车载通信DSRC技术和通信机制研究 [转]

0  引言   　　ITS研究面临的问题是：由于车辆高速行驶，车辆之间的通信机制研究成了限制ITS发展的瓶颈。因此车载通信现阶段的研究势头在国内外日趋白热化，形成以政府、研究机构、汽车企业等为中心的三大阵营。车载通信技术现有DSRC技术、FM、蜂窝网络、WiMax技术和Wi—Fi技术。DSRC是国际上专门开发适用于车载通信的技术。   　　DSRC适用于ITS领域车车之间、车路之间的通信，它可以实现小范围内图像、语音和数据的实时、准确和可靠的双向传输，将车辆和道路有机连接。   　　1  DSRC技术概述   　　DSRC技术能为车车之间、路车之间以及智能交通系统提供高速的无线通信服务，数据传输速率高，传输延时短。DSRC能支持车辆的公共安全和不停车收费系统，能提供高速的数据传输，并保证通信链路的低延时和低干扰，保证系统的可靠性。   　　DSRC技术应用于车车通信的环境，其优势可以从和其他无线通信技术的比较中得出，如表1所示。

  　　由表1可以看出DSRC在性能上优于Wi-Fi、蜂窝网络等无线通信技术，跟WiMax技术相比，在性能上不相上下，但是在实现的复杂度和成本上，DSRC远远比WiMax具有优势。   　　车载通信DSRC的应用有以下3方面：   　　(1)公共安全，包括前方障碍物检测和避让、碰撞警告、转弯速度控制、减少交通事故、减少地面交通网络的压力、减少拥塞。图1是异常车辆自动通知和警告周围驾驶员异常情况或者潜在危险，实现主动避让。   　　(2)智能交通管理，包括高速公路上的车队管理、紧急车辆管理、安全超车等。在地面交通上，如果有紧急车辆，应通过紧急车辆管理，给紧急车辆开辟绿色通道。图2是高速公路上的车队管理。

  　　(3)电子收费系统和智能停车场收费系统以及娱乐下载等。   　　DSRC技术用于智能交通，有政府分配的专用频段(如美国联邦通信委员会5.850～5.925 GHz)。用于DSRC技术的频率资源共有75 MHz，划分成7个信道。中间的信道用于控制信道，发送广播消息或者控制信令；第一个信道分别用于碰撞避免、车间通信等；最后一个信道用于长距离、大功率的通信；剩下的4个信道都是服务信道，见图3。

  　　2  DSRC标准化进程   　　车载通信协议DSRC的发展为车载环境下的无线通信提供了依据。ISO／TC 204 DSRC国际标准化组织，主要研究应用层L7的协议和资源管理，制定中长距离通信标准。欧洲CEN／TC 278 DSRC标准的主要特点是：5.8 GHz被动式微波通信，中等通信速率(500 Kb／s上行，250 Kb／s下行)，调制方式为ASK和BPSK。美国的ASTM和IEEE标准，频率均为5.9 GHz。在ASTM标准的基础上，发展了IEEE 802.11p协议组，包括1609.1～1609.4标准。IEEE 802.11p标准在车载环境下，达到3～27 Mb／s的传输速率，大大改善了高速移动环境下的传输效果。目前使用较多的ASTM E 2213—03协议，是基于802.11的改进协议，作为向802.11p过渡的DSRC协议，在MAC层和物理层上作出了一系列的规定和改进，使其更适用于车载环境以及ITS应用。   　　鉴于目前国际DSRC标准发展趋势和国内ETC系统应用现状，1998年5月，中国ISO／TC 204技术委员会向交通部无线电管理委员会提出将5.8 GHz频段分配给智能交通运输系统的短程通信(包括ETC收费系统)。各国DSRC使用的频段见图4。

  　　DSRC专用短距离通信协议标准是在802.11a基础上发展的，并形成了底层协议ASTMe等中间过渡协议，最终形成协议组IEEE 802.11p。IEEE 802.11p正在制定和颁布中，计划在2008年能颁发。   　　3  DSRC通信机制   　　DSRC通信系统由3部分组成，包括车载单元(OBU)、路侧单元(RSU)以及专用短距离无线通信协议。DSRC通信系统模型如图5所示。

