NR-V2X覆盖能力综合分析

万俊青，何华伟，芮杰，张建国

（1.华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310052；
2.中国电信股份有限公司杭州分公司，浙江 杭州 310002）

NR-V2X 主要有城区和高速公路两种部署场景。对于城区场景，其典型特征是无线信号传播环境复杂、用户集中分布，主要的评估指标是在高网络负荷和高密度用户条件下的可靠性、可用性和时延；
对于高速公路场景，其典型特征是UE 移动速度快、信道变化快速、切换频繁、多普勒频移大，主要评估指标是在高速/ 移动条件下的可靠性、可用性[1]。

NR-V2X 支持单播、组播和广播三种传输模式，支持gNB 调度和NR-V2X UE 自主选择两种资源分配模式。对于gNB 调度资源分配模式，NR-V2X UE 需要先通过NR Uu 接口和gNB 建立RRC 连接，由gNB 分配PC5 接口上的时频资源，因此，NR-V2X UE 的通信过程涉及到2 个空中接口，分别是PC5 接口和NR Uu 接口。

3GPP 在2020 年6 月发布了NR-V2X 标准，基于NR-V2X 技术的车联网部署日益临近。国内外对NR-V2X的标准、关键技术研究较多，但是对基于NR-V2X 技术的车联网无线覆盖的研究较少，本文将通过链路预算分析，分别计算PC5 接口和NR Uu 接口在城区和高速公路场景下的MAPL（Maximum Allowable Path Loss，最大允许的路径损耗）和小区覆盖半径，并给出NR-V2X 的站点布局和覆盖规划。

当NR Uu 接口和PC5 接口并发操作时，PC5 接口支持的频率是n47 频段（TDD 制式：5 855—5 925 MHz）；
NR Uu 接口支持的频率有n39、n40、n41、n71、n78、n79 频段。

n39、n40、n41 分别是中国移动的F 频段、E 频段和D 频段。F 频段（1 885—1 915 MHz）的频率相对较低、覆盖半径较大，是中国移动4G 室外覆盖的主力频段，短期内无法重耕为5G 网络；
E 频段（2 320—2 370 MHz）带宽较大，用于室外会对雷达等设备造成干扰，只能限定在室内使用，是中国移动4G 室内覆盖的主力频段；
D频段（2 515—2 675 MHz）可兼顾4G 容量和5G 覆盖需求，主要用于中国移动在城区的4G 容量补充和5G 覆盖。

n78 是中国电信和中国联通的C 频段（3 300—3 600 MHz），相对于高频段具有较好的传播特性，相对于低频段具有更宽的连续覆盖，可以实现覆盖和容量的平衡，是中国电信和中国联通在市区的主力覆盖频段。

n79 是中国移动和中国广电的4.9 GHz 频段（中国移动：4 800—4 900 MHz；
中国广电：4 900—4 960 MHz），频率较高，覆盖半径较小，不适合于室外广覆盖，可用于热点容量补充和专网覆盖。

运营商在室外部署的4G 或5G 网络（n39、n41、n78），是以室内浅层覆盖为目标，在城区道路和高速公路上都有良好的覆盖，现有的站点基本上能满足Uu 接口的覆盖要求。另外，使用运营商的5G 网络调度NR-V2X UE 会导致商业模式不清晰的问题，预计不会在运营商网络上部署NR-V2X 网络。因此本文不再单独分析已经部署的5G 网络的覆盖能力。

n71 频段（上行：663—698 MHz；
下行：61—652 MHz）是FDD 制式，具有空口时延小、覆盖广等优点，且该频段不会与运营商的5G 网络产生容量冲突，未来极有可能是车联网使用的5G 频段，因此本文重点分析n71 频段的覆盖能力[2]。

