低傳輸延遲特性發威　WAVE/DSRC提升行車安全

DSRC為連結車輛與車輛(V2V)和車輛與路側裝置(V2R)間的通用射頻(RF)通訊技術，其針對車用環境支援公共安全(Public Safety)與私人營運(Private Operation)之中短距離通訊服務。各個國家分配予DSRC使用之頻段不盡相同，美國聯邦通訊委員會(FCC)於1999年決定將5.9GHz(5.850～5.925GHz)頻段分配予汽車通訊使用。

圖1為美國5.9GHz DSRC的頻段規畫，其以10MHz頻寬為單位，將75MHz頻寬劃分成七個頻道，並由低頻至高頻分別給予172、174、175、178、180、182與184之頻道編號。頻道178為控制頻道(CCH)，剩餘的六個頻道為服務頻道(SCH)，其包含兩個公共安全專用服務頻道(頻道172為車輛與車輛間公共安全專用服務頻道，頻道184為交叉路口公共安全專用服務頻道)、兩個中距離公共安全/私用共享服務頻道(頻道174與176)，以及兩個短距離公共安全/私用共享服務頻道(頻道180與182)。

資料來源：IEEE 802.11 WAVE SG，工研院資通所整理(2011/06) 圖1　美國5.9GHz DSRC頻段規畫

美國材料試驗學會(ASTM)於2002年批准採納5.9GHz為規格制定頻段的DSRC標準E2213-02，並於2003年將新版標準E2213-03送交FCC，經同意後成為北美地區DSRC標準。此外，ASTM亦將該標準推往電機電子工程師協會(IEEE)以促成IEEE 802.11p標準的誕生。

WAVE/DSRC所表示的即是IEEE 802.11p與IEEE 1609系列標準所構成的DSRC技術，與其他DSRC技術相較，具有低傳輸延遲(0.0002秒)、高傳輸距離(1,000公尺)與高傳輸速度(27Mbit/s)等特性。由於車輛行駛的過程中環境變化迅速且駕駛人對於周遭狀況之可反應時間短暫，為達到有效之交通事故預防與安全警示以提高車輛行駛之安全性，車間通訊環境對於資訊傳遞延遲時間的要求特別嚴苛。

表1列舉出許多高優先權安全性應用與自由流動收費(Free-Flow Tolling)應用的通訊範圍與延遲時間需求，大部分應用所要求的延遲時間低於0.1秒(s)，而碰撞前感測(Pre-Crash Sensing)應用則更進一步要求其低於0.02秒。相較於現有的藍牙(Bluetooth)、無線區域網路(WLAN)、蜂巢式通訊系統(Cellular System)、無線都會網路(WMAN)、衛星通訊(Satellite)等無線通訊技術(表2)，WAVE/DSRC的0.0002秒低傳輸延遲特性不但能夠符合上述行車環境安全性應用的需求，更因而被視為車間通訊的最佳無線傳輸技術，使用於提供安全與非安全性的行車服務應用。

WAVE/DSRC國際標準底定

WAVE/DSRC技術底層採用IEEE 802.11p標準，而上層則採用IEEE 1609系列標準。圖2為WAVE/DSRC系統的標準架構圖，對應至開放系統互連參考模型(OSI Reference Model)，IEEE 802.11p標準制定實體(PHY)層與資料鏈結層中的媒介存取控制層(MAC)的通訊協定，而媒介存取控制層中的多頻道運作(Multi-Channel Operation)至應用層之通訊協定則由IEEE 1609各個子標準所規範制定。

資料來源：IEEE 802.11 WAVE SG，工研院資通所整理(2011/06) 圖2　WAVE/DSRC系統標準架構

IEEE 802.11p標準名稱為WAVE，其考量行車環境中迅速變化之物理特性與短時間訊息交換的需求，以修改IEEE 802.11a-1999標準的ASTM E2213-03標準為基礎，修訂IEEE 802.11-2007標準。

IEEE 802.11p實體層採用正交分頻多工(OFDM)技術，運作於頻寬10MHz的5.9GHz(5.850～5.925GHz)頻段，並調整載波等相關參數以對抗多重路徑衰減。在媒介存取控制層部分，IEEE 802.11p跳脫IEEE 802.11標準原有的基本服務集(BSS)概念，並捨棄身分認證(Authentication)、聯結(Association)或資料機密性(Data Confidentiality)服務，讓WAVE設備間能夠直接進行資訊交換，以避免建立基本服務集時所造成的延遲時間。

此外，也修改增強分散式頻道存取(EDCA)機制參數及新增WAVE設備間時間同步機制，以更進一步增進資訊傳遞的時效性。制定完成的IEEE 802.11p標準文件已於2010年7月公布。

IEEE 1609系列標準以IEEE 802.11p標準為底層通訊技術，發展媒介存取控制層以上的標準協定，以建立行車環境中V2V與V2R通訊之統一標準規範，其各個子標準名稱與目前制定狀態如表3所列，其中IEEE 1609.4、IEEE 1609.3與IEEE 1609.2為主要的核心標準。

