车联网WAVE协议介绍

···························F技术专题·eatrues车联网WAVE协议介绍汪涛，李曦（北京邮电大学泛网无线教育部重点实验室，北京100876）*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。关键词：车联网，WAVE，802.11p，MACAbstract：Currently,WAVEisthemostpromisingDSRC标准发展而来，包括IEEE802.11p和IEEE1概述支持智能交通系统（ITS：IntelligentTransportationSystem）的主要协议栈WAVE（WirelessAccessinVe-hicularEnvironment）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：InfrastructuretoVehicle）、车与车（V2V：VehicletoVehicle）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27Mbit/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。*中央高校青年科研创新计划（项目编号：2013RC0112）。wirelesscommunicationstandardinvehicularnet原ment,aidersthefeaturesofvehicularenviron原basedonthestandardofDSRC,anditconsistsoftheframeworkandfunctionsoftheprotocolstack,oducesmainlyfocusingonthebasicarchitectureandMACKeywords:vehicularnetwork,WAVE,802.11p,MAC8MSTTMarch2014

····························M现代电信科技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3~27Mbit/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：DedicatedShortRangeCommunication）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：AmericanSocietyforTestingandMaterials）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。IEEEP1609协议族由IEEEP1609工作ODERNSCIENCE&TECHNOLOGYOFTELECOMMUNICATIONS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]。3WAVE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-SideUnit）和车载单元（OBU：On-BoardUnit）。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：WAVEBasicServiceSet）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1km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：WAVEShortMessageProtocol）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10MHz，该频带进一步被细分为一个控制信道（CCH：ControlChannel）和6个业务信道（SCH：ServiceChannel）。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。2014年3月第3期现代电信科技9

F技术专题····························eatrues基于802.11a，802.11p使用了OFDM技术，为低速运动（0~60km/h）中的汽车提供9/12/18/24/27Mbit/s的传输速率，为高速运动（60~120km/h）中的汽车提供3/4.5/6/9/12Mbit/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IEEEP1609标准定义；PHY层由802.11p协议定义；WSMP、WAVE管理实体（WME：WAVEManagementEntity）和10MSTTMarch2014WAVE安全实体（WSE：WAVESecurityEntity）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。Management PlaneData PlaneUDP/TCPWSMPWMEIPv6LLCWSEMLME ExtensionWAVE MACMLMEPLMEWAVE PHY图1WAVE分层体系结构4WAVEMACWAVE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IEEE802.11e的增强型分布式信道接入（EDCA：EnhancedDistributedChannelAccess）模式，保证了QoS[4]。4.1QoSWAVE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：ChannelCoordinationFunction）。CCF包括信道路由（ChannelRouting）和信道选择（ChannelSelecting）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

····························M现代电信科技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：Ac-cessCategoryIndex）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：CCHInterval）和SCH间隔（SCHI：SCHInterval），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，GuardInterval），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ODERNSCIENCE&TECHNOLOGYOFTELECOMMUNICATIONS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。参考文献[1]王能.WAVE架构及相关协议设计与实现.上海：华东师范大学，2008.[2]肖仪.基于WAVE的车载自组织网络MAC协议研究.湖南：湖南大学，2012.[3]nDSRC&WAVEStandardsSuite:ItsArchitec-ture,Design,mmunicationsSurveys&Tu-torials,2010,12（4）:504-511.[4]吕子茹.基于WAVE的车载通信系统介绍.现代电信科技，2010,40（8）:50-53.作者简介汪涛：北京邮电大学在读硕士研究生，主要研究方向为移动通信和电力线通信。李曦：北京邮电大学获副教授，工学博士，主要研究方向为无线和移动通信。2014年3月第3期现代电信科技11

车联网WAVE协议介绍作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：汪涛， 李曦北京邮电大学泛网无线教育部重点实验室,北京,100876现代电信科技Modern Science & Technology of Telecommunications2014(3)

引用本文格式：汪涛.李曦

车联网WAVE协议介绍[期刊论文]-现代电信科技 2014(3)