車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用課件：DSRC技術(shù)與應(yīng)用

車聯(lián)網(wǎng)通信關(guān)鍵技術(shù)

DSRC技術(shù)與應(yīng)用2015年9月28日，時任交通運輸部部長楊傳堂宣布全國31個(省、直轄市、自治區(qū))實現(xiàn)高速公路ETC聯(lián)網(wǎng)通行。截止2019年，全國ETC用戶20388萬、ETC專用車道27546條、ETC高速公路里程14.69萬公里，均居世界第一，

極大地提高現(xiàn)有高速公路基礎(chǔ)設(shè)施能力，初步構(gòu)建中國高速公路數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化基本框架，為中國邁向智慧高速公路奠定堅實基礎(chǔ)。令情景導(dǎo)入任務(wù)目標

知識目標：1.了解DSRC協(xié)議棧；2.了解IEEE802.11p、IEEE1609和J2735等主要DSRC協(xié)議；3.了解DSRC的應(yīng)用。

能力目標：

1.合理使用專用設(shè)備和程序裝調(diào)、配置DSRC系統(tǒng)OBU和RSU設(shè)備；

2.使用技術(shù)文件，根據(jù)典型V2X場景的要求，采集、分析DSRC報文；3.具備《車聯(lián)網(wǎng)集成應(yīng)用》職業(yè)技能等級標準的車端、路端工作領(lǐng)域系統(tǒng)集成應(yīng)用的相關(guān)能力；

素質(zhì)目標：1.培養(yǎng)團隊協(xié)作等社會能力；2.培養(yǎng)科學(xué)探究精神和嚴謹工匠精神。一、DSRC的背景與發(fā)展n

廣義的DSRC

(Dedicated

Short

Range

Communication)，是負責(zé)在車路和車車之間建立信息雙向傳輸?shù)膶Ｓ枚坛掏ㄐ偶夹g(shù)的統(tǒng)稱，而不具體指某一個特定的技術(shù)。目前，

國際上已經(jīng)了形成以美國、歐洲和日本為核心的DSRC標準化體系。n

1992年，美國材料與試驗協(xié)會ASTM為了解決不停車收費ETC系統(tǒng)的OBU和RSU設(shè)備間通信問題，首先提出了使用915MHz頻段的DSRC技術(shù)。n

1998年美國國會頒布《21世紀交通平等法》，以聯(lián)邦法規(guī)的形式推行DSRC標準，將5.850~5.925GHz的75MHz頻段作為智能交通系統(tǒng)的專用短程通信服務(wù)頻段。n

1994年，歐洲提出5.8GHz的DSRC標準，最高下載/上傳速度可達1M/750kbpsn

2008年8月，歐洲電信標準協(xié)會分配5.8GHz的30MHz頻譜用于智能交通系統(tǒng)中，通信距離達到100~1000m，速率為3~27Mbps。我國的ETC系統(tǒng)也采用了國際通用的5.8GHz頻率。n

1995年，日本建設(shè)標省組織了電子收費系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗。n

1997年，日本TC204委員會完成了微波專用短途通信標準的制定工作，5.8GHz被確定為日本專用短途通信頻率。一、DSRC的背景與發(fā)展n在美國，DSRC廣泛地被用于指與WAVE(WirelessAccess

in

Vehicular

Environment)相

關(guān)的頻譜。n在中國，DSRC主要指工作在5.8GHz無線技術(shù)，比如用于ETC系統(tǒng)。n狹義的DSRC，指基于IEEE802.11p和IEEE1609標準為核心的WAVE

(Wireless

Access

inVehicular

Environment)通信技術(shù)。二、DSRC的協(xié)議棧n美國DSRC頻譜包含了7個10MHz的信道和在最底部預(yù)留一個5MHz的保護間隔n指定了每個信道是服務(wù)信道SCH或控制信道CCHn不同的信道分配不同的任務(wù)，例如172信道側(cè)重于V2V之間的BSM信息交互，174

