IEEE802.11p將先于LTE-V2V用于安全應(yīng)用

　　2、LTE-V2V模式4和IEEE802.11p的比較

　　IEEE802.11p和LTE-V2X都采用眾所周知的正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制技術(shù)，其中的數(shù)據(jù)塊安排用等距的子載波傳輸。然而，

　　如表2所示那樣，它們選擇了非常不同的參數(shù)。LTE-V2X繼承了很多LTE的機(jī)制，適合具有功率控制、同步調(diào)整功能的集中式(即非自組織)和同步網(wǎng)絡(luò)，并且工作在低速到中等速度。正如后面章節(jié)將要討論的那樣，它不太適合自組網(wǎng)通信模式，無法應(yīng)用于多個重要的V2X使用場合。

　　2.1 同步

　　與IEEE802.11p相比，LTE-V2X對頻率誤差和時序誤差更為敏感。在不精確的頻率同步狀態(tài)下，殘留頻率誤差會導(dǎo)致載波差拍干擾(ICI)。在LTE-V2X中，OFDM的子載波間距要比IEEE802.11p的子載波間距近10倍，因此相同的絕對頻率誤差在LTE-V2X中的影響要遠(yuǎn)大于在IEEE802.11p中的影響。這將導(dǎo)致LTE-V2X性能會受限，相同的絕對頻率誤差將產(chǎn)生大100倍的干擾功率[10]。表3對IEEE802.11p和LTE-V2X的時序精度和頻率精度要求進(jìn)行了量化。

　　* 時序精度在針對信道切換的IEEE 1609.4標(biāo)準(zhǔn)中有規(guī)定

　　IEEE802.11p的操作對時序沒有依賴性;頻率精度在IEEE802.11中有規(guī)定

　　** 時序精度在3GPP TS 36.133中有規(guī)定;頻率精度在3GPP TS 36.101中有規(guī)定

　　有兩個明顯的主要區(qū)別：

　　1.LTE-V2X要求要嚴(yán)格得多;

　　2.LTE-V2X的要求與用戶的同步源有關(guān)。當(dāng)用戶使用不同的同步源時，比如鎖定到不同的基站，同步的要求將無法滿足，從而影響汽車彼此之間的通信性能。

　　為了滿足這些同步要求，LTE-V2X用戶需要依賴于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)信號。然而，這又會帶來其它挑戰(zhàn)。舉例來說，事實(shí)上GNSS信號在隧道、地下停車場和城市峽谷等位置有可能丟失或不足夠可靠。在沒有GNSS覆蓋的情況下，在要求的精度范圍內(nèi)保持同步取決于用戶的本振漂移。精度越高，就像嚴(yán)格子載波間距要求的那樣，成本就越高。在沒有可靠的GNSS信號或根本沒有GNSS信號的情況下，用戶不得不選擇替代源實(shí)現(xiàn)同步，這會影響通信的可靠性。

　　IEEE802.11p工作時不需要依靠GNSS信號。IEEE1609.4也需要GNSS信號，但只用于從一個信道切換到另一個信道，也就是說需要低得多的時序和頻率精度。

　　2.2高速狀況

　　移動中的汽車在傳輸信號時會發(fā)生多普勒頻移，這個頻移可以被看作(除了同步誤差之外)額外的頻率誤差。在高速狀況下，這些多普勒頻移可能兩倍于甚至四倍于同步誤差(隨著汽車相對速度的增加而增加)，并成為主要部分。

　　如圖1所示，LTE-V2X中的符號周期要比IEEE802.11p長10倍，這會限制最大可檢測的多普勒頻移，并因此對速度有最大值的限制(除了跟蹤快速變化的信道以外)。事實(shí)上，在3GPP仿真結(jié)果內(nèi)已經(jīng)觀察到了這種缺點(diǎn)，即當(dāng)速度超過140km/h時，就不再能可靠地檢測消息，性能也很差[19]。3GPP解決這個問題的方法是引入復(fù)雜的處理方法，但該方法被證明不夠強(qiáng)大[20];或者減少調(diào)制和編碼方案(MCS)，但并不能解決問題。建議修改先導(dǎo)符號圖案或縮短符號周期[21]是不被接受的，因此最終LTE-V2X被嚴(yán)格限制用于速度在140km/h以下的應(yīng)用。

　　而IEEE802.11p受益于很短的符號周期和精選的符號先導(dǎo)圖案，因此對高速時的性能沒有任何限制。雖然LTE-V2X受限于工作在140km/h以下，但I(xiàn)EEE802.11p性能在250km/h甚至更高的速度時都可圈可點(diǎn)。

