P158169车载自组网中多通道通信.docx
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P158169车载自组网中多通道通信
车载自组网中的多通道通信
ABSTRACT
车辆的自组织网络是在道路上提供安全保证和商业服务的关键。
多个通道被分配5GHZ的频谱，以支持这些服务。
在这篇文章是介绍美国和欧洲标准化机构提出的多通道体系结构的概述。
主要贡献是识别针对多通道协调，同步和访问类开放式挑战。
充分探讨在既没有标准，也没有科学文献前提下讨论相关对策，目的是为未来的协议和应用程序在车辆环境中的设计者提供指导方针。
简介
在政府，工业和学术机构的研究活动一直在进行，以加快建立车辆特设的部署网络（VANETs）此网络提供车辆与路边基础设施之间的无线通信。
车辆通信部署的一个里程碑是在美国由联邦通信广播电台委员会（联邦通讯委员会）将5GHZ频谱中75MHZ带宽分配给专用短程通信（DSRC）智能交通系统（ITS）通信服务，在欧洲由欧洲邮政和电信管理局会议（CEPT）同样分配一个50MHZ带宽出来。
可在分配的频谱中设立多个通道，以支持道路安全服务（例如，公共安全，事故避免和缓解，道路交叉路口碰撞缓解）和通用服务（例如，道路交通效率，服务公告），以及商业的非安全信息娱乐应用。
对车载环境的特征，如缺乏中央协调，无线链路的不稳定和可变的性质，动态的拓扑结构，和短期的间歇性连接，使实现多通道协调，同步和访问具有挑战性的.因此在关于多通道架构有效和高效的可用性方面出现了一些问题。
单一的无线电收发器，一次一个无线信道的操作，是车载设备问题的短期解决方案，而双无线电收发器，能够在两个无线信道同时工作，被认为是中长期的部署。
这两种解决方案都表现出在多个渠道的协调和使用中的长处和短处。
例如,在早期设想的单无线电设备的信道切换操作中包括相关信道容量降低的缺点，从而在数据短缺和饱和，以及对同步的需求等等。
另一方面,多通道同步操作可能会导致增加的相邻信道干扰同时缺乏分配谱利用。
虽然一些车辆网络处理调查中，其中大部分忽略了多渠道的组织，除了一些最近的论文，涵盖了在标准化组的工作进展（例如，[1]）。
这篇文章不同于以前的文章，因为它专注于多通道操作，并清楚地确定潜在的问题，在标准中未指定的，批判性地回顾在相关文献中提出的初步解决方案，并讨论了开放问题需要进一步调查。
多通道网络标准
针对车载自组织网络的复杂的标准化路径制定仍在进行。
它涉及到多方面的技术问题，从频谱分配和多渠道组织访问层规范，网络和传输设计，到应用程序的需求规格。
该协议的架构，由IEEE，欧洲电信标准协会（ETSI）设想，在图1所示，分别称为车载环境的IEEE无线接入（波）栈[1]和ETSI站[2]。
如表1中的详细介绍和总结，这两个标准共享的一些设计以及不同点，例如，相关的多通道管理。
UnitedStates
EuropeanUnion
总分配的频谱
75MHz
50MHz
频率范围
5.85–5.925GHz
5.855–5.905GHz（ITS-G5A:
5.875–5.905GHz;
ITS-G5B:
5.855–5.875GHz）
控制信道频率
5.89GHz（CH178）
5.9GHz（CH180）
服务渠道数量（SCHS）
6（CH172,CH174,CH176,CH180,CH182,CH184）
4（CH172,CH174,CH176,CH178）
主要标准化机构
IEEE,SAEInternational,FCC
ETSI,ISO/CEN,CEPT
物理层和MAC层
IEEE802.11p,1609.4
多址技术，其中ETSI
its-g5同802.11p，
更高的层
IEEE1609.0,1609.2,1609.3
ETSIITSStation:
设施，网络和运输，安全层
应用/消息格式
IEEE1609.x,SAE国际
