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第五章 车联网专用短程通信技术

架构设计 更新时间:发布时间: 百科书网 趣学号
第五章 车联网专用短程通信技术
  • 专用短程通信(Dedicated Short Range Communication,DSRC)也叫专用短距离通信,这个术语在使用上常常引起一些混淆,就技术本身而言,代表的是一类通信技术,而不具体指某一个特定的技术解决方案或技术体制,这类技术通常用于某一个专业领域,为特定领域应用和业务需求提供通信解决方案。
5.1 专用短程通信
  • 在美国,专用短程通信广泛地被用于指代跟WAVE相关的频谱或者技术,比如:美国联邦通信委员会在为智能交通应用分配频谱时发布的文件中就使用了DSRC;国际自动机工程师协会(SAE International)制定的应用层消息标准也使用了DSRC。
  • 在中国,DSRC主要指代工作在5.8GHz的无线技术,比如,用于不停车收费的系统。近年随着V2V/V2X技术的发展,国内也有人用DSRC称呼美国基于IEEE 802.11p和1609的车车通信技术。
5.2 WAVE协议体系
  • IEEE主持制定了用于车载环境通信的系统架构(Wireless Access in Vehicle Environment,WAVE),为交通提供设备通信能力。WAVE针对车辆环境的通信进行优化,可支持的业务包括美国国家智能交通系统架构中认可的业务,以及由汽车行业和交通基础设施行业补充的业务,这些业务涉及车和交通基础设施、车和车以及车和人之间的通信。
  • 在DSRC标准架构中,WAVE协议族位于协议栈传输层以下,其中IEEE 802.11p定义通信实体的物理层和MAC层技术,IEEE 1609系列标准规范各通信实体安全、网络服务和多信道操作方法等方面。
  • 802.11p以802.11标准为基础,依据车载环境的专用短距离通信场景的要求进行扩展和修订。
    • 在物理层,802.11p采用与802.11a相同的OFDM调制技术。为避免邻近车辆之间的干扰,802.11p制定了较无线局域网场景更为严格的邻信道抑制指标ACR,并配合FCC为为DSRC的频率规划,选择采用了10 MHz带宽信道。
    • 在MAC层,802.11p沿用增强分布式信道访问机制(Enhanced Distributed Channel Access,EDCA)以支持不同传输的差异化QoS要求。为了满足车联网主动道路安全应用对低时延的要求,802.11p在MAC层设计了新的基本服务组(Basic Service Set,BSS)类型(Wave BSS,WBSS)。支持802.11p工作模式的STA设备间无须交互关联信息,就可以加入WBSS,从而降低了通信连接建立过程的时延。
  • IEEE 1609.3为车辆间通信(V2V)设计了两类消息格式:WSM(WAVE Short Message)和WSA(WAVE Service Advertisement),以避免UDP/IP分组包的层层封装和开销太大。
  • IEEE 1609.4规范了多信道操作的方法。美国联邦通信委员会(FCC)为车辆专用短程通信技术在5.9GHz附近的频段(5.850~5.925GHz)分配共计7个10MHz的信道和一个5MHz的保护带,其中一个信道是控制信道(CCH),其他为业务信道(SCH)。各终端在CCH期间监听相邻终端或邻近区域广播的WSA和传输WSM,并可根据WSA指示跳转至特定业务信道(SCH)。
5.3 WAVE的物理层
  • 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。

    • PLCP导引序列包含12个OFDM符号,由重复的长短“训练序列”组成。
    • PLCP头包括长度、速率、保留、奇偶校验及服务字段,其中速率、预留比特(保留)、长度、奇偶校验和尾比特一共24个比特,承载在一个OFDM符号上,记为信号字段;该字段进行1/2码率的卷积编码,并采用BPSK调制,发送速率为6Mbps。
    • PLCP数据部分的发送速率由PLCP头域信息的速率字段指出,其长度根据PLCP头域中的长度字段确定。
  • 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。

