車聯網WAVE協議研究*

周　伐,丁家瑞，劉志敏

(1.北京大學 軟件與微電子學院，北京 100871；2.北京大學 信息科學技術學院，北京 100871)

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車聯網WAVE協議研究*

周伐1,丁家瑞2，劉志敏2

(1.北京大學 軟件與微電子學院，北京 100871；2.北京大學 信息科學技術學院，北京 100871)

Foundation Item：National High-Tech Research and Development Program of China (863 Program) (No.2012AA011401)

摘要：WAVE協議是應用于車與車、車與路邊單元之間數據交換的通信協議，主要由802.11p和IEEE 1609兩部分組成。該協議充分考慮了車聯網高速移動的特點，能支持高速移動的車與車之間的通信，有效緩和了道路擁擠以及車輛的消費和排放。通過車與路邊單元之間的通信能夠得知交通信號燈、路面狀態、天氣情況等信息，從而提高交通運輸效率。介紹了車載無線通信WAVE(Wireless Access in Vehicular Environment)協議的基本架構和內容，包括其物理層、MAC層、多信道之間的切換機制以及一些尚需完善的問題。

關鍵詞：WAVE協議；車聯網；802.11p；無線局域網

0引言

車聯網是道路上車與車以及車與路邊單元之間實行Ad-hoc通信的數據交換網絡。目前，已有很多關于車聯網關鍵技術的研究[1]。車聯網技術一個很重要的功能是可以實現碰撞避免的安全應用。通過實現車與車或者車與路邊單元之間頻繁的數據交換(包括車的位置、速度、方向和加速度)，自動連接成一個無中心的分布式無線網絡。每輛車都可以廣播自己的信息，同時也可以接收臨近車輛發送的“安全信息(車的速度、行駛方向和位置等)”，有效距離為300 m，車輛之間的速度可達120 Km/h，通過實際測驗，即使在非視距的十字路口，其接收性能也很可靠[2]。接收車輛通過信息計算其他車輛行駛的軌跡，并與自己比較，看有無碰撞的可能。在沒有交通燈的十字路口，允許車輛根據路面情況智能分析車輛行駛狀態[3]。同時車輛也可以接收路邊單元的信息(例如前方路口距離，路口交通燈狀態等)，有效距離可達1 000 m。WAVE協議由專用短程通信技術DSRC(Dedicated Short Range Communication)發展而來，通過逐步完善，現在主要由802.11p和IEEE 1609兩部分組成。802.11p由IEEE 802.11擴充而來，主要用于車載電子無線通信，是車聯網物理層和MAC層的通信標準。IEEE 1609協議族由IEEE P1609工作組制定而成，包括用于控制信道轉換的1 609.4，用于網絡服務(也包括WSMP-Wave Short Message Protocol)的1609.3,以及用于安全服務的1609.2。另外,WAVE協議也支持網絡層和傳輸層上一些眾所周知的協議，例如互聯網協議IP(Internet Protocol)、用戶數據報協議UDP(User Datagram Protocol)、傳輸層控制協議TCP(Transmission Control Protocol)等。開發應用根據其要求決定是用WSMP還是IP+UDP/TCP。如果是單跳信息一般用WSMP，而多跳數據包，則由于IP的路由能力而選擇IP+UDP/TCP。

本文結構為：1～3部分分別介紹WAVE協議的物理層、MAC層以及多信道之間的轉換機制；第4部分簡要概述了一些尚未完善的問題；第五部分比較了WAVE協議與3GPP LTE在車聯網中的應用；第六部分簡述國內車聯網發展情況及趨勢。

1物理層協議標準

物理層協議由802.11p制定，該層被分為兩個子層：物理介質相關子層PMD(physical medium dependent sublayer)和物理層匯聚過程PLCP(physical layer convergence procedure)。PMD通常使用正交頻分復用OFDM(orthogonal frequency division multiplexing)技術，在10 MHz的帶寬里，數據速率可以達到27 Mb/s，通信范圍則可以達到300～1 000 m。PLCP定義了MAC幀到物理層數據單元之間的映射，因此，實現了物理層和MAC層之間的數據交換。

