车载通信多通道操作与共存

第7章 车载通信的多通道操作、共存与频谱共享

7.1 引言

自从合作式智能交通系统（C‐ITS）的专用短程通信（DSRC）技术问世以来，道路安全应用便受到汽车行业的青睐，被视为工业增长和革命性驾驶体验的重要推动力。当时，所有交通安全应用都涉及在单一通用的已知安全信道上传输与安全相关的消息——欧盟的CAMs/DENMs或美国的BSMs，以检测和预警道路危险（有关这些消息的详细描述请参见第5章）。鉴于该信道容量有限，大多数科学、标准化及工业研发（R&D）工作均致力于开发智能协同通信和网络策略，以缓解该信道上的拥塞问题。

然而，可供C‐ITS应用使用的信道不止一个。1999年，美国联邦通信委员会（FCC）为美国5.9GHz频段的C‐ITS分配了七个10 MHz信道；而2008年，欧盟的欧洲通信委员会（ECC）分配了三个10 MHz信道，并计划未来再分配四个额外的10 MHz信道。尽管这些频谱早已可用，且C‐ITS应用具有巨大的创新潜力，但现有的C‐ITS频谱并未得到充分利用。

协同智能交通系统（C‐ITS）应用在“第一天”部署中考虑的应用，例如Day One中的道路危险预警或交叉路口碰撞预警，已规定仅使用这些信道中的一个，即在欧盟称为控制信道（CCH），在美国称为172信道。然而，随着为“第二天”部署考虑的C‐ITS应用（如DayTwo中的自动驾驶或车队编组）的出现，以及专用短程通信（DSRC）与Wi‐Fi‐Giga或LTE‐Direct等非智能交通系统技术在未来共存的需求，预计将在5.9吉赫的C‐ITS频谱上实现公平且高效的使用，智能且动态的多信道机制将变得至关重要。

多信道机制具有三个目标。首先，它们允许通过将某些类型的流量分流到相邻信道，从而高效利用所有可用信道的资源。其次，它们为服务提供商（SPs）提供在不同信道上动态提供服务的机制，并使服务消费者（SCs）能够切换到相应信道以使用所提供的服务。最后，它们通过检测潜在的有害干扰并动态转移到其他信道，使各种技术能够在相同的频谱频段中共存。

描述这些机制的标准在美国和欧盟之间表现出不同的成熟度发展，尽管全球目标相同，但在某些方面存在差异。美国的70MHz频谱促进了多信道切换机制的早期发展，包括网络层原语。因此，IEEE 1609.4[21]描述多信道切换机制，以及IEEE 1609.3[22]描述多信道服务管理原语的标准早在2010年就已完成。在欧盟，较小的30 MHz ITS频谱则推动了在替代信道上开发智能流量卸载或中继机制。因此，欧洲电信标准协会（ETSI）提供了TS 102 636‐4‐2[15]描述专用短程通信（DSRC）网络层支持多通道操作，以及描述多通道拥塞控制机制的TS 103 165[17]。然而，这些欧洲电信标准协会标准在本章编写时仍在开发中。

使用C‐ITS信道取决于特定信道的接入限制，包括辐射和应用方面的限制。信道可以是控制信道、对任何C‐ITS服务开放的信道，或仅限于某一类C‐ITS应用的信道。在第7.2节中，我们将调研美国和欧盟不同的信道分配方案，强调它们之间的差异与相似之处，并描述不同信道在C‐ITS应用中的使用情况。

并非所有DSRC设备都具有相同的能力。存在多种类型，从仅支持静态或移动的设备，到能够切换或无法切换的设备，以及包含多个收发器或不包含多个收发器的设备。在第7.3节中，我们将回顾美国和欧盟不同的ITS站点及其能力。我们将描述车载单元（OBUs）与路侧单元（RSUs）之间的区别，以及它们接入不同类型信道的能力。

对于支持一个或多个收发器的专用短程通信设备，高效利用所有可用信道需要具备同步或异步信道切换机制、监控各信道负载并分流流量至可用信道的能力，并提供协同智能交通系统服务提供者和服务消费者在公共信道上会合以使用服务的机制。会合在第7.4节中，我们将进行全面概述，首先描述美国标准和欧盟标准中的多信道机制，重点介绍多信道切换机制及其在多通道拥塞控制和多通道服务管理中的应用。

最后，可用频谱在通信领域通常非常稀缺。当70兆赫被保留但未被有效利用时，会吸引其他技术的关注。因此，专用短程通信技术预计将需要共存，但某些协同智能交通系统应用的敏感性以及非智能交通系统应用的资源贪婪性，将使这种共存变得极具挑战性。在第7.5节中，我们将介绍这种共存背后的理由，从新型高速IEEE 802.11ac [26]标准的资源需求，到在5吉赫频段内实现智能交通系统与非智能交通系统设备之间高效且公平共存的潜在策略。

我们在第7.6节结束本章，并强调专用短程通信和协同智能交通系统应用在多通道操作和共存方面的未来挑战。

7.2 频率分配

协同智能交通系统（在美國也稱為專用短程通信）系統架構的基礎之一，是車對車（V2V）和車對基礎設施/從基礎設施到車（V2I）通信所使用的頻譜。在美国和欧洲，相关主管机构均已为此目的分配了授权频谱。本节将介绍这些频谱分配的详细信息，包括频率范围、信道化、功率限制和规定用途。幸运的是，这些细节中的许多内容在美国和欧洲是相同或相似的。频谱分配的协调有助于在两个地区部署共同的硬件平台。

7.2.1 美国的分配

在美国，美国联邦通信委员会（FCC）负责频谱监管。1999年，FCC分配了75 MHz的频谱，频率范围为5.850–5.925 GHz（通常称为5.9 GHz频段），用于智能交通系统（ITS），特别是专用短程通信（DSRC）服务。2003年，根据智能交通系统（ITS）社区和美国运输部（DOT）的意见，FCC发布了该频谱的许可和服务规则[28]。这些规则包括将频谱划分为七个不重叠的10 MHz信道，以及在低端保留一个5 MHz的未使用频带。如图7.1所示，这些10 MHz信道编号为从172到184的偶数。也允许在20兆赫信道175和181上运行，每个20兆赫信道与两个10 MHz信道重叠。每个信道都有最大传导功率和等效全向辐射功率（EIRP）限制；在某些情况下，公共（即政府运营）设备和私人设备有不同的功率限制。虽然这些功率限制通常允许33 dBm EIRP或更高，但关键应用通常使用的发射功率范围为10–20 dBm。选择较低的功率是为了实现所需的传输距离，同时避免在较远距离上造成过度干扰。

