51学通信

深度解析 3GPP TS 38.300：16.9 Sidelink (车联网与设备直通的基石)

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好的，在深入探讨了5G网络切片这一宏观的业务隔离技术之后，我们将进入一个同样面向垂直行业、但技术实现截然不同的领域——Sidelink（直通链路）。这是一种颠覆性的通信模式，它让设备摆脱了对基站的依赖，实现了彼此之间的直接“对话”。

深度解析 3GPP TS 38.300：16.9 Sidelink (车联网与设备直通的基石)

本文技术原理深度参考了3GPP TS 38.300 V18.5.0 (2025-03) Release 18规范中，关于“16.9 Sidelink”的核心章节，旨在为读者全面解构5G Sidelink通信的核心架构、协议栈、资源分配模式以及关键物理层程序，揭示其在车联网（V2X）和邻近服务（ProSe）等场景下的巨大潜力。

前言：当万物开始“自由交谈”

我们的主角小明，正乘坐一辆自动驾驶的校园巴士，巴士正在平稳地接近一个复杂的十字路口。突然，一辆处于视觉盲区的自行车从侧方小路高速冲出。在人类驾驶员和车载摄像头都还未反应过来的瞬间，巴士的告警系统发出了警报，并自动进行了轻微的减速预判。原来，是路口的路侧单元（RSU）和自行车上安装的5G通信模块，通过Sidelink技术，以毫秒级的速度，将“碰撞风险”的预警直接广播给了周围的所有车辆。

这场有惊无险的经历，正是V2X（Vehicle-to-Everything，车用无线通信）的典型应用场景。而支撑这一切的底层技术，就是Sidelink——一种不依赖基站进行数据中转的设备到设备（D2D）直接通信技术。

导师老王向小玲解释道：“Sidelink为5G打开了一扇通往‘去中心化’通信世界的大门。它构建了一张本地的、自组织的、超低时延的通信网络，是实现高等级自动驾驶、设备协同作业、公共安全预警等‘关键任务’的基石。它的架构和运行规则，与我们熟悉的蜂窝通信（Uu接口）截然不同，其纲领就定义在38.300的16.9节。”

今天，我们将化身为“未来交通的设计师”，深入探索Sidelink的世界，看看5G是如何让汽车、行人、基础设施都拥有“开口说话”的能力，共同编织一张无形的安全之网。

1. Sidelink概览：Uu之外的新大陆 (16.9.1)

In this clause, an overview of NR sidelink communication and how NG-RAN supports NR sidelink communication, V2X sidelink communication and Ranging/Sidelink positioning is given… The NG-RAN architecture supports the PC5 interface as illustrated in Figure 16.9.1-1. Sidelink transmission and reception over the PC5 interface are supported when the UE is inside NG-RAN coverage, … and when the UE is outside NG-RAN coverage.

Sidelink，也被称为PC5接口通信，其核心是在UE之间建立直接的数据传输路径。它的设计初衷，就是要同时适应两种截然不同的环境：

  • 覆盖内（In-Coverage）：UE处于gNB的蜂窝网络覆盖范围内。此时，gNB可以像一个“交通警察”，为Sidelink通信提供辅助，例如，为其分配专用资源、进行干扰协调、配置通信参数等。

  • 覆盖外（Out-of-Coverage）：UE在蜂窝网络覆盖之外，如隧道、地下车库、偏远山区。此时，UE可以依据预配置的规则和资源池，自主地进行Sidelink通信，实现“失联不失通”。

Sidelink的传输模式也极为灵活，以适应不同的业务需求：

NR sidelink communication can support one of three types of transmission modes…

  • Unicast transmission: …
  • Groupcast transmission: …
  • Broadcast transmission: …

  • 单播（Unicast）：一对一的通信。例如，两辆车之间的定向信息交互。它支持建立PC5-RRC连接，并提供可靠的（基于HARQ和RLC AM）双向通信。

  • 组播（Groupcast）：一对多的通信。例如，一个卡车编队内，领头卡车向所有队员广播行驶指令。

  • 广播（Broadcast）：一对所有的通信。例如，路侧单元（RSU）向周围所有车辆和行人广播交通信号灯状态或事故预警。

2. “双轨制”的协议栈：Sidelink无线协议架构 (16.9.2)

为了支持独立于Uu接口的通信，Sidelink拥有一套完全独立的、为PC5接口量身定制的无线协议栈。一个支持Sidelink的UE，其内部就像运行着两套并行的系统。

2.1 控制面与用户面协议栈 (16.9.2.1)

规范中的 Figure 16.9.2.1-1 到 16.9.2.1-4 分别展示了Sidelink RRC（SCCH）、Sidelink V2X应用（PC5-S）、Sidelink广播（SBCCH）以及用户面（STCH）的协议栈。

它们的共同特点是，都包含了PHY, MAC, RLC, PDCP等我们熟悉的L1/L2子层，但它们都是Sidelink版本的，其具体功能和头部格式都经过了特殊设计。

