学习笔记12--基于专用短程通信的车联网技术

本系列博客包括6个专栏，分别为：《自动驾驶技术概览》、《自动驾驶汽车平台技术基础》、《自动驾驶汽车定位技术》、《自动驾驶汽车环境感知》、《自动驾驶汽车决策与控制》、《自动驾驶系统设计及应用》。
此专栏是关于《自动驾驶汽车定位技术》书籍的笔记.

2.基于专用短程通信的车联网技术

2.1 专用短程通信技术

DSRC技术主要基于两套标准：一是IEEE 1609.x，即车载环境下的无线接入技术(Wireless Access in Vehicular Environments，WAVE)，其定义了基于DSRC的车联网的架构；二是SAE J2735和SAE J2945，其定义了消息包中携带的信息；

WAVE协议栈
- IEEE 802.11p在IEEE 802.11a标准基础上对物理层和MAC层进行了修改以适应V2X通信环境，其网络接口的物理层与IEEE 802.11a采用相同的帧结构、调制方式和训练序列；
- 在MAC实体层采用基于信道竞争访问的分布式协调功能(Distributed Coordination Function，DCF)，并加入了IEEE 802.11e中的增强型分布式协调功能(Enhanced Distributed Coordinator Function，EDCF)为不同业务提供相应的发送优先级服务；
SAE J2735和SAE J2945
- 该标准由美国汽车工程师协会(Society of Automative Engineers，SAE)发布的，主要是针对采用5.9GHz的DSRC应用，该标准规范了V2X的信息集，及信息集中的数据结构和内容，其中包括来自车上的传感器数据，如：位置、行进方向、速度、刹车信息；

2.2 基于专用短程通信的车联网

2.2.1 IEEE 802.11p标准

DSRC的IEEE 802.11p频带资源分配
- 除5MHz保护频段外，其余70MHz的频率资源共划分为7条互不重叠的10MHz信道；
- 控制信道(Control Channel，CCH)178主要用于广播安全相关的消息或控制信令，传输WAVE服务通告(WAVE Service Announcement，WSA)或WAVE短消息协议(WAVE Short Message Protocol，WSMP)等优先级较高的内容，且严格限制其传输延迟；
- 车车通信信道172和车路通信信道184专用于传输安全相关应用，信道172用于碰撞避免，信道184用于长距离、大功率的通信；
- 剩余4条信道(174，176，180，182)均为业务信道(Service Channel，SCH)，可被合并为两条20MHz的信道，用于共享型安全相关应用，SCH既可传输CCH上的信息，也可传输非安全相关的应用层信息，包括基于UDP/IPv6的报文；
汽车高移动性可能产生的负面影响：消息接收不成功或分组丢失、无效；
- 消息接收不成功：在安全相关消息发送期间，部分接收节点可能已经移动到发送节点的通信范围外；
- 分组丢失、无效：汽车高移动性引起正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplex，OFDM)系统中较差的多普勒频移扩展，进而导致较高的分组错误率和较差的信道质量；
车载环境变化导致信号强度变化引起的路径损耗和多径效应引起的衰落等常规无线通信问题需要被最小化；
相较于IEEE 802.11a，IEEE 802.11p减小带宽，增加了通信距离，但牺牲了物理层的数据传输速率；
DSRC物理层的调制方案采用OFDM进行信道复用，OFDM将无线信号分割成更小的子载波信号，即输入数据流分成了一组并行的比特流，每一路比特流映射到一组互相交叠的正交子载波以进行数据调制和解调，所有正交子载波将同时发送，而这些子载波在频率上互相交叠，但在设计上保证了彼此间不互相干扰；一方面，子载波彼此正交，另一方面，采用快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)算法进行信号分离；

2.2.2 IEEE 1609.x标准

IEEE 1609.x标准针对WAVE定义了适合车联网环境的通信系统架构和系列标准化服务接口，主要目的是规范OBU之间、OBU与RSU之间的无线通信协议，并提供汽车行驶环境下的汽车安全、交通管理、动态地图与导航定位等应用所要求的通信标准；

IEEE 1609.1：描述WAVE系统结构中的一些重要组成部分，定义了控制信息格式和数据存储格式，并规定远程应用和资源管理之间的控制流程，为应用的注册、管理及车载设备资源的存取提供标准接口，以便传送数据、命令和状态信息，为综合应用层服务；
IEEE 1609.2：主要考虑WAVE中安全相关的业务和信息管理，规范签名、数字加密等工作过程，实现安全信息格式，节点认证和信息加密等功能；
IEEE 1609.3：规范了网络传输层的服务标准，主要设计WAVE的连接设置和管理；设计了两条并列的网络传输通道：用户数据报协议(User Datagram Protocol，UDP)IPv6和WSMP；
IEEE 1609.4：描述了多信道操作、CCH与SCH相关参数、信道优先接入参数、信道的路由与切换及WAVE模式等；通过信道管理对不同发送优先级的MAC服务数据单元(MAC Service Data Unit，MSDU)进行分类，并进行信道的路由和切换，达到合理利用信道资源的目的；为支持安全和非安全类应用，将消息分为不同的优先级：非安全类消息、高安全类消息；SCH用于传输非安全类应用消息；
IEEE 1609.0：用于描述IEEE 802.11p/1609标准体系的整体架构和WAVE终端多信道通信服务；

2.2.3 DSRC的应用和发展

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