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IEEE802.11P:車載環境下的無線局域網

金純[1][2] 柳興[1] 萬寶紅[2] 周曉軍[2]
(重慶郵電大學[1] 重慶金甌科技發展有限責任公司[2])
摘要:汽車在能夠與路上相遇的汽車通信前,不能容忍長時間的建立連接而產生的延時,加上飛速行駛的汽車和復雜的道路狀況給物理層帶了很大的挑戰。IEEE802.11P的研究是基于IEEE802.11解決汽車網絡的方案。由于設計的IEEE802.11標準在靈活性上很差,所以IEEE802.l1p標準主要是解決快速連接高頻率切換問題和新的安全問題。本文是在從總體上描述了IEEE802.l1p和功能介紹上進行寫作。
關鍵字:IEEE 802.11、自組織網、車載環境下的無線通信、基本服務集
中圖分類號:TP393.17

IEEE802.11p:Wireless Access in Vehicular Environments

                 jinchun[1][2] liuxing[1]wanbaohong[2]zhouxiaojun[2]
(Chongqing University of Posts and Telecommunications [1] Chongqing JINOU Science and Technology Development Co., Ltd [2] )
Abstract: Vehicular safety communications applications cannot tolerate long connection establishment delays before being enabled to communicate with other vehicles encountered on the road. Additionally, the rapidly moving vehicles and complex roadway environment present challenges at the PHY level. IEEE 802.11-based solutions for vehicular networks are also investigated by IEEE 802.11p. As the original IEEE 802.11 standard is designed only for little mobility, the IEEE802.l1p working group should address important issues such as frequent disconnection and handoff. In this paper we introduce applications and an overview of the IEEE802.11p.
Keywords: IEEE 802.11, Ad Hoc, WAVE, BSS
1 導言
  近年來汽車網絡越來越受到人們的關注,聯邦通信委員會為了提高高速公路上的安全和效率,針對汽車通信的特殊環境出爐IEEE80211p標準。利用無線通信標準DSRC實現路邊到汽車和汽車到汽車的公共安全和私人活動通信的短距離的通信服務。最初的設定是在300M距離內能有6Mbps的傳輸速度。擁有1000英尺的傳輸距離和6Mbps的數據速率。從技術上來看,它對IEEE802.11進行了多項針對汽車這樣的特殊環境的改進,如:熱點間切換更先進、更支持移動環境、增強了安全性、加強了身份認證等等。目前的汽車通信市場,很大程度上由手機通信所占據,但客觀上說,蜂窩通信覆蓋成本比較高昂,提供的帶寬也比較有限。使用IEEE802.11p有望降低部署成本、提高帶寬、實時收集交通信息等。
2 IEEE802.11P
2.1 DSRC的頻譜分配
  DSRC的頻譜有七個帶寬為10HMz的信道組成,如圖1。其中178信道是控制信道(CCH),它只用于安全通信。在兩邊的信道是用來做特殊的使用[1],其余的信道都是用于車載安全和非安全方面的服務信道。 DSRC的頻段和信道
                       圖1 DSRC的頻段和信道
2.2 DSRC的架構
在IEEE802.11協議中,DSRC被認為是IEEE802.11p WAVE,但是它不是一個完全獨立的協議,它是IEEE802.11協議的擴展協議[2]。該協議意義是:(1)通過與WAVE相符的工作站設計所需的功能和服務,即在迅速變化的環境下運行和交換信息不必像在傳統IEEE802.11中要加入基本服務集(BSS)。(2)定義WAVE發信號技術和分界功能受限于IEEE802.11的MAC層。