　　2.3 近-遠(yuǎn)端問題

　　LTE-V2X對于用戶接收來自兩個或更多個具有不同功率電平的發(fā)射機(jī)的信號場合非常敏感，即近-遠(yuǎn)問題，如圖2所示。這種功率差可能發(fā)生在兩個相鄰的發(fā)射機(jī)其中一個被阻擋的時候。IEEE802.11p允許每個OFDM符號傳輸單個用戶消息，而接收機(jī)可以針對每個用戶單獨(dú)以最佳的方式設(shè)置其參數(shù)，比如自動增益控制器(AGC)、時間偏移估計和頻率偏移估計等，因?yàn)榉柺遣还蚕淼摹?/p>

　　LTE-V2X允許用戶共享相同OFDM符號內(nèi)的資源(圖3)，但接收機(jī)只根據(jù)單個組合信號設(shè)置其自動增益控制器的增益值。因此，LTE-V2X接收機(jī)在存在強(qiáng)信號的條件下接收弱信號的能力是受限制的6。但弱信號的重要性可能比強(qiáng)信號大。舉例來說，強(qiáng)信號可能來自與安全決策的關(guān)聯(lián)度較低的車輛后面的發(fā)射機(jī)，而弱信號也許來自可能會引起真正風(fēng)險的正在接近的發(fā)射機(jī)。

　　為了解決近-遠(yuǎn)問題，LTE-V2X引入了地球分區(qū)的概念，其中包括根據(jù)用戶所在的絕對地理位置建立空間隔離，不同位置的用戶只能限于從特定的時間-頻率集中選擇發(fā)射用的資源。這種解決方案當(dāng)然非常有趣，但需要進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)證，以評估不均勻分布的用戶以及他們快速移動位置帶來的影響。

　　2.4最大通信距離

　　比較V2X技術(shù)的一種方法是比較在室外相同條件下測試得到的實(shí)際性能。IEEE802.11p已被證明在各種現(xiàn)場試驗(yàn)中可以達(dá)到很大的通信距離，在高速公路情況下已經(jīng)能夠達(dá)到幾公里[8]。遺憾的是，LTE-V2X現(xiàn)場試驗(yàn)還沒有可用于比較的結(jié)果。但LTE-V2X同步概念對用戶之間的通信距離有限制，反映在分配給循環(huán)前綴(CP)的不同角色中，見表4。

　　在LTE-V2X這樣的同步系統(tǒng)中，所有用戶的信號必須在時間上同步到達(dá)接收機(jī)，以防止連續(xù)的OFDM符號之間出現(xiàn)碼間干擾。在實(shí)際應(yīng)用中這種要求是無法滿足的，因?yàn)橐磥碜圆煌l(fā)射機(jī)的信號傳播時間不相等，要么每位用戶用于自己傳輸?shù)臅r序基準(zhǔn)不相等。當(dāng)用戶處于覆蓋范圍內(nèi)、并將eNB用作他們的時序基準(zhǔn)(在GNSS不可用的情況下)時就是這樣的例子。在這種情況下，每位用戶的傳輸時間都是基于自己的下行鏈路時序基準(zhǔn)7。自然而然的，一些用戶靠eNB近一些(具有較短的傳播延時)，一些用戶比較遠(yuǎn)。近的用戶要比遠(yuǎn)的用戶更早地開始傳輸，而鄰近近用戶的接收(RX)用戶也會設(shè)置相應(yīng)的接收窗口。遠(yuǎn)用戶的傳輸將在往返傳播延時之后到達(dá)接收機(jī)。在遠(yuǎn)程發(fā)射機(jī)太遠(yuǎn)的情況下，它可能到達(dá)的太晚而超出接收窗口，導(dǎo)致接收側(cè)無法檢測到消息，見圖4。

　　從圖中可以看出，對通信距離有限制，超出這個范圍接收機(jī)將無法檢測到遠(yuǎn)用戶發(fā)的消息。表5列出了LTE-V2X可以實(shí)現(xiàn)的最大距離。某些情況下不能滿足[17]中定義的Do-No-Pass-Warning消息提出的NPRM要求。