V2X 共有多种应用类型，包括V2V（Vehicle to Vehicle，车辆对车辆）、V2R（Vehicle to Road side unit，车辆对路侧单元）、V2P（Vehicle to Pedestrian，车辆对行人）、V2N（Vehicle to Network，车辆对网络），其中V2V、V2R、V2P 均使用PC5 接口进行通信。

PC5 接口定义的物理信道有广播信道PSBCH（Physical Sidelink Broadcast Channel）、控制信道PSCCH（Physical Sidelink Control Channel）、共享信道PSSCH（Physical Sidelink Shared Channel）和可选的反馈信道PSFCH（Physical Sidelink Feedback Channel）[3]。

PSBCH 主要用于传输NR Uu 接口的TDD 配置、帧号、时隙号以及覆盖指示等同步信息，在频域上占用11 个PRB。PSCCH 用于传输PSSCH 资源配置相关信息。PSSCH 用于传输数据块以及HARQ 进程和CSI 反馈触发等信息。PSCCH 和其相关联的PSSCH 在时间重叠但是频率非重叠的资源上传输，PSSCH 的另外一部分和PSCCH 在时间非重叠的资源上传输，也即PSCCH占用的PRB 数少于等于PSSCH 占用的PRB 数，建议PSCCH/PSSCH 占用的PRB 数是25 个PRB[4]。PSFCH用于承载HARQ 反馈信息，在时域上占用一个时隙的最后面2 个OFDM 符号，在频域上占用1 个或多个PRB。

当PSBCH、PSCCH/PSSCH 以及PSFCH 采用时分复用的方式发射时，终端可以以较大的功率发送这几个信道，因此显著增加覆盖范围，同时终端的实现也较为简单。由于传递HARQ 信息只需要1 个bit，一般不会成为覆盖的瓶颈，本文接下来分别计算PSBCH、PSCCH、PSSCH 的覆盖能力。

（1）系统带宽：n47 频段的频率范围是5 855—5 925 MHz，最大带宽是70 MHz，当NR Uu 接口和PC5 接口并发操作时，PC5 接口的系统带宽最大是40 MHz，根据前文建议，PSBCH、PSCCH、PSSCH 实际发射的带宽分别是11 个PRB、25 个PRB、25 个PPB。

（2）子载波间隔：n47 频段支持的子载波间隔（SCS,Sub-Carrier Spacing）是15 kHz、30 kHz 和60 kHz，n71 频段支持的子载波间隔是15 kHz、30 kHz，较大的子载波间隔能容忍较大的多普勒频移，适合高速移动的终端。此外，NR Uu 接口和PC5 接口使用相同子载波间隔可以使终端的实现比较简单，本文建议NR Uu 接口和PC5 接口的子载波间隔都是30 kHz，40 MHz 带宽对应的PRB 数是106 个。

（3）车载终端类型：根据车辆类型和车载终端天线高度的不同，有三种类型的车载终端：1）Type 1 是低天线位置的轿车，长、宽和高分别是5 m、2.0 m 和1.6 m，天线高度是0.75 m；
2）Type 2 是高天线位置的轿车，长、宽和高分别是5 m、2.0 m 和1.6 m，天线高度是1.6 m；
3）Type 3 是卡车/公交车，长、宽和高分别是13 m、2.6 m和3 m，天线高度是3 m。在本文中，假设车载终端类型是Type 2，2T4R，天线放置在车顶，天线高度是1.6 m，天线增益是3 dBi，天线接收分集增益是4 dB，单个终端的馈线损耗是0.5 dB，两个终端的馈线损耗合计是1.0 dB[5]。

（4）终端发射功率：当NR Uu 接口和PC5 接口并发操作时，NR-V2X UE 在n47 频段和n71 频段发射的总功率是23 dBm，为了增加覆盖距离，本文建议NR-V2X UE在NR Uu 接口和PC5 接口上采用时分复用的方式发射，也即NR-V2X UE 在PC5 接口上的发射功率是23 dBm。

