根據電機電子工程師學會(IEEE)的定義，目前掌管行車通訊的IEEE 802.11p規範修定版草案已正式將行車環境下對無線區域網路(WLAN)的支援增訂為802.11標準。
IEEE 802.11p主要為車對車(C2C)或行車載具之間(V2V)的通訊應用，其中V2V亦即所謂特定短距通訊(DSRC)(圖1)，兩者均以無線射頻辨識系統(RFID)或IEEE 802.11p為主要傳輸標準。而對IEEE 802.11p而言，其最大挑戰來自於對頻段的取得及多通道衰減(Fading)的效應。
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| 圖1 DSRC之頻譜使用 |
V2V著重於行車載具之間或載具與道路裝置之間的通訊，其特定應用包含過路費收取、交通號誌紅燈時段的廣播服務或設定熱點(Hot Spot)以作為地圖、行車路線及路況等資訊的傳遞。此外，遇交通事故時，自靜止車輛發出主動式事故警訊以警告後方來車亦為其延伸應用之一。而由於低失誤率必須由高品質的測試作為保證，尤其對IEEE 802.11p此一攸關人身安全之應用而言，更是如此。
WLAN帶槍投靠WAVE
IEEE 802.11p是802.11-2007標準的修訂版，11p之實體層(PHY Layer)取材自此標準之正交分頻多工(OFDM)部分，其與廣為人知的IEEE 802.11a有著相同的實體層定義。在IEEE 802.11p修訂版中，針對PHY及媒體控制層(MAC Layer)僅作小幅修改，其主要目的在於為行進中車輛建立快速且牢靠的通訊傳輸模式。
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IEEE 802.11p及802.11a/g均採用OFDM調變．802.12b因非採用OFDM，故不納入比較。從表1中可以看出IEEE 802.11a/g相關參數綜覽，包含調變及編碼率等。 表1 IEEE 802.11調變參數一覽
IEEE 802.11a採用OFDM傳輸技術，其中包含八種不同的傳輸速率。而為求傳輸系統的容易實現，IEEE 802.11a定義了六十四個載波，但真正被使用的只有其中五十二個。四個前導載波(Pilot Xarrier)負責傳輸固定封包，其餘的則負責資料部分。312.5kHz載波間距(Carrier Spacing)構成標準16.6MHz的訊號頻寬(圖2)。
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| 圖2 IEEE 802.11a頻譜示意圖(載波VS.時間) |
載波上的資料每4微秒(μs)會有不同內容，但引導封包(Preamble)不同，其時槽長度為8μs。
脈衝訊號始於引導封包，其內含接收端用以作為頻率校正(Frequency Correction)及通道預測(Channel Estimation)的訓練序列(Training Sequence)。緊接著的訊號區塊4μs包含調變、傳輸長度等其他資訊，而最後的PLCP服務資料單元(PSDU)則包含資料部分。
在四十八個資料載波中，每一個均可支援BPSK、QPSK、16QAM或64QAM等調變。結合不同的編碼率(Code Rate)，則可得到一般所謂6M～54Mbit/s的傳輸速率。圖3所示包含各不同的星座圖(Constellation)，符號b表示位元串流(Bit Stream)在各個星座點上的分布。
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| 圖3 IEEE 802.11a載波星座圖 |
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IEEE 802.11-2007標準定義了三種不同的實體層模式，即20MHz、10MHz和5MHz。這些不同的模式可藉由降低時脈、取樣速率來得到。IEEE 802.11a通常使用最高的工作時脈模式，即20MHz，至於IEEE 802.11p與802.11j則使用10MHz模式。在此須注意的是，所有5、10、20MHz模式均定義於IEEE 802.11標準。藉由降低IEEE 802.11a訊號的取樣速率及工作時脈，將可得到和802.11j/p相同的實體層。
10MHz模式主要影響幾項參數，例如頻寬，為了使訊號對多重路徑衰減有更強的對抗能力，IEEE 802.11p通常採用10MHz頻寬；而20MHz則為選擇性使用。
而相較於IEEE 802.11a，IEEE 802.11p的載波間距僅為其一半寬度。至於符碼長度也增加兩倍，亦使得訊號更強於對抗多重路徑衰減。而關於頻率，IEEE 802.11p的工作頻率通常介於5.8GHz及5.9GHz頻段．然根據不同國家、地域主管機關的規範要求，700MHz及900MHz頻段亦巳被使用或正被討論中。