和176信道用于中距離的共享公共安全/私有服務(wù)，178為控制信道，180和182信

道提供短距離的共享公共安全/私有服務(wù)，184信道側(cè)重于長距離的交叉口安全。J2735標準指定了固定的消息格式來支持各種基于車輛的應(yīng)用程序1609.2用于安全服務(wù)1609.4用于信道切換1609.3用于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)使用wifi的IEEE802.11p協(xié)議二、DSRC的協(xié)議棧nDSRC協(xié)議棧?2004年IEEE成立工作組，在IEEE802.11a標準的基礎(chǔ)上研究車輛環(huán)境下無線接入WAVE版本?2010年發(fā)布了EEE802.11p標準，對物理層和MAC子層兩個部分進行了標準化，

并針對車輛通信環(huán)境從熱點切換、移動性支持、通信安全等方面進行了優(yōu)化。三．IEEE802.11p標準nIEEE802.11p物理層標準PMD子層定義概述PMD子層主要負責(zé)物理介質(zhì)上單個比特的傳輸和接收，優(yōu)化使用了802.11a的OFDM技術(shù)。PMD子層與PLCP子層的關(guān)聯(lián)PMD子層向PLCP子層提供將數(shù)據(jù)流發(fā)送至傳輸媒質(zhì)和從傳輸媒質(zhì)接收數(shù)據(jù)流的方法。信道寬度與子載波分配在10MHz信道寬度上建立52個子載波，其中48個為數(shù)據(jù)子載波，4個為導(dǎo)頻子載波。nIEEE802.11p物理層標準三．IEEE802.11p標準

2

3

1

PLCP子層通過編碼和調(diào)制過程將來自MAC子層的數(shù)據(jù)進

行轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)物理介質(zhì)的傳輸需求。PLCP子層通過添加前導(dǎo)碼、SIGNAL域和DATA域等附加

信息，構(gòu)成完整的PPDU幀格

式，對接收端的解調(diào)至關(guān)重

要。三．IEEE802.11p標準nIEEE802.11p物理層標準PLCP子層是IEEE802.11p標準中物理層的下一層，負責(zé)

將MAC層的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為物

理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元。PLCP子層功能概述編碼與調(diào)制過程PPDU幀格式解析前導(dǎo)碼的構(gòu)成元素前導(dǎo)碼由10個重復(fù)的短訓(xùn)練符號和2個重復(fù)的長訓(xùn)練符號組成，總

時長為32ps。前導(dǎo)碼對接收端的影響前導(dǎo)碼的存在使得接收端在收到該

符號后立即就可以對其進行解調(diào)和譯碼，提高了接收效率。前導(dǎo)碼的基本作用前導(dǎo)碼用于信號偵查、頻率偏置

估計、時間同步和信道判斷等，是接收端解調(diào)的重要信息。三．IEEE802.11p標準nIEEE802.11p物理層標準SIGNAL域的功能和構(gòu)成由PLCP幀頭的調(diào)制速率RATE、長

度LENGTH、校驗Parity等前5個字

段組成。SIGNAL域的基本信息SIGNAL域定義了后續(xù)PSDU的調(diào)

制速率、長度、校驗等基本信息。尾比特的作用和意義尾比特使得接收端在收到該符號后立即就可以對其進行解調(diào)和譯碼，提高效率。三．IEEE802.11p標準nIEEE802.11p物理層標準前導(dǎo)碼的功能和構(gòu)成前導(dǎo)碼用于完成信號偵查、頻率偏置估計、時間同步和信道判斷等，由10個重復(fù)的短訓(xùn)練符號和2個重復(fù)的長訓(xùn)練符號組成。DATA域的功能和構(gòu)成DATA域包括MAC子層傳輸給PLCP的MAC幀信息及尾部信息等，用于比特加擾、匹配調(diào)制編碼速率所需的編碼信息和采用RATE字段指定的速率進行編碼調(diào)制。SIGNAL域的作用和組成SIGNAL域用于指示后續(xù)PSDU的基本信息，如調(diào)制速率、長度和校驗等，由PLCP幀頭的前5個字段組成。nIEEE802.11p物理層標準三．IEEE802.11p標準