1.1OFDM協議

在802.11中定義了三種信道帶寬：20 MHz、10 MHz以及5 MHz，在802.11a中通常使用20 MHz信道帶寬，而802.11p則使用10 MHz的帶寬。

10 MHz OFDM信道的基本參數如表1所示。

表1　10 MHz信道基本參數

用戶數據使用了前向錯誤檢測技術(Forward error correction)，雖然減少了有效數據用戶的速率，但提高了正確解碼的概率。8種調制和FEC組合的方式如表2所示。例如：在BPSK中采用1/2的編碼率，則在48位OFDM信號中分別有24位用戶數據以及24位編碼數據。因為OFDM的信號周期為8 μs，從而數據傳輸速率為3 Mb/s。在802.11p中一般使用6 Mb/s的數據率(使用QPSK調制技術以及1/2的編碼率)，因為它在信道負載以及信噪比之間達到了較好的平衡。

表2　10 MHz OFDM 信道數據率

1.2接收性能

在802.11中規定了接收方性能標準，并指出了最小靈敏度以及信道拒絕。最小靈敏度被定為在最小信號能量下，接收方能正確接收的概率在90%以上。信道拒絕是指接收方對10 MHz信道外能量過濾的能力。802.11定義了每個帶寬和速率下對相鄰信道和不相鄰信道的拒絕能力，并在802.11p中做了補充。

1.3頻段劃分

802.11p把5.850～5.925 GHz共75 MHz的頻段專用于車聯網系統,頻譜帶寬由7個10 MHz的信道和一個5 MHz的安全邊界組成，如圖1所示。ch174和ch176可以合并成一個20 MHz帶寬的ch175，同樣地，ch180和ch182可以合并成一個20 MHz帶寬的ch181。在上述7個10 MHz的信道中，ch176作為控制信道CCH(Control Channel)，其它6個都作為服務信道SCH(Service Channel)，并且把ch172專門作為V2V(Vehicle-to-Vehicle，車-車)安全通信的信道。

因為各信道在功能上的差異以及優先級的不同，導致在發射功率上也有差別。802.11p提供了四類不同發射功率的設備，如表3所示。用于V2V安全的設備通常為C類。

圖1　802.11P信道分配

設備分類最大輸出功率/dBm通信范圍/mA015B10100C20400D28.81000

2MAC層協議標準

傳統的MAC層無線接入機制采用載波偵聽多址接入/ 沖突避免(Carrier sense multiple access with collision avoidance, CSMA/CA)接入機制,該機制根據工作流程是否使用RTS-CTS分為兩種:基本接入機制(basic access mechanism)和RTS-CTS(Request to Send - Clear to Send )接入機制。但它的時延過大，針對這一問題，802.11p 協議中采用基于OFDMA- CSMA 時頻二維混合接入機制[4]。

2.1MAC幀

每個802.11MAC幀由header、frame body和FCS(Frame Check Sequence)組成。幀的頭部根據幀的類型有多種不同的形式(例如數據、控制等)。

圖2常用的MAC幀格式

最常見的幀格式如圖2所示。幀控制部分(FC)由協議類型、幀類型以及子類型和其他幾個位組成。時間部分(Dur)指出了幀的時間長短，也可能包括傳輸到物理層的時間。而Addr1、Addr2、Addr3分別表示發送方MAC地址，接收方MAC地址以及BSSID(Basic Service Set Identifier)通配符。幀校驗序列(FCS)由4位的CRC(Cyclic Redundancy Code)組成，用來檢測錯誤。

2.2接入優先級

在車聯網通信中，傳輸的信息有輕重緩急之分，為了滿足其要求，將傳輸信息分為用戶優先級與應用程序優先級。從而緊急的信息可以優先接入，如救護車，安全信息(車的位置、行駛方向、速度等)等。而普通的數據業務則可以緩存發送，以此來滿足車聯網通信的實時性要求，提高服務質量(QoS)。在802.11p中提出采用增強分布式信道接入EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)機制解決上述問題。

2.3CSMA/CA接入機制

為了獲取發送權，各節點使用CSMA機制的分布接入算法來爭用信道。爭得信道的節點發送完成后，為防止互干擾，需過一段很短的時間才可開始下一輪的爭用。這段時間稱為幀間間隔IFS，其長短由發送幀的類型決定，如圖3所示。