每个信道进一步分为控制信道或服务信道。在七个10 MHz信道的中间，信道178为控制信道。其余六个10 MHz信道被划分为专用信道，两个20兆赫重叠信道也被划分为专用信道。图7.1中未详细说明控制信道和服务信道的具体作用，但如下所述，这些区别对于美国的多通道操作至关重要。2003年这些规则还要求设备符合ASTM标准E2213‐03中定义的物理层（PHY）和媒体访问控制（MAC）子层协议。该标准于2010年被IEEE 802.11p‐2010无线访问车载环境（WAVE）修正案所取代[23]，该修正案是对广受欢迎的IEEE 802.11标准的补充。然而，美国联邦通信委员会（FCC）的法规尚未更新以要求符合新标准。802.11p修正案随后被纳入集成的IEEE 802.11‐2012标准中，该标准仍在持续进行修订和完善。在美国和欧洲的5.9GHz频段内，符合IEEE 802.11标准需要采用基本服务集（BSS）之外的通信模式，简称OCB模式，这是IEEE 802.11p修正案的主要创新之处（有关物理层和媒体访问控制子层标准的详细信息，请参见第3章和第4章）。

7.2.2 欧盟中的分配

在欧洲，欧洲通信委员会（ECC）负责频谱监管，欧洲委员会（EC）负责确保所分配的频谱在欧盟所有成员国中可用。2008年，欧洲通信委员会（ECC）决定[8]将5.875–5.905吉赫范围内的30兆赫频谱（通常称为ITS-G5A）用于仅限与安全相关的通信的智能交通系统（ITS），以及额外分配5.905–5.925吉赫范围内的20兆赫频谱（通常称为ITS-G5D）用于未来智能交通系统扩展。同样在2008年，欧洲通信委员会（ECC）建议[9]将5.855–5.875吉赫范围内的20兆赫频谱（通常称为ITS-G5B）用于智能交通系统的非安全通信。图7.2展示了欧洲通信委员会（ECC）的频率分配方案及其不同类别。与美国联邦通信委员会（FCC）的频谱分配一样，欧洲通信委员会（ECC）的分配也包括六个专用信道（SCH）和一个控制信道（CCH）。然而，它们在欧盟范围内的可用性以及使用方式上与美国联邦通信委员会（FCC）的分配略有不同。

如[10],中所规定，ITS‐G5A频段包含信道CCH、SCH1和SCH2，这些信道仅限用于智能交通系统道路安全相关通信。SCH3和SCH4位于ITS‐G5B频段内，intended for智能交通系统非安全通信。最后，SCH5和SCH6属于频率波段ITS‐G5D，保留用于未来智能交通系统扩展。在撰写本文时，根据2008年欧共体决议，ITS‐G5A频段是目前欧洲范围内唯一可用的智能交通系统频谱[1]。其他ITS频段（ITS‐G5B、ITS‐G5D）虽已分配，但该欧共体决议并未强制要求提供使用。在欧盟各成员国，这些频段可能可用，也可能不可用。

美国和欧盟之间的一个重要区别是，美国的BSM不在CCH上传输，而是通过FCC为此专门指定的172信道（一个SCH）进行传输，而欧盟类似的CAMs和DENMs则在CCH上传输。

FCC与ECC之间的另一个区别是，尽管ITS‐G5A频谱被限制用于安全相关通信，但并未限定于特定技术[1, 8]。原则上，如果除ITS‐G5之外的其他技术（例如3GPP LTE、WiFi‐Giga）能够在10MHz OFDM频道中为交通安全运行，则它们也可以在ITS‐G5A频段内运行。作为对ECC分配的补充，ETSI [10, 16]仍要求在ITS‐G5A上运行的技术必须在ETSI DCC [11, 17]机制的控制下运行，这些机制负责每包信号的发射功率和传输速率限制（参见第6章）。

如图7.3所示，ITS‐G5A、ITS‐G5B和ITS‐G5D频段中的每个ITS通信道都有谱功率限制[16], ，这反过来限制了可在其中运行的ITS应用。中心通信道和同步频道具有23 dBm/MHz的发射功率限制（在10 MHz频道上为33 dBm EIRP）。由于邻道干扰，SCH2的谱功率限制更严格，为13dBm/MHz（在10 MHz频道上为23 dBm EIRP），这将车际通信（IVC）限制为短距离传输。ITS‐G5C频段也遵循无线电局域网络 (RLAN) 频段（例如WiFi‐5）的谱功率限制，如[13]所述。

7.3 智能交通系统站类型及限制

智能交通系统站点根据其是移动的（安装在车辆上）还是静态的（作为路侧单元）而具有不同的功能。智能交通系统站点也可能配备多个收发器。因此，智能交通系统站点可以接入不同类型的信道，实现不同的多信道机制，并具有不同的发射限制。本节将描述美国专用短程通信设备的接入限制，以及欧盟智能交通系统站（ITS‐S）的接入限制。

7.3.1 美国的专用短程通信

专用短程通信设备必须获得许可才能在5.9GHz频段运行。美国联邦通信委员会将设备分为两种类型，每种都有其相应的许可状态。车载单元允许在移动状态下运行，并可在车辆或行人允许通行的任何区域运行，其许可根据美国联邦通信委员会法规第95部分由规则隐式授予。相比之下，路侧单元在运行时必须保持静止，并需明确获得特定站点或区域的运行许可，其操作规范由美国联邦通信委员会法规第90部分规定。车载单元可使用5.9 GHz频谱与其他车载单元或路侧单元进行通信。路侧单元仅被允许在5.9 GHz频谱中与车载单元通信。