ETSI
服务公告
WSA（WAVE广告服务）
SAM（服务通知）
重要安全信息
BSM（基本安全信息）
–CAM（协同感知信息）
–DENM（分散式环境的通知消息）
收发器的配置
–专门调到CCH（W1）
–CCH和一个地位之间的切换（W2）
–随意调整任何SCH（W3）
–专门调整ch172（W4）
–专门调到CCH（T1）
–调谐需求任意its-g5a或
its-g5b通道组装Sch1（T2）和
SCH3（T3）在拥塞的情况下对CCH
研究面临的挑战
安全拥塞控制
邻信道干扰
–信道选择
–多跳通信
–CCH/SCH责任周期调整
安全拥塞控制
邻信道干扰
–信道选择
–多跳通信
关于需求转换
–彻底DCC的评估
频谱分配
一个专用的频谱在美国被分配在5GHZCEPT，欧洲分配在FCC（图2），一个控制信道（CCH）和多个服务信道（SCH）安全和非安全数据交换。
在美国，光谱通道178作为CCH，其中第六个可用SCHS，频道172是专门分配给涉及生命和财产安全的公共安全应用，包括车辆（V2V）碰撞避免和缓解，和通道184为涉及生命和财产的安全的高功率公共安全应用，包括道路交叉路口碰撞缓解[3]。
在欧洲频谱中，30兆赫是保留在its-g5a通带目的是保证道路安全服务，20MHz的its-g5b1通带是通用的服务（例如，道路效率，
服务公告，多跳）[4]。
ETSI控制信道基本上是致力于合作的道路安全被分配在its-g5a通带的第180通道；四个SCHS在分配的频谱中可用：
Sch1和Sch2在its-g5a通带中，SCH3和sch4在its-g5b通带中。
无线接入层
在WAVES堆栈的底部，IEEE802.11p[5]指定的物理（PHY）和介质访问控制（MAC）层。
标准802.11a的主要物理层原理：
10MHz的渠道广泛用于减少多普勒扩展和多径衰落引起的码间干扰。
在“访问规则”中，基线的访问规则802.11标准使用优先级的信道访问，与简化的安装操作，以应付短暂的连接。
与基线标准，没有概念的一个基本服务集（BSS）是在车用无线随意网路，所以车辆节点允许传送非正当采用的通信方式称为BSS的上下文之外一个BSS（OCB），它不需要节点初步认证协会。
类似的波叠加，接入层的结构由ETSI定义还包括802.11p[6]多支技术中。
其它层
在WAVES协议组的其他层由IEEE1609标准制定[1]，其中主要包括以下规格：
1609总体框架。
1609.2安全性；1609.3寻址和路由，网络和运输问题；1609.4扩展到多通道操作和多通道操作的MAC层
的渠道协调。
在ETSI的架构、设施和网络层和传输层包含类似任务的1609.4和1609.3。
单通道操作是通过接入层处理，在一个分散的拥塞控制（DCC）函数指定了管理通道技术拥塞，通过调整传输参数，根据信道负载[7]。
例如1609.2的安全问题也解决了。
在这两种体系结构中，提供车辆服务的节点被称为供应商，而其他的节点，称为用户，只享受所提供的服务。
供应商为他们的服务做广告，通过广播公布消息，在1609.3[8]中称为WAVES服务广告（WSAS）和在ETSI架构[9]中的服务公告（SAMS）。
这些信息包括所提供的服务和连接的用户提供必要的网络参数信息（例如，选择的SCHS）。
感兴趣的用户只需调整收发信机到广告的频道频率来访问服务。
WSAS和SAMS在CCH中发送。
ETSI禁止使用SAMCCH只有DCC方案给出了一个拥塞指示。
应用程序和服务
在WAVES的栈顶，SAE国际指定一套车载应用和相关的通信约束消息格式[1]。
最主要的是基本的安全信息（BSM）；它传递车辆状态信息，频繁交换以保证车辆（V2V）的安全应用。
BSMS使用的信道的机制存在冲突选项；这是显示在以下内容中。
应用报文格式和约束也由ETSI指定。
在主信道安全消息中，合作感知消息（CAMS），类似于BSMS定期提供信息的存在，位置，和位于SINGLEHOP距离内的邻近ITS基本状况。