　　2.5 資源分配

　　實(shí)際的V2X業(yè)務(wù)圖案是用具有可變大小的數(shù)據(jù)包來表征的。諸如(由ETSI規(guī)定的)CAM和基本安全消息(BSM,由SAE規(guī)定)等消息組是周期性(通常是每隔100ms)產(chǎn)生的，包括比如地理位置、速度、朝向等汽車狀態(tài)信息和其它相關(guān)信息。汽車偶然也會將一組路徑預(yù)測和/或近來的路徑歷史點(diǎn)附加到這些消息上。點(diǎn)的數(shù)量取決于道路狀況，但在每個點(diǎn)用大約10個字節(jié)描述的情況下，這種增加的信息就會很容易在負(fù)荷中占據(jù)額外數(shù)10個字節(jié)。另外一個改變消息長度的例子與安全有關(guān)：對BSM來說，整個安全證書每隔500ms發(fā)送一次，會給默認(rèn)的消息長度再增加100個字節(jié)。 IEEE802.11p的資源分配方案可以很輕松地支持可變數(shù)據(jù)包大小。一旦某位用戶占用了信道它就會自己用一個OFDM符號的分辨率(即8微秒)判斷傳輸時長，以便負(fù)載傳輸時間變得更短/更長。在LTE-V2X中，用戶會以半永久的方式保留資源，也就是說在知道確切的數(shù)據(jù)包大小之前。在應(yīng)用層的負(fù)荷大小還沒有確定前就提前保留資源會導(dǎo)致資源大小的超分配(沒有效率)或欠分配(要求更密集的編碼，降低對消息的檢測概率)。不管怎樣，適合IEEE802.11p的簡單資源分配機(jī)制在處理可變負(fù)荷尺寸時會更加高效。

　　2.6 半雙工

　　從圖3可以明顯看出，LTE下的兩個用戶可以使用不同的頻率資源在相同的OFDM符號中傳送消息。在某一給定時刻，用戶要么發(fā)送，要么接收，因?yàn)樗麄兊臒o線系統(tǒng)工作在半雙工模式。這樣，兩位用戶即使靠得很近也不會收到彼此的消息，從而錯過安全關(guān)鍵決策所必需的信息。他們不得不等待直到其中一位或兩位為傳輸選中新的資源。

　　2.7 物理層效率

　　重載設(shè)計的LTE波形和幀格式在單用戶下將轉(zhuǎn)換為更高的開銷，詳見下面這張表。

　　2.8容量

　　V2X適合用于高業(yè)務(wù)密度的場合。容量的定義是在某個區(qū)域內(nèi)所有車輛能夠在不競爭相同資源的條件下實(shí)現(xiàn)通信的能力，因?yàn)楦偁幾罱K將導(dǎo)致通信距離的縮短和延時的增加。在等效條件下IEEE802.11p和LTE-V2X具有相似的容量和距離。

　　表7表明，LTE-V2X和IEEE802.11p的容量基本相同，一個給定10MHz的信道可以在1ms時間內(nèi)容納大約2條消息。

　　2.9 消息沖突

　　在一條道路的指定區(qū)段會有多個用戶，每個用戶以有規(guī)律的間隔發(fā)送消息。IEEE802.11p通過實(shí)現(xiàn)CSMA-CA協(xié)議解決潛在的沖突問題，它會在開始新的傳送之前檢查無線信道是否在使用狀態(tài)。LTE-V2X沒有等效的機(jī)制，如果發(fā)生沖突也不會被檢測到。兩個用戶可能使用相同的資源塊發(fā)送消息。在重新選擇資源之前資源會通過半永久分配技術(shù)保持用于多次傳輸。因此這兩個用戶的多次傳輸將丟失。

　　LTE-V2X通過增加一定程度的隨機(jī)性在用戶之間重新選擇事件時間來減輕這個問題，但不能完全解決沖突風(fēng)險。

　　舉例來說，兩輛汽車都在接近交叉路口。一旦進(jìn)入有效通信范圍，IEEE802.11p將確保無沖突操作，必要時會發(fā)出警告。LTE-V2X則無法這樣做，從而白白失去寶貴的時間。

　　2.10 網(wǎng)絡(luò)安全保護(hù)

　　ISO26262中針對上路汽車定義的功能性安全認(rèn)證提出了采取驗(yàn)證和確認(rèn)措施來確保達(dá)到足夠和可接受的安全水平的要求。風(fēng)險和危險分析通過衡量威脅生命的潛在可能性來確定汽車安全完整性水平(ASIL)等級。由于V2X可能控制汽車，比如在車隊(duì)?wèi)?yīng)用中，因此可以假設(shè)V2X要求ASIL B等級的ISO26262。達(dá)到ASIL B等級要求付出額外的成本，因此強(qiáng)烈建議將非安全關(guān)鍵域和安全關(guān)鍵域在軟件和硬件方面分隔開來。如果系統(tǒng)的非安全部分沒有被隔離，那就也要進(jìn)行ISO26262認(rèn)證，那將變得特別困難，成本也會特別高。另外，域的隔離有助于更強(qiáng)大更好地防止?jié)撛诘木W(wǎng)絡(luò)攻擊，見圖5。硬件和軟件的隔離清楚地表明，無法通過簡單地重復(fù)使用標(biāo)準(zhǔn)LTE調(diào)制解調(diào)器覆蓋LTE-V2X應(yīng)用空間。

　　高度復(fù)雜的LTE-V2X解決方案意味著比IEEE802.11p解決方案更高的成本。因此用LTE-V2X滿足安全應(yīng)用將變得更加昂貴。