2013年2月，美国联邦通信委员会发布了关于在5吉赫频段的不同部分运行无证设备的拟议规则制定通知（NPRM）[30]。在此拟议规则制定通知中，美国联邦通信委员会征求了关于无证设备（例如，IEEE 802.11或其他设备）与5.9吉赫专用短程通信频谱共享的可能性的意见，并规定任何无证设备均不得对专用短程通信设备造成有害干扰。

2006年，应智能交通系统（ITS）社区的再次要求，美国联邦通信委员会（FCC）更新了2003年的规定，为172信道和184[29]增加了特殊指定。172信道专门用于避免和减轻事故的车对车安全通信以及生命和财产安全相关的应用。因此，车辆将在172信道上交换基本安全消息（BSM），并发送和接收与此任务密切相关的其他消息（例如，交叉路口地图（MAP）或信号相位与配时消息（SPAT）1可能会由路侧单元（RSUs）在172信道上发送）。需要说明的是，在早期测试阶段，基本安全消息（BSM）曾在控制信道（Ch.178）上传输，但在2006年美国联邦通信委员会（FCC）作出决定后，操作概念发生了变化，目前在美国基本安全消息（BSM）已改在172信道上传输。

184信道专用于高功率、远距离通信，以支持涉及生命和财产安全的公共安全应用，包括道路交叉口碰撞缓解。该通道的一个关键应用是184是紧急车辆信号优先权。在此应用中，紧急车辆可以向信号控制器发送消息，请求设置信号状态，以便紧急车辆无需与其他流量竞争。使用高达40分贝的功率选项，可在许多情况下使该优先请求达到一公里或更远的距离，从而使信号控制器有时间安全地清空交叉路口。请注意，172和184信道仍被归类为专用信道，同时具有这些特殊指定。

7.3.2 欧盟的智能交通系统站

欧洲电信标准协会负责欧洲地区的智能交通系统站规划，无论是静态的路侧单元还是移动的车载单元。本节描述了在ITS‐G5频段内运行的智能交通系统站架构。

一个智能交通系统站可能包含一个或多个ITS G5收发器，每个收发器驻留在一个或多个ITS频道上。根据功能不同，智能交通系统站可分为三类：安全相关、交通效率和商业应用。ETSI规范中描述了智能交通系统站点的收发器（支持的ITS G5收发器的数量和类型）所支持的配置（工作频道和信道切换）[12]。撰写本文时，[12]正在重新开放以分配信道用于ETSI智能交通系统第二阶段应用。

为不失一般性，我们提供一种当前正在考虑的方法。

ITS‐G5上的车载通信应能够根据智能交通系统应用的要求在单个信道或多信道上运行。由于ITS‐G5收发器中不存在扫描模式，因此为每个收发器配置指定了一个基本频道。该基本频道对应于ITS‐G5收发器可能期望接收非请求流量的位置。

使用一个或多个ITS‐G5收发器的智能交通系统站应按照图7.4所示，将每个收发器运行在以下配置之一：

• 收发器配置1 (T1)：该配置对应于专用于安全相关智能交通系统应用的收发器。T1站点从不切换信道，必须严格保持在其分配的信道上。

• 收发器配置2（T2）：收发器可调谐至任意ITS‐G5A或ITS‐G5B信道。T2收发器可支持本章后续所述的同步或异步信道切换机制。

• 收发器配置3 (T3)：该收发器可调谐至任意ITS‐G5B或ITS‐G5C信道。它是唯一可在RLAN频段上与Wi‐Fi共享频谱的收发器类型。

欧洲电信标准协会（ETSI）规定，当车辆被视为in traffic时，任何智能交通系统站（ITS‐S）至少应有一个T1收发器持续调谐到控制信道（CCH），以发送和接收CAM和DENM。该条款存在不同解释。在欧洲，in traffic指发动机已turned on，无论车辆是否在行驶或处于静止状态，也不论其是否在道路上。

然而，T1 收发器并不局限于控制信道，也可以调谐到其他 ITS‐G5A 信道（服务信道1 和 SCH2）（如图7.4中未示出），用于车队编组或自动驾驶等其他安全相关应用。对于非安全相关和商业流量，则使用 T2/T3 收发器。

需要发送服务公告消息[18]，以便服务消费者了解服务提供者所提供的服务，且这些消息必须在众所周知的信道上发送给所有服务点和服务提供者。因此，T2/T3 收发器具有一个基本频道 服务信道3 ，用于接收服务公告消息，并可根据需要用于协调 ITS‐G5 与其他类型网络（Wi‐Fi、LTE 等）。

此外，T1和T2收发器必须支持ETSI动态信道切换规范，而T3收发器则不需要，因为T3主要在ITS‐G5C频段运行。最后，根据上下文，智能交通系统站可以重新配置收发器。例如，一个不被视为in traffic 的单收发器智能交通系统站可将其T1收发器重新配置为T2或T3收发器。

一个智能交通系统站由一个或多个ITS‐G5收发器组成，车辆或基础设施可能拥有一个或多个智能交通系统站。这带来了以下要求：

• 单个智能交通系统站，单个ITS-G5收发器—ITS‐G5收发器在流量中时必须为T1。当不在流量中时，可重新配置为T2或T3收发器。

• 单个智能交通系统站，多个ITS-G5收发器—在交通中时，至少有一个ITS‐G5收发器必须是T1类型，而其他收发器可以是不同类型。

• 多个智能交通系统站，多个ITS-G5收发器——至少一个智能交通系统站的至少一个ITS‐G5收发器在交通中时必须为T1，而其他收发器和其他智能交通系统站可在其他频段运行。

这种分类规定，ITS‐S的第一类配置只能支持在CCH上运行的安全相关应用。如果需要其他类型的安全相关应用，例如车队编组或高度自动驾驶，则必须至少配备另一个T1收发器。

在本章的其余部分，我们将描述用于T1、T2和T3收发器进行多通道操作的可用机制。

7.4 多通道操作

多通道操作是指在不同时间将给定的收发器调谐到不同的无线信道。它有时也被称为信道切换。鉴于DSRC（美国）或C‐ITS（欧盟）通信可用的信道数量较多，多通道操作是一种理想的替代方案，可避免为每个信道静态分配一台设备，或放弃某些未静态分配设备的信道的操作。本节描述了旨在促进5.9GHz频段内多通道操作的协议和流程。