3

2

1

三．IEEE802.11p標準nIEEE802.11p介質(zhì)訪問控制層標準

1

PCF信道協(xié)調(diào)功能集中式網(wǎng)絡(luò)下的有序數(shù)據(jù)交換方式，由中心節(jié)點控制。

2

DCF信道協(xié)調(diào)功能全分布式網(wǎng)絡(luò)下的獨立訪問信道方式，無需中心節(jié)點控制。

3

RTS/CTS四步握手機制解決隱終端和暴露終端問題，提高通信可靠性的握手方式。三．IEEE802.11p標準nIEEE802.11p介質(zhì)訪問控制層標準DCF訪問控制方式下的CSMA/CA機制握手機制的實現(xiàn)方式DCF提供了兩步握手和四步握手

兩種方式，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和可靠性。偵聽與退避過程發(fā)送端在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前需要

偵聽信道，若空閑則開始傳輸，采用隨機退避機制減少碰撞。無線資源的共享機制通過CSMA/CA機制，車輛節(jié)點

間實現(xiàn)無線信道的共享和傳輸。三．IEEE802.11p標準nIEEE802.11p介質(zhì)訪問控制層標準通信過程控制的握手機制兩步握手機制通過DATA/ACK握手，目的端在正確接收到遠端節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)幀后需要向發(fā)送端節(jié)點回復(fù)確認幀。握手機制的作用握手機制用于確保數(shù)據(jù)幀或確認幀的可靠傳輸，減少傳輸碰撞和提高通信質(zhì)量。RTS/CTS四步握手機制發(fā)送端先發(fā)送RTS幀請求占用信

道，接收端回復(fù)CTS幀清空信道，然后才開始兩步握手傳輸過程。三．IEEE802.11p標準nIEEE802.11p介質(zhì)訪問控制層標準兩步握手和四步握手的區(qū)別兩種握手方式的應(yīng)用場景兩步握手適用于節(jié)點間通信距離較近、丟包率較低的場景；四步握手則適用于存在隱終端和暴露終端問題的車輛通信環(huán)境。四步握手機制詳解在信道訪問過程中，發(fā)送端先發(fā)送RTS幀請求占用信道，接收端回復(fù)CTS幀清空信道，然后開始數(shù)據(jù)傳輸。兩步握手機制介紹在數(shù)據(jù)交換過程中，發(fā)送端在確認收到遠端節(jié)點的數(shù)據(jù)幀后，回復(fù)確認幀。

3

2

1

三．IEEE802.11p標準nIEEE802.11p介質(zhì)訪問控制層標準增強型分布式信道接入機制增強型分布式信道接入機制實現(xiàn)方式增強型分布式信道接入機制通過1609.4標準的多信道機制來實現(xiàn)，為車輛通信系統(tǒng)提供更好的通信質(zhì)量。增強型分布式信道接入機制特點增強型分布式信道接入機制在分布式信道接入機制的基礎(chǔ)上，為低時延高可靠的通信業(yè)務(wù)提供服務(wù)質(zhì)量保障。分布式信道接入機制分布式信道接入機制是

802.11e標準中的一種通信質(zhì)

