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车联网WAVE 协议介绍

2014-5-25 22:34| 发布者: dzly| 查看: 713| 评论: 0|原作者: 汪涛,李曦

摘要: WAVE 是目前最有前途的车联网无线通信标 准,它考虑了实际车联网通信的特点,能完成高速 移动条件下的信息高效传输。WAVE 协议栈由 DSRC 标准发展而来,包括IEEE 802.11p 和IEEE P1609两部分。本文讲述了WAVE 的历史和发展历 程,介绍了WAVE 协议栈的架构和功能,重点说明 了WAVE 协议的基本结构和MAC 层基本原理。

  1 概述
  支持智能交通系统(ITS:Intelligent TransportationSystem)的主要协议栈WAVE(Wireless Access in VehicularEnvironment)由IEEE 制定,用于ITS 中基于无线的通信应用,是基于802.11 的一项技术。虽然目前基于移动通信技术的ITS 应用比较普遍,但是对比GSM/3G/LTE 等移动通信技术,WAVE 有着自身的优点,例如更容易部署,成本更低,其协议栈的制定充分考虑了ITS 和车联网网络的特点等。
  目前,WAVE 是最流行的用于车与路边设施(I2V:Infrastructure to Vehicle)、车与车(V2V:Vehicleto Vehicle)之间的无线通信标准。WAVE 专注于满足车辆通信的需求,提供短距离的安全应用服务、免费的道路收费服务以及其它类似的服务。
  WAVE 使用5GHz 频段,物理层使用了OFDM调制技术。在双向短距离视距情况下,其传输速率可达27 Mbit/s,与传统的蜂窝、WiMAX 以及卫星通信网络相比,开销大幅度降低。
  WAVE 支撑下的车联网对数据通信的要求很高。例如,当两辆车相对高速接近时,它们能容忍的连接建立时间很短;再如,当车联网应用需要车载设备与路边基础设施建立连接时,汽车通过其服务范围的时间很短,可能会造成频繁切换。汽车的这种高移动性加上复杂的道路环境给WAVE 的MAC 层和物理层提出了很高的要求。
  为了满足实际需求,WAVE 协议栈的设计和性能需要能达到以下标准:(1)预留专用信道给与公共安全相关的应用,以体现交通安全的重要性;(2)支持车与车之间的通信,有效通信距离大约在300 米左右;(3)要达到3~27 Mbit/s 的传输速率;(4)网络层采用IP 协议,支持与Internet 的有效融合[1]。
  2 发展历程
  WAVE 的前身是专用短距通信技术(DSRC:Dedicated Short Range Communication)标准。DRSC 最初为提高驾驶安全性而设计,用于保证驾驶安全信息的快速交换,以避免驾车过程中可能出现的事故。
  从上世纪90 年代开始,美国材料试验协会(ASTM:American Society for Testing and Materials) 组建了工作组来制定DSRC 相关标准,之后,欧洲、日本和中国相继完成了各自DSRC 标准的制定。但是,DSRC标准受限于数据传输速率低、不支持车与车之间通信、路边基础设施覆盖范围窄、难以与Internet 融合等特点,不能满足ITS 长远发展的需要,只能实现有限的ITS 应用。
  从本世纪初开始,DSRC 的标准化工作转入IEEE802.11p 和P1609 工作组进行,进入了WAVE阶段,这两部分共同构成了WAVE 协议栈。2010 年7 月,基于802.11,IEEE 发布了802.11p,它充分借鉴了802.11a 和802.11e 的特点,是物理层和MAC层的规范。IEEE P1609 协议族由IEEE P1609 工作组制定,是WAVE 的高层协议, 包括1609.1、1609.2、1609.3 和1609.4。1609.1 是关于WAVE 应用层资源管理的标准,1609.2 定义了安全消息格式及其处理过程,1609.3 定义了路由和传输服务,1609.4 主要提供了多信道通信标准的详细说明[2]。
  3 WAVE 基本结构
  对比802.11 协议,WAVE 取消了接入点(AP)和站点(STA) 的定义, 代之以路边单元(RSU:Road-Side Unit)和车载单元(OBU:On-Board Unit)。
  RSU 的功能与AP 大致相同,固定地安装在道路边的基础设施上,与核心网相连;OBU 大致相当于STA,安装在汽车上,工作时与无线网络和车内网络同时相连。
  每个RSU 都有一片通信区域,定义WAVE 基本服务集(WBSS:WAVE Basic Service Set)为不同通信区域的标识。道路上移动的汽车会从一片通信区域移动到另一片,但最多只能同时与一个WBSS 相连接。一个RSU 的最大通信区域为直径1 km 的范围,OBU 优先与“最近”的RSU 相连,但是“最近”并不是绝对的,它来源于根据信号质量作出的相对估计;在没有RSU 的情况下,OBU 之间可以组成移动的车载自组织网络。标准还定义了WAVE 短消息协议(WSMP:WAVE Short Message Protocol) 以支撑RSU 与OBU 或者OBU 之间的安全信息交换[3]。
  3.1 频率划分
  WAVE 使用5.9GHz 频带,有较强的抗干扰能力,带宽10 MHz,该频带进一步被细分为一个控制信道(CCH:Control Channel)和6 个业务信道(SCH:Service Channel)。其中,CH178 作为CCH,只能用于控制和公共安全信息的传输,CH174、CH176、CH180、CH182 用于传输公共安全信息和私人服务,CH172 和CH184 为未来更先进的事故避免应用和高功率的安全通信预留。与WBSS 处于连接状态的WAVE 设备使用CCH 以及一个或多个SCH。
  基于802.11a,802.11p 使用了OFDM 技术,为低速运动(0~60 km/h)中的汽车提供9/12/18/24/27Mbit/s 的传输速率,为高速运动(60~120 km/h)中的汽车提供3/4.5/6/9/12 Mbit/s 的传输速率。频域划分为52 个子载波,可能的调制方式有BPSK、QPSK、16-QAM 和64-QAM 等,卷积码码率可能为1/2、2/3或3/4,数据传输速率则由以上因素共同决定。
  3.2 单/多信道设备
  WAVE 设备可以分为两种类型———单信道设备和多信道设备。单信道设备在同一时刻只能占用或监听一个信道,而多信道设备具有同时占用或监听多个信道的能力。不论是哪种设备,都不能忽视对CCH 的监听。但是,单信道设备不能一直监听CCH而放弃切换到SCH 进行数据传输,因此,需要一种同步机制来保证两种设备都能在共同的时段内监听或占用CCH,而其余时段可以切换到SCH。CCH 和SCH 的切换考虑了车联网的实际特点,处于移动状态的汽车和静止状态的汽车很可能适合使用不同类型的信道。
  3.3 设备同步
  为了保证设备能在共同的时段内监听或占用CCH,WAVE 网络需要一种同步机制。目前的WAVE 标准使用了一个外部的参考时间进行同步,这种方法的缺点是过于集中,一旦外部参考时钟失调,会引起大范围的连接失败。未来WAVE 可能会引入分布式的同步方式来弥补这方面的不足。
  3.4 参考模型
  WAVE 的体系结构参考ISO 七层模型,分为管理平面和数据平面,管理平面负责同步、信道功换等控制信息,数据平面负责数据信息的处理,包括添加/ 移除包头等。分层结构如图1 所示,传输层、网络层、LLC 层来自其它标准;MAC 层由IEEE P1609 标准定义;PHY 层由802.11p 协议定义;WSMP、WAVE管理实体(WME:WAVE Management Entity)和WAVE 安全实体(WSE:WAVE Security Entity)都是WAVE 特有的,其中,WSMP 定义了一些特殊数据信息的传输,WME 制定了信道协作、QoS 和用户优先级处理等规范,WSE 负责安全和隐私保护。