分散环境通知消息（denms），这是事件驱动的消息用于在路上提醒邻近车辆对异常情况的检测。
CAMS和denms通常在CCH上发送，除非由DCC的确定了其他方式。
多通道操作标准解决方案
在美国IEEE1609.4[10]标志以及最近出版的欧洲ETSI规范[4]规定的多通道操作。
这两个标准都考虑单无线电和双无线设备的部署，并提出了一些收发器配置选项。
1609.4标准是指定IEEE802.11p的MAC子层管理实体的扩展。
为ocb-enabled操作提供协调渠道。
它协调了单无线电设备的多通道操作，如图3所示。
设备总是调谐到同一信道（CCH或SCH）根据连续模式不需要任何渠道协调。
交流中的协调访问模式依赖于两个概念：
•交会信道（CCH），并定期对设备的调制
•信道时分复用成交替的CCH和SCH的间隔，标称长度为100毫秒完全同步的间隔，以满足大多数安全应用的要求
同步是通过从卫星发射来协调通用时间（UTC）信号实现。
在卫星定位系统上或临时不可用的情况下信号会损失（例如，隧道，城市峡谷，密树的街道），车载设备也可以基于从其他设备接收的定时信号使用一个分布式的同步方法立即存取。
允许立即切换到SCHS.不需要等待SCH间隔。
扩展的访问允许连续通信即在SCHS中没有CCH访问停顿。
这些计划的目的是为了促进SCH间隔期间大量的非安全数据的交流。
即使1609.4标准没有明确限制CCH和SCH信道使用任何特定的流量类型（除IP包不允许在CCH上使用），到目前为止，假设认为在SCH和CCH上传达控制和安全信息以及DSRC服务。
这种方法的主要优点之一是利用单无线电设备的能力参与安全数据交换以及SCHS提供的其他服务利润。
这样的能力被认为是特别有吸引力的，作为一个初步的部署策略，以推动DSRC的市场渗透。
另一方面，这个默认的部署选项驱动的工作，解决信道切换效率低下的问题，这是存在于下一节扩散有关的课题。
识别效率低下要求美国运输部（DOT）和防撞（CAMP）车辆安全通信2（vsc2）[11]联盟共同探讨一种新的部署选项，该部署必须明确不与1609.4冲突和符合FCC的决定的通道172的使用。
在此基础上重新解释，CCH仅仅是用在管理信息的交换上，包括WSAS，在其上1722致力于V2V安全交通（BSMS）。
美国DOT2012八月开始长达一年的模型部署、装备近3000辆汽车与DSRC设备发送172频道的机制。
该模型的部署，在几年来的基础预计将形成美国关于实际车辆安全通信部署的DOT决定。
等待官方的决定，在文章的剩余部分，我们考虑部署选项应参照1609.4缺省的在CCH上对BSMS的解决方案，并实现172频道上的fcc-compliant机制。
在美国可能的收发器配置如图4所示（顶部）。
在W1的收发器是专门调整配置CCH配置；W2收发器可以CCH和SCH之间切换；配置W3收发器可以调整到任何SCHS；在配置w4收发器是调谐专门通道172（W4可以看作是连续的一种特殊情况在SCH模式）。
在一个单一的无线电设备配置W4不包含在172频道传送的任何信息；这意味着所有类型的安全信息需要这个传递渠道，不仅包括V2V基础设施的信息（例如，路口防撞）。
双无线设备使用所提到的组合收发器的配置：
基于考虑[11]，一双无线装置下面的默认假设有无线电和配置配置W2和W3（在SCH间隔），而FCC兼容的双无线装置可以使用一个在配置无线配置W2和W4等。
该收发器配置由ETSI[4]定义如图4（底部）。
配置T1的收发器用于专门调谐CCH。
T2和T3的收发器配置可以根据需求采用任意its-g5a或G5B频道调谐。
除了在拥塞的情况下，当SAMS发送Sch1（T2）或SCH3（T3）时服务公告通常在CCH上传播。
Single-radio安全只有在T1操作站配置；单射频非安全站在T2或T3操作站配置；多安全站有一个收发器配置T1操作。
