一个基于IEEE802.11p 标准的WAVE 模型样机

基金项目：美国国家科学基金会 (National Science Foundation, 1002113 and 0821503)

    汽车已在地球上以一种自控和孤立的模式运行了超过一百年。汽车是最昂贵复杂的日常用品，而汽车技术则代表了一个时代或一个国家的工业制造水平。在被人们称为信息时代的今天，汽车已经发展到需要相互实时通信构成网络的时刻。汽车互连的技术翻开了汽车发展的新篇章，同时也开辟了通信网络技术的一个全新领域。车载网络将极大地改善交通环境，尤其是在安全性、有效性和方便性方面。车载网络为未来的智能交通系统的建立提供了物理基础，并为最终人类实现自动驾驶的梦想奠定基础。

    另一方面，交通状况的日益拥挤和交通事故的不断攀升的是现代社会面临的重大挑战。堵塞的交通造成能源消耗增多、时间浪费严重并严重地影响人们的生活质量。交通事故致死是许多国家和地区人们非自然死亡的首要因素。由于经济的快速发展和城市化，中国的交通问题日益严重并有进一步恶化的趋势。目前，汽车对外部环境信息的探测接收主要取决于驾驶者的生理感知能力。车载网络可以远距离感测交通状况，快速地传递安全信息和扩展感知信息并最终向零交通事故方向努力。实时全面的智能交通信息能有效地改善交通状况，是一个公认的比简单靠增加基础设施更为有效和经济的手段。以无线通信为核心的车载网络能够跟大程度上消除由于驾驶者的客观失误造成的事故。

    事实上，基于无线通信的汽车互连技术已经有二三十年的历史，过去被称为专用短距离通信(DSRC)。基于IEEE 802.11p的车辆通信环境下的无线接入(WAVE)系统采用正交频分复用(OFDM)技术来实现车与车和车与路面设备的宽带高速的无线互连。正交频分复用技术是当前无线通信的主流，并广泛地应用于包括无线局域网(如Wi-Fi)和长期演进系统(LTE)等主要的无线网络系统。WAVE是DSRC的最新版本，也是Wi-Fi应用范围的进一步拓展[1-5]。

1 车辆通信环境下的无线接入系统

    本文不讨论正交频分复用技术本身的技术特点而着重讨论与车载环境相关的技术难点。

1.1 移动信道
    WAVE系统设计的首要任务是5.9 GHz移动信道的测量和建模。这个课题经被频繁地提到但并未得到真正地重视和满意地解决。目前的文献仅仅局限于报道实际的信道测量结果并未建立一个被广泛认可的WAVE信道模型。同时，IEEE 801.11p标准也未推荐相关的信道模型。目前的信道模型都未考虑各种真实的信道条件。例如，几乎所有的无线通信系统都假设收发信机被分别放置在足够远的位置，接收机处于传播区或远场区。实际上，在车载网络中，很多时候收发信机的距离小于菲涅耳距离，接收机处于菲涅耳区或近场区。传统的路径损耗加多径的描述可能不再适用。同时，天线的位置和体积以及车的金属外壳对信道的影响也应考虑。车载网络的信道非常复杂，需要仔细分类、建立和验证理论模型及大量的实际测试。总之，这是一个开放和急需研究的课题。

    除信道模型外，另一个重要的课题是研究多普勒频移及其对正交频分复用信号的影响。尤其是当汽车跨越路边设备的时候，多普勒频移的极性会在一个极其短的时间内反转，从导致其后的信号在解调时产生较大的误码。图1所示为一个仿真实例。图1仿真环境为车速125 km/h，信道存在视距(LOS)信号和10条多径信号。每条多径信号的幅度与视距比均小于-10 dBc。

1.2 关键技术
    车载网络的特征在于时变的信道、时变的用户数量和时变的网络拓扑结构。但是另一方面，汽车的运行轨迹是预知和确定的并且对无线设备的体积和功耗有较宽松的要求。WAVE系统的关键技术难点包括：