與IEEE 802.11-2007規範相比，除了工作時脈，IEEE 802.11p在鄰近通道抑制(ACR)及頻譜放射遮罩(SEM)上亦做了改變。ACR的值在IEEE 802.11p上更顯嚴格。表2為IEEE 802.11a與IEEE 802.11p在實體層的參數設定比較。 表2 IEEE 802.11a與802.11p實體層參數設比較
額外的SEM在IEEE 802.11p標準中的10MHz及5MHz模式都有定義．每一個頻寬均定義了四種不同的頻譜放射遮罩及四種不同的功率等級，如功率A、B、C與D(表3)。IEEE 802.11p在10MHz頻寬下，功率等級A的SEM與802.11j的SEM是相同的。 表3 IEEE 802.11p功率等級
在WLAN中，峰值功率頻譜密度(PSD)通常被用來當作訊號的參考功率，所有量測結果的補償均以PSD做為參考。也因此頻譜遮罩通常以dB相對值(dBr)作為表示。在IEEE 802.11p，其通道頻寬為10MHz，而頻譜遮罩寬度的定義則是以每一通道的中心頻率為基準，向左右各位移15MHz，如圖4。若通道頻寬為5MHz，則底下的SEM於IEEE 802.11p的修定版亦有明確定義 (圖5)。
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| 圖4 IEEE 802.11p頻譜遮罩(10MHz通道間距) |
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| 圖5 IEEE 802.11p頻譜遮罩(5MHz通道間距) |
對於各產品於ACR的表現，IEEE 802.11p修定版有更嚴格的要求。表4所列為根據802.11-2007標準，針對OFDM實體層ACR的規格定義，而表5則提供11p修定版對於ACR值的要求。請注意，如同IEEE 802.11p修定版的其他規範，目前這部分亦僅屬於草案階段，尚未被正式接受。以上dB值的定義為訊號平均功率與鄰近通道平均功率的相對值。 表4 IEEE 802.11-2007之ACR值
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表5 IEEE 802.11p修定版之ACR值
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圖6所示為IEEE 802.11a/g/p封包格式的簡易總覽，其他詳盡資料可參閱IEEE相關標準，在此不再贅述。
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| 圖6 IEEE 802.11a/g/p封包格式 |
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IEEE 802.11p修定版中的MAC層亦屬於IEEE 802.11-2007標準的一部分．IEEE 802.11的MAC層與PHY層是相互獨立的，但兩者在概念上均屬於管理單元，一般亦稱MAC層管理單元(MLME)與PHY層管理單元(PLME)。
在此作業模式下的管理服務擷取點(Management Service Access Point)即為下列站台管理實體MAC層管理單元服務擷取點(SME MLME SAP)、站台管理實體層管理單元服務擷取點(SME PLME SAP)與MAC層管理單元PHY層管理單元服務擷取點(MLME PLME SAP)。
IEEE 802.11p於MAC層管理單位中定義新的管理訊息資料庫(MIB)，當「dot11ocbenabled」的條件符合，額外的功能選擇或限制則會加註於IEEE 802.11p裝置，額外的功能選擇包括無認證服 務(No Authentication Service)、無取消認證服務(No Deauthentication Service)與資料保密(Data Confidentiality)。管理訊息資料庫dot11ocb位元對於IEEE 802.11中定義的PHY及MAC層並不會造成任何衝擊。 |
WAVE/WLAN量測齊頭並進
對研發人員而言，產品品質確認、量產測試、強制性法規測試及針對PHY/MAC層的廣泛性測試都是必要的。
為此，儀器製造商提供一系列WLAN量測儀器，從訊號產生器、訊號分析儀到無線通訊測試儀及通訊協定分析儀．當IEEE 802.11p被指定為手機應用，根據現實環境中，多重路徑衰減條件下的測試十分有用；有些儀器製造商亦為此在目前訊號產生器上加入即時性衰減干擾模擬，使得WLAN標準訊號能在同一台儀器上產生並加入干擾模擬。
