摘要

對安全至關(guān)重要的高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）預(yù)計(jì)將受益于蜂窩式車對車通信，在車輛和道路/網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備之間提供短距離和長距離無線連接。? 然而，在屬于不同網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的相鄰覆蓋區(qū)之間切換時(shí)，無線連接可能會被中斷。這個(gè)問題阻礙了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的連續(xù)性，導(dǎo)致ADAS服務(wù)的可用性中斷。在本文中，我們旨在評估由于這種網(wǎng)絡(luò)重新選擇程序?qū)е碌姆?wù)中斷的平均時(shí)間。我們提供了性能評估結(jié)果，強(qiáng)調(diào)在最佳情況和最壞情況之間存在很大差距。此外，我們提出了一個(gè)簡單的啟發(fā)式方法來限制網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商之間缺乏合作的弊端；我們的啟發(fā)式算法，不需要操作者之間的緊密結(jié)合，表現(xiàn)比最壞的情況好得多，它與最佳情況相當(dāng)。然而，目前的工作強(qiáng)調(diào)了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商之間更緊密的整合的重要性，以將延遲降到最低。

I.簡介

汽車垂直市場對互聯(lián)和自動駕駛的需求不斷增加，這將促進(jìn)新的運(yùn)輸模式[1]并提高司機(jī)的安全[2]。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須普遍采用先進(jìn)的駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS），利用各種車內(nèi)傳感器和無線鏈路 用于車輛間的互動，以增強(qiáng)對周圍和未來環(huán)境的感知。

目前的ADAS主要基于車對車通信(如協(xié)同環(huán)境地圖重建)和車對基礎(chǔ)設(shè)施通信(如與交通燈通信或與提供交通信息的路邊單元通信)。然而，人們普遍認(rèn)為，這種基于ITS-G5或PC5無線接入技術(shù)（RAT）的短程鏈路不足以實(shí)現(xiàn)高自動化水平，如汽車工程師學(xué)會（SAE）的4級和5級。

事實(shí)上，ADAS的普遍采用不能撇開第四代（4G）和第五代（5G）蜂窩網(wǎng)絡(luò)所提供的長距離無線連接。這一趨勢也得到了5G汽車協(xié)會（5GAA）的支持，該協(xié)會成立于2016年，旨在匯集汽車和電信行業(yè)，加速部署與5G系統(tǒng)集成的智能交通系統(tǒng)，從而提供有效的蜂窩式車輛到一切（C- V2X）通信技術(shù)[3]。

支持C-V2X的ADAS有望通過增加Uu接口作為PC5的額外通信接口來提高彈性，并通過5G新無線電（NR）的進(jìn)步來減少延遲。此外，邊緣計(jì)算平臺可以被用來運(yùn)行集中式ADAS應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)對道路環(huán)境更廣泛的感知。

相反，遠(yuǎn)程蜂窩連接仍然存在弱點(diǎn)，正如三個(gè)活躍的ICT-18歐洲項(xiàng)目1所顯示的那樣，這些項(xiàng)目調(diào)查了高速公路沿線跨國界的服務(wù)連續(xù)性問題。例如，5G-CARMEN一直在研究如何實(shí)現(xiàn)合作車道合并（CLM），作為跨境場景中安全和延遲關(guān)鍵的ADAS操縱，其中CLM服務(wù)的可用性受到不可忽視的連接漏洞的限制。這個(gè)問題是由移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商（MNOs）之間在支持車輛用戶從自己的公共陸地移動網(wǎng)絡(luò)（PLMN）切換到下一個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)整合不力造成的。這個(gè)問題的一個(gè)簡單的解決方案可能是切換到短程通信；然而，值得注意的是，通信可靠性的降低可能會導(dǎo)致允許的車輛自動化水平下降，可能需要司機(jī)推翻車輛控制，切換到手動模式。

在傳統(tǒng)的基本漫游場景中，主要的延遲組成部分是缺乏關(guān)于網(wǎng)絡(luò)重選參數(shù)的先驗(yàn)信息，這迫使移動站(MS)在能夠在被訪問的國家找到合適的小區(qū)之前掃描整個(gè)頻譜。MNO之間更嚴(yán)格的漫游協(xié)議（例如，宣布彼此為等效的PLMN（E-PLMN））和/或核心網(wǎng)絡(luò)中額外的漫游接口（例如，兩個(gè)MNO的移動管理實(shí)體（MME）實(shí)例之間）將使特定的信令指示在掃描過程中協(xié)助MS，甚至使（PLMN之間）S1移交，從而將連接中斷時(shí)間減少到100毫秒[4] 。

