DSRC無線通信模式的原理及應(yīng)用

張書僑

（北京東方波泰無線電頻譜技術(shù)研究所，北京 100037）

DSRC無線通信模式的原理及應(yīng)用

張書僑

（北京東方波泰無線電頻譜技術(shù)研究所，北京 100037）

DSRC無線通信模式在未來交通領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景和必要性，本文闡述DSRC的原理及典型應(yīng)用。

DSRC；信道接入；交通應(yīng)用

1 引言

專用短程通信（DSRC）技術(shù)是智能交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心，為“車路”以及“車車”之間提供高速的數(shù)據(jù)傳輸，保證通信鏈路的低延時(shí)，保證系統(tǒng)的可靠性，是專門用于車輛通信的技術(shù)。

2 DSRC技術(shù)原理

2.1 DRSC標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程

早在1992年，美國材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)就開始發(fā)展DSRC技術(shù)。1997年5月19日，ITS America向聯(lián)邦通信委員會(huì)提出5.850GHz到5.925GHz頻帶分配給智能運(yùn)輸服務(wù)領(lǐng)域的申請。1998年6月11日，F(xiàn)CC將5.850GHz到5.925GHz頻段分配給運(yùn)輸服務(wù)領(lǐng)域的短程通信。2002年ASTM通過E2213-02作為DSRC標(biāo)準(zhǔn)，采用5.9GHz頻率，20 03年通過改進(jìn)版本E2213-03。該版本以IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，提出一系列的改進(jìn)來適應(yīng)車載環(huán)境的通信需求。從2004年開始，美國的DSRC標(biāo)準(zhǔn)化工作轉(zhuǎn)入IEEE802.11p與IEEE 1609 工作組進(jìn)行，該標(biāo)準(zhǔn)的主要目的是讓它可以適用于高速移動(dòng)的環(huán)境，為行車安全，交通管理和娛樂等提供服務(wù)。IEEE 802.11p負(fù)責(zé)制DSRC的底層MAC和PHY標(biāo)準(zhǔn)，其上層標(biāo)準(zhǔn)則由IEEE 1609負(fù)責(zé)。IEEE 1609系列標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)通過試用版本，而針對底層關(guān)鍵技術(shù)的IEEE 802.11p協(xié)議也于2010年9月正式發(fā)布。自2013年開始，所有的軍車都安裝車載單元，通過DSRC技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛身份識(shí)別。DSRC技術(shù)是一種高效的無線通信技術(shù)，它可以實(shí)現(xiàn)在特定小區(qū)內(nèi)對高速運(yùn)動(dòng)下的移動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別和雙向通信，例如車輛的“車路”、“車車”雙向通信，實(shí)時(shí)傳輸圖像、語音和數(shù)據(jù)信息，將車輛和道路有機(jī)地聯(lián)合起來。

2.2 DRSC系統(tǒng)組成及體系架構(gòu)

DSRC系統(tǒng)主要由路邊設(shè)備RSU、車載單元OBU、控制中心以及一些輔助設(shè)備組成，而DSRC通信協(xié)議是RSU與OBU實(shí)現(xiàn)無線短程通信、保證信息安全可靠傳輸?shù)暮诵募夹g(shù)。路邊設(shè)備包括射頻部分（如天線、收發(fā)信機(jī)等），控制單元和顯示設(shè)備等。車載單元包括射頻部分和控制單元，視具體應(yīng)用需求可配置車載裝置和顯示設(shè)備等。路邊設(shè)備、控制中心和相關(guān)輔助設(shè)備形成路邊網(wǎng)絡(luò)，通過控制中心與其他網(wǎng)絡(luò)相連進(jìn)行信息交換，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收費(fèi)、地理信息下載和信息發(fā)布等功能。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 DSRC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

