车联网WAVE协议研究*

周　伐,丁家瑞，刘志敏

(1.北京大学 软件与微电子学院，北京 100871；2.北京大学 信息科学技术学院，北京 100871)



车联网WAVE协议研究*

周伐1,丁家瑞2，刘志敏2

(1.北京大学 软件与微电子学院，北京 100871；2.北京大学 信息科学技术学院，北京 100871)

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

摘要：WAVE协议是应用于车与车、车与路边单元之间数据交换的通信协议，主要由802.11p和IEEE 1609两部分组成。该协议充分考虑了车联网高速移动的特点，能支持高速移动的车与车之间的通信，有效缓和了道路拥挤以及车辆的消费和排放。通过车与路边单元之间的通信能够得知交通信号灯、路面状态、天气情况等信息，从而提高交通运输效率。介绍了车载无线通信WAVE(Wireless Access in Vehicular Environment)协议的基本架构和内容，包括其物理层、MAC层、多信道之间的切换机制以及一些尚需完善的问题。

关键词：WAVE协议；车联网；802.11p；无线局域网

0引言

车联网是道路上车与车以及车与路边单元之间实行Ad-hoc通信的数据交换网络。目前，已有很多关于车联网关键技术的研究[1]。车联网技术一个很重要的功能是可以实现碰撞避免的安全应用。通过实现车与车或者车与路边单元之间频繁的数据交换(包括车的位置、速度、方向和加速度)，自动连接成一个无中心的分布式无线网络。每辆车都可以广播自己的信息，同时也可以接收临近车辆发送的“安全信息(车的速度、行驶方向和位置等)”，有效距离为300 m，车辆之间的速度可达120 Km/h，通过实际测验，即使在非视距的十字路口，其接收性能也很可靠[2]。接收车辆通过信息计算其他车辆行驶的轨迹，并与自己比较，看有无碰撞的可能。在没有交通灯的十字路口，允许车辆根据路面情况智能分析车辆行驶状态[3]。同时车辆也可以接收路边单元的信息(例如前方路口距离，路口交通灯状态等)，有效距离可达1 000 m。WAVE协议由专用短程通信技术DSRC(Dedicated Short Range Communication)发展而来，通过逐步完善，现在主要由802.11p和IEEE 1609两部分组成。802.11p由IEEE 802.11扩充而来，主要用于车载电子无线通信，是车联网物理层和MAC层的通信标准。IEEE 1609协议族由IEEE P1609工作组制定而成，包括用于控制信道转换的1 609.4，用于网络服务(也包括WSMP-Wave Short Message Protocol)的1609.3,以及用于安全服务的1609.2。另外,WAVE协议也支持网络层和传输层上一些众所周知的协议，例如互联网协议IP(Internet Protocol)、用户数据报协议UDP(User Datagram Protocol)、传输层控制协议TCP(Transmission Control Protocol)等。开发应用根据其要求决定是用WSMP还是IP+UDP/TCP。如果是单跳信息一般用WSMP，而多跳数据包，则由于IP的路由能力而选择IP+UDP/TCP。

本文结构为：1～3部分分别介绍WAVE协议的物理层、MAC层以及多信道之间的转换机制；第4部分简要概述了一些尚未完善的问题；第五部分比较了WAVE协议与3GPP LTE在车联网中的应用；第六部分简述国内车联网发展情况及趋势。

1物理层协议标准

物理层协议由802.11p制定，该层被分为两个子层：物理介质相关子层PMD(physical medium dependent sublayer)和物理层汇聚过程PLCP(physical layer convergence procedure)。PMD通常使用正交频分复用OFDM(orthogonal frequency division multiplexing)技术，在10 MHz的带宽里，数据速率可以达到27 Mb/s，通信范围则可以达到300～1 000 m。PLCP定义了MAC帧到物理层数据单元之间的映射，因此，实现了物理层和MAC层之间的数据交换。

1.1OFDM协议

在802.11中定义了三种信道带宽：20 MHz、10 MHz以及5 MHz，在802.11a中通常使用20 MHz信道带宽，而802.11p则使用10 MHz的带宽。

10 MHz OFDM信道的基本参数如表1所示。

表1　10 MHz信道基本参数

用户数据使用了前向错误检测技术(Forward error correction)，虽然减少了有效数据用户的速率，但提高了正确解码的概率。8种调制和FEC组合的方式如表2所示。例如：在BPSK中采用1/2的编码率，则在48位OFDM信号中分别有24位用户数据以及24位编码数据。因为OFDM的信号周期为8 μs，从而数据传输速率为3 Mb/s。在802.11p中一般使用6 Mb/s的数据率(使用QPSK调制技术以及1/2的编码率)，因为它在信道负载以及信噪比之间达到了较好的平衡。

