(四)WAVE协议的802.11p与802.11a主要区别MAC/PHY
综述
车联网协议主要面临的难题
1、高速移动环境下的信道是动态时变的快衰落信道,信号的频率选择性衰落以及时间选择性衰落都对信号产生严重干扰,包括符号间干扰ISI和信道间干扰ICI。
2、除了传统的数据业务,更重要的是要传送适时的安全与管理信息,提高车辆运行的安全性。
802.11p从802.11a修改而来
物理层改变:主要是为适应交通环境而修改相应参数,提高可靠性
MAC层改变:
1、添加WAVE模式下的集外通信方式,加入WBSS的过程中舍弃802.11a中的认证和连接过程,降低延迟,保证实时性。
2、MAC层采用了802.11e的信道接入方式EDCA,提供了优先级QoS和参数化QoS,优先发送紧急安全信息和控制信息。
3、MAC层的部分还采用1609.4协议,规范了WAVE协议中多信道的操作。
一、物理层
IEEE802.11p标准采用正交频分复用(OFDM)技术来实现车车(V2V)、车路(V2I)的高速无线互连。
1.1OFDM
OFDM主要的思想是将信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,调制到在每个子信道上进行传输。
符号间干扰ISI
当信号存在时延时,某一个时隙的OFDM符号就会重叠到邻接的时隙上。如果延伸得太长,就会扰乱邻接时隙内发送的真实符号,这就是 符号间干扰ISI。
消除ISI:
当调制信号通过无线信道到达接收端时,由于信道多径效应带来的码间串扰的作用,子载波之间不再保持良好的正交状态,因而发送前需要在码元间插入保护间隔。
为了最大限度地消除符号间干扰,可以在每个OFDM符号(不是指子载波的符号,而是各子载波叠加后的OFDM符号,即此处是指时域的波形)之间插入保护间隔,而且该保护间隔的时间长度Tg一般要大于无线信道的最大时延扩展,这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。如果保护间隔大于最大时延扩展,则所有时延小于保护间隔的多径信号将不会延伸到下一个码元期间,从而有效地消除了码间串扰。
信道间干扰(ICI)
因多径延时的存在,空闲的保护间隔进入到FFT的积分时间内,导致积分时间内不能包含整数个波形,破坏了子载波间的正交性,不同的子载波之间产生干扰,带来载波间干扰ICI。
所以当接收机试图对第一子载波进行解调时,第二子载波会对此造成干扰。
消除ICI:
为了避免空闲保护间隔由于多径传播造成子载波间的正交性破坏,OFDM符号需要在其保护间隔内填入循环前缀信号,将每个OFDM符号的后时间中的G个样点复制到OFDM符号的前面,这样就可以保证在FFT周期内,OFDM符号的延时副本内包含的波形的周期个数也是整数。这样,时延小于保护间隔Tg的时延信号就不会再解调过程中产生ICI。
1.2物理层OFDM流程
FEC编码:
前向纠错是一种数据编码的技术,数据的接收方可以根据编码检查传输过程中的误码。FEC编码采用卷积编码技术。卷积码也是分组的,但它的监督码元不仅与本组的信息元有关,而且还与前若干组的信息元有关。这种码的纠错能力强,不仅可纠正随机差错,而且可纠正突发差错。
交织映射
在陆地移动通信这种变参信道上,比特差错经常是成串发生的。信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错串时才有效。为了解决这一问题,希望能找到把一条消息中的相继比特分散开的方法,即一条消息中的相继比特以非相继方式被发送。在传输过程中即使发生了成串差错,恢复成一条相继比特串的消息时,差错也就变成单个(或长度很短),这时再用信道编码纠错功能纠正差错,恢复原消息。这种方法就是交织技术。
IQ映射
1.3 802.11p与802.11a的OFDM物理层参数变化
保护间隔的拓展意味着802.11p可以容忍更大的时延扩展,更加适应户外高速移动的车辆环境,以满足在车路互网系统中对无线局域网的要求。
- 编码效率 = 保护间隔长度/OFDM符号长度
- OFDM符号长度 = 保护间隔长度 + 有效数据长度 = 1.6μs + 6.4μs =
8μs 子载波间隔 = 1/有效数据长度 = 1 / 6.4μs = 156.25kHZ - 训练序列长度=10个短训练序列+2个添加保护间隔的长训练序列 实现同步
子载波数量实际有64个,但是仅用到52个,其中4个为导频,用于接收处理器在初始频率校正之后跟踪剩余的载波频率偏差,也可用于信道估计和采样频率偏差的估计。
训练序列部分:训练序列主要用于接收机的定时同步、载波频偏估计以及信道估计等,这对接收端无失真地还原出原始信号起到至关重要的作用。
Signal 域部分:长度为一个正常的OFDM 符号长度。Rate 用于传输有关后继数据符号所用到的调制和码率信息;Length 域用于指示 MAC 层请求PHY 层发送的物理层服务数据单元(PSDU)的字节个数。