IEEE 1609.4標準補充IEEE 802.11p標準中媒介存取控制層的功能與服務以提供WAVE設備間的多頻道運作，其中包含頻道路由(Channel Routing)、資料傳輸優先權(User Priority)、頻道協調(Channel Coordination)與頻道存取(Channel Access)等部分。頻道路由部分負責將邏輯鏈結控制層(LLC)傳遞下來的資料訊框(Frame)送往其所要求的頻道佇列中。資料傳輸優先權部分則是在每個頻道上使用IEEE 802.11-2007標準所規範的EDCA機制。

IEEE 1609.4標準建議控制頻道運作採用IEEE 802.11p標準所規範的預設EDCA參數，而服務頻道運作則可同樣採用預設參數或者自行定義使用的參數。訊框在傳送前，利用同一組EDCA參數進行內部與外部兩次頻道競爭。

在頻道協調部分，IEEE 1609.4規範以同步區間(Sync Interval)為單位劃分每秒內的頻道存取時間(圖3)，每個同步區間由一個控制頻道區間(CCH Interval)與一個緊接著的服務頻道區間(SCH Interval)所組成，每個頻道區間的預設長度為50毫秒(ms)，其起始為保護區間(Guard Interval)，用以含括頻道切換與同步所需的時間。

資料來源：IEEE Std 1609.4-2010 圖3　IEEE 1609.4標準所規範的頻道區間

控制頻道區間用於控制通道上傳送/接收供應商特定行為(VSA)、時間公告(TA)等的管理訊框，而網際網路通訊協定(IP)資料訊框則規範於服務通道區間內於服務通道上傳送/接收。IEEE 1609.3所定義的WAVE短訊息協定(WSMP)訊框，則不受上述規範所限制，可在控制通道與服務通道上傳送/接收。

資料來源：IEEE Std 1609.4-2010 圖4　IEEE 1609.4標準所規範之頻道存取方式：(a)連續存取，(b)交替存取，(c)立即存取，以及(d)延展存取。

然而，立即存取與延展存取方式在應用註冊時就須指定，且執行一次後就必須恢復成交替存取方式。制定完成的IEEE 1609.4-2010標準文件已於2011年2月公布。

IEEE 1609.3標準規範網路層與傳輸層的協定與服務，提供WAVE/DSRC系統的定址(Addressing)與資料傳遞(Data Delivery)服務，讓許多上層應用存取WAVE通訊服務以達到WAVE設備間的多頻道運作。

在資料層面(Data Plane)部分，IEEE 1609.3標準規範IPv6的使用，並支援用戶資料通訊協定(UDP)與傳輸控制協定(TCP)。IP資料使用的傳送頻道、功率(Power)與資料速率(Data Rate)則事先設定於傳送端設定檔(Transmitter Profile)。

此外，IEEE 1609.3也制定WSMP以因應行車環境中低延遲時間的應用需求。上層應用程式可依其所需設定每個WAVE短訊息(WSM)的傳送頻道、功率與資料速率，而底層僅依據供應服務代碼(PSID)即可判別是否為所要的資訊，此運作模式有別於傳統TCP/IP的作法，適用於具及時性資料的傳輸。

在管理層面(Management Plane)方面，IEEE 1609.3規範服務要求與頻道存取配置處理、資料傳遞管理、WAVE服務公告(WSA)監控管理、IPv6環境參數設定及管理資料庫(MIB)維護。WSA為IEEE 1609.3所制定的資料結構，其用以公告目前提供的服務。制定完成的IEEE 1609.3-2010標準文件已於2010年12月公布。

IEEE 1609.2標準規範WAVE/DSRC系統中所使用的安全訊息格式和處理程序，包括安全WAVE管理訊息機制與安全應用訊息機制，其同時也描述支援核心安全所需的管理功能。WAVE/DSRC應用中的安全問題往往是最值得關注的，這些應用所提供的服務都必須具有抵禦竊聽、偽造、修改與重送攻擊的能力。

IEEE 1609.2標準規範的安全子系統(圖5)負責維護每一層安全相關資訊，以及對WAVE管理實體(WME)維護一系列的安全資料儲藏所(SDS)，並在整體安全資料儲存所(Global SDS)中維護與整體安全子系統相關的安全資訊。IEEE 1609.2標準定義SDS中應包括的資訊、使用與更新SDS時所需的處理程序，以及相關的服務存取點(SAP)。

資料來源：IEEE P1609.2/D9 圖5　IEEE 1609.2規範的安全子系統架構

此外，每一個WAVE裝置都具有憑證管理實體(CME)負責與憑證機構(CA)通訊，並處理與上層相關的安全管理訊息，以確保上層的WME都有最新的憑證。IEEE 1609.2標準運用電子憑證使通訊雙方得以認證。憑證是由公正第三方(TTP)，即憑證機構所核發的簽署文件，其包括至少一個公開公鑰，以及此金鑰的許可列表。目前，IEEE 1609.2標準文件之內容已大致底定，正在進行投票審查與最後修訂之程序，預計於2011年底完成並公布。