多通道操作：
问题与对策
相关的多通道管理的主要面临的挑战以及相关建议的对策的关键分析，以及他们的长处和短处的总结如下。
交换体系的低效率
与信道切换相关的弱点主要是单无线电设备在默认的W2配置下运营，基于之前假设CCH包含控制和安全信息。
在FCC兼容设备的情况下，相对于他们的消失，CCH和SCH和ETSI的ITS站之间第二广播转换，的识别效率低下不那么重要了。
频谱利用-切换设备在调整到另一个信道过程中，当排队的数据包产生的“错误”的信道间隔时，暂时冻结一个给定的信道上的所有运行活动。
在单无线设备的情况下，默认的1609.4个交替访问，主要关注点是信道容量差，相比总是在一个渠道的情况下超过一半的不利影响是安全消息的延迟（由于延迟到期导致最终下降，）和非安全大数据的缺失的风险。
信道切换还可以发生在fcc-compliant设备配置W2收发器中；然而，在这种情况下，不利的影响是相当有限的：
机制将不受影响，因为一个总是在信道中传输，除非在切换无线电接口上使用扩展或直接访问模式否则安全数据的问题仍然存在。
关于ETSI、点播切换等重要问题是在相邻通信设备之间的同步，而不是关于效率低下的频谱利用。
事实上，因为开关不安排在同一瞬间，节点附近找不到对方，但根据估计出的信道负载触发由DCC决定。
图5。
接收功率在目标节点在相邻干扰在不同距离的传输与–10至10dBm的功率（NS-2模拟Nakagami传播模型和衰落参数m=3）。
对策----建议的解决方案的目标是交互的开关器件，并单独分别解决数据安全和非安全数据紧缺的问题。
关于事件驱动消息的产生，它可以发生在任何信道间隔。
在SCH间隔期间[12]危险事件发生时立即通过检测设备通知临近车辆在所有的SCHS上实现顺序切换。
其主要缺点是中断SCHS上正在进行的持续传输。
由于切换的发生，尤其是在密集网络上，定期的安全信息也会受到影响。
众多车辆发送运动学的informafigure4。
WAVES（顶部）和ETSI（底部）收发器的选择。
方法[13]可能对CCH造成拥堵。
在[14]的信道上通过给拥挤的路段分配较低的带宽在和不安全的交通高峰进行动态控制时间。
从而实现动态的CCH/SCH工作周期调整。
为了避免非安全数据缺失，IEEE1609.4规定了直接的和扩展的切换方案。
对于非安全应用程序的好处是显而易见的[15]，但是，在早期的在CCH上的BSMS的融合标准下，定期的安全信息将这些节点不定期切换到CCH过程中丢失。
使用情况应明确规定，使这些开关模式不会成为道路安全的威胁。
[16]暂时停止的车辆（例如，在加油站和十字路口上的暂停车辆）是为停止时使用扩展访问的最佳选择。
在[17]多无线电路边单元（RSU）在所有的SCHS上广播交通报告，使在其覆盖接收安全信息范围内的所有车辆调谐到SCH上。
这个解决方案的缺点是，从附近的车辆得来的信息，是不同于RSU邻居的状态消息，可能会丢失。
其他一些方案提出了提前为非安全数据采用交替切换模式时预留带宽，但他们需要保留节点协调[参考文献18]。
在信道间隔边界处的异常--在每个信道间隔开始处，切换车载设备可以在“错误”的时间间隔产生分组队列：
常规状态信息或WSAS准备在CCH中批量传输，非安全数据在SCH中传输。
随之在一个信道间隔的开始处[1]产生的同步帧碰撞增加与争用设备的数量和每个设备的数据包的数量。
交换有另一个副作用：
在一个信道间隔结束时的带宽损耗。
如果剩余的信道间隔时间不够长，以适应现任的数据包传输，标准建议将其传输延迟到下一个同步间隔。
这浪费了信道带宽，并导致更长的时间访问延迟。
这两种类型的异常是相关的1609.4个交替模式的同步开关的大问题。
相反，当交换是（因此可能是异步的）ETSI的需求配置，或当它不涉及大量的设备，如用172频道的配置机制，则该问题变得不那么重要。