7.4.1 美国法规：WAVE 1609.3 和 1609.4

如图7.1所示，美国专用短程通信频谱中划分了七个10兆赫兹和两个20兆赫兹信道。其中一些信道有特定用途，而其他信道可用于支持多种服务。大量的信道不仅提供了较高的总数据通信容量，还为将应用和服务分配到特定信道提供了灵活性。道路几何结构、交通流动、路侧单元位置、各种干扰源以及某一区域所支持的应用集合，可能决定在特定时间与地点采用某种信道分配方案，但这些变量的变化可能使得在其他时间或地点采用另一种分配方案更为理想。某一车辆或基础设施设备可能在不同时刻需要使用所有这些信道，但在任何较短时间内（数百毫秒），该设备很可能只需使用其中两到三个信道。虽然理论上可以设计配备九个无线电模块的设备，每个模块永久调谐在一个信道上，但这会造成资源的低效利用。IEEE 1609系列标准提供了一种智能且高效的替代方案。特别是IEEE 1609.4‐2010年多通道操作[21]和IEEE 1609.3‐2010年网络服务[22]标准定义了一种基于时分和信道切换的灵活方法。

7.4.1.1 信道切换原理

由于专用短程通信技术不支持Wi‐Fi scanning阶段，任何专用短程通信设备都必须以某种方式获知其可在哪个通道与其他专用短程通信设备相遇。对于基本安全消息，该通道是已知的（172信道）。但对于非安全服务，理论上可以使用其他任意通道。因此，IEEE 1609信道切换通过公告来传递服务信息。

从高层来看，IEEE 1609 信道切换采用以下范式。时间被划分为交替的间隔，所有希望参与的设备都与一个公共时钟同步，以便知道在任何给定时间哪个间隔处于活动状态。一种类型的间隔是控制信道间隔（CCH 间隔），另一种类型的间隔是服务信道间隔（SCH 间隔）。在 CCH 间隔期间，希望提供服务的设备（即服务提供者设备）和希望使用所提供服务的设备（即用户设备）都将无线电调谐至控制信道（参见图7.1），以便服务提供者可以通过 WSA 广播服务，而用户可以收听这些广播。这可称为会合操作，即设备在无需事先安排的情况下相互发现的一种方式。特定的 WSA 会指明服务提供者在哪个服务信道上提供服务。如果用户希望参与某项广播的服务，则在接下来的服务信道间隔期间，将无线电调谐至指定的服务信道，可能是通过切换之前调谐至控制信道的无线电实现。在下一个（或后续）控制信道间隔期间，设备再将无线电切换回控制信道，以再次监听广播的服务。

在这一高级别上可以发现，该范式支持单个无线电设备在任意或所有信道之间进行切换，以一次接入一个信道的方式访问所需服务。请注意，信道切换在IEEE 1609标准中是可选的。单无线电设备可以选择使用或不使用信道切换。设备也可能具有多个无线电，其中部分支持切换，而另一部分则不支持。一种预计在车载单元中常见的配置是配备两个无线电，其中一个静态调谐至172信道用于安全通信，另一个则遵循信道切换范式以接入其他服务。

IEEE 1609 标准描述了一种可选的内部机制，用户设备可利用该机制来管理其对服务的参与。设备的管理功能维护一个由设备高层发出的服务请求列表。如果服务请求列表中的某项服务出现在接收到的 WSA 中，管理功能将启动到 WSA 中指定的服务信道的信道切换操作。请求列表中的服务还可以注册优先级，当多个服务同时可用时，管理功能使用该优先级来仲裁请求。该标准规定了用于维护此服务请求列表的原语。服务请求列表是一种可选机制，不强制要求用于空中接口互操作性。

服务在 WSA 和服务请求表中通过提供者服务标识符（PSID）值进行标识。每个 PSID 值都与一个应用领域相关联。已分配 PSID 值的应用领域示例包括：车对车安全与感知、出行者信息和路边标志 和 电子收费。在撰写本文时，PSID 值到应用领域的分配记录在 IEEE 1609.12 标识符分配标准 [24] 中。未来，此注册功能可能由其他组织执行，例如 IEEE注册机构。

IEEE 1609工作组负责协调从与 ISO 和 ETSI 分配智能交通系统应用标识符（ITS‐AIDs）相同的编号空间中分配 PSID。PSID 是一个可变的

长度值，占一到四个字节。该格式在IEEE 1609.3中规定。PSID值也用于WAVE短消息协议（WSMP）（IEEE 1609.3）[22]和WAVE安全服务（IEEE 1609.2）[25]中。

应用领域在设计上较为宽泛。为了包含有关广播服务的更具体信息，WSA还可以为每个广播的PSID包含一个提供商服务上下文（PSC）字段。PSC是一个可变长度字段，最多31字节。PSC字段的格式取决于PSID值，由PSID值所分配给的组织（例如ISO或SAE）指定。

上述高层切换操作中，设备在每个 CCH 间隔 期间调谐至控制信道，在每个 服务信道间隔 期间调谐至服务信道，IEEE 1609 标准将此描述为 交替信道接入。如前所述，设备也可使用连续信道接入 无限期地调谐到一个信道。该标准还规定了另外两种信道接入模式：即时信道接入和 扩展信道接入。如果需要，后两种模式可以组合使用。图 7.5说明了四种信道切换原理。

在即时信道接入的情况下，当用户设备希望接入某个广播的服务时，会立即切换到指定的服务信道，而不必等待下一个服务信道间隔的开始。在扩展信道接入的情况下，用户设备会在一个或多个后续的CCH间隔期间保持调谐在指定的服务信道上，直到指定的时间间隔到期。当扩展接入完成后，用户设备将切换回控制信道。这些附加模式旨在降低接入服务时的延迟。服务提供者可以在WSA中指明其仅能在服务信道间隔期间提供服务，还是能够在CCH和SCH间隔期间均提供服务。用户设备在决定是否启动即时或扩展接入时可以利用此信息。给定设备可使用这些信道接入模式中的任何一种：连续、交替、立即或扩展，且某些设备将在不同时间使用不同模式。通过这种方式，IEEE 1609信道切换机制为用户设备接入专用短程通信服务提供了高度的灵活性。