表2　10 MHz OFDM 信道数据率

1.2接收性能

在802.11中规定了接收方性能标准，并指出了最小灵敏度以及信道拒绝。最小灵敏度被定为在最小信号能量下，接收方能正确接收的概率在90%以上。信道拒绝是指接收方对10 MHz信道外能量过滤的能力。802.11定义了每个带宽和速率下对相邻信道和不相邻信道的拒绝能力，并在802.11p中做了补充。

1.3频段划分

802.11p把5.850～5.925 GHz共75 MHz的频段专用于车联网系统,频谱带宽由7个10 MHz的信道和一个5 MHz的安全边界组成，如图1所示。ch174和ch176可以合并成一个20 MHz带宽的ch175，同样地，ch180和ch182可以合并成一个20 MHz带宽的ch181。在上述7个10 MHz的信道中，ch176作为控制信道CCH(Control Channel)，其它6个都作为服务信道SCH(Service Channel)，并且把ch172专门作为V2V(Vehicle-to-Vehicle，车-车)安全通信的信道。

因为各信道在功能上的差异以及优先级的不同，导致在发射功率上也有差别。802.11p提供了四类不同发射功率的设备，如表3所示。用于V2V安全的设备通常为C类。

图1　802.11P信道分配

设备分类最大输出功率/dBm通信范围/mA015B10100C20400D28.81000

2MAC层协议标准

传统的MAC层无线接入机制采用载波侦听多址接入/ 冲突避免(Carrier sense multiple access with collision avoidance, CSMA/CA)接入机制,该机制根据工作流程是否使用RTS-CTS分为两种:基本接入机制(basic access mechanism)和RTS-CTS(Request to Send - Clear to Send )接入机制。但它的时延过大，针对这一问题，802.11p 协议中采用基于OFDMA- CSMA 时频二维混合接入机制[4]。

2.1MAC帧

每个802.11MAC帧由header、frame body和FCS(Frame Check Sequence)组成。帧的头部根据帧的类型有多种不同的形式(例如数据、控制等)。

图2常用的MAC帧格式

最常见的帧格式如图2所示。帧控制部分(FC)由协议类型、帧类型以及子类型和其他几个位组成。时间部分(Dur)指出了帧的时间长短，也可能包括传输到物理层的时间。而Addr1、Addr2、Addr3分别表示发送方MAC地址，接收方MAC地址以及BSSID(Basic Service Set Identifier)通配符。帧校验序列(FCS)由4位的CRC(Cyclic Redundancy Code)组成，用来检测错误。

2.2接入优先级

在车联网通信中，传输的信息有轻重缓急之分，为了满足其要求，将传输信息分为用户优先级与应用程序优先级。从而紧急的信息可以优先接入，如救护车，安全信息(车的位置、行驶方向、速度等)等。而普通的数据业务则可以缓存发送，以此来满足车联网通信的实时性要求，提高服务质量(QoS)。在802.11p中提出采用增强分布式信道接入EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)机制解决上述问题。

2.3CSMA/CA接入机制

为了获取发送权，各节点使用CSMA机制的分布接入算法来争用信道。争得信道的节点发送完成后，为防止互干扰，需过一段很短的时间才可开始下一轮的争用。这段时间称为帧间间隔IFS，其长短由发送帧的类型决定，如图3所示。

图3　CSMA/CA基本接入机制

采用RTS-CTS预约机制,能够进一步降低无线信道中产生冲突的概率,从而有效保证无线资源的利用,提高系统的综合性能。使用RTS-CTS握手机制流程如下：

若发送方要发送数据，则先广播一个RTS的控制帧给其他站点，目的站点在收到这个控制帧后等待一个SIFS(Short Inter-Frame Space，短帧帧间间隔)，然后广播一个CTS控制帧。当发送站点收到目的站点回复的CTS后，表示所发送的RTS没有发生碰撞，接收端已正确接收，从而完成了3次握手建立连接，此后发送端发送数据，而其他站点收到这个CTS后会冻结窗口不再发送数据，从而通过握手机制很大程度上降低了站点之间发生冲突的可能性。过程如图4所示。

图4　使用RTS/CTS的CSMA/CA接入机制

2.4OFDMA- CSMA接入机制

正交频分复用多址接入(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)技术是OFDM技术的进一步发展，无线系统中的无线设备在竞争接入信道时可以选择当前信道状况较好的子信道传输数据帧。另外，用OFDM技术接入无线信道的无线终端会根据当前传输的数据帧的优先级来决定当前站点选取的子信道状态,该子信道可以有由不同数目的子载波聚合而成,也可以由单一子载波构成。因此，该机制能够有效提高无线资源的利用率以及整个无线系统 MAC 层的吞吐量。通过将传统无线局域网MAC层接入机制(CSMA/CA) 与OFDMA接入调度机制结合长生了一种新的接入机制-时频二维混合OFDMA-CSMA接入机制。该机制从频域和时域两个维度出发，将无线系统的可用资源划分为多个资源颗粒，如图5所示。处于该无线系统中的无线终端时刻监测该无线系统资源占用情况,选取当前尚未被占用的子信道(Sub-Channel)作为自己传输数据帖的通道,并根据CSMA/CA接入机制进一步完成数据帧的传输。