  • 用户面协议栈：SDAP -> PDCP -> RLC -> MAC -> PHY

  • 控制面协议栈（Unicast）：RRC -> PDCP -> RLC -> MAC -> PHY

2.2 各子层的Sidelink“特长”

  • MAC子层 (16.9.2.2)：除了常规的复用和HARQ功能，Sidelink MAC还具备一些独有“特长”：

    • 无线资源选择（Radio resource selection）：在Mode 2模式下，MAC层需要实现基于感知的资源自主选择算法。

    • 包过滤（Packet filtering）：Sidelink MAC头部会包含源/目的L2 ID的一部分，用于物理层的快速包过滤，UE可以只接收发给自己的包。

    • 优先级处理：需要处理Uu上行传输和PC5 Sidelink传输之间的优先级冲突。

  • RLC子层 (16.9.2.3)：根据传输模式选择不同的RLC模式。单播可以支持最可靠的AM模式，而组播和广播则使用UM模式。

  • PDCP子层 (16.9.2.4)：同样提供头压缩、加密和完整性保护。值得注意的是，有序交付功能只在单播模式下支持。

  • SDAP子层 (16.9.2.5)：负责将来自上层应用的QoS流（由PQI - PC5 QoS Identifier标识）映射到**Sidelink无线承载（SLRB）**上。

  • RRC子层 (16.9.2.6)：Sidelink拥有自己的PC5-RRC协议。对于单播通信，两个UE之间会建立一条PC5-RRC连接，用于交换彼此的能力信息、配置Sidelink承载、管理链路状态等。这条连接独立于UE与gNB之间的Uu-RRC连接。

3. 资源分配的“二元法则” (16.9.3)

Sidelink通信的资源从哪里来？这是整个设计的核心。3GPP为此制定了两种截然不同的资源分配模式。

3.1 Mode 1：网络调度模式 (16.9.3.2 Scheduled Resource Allocation)

在这种模式下，网络（gNB）是资源的最终裁决者。

  • The UE needs to be RRC_CONNECTED in order to transmit data;
  • NG-RAN schedules transmission resources.

  • 工作流程：一个处于连接态的UE，如果想发送Sidelink数据，它需要先通过Uu接口向gNB发送一个Sidelink BSR，告知其有多少Sidelink数据待发。gNB的调度器会综合考虑Uu和PC5的资源情况，通过下行的DCI（使用一个专用的SL-RNTI加扰）为UE分配Sidelink的传输资源（PUSCH-SL）。

  • 优点：资源由gNB集中控制，可以有效地进行干扰管理和资源优化，整体频谱效率高。

  • 缺点：UE必须处于连接态，且存在“请求-授权”的调度时延，不适用于最低时延的V2X安全业务。

3.2 Mode 2：UE自主模式 (16.9.3.3 UE Autonomous Resource Selection)

在这种模式下，UE们遵循“先感知，后发送”的分布式竞争法则。

  • The UE can transmit data when inside NG-RAN coverage, irrespective of which RRC state the UE is in, and when outside NG-RAN coverage;
  • The UE autonomously selects transmission resources from resource pool(s).

  • 资源池（Resource Pool）：网络（通过SIB12广播或RRC专用信令）或者预配置，为UE们划定一块专用的Sidelink时频资源池。

  • 感知（Sensing）：当UE准备发送数据时，它会先监听这个资源池一段时间。通过解码其他UE发送的PSCCH（SCI），它可以构建一张“资源占用地图”，了解哪些资源在未来一段时间内会被占用。

  • 选择与预留：UE从“地图”上的空闲资源中，为自己选择一个或一组资源。然后，它会在自己的SCI中，宣告自己对这些资源的使用权（可以是单次传输，也可以是半静态的周期性预留）。

  • 优点：去中心化，时延极低；不依赖基站，支持覆盖外通信。

  • 缺点：分布式竞争可能导致资源冲突和性能不确定性。

Mode 2是V2X业务（特别是安全业务）的首选模式。

4. “遥控”与“放养”：Uu接口的控制 (16.9.4)

即便是在自主的Mode 2下，只要UE在网，gNB仍然可以对其Sidelink行为进行“遥控”和管理。

  • 对于连接态UE (16.9.4.2)：gNB可以通过专用的RRC信令，为UE配置Sidelink的所有参数，包括资源池、传输模式、测量上报等。UE也可以通过SidelinkUEInformation消息，向gNB上报自己的Sidelink缓冲区状态、QoS需求等，以辅助Mode 1的调度。

  • 对于空闲/非活跃态UE (16.9.4.3)：gNB通过广播SIB12，为这些“放养”状态的UE提供公共的Sidelink资源池和基本配置。UE在小区重选时，会优先选择那些广播了其所需Sidelink配置的小区。

5. 节能的“默契”：SL DRX (16.9.6)

如果一个接收端UE需要时刻监听Sidelink信道，其功耗将是巨大的。为此，Sidelink也引入了DRX机制。

Sidelink supports SL DRX for unicast, groupcast, and broadcast.