圖3　CSMA/CA基本接入機制

采用RTS-CTS預約機制,能夠進一步降低無線信道中產生沖突的概率,從而有效保證無線資源的利用,提高系統的綜合性能。使用RTS-CTS握手機制流程如下：

若發送方要發送數據，則先廣播一個RTS的控制幀給其他站點，目的站點在收到這個控制幀后等待一個SIFS(Short Inter-Frame Space，短幀幀間間隔)，然后廣播一個CTS控制幀。當發送站點收到目的站點回復的CTS后，表示所發送的RTS沒有發生碰撞，接收端已正確接收，從而完成了3次握手建立連接，此后發送端發送數據，而其他站點收到這個CTS后會凍結窗口不再發送數據，從而通過握手機制很大程度上降低了站點之間發生沖突的可能性。過程如圖4所示。

圖4　使用RTS/CTS的CSMA/CA接入機制

2.4OFDMA- CSMA接入機制

正交頻分復用多址接入(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)技術是OFDM技術的進一步發展，無線系統中的無線設備在競爭接入信道時可以選擇當前信道狀況較好的子信道傳輸數據幀。另外，用OFDM技術接入無線信道的無線終端會根據當前傳輸的數據幀的優先級來決定當前站點選取的子信道狀態,該子信道可以有由不同數目的子載波聚合而成,也可以由單一子載波構成。因此，該機制能夠有效提高無線資源的利用率以及整個無線系統 MAC 層的吞吐量。通過將傳統無線局域網MAC層接入機制(CSMA/CA) 與OFDMA接入調度機制結合長生了一種新的接入機制-時頻二維混合OFDMA-CSMA接入機制。該機制從頻域和時域兩個維度出發，將無線系統的可用資源劃分為多個資源顆粒，如圖5所示。處于該無線系統中的無線終端時刻監測該無線系統資源占用情況,選取當前尚未被占用的子信道(Sub-Channel)作為自己傳輸數據帖的通道,并根據CSMA/CA接入機制進一步完成數據幀的傳輸。

圖5　CSMA/ODFMA 混合接入機制下時域和頻域資源劃分

處于該超高速無線局域網中的無線終端設備在其各自占用的子信道中依然采用CSMA/CA機制調度該無線子信道完成其數據的傳輸。但在選定的子信道上嘗試和發送數據幀的過程有所不同。如果站點檢測到自己所占的信道空閑了一個DIFS時間間隔后，會啟動其退避計數器，當值減為0后會在信道中發送數據幀(基本接入機制)或RTS幀(RTS/CTS機制)。若在退避計數器執行退避的過程中檢測到沖突會立即凍結退避計數器的值，同時該站點會繼續監聽其他子信道是否空閑，而不是再空閑一個DIFS時間間隔后再次嘗試接入信道。如果此時有其他站點可用，那么該站點會自動切換到并占用其所用的頻段資源，同時啟動退避計數器，嘗試發送和傳輸數據幀。

3多信道切換機制

多信道傳輸最主要的問題是在協商數據傳輸信道的同時解決好碰撞和時延問題，現階段主要有四種解決多信道傳輸MAC協議的方法[5]：DCC(Dedicated Control Channel)、CH(Common Hopping)、SP(Split Phase)和McMAC。在WAVE中，IEEE1609.4定義了設備在多信道之間轉換的機制。為了讓設備在多信道轉換時能實現同步，IEEE1609.4定義兩個機制：控制信道機制(CCH)以及時分機制( time division)[6]。CCH機制是定義ch178為控制信道，其他信道均為服務信道(SCH)，并讓所有設備按一定的頻率轉到該信道。時分機制是將時間段分為CCH間隔以及SCH間隔，并假定所有設備都已經接入了世界調整時間UTC(Universal Time Coordinated)，例如GPS。所有設備都會在控制信道期間找到彼此，并監聽附近區域發送的WAVE服務廣播WSAs(WAVE Service Advertisements)。WSA里面包含了一個或多個服務的信息，并指明是哪個SCH提供。在SCH期間，若有設備對此信息感興趣，則可以轉到相應的服務信道。服務提供者根據信道情況，選擇在下一個SCH間隔期間服務數據最少的信道傳送服務信息。如果有多個服務信道可用，則選擇上次選擇的SCH。