DSRC體系中包含兩種應(yīng)用：安全應(yīng)用和非安全應(yīng)用。安全應(yīng)用主要用于傳輸與安全有關(guān)和通信指令等信息，非安全應(yīng)用則可傳輸娛樂相關(guān)的數(shù)據(jù)。DSRC上層標(biāo)準(zhǔn)由IEEE 1609負(fù)責(zé)制定，下層標(biāo)準(zhǔn)則由IEEE 802.11p負(fù)責(zé)制定。其中，IEEE 1609.2主要負(fù)責(zé)安全服務(wù)，IEEE 1609.3主要負(fù)責(zé)網(wǎng)路服務(wù)，IEEE 1609.4主要負(fù)責(zé)WAVE（Wireless Access in the Vehicular Environment）的多信道操作，即上層MAC標(biāo)準(zhǔn)的制定，而IEEE 802.11p則負(fù)責(zé)下層MAC標(biāo)準(zhǔn)和物理層（PHY）標(biāo)準(zhǔn)的制定。DSRC標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議棧如圖2所示。

圖2 DSRC標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議棧

2.3 DRSC的多信道操作

DSRC采用了多信道操作方案。從圖3可知，在WAVE模式下，節(jié)點(diǎn)采用了基于頻分多址/時(shí)分多址的信道訪問方案。所有節(jié)點(diǎn)在控制信道（CCH）間隔上都必須切換到CCH，并在該CCH間隔結(jié)束后有選擇性的切換到4個(gè)服務(wù)信道（SCH）上的某一個(gè)進(jìn)行通信（默認(rèn)情況下節(jié)點(diǎn)停留在CCH上），在SCH間隔上停留在CCH的節(jié)點(diǎn)也可以傳輸?shù)蛢?yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)切換到SCH后，采用IEEE 802.11p協(xié)議進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通信。在CCH上的通信時(shí)，通常采用的方式為廣播方式，因此不需要確認(rèn)，不采用RTS/CTS等機(jī)制。

圖3 DSRC多信道操作時(shí)隙

如圖4所示，在頻率上，DSRC將75MHz帶寬均勻地劃分為7個(gè)信道，每個(gè)信道各10MHz，其中前5MHz為保護(hù)帶寬；信道178為CCH，兩端兩個(gè)信道留作特殊用途，其他4個(gè)為SCH。其中控制信道主要負(fù)責(zé)與安全和交通管理等緊急信息的傳輸，服務(wù)信道則可以進(jìn)行一些與改善行車舒適性相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸，比如電子地圖下載，前方加油站信息查詢等。

圖4 DSRC的頻譜帶寬和信道劃分

如圖5所示，在時(shí)間上，信道時(shí)間被劃分成周期性的同步間隔，每個(gè)100ms。每個(gè)同步間隔由一個(gè)CCH間隔和一個(gè)SCH間隔組成，各50m s。每個(gè)同步間隔都使用GPS與協(xié)同通用時(shí)間進(jìn)行同步。每個(gè)CCH和SCH間隔都有保護(hù)間隔（Guard Interval），它由同步和信道切換等時(shí)間組成。在保護(hù)間隔上不允許進(jìn)行任何數(shù)據(jù)的傳輸，如果GI到來時(shí)發(fā)送或者接收還沒有結(jié)束，則上層必須通知PHY停止發(fā)送和接收。目前，IEEE 1609.4建議使用較好的調(diào)度機(jī)制使發(fā)送節(jié)點(diǎn)在GI到來之前將分組發(fā)送完畢。由于在每個(gè)CCH間隔上，有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備發(fā)送的節(jié)點(diǎn)都會(huì)競爭信道的控制權(quán)，這樣就會(huì)增大同步碰撞的可能性。為了解決同步碰撞問題，在保護(hù)間隔上將信道標(biāo)識(shí)為忙，使所有節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行退避。