5.4 WAVE MAC层
  • WAVE的MAC层机制由两部分功能组成:
    • 一方面,WAVE的MAC层采用802.11规范定义的用于无线局域网的MAC技术。
    • 另一方面,在IEEE 1609.4中对802.11的MAC功能进行了扩展,规范多信道工作过程,以支持设备工作在FCC分配给智能交通业务的多个信道上。
5.4.1 Out of BSS模式
  • 普通的无线局域网设备在发送数据帧之前,需与目标通信方先建立起一个基本服务组(Basic Service Set,BSS),处于同一BSS内的设备可以相互发送数据帧。
  • 但在车辆行驶的高速环境下,无线环境快速变化,通信的参与方也在发生着快速的变化。如果通信双方必须先建立BSS,才能发送数据,那么WAVE设备间通信会引入的延迟将难以满足设备车车通信对于时延的要求。
  • 对此,802.11p制定了特定的工作模式:Out of BSS(OCB)工作模式,以允许WAVE设备在没有建立起BSS时也可以相互发送数据帧,即处于通信距离内的WAVE设备,可以直接发送数据帧,而无须事先协商BSS上下文。
  • 当该模式启动时,设备将不采用802.11规定的鉴权、管理和数据一致性流程,数据帧可以发送给同处于通信距离内的一个单独的或者一组目标MAC地址。
5.4.2 增强分布式信道接入(EDCA)
  • WAVE设备在发送数据之前,先监听无线信道上是否正在进行数据传送,判断链路是否空闲。如果检测到无线信道上有数据传送,即标记信道为“忙”状态,WAVE设备会延迟(回退)一段时间,再次进行链路忙闲状态检测,直到检测到链路状态为空,开始进行数据的发送。这一技术被称作载波侦听多点接入/碰撞避免(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance,CSMA/CA)。
  • 802.11协议规范了CSMA/CA媒体访问机制的具体过程和参数。规范中共规定了三种媒体接入的机制,分别为分布式协调(DCF)、中心点协调(PCF)、以及混合协调(HCF)机制,并规定了每种媒体接入方式详细设备检测和判断链路的忙/空状态的流程和参数,规范了检测到链路状态忙时回退的算法和参数,以及检测到链路空闲时进行数据发送的流程。
  • 混合协调(HCF)支持增强分布式信道接入(Enhanced Distributed Channel Access,EDCA),在该工作模式下支持设备根据业务的优先级要求访问媒介,目前共定义了四种业务优先级:背景业务(AC_BK)、尽力而为(AC_BE)、视频(AC_VI)和语音(AC_VO),每种优先级包含两个用户优先级。当有不同优先级业务的数据帧发送时,优先级高的业务和用户优先使用无线信道。
  • WAVE的设备访问无线信道时采用EDCA模式,设备获得发送机会(Transmission Opportunity,TXOP),并在无线信道上发送数据。
  • IEEE 802.11p中EDCA流程如下图所示:
5.4.2.1 无线信道忙闲检测
  • 设备发送数据前分别对所占用的信道进行能量检测(Energy Detect)和信号检测(Signal Detect),如果两种检测的结果都表明信道状态为“闲”,则认为信道可用于发送数据。
    • 对于能量检测,如果检测到信道上射频能量小于门限值则判断链路为闲。
    • 对于信号检测,无线发送设备检测目标无线信道上是否可探测到802.11的帧的导引序列。如果检测到导引序列,则信道为忙;如果没有检测到导引序列,则以能量检测的结果作为判断信道忙/闲的结果。
5.4.2.2 帧间等待
  • 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。

    1. 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。

    2. 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。

    3. 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。

5.4.2.3 发送帧前随机时延(Backoff Time)
  • 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:

5.4.3 WAVE多信道操作
  • 美国为智能交通通信划分了75MHz的频谱资源,共7个10MHz无线信道。WAVE设备在多个信道上工作需要信道间的相互协调,由此,IEEE 1609工作组制定了1609.4以规范和协调WAVE设备在多信道上的工作,作为802.11MAC机制的增强,同802.11 LLC和802.11的物理层的协调工作。
  • 1609.4制定了在多信道工作的情况下,不同信道上的发送接收间隔间同步和协调的机制,负责用户数据在恰当的时间、正确的RF信道传送设定参数,并根据用户优先级和接入优先级,将待发送和接收的数据送到指定的信道进行传送。
  • 多个信道划分为两类:控制信道(CCH)和服务信道(SCH),WAVE设备可以在一个或多个信道上发送。WAVE设备发送的三种802.11物理层帧包括管理帧、数据帧和控制帧。
    • 控制帧在802.11协议中规定。
    • 主要的管理帧是时间通告帧(TA)和制造商特定的通告帧(VSA),TA用于发布时间同步信息,VSA用于交换WAVE的服务通告。
  • 对于上层的数据交互,WAVE支持发送1609.3规定的非IP数据WSM,也支持IP数据。包含WSM的数据帧可以在CCH或者SCH上传送,包含IP的数据帧只能在SCH上传送。
  • WAVE设备可以工作在连续模式,即连续工作在控制信道上,也可以工作在切换模式,即在CCH和SCH间切换工作,具体切换可参考下图:
  • 用于同步的时间间隔分为CCH和SCH,CCH间隔和SCH间隔的和为同步间隔(Sync Interval)。在每个信道间隔开始显示保护间隔,保护间隔用于无线设备的切换和不同设备间的时间不同步的时候。
  • 同步间隔的长度为1秒,WAVE设备以世界标准时间(UTC)为基准,在每UTC秒,同步间隔的开始与UTC秒的开始对齐。
  • 高层会给每个待发送的数据包设定优先级。在CCH上发送的WSM建议使用802.11p的默认EDCA参数,在SCH上发送的管理帧WSMP(WAVE Short Message Protocol),可以单独设置EDCA参数,默认值建议使用802.11p规定的默认值。
5.5 WAVE逻辑链路层
  • 与OSI开放标准互联的7层协议相对应,WAVE的逻辑链路层(LLC)协议在IEEE 1609.3中进行了规范。
  • WAVE逻辑链路层的头信息为2Byte指示信息,这2Byte信息应当是按照802标准定义的EtherType类型,即指示上层协议的类型。当前支持的上层的协议包括IPv6和WSMP。
5.6 WAVE短消息协议
  • 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。

5.7 欧洲智能交通接入技术ITS-G5
  • 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:

    1. ITS-G5A:智能交通道路安全应用,30MHz,使用5875~5905MHz。
    2. ITS-G5B:智能交通非安全应用,20MHz,使用5855~5875MHz。
    3. ITS-G5C:与无线局域网RLAN(WLAN)共用,信道带宽可以为10MHz或者20MHz,仅限于车路之间的应用,使用5470~5725MHz。
    4. ITS-G5D:未来ITS应用,使用5905~5725MHz。
  • 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。

5.8 中国ETC专用短程通信
  • 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:

    1. GB/T 20851.1 电子收费专用短程通信第1部分:物理层;
    2. GB/T 20851.2 电子收费专用短程通信第2部分:数据链路层;
    3. GB/T 20851.3 电子收费专用短程通信第3部分:应用层;
    4. GB/T 20851.4 电子收费专用短程通信第4部分:设备应用;
    5. GB/T 20851.5 电子收费专用短程通信第5部分:物理层主要参数测试方法。
  • 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:

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