工研院資通所 蔡華龍 許崇仁 黃貴笠
5G蜂巢式車聯網有高度需求性，相關技術的演進跟標準化制訂將讓蜂巢式車聯網服務成為5G中最重要的電信服務之一。
蜂巢式車聯網通訊（Cellular Vehicle-to-Everything, C-V2X）應用服務需求日益增長，5G蜂巢式車聯網在車流管理與安全、自動駕駛及遠端控制等使用例群中有高度的需求性，以提高頻譜使用效率、支援通訊範圍延展、提升通訊可靠度成為主要發展目標。本篇將就技術方面探討蜂巢式車聯網在5G標準發展的趨勢，主要討論的技術議題包括eNB與UE間的Uu鏈結傳輸強化、UE與UE間的Sidelink鏈結傳輸強化、Uu鏈結與Sidelink鏈結控制機制強化、長期演進車聯網服務與新無線電車聯網服務之共存機制設計、網路虛擬化以及區域資料網路。
第三代合作夥伴計畫之蜂巢式車聯網標準化演進
第三代合作夥伴計畫（3GPP）為因應對蜂巢式車聯網（Cellular Vehicle-to-Everything, C-V2X）之應用情境與系統需求，計畫將蜂巢式車聯網從 Rel.14-16分成3階段演進完成蜂巢式車聯網標準化工作。第一階段自2015年8月起開始進行Rel.14之基於長期演進技術之車聯網服務（Rel.14 LTE-based V2X service）標準化工作，基於長期演進技術之車聯網服務技術主要是基於Rel.12/13之裝置對裝置通訊（Rel.12/13 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3月完成Rel.14之基於長期演進技術之車聯網服務的標準化制訂。第二階段自2017年4月起開始進行Rel.15之第三代合作夥伴計畫之車聯網服務第二階段（Rel.15 3GPP V2X Phase 2）標準化工作，第三代合作夥伴計畫之車聯網服務第二階段主要是基於Rel.14之基於長期演進技術之車聯網服務的無線接取網路通訊協定架構增加相關的技術強化，例如載波聚合（Carrier Aggregation）、傳輸分集（Transmission Diversity）及64點正交振幅調變（64 QAM）等技術強化，以達到高容量及低延遲之需求，並預計於2018年6月份完成Rel.15之第三代合作夥伴計畫之車聯網服務第二階段的標準化制訂。前面兩階段是依據長期演進技術（Long Term Evolution, LTE）架構完成車間通訊服務需求，為滿足自動駕駛及遠端控制駕駛服務需求，第三階段預計自2018年6月起依據新無線電技術第一階段（New Radio Access Technology Phase 1）架構進行Rel.16之第五代（5G）蜂巢式車聯網（Rel.16 5G C-V2X）的標準化研究以符合5G蜂巢式車聯網之超高速的傳輸需求、超高容量、超密度點、超可靠性、隨時隨地可接入性等需求。
5G蜂巢式車聯網之應用情境與需求
第三代合作夥伴計畫之系統架構1（System Architecture 1, SA1）工作小組已針對前瞻車聯網（Advanced V2X）服務，即是5G蜂巢式車聯網服務，訂定25個使用例（Use Cases） [1]，這些使用例可以分類為四種使用例群 （Use Case Group），包含車隊行駛（Vehicles Platooning）、先進駕駛（Advanced Driving）、擴充感測器（Extended Sensors）以及遠端駕駛（Remote Driving）等等。上述四種使用例群之示意圖如圖一所示，四種使用例群之效能需求如表一所示[2]，以下將簡述四種使用例群的應用情境與效能需求。
- 車隊行駛之使用例群可使車輛群動態地形成車隊，由主導車輛（Leading Vehicle）週期性的發送訊息給車隊中的所有車輛以進行車隊管理，可以使車隊之車輛間距變小，其示意圖如圖一（a）所示。
- 先進駕駛之使用例群包含半自動駕駛與全自動駕駛，每台車輛透過局部感測器將行車資料分享給鄰近車輛，經過車輛間協同管理行車軌跡與行車動向預測，可以促進行車安全與改善交通運輸效率，其示意圖如圖一（b）所示。
- 擴充感測器之使用例群可透過局部感測器與鄰近車輛、行人及路側設施（Road-Side Unit, RSU）交換位置與動向訊息，使車輛可以具有全面性視角以避免行車碰撞發生，其示意圖如圖一（c）所示。
- 遠端駕駛之使用例群針對乘客無法駕駛車輛或遠端車輛處於危險環境，可在遠端操控車輛。也可應用於環境變動性小及路線可預測之公共運輸系統，可基於雲端計算遠端控制車輛。此使用例群需要更高可靠度（Reliability）與更低延遲時間（Latency）之需求，其示意圖如圖一（d）所示。