为了抵消同步冲突对策--1609.4标准规定，在访问信道间隔开始的信道之前积压的节点进行随机退避。
这有助于避免，但不能预防，碰撞。
如果可以减少碰撞：
则该应用程序是已知的切换通道，并通过数据包的MAC层，只有在适当的信道间隔[13]。
在整个间隔中，为了提高时间分集[19]，而不是被集中在信道间隔的开始，数据包传输尝试被分配。
前者的解决方案是利用在最新版本的1609.4，而后者则不能适用于任何流量类型（例如，事件触发消息）。
即使这样的解决方案已被提出为单无线电交流开关设备，它们也可以同样适用于第二
兼容的双射频装置的收发信机。
为了减轻在信道间隔端的带宽浪费，碎片计划可以使用[20]，以适应数据包的大小，以便实现切换前的剩余时间的最佳使用。
然而，数据包的寿命有界的同步间隔（例如，安全消息），既不分散也不排队，他们只能被丢弃，以避免传送过时的信息。
广告服务
信道，数据包丢失，和碰撞可能会阻碍广告信息的成功接收（WSAS或SAMS）上通过防止用户了解附近的供应商所提供的服务的CCH。
如果安全信息也发送CCH（作为默认假设1609.4和ETSI配置），
这个问题是更重要的，由于更高的潜在的拥塞，但是，调节广告消息的排放也是一个关注的收发器的配置与专用通道172。
WSA（SAMS）频率越低，车辆所花费的时间来检测供应商/服务的时间越长。
由于短暂的车辆接触和RSU作为提供者，导致问题的存在。
（除非有人认为每个RSU提供渠道和服务是静态的和已知的各车辆）。
此外，在符合FCC标准的双无线电设备中，调谐CCH/SCH占空比在转换接口中是关键。
由于约束一个100毫秒长的同步间隔时会放宽当将BSMS移动的CH172，CCH间隔时间应调整到能为一个节点的快速检测提供充分的服务时间（短时间情况下，实现车辆到基础设施的连接）的同时最大化非安全数据交换。
在ETSI配置，包含广告发布，但DCC机制应该减轻在CCH的开关下的拥塞并在其他渠道重载CCH组装条件。
措施---增加广播公告可靠性，1609.3个标准的建议发送多个消息，但没有指定消息副本[8]的编号和调度。
如果安全信息和广告在CCH上发送，调整公告重复的数量/频率是至关重要的对于成功的安全消息传递和车辆检测附近的供应商能力之间的权衡。
直观地说，服务公告的数量越高，检测提供商的概率越高，但交通负荷和碰撞概率越高，对安全信息的潜在不利影响。
在[21]提出了一套解决方案，以加强广告传播可以忽略不计的开销。
主要的想法是，车辆从提供者接收WSA承载在自己的常规状态消息的SCH信息上。
即建议基于对CCH传输机制的早期设计的假设，对其他设备的部署选项解决隐藏终端和WSA损失引起的有用拥塞（例如，由于信道的错误）。
[21]的技术的另一个有益的效果是，从供应商的一二跳节点可以利用车辆从该接收的扩展状态消息作为对提供程序本身的中继。
具有相同的目标，该解决方案可以应用在ETSI框架采用凸轮式信道信息来宣布收到的SAMS。
通道选择
IEEE1609.4和ETSI规范建议的数据传输选择最拥挤的通道。
这是指服务渠道在美国的选择，而在欧洲，这是一个更广泛的问题，还包括互动与DCC机制。
而标准程序来测量信道的拥塞和选择目标SCHS没有在1609.4中指定、信道拥塞检测和测量被认为是由ETSI作出的，在优先考虑的its-g5aSch1关于Sch2队列，并准备在its-g5bsch483队列[4]中。
尽管ETSI提供了更多的细节、SCH的选择仍然是一个由设备可以切换在T2和T3频带配置要求不同的问题。
在一般情况下，收发信机的配置不同于默认的1609.4模式，应进行调查，是否设备切换的同时要求广告SCH或可以切换异步并且尽快收到WSA/SAMS。
在RSU作为供应商的情况下，SCHS的选择可能是一个小问题。
网站许可证或离线判决可以用来固定SCH和减少附近设备之间的抗干扰。
相比之下，有许多情况下，车辆也可以作为供应商（例如，车辆配备了多接口收发器作为附近的设备的网关）。
