IEEE 802.11p日形完備　車載資通訊網路環環相扣

美國材料試驗協會(ASTM)為了發展專用短距通訊(DSRC)技術，因而針對北美地區不同廠商的電子收費系統(ETC)技術進行評估。電子收費系統特色在於採用915MHz頻段、利用分時多工存取(TDMA)，以及配備主動式車載單元(OBU)作為通訊方式。如圖1所示，由於915MHz僅能支援0.5Mbit/s傳輸速率，且傳輸距離僅有30公尺；因此美國聯邦通訊委員會(FCC)決定將5.9GHz這個頻段資源應用在汽車通訊上，使DSRC規範可支援6M～25Mbit/s傳輸速率，傳輸距離更提升為數百公尺。

圖1　車用無線網路頻帶使用示意圖

當ASTM確定DSRC規範E2213-02時，便將5.9GHz採納為規格制定頻段，並決定採用IEEE 802.11a作為傳輸技術。而ASTM將E2213-03標準移往IEEE，也促成IEEE 802.11p的誕生。

IEEE 802.11p又稱為車用環境無線存取(WAVE)技術，目前規格制定進度為6.0版草案。在5.9GHz頻段上使用，此頻帶上有75MHz的頻寬，以10MHz為單位切割，將有七個頻道可供操作。其中一個頻道為控制頻道，其他則為服務頻道。

利用IEEE 802.11a規格作為實體層(Physical Layer)通訊技術，IEEE 802.11p相關應用以DSRC原先所規畫的方向為主，並加強車用安全，包括碰撞警示或道路危險警示等。為了在運輸方面無縫、可和諧操作的服務，WAVE網路服務提供車載裝置、管理服務以及各協定層之間的資料傳遞，其標準包括了IEEE Std 1609.1、IEEE Std 1609.2、IEEE Std 1609.3、IEEE Std 1609.4、及IEEE Std 802.11等。  

WAVE系統中的1609.3為網路服務，以開放系統互連(OSI)通訊堆疊來看，是相對應於第三層與第四層架構，目的為提供WAVE系統的位址及路由服務，使得上層的應用服務能與下層通訊協定銜接。1609.4為多頻道操作(Multi-channel Operation)，包括控制頻道(CCH)及服務頻道(SCH)的操作、優先權參數存取、頻道交換及路由、管理服務及多頻道選擇。1609.2則提供對應用程式及管理訊息的安全加密功能。  

WAVE發展至關重要  

IEEE 802.11p的發展具有兩項特性，一是相容於其他規格並與IEEE 1609系列規格相輔相成；二則是對IEEE 802.11a規格作部分的修正，讓設備可應用在高速移動上傳輸資料。  

802.11p重視技術相容性

為了避免規格不一，使得市場接受度受到影響，IEEE 802.11p除了與ASTM E2213-03相容之外，也與ISO組織下制定車用規格的TC204(ITS)WG 16建立溝通管道，TC204 WG16也決議將支援最終的IEEE 802.11p版本。TC204 WG16制定的CALM M5，主要規範車輛在快速移動時，車對車通訊、不斷線通訊與多媒體影音下載等應用。

CALM M5採用5GHz頻段，因此也是利用IEEE 802.11a作為傳輸技術。當然，CALM還有其他版本，有利用2.5G與3G作為通訊技術的CALM Cellular等。

由於這些車用規格在制定時講究互通性，使車載設備與道路系統在未來布建與使用上，具有較經濟的效果。若部分區域已經先布建了其他規格的道路系統設備，即便使用者採用的是IEEE 802.11p車載設備也可以利用既有的路側設備(RSU)作DSRC應用。  

此外，由於採用的是IEEE 802.11規格，因此也可以利用戶外的熱點(Hotspot)作為上網途徑。頻道178為控制頻道範圍，為任何車載設備皆可存取之頻帶，而其他頻道存取皆由服務提供設備來指派。IEEE 802.11p負責規範MAC/PHY標準制定，並與IEEE 1609系列規範車輛系統資訊的架構達到相輔相成。  