圖1 5G蜂巢式車聯網服務之四種使用例群（來源: [1]）
表1: 5G蜂巢式車聯網服務之四種使用例群之效能需求表（來源：[2]）
| 最大端到端延遲時間 （毫秒） | 可靠度 （%） | 資料速率 （百萬位元/秒） | 最小通訊範圍需求 （公尺） |
| 車隊行駛 | 10 ~ 25 | 90 ~ 99.99 | 50 ~ 65 | 80 ~ 350 |
| 先進駕駛 | 3 ~ 100 | 90 ~ 99.999 | 10 ~ 53 （包含上行: 0.25, 下行 50 ） | 360 ~ 700 |
| 擴充感測器 | 3 ~ 100 | 90 ~ 99.999 | 10 ~ 1000 | 50 ~ 1000 |
| 遠端駕駛 | 5 | 99.999 | 上行: 25, 下行: 1 | – |
註一、一般需求之定位需求: 使用者間相對橫向定位精確度為0.1公尺
註二、各使用例之效能需求不同，此表所列為之各使用例群之效能需求為一區間範圍
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5G蜂巢式車聯網之技術挑戰與創新點
要達成5G蜂巢式車聯網服務中超低延遲及高可靠度之需求對於通訊技術是一項挑戰，不只無線接取技術需要強化，同時在核心網路上也必須進行強化，這樣才有辦法使得5G蜂巢式車聯網服務達到從核心網路到無線擷取技術端點對端點之超低延遲及高可靠度之需求，後續將就新無線電（New Radio, NR）之無線擷取（Radio Access）技術應用於5G蜂巢式車聯網及5G核心網路之網路虛擬化（Network Slice）與區域資料網路（Local Access Data Network, LADN）技術進行介紹。
1. 新無線電之無線擷取技術應用在5G蜂巢式車聯網
為了實現未來5G蜂巢式車聯網服務，在無線擷取網路（Radio Access Network, RAN）標準化的挑戰主要在新無線電（New Radio, NR）技術的發展，以支援上述四種使用例群在低延遲時間、高可靠度、高資料速率以及大通訊範圍上之技術需求[2]。該新無線電技術[3-5]主要包含Uu鏈結傳輸強化（Uu Transport Enhancement）、Sidelink鏈結傳輸強化（Sidelink Transport Enhancement）、Uu鏈結與Sidelink鏈結控制機制強化以及長期演進車聯網服務（LTE-V2X）與新無線電車聯網服務（NR-V2X）之共存機制設計等等，簡述如下。
- Uu鏈結傳輸強化：Uu鏈結為裝置到基地台之介面，而新無線電Uu鏈結傳輸包含單播（Unicast）與群播（Multicast/Groupcast）。單播與群播之切換（Switch）與協調（Coordination）強化技術可降低延遲時間與提升服務連續性（Service Continuity）。還有，利用多天線（Multi-antenna）技術、多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output, MIMO）、波束成型（Beamforming）、干擾協調（Interference Coordination）、協調傳輸（Cooperative Transmission）、混合式自動重送請求（Hybrid Automatic Repeat request, HARQ）、鏈結適應（Link Adaptation）以及通道狀態訊息回授（Channel State Information Feedback, CSI Feedback）等強化技術可提升新無線電Uu鏈結之頻譜效率與可靠度。同時，利用強化裝置對網路中繼（UE-NW Relaying）可提升新無線電Uu鏈結之網路覆蓋範圍及改善蜂巢細胞邊緣（Cell Edge）之系統效能。
- Sidelink鏈結傳輸強化：新無線電Sidelink鏈結傳輸包含單播、群播與廣播（Broadcast）。新無線電Sidelink鏈結之實體層（Physical Layer）強化設計包含彈性調整次載波間隔（Subcarrier Spacing）與傳輸時間間隔（Transmission Time Interval, TTI），以及強化Sidelink鏈結同步流程與功率控制（Power Control）機制可以降低延遲時間與減少系統虛耗（Overhead）。還有，除了多天線技術、多輸入多輸出、波束成型、干擾協調、協調傳輸、混合式自動重送請求、鏈結適應以及通道狀態訊息回授等強化技術外，利用基於Sidelink鏈結之無線資源分配強化機制與協調式定位（Cooperative Positioning）技術可進一步提升新無線電Sidelink鏈結之頻譜效率與可靠度。同時，利用強化裝置對網路中繼與裝置對裝置中繼（UE-UE Relaying）可進一步提升新無線電Sidelink鏈結之網路覆蓋範圍及細胞邊緣系統效能。