（5）传播模型：根据车辆位置和阻挡物的不同，传播模型分为三类。1）LOS（Line of Sight，视距传播）：两辆车在相同的街道上且两车之间没有车辆阻挡；
2）NLOS（Non Line of Sight，非视距传播）：两辆车在不同的街道上且两车之间有车辆阻挡；
3）NLOSv：两辆车在相同的街道上且两辆车之间有车辆阻挡。

对于LOS、NLOSv：

在高速公路场景，路径损耗的计算见式(1)：

在市区场景，路径损耗的计算见式(2)：

对于NLOS 场景，路径损耗的计算见式(3)：

在式(1)到式(3)中，fc是载波的中心频率，单位是GHz；
d3D是发射天线和接收天线的欧式距离，单位是m。

（6）阻挡损耗和标准差：对于NLOSv 模型，根据收发天线的高度与阻挡物的高度不同，需要增加额外的车辆阻挡损耗。

Case1：发射天线和接收天线的最低高度均大于阻挡物的高度，不需要考虑额外的阻挡损耗；

Case2：发射天线和接收天线的最高高度均小于阻挡物的高度，阻挡损耗的平均值是9+max(0,15*log10(d3D)-41)，标准差是4.5 dB，其中d3D是收发天线之间的距离；

Case3：Case1 和Case2 之外的其它情形，阻挡损耗的平均值是5+max(0,15*log10(d3D)-41)，标准差是4 dB，其中d3D是收发天线之间的距离。

当15*log10(d3D)-41＞0，可以计算出d3D＞541 m，即收发天线之间的距离大于541 m 时，式(1)需要进行修正，见式(4)：

对式(4) 进行化简，可以得到式(5)：

在高速公路场景，本文采用Case3；
在城区场景，NLOS 模型已经考虑了车辆阻挡损耗的因素，因此不再重复计算车辆的阻挡损耗。

在本文中，城区采用NLOS 模型，即使用式(3)计算路径损耗；
高速公路采用修正后的NLOSv 模型，即使用式(5) 计算路径损耗。

（7）阴影衰落余量：在城区场景，传播模型LOS和NLOSv 的标准差是3 dB，传播模型NLOS 的标准差是4 dB，本文采用传播模型NLOS，标准差是4 dB，阴影衰落余量取4.2 dB；
在高速公路场景，无线环境的标准差是3 dB，阻挡损耗的标准差是4 dB，总的标准差是7 dB，阴影衰落余量取7.2 dB[6]。

（8）快衰落余量：由于车辆节点动态拓扑快速变化，且部分业务对可靠性要求严苛，因此需要考虑小尺度衰落即快衰落对通信的影响。3GPP 组织在制定PC5 接口协议时，采取了以下措施来消除快衰落的影响，满足车联网业务对可靠性的严苛要求：每个时隙的第1 个符号为AGC（Automatic Gain Control）符号，AGC 符号为同时隙中第2 个符号的完全复制映射，以满足发送端和接收端距离频繁变化对AGC 时延的要求；
每个时隙的最后1 个符号为保护符号；
为了增加传输的可靠性，1 个PSSCH 信道可以调度1 个、2 个或3 个PSSCH。本文不再单独考虑快衰落余量。

（9）穿透损耗：在城区场景，采用的是NLOS 模型，街边的建筑、树木等会对车载天线造成一定的阻挡，因此需要考虑穿透损耗，本文取值8 dB；
在高速公路场景，采用的是NLOSv 模型，由于两辆车在相同的街道上，比较开阔，不考虑车体的穿透损耗。

