相關之應用層架構（V2XAPP）。V2XAPP規範在3GPP TS 23.286中，提出V2X應用程序啟動器（V2X Application Enabler, VAE）的概念；作為V2X應用程式介面，VAE以系統化的方式達成3GPP系統的應用層上各V2X服務間之互通性。V2XAPP 可以滿足在各種V2X應用層協議之間協調運行的需求，可以支援V2X服務的聯合運行，以實現在3GPP系統中能有效使用和部署V2X服務。

V2XAPP的框架是基於V2X應用程序啟動器（VAE）功能模型的概念所制定。該標準規定對V2XAPP的必要支援以具備下列能力：

I.         分發V2X消息
II.        確保服務連續性
III.      管理應用層的資源
IV.       實現動態群組管理
V.         透過EPS提供VAE伺服器應用程式介面（APIs）

圖3 V2X 應用層功能模型。

圖3描繪V2X應用層功能模型以及VAE與V2X應用和V2X AS中各功能組件之間的相互關係。如TS 23.286中所規範，VAE具有客戶端和伺服器端組件，為客戶端和伺服器端的功能提供支援。VAE客戶端支援消息傳遞、網路監控事件提取、網路通訊模式切換、定位改善、動態群組管理等。VAE伺服器支援網路資源管理、位置追踪、訊息分發、網路監控、分群、配置和身份管理等內建網路機制。

VAE層的優點如下所示：

• 參與者有更簡單的機制來存取網路連接的高級功能，例如QoS、MBMS、通知、有關網路狀態和網路事件的知識—這通常需要具備行動網路營運商（MNO）的技術水準。
  
• 提供對V2X應用程式而言不可或缺的常見功能，如：提供通訊配置參數、網路資源管理、QoS監控等；VAE有助於降低製作V2X解決方案的成本。
• 用統一的啟動層取代專有介面，從而降低總體成本，並有助於在V2X AS之間實現更具可擴展性的互聯、互通和訊息交換。

VAE層建立在垂直服務啟動器架構層（Service Enabler Architecture Layer, SEAL）提供的功能之上，SEAL層在Rel-16 TS 23.434中規範，該體系結構允許跨不同垂直行業使用功能及服務，支援除V2X外的許多其他垂直應用程式。VAE層乃基於SEAL架構之上開發關鍵功能，如V2X消息分發、服務連續性、應用程序資源管理與動態組管理等。

B2B模式下，UE設備在網路上和網路外均支援SEAL服務。在多個SEAL伺服器之間建立互連以實現分散式SEAL部署和服務間通信，可以實現SEAL伺服器之間的互動，允許用戶基於特定位置創建工作組。SEAL體系結構具有用於客戶端功能的SEAL客戶端和網路上的SEAL伺服器。在網路方面，SEAL層之上是垂直應用程序層（Vertical Application Layer, VAL），它使用SEAL層來完成服務。SEAL支援所有通用功能，這些功能為VAL提供重用現有功能來構建的能力。V2XAPP功能模組化架構如圖4所示。

圖4 V2XAPP功能模組化架構圖。

5G NR V2X應用發展

根據產業研究機構Precedence Research與TrendForce的研究報告指出，2027年全球5G車聯網市場規模將可上看129.3億美元，全球聯網汽車的普及率也將高達80％，透過車聯網將可協助提升車輛對環境感知的能力，進而大幅強化行車安全。

在V2X的應用需求方面，主要如圖5所示可分為先進駕駛（Advanced Driving）、車隊行駛（Vehicle Platooning）、延伸感測（Extended Sensor）與遠端遙控駕駛（Remote Driving）等服務情境；先進駕駛就是透過網路延長車輛的感知距離與反應時間。車隊行駛則是車群的自動跟車行駛，可以在半夜進行貨物運輸以降低人力需求。延伸感測則是透過車聯網可以分享與接收附近周遭其他車輛的感測訊息，以延伸車輛本身的感測範圍。遠端遙控駕駛類似無人駕駛捷運的運行原理，藉由車聯網操控遠端車輛的運行。除基本需求外，四種服務情境也各自制定出需求指標，對於資料傳輸速度、延遲時間、可靠度與通訊傳輸距離都有相對應的規範。