  图1 WAVE 分层体系结构

  4 WAVE MAC
  WAVE 的MAC 层删减了主动扫描、关联和认证等协议流程,使WAVE 应用能够在尽可能短的时间内高效完成。同时还引入了多信道协作机制,以达到更高的传输速率。此外,WAVE 的MAC 层参考了IEEE 802.11e 的增强型分布式信道接入(EDCA:Enhanced Distributed Channel Access) 模式,保证了QoS[4]。
  4.1 QoS
  WAVE 的QoS 以802.11e 的EDCA 为基础,并将它扩展到可以支持信道协作功能(CCF:ChannelCoordination Function)。CCF 包括信道路由(ChannelRouting)和信道选择(Channel Selecting)两部分。
  发送WSMP 数据报时,信道路由器根据优先级和数据报头中的标识,将数据包排到相应的队列中。
  发送IP 数据包时,处理稍有不同。在IP 数据的交换发生之前,IP 应用层会在MLME 中注册,之后会获得一个SCH,当IP 数据包从LLC 层传送给MAC,信道路由器会将数据包放到当前活动的SCH 队列中(同一时间发送方最多只能有一个SCH 处于活动状态)。
  数据包经过相应信道上的排队等待后,会经过信道选择器。信道选择器可以做出多种对于信道的决策,例如何时监测一个特定的信道,信道可以使用多长时间,哪些信道是合法信道,丢弃使用无效信道传输的数据包等。因此,信道选择器通过WME 进行相关决策的过程可能会非常复杂。
  优先级的定义可以有很多种方式,不同的用户有不同的优先级,不同的业务也有不同的优先级;IP数据包的优先级划分基于业务类型,WSMP 数据包的优先级划分由产生该数据包的应用决定。信道路由器为数据包选择队列的时候会考虑优先级顺序,而SCH 和CCH 的数据包出队后也会有竞争,信道选择器同样会根据相应的接入策略指数(ACI:AccessCategory Index)对其进行调度,而ACI 与优先级顺序也密切相关[3]。
  4.2 信道协作
  一个WAVE 设备在某一时刻最多只能属于一个WBSS,它可能是单信道设备,也可能是多信道设备。设备可以忽略SCH 的监听,但不是能忽略CCH的监听,为了保证单信道设备可以在SCH 上进行数据传输,定义了CCH 间隔(CCHI:CCH Interval)和SCH 间隔(SCHI:SCH Interval),WAVE 要求设备在CCHI 时必须跳转到CCH,在SCHI 时可以跳转到SCH 进行数据传输,也可以继续留在CCH;单信道设备在CCHI 内监听CCH,而多信道设备一直监听CCH。
  设备加入WBSS 后会一直监听CCH,直到收到包含CCHI 和SCHI 和声明。在CCHI 和SCHI 之间,存在一个保护间隔(GI,Guard Interval),在GI 内,设备不能进行数据传输,信道状态都置为忙;GI 结束时,为防止多个设备同时发送数据,有一段随机退避时间,以减小碰撞概率。如果在下一个GI 之前,数据包传输还不能完成,就会被暂停并存入缓存。为了优化CCF,目前有许多与时间同步相关的研究,例如用训练序列来探测各时间间隔的起始点。
  5 结语
  车联网WAVE 标准目前已逐渐成为国际社会公认的未来车载通信领域内的权威标准。随着车载通信标准化工作的推进,未来的WAVE 协议栈一定会越来越完善。虽然WAVE 技术的应用开发和部署还需要大量而长期的工作,但是它适用于车联网通信的特点将会在实际应用中逐渐显现出来,WAVE车载通信网络会是ITS 系统的重要组成部分,成为车联网技术向前发展的推进器。
  
  

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