［劉文晶 劉巧］

1 引言

智能交通系統(tǒng)（Intelligent Traffic System，ITS）是近幾年受到廣泛關(guān)注的信息通信技術(shù)之一。該技術(shù)通過與現(xiàn)有技術(shù)集成，在提高行車安全性、可靠性、解決尾氣排放和交通擁堵等方面起著至關(guān)重要的作用。ITS 將各種信息和通信技術(shù)應用到運輸領(lǐng)域，使運輸更安全、更高效、更具有可持續(xù)性。車輛與外界的無線數(shù)據(jù)通信（Vehicle to Everything，V2X）是改善ITS 應用的技術(shù)之一，V2X 包含車輛與車輛（Vehicle-to-Vehicle，V2V）、車輛與基礎(chǔ)設(shè)施（Vehicle-to-Infrastructure，V2I）、車輛與行人（Vehicle-to-Pedestrian，V2P）、車輛與外部網(wǎng)絡(luò)（Vehicle-to-Network，V2N）等各種通信應用場景?；赩2V 通信車輛可實現(xiàn)前方碰撞預警、變道輔助、左轉(zhuǎn)輔助、協(xié)同式自適應巡航控制等，基于V2I 通信可實現(xiàn)速度建議、交通優(yōu)先權(quán)、路況預警、闖紅燈預警、當前天氣影響預警、停車位和充電樁尋位等應用；基于V2P 通信可實現(xiàn)弱勢道路使用者的預警和防護，基于V2N 通信可實現(xiàn)實時交通路線規(guī)劃、地圖更新等服務。車輛配備了短程無線通信技術(shù)，作為道路上的計算機節(jié)點，這被稱為車載自組網(wǎng)（VANET）技術(shù)，VANET 架構(gòu)示例如圖1 所示。

圖1 VANET 架構(gòu)示例

為了改善車輛通信網(wǎng)絡(luò)，世界各地發(fā)起了廣泛的研究熱潮。早在2004 年，IEEE 802.11 任務組p 就對802.11 標準進行了修訂，以增強802.11 支持VANET。該標準被稱為802.11p，它定義了VANET 的物理和介質(zhì)訪問控制層[1]。此外，IEEE 1609 工作組定義了IEEE 1609 protocol 系列，該系列基于802.11p 開發(fā)了更高層規(guī)范。該協(xié)議由4 個文檔組成：IEEE 1609.1、IEEE 1609.2、IEEE 1609.3 和 IEEE 1609.4。IEEE 1609 協(xié)議家族和802.11p 一起被稱為WAVE（Wireless Access in Vehicular Environment）標準。該系統(tǒng)架構(gòu)用于汽車無線通信[2]。

VANET 具有高遷移率、短通信周期、動態(tài)拓撲和帶寬有限等特點。VANET 中的通信基于事件驅(qū)動消息或周圍環(huán)境車輛之間交換的廣播消息進行。由于VANET 的特性和有限帶寬的特點，定期廣播消息會消耗整個可用帶寬，且緊急信息也需快速有效地傳播。因此，有必要優(yōu)先考慮重要和緊急消息的傳播，并使用服務質(zhì)量保證機制。IEEE 802.11p MAC 層以類似于IEEE 802.11e EDCA 函數(shù)的方式實現(xiàn)優(yōu)先級方案。本文接下來將對基于車輛環(huán)境無線接入（WAVE）和IEEE 802.11p 標準的車輛通信系統(tǒng)架構(gòu)進行分析，并在此基礎(chǔ)上對影響車輛安全通信的關(guān)鍵性能指標丟包率進行分析。

2 基于802.11p 和WAVE 標準的車輛通信

（1）物理層和MAC 層

WAVE 的物理層和MAC 層基于IEEE802.11p 標準。IEEE 802.11p 的物理層由5.9 GHz 頻段的7 個通道組成，類似于IEEE 802.11a 設(shè)計，但主要區(qū)別在于IEEE 802.11p為每個通道使用10 MHz 帶寬，而不是IEEE 802.11a 中的20 MHz 帶寬。802.11p 的物理層采用OFDM 技術(shù)，以提高數(shù)據(jù)傳輸速率，克服無線通信中的信號衰減。此外，IEEE 802.11p 的管理功能分別連接到物理層管理實體（PLME）和MAC 層管理實體（MLME）[3]。IEEE 802.11p 使用CSMA/CA 來減少沖突并提供對通道的公平訪問。WAVE 架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 WAVE 架構(gòu)

（2）多通道操作

IEEE 1609.4 是IEEE 1609 協(xié)議系列的標準之一，用于管理信道協(xié)調(diào)并支持MAC 業(yè)務數(shù)據(jù)單元交付。該標準描述了7 個通道，分別具有不同的功能和用途（6 個服務通道和一個控制通道）。此外，這些通道使用不同的頻率和發(fā)射功率。

IEEE 802.11p MAC 層是基于WAVE 架構(gòu)和802.11e EDCA 的多通道操作。EDCA 機制為每個通道定義了4 個不同的訪問類別（AC）。訪問類別由AC0-AC3 指示，每個類別都有一個獨立的隊列[4]。EDCA 機制通過為每個訪問類別分配不同的爭用參數(shù)來提供優(yōu)先級排序。AC3 具有訪問介質(zhì)的最高優(yōu)先級，而AC0 優(yōu)先級最低。根據(jù)消息的重要性，每個幀都被劃分為不同的訪問類別。在IEEE 802.11p MAC 層中，有6 個服務通道和一個控制通道，每個通道都有4 個不同的訪問類別。因此，在數(shù)據(jù)傳輸期間，有兩個爭用過程來訪問媒體。