圖5 V2X應用發展案例。

5G V2X應用需求

在5G V2X的應用情境中，針對資料傳輸速度的要求，先進駕駛為65kbps～50Mbps、車隊行駛為12kbps～65Mbps、延伸感測為25～1000Mbps，而遠端遙控駕駛由於需要上傳車輛周圍與車內的相關影像資料，所以對於上行的傳輸速度要求為25Mbps。在低延遲與超高可靠度方面，由於V2N是連接至後台網路，可能會有幾秒鐘的時間延遲。V2I是路側設備固定不動，僅有車輛在移動，因此反應時間為毫秒等級；但在V2V通訊上，考慮到相對速度，如兩車分別以時速100公里朝對方行駛，其相對速度可高達時速200公里，因此對延遲時間的要求也最高，甚至到微秒等級。在四種服務情境中，先進駕駛及感測器輔助的延遲要求為3到100ms、車隊行駛延遲要求介於10～25ms、遠端遙控駕駛的延遲需求則為5～20ms之間。可靠度部分，V2X最大可靠度需求為80～95％，未來在5G NR V2X的可靠度將可達到99.999％的目標。最後在傳輸距離的部分，V2X通訊一般訂為100～320公尺，以市區公車在時速40公里運行為例，在遇到緊急狀況時，其反應時間剩下2.9～3.3秒；若導入V2X技術，可將感測距離延伸到450公尺，如此反應時間將可提升至9秒鐘，進而降低事故的發生率。因此，感測器輔助駕駛的通訊傳輸距離將朝更遠的1,000公尺目標發展。而在車隊行駛和先進駕駛情境下，傳輸距離將訂為5～10秒乘上車輛相對速度。

將ADAS結合V2X技術可更加強化車輛的安全防護，搭載ADAS之車輛透過各式感測器僅能提供約60％的防護；在加入V2X後，則可以克服壞天氣所造成的交通號誌辨識問題、提供可視範圍外的通訊、支援網路存取與中長距離的通信，結合兩者可將安全防護提升到96％。以台灣發生的大型連環車禍為例，因為濃霧導致視線不良，大部分車輛在此狀況下高速行駛，當發現前方路況時，往往已經來不及煞車，如果有V2X協助就能避免事故發生。

 

結論

本文回顧從Rel-14和Rel-15 LTE V2X的架構方法到Rel-16 5G V2X技術的基本原理，並簡要說明在3GPP標準中添加的V2X功能與特性。如前所述，這些進步源於對日益複雜的V2X服務類別的支援，對延遲、可靠性和吞吐量的要求更加嚴格。而目前業界晶片廠商也進入產品驗證階段，如全球領先的C-V2X晶片製造商高通公司推出第一款晶片組用於執行V2X標準評估。另一方面，為了使混合網路成為可能，Autotalks也推出第一款雙模V2X晶片組，該晶片組結合DSRC和C-V2X技術，通過簡單的配置可在這兩種技術之間切換。未來在Rel-17以及5G之後建立的下世代通訊技術，將能支援更多V2X應用以確保車輛達到新的安全和效率，使得聯網汽車的時代盡早來臨。

 

參考文獻

[1] TSG SA, Release Description; Release 14, document TR 21.914 V14.0.0, 3GPP, Jun. 2018.
[2] TSG SA, Release Description; Release 15, document TR 21.915 V15.0.0, 3GPP, Oct. 2019.
[3] TSG SA, Release Description; Release 16, document TR 21.916 V0.4.0, 3GPP, Mar. 2020.
[4] TSG SA, Architecture Enhancements for 5G System（5GS）to Support Vehicle-to-Everything（V2X）Services, document TS 23.287 V16.2.0, 3GPP, Mar. 2020.
[5] TSG SA, Application Layer Support for Vehicle-to-Everything（V2X）Services; Functional Architecture and Information Flows, document TS 23.286 V16.3.0, 3GPP, Mar. 2020.
[6] TSG SA, Service Enabler Architecture Layer for Verticals（SEAL）; Functional Architecture and Information Flows, document TS 23.434 V16.3.0, 3GPP, Mar. 2020.
[7] IEEE Std 802.11 – 2012, IEEE Standard for Information Technology – Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks - Specific requirements - Part 11: Wireless LAN Medium Access Control（MAC）and Physical Layer（PHY）Specifications, 2012.
[8] 1609.2-2016, Standard for Wireless Access in Vehicular Environments – Security Service for Applications and Management Messages, IEEE, 2016.
[9] 1609.3-2016, Standard for Wireless Access in Vehicular Environments（WAVE）- Networking Services, IEEE, 2016.