• 支持非竞争信道分配的媒体访问控制(MAC)协议用于实时性很强的安全信息传递。
• 基于地理位置的快速跨区转接技术。
• 采用多天线系统实现空间分集和空域的并行传输。
• 软件无线电结构兼容包括Wi-Fi和LTE系统的多模模式。
• 感知无线电实现空白频谱的搜寻和预测。
• 基于分组交换的网络和支持服务质量(QoS)。
• 强大的信息安全技术和方案。
• 网络的自组织和多跳路径的建立和选择。
• 有效的人机交互接口，包括如何及时有效地提供可靠的，足够而不多余的警示信息。
• 系统级基于物理设备的模拟环境。
• 支持未来电动汽车的营运，能及时汇报电池用量。

收稿日期：2011-03-15

2 车辆通信环境下的无线接入模型样机
    2011年，密歇根大学迪尔拜分校车载通信和网络中心完成了一个基于现场可编程门阵列(FPGA)的WAVE模型样机。该样机采用软件无线电的结构并兼容LTE模式。其相关的系统框图、主要功能模块、测试环境和结果分别由图2、图3、图4、图5、图6和表1、表2所示。

3 车载网络仿真软件
    密歇根大学迪尔拜分校车载通信和网络中心还完成了一个基于C/C++的车载网络仿真软件。该软件是目前唯一一个集成地理信息、信道模型、信号格式和网络协议的车载网络仿真软件。图7和图8演示的是有关该软件用于微观和宏观仿真时的情形。有关车载仿真软件更多的相关信息和功能，请访问作者的网页http://www-personal.engin.umd.umich.edu/~xwd/。

4 结束语
    文章介绍的基于WAVE的RSU/OBU模型样机系统和车载网络仿真模型可以用于相关的研究和开发及组建小规模的WAVE网络。样机的基带算法和MAC协议采用VHDL语言编写，实现功能模块寄存器级的描述，可以用来作为下一步实现芯片设计的模板。

    有关移动信道的测量和建模及车载环境下样机的性能报告，请访问作者网页http://www-personal.engin.umd.umich.edu/~xwd/。

5 参考文献
[1] XIANG W. Enhanced carrier frequency offset estimator,US, 20090080576 [P]. 2009-03-26.
[2] XIANG W,  RICHARDSON P, GUO J. An invited paper: Introduction and preliminary research on wireless access for vehicular environments technology [C]//Proceedings of the 3rd ACM/IEEE Annual International Conference on Mobile and Ubiquitous Systems: Networks and Services (MOBIQUITOUS’06), Jul 17-21, 2006, San Jose, CA,USA. New York, NY, USA: ACM, 2006: 8p.
[3] XIANG W, RICHARDSON P, WALKENHORST B, et al. A high-speed four-transmitter four-receiver MIMO OFDM testbed: Experiment results and analyses [J]. EURASIP Journal on Applied Signal Processing, 2006(1):1-10.
[4] XIANG W, WATERS D, PRATT T, et al. Implementation and experimental results of a three-transmitter three-receiver OFDM/BLAST testbed [J]. IEEE ?Communications Magazine, 2004, 42(12): 88-95.
[5] XIANG W, PRATT P, WANG X. A software radio testbed for two-transmitter two-receiver space-time coding OFDM wireless LAN [J]. IEEE ?Communications Magazine, 2004,42(6): 20-28.

[摘要] 基于IEEE 802.11p 标准的车辆通信环境下的无线接入(WAVE)系统为未来的智能交通系统建造了功能性架构，旨在安全性、有效性和方便性方面极大地改善交通环境。文章阐述了WAVE系统的背景、关键技术及其对社会的深刻影响，报告了密歇根大学迪尔拜分校车载通信和网络中心进行的相关研究和进展，包括一个基于现场可编程门阵列(FPGA)的WAVE模型样机和车载网络仿真软件。

[关键词] 专用短距离通信；正交频分复用；移动信道；多入多出；智能交通系统

[Abstract] Wireless access in vehicular environments (WAVE) systems based on IEEE 802.11.p will be the infrastructure for intelligent transportation system applications that improve transport safety, efficiency, and convenience. This paper discusses the background, technical challenges, and broader impacts of WAVE systems and reports on recent activities at the Center for Vehicular Communications and Networks at the University of Michigan-Dearborn. These activities include research into a WAVE prototype based on field programmable gate array (FPGA) and research into a vehicular network simulator.

[Keywords] edicated short range communications; orthogonal frequency division multiplexing; mobile channel; multiple-input multiple-output; intelligent transportation system