然而，這些方法將以增加移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商方面的實(shí)施努力為代價(jià)。然而，值得注意的是，網(wǎng)絡(luò)重新選擇的標(biāo)準(zhǔn)程序的各種特征是取決于實(shí)施的，因此有空間設(shè)計(jì)算法來探索頻譜，利用不同程度的先驗(yàn)信息，這取決于移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的整合水平。

在本文中，我們將忽略移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商之間最緊密的整合方案，即S1切換，因?yàn)樗枰苿泳W(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商太多的實(shí)施努力，相反，我們將重點(diǎn)評估由于網(wǎng)絡(luò)重新選擇程序?qū)е碌姆?wù)中斷。提出了一個(gè)簡單的啟發(fā)式方法，旨在減少頻率掃描的時(shí)間，并與最壞的情況（即由終端進(jìn)行完整的頻率掃描）和最好的情況（即指示要搜索的頻率）進(jìn)行比較。

本文的其余部分組織如下。在第二節(jié)中，我們概述了問題陳述，在第三節(jié)中，我們推導(dǎo)出默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)重新選擇程序的簡單數(shù)學(xué)模型，以及所提出的啟發(fā)式方法。在第四節(jié)中，我們量化了各種程序所帶來的延遲，為進(jìn)一步的可能解決方案提供了提示。最后，在第五節(jié)中，我們得出了結(jié)論，并描述了這項(xiàng)初步工作的擴(kuò)展計(jì)劃。為了方便讀者，我們在附錄中提供了首字母縮寫的清單。

II.場景設(shè)定

A.?參考場景

讓我們考慮一個(gè)汽車場景，在這個(gè)場景中，一個(gè)車輛MS需要從它的服務(wù)小區(qū)切換到下一個(gè)小區(qū)（切換），因?yàn)樗囊苿幽Ｊ胶?或即將到來的用戶PLMN的無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）的覆蓋范圍。MS需要從它的服務(wù)小區(qū)切換到下一個(gè)小區(qū)（切換），因?yàn)樗囊苿幽Ｊ胶?或用戶的PLMN（即它的家庭PLMN（H-PLMN））的無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）即將缺乏覆蓋。我們想說的是，特別是在ADAS的安全相關(guān)應(yīng)用的情況下，例如，CLM操縱，應(yīng)盡可能地保持服務(wù)的連續(xù)性，防止可能影響應(yīng)用本身的有效性的中斷，從而影響乘客的安全。

雖然在同一MNO的兩個(gè)小區(qū)之間的切換已經(jīng)進(jìn)行了大量的工作[5]-[7]，但最具挑戰(zhàn)性的情況需要在不同MNO擁有的小區(qū)之間切換，也就是漫游情況。請注意，這種情況既可能發(fā)生在跨境部署中，即車輛從一個(gè)國家到另一個(gè)國家，也可能發(fā)生在同一國家，即H-PLMN的無線電覆蓋不足以提供足夠的服務(wù)質(zhì)量（QoS）水平。在PLMN之間切換時(shí)的主要問題是，由于小區(qū)搜索和選擇，所設(shè)置的空閑模式移動程序很耗時(shí)[8]。將服務(wù)中斷減少到零的直接解決方案包括為車輛提供多個(gè)用戶身份模塊（SIM），使MS總是連接到至少一個(gè)PLMN。

? 圖1. 4G 3GPP系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)重新選擇程序的簡化狀態(tài)機(jī) ? ?

顯然，這種方法沒有規(guī)模：有多少SIM卡就有多少國家MNO或被訪國家的MNO的數(shù)量，這是不合理的。因此，這不能被認(rèn)為是一個(gè)可行的解決方案，我們應(yīng)該訴諸于標(biāo)準(zhǔn)程序來執(zhí)行所謂的網(wǎng)絡(luò)重新選擇。

B.?審查網(wǎng)絡(luò)重新選擇的標(biāo)準(zhǔn)程序

現(xiàn)在我們將對第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）蜂窩系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)重新選擇程序進(jìn)行總結(jié)。由于在撰寫本文時(shí)，大多數(shù)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的部署都是基于4G長期演進(jìn)（LTE）標(biāo)準(zhǔn)[9]，在下文中，我們將參考LTE的技術(shù)規(guī)范，同時(shí)牢記非常類似的程序也是為5G NR標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