從圖2可以看出,IEEE802.11p WAVE只是涉及到DSRC協議中所有層中的一小部分。該協議被IEEE802.11限制了工作范圍,它嚴格地規定MAC和PHY標準,意味著其工作在單邏輯信道。DSRC的信道設計和操作都是由IEEE1609標準來控制,具體來說,IEEE1609.3標準控制WAVE的連接設置和管理[3]。IEEE1609.4工作在IEEE802.11p的上層,不需要了解物理層的參數,就能通過多信道使上面幾層運行。IEEE802.11p還處于研究中階 段,本文是對這個草案的大概方向和技術研究提出了總體上的看法,但是這不表示它的研究內容已經結束了。 DSRC標準和通訊棧
              圖2 DSRC標準和通訊棧
3 MAC
  IEEE802.11的MAC是建立和保持無線通信的工作組,它只用單一的傳送隊列。這種無線通信是免費的在他們中間進行通信,但是所有的外部傳送都會有消息的遺漏。像基本服務集工作組(BSS),有很多協議機制都是基本服務集工作組里提供安全和有效的通信。
IEEE802.11p改善MAC層的主要目的就是讓通信工作組非常有效率,并且不需要建立在當前IEEE802.11的MAC層之上。也就是說,為確保汽車自組織網的通信而建立的簡單BSS業務。下面就介紹下在那些設計上進行了改善。
3.1 WAVE模式
  IEEE802.11的MAC層設計的操作用在IEEE802.11p上要消耗很多的時間,汽車安全通信要求即要及時的交換消息的能力,又要BSS航標不提供信道掃描,并且建立多路徑連接的通信。試想象下,若有兩輛汽車相向而行,那么給它們的通信時間由它們的行駛速度決定。因此,IEEE802.11p的實質是默認在相同信道設置相同基本服務集標識符(BSSID)的方法來進行安全通信。關鍵是在WAVE的模式上進行了改善。工作站的WAVE模式不需要預先加入到BSS中,而是在發送和接受數據幀中加入有價值的通配符BSSID。這意味著,在同樣的信道使用通配符BSSID能讓兩輛汽車不需要任何其他的操作就可以馬上進行彼此間的通信。
3.2 WAVE的BSS
  傳統的BSS不但不能建立安全的通信和服務,而且非常昂貴。用傳統的無線保真(WiFi)建立連接很難給靠近路邊工作站的汽車在幾秒種內提供像下載電子地圖的服務,因為汽車在它覆蓋范圍內所呆的時間都很短。WAVE標準引入了一個新的BSS類型——WBSS(WAVE BSS),工作站窗體WBSS首先發送一個請求航標,WAVE工作站使用這個不需要被周期性的回復且合法的幀做請求航標,提醒使用者WAVE BSS可以為他們服務,這樣就建立可使用的上面所說IEEE802.11上層機制。接受站包括所有的必須的資料來了解WBSS提供的服務,從而決定是否要與其建立連接,這些資料還可以設置它自己成為WBSS的一員。也就是說工作站只在收到WAVE的廣播后就可以決定是否加入WBSS和與WBSS建立連接。這種方法丟棄了所有的交接和核實過程,建立了非常簡單的WBSS上層結構。它還需要進一步的機制為上層管理WBSS工作組時提供安全,但是這個機制超出了IEEE802.11的范圍。
3.3 擴展通配符BSSID的使用
  屬于WBSS的工作站支持通配符BSSID,使用BSSID主要是能給WAVE帶來安全。換句話說, WBSS的工作站屬于WAVE模式,為了在安全的前提下收到所有的相鄰的工作站可以通過一直發送帶有通配符BSSID的幀完成。同樣已經處于WBSS狀態的工作站設定好了它的BSSID,能夠收到帶有通配符BSSID的其他外部的WBSS。通配符BSSID的收發數據幀好處不僅可以安全通信而且可以在將來自組織網(ad hoc)環境下的高層協議支持傳輸信號。
4.4 分布式服務(DS)
  DS是為WAVE設計的,把"To DS"和"From DS"位設為"1"就可以傳送數據幀,但是在WAVE BSS的無線通信發送和接受帶通配符BSSID的數據幀可能會使問題復雜化。只要數據幀的通配符BSSID"To DS"和"From DS"位設為"0"就可以限制發送數據幀。也就是說,在WAVE BSS狀態下,無線通信需要發送一個識別BSSID的數據幀才能進入分布式服務。
3.5 MAC層的改善概括
  WAVE的MAC層的主要變化有:(1)不管在WAVE模式的工作站是否加入WAVE BSS,只要通配符BSSID的"To DS"和"From DS"位設為"0",就可以收發數據幀。(2)在用相同的BSSID通信的WAVE模式中,WBSS是由一組協作工作站組成的一個典型的BSS。(3)當把收發數據幀同BSSID定義為WBSS時,這種無線通信就加入WBSS。相反,當MAC停止使用WBSS的BSSID發送和接收數據幀,它將失去WBSS。(4)工作站不能同時加入幾個WBSS,在WAVE模式下的工作站不能加入BSS或者獨立基本服務集IBSS,也不能主動或被動的掃描,更不能使用MAC認證。(5)如果WBSS沒有成員將不會存在,建立WBSS后最開始的無線電波與其他成員沒什么不同。因此,原始的無線電波不再是WBSS的成員后,WBSS還能繼續工作。
