IEEE 802.11p 车载通信网络架构解析＊

［刘文晶 刘巧］

1 引言

智能交通系统（Intelligent Traffic System，ITS）是近几年受到广泛关注的信息通信技术之一。该技术通过与现有技术集成，在提高行车安全性、可靠性、解决尾气排放和交通拥堵等方面起着至关重要的作用。ITS 将各种信息和通信技术应用到运输领域，使运输更安全、更高效、更具有可持续性。车辆与外界的无线数据通信（Vehicle to Everything，V2X）是改善ITS 应用的技术之一，V2X 包含车辆与车辆（Vehicle-to-Vehicle，V2V）、车辆与基础设施（Vehicle-to-Infrastructure，V2I）、车辆与行人（Vehicle-to-Pedestrian，V2P）、车辆与外部网络（Vehicle-to-Network，V2N）等各种通信应用场景。基于V2V 通信车辆可实现前方碰撞预警、变道辅助、左转辅助、协同式自适应巡航控制等，基于V2I 通信可实现速度建议、交通优先权、路况预警、闯红灯预警、当前天气影响预警、停车位和充电桩寻位等应用；基于V2P 通信可实现弱势道路使用者的预警和防护，基于V2N 通信可实现实时交通路线规划、地图更新等服务。车辆配备了短程无线通信技术，作为道路上的计算机节点，这被称为车载自组网（VANET）技术，VANET 架构示例如图1 所示。

图1 VANET 架构示例

为了改善车辆通信网络，世界各地发起了广泛的研究热潮。早在2004 年，IEEE 802.11 任务组p 就对802.11 标准进行了修订，以增强802.11 支持VANET。该标准被称为802.11p，它定义了VANET 的物理和介质访问控制层[1]。此外，IEEE 1609 工作组定义了IEEE 1609 protocol 系列，该系列基于802.11p 开发了更高层规范。该协议由4 个文档组成：IEEE 1609.1、IEEE 1609.2、IEEE 1609.3 和 IEEE 1609.4。IEEE 1609 协议家族和802.11p 一起被称为WAVE（Wireless Access in Vehicular Environment）标准。该系统架构用于汽车无线通信[2]。

VANET 具有高迁移率、短通信周期、动态拓扑和带宽有限等特点。VANET 中的通信基于事件驱动消息或周围环境车辆之间交换的广播消息进行。由于VANET 的特性和有限带宽的特点，定期广播消息会消耗整个可用带宽，且紧急信息也需快速有效地传播。因此，有必要优先考虑重要和紧急消息的传播，并使用服务质量保证机制。IEEE 802.11p MAC 层以类似于IEEE 802.11e EDCA 函数的方式实现优先级方案。本文接下来将对基于车辆环境无线接入（WAVE）和IEEE 802.11p 标准的车辆通信系统架构进行分析，并在此基础上对影响车辆安全通信的关键性能指标丢包率进行分析。

2 基于802.11p 和WAVE 标准的车辆通信

（1）物理层和MAC 层

WAVE 的物理层和MAC 层基于IEEE802.11p 标准。IEEE 802.11p 的物理层由5.9 GHz 频段的7 个通道组成，类似于IEEE 802.11a 设计，但主要区别在于IEEE 802.11p为每个通道使用10 MHz 带宽，而不是IEEE 802.11a 中的20 MHz 带宽。802.11p 的物理层采用OFDM 技术，以提高数据传输速率，克服无线通信中的信号衰减。此外，IEEE 802.11p 的管理功能分别连接到物理层管理实体（PLME）和MAC 层管理实体（MLME）[3]。IEEE 802.11p 使用CSMA/CA 来减少冲突并提供对通道的公平访问。WAVE 架构如图2 所示。

图2 WAVE 架构

（2）多通道操作

IEEE 1609.4 是IEEE 1609 协议系列的标准之一，用于管理信道协调并支持MAC 业务数据单元交付。该标准描述了7 个通道，分别具有不同的功能和用途（6 个服务通道和一个控制通道）。此外，这些通道使用不同的频率和发射功率。

IEEE 802.11p MAC 层是基于WAVE 架构和802.11e EDCA 的多通道操作。EDCA 机制为每个通道定义了4 个不同的访问类别（AC）。访问类别由AC0-AC3 指示，每个类别都有一个独立的队列[4]。EDCA 机制通过为每个访问类别分配不同的争用参数来提供优先级排序。AC3 具有访问介质的最高优先级，而AC0 优先级最低。根据消息的重要性，每个帧都被划分为不同的访问类别。在IEEE 802.11p MAC 层中，有6 个服务通道和一个控制通道，每个通道都有4 个不同的访问类别。因此，在数据传输期间，有两个争用过程来访问媒体。