網(wǎng)絡(luò)重新選擇過程涉及協(xié)議棧的非接入層（NAS）和接入層（AS）層的互動[10,§4.2]。具體來說，NAS負(fù)責(zé)PLMN的選擇，而AS則負(fù)責(zé)小區(qū)的選擇和重新選擇。一旦MS決定在所選小區(qū)的跟蹤區(qū)域內(nèi)登記其存在，NAS和AS都將負(fù)責(zé)位置登記。這三個(gè)任務(wù)之間的相互作用在圖1中顯示。

在本文中，我們將主要關(guān)注前兩項(xiàng)任務(wù)，即PLMN選擇和小區(qū)選擇/重新選擇。無線電小區(qū)與一個(gè)載波相關(guān)聯(lián)，該載波由i）載波中心頻率和ii）信道帶寬定義[11]。一個(gè)MS在遇到覆蓋中斷時(shí)進(jìn)行小區(qū)選擇，而當(dāng)它處于無線電資源控制（RRC）空閑模式時(shí)則進(jìn)行小區(qū)重新選擇[9]。在這兩種情況下，MS試圖找到一個(gè)合適的小區(qū)，即屬于H-PLMN或E-PLMN的小區(qū)，根據(jù)基于無線電信道質(zhì)量測量的明確定義的小區(qū)選擇/重新選擇標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行營建[10]。

如果在任何載波中心頻率上都沒有找到合適的小區(qū)，MS應(yīng)該嘗試尋找一個(gè)可接受的小區(qū)，即不屬于H-PLMN或E-PLMN的小區(qū)[10]。除了合適的和可接受的小區(qū)外，保留的小區(qū)以及被禁止的小區(qū)對車輛MS能夠操作的頻譜范圍內(nèi)可用小區(qū)的總計(jì)數(shù)有貢獻(xiàn)。

為了了解一個(gè)小區(qū)是否合適或可接受，MS解碼可用小區(qū)所宣傳的系統(tǒng)信息。小區(qū)公布的PLMN身份（ID）和RAT的組合被MS自動或手動認(rèn)為是合適的或可接受的；在下文中，我們將只考慮前一種模式，從自主汽車應(yīng)用的角度來看，這種模式更合理。按照[12]，自動PLMN選擇標(biāo)準(zhǔn)是由NAS層建立的，它持有一個(gè)按優(yōu)先順序排列的PLMN ID列表：最高優(yōu)先級是H-PLMN，然后是E-PLMN，最后是其他PLMN，一旦被選中，將只是一個(gè)被訪問的PLMN（V-PLMN）。

C.?我們的貢獻(xiàn)

科學(xué)文獻(xiàn)[13]-[15]和專利文獻(xiàn)[16]-[18]中的相關(guān)工作都集中在對默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)重新選擇程序和相關(guān)參數(shù)設(shè)置提出改進(jìn)。在本文中，我們的目標(biāo)是評估在網(wǎng)絡(luò)重選延遲D方面，最佳情況和最差情況之間的差距，即：

● 方法#1：明確指示--MS被H-PLMN的RRC層強(qiáng)制從連接狀態(tài)轉(zhuǎn)到空閑狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息為其提供必要的（先驗(yàn)的）信息，以選擇覆蓋下一個(gè)跟蹤區(qū)域的合適小區(qū)；

●?方法#2：徹底搜索——MS從無線電覆蓋中斷中恢復(fù)，因此它不知道有關(guān)周圍單元的任何信息。在這種情況下，MS必須掃描所有可用的載波中心頻率，然后再挑選出最佳的合適/可接受的小區(qū)。

顯然，前一種方法使網(wǎng)絡(luò)重選延遲最小，而后一種方法提供了這種延遲的上限。然而，由于網(wǎng)絡(luò)重新選擇的幾個(gè)方面通常是留給實(shí)施的[10]，[12]，我們將展示一個(gè)簡單的啟發(fā)式方法如何在方法1和方法2之間提供一個(gè)中間性能。所提出的啟發(fā)式定義如下：