圖5 DSRC多信道操作時(shí)隙

2.4 EDCA信道接入?yún)f(xié)議特性

EDCA信道接入?yún)f(xié)議是IEEE 802.11協(xié)議的關(guān)鍵體現(xiàn)。載波偵聽多址接入/沖突消減協(xié)議是目前應(yīng)用的大多數(shù)MAC層信道接入?yún)f(xié)議的基礎(chǔ)。非堅(jiān)持的CSMA協(xié)議的效果有隨機(jī)性，而堅(jiān)持的CSMA協(xié)議的缺點(diǎn)是“過于自私”。節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)先通過較短的控制分組進(jìn)行信道的探測，如果短控制分組成功發(fā)送，再發(fā)送后續(xù)數(shù)據(jù)分組。EDCA機(jī)制是基于CSMA/CA的信道接入?yún)f(xié)議。EDCA區(qū)分了不同優(yōu)先級(jí)的AC（Access Category）接入信道的能力，從而保障了信道資源依據(jù)數(shù)據(jù)流優(yōu)先級(jí)分配。EDCA定義了4個(gè)不同的信道訪問類型，各自對應(yīng)的業(yè)務(wù)類型為語音、視頻，盡最大努力交付和背景信息。EDCA實(shí)現(xiàn)參考模型入圖6所示。

通過RTS/CTS和載波監(jiān)聽機(jī)制，CSMA/CA進(jìn)一步減少了報(bào)文沖突的概率。如果應(yīng)用于多跳的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，由于存在隱藏終端和暴露終端等問題，網(wǎng)絡(luò)性能提高不明顯，因此，Ad Hoc必須引入更為復(fù)雜準(zhǔn)確的控制機(jī)制解決隱藏終端和暴露終端問題。

IEEE 802.11p的MAC協(xié)議中最典型的媒體訪問控制機(jī)制是EDCA協(xié)議。EDCA方式是基于DCF的信道接入?yún)f(xié)議改進(jìn)的，繼承了包括四握手機(jī)制、

圖6 EDCA實(shí)現(xiàn)參考模型

載波檢測機(jī)制、幀間間隔協(xié)調(diào)控制，以及隨機(jī)退避規(guī)程的核心機(jī)制。于此同時(shí)，EDCA的核心在于每一個(gè)信道訪問類型單獨(dú)采用時(shí)間競爭窗口退避機(jī)制來競爭對無線信道的使用權(quán)，但是不同的信道訪問類型具有不同的參數(shù)，包括幀間隔、最大競爭窗口、最小競爭窗口等。EDCA協(xié)議基本解決了隱藏終端和暴露終端問題，可以預(yù)防信息交互過程共享信道中數(shù)據(jù)包的沖突問題，但是也存在缺陷。

3 結(jié)束語

雖然各國DSRC標(biāo)準(zhǔn)對于DSRC應(yīng)用列舉了很多種類，但真正要實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用，推廣普及DSRC技術(shù)，形成國際統(tǒng)一的DSRC標(biāo)準(zhǔn)，筆者認(rèn)為至少還有如下問題有待解決：車載單元與其他車載設(shè)備接口問題；安全保密問題；路邊RSUs布置；組網(wǎng)問題。

DSRC是無線通信技術(shù)在交通領(lǐng)域的典型應(yīng)用，為解決高速公路收費(fèi)、提高交通系統(tǒng)運(yùn)行效率及安全方面具有前瞻性意義。但是DRSC技術(shù)在我國目前應(yīng)用還不是非常廣泛，針對DSRC技術(shù)的研究會(huì)促使其在未來交通系統(tǒng)中占有舉足輕重的地位，作者也會(huì)密切關(guān)注。

[1] Rahman KaziAtiqur, Cross-Layer Treatment of Mobility for Manets and Dsrc/Wave Systems,LAP Lambert Academic Publishing.

The Principle and Application of DSRC Wireless Communication Mode

Zhang Shuqiao
(Beijing OET Spectrum Institute, Beijing, 100037)

DSRC wireless communication mode has very broad application prospects and the necessity in the transportation area in the future. This paper expounds the principle and typical application of DSRC.

DSRC; channel access; traffic application

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.09.012

TN 924

A

1672-7274（2014）09-0043-03

張書僑，男，1987年生，碩士，主要從事無線電監(jiān)測工作。