  • DRX协商（单播）：对于单播，收发双方可以通过PC5-RRC信令，协商出一套双方都接受的DRX参数（周期、活动时长等）。

  • 发送方的责任：发送方UE必须“知晓”并“尊重”接收方UE的DRX周期。它会维护一个与接收方同步的“活动时间”计时器，并只在计算出的接收方“清醒”时刻，才去发送PSCCH和PSSCH。

  • Uu与SL DRX的对齐：当UE在覆盖内时，gNB可以协调Uu接口的DRX和PC5接口的DRX，使它们的“清醒”时刻尽可能地对齐，从而最大化UE的睡眠时间。

总结：一张为本地交互而生的智能网络

通过对16.9节的全面学习，我们为V2X场景构建了一套坚实的无线通信基础。Sidelink不仅仅是蜂窝通信的一个补充，它本身就是一个设计完备、功能丰富的独立通信系统。

  1. 双重生命力：Sidelink既能在网络覆盖内接受gNB的“宏观调控”，也能在网络覆盖外实现“完全自治”，保证了在任何场景下的连接能力。

  2. 双轨制资源分配：通过网络调度的Mode 1和UE自主的Mode 2，Sidelink在集中式效率和分布式低时延之间取得了灵活的平衡，能够适配从大文件传输到紧急安全预警的各种业务。

  3. 完备的协议体系：Sidelink拥有自己独立的PC5-RRC协议栈和物理信道，支持可靠传输、QoS映射、安全、DRX等高级功能，使其成为一个电信级的D2D通信解决方案。

Sidelink技术的成熟，是5G从“人联网”迈向“车联网”、“物联网”乃至“万物智联”的关键一步。它将通信能力从云端下沉到了边缘和设备本身，为即将到来的自动驾驶和智能交互时代，铺平了道路。

FAQ

Q1：Sidelink通信会占用普通手机上网的蜂窝网络资源吗？

A1：不占用。Sidelink通信是在UE之间直接进行的，数据流不经过gNB和核心网进行中转。因此，它不消耗蜂窝网络的用户面容量。但是，在Mode 1（网络调度模式）下，UE需要通过Uu接口的控制信道（PUCCH/PDCCH）与gNB进行资源请求和授权的信令交互，这会占用极少量的蜂窝网络控制面资源。在Mode 2下，如果是覆盖内，网络也可能会通过RRC或系统信息广播来配置资源池，但这属于管理开销，不影响数据传输本身。

Q2：在Mode 2下，UE如何“感知”信道是否被占用？

A2：UE主要通过解码SCI（Sidelink Control Information）来实现感知。每个准备发送数据的UE，都会先在PSCCH上广播一个SCI，这个SCI中包含了它将要使用的PSSCH资源的位置和时长信息。其他UE在选择自己的资源前，会持续监听资源池中的PSCCH。通过解码收到的SCI，它就能知道哪些资源在未来已经被“预订”了。它会将这些被预订的资源标记为不可用，然后从剩余的资源中进行选择。这是一种基于信令预留的感知机制。

Q3：什么是PC5-RRC连接？它和Uu-RRC连接有什么关系？

A3：它们是两条完全独立的RRC连接。Uu-RRC连接是UE与gNB之间为了蜂窝通信而建立的。而PC5-RRC连接是两个UE之间为了Sidelink单播通信而建立的。一个UE可以同时拥有一个Uu-RRC连接（与gNB通信）和多个PC5-RRC连接（与多个不同的对端UE通信）。PC5-RRC用于协商Sidelink链路的参数、交换UE能力、维护链路状态等，其信令本身通过Sidelink的SCCH信道传输。

Q4：Sidelink通信安全吗？

A4：是的。Sidelink协议栈的PDCP层同样定义了加密和完整性保护机制。对于单播通信，两个UE在建立PC5-RRC连接后，可以协商出一套安全密钥，用于后续数据和信令的保护。对于组播和广播，也可以采用预共享密钥或其他更高层的安全机制来保证通信的安全。V2X通信的安全性是整个设计的重中之重，有专门的标准（如TS 33.185）来定义其复杂的安全和证书管理体系。

Q5：如果两辆车在Mode 2下都选择了同一个资源发送数据，会发生什么？

A5：这就是资源冲突或碰撞。由于Sensing机制并非100%完美（例如，存在“隐藏终端”问题），碰撞在Mode 2下是可能发生的。当碰撞发生时，在接收端，这两个信号会相互干扰，导致两个数据包都很可能解码失败。发送端在等待HARQ ACK超时后（如果是单播），或者没有达到预期的应用效果后（如果是广播），会认为这次传输失败。然后，它会在下一次传输时，重新执行Sensing和资源选择过程，很大概率会选择一个新的、不同的资源，从而避开这次碰撞。Mode 2的健壮性，正是在于这种分布式、概率性的资源选择和退避重传机制。

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