图5　CSMA/ODFMA 混合接入机制下时域和频域资源划分

处于该超高速无线局域网中的无线终端设备在其各自占用的子信道中依然采用CSMA/CA机制调度该无线子信道完成其数据的传输。但在选定的子信道上尝试和发送数据帧的过程有所不同。如果站点检测到自己所占的信道空闲了一个DIFS时间间隔后，会启动其退避计数器，当值减为0后会在信道中发送数据帧(基本接入机制)或RTS帧(RTS/CTS机制)。若在退避计数器执行退避的过程中检测到冲突会立即冻结退避计数器的值，同时该站点会继续监听其他子信道是否空闲，而不是再空闲一个DIFS时间间隔后再次尝试接入信道。如果此时有其他站点可用，那么该站点会自动切换到并占用其所用的频段资源，同时启动退避计数器，尝试发送和传输数据帧。

3多信道切换机制

多信道传输最主要的问题是在协商数据传输信道的同时解决好碰撞和时延问题，现阶段主要有四种解决多信道传输MAC协议的方法[5]：DCC(Dedicated Control Channel)、CH(Common Hopping)、SP(Split Phase)和McMAC。在WAVE中，IEEE1609.4定义了设备在多信道之间转换的机制。为了让设备在多信道转换时能实现同步，IEEE1609.4定义两个机制：控制信道机制(CCH)以及时分机制( time division)[6]。CCH机制是定义ch178为控制信道，其他信道均为服务信道(SCH)，并让所有设备按一定的频率转到该信道。时分机制是将时间段分为CCH间隔以及SCH间隔，并假定所有设备都已经接入了世界调整时间UTC(Universal Time Coordinated)，例如GPS。所有设备都会在控制信道期间找到彼此，并监听附近区域发送的WAVE服务广播WSAs(WAVE Service Advertisements)。WSA里面包含了一个或多个服务的信息，并指明是哪个SCH提供。在SCH期间，若有设备对此信息感兴趣，则可以转到相应的服务信道。服务提供者根据信道情况，选择在下一个SCH间隔期间服务数据最少的信道传送服务信息。如果有多个服务信道可用，则选择上次选择的SCH。

3.1时分机制

IEEE1609.4定义了基本的时分机制，时间被分成默认为100ms的sync periods，每个SP由CCH和SCH间隔组成，默认时间均为50ms。SCH和CCH间隔均以4ms长度的保护间隔(guard interval)开始，每个设备允许在GI的时间段里开始接收数据，但在GI结束之前不会传输数据，因为在此期间所有设备均默认临近的设备在进行信道转换。时分机制如图6所示。然而，目前的MAC接入机制不能满足对时延和吞吐量有较高要求的应用。在拥挤的道路情况下，有限的CCH长度不能提供足够的带宽传输大量的安全和控制信息，而在车辆稀疏的情况下，固定的CCH则会浪费大量的信道资源，而一些消耗带宽较大的应用，例如视频、地图更新等在SCH信道里得不到足够的带宽。在这种情况下，提出了一种CCH长度可变的多信道MAC层接入机制[7]。

图6　时分机制

3.2信道转换

若在CCH间隔期间收到的WSA里有接收者感兴趣的服务，那么设备可以在收到WSA的瞬间立刻转换到相应的SCH信道，而不必等到CCH结束。若在一个SCH期间服务传送没有完成，则设备不需转到CCH信道，直到服务传送完成为止。同样的，若在CCH间隔期间，WSA里没有感兴趣的服务，则设备可以一直监听CCH信道而无需在SCH间隔到来时转到SCH。

3.3信道转换和安全通信

在早期版本的IEEE 1609.4要求所有的设备都参加信道转换，尤其是在CCH间隔里要访问CCH信道。在这种情况下，安全信息(车的位置、行驶方向、速度等)只有在46ms长的CCH间隔里进行传输，这样一来，传输安全信息的能力还不到利用一个信道一直监听安全信息能力的一半。一些关于信道转换安全性能标准的分析可以在[8]中找到。为了加强传输安全信息的能力，在后来制定的新的标准中，利用ch172在整个时间段来专门传输安全信息。但是这对于一个即渴望拥有安全应用，同时又能参加非安全应用的车辆来说，需要有两个无线电广播。一个一直监听ch172，而另一个则实行上面所述的信道转换机制。