长度值，占一到四个字节。该格式在IEEE 1609.3中规定。PSID值也用于WAVE短消息协议（WSMP）（IEEE 1609.3）[22]和WAVE安全服务（IEEE 1609.2）[25]中。

应用领域在设计上较为宽泛。为了包含有关广播服务的更具体信息，WSA还可以为每个广播的PSID包含一个提供商服务上下文（PSC）字段。PSC是一个可变长度字段，最多31字节。PSC字段的格式取决于PSID值，由PSID值所分配给的组织（例如ISO或SAE）指定。

上述高层切换操作中，设备在每个 CCH 间隔 期间调谐至控制信道，在每个 服务信道间隔 期间调谐至服务信道，IEEE 1609 标准将此描述为 交替信道接入。如前所述，设备也可使用连续信道接入 无限期地调谐到一个信道。该标准还规定了另外两种信道接入模式：即时信道接入和 扩展信道接入。如果需要，后两种模式可以组合使用。图 7.5说明了四种信道切换原理。

在即时信道接入的情况下，当用户设备希望接入某个广播的服务时，会立即切换到指定的服务信道，而不必等待下一个服务信道间隔的开始。在扩展信道接入的情况下，用户设备会在一个或多个后续的CCH间隔期间保持调谐在指定的服务信道上，直到指定的时间间隔到期。当扩展接入完成后，用户设备将切换回控制信道。这些附加模式旨在降低接入服务时的延迟。服务提供者可以在WSA中指明其仅能在服务信道间隔期间提供服务，还是能够在CCH和SCH间隔期间均提供服务。用户设备在决定是否启动即时或扩展接入时可以利用此信息。给定设备可使用这些信道接入模式中的任何一种：连续、交替、立即或扩展，且某些设备将在不同时间使用不同模式。通过这种方式，IEEE 1609信道切换机制为用户设备接入专用短程通信服务提供了高度的灵活性。

图 7.6说明了与 IEEE 1609.4 信道切换相关的时间划分。每个与 GPS 秒边界 同步的 100毫秒 周期构成一个 同步间隔。每个同步间隔的前 5毫秒 为 CCH 间隔，后 50毫秒 为 SCH 间隔。这些持续时间是标准中的默认值，并已在大多数测试中使用。该标准允许其他持续时间值，但要求 1秒 与 同步间隔 的比值为整数。

每个CCH间隔和服务信道间隔均以一个短的保护间隔开始。这是为了适应无线资源从一个通道切换到另一个通道的需求。建议参与信道切换的设备在保护间隔期间避免发送，因为接收器可能尚未准备好接收。默认保护间隔为2毫秒。

信道切换的另一个潜在复杂性在于，如果不加以特别注意，在某个 SCH（或CCH）间隔开始时，可能会有大量等待传输的流量。IEEE 802.11 MAC协议的信道接入过程将以一种可能导致帧碰撞水平异常升高的方式来仲裁该接入，相比之下，如果这些流量在整个间隔期间被分散传输，则碰撞会减少。为了缓解这一问题，当设备将数据包排队到尚未开始的特定 SCH（或CCH）间隔时，在该间隔开始时即声明信道为忙。这迫使信道接入采用IEEE 802.11退避过程，以减少碰撞数量。此外，鼓励发射机在整个间隔期间进一步分散其信道接入。

多项研究调查了IEEE 1609.4切换机制的性能。例如，在[20],中，洪等人研究了安全相关应用的性能，并提议对IEEE 1609.4标准进行轻微修改以提升其性能。迪·费利切等人在[7],中开展了类似研究，提议修改MAC过程以减轻切换机制的影响。王和哈桑在[31]中则评估了1609.4支持非安全相关的DSRC流量的能力。此外，还提出了多种其他方法，通过不同的同步或异步会合机制来增强切换机制。这些方法在[3]中进行了综述，并在[2, 4, 19]中进行了更详细的描述。

7.4.2 欧盟规范：ETSI ITS

欧洲电信标准协会（ETSI）提出的多通道操作与IEEE 1609.4和IEEE 1609.3有许多相似之处。然而，该方案与之前描述的站点架构存在根本性差异，后者要求至少一个ITS‐S T1收发器始终调谐在CCH上。因此，该T1收发器无法进行多通道操作。该提议的主要优势是最大化CCH上的安全相关通信容量。IEEE 1609.4中规定的同步信道切换机制在ITS‐S切换到SCH期间显著降低了CCH的信道容量。考虑到即使CCH的全部容量也可能不足以支持安全相关应用（见第6章），ITS‐S必须始终具备在CCH上接收的能力。

该方法的主要缺点是，如果ITS‐S还需要提供智能交通系统服务，则必须至少配备两个收发器。

与美国的情况相比，欧盟在撰写本文时只能有效使用三个10兆赫兹的信道。因此，拥有第二个支持ITS‐G5的信道切换以在其他两个专用信道上运行的优势，相较于将该ITS‐G5A收发器持续调谐在其中一个专用信道上而言，并不那么明显。因此，欧洲电信标准协会并未主要关注ITS服务管理。然而，考虑到从“Day One”应用开始控制信道上的频道资源稀缺，以及存在第二个ITS‐G5收发器持续调谐在另一个ITS‐G5A信道上的情况，欧洲电信标准协会专注于提供机制，通过在另外两个ITS‐G5A信道上进行流量卸载来缓解频道拥塞。因此，我们将首先描述多通道拥塞控制，然后简要介绍欧洲电信标准协会为多通道服务管理所设想的一般方向。

7.4.2.1 多通道频道担塞控制

在撰写本章时，描述欧洲电信标准协会（ETSI）多通道拥塞控制的标准仍在最终确定中。我们在此提供当前的趋势，但某些细节未来可能会有所变化。我们建议感兴趣的读者参考相应的标准[15, 17]。此外，在撰写本章时，关于安全相关流量在相邻信道上进行分流的性能研究非常少。其中之一由德·马蒂尼和哈里在[5]中提供。

