V2X技術詳解-DSRC技術物理層與MAC層機制介紹

一家之言：技術無國界，專利才是劫。夢想再光輝，還需勤不懈。

正文（部分節選自個人論文）：

美國專用短程通信技術(DSRC)在物理層主要採用了IEEE 802.11p協議，並將其作為專用短程通信標準體系的基礎標準之一。IEEE 802.11p協議是國際電氣工程師協會(IEEE)針對無線區域網物理層和MAC層技術要求建立的IEEE 802.11協議族的一員，字母p表示該協議屬於802.11工作組的p任務組，該任務組是為專用短程通信技術所特設的。此外，該協議族還包括諸如IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11n等多個已經得到廣泛應用的協議。這些協議均是以IEEE 802.11協議為基礎，結合本任務組應用背景需求設定經不斷修改和補充的結果。IEEE 802.11p協議就是在吸納了IEEE 802.11k、IEEE 802.11r、IEEE 802.11y、IEEE 802.11w的基礎上結合車輛交通環境應用需求進一步修改、補充而來的，其草案最早於2006年呈交相應技術委員會討論。在IEEE 802.11協議族中，與IEEE 802.11p最為相似的就是IEEE 802.11a協議，事實上，在物理層性能評估中常以該協議為範本對IEEE 802.11p協議進行對比研究，兩者關鍵參數設置對比如表 所示。從中可見為滿足車輛移動環境應用，IEEE 802.11p協議沿用了IEEE 802.11a的OFDM物理層，但是，IEEE 802.11p通過改變使用頻段、增加OFDM符號長度和循環前綴長度、增大通信距離等方式提升了對車輛高速移動環境的適應性。該協議的草案最早於2010年公布，其最新版本於2012年正式發布，結束了其長達十多年的商議制定過程。但是，由於其採用了特殊的信息安全功能設計，且其頻段正面臨多種新興技術挑戰，故其立法進程一直處於停滯狀態，直到2013年，該協議頻段問題才被提交美國政府討論，正式開啟了立法進程。

IEEE 802.11p協議內容主要規範了5.8GHz DSRC設備的物理幀結構、調製編碼方式、信道劃分方式、導頻設置結構、信道功率限制、頻譜掩模等與數字基帶處理相關內容，完整覆蓋了從MAC層MPDU格式到最終用於發送的物理層PPDU格式的協議數據轉換過程。

標準IEEE 802.11p協議物理層幀結構如圖所示，數據幀的最前端是12個前導碼段，具體分為10段短訓練序列和2段長訓練序列，設置前導碼的目的是為了支持OFDM系統數字基帶處理的定時同步、載波偏移估計、自動增益控制、信道估計等與物理層相關的操作。

與前導碼段鄰接的數據是Signal域，Signal域的前24個比特包含了此幀數據的卷積編碼速率信息、調製方式信息、OFDM符號的長度信息和符號段奇偶校驗位。無論OFDM符號採用何種編碼速率，符號段數據只採用卷積編碼速率為1/2的BPSK調製編碼方式。符號段後的首個OFDM符號中還包含有服務類型標識信息，其後則為物理層業務數據單元(PSDU)數據。在長訓練序列數據、Signal域和OFDM符號前都利用該數據單元的結尾部分作為循環前綴，這樣做主要是為了在載波偏移估計和定時同步估計中利用離散傅里葉變換的圓卷積特性。

Data域內容主要是MAC層協議數據單元(MPDU)，實際上IEEE 802.11 MAC層在接收到MAC業務數據單元(MSDU)後，通過添加MAC頭部、CRC校驗、分幀、WEP加密後形成MAC協議數據單元。

MPDU發送到物理層後就成為PSDU，再添加了物理層會聚協議頭部(PLCP Header)、補尾並添加PLCP前導後，成為物理層協議數據單元(PPDU)，PLCP Header的格式如圖所示，其中Rate欄位含有當前幀的數據速率信息；Length欄位包含當前幀中OFDM符號的長度信息；Parity為奇偶校驗位；Tail為協議補尾比特；Service段包含當前幀服務類型信息。其中Rate、Reserved、Length、Parity和Tail欄位組合成PPDU的符號段(SIGNAL段)信息，並規定只採用卷積編碼速率為1/2的BPSK調製編碼方式。Service欄位和PSDU段組合為Data域內容。

美國DSRC技術在MAC層協議內容主要由IEEE 1609.4協議與IEEE 802.11p協議的一部分組成。MAC層協議中共涉及MAC子層管理擴展實體(MLME Extension)、MAC子層管理實體(MLME)和物理層管理實體(PLME)三個功能實體。其中，MLME和PLME兩個實體功能定義在IEEE 802.11p協議中，MLME Extension實體功能在IEEE 1609.4協議中定義。MLME Extension主要用於管理多信道切換操作；MLME對外提供MLME_SAP介面，主要用於輔助空口設備的身份認證、關聯、功率管理等操作；PLME對外提供PLME_SAP介面，對內輔助PMD子層和PLCP子層相關操作。