4问题分析

虽然WAVE协议由于其对高速移动环境下数据交换的适应性，已逐渐成为国际车联网无线通信的权威标准。但是在车联网协议中，仍有许多问题需要解决，例如如何提高传输效率[9-10]和能量效率[11]，以及安全性和隐私保护等[12]。MAC层接入机制不能满足对实时性和服务质量有严格标准的应用，对此，文献[13-15]提出了一些解决方案，但都没有完全解决这些问题。另外，当在某一时段内车辆数目显著增加，车辆之间相互通信产生的延时以及丢包率会明显增加，在[16-17]提出的解决方案在一定程度上使上述问题得到缓解。而传统的Ad Hoc网络路由协议在应用到车联网时，其性能表现与车联网本身对路由协议的需求还存在一定的差距，因此，选择一种合适的路由协议对车联网来说也是至关重要的[18]。针对上述这些问题，虽然经过大量的研究提出了很多解决方案，但都没有使问题得到彻底的解决。

53GPP LTE与WAVE协议的比较

LTE是由3GPP组织制定的通用移动通信系统UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)技术标准的长期演进，是高数据率的移动电话和数据终端的无线通信标准。它的网络架构更加扁平简单化，能够减少时延以及降低网络部署和维修成本。LTE引入OFDM和MIMO等关键传输技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率，并支持多种宽带分配，且支持全球主流的2G/3G频段和一些新增频段，因此频谱分配更加灵活，系统容量和覆盖也显著提升。在应用3GPP LTE的车联网中，蜂窝内所有车辆通过上行信道将数据传给基站，再通过基站在下行信道中把数据传给相关车辆。文献[19]详细比较了3GPP LTE与WAVE协议在车联网应用中的性能。其基本模型分别如图7、图8所示。

图7WAVE模型

图8　3GPP LTE 模型

该文中提出了比较两种方案性能优越的方法，通过推导得出了初步结论：在一定条件下，WAVE协议的性能要强于3GPP LTE。

6国内外车联网发展现状及趋势

随着汽车行业在全球快速发展，车联网也发生了日新月异的变化。到目前为止，美国的IVHS、日本的VICS等系统已经在车辆和道路之间建立了可靠的信息通信，能实现有效的智能管理和信息服务。预计到2018年，全球车联网市场规模将达到400亿欧元，其中服务和硬件市场占比最大，分别达到61.3%和17.22%。从全球范围来看，美国，日本和欧洲在汽车通信领域处于领先地位，汽车电子的网络化得到进一步发展。在导航方面，GPS仍是这一领域最重要的方式。在市场方面，日本是最大的导航市场，但近年来，其它国家和地区也取得了迅速发展。另外，在远程信息处理终端行业，美国的Onstar已经实现超过600万的安装量。在无人驾驶方面，谷歌设计的7辆试验车已经自主行驶1 000公里，在人工监督下行驶1.4万公里。

从国内来看，我国的车联网发展受到了社会各个层面的广泛关注和积极推动。从应用来看，主要包括五种模式：乘用整车主导型、商业车队管理主导型、消费电子主导型、公共交通主导型以及地方政府主导型[20]。从发展规模来看，我国的车联网用户数从2005年到2012年增长了45万，达到50万，预计到2015年，这一数字将接近1 000万。我国的汽车产业发展迅速，2012年前装车载导航设备出货量同比增长25.26%，达到130.9万台；新车装配率约为6.88%；后装车载导航设备出货量同比增长15.29%，达到634.2万台。中国已成为全球最大的汽车市场，预计2020年汽车保有量将超过2亿辆。

7结语

本文对WAVE协议的基本结构和内容进行了详细介绍，提出了一些目前尚须解决和完善的问题，并对运用WAVE协议和3GPP LTE的车联网网络进行了比较，指出了WAVE协议的优越性。最后概括地介绍了目前国内外车联网的发展现状。虽然WAVE协议的开发和部署还需要长期的工作，但其支持高速移动的车辆之间通信的特点，使它逐渐成为了国际车联网无线通信的权威标准。相信随着WAVE协议的逐步完善，会推动智能交通系统ITS(Intelligent Transportation System)的快速发展。

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周伐(1991—)，男，硕士，主要研究方向为信号处理、绿色通信、无线通信；

丁家瑞(1990—)，男，硕士，主要研究方向为信号处理、绿色通信、无线通信协议；

刘志敏(1963—)，女，副教授，主要研究方向为卫星与无线通信网路、计算机网路、通信系统协议设计及性能分析。

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

作者简介：

中图分类号：TN929.5

文献标志码：A

文章编号：1002-0802(2015)07-0755-07

基金项目:国家高技术研究发展计划(“863”计划)基金资助项目(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