
在物理层,WAVE技术标准通常简称为802.11p,该技术标准是由IEEE 802.11工作组制定的802.11标准的增补文件之一。该增补规范已经合并到802.11——2012版本中,作为802.11规范内容的一部分。
802.11无线局域网技术规范是一个内容丰富的规范,随着无线通信技术的不断进步,IEEE 802.11无线局域网技术工作组以增补规范的形式,制定802.11技术的演进版本,将新的技术解决方案引入无线局域网规范当中,支持新的无线局域网业务,拓展无线局域网技术在不同领域的应用。
1997年,IEEE发布了工作在2.4GHz频率上的无线局域网技术规范的第一个版本,其物理层包含红外、跳频和直接序列扩频技术三种技术体制,最高支持的数据速率为2Mbps。1999年,IEEE 802.11发布了工作在5GHz频段并采用正交频分复用(OFDM)技术的物理层技术规范802.11a,它支持5MHz、10MHz和20MHz多种信道带宽配置,最高数据速率可以支持到54Mbps,在802.11标准中称为OFDM-PHY。
为了适用于车车通信的无线环境,以及车车通信对消息传递低时延的要求,802.11技术工作组为车载环境下无线局域网技术的应用单独制定了一个增补篇,也就是经常提到的802.11p。该技术所采用的物理层技术在802.11 OFDM-PHY中进行了规范,基于OFDM技术,在10MHz信道带宽上包含52个子载波,其中48个为数据子载波,4个为导频子载波,默认传送速率为6Mbps。
针对车车通信所需要的低时延的要求,802.11p设计了OCB(Outside of the Context of a BSS)模式,并给出了用于车车通信的EDCA参数,以降低802.11p设备在发送V2X信息时的时延。
WAVE的物理层协议数据单位(PPDU)帧结构如下图所示:
PPDU帧包括PLCP导引序列,PLCP头域,物理层服务数据单元(PSDU),尾比特和填充比特。
WAVE 802.11p物理层支持的调制方式有BPSK、QPSK、16QAM、64QAM,编码速率支持1/2、3/4、2/3,高阶调制和更高的编码速率意味着更高的数据速率,但是同时也要求更好的传播信道条件,以保证信号在传递过程中产生的错误不会超过自身纠错能力,在信号的接收侧可以正确解调信号。
除了10MHz的信道带宽,WAVE支持将2个10MHz的信道合并,即采用20MHz的信道带宽进行数据传输。
探测到无线信道为空闲状态后,在发送无线帧之前,无线链路应保持空闲状态一段时间。根据所发送的不同无线帧类型,链路应保持空闲的时间不同。
短帧间隔(Short Inter Frame Space,SIFS):用于特定的MAC层控制帧,如ACK,CTS帧等,SIFS不区分业务优先级,对于所有业务优先级的取值为固定值。
仲裁帧间间隔(Arbitration Inter Frame Space,AIFS):用于发送新的数据帧、管理帧和部分控制帧,如下式:
A
I
F
S
[
A
C
]
=
a
S
I
F
S
T
i
m
e
+
A
I
F
S
N
[
A
C
]
∗
a
S
l
o
t
T
i
m
e
AIFS[AC]=aSIFSTime+AIFSN[AC]*aSlotTime
AIFS[AC]=aSIFSTime+AIFSN[AC]∗aSlotTime
其中,aSlotTime为固定值,根据不同的业务优先级,AIFSN取不同值。
扩展帧间间隔(Extended Inter Frame Space,EIFS),用于接收错误后传送新的数据帧。
该随机时延仅用于新的数据帧的传送。设备在竞争窗口CW中[0,CW]随机选择一个数值R,随机时延的时间等于R乘以时隙时间,该时隙时间为9us,如下公式所示:
B
a
c
k
o
f
f
T
i
m
e
=
R
∗
a
S
l
o
t
T
i
m
e
BackoffTime=R*aSlotTime
BackoffTime=R∗aSlotTime