如第6章（关于拥塞控制）所述，必须对CCH上的负载进行调控，以保持安全相关应用的通信质量。常见的调控机制包括调节发射功率或发送速率。然而，当信道负载达到极限，导致ITS‐G5 T1收发器必须丢弃数据包，或无法根据ITS应用要求生成数据包时，另一种方法是将这些数据包在替代信道上传输。

如图7.7所示，描绘了ETSI DCC管理架构，DCC‐net模块在管理平面包含一个多通道功能（MCF），在数据平面包含一个信道路由功能（CRF）。MCF旨在向CRF提供负载和剩余容量信息，以便CRF能够将特定业务类别（TC）卸载到相邻信道。所有智能交通系统站（ITS‐Ss）均知晓特定TC的主信道和替代信道，如图7.8所示，其中以两种虚构消息（自动驾驶消息（ADM）和去中心化定位消息（DLM））作为示例。该图显示，一个典型的业务类别，例如 TC3，在此对应高优先级CAM消息，其主信道为控制信道（CCH），服务信道1（SCH1）为次信道。为了不干扰次信道上的流量，被卸载的业务类别也可能降低优先级。例如，对应高优先级CAM的业务类别在SCH1上可能变为最低的ITS‐G5A接入类别（AC），以帮助缓解与对应ADM的业务类别 TC5的拥塞。主信道和次信道的选择，以及它们在ITS‐G5 AC中的优先级级别，不属于多信道机制的范畴。

因此，CRF 从 MCF 接收多通道操作下所有信道的负载和剩余容量，以及数据包的业务类别。如欧洲电信标准协会技术规范[15]和图7.9所示，

业务类别（TC）包含一个1比特字段信道偏载位（COB），用于指示生成该数据包的智能交通系统（ITS）应用是否允许多通道分流。若为否定情况，CRF将如第4章所述作为单通道DCC运行；若为肯定情况，则根据主通道上DCC功能的状态，该数据包可能在主通道上传输、分流至次级通道或被丢弃。

图7.10展示了多通道拥塞控制在调节安全相关信道负载方面的优势。为获得这些结果，已在iTETRIS智能交通系统仿真平台[27],上实现了多通道拥塞控制机制，并配置了表7.1中所示的信道负载监测和分流参数。更详细的结果见[5]。

每辆车以预期的10 Hz频率发送CAM，其中CAM的主信道和次信道分别为CCH和SCH1。当MCF指示CCH上的信道负载为50%，而SCH1上的信道负载低于50%时，CRF将所有CAM分流至SCH1。为了避免在信道负载略高于或低于50%时CRF在SCH1上出现振荡行为，引入了可配置的迟滞机制。如图7.10所示，该迟滞对应于目标信道负载的10%。在这种情况下，我们可以看到CCH上的信道负载首先增加，然后才开始逐渐向SCH1进行分流。如果不支持多通道分流，则可以看到信道负载达到30%。2但当触发分流后，由CAM消息产生的负载在CCH和SCH1之间共享，并且仅达到15%。

已考虑将 IEEE 802.11‐2012 中 802.11 空闲信道评估（CCA）阈值的默认值用于测量 ITS‐G5A 通道负载。

7.4.2.2 信道切换原理

在撰写本章时，欧洲电信标准协会描述多通道切换的标准仍在制定中。我们在此提供当前的趋势，但某些细节未来可能会有所变化。我们建议感兴趣的读者参考相应的标准[15, 17]。此外，在撰写本章时，关于欧洲电信标准协会信道切换标准性能的研究还非常少。其中之一由德·马蒂尼和哈尔林提供 [6]。根据图7.2所示的信道规划，服务可以在四个SCH上提供。欧洲通信委员会法规规定，仅允许在ITS‐G5A信道（SCH1和SCH2）上传输安全相关服务，而ITS‐G5B信道（SCH3和SCH4）也可用于非安全相关流量。服务管理（无论是否与安全相关）再次与IEEE 1609.3类似。一个服务提供方通过SAM [18]宣布智能交通系统服务的存在，并指明该服务及其可用的专用信道。 服务消费方若对智能交通系统服务感兴趣，则调谐到发送SAM的信道，然后转至指定的服务信道以使用该服务。因此，服务提供商和服务消费者必须首先会合进行服务通告，然后再会合到实际提供服务的位置。虽然SAM消息指明了智能交通系统服务将提供的信道，但服务提供方和服务消费方仍必须

就SAM的公共会合通道达成一致。在欧盟，发送SAM的通道对应于相应ITS收发器的基本频道（参见图7.4），并在本章其余部分中称为服务公告信道（SACH）。

如图7.8所示，并在第7.4.2.1节中描述，道路安全相关消息（如CAM或DENM）可以在次要SCH上卸载或中继。因此，要求在ITS‐G5A频谱上运行并支持多通道操作的ITS‐Ss（即图7.4中所述的T2收发器）必须监控这些信道。考虑到安全相关消息的生命安全相关内容，即使在卸载时，ITS‐Ss之间的信道切换也必须保持同步，以确保所有在ITS‐G5A上运行的T2 ITS‐Ss在安全相关消息被卸载或中继时处于相同的次要SCH上。该同步信道切换机制与IEEE 1609.4非常相似，但仅限于SCHs。

ITS‐G5A频谱的同步信道切换机制具有两个切换阶段，如图7.11所示：

• 安全：在对应于T安全的安全间隔期间，智能交通系统站处于SCH1信道上。

• 服务：在对应于T服务的 服务 间隔期间，智能交通系统站调谐到任何其他专用信道。

与IEEE 1609.4类似，智能交通系统站收发器在安全阶段和服务阶段之间交替，遵循两个时间间隔TSafety和TService，这两个间隔均可配置，但所有智能交通系统站均广泛知晓。DCC要求最小信道负载监测间隔Tmon为100ms。因此，TSafety和TService必须是Tmon的整数值。出于时间同步的原因，还将添加一个保护间隔Tgard，在此期间两个信道均不可用。最后，TSafety、TService和Tgard之和等于TSynch。

对于不在ITS‐G5A上运行的ITS‐S收发器，可在SCH上的严格且同步的 会合 可予以放宽。其原理与之前描述的同步机制类似，并在图7.12中进行了说明。其中，安全 阶段被SAM阶段取代，且仅要求ITS‐S收发器在全球范围内同时处于SAM阶段全局 。这具有两个优点：第一，ITS‐S无需同步即可在此模式下运行；第二，SAM阶段可以进行调整