3.1時分機制

IEEE1609.4定義了基本的時分機制，時間被分成默認為100ms的sync periods，每個SP由CCH和SCH間隔組成，默認時間均為50ms。SCH和CCH間隔均以4ms長度的保護間隔(guard interval)開始，每個設備允許在GI的時間段里開始接收數據，但在GI結束之前不會傳輸數據，因為在此期間所有設備均默認臨近的設備在進行信道轉換。時分機制如圖6所示。然而，目前的MAC接入機制不能滿足對時延和吞吐量有較高要求的應用。在擁擠的道路情況下，有限的CCH長度不能提供足夠的帶寬傳輸大量的安全和控制信息，而在車輛稀疏的情況下，固定的CCH則會浪費大量的信道資源，而一些消耗帶寬較大的應用，例如視頻、地圖更新等在SCH信道里得不到足夠的帶寬。在這種情況下，提出了一種CCH長度可變的多信道MAC層接入機制[7]。

圖6　時分機制

3.2信道轉換

若在CCH間隔期間收到的WSA里有接收者感興趣的服務，那么設備可以在收到WSA的瞬間立刻轉換到相應的SCH信道，而不必等到CCH結束。若在一個SCH期間服務傳送沒有完成，則設備不需轉到CCH信道，直到服務傳送完成為止。同樣的，若在CCH間隔期間，WSA里沒有感興趣的服務，則設備可以一直監聽CCH信道而無需在SCH間隔到來時轉到SCH。

3.3信道轉換和安全通信

在早期版本的IEEE 1609.4要求所有的設備都參加信道轉換，尤其是在CCH間隔里要訪問CCH信道。在這種情況下，安全信息(車的位置、行駛方向、速度等)只有在46ms長的CCH間隔里進行傳輸，這樣一來，傳輸安全信息的能力還不到利用一個信道一直監聽安全信息能力的一半。一些關于信道轉換安全性能標準的分析可以在[8]中找到。為了加強傳輸安全信息的能力，在后來制定的新的標準中，利用ch172在整個時間段來專門傳輸安全信息。但是這對于一個即渴望擁有安全應用，同時又能參加非安全應用的車輛來說，需要有兩個無線電廣播。一個一直監聽ch172，而另一個則實行上面所述的信道轉換機制。

4問題分析

雖然WAVE協議由于其對高速移動環境下數據交換的適應性，已逐漸成為國際車聯網無線通信的權威標準。但是在車聯網協議中，仍有許多問題需要解決，例如如何提高傳輸效率[9-10]和能量效率[11]，以及安全性和隱私保護等[12]。MAC層接入機制不能滿足對實時性和服務質量有嚴格標準的應用，對此，文獻[13-15]提出了一些解決方案，但都沒有完全解決這些問題。另外，當在某一時段內車輛數目顯著增加，車輛之間相互通信產生的延時以及丟包率會明顯增加，在[16-17]提出的解決方案在一定程度上使上述問題得到緩解。而傳統的Ad Hoc網絡路由協議在應用到車聯網時，其性能表現與車聯網本身對路由協議的需求還存在一定的差距，因此，選擇一種合適的路由協議對車聯網來說也是至關重要的[18]。針對上述這些問題，雖然經過大量的研究提出了很多解決方案，但都沒有使問題得到徹底的解決。

53GPP LTE與WAVE協議的比較

LTE是由3GPP組織制定的通用移動通信系統UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)技術標準的長期演進，是高數據率的移動電話和數據終端的無線通信標準。它的網絡架構更加扁平簡單化，能夠減少時延以及降低網絡部署和維修成本。LTE引入OFDM和MIMO等關鍵傳輸技術，顯著增加了頻譜效率和數據傳輸速率，并支持多種寬帶分配，且支持全球主流的2G/3G頻段和一些新增頻段，因此頻譜分配更加靈活，系統容量和覆蓋也顯著提升。在應用3GPP LTE的車聯網中，蜂窩內所有車輛通過上行信道將數據傳給基站，再通過基站在下行信道中把數據傳給相關車輛。文獻[19]詳細比較了3GPP LTE與WAVE協議在車聯網應用中的性能。其基本模型分別如圖7、圖8所示。