● 方法#3：搜索直到第一次成功--MS一旦發(fā)現(xiàn)合適的小區(qū)的第一個(gè)實(shí)例，就會停止小區(qū)搜索。

為了評估這些方法，我們將考慮一個(gè)現(xiàn)實(shí)的頻率規(guī)劃，同時(shí)我們忽略了對無線電鏈路質(zhì)量和位置登記的測量。

III.系統(tǒng)模型

在本節(jié)中，我們提供了上述三種網(wǎng)絡(luò)重選方法所提供的網(wǎng)絡(luò)重選延遲D的數(shù)學(xué)特征。

A.? 定義

我們定義了以下參數(shù)。

● ??N是E-UTRAN絕對射頻信道數(shù)（EARFCN）的總量，可供MS測試。我們有

其中I是所考慮的演進(jìn)式通用地面無線電接入（E-UTRA）工作頻段的數(shù)量，ni是第i個(gè)頻段要測試的EARFCN的數(shù)量。

● M是實(shí)際分配給可用單元的EARFCN指數(shù)的數(shù)量。我們有

其中mi是在第i個(gè)頻段分配的EARFCN的數(shù)量；

● τ是MS解調(diào)和（最終）解碼一個(gè)可用小區(qū)的系統(tǒng)信息所需的處理時(shí)間。

B.? 數(shù)學(xué)模型

對于方法#1,MS必須只掃描由RRC指示的載體，因此

對于方法#2，MS必須掃描整個(gè)頻譜，在實(shí)際注冊到最佳單元之前，按降序排列合適的單元。掃描過程需要進(jìn)行N次頻率掃描，再加上對所選單元的一次最終掃描，得出的結(jié)果是

最后，對于方法#3，持續(xù)時(shí)間τ的頻率掃描必須重復(fù)一個(gè)隨機(jī)次數(shù)X。這個(gè)隨機(jī)變量代表了MS實(shí)際找到第一個(gè)合適小區(qū)之前的時(shí)間。因此，X可以被建模為一個(gè)截?cái)嗟膸缀坞S機(jī)變量，其中

其中，p是當(dāng)前EARFCN與合適單元相關(guān)聯(lián)的概率。因此，網(wǎng)絡(luò)重選延遲平均來說，

C.?N和p的分析性表達(dá)

N和p的實(shí)際值取決于MS可以工作的頻譜的具體頻率規(guī)劃，即分配的載波中心頻率和信道帶寬[11]。在一個(gè)給定的E-UTRA工作頻段中，每個(gè)可能的載波中心頻率都由一個(gè)EARFCN指數(shù)來識別?

并對應(yīng)于100kHz的整數(shù)倍。相應(yīng)的下行鏈路載波頻率（以MHz為單位）可按以下方式得出：

其中 νL()?是下行EARFCN指數(shù)， FDL ?low 和 νO?s-DL ?在[11，表5.7.3-1]中給出。一個(gè)類似的方程適用于上行載波頻率。兩個(gè)相鄰載波之間的標(biāo)稱信道間距定義為

其中 Bj 是第j個(gè)載波的帶寬，以MHz表示。我們注意到，N的正確值是通過從特定工作頻段的候選EARFCN指數(shù)總數(shù)中減去實(shí)際利用的指數(shù)和檢測到有效指數(shù)后的最小帶寬占用而得到的。具體來說，對于每個(gè)分配的 ν?我們必須排除所有包含在當(dāng)前載波和一個(gè)（假定的）具有最小帶寬的相鄰載波之間的名義信道間隔中的指數(shù)，也就是說，

關(guān)于p，在這項(xiàng)工作中，我們假設(shè)在工作頻段內(nèi)找到合適小區(qū)的概率是均勻的。因此，p可以按以下方式計(jì)算：

IV.績效評估

在本節(jié)中，我們提供了一些基于現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)部署的平均網(wǎng)絡(luò)重選延遲的數(shù)值結(jié)果。

A.?評估參數(shù)

如同在[8]中所做的，我們考慮意大利的信道分配情況，LTE系統(tǒng)通常部署在三個(gè)E-UTRA工作頻段，即#3、#7和#20，產(chǎn)生I=3。各個(gè)PLMNs在這些頻譜部分的完整頻率分配可以通過利用[19]提供的關(guān)于實(shí)際載波分配的信息得出，并在表I中報(bào)告。

我們可以看到，m1 = m2= 5，而m3 = 3，總體上M =13分配的EARFCN。請注意，我們忽略了可能存在的屬于虛擬MNO的可用單元，這些單元可能與MNO運(yùn)營商有關(guān)。第i個(gè)工作頻段的EARFCN指數(shù)的數(shù)量為

? 圖2. 在給定5個(gè)可用單元的情況下，以采集時(shí)間單位（τ）表示的網(wǎng)絡(luò)重選延遲←與合適單元的數(shù)量

其中，B是LTE系統(tǒng)中可用帶寬的集合[8，表一]，kB是第i個(gè)頻段中帶寬為B的分配載波數(shù)量。系數(shù)10是由于表示帶寬的MHz單位（106）和EARFCN間隔100kHz（105）之間的劃分。