①使用爭用參數(shù)（任意幀間空間（AIFS）和爭用窗口（CW））在其訪問類別之間的每個通道內(nèi)發(fā)生的內(nèi)部爭用過程。

②通道之間的爭用過程，用于訪問支持不同計時器設(shè)置的介質(zhì)，具體取決于內(nèi)部爭用過程。

邏輯鏈路控制（LLC）是WAVE 結(jié)構(gòu)的另一個元素，類似于OSI 層2 的上層子層。LLC 提供上層和下層之間的通信。

（3）網(wǎng)絡(luò)和傳輸層

IEEE 1609.3 定義了服務在網(wǎng)絡(luò)和傳輸層的操作。此外，它還提供車輛之間的無線連接，以及車輛到路邊設(shè)備的無線連接。WAVE 網(wǎng)絡(luò)服務的功能可以分為兩個方面。

①數(shù)據(jù)平面服務

傳輸網(wǎng)絡(luò)流量并支持IPV6 和WSMP 協(xié)議。WAVE 短消息協(xié)議（WSMP）提供了應用程序可以發(fā)送短消息以增加及時接收消息的可能性的能力。

②管理平面服務

其功能是配置和維護系統(tǒng)，例如：IPV6 配置、通道使用情況監(jiān)控和應用程序注冊。此服務稱為WAVE 管理實體（WME）。

（4）資源管理

IEEE1609.1 標準定義了一個被稱為資源管理器（RM）的WAVE 應用程序，它允許在路邊單元（RSU）和車載單元（OBU）上運行的應用程序之間進行通信。RM 駐留在OBU 或RSU 上。

（5）安全服務

IEEE1609.2 標準為WAVE 體系結(jié)構(gòu)和通過此體系結(jié)構(gòu)運行的應用程序定義了安全服務。該標準定義了安全消息的格式和處理方式。

3 性能分析

VANET中的仿真由交通仿真和網(wǎng)絡(luò)仿真兩部分構(gòu)成。交通仿真?zhèn)戎赜谲囕v移動性，并生成一個跟蹤文件，提供逼真的車輛運動。該跟蹤文件被反饋到網(wǎng)絡(luò)仿真器中，網(wǎng)絡(luò)仿真器定義了網(wǎng)絡(luò)仿真期間每輛車的靜止位置。然后，網(wǎng)絡(luò)仿真器實現(xiàn)VANET 協(xié)議并生成一個跟蹤文件，該文件準備有關(guān)場景中發(fā)生的事件完整信息。然后分析信息以評估VANET 中IEEE 802.11p 的性能指標。

基于IEEE 802.11p 的車輛安全通信由鄰里環(huán)形車輛之間的安全廣播消息組成。因此，IEEE 802.11p 的整體性能與廣播消息接收性能有關(guān)。為了驗證車速對車輛間廣播消息丟包率的影響，仿真選擇高速公路場景，如果高速路場景下，車輛間廣播消息丟包率不受車速影響，則市區(qū)的低速場景下，車輛間廣播消息丟包率必然能夠得到保證。

由于WAVE 廣播常用于緊急消息的分發(fā)，比如高速公路上事故或急救避讓情景，在這種情況下主要目的是把緊急消息廣播給同向車道的車輛節(jié)點，使得同向車輛能夠及時收取信息并作出減速或避讓反應。這里將仿真場景設(shè)置為一條1 500 m 長的高速公路，一個方向有3 條車道，九輛車在這3 條車道上行駛；車道的最大速度分別約為80，100 和120 km/ h；每條車道之間的距離為4 m。在場景中，警車在緊急情況，以150 km/ h 的速度與其他車輛相同方向行駛。救護車位于相距100 m 的其他汽車后面。警車每0.2 秒發(fā)送一條有效載荷為250 字節(jié)的外圍廣播消息，如圖3 所示。

圖3 仿真場景

圖3 顯示了在整個仿真過程中警車與車輛2、8 和10之間的距離。此外，在模擬時間內(nèi)，警車和這些車輛之間的丟包率如圖5 所示。圖3 中清楚地顯示，在模擬時間的54 秒后，警車和車輛8 之間沒有丟包。從圖4 可以看出，警車和車輛8 之間的距離在54 秒后小于135 m。如圖5所示，經(jīng)過38 m 的模擬，警車和車輛10 之間數(shù)據(jù)包丟失率降至0%。同時，圖4 表明，警車和車輛10 之間的距離在38 秒后小于135 m?？梢钥闯觯斳囕v與警車的距離小于135 m 時，車輛可以接收廣播消息。

圖4 移動過程中警車與其他車輛之間的距離

圖5 移動過程中警車和其他車輛之間的丟包率

4 總結(jié)

隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展與國民生活水平的不斷提高，汽車已經(jīng)成為每個家庭不可或缺的必需品，與此密切相關(guān)的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已成為當下的熱點研究方向。本文在上述背景下，對基于車輛環(huán)境無線接入（WAVE）和IEEE 802.11p 標準的車輛通信系統(tǒng)架構(gòu)每一層所涉及的技術(shù)細節(jié)進行了較為細致的分析，并對車輛間的廣播消息丟包率進行仿真分析，結(jié)果表明，車輛間丟包率與車速無明顯關(guān)系，與車輛間距離有直接關(guān)系。