在同步间隔TSynch期间的任何时间。SAM阶段的长度也没有严格规定，但必须足够进行信道负载监测。因此，TSAM> Tmon。

在SAM阶段，智能交通系统站之间的会合尚未实现统计上的强制性。SAM阶段的开始是根据一个在区间Œ0;.T偏移量Toffset内随机分配的时间T Synch TSAM/触发的。当ITS服务提供商宣布一项服务时，无法期望所有智能交通系统站都调谐到SACH上，但可以统计估计在SAM阶段任意时刻存在的邻近智能交通系统站数量为：N SAM Nb DNNb TSAM TSynch。此处描述的信道切换原理已在根据表 [27],7.1中所示参数配置的iTETRIS智能交通系统仿真平台 7.1上实现。图 7.13展示了T对在参考信道上发现邻居的概率的影响。考虑到ITS‐S不同步，在T时间间隔开始时强制执行SAM阶段，会导致在SAM阶段期间同时处于SACH上的ITS‐S数量出现较大方差。当应用时间偏移量后，可以看出方差显著降低，这对于ITS服务提供商而言是一个稳定性指标，表明可在SAM阶段于SACH上提供服务。更详细的结果见 [5]。

7.4.2.3 多通道服务管理

多通道服务管理是服务提供者或服务消费者根据前述的同步或异步信道切换机制提供和使用智能交通系统服务的过程。在本节中，我们提供了一个示例，说明这些机制如何相互作用，以支持服务提供者和服务消费者运行智能交通系统服务，该示例借鉴了欧洲电信标准协会的多通道操作机制，尽管在撰写本文时欧洲电信标准协会尚未对智能交通系统服务管理进行标准化。

如前所述，大多数智能交通系统服务需要预先在SACH上进行通告，服务提供者和服务消费者必须在此会合会合。因此，挑战在于评估服务提供者和服务消费者成功会合所需的时间，以及启动消费智能交通系统服务所需的时间。图7.14描述了这一过程，其中一个服务提供者向三个服务消费者提供服务。由于服务提供者在SAM阶段上未同步，因此需要经过多个同步间隔后，所有服务消费者才能与服务提供者同时处于SACH上。在第一个同步间隔期间，只有SC3接收到一个SAM，而SC1和SC2位于不同的信道上。在第二个同步间隔期间，SC2能够接收到一个SAM，但SC1仍无法接收。在本图中，我们还说明了一种可能性（尽管极不可能），即某个服务消费者（此处为SC1）始终无法接收到SAM。一旦服务消费者接收到SAM，它们就会切换到服务提供者SP1所提供的服务所在的SCH上。

因此，此过程所需的时间取决于各种标准（例如 TSynch；TSAM，SAM 的周期性等），其中一个重要的因素是：在发送 SAM 消息时，SP 和 SCs 是否已经位于同一个 SACH 上，还是需要进行切换。

服务通过SAM中的ITS‐AID进行标识。在编写本文时，尚无明确的流程或负责实体来管理ITS‐AID，该职责由各个标准组织（IEEE、ISO、SAE、ETSI）共同承担。现有ITS‐AID列表由ISO维护。3在编写本文时，ITS‐AID是一个占用三个字节的固定长度值，尽管目前有提案建议将ITS‐AID改为占用一到三个字节的可变长度值，以便在ETSI ITS数据包头部中进行分配。

我们在图7.15中展示了该ITS服务管理的性能。该服务管理已在iTETRIS智能交通系统仿真平台[27],上实现，配置了表7.1中所示的服务管理参数。横轴对应于仿真时间，绿色线条表示由ITS‐S执行的信道切换，纵轴对应于ITS‐S当前调谐的信道：纵轴标签1 对应SACH，纵轴标签0 对应服务提供者服务信道（SP‐SCH），而纵轴标签0.5 对应任何其他SCH。此外，在SACH（信道“1”）上的蓝色和红色圆圈分别表示正在发送和接收的SAM。在SP‐SCH（信道“0”）上的蓝色和红色圆圈分别表示正在发送和接收的服务提供者数据包。因此，通过观察蓝色圆圈到红色圆圈的转换，我们可以看到正在运行的服务管理机制。

在左侧（图7.15a）中，我们可以看到，由于SP和SC同时驻留在SACH上，只需一个SAM发送间隔即可切换到目标SCH（SP‐SCH）并消费服务。在右侧（图7.15a）中，由于SP和SC位于不同的SCH上，需要经过异步信道切换机制的多次迭代，才能使SC和SP在SACH上会合并切换至SP‐SCH。从时间角度来看，异步与同步信道切换机制之间的差异使得服务管理收敛时间相差达五个数量级。但需首先注意，该时间代价在很大程度上取决于SAM阶段时间TSAM和同步间隔TSynch。在此仿真中，TSAM D 200 ms且TSynch D 1s。更短的同步间隔自然会带来更快的会合收敛。此外，当SC或甚至SP位于不同信道时，也意味着它们正在消费或提供其他服务，因此这并不代表时间浪费。更详细的结果可参见[5]和[6]。

7.5 共存问题与未来挑战

2013年，美国联邦通信委员会（FCC）发布了关于非经营性国际五纳通信设备（U‐NII）设备使用5GHz频谱频段的拟议规则制定通知（NPRM）。Unlicensed National Inf ormation Inf rastructure(U-NII)采用IEEE 802.11协议的设备通常被称为Wi‐Fi，是最常见的U‐NII设备类型。为Wi‐Fi设备提供更多可运行频谱的需求是FCC发布该NPRM的主要动因。该NPRM将5 GHz频段划分为多个子频段，如图7.16所示。此前FCC已允许在以下子频段中进行U‐NII操作：U‐NII‐1、U‐NII‐2a、U‐NII‐2c和U‐NII‐3。该NPRM提议对这些频段内的U‐NII操作进行多项变更，并探讨是否应在之前未允许U‐NII操作的U‐NII‐2b和U‐NII‐4子频段中允许U‐NII操作，以及应基于何种条件允许。5 GHz频段中的U‐NII操作有时被称为频谱共享，因为U‐NII设备使用的频谱在这些子频段中是主要分配给持照许可设备的。根据FCC规则第15部分的规定，U‐NII操作不得对任何持照通信造成有害干扰。