例如，讓我們考慮E-UTRA工作頻段#3（i = 1）。我們在這個(gè)頻段有1949-1200+1=750個(gè)指數(shù)，有5個(gè)PLMN ID；其中3個(gè)分配了Bj=20MHz的帶寬（k20=3），2個(gè)分配了Bj=10MHz的帶寬（k10=2），還有一個(gè)分配了Bj=5MHz的帶寬（k5=1）。因此，考慮到最小信道帶寬為Bmin = 1.4MHz [8]，

每個(gè)20MHz寬的載波排除了?Bmin（20）=21.4/2=10.7MHz，也就是說，107-2=105個(gè)EARFCN指數(shù)；

每個(gè)10兆赫寬的載波不包括 ?Bmin (10) =11.4/2=5.7MHz，也就是說，57-2=55個(gè)EARFCN指數(shù)；

the 5-MHz-wide carrierexcludes ?Bmin (5) = 6.4/2 =3.2 MHz, that is, 32 - 2 =30 EARFCN indices.? ? ? ?

因此，原來的750個(gè)指數(shù)集減少了3×105+2 x 55 + 30 = 455，得出EARFCN n1=295的實(shí)際數(shù)量。表I中報(bào)告了i e {1, 2, 3}的ni的值。

最后，為了保持網(wǎng)絡(luò)重選延遲與具體的MS硬件無關(guān)[8]，我們不提供常數(shù)τ的明確值，而是用采集時(shí)間單位來表示延遲。

B.? 數(shù)值結(jié)果

圖2提供了數(shù)值結(jié)果；網(wǎng)絡(luò)重選延遲以τ單位表示。我們可以做出以下觀察。

方法3（搜索到第一次成功）引入的平均延遲比最壞的情況（方法2--詳盡搜索）更接近于基準(zhǔn)（方法1--明確指示）。特別是，相對于方法2，方法3提供了一個(gè)>70%的延遲減少。

方法#3引入的平均延遲隨著合適單元數(shù)量的增加而減少。就τ單位而言，在單個(gè)合適的單元和所有可用單元都合適的情況下，延遲減少約為60%。

C.? 備注

我們注意到，在像本文所考慮的典型頻率分配中，在網(wǎng)絡(luò)重新選擇的最佳情況（方法1）和最差情況（方法2）之間會出現(xiàn)很大的差距。造成這種差距的原因是MNO之間缺乏整合，這導(dǎo)致MS在注冊到新的PLMN之前要進(jìn)行大量的嘗試來找到一個(gè)合適的/可接受的小區(qū)，特別是在MS必須掃描大的頻譜部分的情況下。

在擴(kuò)展漫游協(xié)議方面，MNOs之間更緊密的整合，為MS提供一個(gè)長的E-PLMN列表，將允許減少網(wǎng)絡(luò)重新選擇的延遲。這種有益的效果在我們的性能評估結(jié)果中很明顯：如果所有可用的小區(qū)都變得合適（即它們的PLMN ID在H-PLMN提供的E-PLMN列表中），那么p - M/N，因此它是最大化的。我們注意到，方法#3所要求的整合并不像方法#1那樣需要傳輸臨時(shí)的RRC信令信息，因此導(dǎo)致了較輕的實(shí)施工作。

V.總結(jié)

在本文中，我們推導(dǎo)出一個(gè)數(shù)學(xué)模型來評估執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)重新選擇程序的平均延遲，這可能會嚴(yán)重影響服務(wù)的連續(xù)性，從而影響ADAS在某些關(guān)鍵場景下的應(yīng)用，例如，跨境環(huán)境。

性能評估結(jié)果表明，在所考慮的情況下，最佳情況（表示為方法1--明確指示）和最差情況（表示為方法2--窮舉搜索）之間存在很大差距。我們提供了一個(gè)簡單的啟發(fā)式方法來填補(bǔ)這一空白，顯示了移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商之間的合作對減少網(wǎng)絡(luò)重選的積極影響。至于未來的工作，我們計(jì)劃通過包括基于實(shí)際無線電鏈路質(zhì)量的小區(qū)選擇/重新選擇標(biāo)準(zhǔn)來擴(kuò)展所提出的模型，考慮到現(xiàn)實(shí)的跨境無線電環(huán)境。此外，利用這樣一個(gè)擴(kuò)展的模型，我們將設(shè)計(jì)新的網(wǎng)絡(luò)重選解決方案。

縮略詞

審核編輯：劉清