  　　OBU是放在移动的汽车上，相当于通信系统中的移动终端。不同点是通信方式和频率的差异，另外OBU是基于嵌入式处理单元，处理能力比较强。   　　RSU又称路旁单元、车道单元、车道设备，主要是指车道通信设备。RSU参数主要有频率、发射功率、通信接口等。   　　DSRC协议采用简化的3层协议结构，包括物理层(PHY)、数据链路层(LLC)和应用层(Application)。   　　物理层是底层协议，主要提供帧传输控制服务和信道的激活／失效服务，收发定时及同步功能并指示物理层状态。在物理层，DSRC提供成对上／下行信道，并有优先和普通之分。DSRC物理层采用的是OFDM技术，因为OFDM技术具有光谱效率高、抑制多径衰落、以及接收机设计简单等优点。   　　数据链路层负责信息的可靠传输，提供差错和流量控制，使之对上层提供一条无差错的链路，定义通信帧的具体结构，提供实现相应功能的程序和程序单元。数据链路层的主要模块是媒介控制子层(MAC)。MAC层在数据流的操作上是实现对上层传输来的数据包进行打包分片，按照MAC层的格式进行封装，并且根据一定的调度算法，分发各个模块，最终以MAC数据包的格式发送到物理层，并由物理层传送到对端，实现车车通信或者路车通信。在信号流的处理上，MAC层负责传输的可靠性和实现相应的控制操作。   　　应用层使用由DSRC数据链路层提供的服务，实现通信初始化和释放程序、广播服务支持、远程应用相关操作。   　　DSRC通信有两种方式：路车通信(R2V)和车车通信(V2V)。R2V是车辆和路边的基础设施进行通信，属于移动设备和固定设备的通信过程，采用的网络模型基于一跳Ad—Hoc网络模型。R2V的主要应用是智能收费系统、车载网络的多媒体下载和智能停车系统等。V2V是车辆和车辆进行通信，属于移动设备之间的通信，采用的网络模型是基于多跳的Ad-Hoc网路模型。V2V的典型应用是汽车主动避让、前方障碍物检测和避让等。   　　4  DSRC的MAC层关键技术   　　MAC层在物理层和网络层之间，起着协调上下层数据的传输和利用信令控制来提高整个系统的性能。所以研究MAC层关键技术，有利于改善系统的性能，提高系统稳定性，增大通信容量和传输距离。MAC层关键技术主要是对MAC的资源进行管理，包括切换技术、调度技术、QoS架构、链路预测及自适应技术等。车载通信是在高速行驶的汽车上实现通信，要求移动和漫游的能力，以及高效、安全的切换技术。   　　DSRC的通信机制有两种，一是路边基础设施和汽车通信，即固定接入点(RSU)和移动点(OBU)通信；二是汽车和汽车之间通信，即移动点之间通信，利用Ad Hoc组网方式进行端到端通信。OBU在行驶的过程中和RSU保持通信，但是离开了当前RSU的射频范围，OBU必须断开与当前RSU的连接，重新跟下一个RSU进行连接，这个过程称为切换，如图6所示。

  　　切换的过程可以分成3个部分：切换准备阶段、切换重新注册阶段和重新关联阶段。前两部分属于MAC层技术，第三个属于网络层技术。在切换准备阶段OBU检测到当前的连接信号质量下降、信噪比上升，不能维持与当前RSU的通信。OBU通过物理层的测量技术，对周围的RSU进行扫描，寻找新的RSU接入。在扫描过程中，OBU侦听后备网络的广播消息，获得网络拓扑结构(广播消息的广播周期10 ms)。扫描方式有两种，主动式和被动式扫描，主动式扫描是OBU主动给RSU发送申请消息，RSU反馈网络拓扑结构给OBU；被动式是OBU周期性地接收广播消息，获得拓扑结构。OBU通过扫描的方式，测量周边RSU的下行链路质量，寻找新的目标RSU，按优先级排列。在重新注册阶段，OBU选择优先级最高的为目标RSU，并通过一系列的消息交互，实现与前RSU断开连接，并重新进入新的RSU。在重新关联阶段网络层重新建立IP层连接，实现无缝切换。   　　切换过程对系统性能的影响主要考虑切换的延时、成功率和数据包的丢失率等因素。降低切换的延时，即降低重新认证和重新关联的延时，寻找合适的切换算法，实现快速切换，提高系统性能。切换的成功率是对切换的判决算法进行改进，防止出现乒乓效应。最后是实现无缝切换，降低数据包的丢失。   　　5  DSRC应用在汽车上的展望   　　应用DSRC技术的车车通信系统，将和新型车辆导航系统、紧急制动传感系统结合在一起，是未来车辆驾驶安全的重要方面。通过DSRC技术，路边的通信设备可以发送安全信息给车内安全信息系统，也可以车辆之间相互传递路况信息，实现车辆的自动巡航等先进技术。DSRC技术应用在车队管理上，通过无线传输技术，实现高速公路上的车队管理和无人驾驶技术。   　　众多汽车企业已经投入研究DSRC的车车通信技术。德国研究部为车车通信系统的研究项目提供基金，该项目名称为“车轮上的网络”，由宝马、大众、戴克、雷诺和菲亚特联合组成研究组，研究DSRC在车车通信的应用。戴克公司还牵头成立了TC小组，用于高速公路上的智能收费。日本的日产公司、丰田汽车公司、三菱公司以及美国通用汽车都开展了相关研究。   　　车辆通信标准IEEE 802.11p即将发布，已经成立的802.11p工作组将目标锁定在车载环境下的无线通信。美国ABI市场咨询公司日前预测，车载通信每年的市场规模高达10亿美元。发展DSRC技术，有利于我国在车载通信领域与国外汽车巨头一争高低，为我国汽车工业的腾飞作出贡献。