DSRC無線通信模式的原理及應用

張書僑

（北京東方波泰無線電頻譜技術研究所，北京 100037）

DSRC無線通信模式的原理及應用

張書僑

（北京東方波泰無線電頻譜技術研究所，北京 100037）

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

DSRC；信道接入；交通應用

1 引言

專用短程通信（DSRC）技術是智能交通系統(tǒng)的基礎與核心，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，保證系統(tǒng)的可靠性，是專門用于車輛通信的技術。

2 DSRC技術原理

2.1 DRSC標準化進程

早在1992年，美國材料試驗學會就開始發(fā)展DSRC技術。1997年5月19日，ITS America向聯(lián)邦通信委員會提出5.850GHz到5.925GHz頻帶分配給智能運輸服務領域的申請。1998年6月11日，F(xiàn)CC將5.850GHz到5.925GHz頻段分配給運輸服務領域的短程通信。2002年ASTM通過E2213-02作為DSRC標準，采用5.9GHz頻率，20 03年通過改進版本E2213-03。該版本以IEEE802.11標準為基礎，提出一系列的改進來適應車載環(huán)境的通信需求。從2004年開始，美國的DSRC標準化工作轉(zhuǎn)入IEEE802.11p與IEEE 1609 工作組進行，該標準的主要目的是讓它可以適用于高速移動的環(huán)境，為行車安全，交通管理和娛樂等提供服務。IEEE 802.11p負責制DSRC的底層MAC和PHY標準，其上層標準則由IEEE 1609負責。IEEE 1609系列標準已經(jīng)通過試用版本，而針對底層關鍵技術的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技術實現(xiàn)車輛身份識別。DSRC技術是一種高效的無線通信技術，它可以實現(xiàn)在特定小區(qū)內(nèi)對高速運動下的移動目標的識別和雙向通信，例如車輛的“車路”、“車車”雙向通信，實時傳輸圖像、語音和數(shù)據(jù)信息，將車輛和道路有機地聯(lián)合起來。

2.2 DRSC系統(tǒng)組成及體系架構

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

圖1 DSRC系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

DSRC體系中包含兩種應用：安全應用和非安全應用。安全應用主要用于傳輸與安全有關和通信指令等信息，非安全應用則可傳輸娛樂相關的數(shù)據(jù)。DSRC上層標準由IEEE 1609負責制定，下層標準則由IEEE 802.11p負責制定。其中，IEEE 1609.2主要負責安全服務，IEEE 1609.3主要負責網(wǎng)路服務，IEEE 1609.4主要負責WAVE（Wireless Access in the Vehicular Environment）的多信道操作，即上層MAC標準的制定，而IEEE 802.11p則負責下層MAC標準和物理層（PHY）標準的制定。DSRC標準通信協(xié)議棧如圖2所示。

圖2 DSRC標準通信協(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)點采用了基于頻分多址/時分多址的信道訪問方案。所有節(jié)點在控制信道（CCH）間隔上都必須切換到CCH，并在該CCH間隔結束后有選擇性的切換到4個服務信道（SCH）上的某一個進行通信（默認情況下節(jié)點停留在CCH上），在SCH間隔上停留在CCH的節(jié)點也可以傳輸?shù)蛢?yōu)先級的數(shù)據(jù)。節(jié)點切換到SCH后，采用IEEE 802.11p協(xié)議進行業(yè)務數(shù)據(jù)通信。在CCH上的通信時，通常采用的方式為廣播方式，因此不需要確認，不采用RTS/CTS等機制。

圖3 DSRC多信道操作時隙

如圖4所示，在頻率上，DSRC將75MHz帶寬均勻地劃分為7個信道，每個信道各10MHz，其中前5MHz為保護帶寬；信道178為CCH，兩端兩個信道留作特殊用途，其他4個為SCH。其中控制信道主要負責與安全和交通管理等緊急信息的傳輸，服務信道則可以進行一些與改善行車舒適性相關的數(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，在時間上，信道時間被劃分成周期性的同步間隔，每個100ms。每個同步間隔由一個CCH間隔和一個SCH間隔組成，各50m s。每個同步間隔都使用GPS與協(xié)同通用時間進行同步。每個CCH和SCH間隔都有保護間隔（Guard Interval），它由同步和信道切換等時間組成。在保護間隔上不允許進行任何數(shù)據(jù)的傳輸，如果GI到來時發(fā)送或者接收還沒有結束，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)度機制使發(fā)送節(jié)點在GI到來之前將分組發(fā)送完畢。由于在每個CCH間隔上，有數(shù)據(jù)準備發(fā)送的節(jié)點都會競爭信道的控制權，這樣就會增大同步碰撞的可能性。為了解決同步碰撞問題，在保護間隔上將信道標識為忙，使所有節(jié)點都進行退避。

圖5 DSRC多信道操作時隙

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)議的關鍵體現(xiàn)。載波偵聽多址接入/沖突消減協(xié)議是目前應用的大多數(shù)MAC層信道接入?yún)f(xié)議的基礎。非堅持的CSMA協(xié)議的效果有隨機性，而堅持的CSMA協(xié)議的缺點是“過于自私”。節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)時先通過較短的控制分組進行信道的探測，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)先級分配。EDCA定義了4個不同的信道訪問類型，各自對應的業(yè)務類型為語音、視頻，盡最大努力交付和背景信息。EDCA實現(xiàn)參考模型入圖6所示。

通過RTS/CTS和載波監(jiān)聽機制，CSMA/CA進一步減少了報文沖突的概率。如果應用于多跳的Ad Hoc網(wǎng)絡，由于存在隱藏終端和暴露終端等問題，網(wǎng)絡性能提高不明顯，因此，Ad Hoc必須引入更為復雜準確的控制機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制是EDCA協(xié)議。EDCA方式是基于DCF的信道接入?yún)f(xié)議改進的，繼承了包括四握手機制、

圖6 EDCA實現(xiàn)參考模型

載波檢測機制、幀間間隔協(xié)調(diào)控制，以及隨機退避規(guī)程的核心機制。于此同時，EDCA的核心在于每一個信道訪問類型單獨采用時間競爭窗口退避機制來競爭對無線信道的使用權，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 結束語

雖然各國DSRC標準對于DSRC應用列舉了很多種類，但真正要實現(xiàn)這些應用，推廣普及DSRC技術，形成國際統(tǒng)一的DSRC標準，筆者認為至少還有如下問題有待解決：車載單元與其他車載設備接口問題；安全保密問題；路邊RSUs布置；組網(wǎng)問題。

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

[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。