- Uu鏈結與Sidelink鏈結控制機制強化：新無線電Uu鏈結與Sidelink鏈結控制機制強化包含服務品質（Quality of Service, QoS）量測與管控機制強化、連結優先（Access Prioritization）與多連結（Multi-connectivity）機制強化、壅塞控制（Congestion Control）機制強化與移動性管理（Mobility Management）機制強化等技術可降低系統延遲時間與提升可靠度。
- 長期演進車聯網服務與新無線電車聯網服務之共存機制設計: 長期演進車聯網服務為基本行車通訊服務，而新無線電車聯網服務為先進自動駕駛、行車資訊交換與遠端控制服務，兩者服務特性不同可以互補；同時，兩者服務可使用在不同頻段使彼此不互相干擾。因此，共存機制的設計必須同時考量到兩者有效整合以發揮互補的好處以及兩者獨立運作互不干擾其所提供的服務，其中至少新無線電車聯網服務的技術制定不能影響到原長期演進車聯網服務之效能。
2. 5G核心網路之網路虛擬化及區域資料網路技術應用在5G蜂巢式車聯網
網路虛擬化（Network Slicing）技術的優點在於能夠藉由基於軟體的運算以及儲存，達到提升彈性（Flexibility）、擴展性（Scalability）、運作效率（Operational Efficiencies），以因應5G蜂巢式車聯網這動態變化的網路環境以及5G蜂巢式車聯網應用的網路資源需求，進而提供如虛擬實境（Virtual Reality）、擴增實境（Augmented Reality）、多視域視訊串流 （Multi-view Video Streaming）等各種應用服務。
為了能夠提供更細緻品質的接取以及應用服務，區域資料網路（Local Area Data Network） [6]的創新概念被提出，用以在特定的局部地區提供特定的服務，這對5G蜂巢式車聯網而言，提供在不同區域針對不同的道路使用者提供不同的5G蜂巢式車聯網應用服務，例如：在高速道路上的車輛，可透過5G網路使用多視域視訊串流服務，以減少車禍的發生。未來 5G 發展將不只侷限於行動通訊，更涉及整個智慧型運輸系統 （Intelligent Transport Systems, ITS）產業，透過高度的網路靈活性讓基礎設施層的設備緊密的整合，創造5G對人類生活的新價值。
圖2 網路虛擬化及區域資料網路之蜂巢式車聯網通訊應用
因應蜂巢式車聯網通訊應用服務需求日益增長，5G蜂巢式車聯網在車流管理與安全（Traffic Efficiency and Safety）、自動駕駛及遠端控制等使用例群中有高度的需求性，以提高頻譜使用效率、支援通訊範圍延展、提升通訊可靠度為主要技術目標。在5G蜂巢式車聯網技術議題方面，包括Uu鏈結傳輸強化、Sidelink鏈結傳輸強化、Uu鏈結與Sidelink鏈結控制機制強化、長期演進車聯網服務與新無線電車聯網服務之共存機制設計、網路虛擬化以及區域資料網路等創新概念都是5G蜂巢式車聯網亟需克服的技術議題。相信相關技術的演進跟標準化制訂將讓蜂巢式車聯網服務成為5G中最重要的電信服務之一。
參考文獻
[1] 3GPP TR 22.886, “Study on enhancement of 3GPP Support for 5G V2X Services”
[2] 3GPP TS 22.186, “Enhancement of 3GPP support for V2X scenarios; Stage 1”
[3] 3GPP TDoc. RP-172765, “New WID on study on V2X phase 3 based on NR”, CATT, Huawei, Ericsson, Dec. 2017
[4] 3GPP TDoc. RP-172738, “New SI proposal: Study on 3GPP V2X phase 3 based on NR”, LG Electronics, Dec. 2017
[5] 3GPP TDoc. RP-172486, “On Rel-16 NR V2X”, Huawei, HiSilicon, Dec. 2017
[6] 3GPP TS 23.501, version 1.6.0, Dec. 2017.