根据以上的参数，可以计算出NR-V2X UE 在城区和高速公路场景的MAPL 和覆盖半径，见表1。

根据表1，可以发现，NR-V2X UE 在城区和高速公路场景的覆盖半径分别是125 m 和1 177 m。对于表1，有三点说明，第一点：在城区场景，本文假定两辆车在不同的街道上，使用的是NLOS 传播模型，同时考虑了穿透损耗，因此覆盖半径较小，如果两辆车是在相同的街道上，使用NLOSv 传播模型，则覆盖半径会大大增加。第二点：本文假设采用车顶小天线，如果在车辆的前部和后部各放置一个大尺寸的板状天线，板状天线的增益是11 dBi，则在城区和高速公路场景，覆盖半径分别增加到426 m 和3 372 m 左右。第三点：V2R 的覆盖能力也可以参照表1，由于RSU（Road Side Unit，路侧单元）的安装位置高于路面，因此RSU 的覆盖半径会大一些。

表1 NR-V2X UE在城区和高速公路场景的MAPL和覆盖半径（PC5接口）

由于支持NR-V2X 的模组还没有发布，所以目前还没有NR-V2X 的测试案例。LTE-V2X 的PC5 接口也是使用的n47 频段，LTE-V2X 的测试结果对NR-V2X 具有一定的参考意义。ConVeX 项目的LTE-V2X 场地测试结果如下：在视距场景下，V2V 的通信距离至少是1 200 m；
在城区十字路口，V2V 的通信距离可以达到140 m；
V2R 没有视距测试环境，受测试地形、阻挡、街道弯曲等因素的影响，V2R 的通信距离波动较大，至少在1 065 m 以上。NR-V2X 的物理层在LTE-V2X 基础上进行了较大的优化，有理由相信NR-V2X 的覆盖能力应该优于LTE-V2X 的覆盖能力[11]。

NR-V2X UE 在NR Uu 接口上传递的数据可以分为两类：一类是配置信息和应用层数据，配置信息包括系统消息、RRC 连接建立以及RRC 重配置消息；
应用层数据包括高精度地图、定位导航以及车辆采集的状态信息等，这类数据在下行方向使用PDCCH 和PDSCH 信道，在上行方向使用PUCCH 和PUSCH 信道。另一类是gNB调度PC5 接口时频资源的信令，这类信令通过PDCCH信道发送给NR-V2X UE，主要包括PC5 接口上的资源池索引、子信道分配的最低索引、频域配置和时域配置以及HARQ 进程号等信息[7]。本文接下来分别分析下行的PDCCH 和PDSCH信道、上行的PUCCH 和PUSCH 信道的覆盖能力。

5G 覆盖能力分析的计算方法可以参照文献[8]。文献[8] 分析的是3.5 GHz 频段的覆盖能力，本文接下来对n71 频段和3.5GHz 频段差异较大的部分进行说明。

（1）系统带宽：NR-V2X 在NR Uu 接口使用的频率是n71 频段（FDD 制式，上行：663—698 MHz；
下行：617—652 MHz），共计是35 MHz×2，当NR Uu 接口和PC5 接口并发操作时，NR Uu 接口的系统带宽最大是20 MHz。

（2）子载波间隔：根据第2 节的建议，n71 频段的子载波间隔是30 kHz，20 MHz 带宽对应的PRB 数是51 个。

（3）边缘速率：由于n71 频段的系统带宽较小，吞吐量较低，如果视频等大流量数据通过n71 频段传输，则需要定义较高的边缘速率，会导致小区覆盖半径较小。比较合理的传输方案是配置信息和应用层的关键数据通过n71 频段传输，视频等大流量数据通过其他5G 频段传输，这样n71 频段的边缘速率可以定义得较小，本文建议n71 频段的下行边缘速率是5 Mbps，上行边缘速率是1 Mbps。

（4）基站设备和天线选型：n71 频段的波长较长，使用AAU 会导致天线尺寸过大，难以安装在杆塔上，本文建议基站设备采用4 通道RRU+无源天线形态，RRU的功率是50 W/通道，天线增益是14.5 dBi。

（5）车载终端类型：车载终端类型是Type 2，2T4R，天线高度是1.6 m，天线放置在车顶，n71 频段的波长较长，天线增益是0 dBi，接收分集增益是3 dB。

