（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！