竞争窗口的大小从窗口最小值开始,如果在竞争过程中发现链路变为“忙”,则在链路空闲DIFS(分布协调功能帧间间隔)时间后,重传该数据帧的所用的CW窗口在[aCWmin,aCWmax]范围内选择为2n-1序列中的下一个值。
当开启OCB(Outside of the Context of a BSS)模式时,EDCA的TXOP限制为0,这意味着802.11p设备每发送一个数据帧都应以竞争的方式获取发送机会。此时,EDCA参数的默认值如下图所示:
WAVE短消息协议数据单元如下图所示:
WAVE短消息协议(WSMP)可用来传送与安全相关的应用层消息,WSMP可以被承载在CCH或SCH信道上传送。
当接收方接收到一个WSMP消息时,根据WSMP地址域携带的信息决定将数据交由上层的哪个应用来处理。按照1609.3最新版本的固定,地址域应包含PSID,上层应用可根据PSID信息决定。
当接收到一个WSMP的服务数据单元时,根据PSID将数据派发给不同的上层应用。对WSMP承载的协议的安全保护,由上层协议负责,上层协议可以对数据进行签名和保护。
WSMP也用于传输WAVE业务公告(WSA),该公告用于广播WAVE系统的业务配置信息。WAVE设备规定两种角色:业务提供者发送WAVE业务通告(WSA);作为业务用户角色的WAVE设备则监听接收到的WAVE业务通告。业务发送者可以在CCH信道或者SCH信道上的任何时隙传送WSA,但是,通常WSA在CCH的时隙0上发送。
欧洲合作式智能交通(Cooperative ITS)系统接入层技术统称为ITS-G5,这里G5代表5GHz附近的频段。
ITS-G5根据应用场景,将频段划分为ITS-G5A、ITS-G5B、ITS-G5C和ITS-G5D四种,分别是:
ITS-G5接入技术的标准架构如下图所示:
该技术物理层(PHY)和媒体接入层(MAC)以802.11p为基础制定。与WAVE技术不同,ITS-G5的逻辑链路层(LLC)层在本书编制时仍保持与IEEE 1609.3——2010版本一致,即采用802.2规定的面向无连接的非确认类型1协议,子网接入协议为SNAP。
ITS-G5还扩展了802.11的逻辑链路层功能,制定了ETSI 102 687 和ETSI 102 724,用以支持多信道操作。
在双收发器ITS-G5配置中,在第一收发器固定到CCH的情况下,另一个收发器可以动态切换到SCH上。
在接入层之上,欧洲智能交通的网络层协议可以采用IPv6或GeoNetworking。GeoNetworking是一个路由协议,它支持基于地址位置进行寻址的自组织网络工作方式,数据包可以发送给一个单独的ITS台站,也可以发送给某一地理区域里的所有ITS台站。目标的地理区域可以为圆形、矩形和椭圆形。
GeoNetworking支持五种数据包处理模式:地理单播、地理广播、地理任意播、单跳广播和拓扑范围。
在GeoNetworking协议之上,基本传输协议(Basic Transfer protocol,BTP)提供无连接、不可靠的端到端数据包传输,类似于UDP,用以承载应用层消息。
现阶段在中国,专用短程通信(DSRC)通常专指用于电子不停车收费系统(ETC)的专用短程通信技术。
交通运输部公路科学研究院牵头制定了《电子收费专用短程通信》的国家推荐标准GB/T 20851系列,该系列标准包括:
在ETC协议架构中,RSU和OBU对应关系如下图所示:
ETC专用短程通信以射频识别技术为核心,RSU向OBU传送消息的下行链路使用5.830GHz和5.840GHz两个无线信道;OBU向RSU传送信息的上行链路使用5.790GHz和5.800GHz两个信道。各个信道占用带宽不超过5MHz。
根据国家标准的规定,A类ETC设备采用ASK调制,RSU最高传送速率为256kbps,OBU传送数据速率为500kbps,主要满足基本的ETC应用;B类ETC采用FSK调制,RSU最高传送速率为1Mbps,在ETC应用的基础上,可满足较高速率的数据传输应用。
各地区DSRC系统比较如下图所示: