典型車聯(lián)網(wǎng)基本安全消息機(jī)制分析

馬佳榮，王潤(rùn)民，張晉崇，張志恒

（1. 西安文理學(xué)院 信息工程學(xué)院，西安 710065；2. 長(zhǎng)安大學(xué) 車聯(lián)網(wǎng)教育部-中國(guó)移動(dòng)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，西安 710061；3. 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；4. 空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，西安 710043）

基本安全消息[1]（Basic Safety Message，BSM）是在車聯(lián)網(wǎng)與智能網(wǎng)聯(lián)汽車應(yīng)用中，基于無(wú)線通信按固定周期向外部車輛或路側(cè)感知設(shè)備傳播車輛基本參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)的一種消息。目前，多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組織均給出了BSM的定義：美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)（Society of Automotive Engineers，SAE）定 義 車聯(lián)網(wǎng)BSM為一種綜合考慮車輛狀態(tài)，在車輛間進(jìn)行交換的、用于多種應(yīng)用的、描述車輛狀態(tài)的安全數(shù)據(jù)。這一數(shù)據(jù)類型周期性地向鄰居車輛發(fā)送包含有安全應(yīng)用及其他應(yīng)用所需的數(shù)據(jù)。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）將BSM定義為合作式感知消息[2]（Cooperative Awareness Message，CAM），是借助周期性發(fā)送數(shù)據(jù)包以幫助道路使用者和路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施感知彼此的一種消息類型。中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)（China Society of Automotive Engineers，China-SAE）標(biāo)準(zhǔn)中的車輛基本安全消息被定義為，一個(gè)使用最廣泛的應(yīng)用層消息，用來(lái)在車輛之間交換安全狀態(tài)數(shù)據(jù)。

車輛通過(guò)對(duì)BSM進(jìn)行廣播，將自身的實(shí)時(shí)狀態(tài)告知周圍車輛，以此支持一系列系統(tǒng)安全等應(yīng)用。如圖1所示，作為一個(gè)典型的前向碰撞預(yù)警（Forward Collision Warning，F(xiàn)CW）場(chǎng)景，當(dāng)主車（Host Vehicle，HV）在車道上行駛，與在正前方同一車道的遠(yuǎn)車（RV-1）或在相鄰車道進(jìn)行變道行駛的遠(yuǎn)車（RV-2）存在追尾碰撞危險(xiǎn)時(shí)，RV-2可借助BSM將當(dāng)前行駛狀態(tài)告知HV、RV-1和路側(cè)設(shè)備（Road Side Unit，RSU），提示HV進(jìn)行減速或變道行駛操作，提示RV-1進(jìn)行加速或變道行駛操作，以避免三車發(fā)生連續(xù)碰撞。RSU對(duì)BSM中的數(shù)據(jù)可進(jìn)行進(jìn)一步的廣播和上傳處理。BSM的生成和傳遞一般采取周期性的、單跳點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)廣播方式。

圖1 前向碰撞預(yù)警場(chǎng)景

對(duì)于車聯(lián)網(wǎng)與智能網(wǎng)聯(lián)汽車安全應(yīng)用而言，為了避免發(fā)生車輛碰撞等事故，需要車輛獲取實(shí)時(shí)性更高、準(zhǔn)確性更強(qiáng)的鄰居車輛狀態(tài)信息，這需要利用較高的BSM生成和傳遞頻率。然而，為保證不造成車聯(lián)網(wǎng)信道擁堵，BSM生成和傳遞頻率應(yīng)保持在適當(dāng)較低的水平。因此，制定完善的BSM生成傳播機(jī)制是車聯(lián)網(wǎng)與智能網(wǎng)聯(lián)汽車安全應(yīng)用研究和部署過(guò)程中的首要環(huán)節(jié)，以保證BSM消息能滿足各項(xiàng)車聯(lián)網(wǎng)與智能網(wǎng)聯(lián)汽車的應(yīng)用需求。

為解決上述問(wèn)題，美國(guó)、歐洲和中國(guó)等多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)化組織，在構(gòu)建的車聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)基礎(chǔ)上，開展了一系列關(guān)于BSM消息的標(biāo)準(zhǔn)化工作，對(duì)BSM消息集進(jìn)行了定義，并根據(jù)不同應(yīng)用進(jìn)行了相應(yīng)的需求分析。2016年，SAE發(fā)布了專用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）消息最小性能需求——車輛安全應(yīng)用中的基本安全消息標(biāo)準(zhǔn)SAE J2945.1[3]，給出了BSM消息的推薦使用規(guī)則。同年，SAE發(fā)布了基于5.9 GHz DSRC的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用消息集標(biāo)準(zhǔn)SAE J2735[4]，明確了最終的消息結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)幀和數(shù)據(jù)元素。2014年，歐洲ETSI組織發(fā)布了ETSI TS 102 894-2[5]標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)智能交通系統(tǒng)應(yīng)用層、設(shè)備層的通用數(shù)據(jù)集進(jìn)行了定義，在此基礎(chǔ)上，2018年，ETSI發(fā)布了ETSI EN 302 637-2標(biāo)準(zhǔn)草案，給出了CAM的推薦發(fā)送機(jī)制和數(shù)據(jù)格式。2017年，China-SAE發(fā)布了車用通信系統(tǒng)應(yīng)用層及應(yīng)用數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)T/CSAE 53—2017[6]，明確了車用通信系統(tǒng)的應(yīng)用類型，定義了BSM數(shù)據(jù)集、數(shù)據(jù)幀、數(shù)據(jù)元素和對(duì)應(yīng)的服務(wù)接口。

上述有關(guān)BSM的標(biāo)準(zhǔn)因不同國(guó)家/地區(qū)政策以及所選的不同通信技術(shù)呈現(xiàn)出一定程度的差異。本文通過(guò)對(duì)幾種典型的車聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議進(jìn)行介紹，對(duì)不同車聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)下的底層框架和現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了梳理。然后，就不同地區(qū)的研究組織對(duì)車聯(lián)網(wǎng)頻段、信道的具體劃分進(jìn)行了明確。在給出了BSM消息定義的基礎(chǔ)上，對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)中的BSM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)剖析，并在網(wǎng)絡(luò)層和接入層層面上分析了BSM機(jī)制中涉及的兩個(gè)重要傳輸參數(shù)和當(dāng)前BSM發(fā)送機(jī)制的研究現(xiàn)狀。最后，圍繞車聯(lián)網(wǎng)BSM機(jī)制中涉及的發(fā)送頻率、發(fā)送功率參數(shù)設(shè)定和基于交通感知的動(dòng)態(tài)車聯(lián)網(wǎng)BSM動(dòng)態(tài)生成及傳播機(jī)制的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了討論和分析。相關(guān)研究成果可以支撐面向交通感知的BSM生成及傳播機(jī)制的進(jìn)一步研究。

1 典型車聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議

1.1 基于802.11p的DRSC通信協(xié)議

1.1.1 WAVE車聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議

1999年，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC）提議將5.9 GHz頻譜處的75 MHz專門用于支持高速移動(dòng)環(huán)境中車輛與車輛（Vehicle to Vehicle，V2V）、車輛與路側(cè)設(shè)備（Vehicle to Infrastructure，V2I）間的通信。2010年7月，美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）在802.11a協(xié)議的基礎(chǔ)上，率先發(fā)布了車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的底層協(xié)議802.11p[7]。隨后，IEEE相繼發(fā)布了IEEE 1609.2、IEEE 1609.3、IEEE 1609.4[8]系列標(biāo)準(zhǔn)，定義了MAC層以上的高層通信協(xié)議棧，并就此搭建了5.9 GHz頻譜處DSRC/WAVE的標(biāo)準(zhǔn)體系框架[9]。WAVE體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 WAVE體系結(jié)構(gòu)

1.1.2 ITS-G5車聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議

在IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，2010年，ETSI發(fā)布了其在5 GHz頻段上的智能交通系統(tǒng)物理層和MAC層標(biāo)準(zhǔn)，定義了其基于802.11p框架下的ITS-G5協(xié)議棧框架，并對(duì)其通用需求進(jìn)行了解釋[10]。同年9月，給出了智能交通系統(tǒng)體系框架標(biāo)準(zhǔn)，明確了智能交通系統(tǒng)通信架構(gòu)[11]（Communications for Intelligent Transport Systems，ITSC）。2014年，發(fā)布了智能交通系統(tǒng)應(yīng)用層、設(shè)備層的通用數(shù)據(jù)集，并明確了系統(tǒng)中的應(yīng)用需求。ITS-G5協(xié)議棧體系架構(gòu)如圖3所示。

圖3 ITS-G5協(xié)議棧體系架構(gòu)

1.1.3 日本DSRC通信協(xié)議

日本的DSRC體系與美國(guó)相似，1997年，日本無(wú)線工業(yè)及商貿(mào)聯(lián)合會(huì)（Association of Radio Industries and Businesses，ARIB）發(fā)布了面向交通信息和控制系統(tǒng)的DSRC標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)選取開放系統(tǒng)互聯(lián)基本參考模型[12]（Open Systems Interconnection Basic Reference Model，OSI/RM）中的物理層L1、數(shù)據(jù)鏈路層L2和應(yīng)用層L7，搭建了DSRC的基本通信框架，并將L3、L4、L5、L6層的功能在L7層中進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化整合。2001年發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)則對(duì)DSRC系統(tǒng)中不同設(shè)備間的無(wú)線空中接口參數(shù)進(jìn)行了定義和明確。

1.2 基于蜂窩通信的C-V2X通信協(xié)議

移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展使車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)超大帶寬、低延時(shí)可靠通信、移動(dòng)終端海量連接成為可能。自2015年以來(lái)，國(guó)際通信標(biāo)準(zhǔn)組織（the 3rd Generation Partnership Project，3GPP）相繼推出了包含有長(zhǎng)期演進(jìn)-車聯(lián)網(wǎng)（LTE-V2X）和5G-V2X的C-V2X技術(shù)。在完成基于LTE PC5接口的V2V（PC5-Based V2V）的標(biāo)準(zhǔn)化工作和基于LTE Uu 接口的V2X的標(biāo)準(zhǔn)化工作的基礎(chǔ)上，3GPP無(wú)線電接入網(wǎng)（Radio Access Network，RAN）組織于2017年3月凍結(jié)了3GPP LTE Rel-14[13]的V2X標(biāo)準(zhǔn)化工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)基于LTE技術(shù)，并滿足LTE-V2X基本業(yè)務(wù)需求的RAN物理層標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)。

3GPP LTE Rel-14主要針對(duì)的是現(xiàn)階段輔助駕駛的應(yīng)用需求。針對(duì)未來(lái)自動(dòng)駕駛的應(yīng)用需求，3GPP組織自2016年逐步推進(jìn)了一系列關(guān)于5G-V2X的標(biāo)準(zhǔn)化工作。2018年6月，3GPP RAN組織完成了面向5G-V2X應(yīng)用用例的評(píng)估方法研究，并對(duì)評(píng)估場(chǎng)景進(jìn)行定義，明確了6 GHz以上的Sidelink信道模型。同年，啟動(dòng)了“基于5G新空口（NR）的V2X（Rel-16）”工作，旨在通過(guò)增強(qiáng)多進(jìn)多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）使毫米波頻段的有效性得到提高，同時(shí)，3GPP Rel-16針對(duì)NR Sidelink的物理層架構(gòu)、傳播方式、同步機(jī)制進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并根據(jù)NR Uu接口對(duì)5G-V2X應(yīng)用的適用情況進(jìn)行了增強(qiáng)。此外，對(duì)無(wú)線接入技術(shù)的選擇機(jī)制進(jìn)行了明確，并給出了空口服務(wù)質(zhì)量管理技術(shù)方案。

在中國(guó)，隨著4G/5G蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模鋪設(shè)，中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）、中國(guó)智能交通產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（C-ITS）和China-SAE等組織積極開展了LET-V端到端的標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建工作。2017年，China-SAE發(fā)布了車用通信系統(tǒng)應(yīng)用層及應(yīng)用數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)，參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的通信系統(tǒng)七層參考模型和美國(guó)、歐洲主流的車用通信系統(tǒng)架構(gòu)，中國(guó)車用通信系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)應(yīng)用、應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。通過(guò)向下制定與不同通信設(shè)備對(duì)接的服務(wù)提供接口（SPI），該標(biāo)準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)對(duì)包含有DRSC和3GPP LTE-V2X等不同通信方式和多種通信設(shè)備的兼容。China-SAE數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)的通信技術(shù)兼容范疇說(shuō)明如圖4所示。

圖4 China-SAE標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議兼容范疇

2019年7月，歐盟正式發(fā)布聲明，否決了此前由歐盟委員會(huì)提出的指定DSRC為未來(lái)車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的方案。2020年，ETSI獲批的最新標(biāo)準(zhǔn)EN將C-V2X作為智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transport System，ITS）終端的接入層技術(shù)。與此同時(shí)，通過(guò)對(duì)接入層之上的全部ETSI標(biāo)準(zhǔn)系列和規(guī)范進(jìn)行更新，當(dāng)前所有ETSI標(biāo)準(zhǔn)均可支持基于C-V2X技術(shù)的接入層協(xié)議。上述標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范目前已形成ETSI ITS Release1規(guī)范集，是幫助行業(yè)相關(guān)廠商未來(lái)開發(fā)C-V2X ITS解決方案和終端的基礎(chǔ)。

此外，2019年12月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC）通過(guò)了重新分配5.9 GHz頻譜的提案，并將其中20 MHz頻段專用于C-V2X技術(shù)。

1.3 車聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議特性對(duì)比

基于目前國(guó)際上主流車聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議分析結(jié)果可以認(rèn)為，目前世界上主流車聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議基本上是以IEEE主導(dǎo)的IEEE 802.11P為核心的DSRC和3GPP 發(fā)起制定的以LTE-V和未來(lái)5G NR為主的C-V2X。本節(jié)主要對(duì)上述兩種通信協(xié)議特征進(jìn)行對(duì)比。

表1 典型車聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議特征對(duì)比

如表1所示，C-V2X技術(shù)[14]與802.11p技術(shù)[15]相比，主要差異表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，兩者通信方式不同，802.11p技術(shù)采用的是異步通信，C-V2X技術(shù)則使用同步通信，由于同步通信具有較低的信道訪問(wèn)開銷，因此，C-V2X技術(shù)具有更高的頻譜效率；其次，相比802.11p技術(shù)，C-V2X技術(shù)在跨車輛的資源多路復(fù)用技術(shù)中，可靈活使用頻分 復(fù) 用（Frequency Division Multiplexing，F(xiàn)DM）和時(shí)分復(fù)用（Time Division Multiplexing，TDM）兩種方式，在相同范圍內(nèi)具備更多的鏈路預(yù)算；再次，C-V2X技術(shù)使用Turbo編碼并在上行鏈路中使用單載波頻分多址（SC-FDM）技術(shù)，有效地提高了頻譜的利用率和速率；最后，C-V2X技術(shù)支持混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求（Hybrid Automatic Repeat Request，HARQ）的重傳機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)更遠(yuǎn)距離的傳輸[16]。

1.4 國(guó)際車聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展分析

目前，世界上多個(gè)國(guó)家或地區(qū)的政府或標(biāo)準(zhǔn)化組織圍繞IEEE 802.11p和LTE-V制定了關(guān)于所在區(qū)域內(nèi)的車聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)體系，見表2。由表2可知，無(wú)論是IEEE 802.11p還是C-V2X技術(shù)，目前均已完成了階段性的技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)化制定。

表2 主流車聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)匯總

DSRC作為車聯(lián)網(wǎng)的主流通信技術(shù)得到眾多關(guān)注和發(fā)展。然而，由于DSRC依賴較大基礎(chǔ)設(shè)施的部署數(shù)量，致使系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行成本顯著增加。同時(shí)，DSRC物理層存在異步通信的固有缺陷，且針對(duì)物理層的改進(jìn)方案一直未出現(xiàn)較為明確的演進(jìn)方向，車聯(lián)網(wǎng)與智能網(wǎng)聯(lián)汽車安全應(yīng)用的及時(shí)性遭遇極大挑戰(zhàn)。此外，車聯(lián)網(wǎng)與智能網(wǎng)聯(lián)汽車應(yīng)用呈現(xiàn)多樣化和復(fù)雜化，DSRC技術(shù)難以滿足其對(duì)魯棒性和可靠性的要求。考慮到移動(dòng)通信技術(shù)的超大覆蓋范圍和穩(wěn)定的通信質(zhì)量，以及其明確的演進(jìn)路線，利用蜂窩通信技術(shù)支持車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用完成數(shù)據(jù)交互的趨勢(shì)愈發(fā)明確。因此，C-V2X技術(shù)得到越來(lái)越多的國(guó)家和地區(qū)，以及標(biāo)準(zhǔn)化組織的青睞，并在全球范圍內(nèi)形成一系列的標(biāo)準(zhǔn)成果。

盡管相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作、測(cè)試試驗(yàn)已陸續(xù)開展并取得一定成果，綜合當(dāng)前實(shí)際的產(chǎn)業(yè)進(jìn)展情況，實(shí)現(xiàn)全面的基于5G–V2X技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)及智能網(wǎng)聯(lián)汽車應(yīng)用仍需要一定的時(shí)間?，F(xiàn)階段LTE-V2X主要關(guān)注基礎(chǔ)V2X業(yè)務(wù)，NR-V2X更多作為補(bǔ)充技術(shù)出現(xiàn)。

2 車聯(lián)網(wǎng)載波頻段和信道劃分

2.1 載波頻段

在發(fā)展電子收費(fèi)系統(tǒng)（Electronic Toll Collection，ETC）技術(shù)的過(guò)程中，美國(guó)、日本、歐洲相繼為車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)分配了相應(yīng)的工作頻段，其中，美國(guó)選擇了5.9 GHz，日本、歐洲選擇了5.8 GHz。1999年，美國(guó)FCC將5 850～5 925 MHz頻段用于基于DSRC的智能交通業(yè)務(wù)，其中，5 850～5 855 MHz的5 MHz是預(yù)留的保護(hù)頻段，余下的5 855～5 925 MHz頻段根據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行平均分配。

20世紀(jì)90年代末，日本將5 770～5 850 MHz頻段劃分給DSRC，用于車輛信息與通信系統(tǒng)（Vehicle Information and Communication System，VICS）和ETC。2012年，ARIB發(fā) 布 的《700MHz Band Intelligent Transport Systems》規(guī)范中則將755.5～764.5 MHz頻段規(guī)劃給ITS的道路安全應(yīng)用業(yè)務(wù)。

歐洲ETSI根據(jù)不同的應(yīng)用需求，對(duì)5 GHz頻段上的ITS系統(tǒng)無(wú)線電頻譜資源進(jìn)行了重新分配，其中，ITS-G5A（5.875～5.905 GHz）主要面向安全相關(guān)應(yīng)用，ITS-G5B（5.855～5.875 GHz）主要面向非安全相關(guān)應(yīng)用，ITS-G5C（5.470～5.725 GHz）主要面向使用其他通信技術(shù)（BRAN，WLAN）的應(yīng)用。此外，ETSI還預(yù)留5.905～5.925 GHz以滿足未來(lái)ITS應(yīng)用的需求。

2013年，中國(guó)工業(yè)和信息化部發(fā)布的《關(guān)于調(diào)整5 725-5 850兆赫茲頻段頻率使用事宜的公示》中，將5 725～5 850 MHz頻段規(guī)劃為寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)、智能交通專用無(wú)線通信系統(tǒng)（包括ETC等）、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)及通用微功率（短距離）無(wú)線電發(fā)射設(shè)備等無(wú)線電臺(tái)站的使用頻段。2018年，中國(guó)工業(yè)和信息化部出臺(tái)《車聯(lián)網(wǎng)直接通信使用5 905～5 925 MHz的管理規(guī)定》，明確規(guī)劃5.9 GHz 頻段作為基于LTE的C-V2X技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)（智能網(wǎng)聯(lián)汽車）直連通信的工作頻段[17]。各國(guó)車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)頻段如圖5所示。

圖5 各個(gè)國(guó)家和地區(qū)車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)頻段

此外，2019年12月12日，F(xiàn)CC宣布重新分配了原本劃分給DSRC的75 MHz無(wú)線電頻譜資源——最下層的45 MHz（5.850～5.895 GHz）劃撥給非授權(quán)技術(shù)使用，并向全社會(huì)開放；上層的30 MHz（5.895～5.925 GHz）將保留專用于運(yùn)輸和車輛安全，特別是其中的20 MHz（5.905～5.925 GHz），被劃分為基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（Cellular Vehicle to Everything，C-V2X）的專用頻段。

2.2 信道劃分

美國(guó)將5 855～5 925 MHz頻段劃分成了7個(gè)10 MHz信道，包括1個(gè)控制信道（Control Channel，CCH）、2個(gè)安全服務(wù)信道（Service Channel，SCH）和4個(gè)非安全服務(wù)信道。其中，控制信道用于傳輸服務(wù)聲明信息和其他WAVE協(xié)議中的控制信息，服務(wù)信道則用于交換ITS應(yīng)用相關(guān)信息。編號(hào)174、176的非安全服務(wù)信道可合并編號(hào)為175的20 MHz服務(wù)信道，編號(hào)180、182的非安全服務(wù)信道可合并編號(hào)為181的服務(wù)信道。對(duì)BSM而言，由于其采用WSMP封包格式，所以對(duì)部分應(yīng)用程序而言，能夠在不注冊(cè)服務(wù)的情況下，使WSMP在所有控制信道和服務(wù)信道上完成發(fā)送任務(wù)。美國(guó)信道分布及編號(hào)如圖6所示。

圖6 美國(guó)信道分布及編號(hào)

歐洲ETSI組織在對(duì)信道進(jìn)行分配時(shí)，同樣將其分為1個(gè)控制信道（ITS-G5 Control Channel，G5CC）和5個(gè)服務(wù)信道（ITS-G5 Serbice Channel，G5SC），5個(gè)服務(wù)信道中有4個(gè)信道固定，剩余1個(gè)信道頻段可變。與此同時(shí)，在使用上述6個(gè)信道時(shí)，需要遵循3個(gè)使用方案：一是G5CC應(yīng)用于保證道路安全和提升交通效率，或用于為G5SC1至G5SC5信道上的ITS應(yīng)用提供服務(wù)聲明；二是G5SC1和G5SC2應(yīng)用于保證道路安全和提升交通效率；三是其他ITS應(yīng)用主要使用G5SC3、G5SC4和G5SC5。歐洲信道分布情況及編號(hào)見表3。

表3 歐洲信道分布及編號(hào)

中國(guó)當(dāng)前對(duì)5 905～5 925 MHz頻段內(nèi)的信道劃分還未給出官方說(shuō)明。就國(guó)內(nèi)目前已開展的基于5.9 GHz DSRC技術(shù)而言，其信道劃分主要參照的是美國(guó)802.11p標(biāo)準(zhǔn)。

3 基本安全消息結(jié)構(gòu)與傳播機(jī)制

3.1 基本安全消息數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

3.1.1 SAE J2735標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

根據(jù)SAE J2735標(biāo)準(zhǔn)，消息由數(shù)據(jù)幀和數(shù)據(jù)元素構(gòu)成。對(duì)BSM消息而言，主要包括BSM Part1和BSM Part2兩部分?jǐn)?shù)據(jù)幀。BSM Part1數(shù)據(jù)幀內(nèi)寫入的是coredata，每個(gè)BSM消息中都必須包含有BSM Part1數(shù)據(jù)；BSM Part2數(shù)據(jù)作為非必需數(shù)據(jù)幀，可根據(jù)不同應(yīng)用需求和不同政策插入多個(gè)包含不同內(nèi)容的數(shù)據(jù)幀，不包含BSM Part2數(shù)據(jù)的BSM仍被認(rèn)為是合法消息。SAE BSM消息框架如圖7所示。

圖7 SAE BSM消息框架

作為SAE J2735標(biāo)準(zhǔn)中最重要的一種消息類型，BSM消息的BSM Part1數(shù)據(jù)幀需要準(zhǔn)確寫入包含有車輛位置、速度的動(dòng)態(tài)信息，并通過(guò)提供系統(tǒng)的狀態(tài)信息，為多種車間安全應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。BSM Part1包含的數(shù)據(jù)元素如圖6所示。考慮到BSM消息對(duì)帶寬消耗極為敏感，因此，除消息ID之外，其中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)元素不單獨(dú)進(jìn)行遞歸編碼。BSM Part1數(shù)據(jù)共39個(gè)字節(jié)。

相比BSM Part1數(shù)據(jù)，BSM Part2數(shù)據(jù)更具有靈活性，這主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：一是總體上對(duì)數(shù)據(jù)的刷新頻率要求比BSM Part1數(shù)據(jù)更低；二是對(duì)由新型傳感器和新應(yīng)用產(chǎn)生的新的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)具有更強(qiáng)的適用能力；三是可添加多種自定義消息。尤其是，在安全應(yīng)用領(lǐng)域使用頻率最高的BSM Part2數(shù)據(jù)元素有4種，分別是：報(bào)告事件觸發(fā)的標(biāo)識(shí)元素EventFlags、報(bào)告車輛節(jié)點(diǎn)路徑歷史的數(shù)據(jù)元素PathHistory、預(yù)估車輛節(jié)點(diǎn)路徑的數(shù)據(jù)元素PathPrediction和以RTCM格式傳輸?shù)腉PS更正數(shù)據(jù)元素RTCMPackage。上述4種數(shù)據(jù)元素構(gòu)成了BSM Part2數(shù)據(jù)幀VehicleSafetyExtension。

3.1.2 ETSI EN 302 637標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

參照ETSI EN 302 637標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)CAM消息的生成設(shè)備為車輛節(jié)點(diǎn)時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式包括1個(gè)協(xié)議數(shù)據(jù)單元ITS PDU Header、1個(gè)基礎(chǔ)容器Basic Container、多個(gè)高頻容器HF Container、多個(gè)低頻容器LF Container和附加容器，如圖8所示。ITS PDU Header寫入?yún)f(xié)議版本、消息類型和設(shè)備ID信息；Basic Container寫入包含設(shè)備類型、設(shè)備所屬區(qū)域等設(shè)備基礎(chǔ)信息；HF Container寫入動(dòng)態(tài)變化的數(shù)據(jù)信息；LF Container寫入靜態(tài)數(shù)據(jù)信息；附加容器寫入其他信息，如特定用途車輛的角色信息等。ETSI CAM消息結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 ETSI CAM消息結(jié)構(gòu)

同樣的，對(duì)1個(gè)CAM消息而言，ITS PDU Header和其他所有容器是構(gòu)成消息的基本數(shù)據(jù)幀，每個(gè)數(shù)據(jù)幀又根據(jù)不同需求寫入不同數(shù)據(jù)元素。ITS PDU Header、Basic Container和HF Container為必需的數(shù)據(jù)幀，LF Container和附加容器根據(jù)不同內(nèi)容選擇性寫入。

3.1.3 China-SAE標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

China-SAE遵循“消息集-數(shù)據(jù)幀-數(shù)據(jù)元素”層層嵌套的邏輯對(duì)應(yīng)用層數(shù)據(jù)集進(jìn)行定義。作為一種最基本的消息體，China-SAE中BSM對(duì)SAE中的BSM Part1數(shù)據(jù)幀進(jìn)行了參考和補(bǔ)充。相比BSM Part1數(shù)據(jù)幀，China-SAE中BSM的主要變化在于：（1）對(duì)車輛ID信息的位數(shù)進(jìn)行了擴(kuò)展，使其能適應(yīng)車輛的電子標(biāo)簽位數(shù)。（2）將描述區(qū)域信息的數(shù)據(jù)元素lat和long合并為3D位置信息數(shù)據(jù)元素pos，將描述區(qū)域信息準(zhǔn)確程度的數(shù)據(jù)元素elev和accuracy合并為單一數(shù)據(jù)元素accuracy。（3）變更描述轉(zhuǎn)向角度的數(shù)據(jù)元素angle為非必需數(shù)據(jù)元素。（4）增加了描述車輛類型的數(shù)據(jù)元素VehicleClass、描述車輛運(yùn)動(dòng)置信集的非必需數(shù)據(jù)元素motionCfd和擴(kuò)展數(shù)據(jù)元素safeExt。China-SAE BSM消息結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 China-SAE BSM消息結(jié)構(gòu)

3.2 基本安全消息發(fā)送機(jī)制

基本安全消息機(jī)制的研究主要圍繞BSM的發(fā)送頻率和發(fā)送功率兩方面進(jìn)行。目前，不同的標(biāo)準(zhǔn)體系針對(duì)這兩個(gè)參數(shù)給出了推薦的參數(shù)范圍。

3.2.1 BSM消息發(fā)送頻率

BSM消息的發(fā)送頻率是影響信道負(fù)載和應(yīng)用性能的關(guān)鍵因素。BSM消息的設(shè)計(jì)邏輯依據(jù)的是WAVE短消息協(xié)議[18]（WAVE Short Message Protocol，WSMP），根據(jù)IEEE 1609.3標(biāo)準(zhǔn)的定義，利用WSMP封包進(jìn)行信息交換時(shí)，不使用相對(duì)更具穩(wěn)固性的傳輸機(jī)制，如傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP），而是由上層應(yīng)用自行決定其傳輸機(jī)制，這使BSM消息的發(fā)送頻率機(jī)制呈現(xiàn)靈活化和多樣化。對(duì)與安全相關(guān)的應(yīng)用而言，SAE J2935標(biāo)準(zhǔn)中推薦以10 Hz作為BSM中VehicleSafetyExtension數(shù)據(jù)幀的傳輸頻率，同時(shí)，從數(shù)據(jù)的時(shí)效性出發(fā)，規(guī)定BSM Part1數(shù)據(jù)幀具有更高的發(fā)送頻率。

根據(jù)ETSI標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)同感知基礎(chǔ)服務(wù)提供者（CA Basic Service設(shè)備）根據(jù)ITS基站（ITS Station，ITS-S）不同的角色管理具體BSM的發(fā)送頻率。當(dāng)發(fā)送基站為車輛節(jié)點(diǎn)（Vehicle ITS-Ss）時(shí)，其BSM的最小生成間隔T_GenCamMin應(yīng)大于100 ms，最大生成間隔T_GenCamMax應(yīng)小于1 000 ms，即BSM的發(fā)送頻率應(yīng)在1～10 Hz之間。對(duì)發(fā)送基站為路側(cè)設(shè)備（RSU ITS-Ss）時(shí)，其BSM的生成間隔T_GenCamMin應(yīng)保證通信設(shè)備至少能接受到1個(gè)發(fā)送的BSM即可，此值一般大于等于1 000 ms。在上述BSM發(fā)送頻率范圍內(nèi)，CA基礎(chǔ)服務(wù)提供者根據(jù)ITS-S請(qǐng)求并對(duì)信道擁堵狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估后即可觸發(fā)BSM的生成。如果ITS-S基站長(zhǎng)時(shí)間不發(fā)出請(qǐng)求，其BSM生成間隔將維持在一個(gè)固定的頻率T_CheckCamGen，該值小于等于T_GenCamMin，以此進(jìn)行系統(tǒng)的低功率運(yùn)行。

目前，中國(guó)相關(guān)車聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化組織尚未指定BSM消息的底層通信技術(shù)。考慮到BSM定義的功能，即用來(lái)在車輛之間交換安全狀態(tài)數(shù)據(jù)，本文引用2018年China-SAE發(fā)布的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CASE 100《車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集要求》，對(duì)其中數(shù)據(jù)采集頻率的內(nèi)容進(jìn)行介紹。T/CASE 100確定了車載設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)的采集周期、編碼規(guī)則的一般原則，并將設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集分為周期性采集和事件觸發(fā)性采集，其中，周期性采集又分為采集周期最大不大于1 s的高頻采集和采集周期最小不小于15 s的低頻采集。事件性觸發(fā)采集未對(duì)事件類型進(jìn)行明確。

3.2.2 BSM消息EIRP值

根據(jù)3.2節(jié)，SAE和ETSI組織發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)中均要求利用控制信道傳遞BSM消息，即主要傳遞ITS應(yīng)用的服務(wù)聲明信息，同時(shí)，還可以看到，控制信道的EIRP值均大于或等于其他信道的EIRP值，SAE標(biāo)準(zhǔn)中為44.8 dBm，ETSI標(biāo)準(zhǔn)中為33 dBm，這一要求是保證控制信道上傳遞的安全聲明消息能夠在保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的前提下，具備傳遞更遠(yuǎn)距離的能力。在中國(guó)，根據(jù)《車聯(lián)網(wǎng)（智能網(wǎng)聯(lián)汽車）直連通信無(wú)線電設(shè)備技術(shù)要求》，在5 905～5 925 MHz工作頻率范圍內(nèi)，車載或便攜無(wú)線電設(shè)備的EIRP值為26 dBm，路邊無(wú)線電設(shè)備為29 dBm。

3.2.3 BSM發(fā)送機(jī)制研究分析

設(shè)計(jì)合理的BSM消息的結(jié)構(gòu)及發(fā)送機(jī)制需要解決幾個(gè)問(wèn)題：首先，BSM消息發(fā)送機(jī)制的標(biāo)準(zhǔn)化工作應(yīng)該基于標(biāo)準(zhǔn)的安全應(yīng)用，但安全應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化暫未完成，同時(shí)，安全應(yīng)用的性能等級(jí)對(duì)應(yīng)消息發(fā)送參數(shù)的轉(zhuǎn)化方案還沒(méi)有進(jìn)展；其次，最優(yōu)的消息發(fā)送機(jī)制勢(shì)必與通信信道的物理特性相關(guān)，現(xiàn)有通信技術(shù)中信道類型和特征種類過(guò)于繁多。

針對(duì)BSM傳播機(jī)制問(wèn)題，目前，相關(guān)科研機(jī)構(gòu)主要從應(yīng)用層層面對(duì)BSM消息機(jī)制進(jìn)行研究。SEPULCRE等[19]設(shè)計(jì)了一種依據(jù)不同應(yīng)用需求和實(shí)時(shí)信道負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)整BSM通信參數(shù)的自適應(yīng)方案。RAWASHDEH等[20]通過(guò)在周期性傳播的消息包中共享其最大容忍時(shí)長(zhǎng)和信道負(fù)載信息，設(shè)計(jì)了一種可調(diào)節(jié)發(fā)送頻率和發(fā)送功率的BSM廣播機(jī)制，以此提高網(wǎng)絡(luò)性能。章未哲[21]通過(guò)設(shè)計(jì)基于BSM的分布式密度估計(jì)算法和分布式功率控制算法，提出了一個(gè)基于局部車輛密度的功率自適應(yīng)調(diào)整方案。ROBINSON[22]設(shè)計(jì)了一種車輛同時(shí)多種應(yīng)用并行運(yùn)行場(chǎng)景下的BSM廣播方案，借助一個(gè)消息調(diào)度器幫助車輛避免在同時(shí)運(yùn)行多種應(yīng)用時(shí)重復(fù)發(fā)送不必要的BSM。當(dāng)不同應(yīng)用需要傳輸相同的數(shù)據(jù)元素，卻要使用不同的發(fā)送頻率時(shí)，消息調(diào)度器以滿足所有應(yīng)用需求的最低頻次生成消息包。

上述BSM機(jī)制研究成果中，文獻(xiàn)[19]～[21]中改進(jìn)方案的應(yīng)用場(chǎng)景均較為簡(jiǎn)單，對(duì)于復(fù)雜的車聯(lián)網(wǎng)及智能網(wǎng)聯(lián)汽車應(yīng)用場(chǎng)景而言適用性較差。文獻(xiàn)[22]中未考慮到不同車聯(lián)網(wǎng)及智能網(wǎng)聯(lián)汽車應(yīng)用對(duì)通信范圍、發(fā)送功率的不同需求。此外，多數(shù)BSM機(jī)制研究未涉及V2I和V2P通信技術(shù)。因此，在未來(lái)的研究中，有必要針對(duì)包含有安全、效率和服務(wù)等多種類型應(yīng)用的BSM機(jī)制進(jìn)行分析和改進(jìn)，并通過(guò)對(duì)不同交通狀態(tài)參數(shù)（如車流密度、車速）條件下的BSM機(jī)制的性能進(jìn)行研究，使其能夠適用于復(fù)雜多變的實(shí)際交通系統(tǒng)。

4 結(jié)論

移動(dòng)通信技術(shù)的逐步演進(jìn)和發(fā)展是構(gòu)建快速、高效車輛網(wǎng)聯(lián)環(huán)境的基石。在早期，以IEEE 802.11p為底層通信技術(shù)構(gòu)建的WAVE和ITS-G5通信架構(gòu)，幫助人們實(shí)現(xiàn)了多種簡(jiǎn)單車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，包括ETC、輔助駕駛和路況實(shí)時(shí)跟蹤等。隨著蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，借助C-V2X技術(shù)，以車聯(lián)網(wǎng)、車路協(xié)同、智能汽車為代表的前沿技術(shù)不斷涌現(xiàn)，為進(jìn)行全息交通信息感知、高精度及高實(shí)時(shí)性的交通管控提供了可能。對(duì)車聯(lián)網(wǎng)安全應(yīng)用而言，移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展有效保證了應(yīng)用的時(shí)效性。目前，多個(gè)國(guó)家和地區(qū)制定了車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中數(shù)據(jù)交互主體間的數(shù)據(jù)格式。同時(shí)，BSM消息的傳播機(jī)制亦經(jīng)歷了從基于拓?fù)湫畔?、地理信息，到基于交通感知技術(shù)的演進(jìn)過(guò)程?？紤]到BSM消息是安全應(yīng)用中使用范圍最廣的消息類型，本文對(duì)BSM機(jī)制展開了研究，對(duì)現(xiàn)行BSM機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)性的分析和總結(jié)。在介紹了不同標(biāo)準(zhǔn)體系下車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，從物理層、無(wú)線接入層和應(yīng)用層等多個(gè)層面，對(duì)BSM機(jī)制進(jìn)行了全方位的討論。對(duì)BSM消息機(jī)制而言，合理的消息機(jī)制不僅能提高車聯(lián)網(wǎng)安全應(yīng)用的準(zhǔn)確度，更能使系統(tǒng)維持較低的網(wǎng)絡(luò)損耗，因此，開展關(guān)于BSM消息機(jī)制中平衡應(yīng)用需求和網(wǎng)絡(luò)性能的研究將是未來(lái)的主要研究方向。同時(shí)，考慮到車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用復(fù)雜、多樣的使用場(chǎng)景，研究針對(duì)多個(gè)場(chǎng)景、多個(gè)應(yīng)用并行運(yùn)行時(shí)的BSM機(jī)制也將是必然的趨勢(shì)。此外，對(duì)車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的通信主體而言，傳播BSM消息需要考慮身份認(rèn)證、完整性、機(jī)密性、可用性和接入可控等多個(gè)方面的因素，以保證用戶的數(shù)據(jù)安全。