圖7WAVE模型

圖8　3GPP LTE 模型

該文中提出了比較兩種方案性能優越的方法，通過推導得出了初步結論：在一定條件下，WAVE協議的性能要強于3GPP LTE。

6國內外車聯網發展現狀及趨勢

隨著汽車行業在全球快速發展，車聯網也發生了日新月異的變化。到目前為止，美國的IVHS、日本的VICS等系統已經在車輛和道路之間建立了可靠的信息通信，能實現有效的智能管理和信息服務。預計到2018年，全球車聯網市場規模將達到400億歐元，其中服務和硬件市場占比最大，分別達到61.3%和17.22%。從全球范圍來看，美國，日本和歐洲在汽車通信領域處于領先地位，汽車電子的網絡化得到進一步發展。在導航方面，GPS仍是這一領域最重要的方式。在市場方面，日本是最大的導航市場，但近年來，其它國家和地區也取得了迅速發展。另外，在遠程信息處理終端行業，美國的Onstar已經實現超過600萬的安裝量。在無人駕駛方面，谷歌設計的7輛試驗車已經自主行駛1 000公里，在人工監督下行駛1.4萬公里。

從國內來看，我國的車聯網發展受到了社會各個層面的廣泛關注和積極推動。從應用來看，主要包括五種模式：乘用整車主導型、商業車隊管理主導型、消費電子主導型、公共交通主導型以及地方政府主導型[20]。從發展規模來看，我國的車聯網用戶數從2005年到2012年增長了45萬，達到50萬，預計到2015年，這一數字將接近1 000萬。我國的汽車產業發展迅速，2012年前裝車載導航設備出貨量同比增長25.26%，達到130.9萬臺；新車裝配率約為6.88%；后裝車載導航設備出貨量同比增長15.29%，達到634.2萬臺。中國已成為全球最大的汽車市場，預計2020年汽車保有量將超過2億輛。

7結語

本文對WAVE協議的基本結構和內容進行了詳細介紹，提出了一些目前尚須解決和完善的問題，并對運用WAVE協議和3GPP LTE的車聯網網絡進行了比較，指出了WAVE協議的優越性。最后概括地介紹了目前國內外車聯網的發展現狀。雖然WAVE協議的開發和部署還需要長期的工作，但其支持高速移動的車輛之間通信的特點，使它逐漸成為了國際車聯網無線通信的權威標準。相信隨著WAVE協議的逐步完善，會推動智能交通系統ITS(Intelligent Transportation System)的快速發展。

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周伐(1991—)，男，碩士，主要研究方向為信號處理、綠色通信、無線通信；

丁家瑞(1990—)，男，碩士，主要研究方向為信號處理、綠色通信、無線通信協議；

劉志敏(1963—)，女，副教授，主要研究方向為衛星與無線通信網路、計算機網路、通信系統協議設計及性能分析。

Research of WAVE Protocol in V2V

ZHOU Fa1, DING Jia-rui2, LIU Zhi-min2

(1.School of Software and Electronics,Peaking University,Beijing 100871, China;

2.School of Information Science Technology, Peaking University, Beijing 100871,China)

Abstract：WAVE(Wireless Access in Vehicular Environment) protocol, as a communication protocal applied in data exchange of vehicle to vehicle or vehicle to RUS, mainly consists of two parts, 802.11 p and IEEE 1609. It takes into full account the feature of high-speed of Internet of Vehicles, thus it could enable communications between fast-moving vehicles and ease road congestion and reduce car consumption and emissions effectively. Through vehicle to RUS communications, information such as traffic lights, road condition, and weather conditions can be informed, thus the efficiency of transportation is improved. In this paper, the basic frame and contents of WAVE protocol, along with its physical layer, MAC layer, the switching mechanism between multichannel and some issues remain to be improved, are introduced.

Key words：WAVE protocol; Internet of Vehicles; 802.11p; WLAN

作者簡介：

中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A

文章編號：1002-0802(2015)07-0755-07

基金項目:國家高技術研究發展計劃(“863”計劃)基金資助項目(No.2012AA011401)

收稿日期：*2015-01-06；修回日期：2015-04-11Received date:2015-01-06；Revised date：2015-04-11

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.07.001