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為執行實體層接收端測試，儀器必須產生標準訊號，列為標準的接收端測試項目包括參考感度(Reference Sensitivity)、動態範圍(Dynamic Range)、阻擾特性測試(Blocking Characteristics)、通道內感度測試(In-channel Sensitivity)、訊號衰減測試(Fading Impacts)與鄰近通道抑制測試(Adjacent Channel Rejection, ACR)等。 |
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IEEE 802.11p修訂版是針對車輛應用所設計，在移動的環境下，訊號衰減會對訊號接收品質造成莫大的影響，不只是通道本身特性將隨著時間快速變化，都卜勒(Doppler)效應亦隨著相對速度應運而生。
環境如此艱鉅，一個具備高度重覆性的即時性衰減模擬機制是必要的，也因此，對接收端進行現實環境的訊號衰減模擬測試才有可能。
IEEE 802.11a/b/g採用的是HiperLan衰減模式，對IEEE 802.11n而言，其將採用的衰減模式仍在制定中，而目前IEEE 802.11p並沒有定義任何的衰減模式。早期定義的衰減模式並非針對WLAN制定，而是根據各類型的無線通訊標準，如國際電信聯盟(ITU)衰減模式是針對全球微波存取互通介面(WiMAX)，而延伸性ITU衰減模式則是針對長程演進計畫(LTE)。以現在的儀器設備而言，除了巳經預設好的標準衰減模式外，僅透過一些參數的修改如速度、路徑數目及衰減種類等，即可方便迅速地產生各式客製化的衰減訊號。 |
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發射端測試主要分析待測物發出訊號之實體層參數，典型的發射端測試項目如發射功率(Transmit Power)、調變參數如調變(Modulation)及誤差向量幅度(EVM)、輸出頻譜測量如所在頻寬(Occupied Bandwidth)分析、帶外量測(Out-of-band Measurement)如鄰頻道洩漏功率比(ACLR)或寄生訊號(Spurious)。
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要驗證待測物是否符合IEEE 802.11p所規定的頻譜限制值，所量測到的頻譜必須與設定好的頻譜放射遮罩做比較。
儀器商目前巳提供兩種不同方式以進行訊號相對於SEM的檢測，在頻譜分析儀模式，一般的頻譜分析儀已內建不同技術標準相對應的SEM值供選擇，並提供使用者手動進行參數改修以得到不同的SEM；而透過WLAN功能選項分析，由於IEEE 802.11j的SEM與IEEE 802.11p功率等級A是相同的，IEEE 802.11j的SEM設定可直接用來作為IEEE 802.11p(功率等級A)的量測，兩個標準均使用10MHz頻寬模式。圖7是於5.9GHz之功率等級C頻譜放射遮罩。
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| 圖7 IEEE 802.11p於5.9GHz功率等級C之SEM表示 |
圖8所示為頻譜分析儀模式下，僅透過儀器面板的功能選項，即可輕易選擇所需的各式SEM設定。
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| 圖8 頻譜分析儀模式下之SEM值 |
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當儀器內部WLAN功能選項被啟動後，各類調變參數的分析亦隨之產生，包括調變品質(Modulation Quality)、EVM、I/Q不平衡、I/Q偏移、頻譜平坦度(Spectrum Flatness)、發射功率(Transmit Power)、載波間距、符碼長度(Symbol Length)、訊框長度(Frame Length)、頻率偏移(Frequency Offset)等。而WLAN於IEEE 802.11p之量測分析如圖9。
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| 圖9 WLAN IEEE 802.11p於10MHz頻寬之量測分析 |
如同IEEE 802.11a，IEEE 802.11p是IEEE 802.11-2007標準的一部分．而IEEE 802.11p修訂版採用IEEE 802.11-2007標準內的5MHz、10MHz及20MHz頻寬模式．IEEE 802.11p的實體層與IEEE 802.11a是相同的，差別僅在於所使用的取樣速率。由於IEEE 802.11p是屬行車間的應用，人身安全必須被高度重視，以上技術相關內容將協助設計人員以最標準的方式進行IEEE 802.11p相關量測。 |
(本文作者為台灣羅德史瓦茲協理)