4 物理層
4.1 物理層的改善細節
  IEEE802.11p是基于正交頻分復用(OFDM)的,它的OFDM是IEEE802.11a標準的擴展。IEEE802.11a的OFDM有64個副載波,每個帶寬為20MHz的信道由64個副載波中的52個副載波組成。其中4個副載波充當導頻,用以監控頻率偏置和相位偏置,其余48個副載波則是用來傳遞數據。在每個物理層數據包的頭文件中都有短序列符和長序列符,用來做信號偵查、頻率偏置估計、時間同步和信道判斷。為了應對衰落信道,在調整到載波之前對信息位采用隔行掃描編碼。其物理層對信號的處理和規范與IEEE802.11a基本相似,他們的不同處如下:(1)工作頻率在5GHz附近,75MHz被劃分為七個10MHz的信道,頻率最低的5MHz作安全空白。中間的信道是控制信道,它所有有關安全的信息都是廣播消息。保留用于服務的信道,相鄰的兩個信道通過協商后可以當作一個20MHz的信道使用,但其通信的優先級別要低些。(2)為了在車載環境下進行更大范圍的通信,其定義了最高的有效等向輻射功率(EIRP)44.8dBm (30W),最大限度的讓汽車處理緊急事件,典型的與安全相關信息的效等向輻射功率為33dBm。(3)在車載環境下為了增加對信號多路徑傳播的承受能力,使用10MHz頻率的帶寬。減少帶寬使的物理層的參數是IEEE802.11a的兩倍。另一方面,使用比較小點的帶寬減少了多普勒的散射效應,兩倍的警戒間隔減少了多路徑傳輸引起的碼間干擾。(4)結果導致物理層的數據傳輸速率減小了一半。
4.2 接收性能需要的改良
  分布在路上的汽車通信難免有很多相交信道的干擾,這意味著,兩輛相鄰的汽車(每輛汽車分別兩個相鄰的車道里)使用兩個相鄰的信道是可能會出現彼此干擾的現象。例如,汽車A用176信道傳輸信號時可能會干擾和阻止在相鄰車道里的汽車B收到從200米遠的汽車C通過178信道發送來的安全信息。交叉信道干擾是人們了解的無線通信特性。信道管理政策是最有效力又能徹底的解決這一被關注的問題,但是它已經超出了IEEE802.11的范圍。不過,IEEE802.11p提出了一些在相同信道里改善接收器性能的要求,其中有兩種類型的要求被提議列為標準。一種是讓芯片制造商理解這一要求,并強制他們去實行;另一種是讓信道更嚴格和更多的選擇性,在今后幾年可能要花很多的錢去實行。
5 總結
  本文是從總體上介紹了IEEE802.11p協議,主要討論了于IEEE802.11的不同之處,并且簡要了介紹了它的主要用途。802.11p現在還僅僅是停留在討論之上,距離真正商用還有很長的一段路要走,相信它的問世將會讓汽車運輸變的更加安全交通運輸變的更加有效率,同時將會極大地促進汽車通信市場的發展。
參考文獻
[1]IEEE Std. 802.11-2007,Amendment of the Commission's Rules Regarding Dedicated Short-Range[R]
Communication Services in the 5.850-5.925 GHz Band [S].
[2] IEEE Std. 802.11-2007, Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY)
Specifications [S].
[3] IEEE 1609.3-2007, WAVE Networking Services[S].
作者簡介:
金純:(1966- )男,籍貫重慶,教授,美國伊利諾伊大學博士,碩士研究生導師,研究方向通信網。
柳興:(1984- )男,籍貫湖南,重慶郵電大學通信與信息系統專業碩士研究生,研究方向個人通信。
萬寶紅:(1978-)男,碩士,工程師,研究方向計算機軟件
周曉軍:(1975-)男,本科,工程師,研究方向計算機硬件
聯系方式:
通信地址:重慶郵電大學78號信箱34棟105室 柳興(收) 郵政編碼:400065
電話:15826171698 E-mail: [email protected] [email protected]
基金項目:科技型中小企業技術創新基金 項目名稱:車載多媒體移動電話通訊系統
基金編碼:06C26215110508
 
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