量控制方法，通過多信道機

制實現(xiàn)。n1.IEEE1609.1標準用于車載環(huán)境中無線接入的資源管理。n

2.IEEE1609.2標準用于車載環(huán)境中無線接入的應(yīng)用和管理信息的安全服務(wù)，包括WAVE信息安全，防止電子欺詐、竊聽等。n3.IEEE1609.3標準定義了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)標準，可以分為數(shù)據(jù)層和管理層。四．IEEE1609標準nWAVE定義的短消息稱為WAVEshort

message

(WSM)，由上層觸發(fā)，通過短消

息協(xié)議(WSMP)發(fā)送，由可變大小的標頭和有效負載組成nVersion

WSMP：具有1個字節(jié)的版本字段，用于指定WSMPversion編號四．IEEE1609標準擴展字段的作用擴展字段提供了在WSM中通信附加信息的靈活性，通常由三部分組成：1字節(jié)標識符，1字節(jié)長度和可變大小內(nèi)容字段。PSID服務(wù)IDPSID

(provider

service

ID)是4字節(jié)長度，用于將WSM有效負載與特定服務(wù)相關(guān)聯(lián)層之間的傳入和傳出數(shù)據(jù)與服務(wù)編號匹配并進行相應(yīng)處理。WSMP版本字段Version

WSMP是用于指定WSMP

version編號的1個字節(jié)的版本字段。四．IEEE1609標準

3

2

1

PSID服務(wù)ID在TCP或UDP中用于匹配傳入和傳出數(shù)據(jù)與服務(wù)

編號。PSID服務(wù)ID的構(gòu)成PSID服務(wù)ID的作用PSID服務(wù)ID的應(yīng)用服務(wù)ID在WSMP中用于將有效負載與特定服務(wù)相關(guān)聯(lián)。PSID由4個字節(jié)長度組成，模擬輸出端口號。四．IEEE1609標準擴展字段由三部分組成：標識符、長度和內(nèi)容字段，用于提供附加信息。擴展字段的內(nèi)容擴展字段包含信道編號、數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸功率等信息，用于指導(dǎo)WAVE消息的傳輸。WSM元素ID的作用WSM元素ID用于指示擴展字段的結(jié)尾，以及WSM有效負載的格式。四．IEEE1609標準擴展字段的組成312WSM

Element

ID的應(yīng)用場景WSM

Element

ID廣泛應(yīng)用于車載通訊系統(tǒng)中，確保不同類型信息的準確傳輸和理解。WSM

Element

ID的作用WSM

Element

ID在WSM中扮演著

重要的角色，它定義了有效負載的格式，幫助接收方正確解析和處理信息。WSM

Element

ID的定義WSM

Element

ID是用于指示W(wǎng)SM有效負載的格式，并標記擴展字段的結(jié)尾。四．IEEE1609標準五．SAEJ2735標準n在DSRC協(xié)議棧的頂層是美國汽車工程師學(xué)會(Society

of

Automotive

Engineers

，SAE)的SAEJ2735標準，定義了用于車輛安全應(yīng)用方面的數(shù)據(jù)集，以支持V2X場景的應(yīng)用程序開發(fā)。n2009年，SAE制定了J2375的第一個版本J2375-2009，其后不斷迭代。nJ2735-2016定義的主要消息有4類，分別是基本安全消息(Basic

Safety

Message

，BSM)、路側(cè)通知消息(Road

Side

Information

，RSI)、信號相位與時間消息(Signal

Phase

andTimingMessage，SPAT)、MAP地圖消息。五．SAEJ2735標準n

BSM消息：由車載網(wǎng)聯(lián)裝置從自車上獲取，或者由RSU采集后向所覆蓋區(qū)域范圍內(nèi)的車輛OBU發(fā)送，聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間可選擇性傳輸BSMBSM消息的重要性BSM消息是車輛安全應(yīng)用中的核心，整合了各種交通參與方的狀態(tài)信息。BSM消息的必選屬性必選屬性包括車輛位置、運動狀態(tài)、駕駛行為和路況等核心要素。BSM消息的可選屬性可選屬性如環(huán)境溫度、擋風(fēng)玻璃雨刷狀態(tài)等，數(shù)據(jù)元素可以不同頻率發(fā)