MAC層在接收到MAC業務數據單元(MSDU)後，通過添加MAC頭部、CRC校驗、分幀、WEP加密後形成MAC協議數據單元，其標準格式如圖所示，其中Frame Control主要包含所使用的802.11 MAC版本、幀類型、重傳標誌、功率控制標誌、WEP加密標誌等信息；Duration/ID主要包含功率控制相關的設備ID或為當前幀所需的發送時間；Address 1-4主要包含該信息相關的地址信息，Address 4僅為有線網路使用地址信息；Sequence Control主要包含當前幀的分片數和序號；Payload主要包含當前幀的負載數據長度信息；FCS也稱作循環冗餘校驗欄位，即CRC段。

結合信道時段劃分機制，相應的無線通信MAC層競爭機制也可劃分為內部競爭機制和外部競爭機制。根據MAC層協議，外部競爭機制採用CSMA/CA功能以對無線網路進行載波偵聽與衝突避免。即無線網路中所有節點根據自身競爭窗口參數設置產生一個隨機長度的退避時間裝載入內部計時器，發送信息前對信道進行偵聽，當信道空閑一段時間且超過DIFS長度後，開啟計時器自減並保持對信道偵聽，當計時器計數自減為零且信道依然保持空閑狀態則立即發送當前信息。如果在計時器自減過程中信道狀態由空閑狀態變為信道繁忙狀態，則等待下一次信道空閑狀態且空閑狀態維持時間超過AIFS時長後才恢復計數器自減。如果節點內部來自不同任務隊列的發送任務發生碰撞，則根據IEEE 802.11e協議的增強型分散式協調訪問功能(EDCA)，通過增大競爭窗口長度產生新的退避時間，等待下一次信道空閑期滿發送信息成功後調整為初始最小競爭窗口長度。EDCA相對於常見的點協調功能(PCF)和分散式協調功能(DCF)增加了對優先順序QoS的支持，如圖2-4所示。即根據發送信息的內容將其賦予不同的優先順序，分別映射入4個獨立任務隊列(AC_VO、AC_VI、AC_BE和AC_BK)，並且對於這4個任務隊列賦予不同的仲裁幀幀間隔數(AIFSN)和初始最小競爭窗口長度、最大競爭窗口長度限制，由此計算得出的仲裁幀幀間隔(AIFS)因此也會有所差異，以保證高優先順序任務的信道接入。

AIFS的計算方法如式所示，其最小長度與DIFS相同，不同優先順序任務隊列的相關參數如表所示，由此可見每個隊列參數差異增大了高優先順序任務隊列的信道接入競爭成功的概率，在WAVE標準體系中涉及駕駛安全的WAVE短消息(WSM)就被映射入最高優先順序的AC_VO隊列，而一般不涉及駕駛安全的WAVE服務廣播(WSA)則被映射為其他低優先順序隊列。

5.855GHz-5.925GHz共75MHz頻段被分為兩類7個子信道，兩類信道是指控制信道(CCH)和服務信道(SCH)。IEEE 1609.4協議在此基礎上進一步規定了區分控制信道時段(CCH時段)和服務信道時段(SCH時段)的多信道接入機制。以均等時長的輪換型接入機製為例：CCH時段和SCH時段時長等長——均為50ms，所有通信節點在控制信道時段偵聽CCH狀態並發送WSM信息或WSA信息。當SCH時段開始時根據CCH時段接收到的WSA信息轉向指定的SCH，發送或等待服務信息。

多信道接入機制需要實現車輛節點時鐘同步，一方面，可採用導航衛星星座的1PPS信號作為設備時鐘同步輸入信號，其同步誤差經實際測試證實一般小於100ns；另一方面，IEEE 1609.4協議將50ms的時段時長又劃分為4ms時長的保護間隔時段和46ms時長的競爭接入時段，保護間隔的設計進一步保證了時間同步誤差不會使CCH時段和SCH時段相互干擾。相應地，如果節點信息發送未完成而時段切換時刻到達，節點則會立即停止當前信息發送，避免佔用保護間隔時段。如圖2-5所示，除輪換型接入機制外，還有連續型接入機制、立即轉換型接入機制和增長型接入機制三種[67]。對於特彆強調安全應用場景，可採用連續型接入機制強制節點保持對CCH信道的偵聽，保證對WSM信息及其他各種與安全相關非周期信息的接收。而對於不強調安全應用的場景，則可以採用立即轉換型接入機制或增長型接入機制，即擴展SCH信道時段的接入時長，相對縮減或完全略去WSM信息接收時長。相應地，這種接入機制切換指示信息會在WSA信息中予以標明，接收端根據服務類型定義和實際車輛交通環境狀況進行決策。但是，由於WAVE標準體系對於連續型接入機制、立即轉換型接入機制和增長型接入機制的切換參數並未予以說明，一般多採用輪換型接入機制進行研究論證。