①使用争用参数（任意帧间空间（AIFS）和争用窗口（CW））在其访问类别之间的每个通道内发生的内部争用过程。

②通道之间的争用过程，用于访问支持不同计时器设置的介质，具体取决于内部争用过程。

逻辑链路控制（LLC）是WAVE 结构的另一个元素，类似于OSI 层2 的上层子层。LLC 提供上层和下层之间的通信。

（3）网络和传输层

IEEE 1609.3 定义了服务在网络和传输层的操作。此外，它还提供车辆之间的无线连接，以及车辆到路边设备的无线连接。WAVE 网络服务的功能可以分为两个方面。

①数据平面服务

传输网络流量并支持IPV6 和WSMP 协议。WAVE 短消息协议（WSMP）提供了应用程序可以发送短消息以增加及时接收消息的可能性的能力。

②管理平面服务

其功能是配置和维护系统，例如：IPV6 配置、通道使用情况监控和应用程序注册。此服务称为WAVE 管理实体（WME）。

（4）资源管理

IEEE1609.1 标准定义了一个被称为资源管理器（RM）的WAVE 应用程序，它允许在路边单元（RSU）和车载单元（OBU）上运行的应用程序之间进行通信。RM 驻留在OBU 或RSU 上。

（5）安全服务

IEEE1609.2 标准为WAVE 体系结构和通过此体系结构运行的应用程序定义了安全服务。该标准定义了安全消息的格式和处理方式。

3 性能分析

VANET中的仿真由交通仿真和网络仿真两部分构成。交通仿真侧重于车辆移动性，并生成一个跟踪文件，提供逼真的车辆运动。该跟踪文件被反馈到网络仿真器中，网络仿真器定义了网络仿真期间每辆车的静止位置。然后，网络仿真器实现VANET 协议并生成一个跟踪文件，该文件准备有关场景中发生的事件完整信息。然后分析信息以评估VANET 中IEEE 802.11p 的性能指标。

基于IEEE 802.11p 的车辆安全通信由邻里环形车辆之间的安全广播消息组成。因此，IEEE 802.11p 的整体性能与广播消息接收性能有关。为了验证车速对车辆间广播消息丢包率的影响，仿真选择高速公路场景，如果高速路场景下，车辆间广播消息丢包率不受车速影响，则市区的低速场景下，车辆间广播消息丢包率必然能够得到保证。

由于WAVE 广播常用于紧急消息的分发，比如高速公路上事故或急救避让情景，在这种情况下主要目的是把紧急消息广播给同向车道的车辆节点，使得同向车辆能够及时收取信息并作出减速或避让反应。这里将仿真场景设置为一条1 500 m 长的高速公路，一个方向有3 条车道，九辆车在这3 条车道上行驶；车道的最大速度分别约为80，100 和120 km/ h；每条车道之间的距离为4 m。在场景中，警车在紧急情况，以150 km/ h 的速度与其他车辆相同方向行驶。救护车位于相距100 m 的其他汽车后面。警车每0.2 秒发送一条有效载荷为250 字节的外围广播消息，如图3 所示。

图3 仿真场景

图3 显示了在整个仿真过程中警车与车辆2、8 和10之间的距离。此外，在模拟时间内，警车和这些车辆之间的丢包率如图5 所示。图3 中清楚地显示，在模拟时间的54 秒后，警车和车辆8 之间没有丢包。从图4 可以看出，警车和车辆8 之间的距离在54 秒后小于135 m。如图5所示，经过38 m 的模拟，警车和车辆10 之间数据包丢失率降至0%。同时，图4 表明，警车和车辆10 之间的距离在38 秒后小于135 m。可以看出，当车辆与警车的距离小于135 m 时，车辆可以接收广播消息。

图4 移动过程中警车与其他车辆之间的距离

图5 移动过程中警车和其他车辆之间的丢包率

4 总结

随着汽车行业的高速发展与国民生活水平的不断提高，汽车已经成为每个家庭不可或缺的必需品，与此密切相关的车联网技术已成为当下的热点研究方向。本文在上述背景下，对基于车辆环境无线接入（WAVE）和IEEE 802.11p 标准的车辆通信系统架构每一层所涉及的技术细节进行了较为细致的分析，并对车辆间的广播消息丢包率进行仿真分析，结果表明，车辆间丢包率与车速无明显关系，与车辆间距离有直接关系。