802.11a 标准中规定Signal 域信息比特采用BPSK调制和码率为1/2的卷积编码,这样可以得到6Mb/s的信息传输速率。
802.11p 标准中规定Signal 域信息比特采用BPSK调制和码率为1/2的卷积编码,这样可以得到3Mb/s的信息传输速率。
二、MAC层
2.1 WAVE模式
由于车辆的高速移动性,使得节点之间的通信时间很短,认证和关联会导致时间延迟。在802.11a中,节点之间通信之前必须先保证节点处在同一服务集SS中,即在数据通信前先要经过一系列认证、连接等操作。而在高速移动环境下的车辆节点来说,OCB(outside the Context of a BSS)模式则能满足一些紧急安全信息要求的低延时需求。
IEEE802.11p的实质是默认在相同信道设置相同BSSID的方法来进行安全通信。关键是在WAVE的模式上进行了改善。工作站的WAVE模式不需要预先加入到BSS中,而是在发送和接受数据帧中加入有价值的通配符BSSID。
2.1.1 802.11a的BSS/IBSS模式
BSS:基本服务集,包括一个AP和有限个STA工作站,其中,STA之间通过AP进行通信。
IBSS:独立基本服务集,集合内都是对等的STA,不含AP,STA之间直接通过无线媒介进行通信。
一个工作站在未加入SS前,需要通过主动扫描或者被动扫描,发现可以加入的BSS或者IBSS,加入SS前需要经过身份认证、连接等操作。在加入SS后,该STA才可与SS内部的STA进行通信,STA根据收到的帧中的BSSID鉴别该帧是否来自自身所处的SS。
BSSID:用于过滤来自非本BSS内节点的帧,BSS中,BSSID是该BSS的AP的mac层地址;IBSS中,BSSID是IBSS发起站点随机生成的序列号(前2比特固定,后46比特按照规程随机生成)
具体可以参考以下网址:
http://blog.sina.com.cn/s/blog_a6559d920101kcpe.html%20%E2%80%9CBSS/IBSS%E9%83%A8%E5%88%86%E6%93%8D%E4%BD%9C%E2%80%9D
2.1.2 802.11p的WBSS/WIBSS模式
WBSS:一个提供service的provider以及有限个接收service的users
WIBSS:节点之间对等,没有建立service,直接通过WSMs在CCH上通信
当车辆节点尚未加入WBSS或WIBSS,若标志位 dot11OCBEnabled为 true 时,车辆节点可以直接与处于BSS内部的节点进行通信,不用认证和关联,此时节点在管理帧和数据帧中要将 BSSID(Basic Service Set identifier)设为通配符 BSSID,值为FF:FF:FF:FF:FF:FF。
若车辆节点在CCH信道上接收到WSA信息后,WSA 的内容是对外提供服务的详细说明,其中包括服务提供者会在接下来的哪个信道上传递信息,发送功率大小等等确认。
通过对比 PSID,如果有其感兴趣的服务信息,则节点加入该WBSS,接受其provider提供的服务。节点只需要根据WSA内的信息,在物理层和MAC层做相关配置,在SCH间隔时间到来时切入相应信道,接收服务即可。除非节点与provider进行反馈通信,否则provider节点不知道WBSS有新的节点加入,当节点离开时,也不需要告知provider。用户在获得信息和交换信息的时候拥有主动性和灵活性,适应车载环境下对通信过程中低延时的要求。
若标志位 dot11OCBEnabled为 false,则在认证和关联等方面与 IEEE 802.11 一样。MIB中缺少dot11OCBEnabled属性值,则形同dot11OCBEnabled为false。
WIBSS中,节点可以进行直接通信,全部停留在CCH控制信道,不再监听WSA信息。无论是数据信息还是控制信息都只能在 CCH 控制周期上利用 WSM 进行信息交换。当设备切换到 SCH 周期时没有数据操作。
2.2 EDCA机制
EDCA机制可以类比为一个节点有四个虚拟节点,每个节点优先级不同,虚拟节点以不同的参数独立地以DCF机制展开信道竞争。该机制实现了车辆节点中的数据可以根据它的紧急情况,以不同优先级发送,优先发送安全信息和控制信息。
以下简要列出EDCA机制和DCF机制的不同点:
其中,802.11p的EDCA参数集与802.11x系列的参数集也有区别:
EDCA机制的具体实现细节参考我的另外一篇文章EDCA机制详解
2.3 多信道操作部分
MAC层的部分还采用1609.4协议,规范了WAVE协议中多信道的操作。
主要是增加了WSMP协议,专门针对车辆节点点对点通信而设计的通信格式;多信道操作规范。
1609.4协议的具体细节参看1609.4协议详解
最后,其实我对WIBSS的具体通信机制了解甚少,若有了解的同仁请不吝赐教,谢谢!
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