WAVE/DSRC應用範疇廣

隨著WAVE/DSRC標準的制定，各家廠商也陸續開發出符合IEEE 802.11p與IEEE 1609系列標準的車載設備(OBU)與路側設備(RSU)，且相關的WAVE/DSRC應用也隨之而生。WAVE/DSRC裝置主要特性為其訊號傳輸範圍約可達1,000公尺，能夠在極短的時間內完成訊號傳遞以滿足急迫時限內須完成的應用處理，並可直接與其他車上設備、路側設備，甚至是行人手持設備進行通訊。在相對速度200公里下，資料傳輸依舊能保持穩定不斷訊。

圖6概略顯示車輛透過WAVE/DSRC裝置所能應用的情境，主要可分為安全、便捷與舒適三大方面，而安全中的e-Safety此種急迫性需求的應用是其他無線技術所無法達到，這也是WAVE/DSRC技術的優勢所在。

圖6　WAVE/DSRC應用範疇

e-Safety代表行車環境中透過V2V或V2R的通訊溝通方式所達到的公眾安全應用，其應用情境(圖7)可能包含前方車輛緊急煞車或發現交通事故時通知後方車輛、事故車輛或道路施工地點通知其他車輛，以及應用於十字路口監控的紅綠燈通知是否有車輛或行人闖紅燈等。這些情境都可將緊急訊息在極短的時間內快速通知後方或周遭車輛，讓相關駕駛將有充裕的反應時間來避免意外的發生。

圖7　e-Safety應用情境

除了e-Safety外，在安全方面，行車交通路況亦是所有車輛駕駛人所關注的。如何提供駕駛人獲得道路交通資訊，有效避開壅塞與事故路段，是壅塞避免系統(Congestion Avoidance System, CAS)(圖8)與緊急通知系統(Emergency Alert System, EAS)(圖9)被開發的目的，其亦為WAVE/DSRC的應用情境。

圖8　壅塞避免系統

圖9　緊急通知系統

壅塞避免系統為V2R通訊方式的應用系統，其利用每一個路側設備收集經過車輛所偵測到的探測資訊如方向、速度，並且將這些探測資訊送到區域交通伺服器(LTS)以融合形成交通資訊。接著，將這些交通資訊經由路側設備傳送給經過車輛，如此每一位駕駛即可動態地獲得整體即時交通資訊，進而避免道路的壅塞。

而緊急通知系統則為V2V通訊方式的應用系統，當駕駛發現前方有事故或其他事件發生時，可透過觸控式螢幕中的警告按鈕(Alert Button)發送緊急訊息給其周圍即將進入的車輛以避免意外事故的發生。其他車輛所接收的緊急訊息，除了可以文字描述外，也能以影像方式呈現。

在便捷方面，高速公路電子收費系統(ETC)為WAVE/DSRC可應用的情境，其主要透過通訊交易完成扣款收費，車輛必須搭載電子收費車載設備及無線通訊裝置，當車輛行經電子收費閘門上的路側設備所定義好的收費區域時，雙方便會自動以無線通訊的方式使用特定的頻道通報後端的扣款模組。扣款模組將根據車載設備的識別碼與使用者事先登錄的車型種類、扣款帳戶等資料，進行扣除通行費用的程序。

ETC建置的好處包括無需額外的占地面積及人員、節省能源消耗、減少廢氣排放與環境汙染、降低車輛零件損耗、降低收費管理成本等。可作為ETC通訊的媒介有很多，主要以DSRC為主，如紅外線(Infrared)、無線射頻辨識(RFID)等。台灣目前的高速公路ETC系統即使用紅外線為基礎的DSRC技術，但是紅外線較容易受天候影響，以及光的直向性限制，而WAVE/DSRC是採用專屬於車用系統的獨立頻段，傳輸速率也較有保障，能夠做到在短距離內可靠且迅速的資料傳輸，因此更適合處理高車流密度的網路環境。

在舒適方面，WAVE/DSRC技術不但能用以提供影音與上網等通訊服務，也可搭配目前車子所在地點提供導覽服務。即時景點導覽系統(圖10)主要用於呈現車輛所經過地點附近的景點資訊。路測設備負責播送景點的內容資訊，當車輛進入其通訊涵蓋範圍即可接收景點相關資訊。呈現的影音文字內容，可包括目前所在地理位置、鄰近的景點、與目前行使位置最近的景點照片與文字說明等，以作為景點導覽資訊。

圖10　即時景點導覽系統

行車環境將獲改善

車輛將成為住家與工作場合外的第三個智慧空間，未來人、車、路與環境中的終端設備(如車載設備、手機和可攜式設備等)、服務中心、服務設施、路側設備等將透過異質網路整合，形成網網相連狀態，使分散的資訊得以融合，促使用車人與車輛及周遭環境的互動。WAVE/DSRC技術的低傳輸延遲特性，將使其於行車環境中扮演重要的角色，並以達到用車人的安全、便捷與舒適為最終目標。

(本文作者任職於工研院資通所車載通訊與網路部)