802.11p規格與時俱進  

接下來分別針對IEEE 802.11p實體層與媒體存取控制(MAC)層所增訂的部分作說明。  

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實體層

在實體層中，由於WAVE車載設備必須耐高溫與抗酷寒，所以在制定標準時，規格明確定義產品能運作的溫度範圍分別為辦公室環境(0～40℃)、工業環境(-20～+50℃、-30～+70℃)以及汽車與戶外環境(-40～+85℃)。使用正交分頻多工(OFDM)系統作為底層通訊媒介，並操作在5.850G～5.925GHz頻帶上，若頻道的頻寬為10MHz，所支援的傳輸速率分別為3、4、5、6、9、12、18、24及27Mbit/s；若頻道的頻寬為20MHz，所支援的傳輸速率分別為6、9、12、18、24、36、48、及54Mbit/s。 另有分別為BPSK、QPSK、16QAM及64QAM等四種調變方法，搭配二分之一及四分之三的編碼率作為底層傳輸的規格設計。如圖2所示，實體層於封包傳送過程中所附載的標頭訊框格式以及幫助系統同步並增加穩定可靠度的前置碼(Preamble)。前置碼包含十短兩長的訓練序列(Training Sequence)，並於實體層標頭欄位記載傳送速率與傳送長度等資訊。 圖2　實體層匯聚協定前置碼與訊框格式示意圖

‧	媒體存取控制層
	圖3表示WAVE系統運作的環境，其中包含OBU以及RSU，而在RSU後端有著骨幹網路(Backbone Network)與後端伺服器連接，由後端伺服器觸發前端RSU發送廣播訊息，例如與交通安全相關訊息、通告RSU連線能力以及如何存取RSU後端伺服器資源。 圖3　WAVE系統運作示意圖 車輛行駛於道路上，可連接至網際網路，如圖4所示，道路設備可透過接口(Portal)連線至網際網路，而車輛形成一基本服務集合(BSS)，此服務集合又稱車網服務集合(WAVE BSS)，其中車載設備藉由道路設備提供具服務品質的媒體傳輸。設備中所包含的車用電子設備包含計算機(如電腦)、介面設備(如電子收費設備、螢幕輸入輸出設備)，具有一無線通訊天線設備做為連接道路設備之用。而道路設備則藉由線路連線至網際網路，將車載設備所傳輸的資料傳至遠端伺服器。 圖4　車輛與網路連結示意圖

WAVE系統之通訊協定堆疊如圖5所示，IEEE 802.11p工作小組會議討論，各別將車用無線網路協定分為WAVE媒體存取層與WAVE實體層。為了解資料傳送的優先等級如何分類與如何進行傳送服務，針對其服務的服務品質(QoS)與WAVE管理實體(WME)的管理訊息資料庫(MIB)設定頻道切換(Channel-Switch)，使媒體控制層將欲傳送的資料分配到有優先等級的佇列中並等待傳送，藉由競爭的方式獲得可以傳送的頻寬，再將資料透過實體層傳送出，以完成資料傳送的流程。

圖5　WAVE 通訊協定堆疊示意圖

值得注意的是，IEEE 802.11p新增一個有別於信標訊框(Beacon Frame)的時間廣播訊框(圖6)，作為通告OBU如何與RSU同步、RSU的連線能力以及QoS等參數資訊之用途。其型態為管理訊框，子型態為時間廣播訊框，而訊框內容為數個資訊單元，各別為時間標籤、連線能力、所支援的傳輸速率、國家頻率使用規範、加強型分散式通道存取參數設定、功率限制、時間廣播資訊、擴充連線能力以及製造商資訊。

圖6　時間廣播訊框結構

存在於WAVE環境中有進行兩種目的車載設備，但其使用方式必須決定於MIB中的dot11OCBEnabled(Outside the Context of a BSS)旗標。若旗標為真，則進行IP資料存取服務；若旗標為偽，則進行快速資料交換服務目的，如時間廣播封包或WAVE短訊息封包。  

若以進行IP資料存取為目的，OBU必須為BSS的成員，才可進行IP資料存取，但在成為BSS成員前，需要進行認證服務程序，將是非常耗時的程序。若以進行快速資料交換服務目的，OBU不必為BSS的成員亦可進行資料存取，亦毋須進行認證與連結服務程序。  

IEEE 802.11p定義了兩種操作頻道，一個是控制頻道，另一個為服務頻道。控制頻道是用來傳送廣播資訊與建立連線，支援短資訊的廣播與訊息傳送，而其他的資料交換則在服務頻道進行。服務頻道上相互溝通的可為路旁設備與車載設備亦或車載設備與車載設備。而頻道上的訊息交換必須根據優先等級的參數決定傳送的順序，表1為規格對於dot11OCBEnabled旗標致能後，所定義的QoS之參數設定，是為了達到高優先權資料能有較高的機會傳送之目的。其中Arbitrary Inter-Frame Space(AIFS)表示WAVE系統所採用的QoS設定中的任意訊框間隔數目。

表1　預設加強型分散式通道存取參數設定表

Telematics產業目前上層應用主要仍以安全議題為考量，透過結合先進資通訊技術來保障行車安全。IEEE 802.11p標準的成長與獲選為北美DSRC的規格選項是十分值得關注與投入的研究議題。  

(本文作者任職於資策會新興智慧研究所)