（6）传播模型：在城区场景，采用3GPP 定义的UMa NLOS 模型，基站的天线高度是25 m，车载终端的天线高度是1.6 m；
在高速公路场景，采用3GPP 定义的RMa LOS 模型，基站的天线高度是35 m，车载终端天线的高度是1.6 m，双向八车道的高速公路平均宽度是40 m，建筑物平均高度是5 m[9]。

（6）穿透损耗：由于天线放置在车顶，可以不考虑车体的穿透损耗，但是道路外面的建筑、树木等会对车载天线造成一定的阻挡，因此在计算链路预算时，需要考虑穿透损耗。

（7）阴影衰落余量：在城区场景，UMa NLOS 的标准差是8 dB，阴影衰落余量取9 dB；
在高速公路场景，RMa LOS 的标准差是6 dB，阴影衰落余量取6.2 dB[10]。

根据以上的参数，可以计算出NR-V2X UE 在城区和高速公路场景的MAPL 和覆盖半径，见表2。

表2 NR-V2X UE在城区和高速公路场景的MAPL和覆盖半径（NR Uu接口）

根据表2，可以发现，对于NR Uu 接口，城区场景和高速公路场景的小区覆盖半径分别是771 m 和8 853 m。对于表2，有两点说明。第一点：高速公路场景采用的是视距传播模型，由于受地形、高速公路走向等影响，实际的小区覆盖半径远远小于8 853 m，如果采用非视距传播模型，则小区覆盖半径下降到1 200 m 左右。第二点：与PC5 接口的计算类似，如果采用板状天线，天线增益是7 dBi，在城区和高速公路场景，小区的覆盖半径分别增加到1 165 m 和13 246 m 左右。

对于使用n71 频段的5G 覆盖规划，可以参考运营商的5G 规划原则。由于在1 个时隙内，NR 可以配置1 到4 个CORESET（Control-resource set，控制资源集合），控制信道的容量较多，且n71 频段基站覆盖半径大，在初期，部署较少的5G 站点就可以满足覆盖和容量需求，后期随着NR-V2X 用户数的增加，再逐步增加5G 站点。

对于V2V 覆盖规划，当卡车编队行驶时，V2V 通信采用组播模式，需用通过一个距离参数来指示满足QoS的最小距离，可以根据表1 给出的覆盖半径来设置这个距离参数，当编队车辆之间的距离为20 m 时，建议3～4辆卡车组成一个编队。

对于覆盖城区的RSU 站点，有以下几点建议：（1）应充分利用十字路口、道路沿线的红绿灯灯杆、监控杆、道路指示牌等现有设施，可以降低建设难度，减少建设成本和维护成本；
（2）城区平直的快速路、高架桥等道路，可以参照高速公路场景，适当增加RSU 站址的站间距；
（3）为降低干扰，RSU 天线的安装位置不宜过高。

对于覆盖高速公路的RSU 站点，有以下几点建议：（1）应充分利用道路沿线的监控杆、道路指示牌等现有设施；
（2）对于直线高速公路，相邻RSU 站址宜交叉分布于高速公路两侧，形成“之”字形布局，有利于信号的均匀分布；
（3）对于高速弯道，RSU 站址宜设置在弯道内侧，可提高入射角，保证覆盖的均衡性；
（4）当高速公路进入城区时，为了降低干扰，RSU 天线挂高可以稍低，但是应保证天线与路面视通。

本文给出了NR-V2X 的链路预算，并分别分析了PC5 接口和NR Uu 接口的MAPL 及小区覆盖半径。在实际组网的时候，还需要考虑现有的网络架构、站址布局、道路走向、红绿灯分布等因素，因此NR-V2X 的实际覆盖半径与本文计算的覆盖半径会有一定差异。当运营商或车企大规模部署NR-V2X 网络后，可以通过现场勘查，结合本文给出的NR-V2X 覆盖能力计算方法，更有效地指导NR-V2X 网络的覆盖规划和站点布局。