随着移动运营商，渠道选择是更具挑战性，由于以下几个因素：
•可用地位低一些（4在欧洲，6在美国），这限制了非干扰SCHS的选择概率缺乏一个中央权力，在非视线内分配渠道或协调供应商之间的选择。
•提供流动性可能带来互惠的无线电覆盖供应商使用相同的SCH中和SCHS选择的有效性。
对策--文献中的几部作品在解决SCHS选择问题时注重1609.4架构；他们依靠SCHS选择的节点之间的初步谈判，通常在其他更符合标准的CCH上；其他更符合标准的解决方案中，利用传统的广告传播SCH的入住信息。
在第一节的几点建议中，在[22，23]扩展请求发送（RTS）/清除发送（CTS）分组交换通信设备之间的CCH洽谈适合双方的SCHS。
在接收到RTS/CTS，其他节点不在预留的信道传输。
经过协商，节点在选定的SCH上异步打开，显著改善无冲突的传输的吞吐量。
这些解决方案的缺点，如果应用在默认模式，由于握手程序导致在CCH上的信令开销，可以使安全关键信息损坏。
此外，异步开关可能是由传统的单无线电开关设备传输丢失安全消息的原因。
在[24，25]提出的解决方案，遵循1609.4的转换规则，并利用传统的广告服务，没有额外的开销。
在[24]接收WSAS的数量作为衡量SCHS阻塞。
在[25]中增强的WSAS提供供应商之间的合作即关于附近的供应商预留的SCHS的广告信息。
这两个解决方案可能会受到不可靠信道负荷估算的影响，因为一个WSA保留给定的SCH接收不是在该频道上的实际负荷。
这些方案也可以应用于FCC标准的双无线装置的切换界面。
在ETSI通道选择的工作仍处于起步阶段；然而，这将是非常具有挑战性的。
DCC方案，执行一个分布式的方式，给出了用于发送或转发一个数据包的信道的指示，根据所测得的信道负载。
由于衰落，隐藏终端，和传播障碍，相邻的设备可以感觉到一个不同的负载，因此调整到不同的渠道，会受到可达性，公平性和负载平衡的负面影响。
因此，合作方式为[25]的负荷估计在ETSI是可用的。
多跳通信
多跳转发在超越一个节点直接传输范围的信息传播中起着至关重要的作用（例如，在相关地区代理denms），或延长RSU的服务范围。
在一般情况下，附近的节点需要调整到同一个通道，在同一时间，使多跳通信，但协调相邻节点之间的的多跳切换决策是艰难的。
WAVES规格不提及如何处理多跳通信。
关于安全性的传播，由于安全数据是在一个给定的信道传输（CCH或172频道），在美国最大的问题并非信道选择相关的，而是对广播的可扩展性控制和低吞吐量相关，如果包需要通过中继节点。
在ETSI标准[4]下考虑多跳操作，多跳允许在CCH（例如，一个DENM）和Sch1上进行，（如果他们不在拥挤的国家）在这种情况下，消息传递在Sch2。
如果所有的在its-g5带宽信道拥塞，多跳是不允许的。
非安全相关要求多跳功能的应用在its-g5b渠道上除非他们拥挤。
在所有这些情况下，多跳的问题是信道选择的节点协调。
在欧洲，由于DCC驱动的渠道选择，这是本地执行无集中控制。
CCH，作为IEEE1609.4设备的集合通道也可能由ETSI设备提供，可以帮助协调相邻设备之间的传输。
对策——在VANETS上多跳转发的相关工作目前忽略多通道操作并且针对单通道数据分布（例如，安全）。
只有少数工作已考虑多通道问题，主要是指在W2单无线电节点配置。
在[24]开拓方案的设计中（现已废弃）一个BSS（WBS）的概念之前，考虑数据设置传输和转发。
基于这样的理念，每个在SCH上的代理广播数据在CCH上只在通过WSAS初始化自己的WBS。
该方案存在的事实是，一个WBS提供商在WBS的潜在用户的数量没有反馈。
它可以发生在一个提供商已加入其WBS的转发分组上没有用户，所以转发可能是由于缺乏进一
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