图7.1中所示的 5.9 GHz DSRC 频段被美国联邦通信委员会（FCC）根据拟议规则制定通知（NPRM）指定为 U‐NII‐4。该频段以主要、许可的方式分配给专用短程通信服务以及某些雷达和卫星服务使用。IEEE 802.11ac‐2013[26]修订版定义了利用 80 兆赫兹和 160 兆赫兹通道带宽的高比特率 Wi‐Fi。Wi‐Fi 社区特别希望获得对 U‐NII‐4 频段的接入。U‐NII‐3 和 U‐NII‐4 子频段的组合将允许额外增加一个 80 兆赫兹通道和一个 160 兆赫兹通道，两者的上限频率均为 5.895吉赫兹。在专用短程通信频段内进行频谱共享的可能性引发了专用短程通信社区的重大担忧。许多专用短程通信利益相关方担心，使用该频段的U‐NII 设备会干扰专用短程通信的安全关键型任务。

一项类似的提案被提出，以允许Wi‐Fi无线局域网在欧洲的智能交通系统G5频谱（图7.2）中运行。2013年9月，欧盟委员会授权欧洲邮电行政大会（CEPT）调查该问题。该任务被分配给CEPT频谱工程第24组（SE-24：短距离设备）。该提案在欧洲面临的主要限制与欧洲标准化委员会（CEN）为收费分配的专用短程通信频谱有关，该专用频谱无法与其他共享其专用频谱的技术共存。截至撰写本文时，SE‐24仍在研究协同智能交通系统与无线局域网设备之间共享智能交通系统G5频谱的问题。

2013年初，美国主要的专用短程通信利益相关方联系了Wi‐Fi社区，以启动关于是否可以共享以及如何进行监管的讨论。这促使专用短程通信专家在IEEE 802.11标准工作组（工作组）会议上提供教育性教程，并组织了专用短程通信与Wi‐Fi利益相关方之间的多次面对面会议。2013年8月，IEEE 802.11工作组成立了一个技术起尔团队，以研究专用短程通信与Wi‐Fi设备之间的共存问题。

Wi‐Fi 成员在起尔团队中提出了两种类型的共享解决方案。一种方案要求在U‐NII‐4 频段运行的 DSRC 设备检测 DSRC 传输的存在，并在检测到 DSRC 设备时停止使用该频段一段时间。由于 DSRC 基于 IEEE 802.11 协议，因此可以使用 IEEE 802.11 listen bef ore talk载波侦听多路访问/冲突避免 (CSMA/CA) 媒体访问控制协议（参见第4章）来检测 DSRC。用于检测的 CSMA 功能称为空闲信道评估 (CCA)，因此该共享提案被称为 CCA 提案。第二个提案称为 Rechannelization提案，要求 DSRC 社区将基本安全消息通信从 172 信道移至 5.895 吉赫兹以上的某个信道，并在 5.855 至 5.895 吉赫兹之间使用两个 20兆赫 信道，这部分频谱也是 IEEE 802.11ac 设备希望使用的。该提案还要求美国联邦通信委员会将 U‐NII‐4 频段的上边界设定为 5.895 吉赫兹而非 5.925 吉赫兹，以便 DSRC 频段的最上方 30兆赫 不与 U‐NII‐4 重叠。

DSRC社区已向起尔团队、美国联邦通信委员会以及美国政府其他决策者表示，由于多种原因，其反对信道化方案，但认为CCA方案有潜力在不造成有害干扰的情况下实现共享。DSRC社区已鼓励Wi‐Fi社区进一步完善CCA方案，以实现完整的共享解决方案，以便能使用DSRC设备进行测试。各方均同意，在允许共享之前，任何潜在的共享解决方案都必须经过严格测试。美国联邦通信委员会尚未完成对U‐NII设备共享DSRC频段的审议。在撰写本文时，起尔团队正在根据DSRC社区的反馈讨论这些提案。

7.6 结论

本章回顾了美国和欧洲标准化的车载通信基本多通道机制。尽管这些机制在目标上相似且许多方面具有共性，但其差异源于美国和欧盟分配的不同频谱：美国分配了七个DSRC信道，因此必须采用多信道切换机制，因为使用不同的DSRC收发器同时运行全部七个信道在经济上是不可行的。而在欧洲，自2008年以来仅分配了三个ITS‐G5信道，由于频谱资源有限，多信道切换的重要性相对较低。因此，欧洲电信标准协会（ETSI）更侧重于通过将流量分流到其他可用信道来缓解信道拥塞问题。我们首先介绍了信道分配以及不同类型的智能交通系统站点（即RSUs和OBUs），然后描述了美国IEEE 1609.4和IEEE 1609.3提出的信道切换原理，以及欧洲ETSI TS 724‐4‐2和ETSI TS 103 165的相关规定。我们展示了潜在的多通道拥塞控制性能，并说明了将部分安全关键流量从ETSI的CCH分流或中继到次要SCH是另一种可行的机制，可用于调节CCH上的负载。此外，我们还提出并测试了一种符合当前标准的异步多频道服务管理方案，强调了其在服务提供方与消费者之间实现会合并消费服务方面的灵活性。

尽管目前受到的关注和支持较为有限，但在ITS第二阶段应用即将到来之际，高效的多通道机制预计将变得至关重要，尤其是在专用短程通信（DSRC）需要与替代技术（如WiFi‐Giga或LTE‐A）共存并共享智能交通系统频段的未来需求背景下。几乎不可能将所有ITS频段严格分配给某一特定类型的流量。早期提案已建议依赖认知原理，根据与其他类型流量的共存情况，动态地在信道之间转移流量。因此，本章所描述的机制预计将会发展和扩展，以支持更广泛的智能交通系统服务，涵盖从安全相关到完全商业化的流量。如果说DSRC/ITS‐G5技术的初期主要集中在单信道和拥塞control上，那么未来的重点将转向多信道动态频谱共享和拥塞avoidance。