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(gè)重要的V2X使用場(chǎng)合。

　　2.1 同步

　　與IEEE802.11p相比，LTE-V2X對(duì)頻率誤差和時(shí)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(huì)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(duì)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(huì)受限，相同的絕對(duì)頻率誤差將產(chǎn)生大100倍的干擾功率[10]。表3對(duì)IEEE802.11p和LTE-V2X的時(shí)序精度和頻率精度要求進(jìn)行了量化。

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

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

　　** 時(shí)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(gè)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(shí)，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(hào)。然而，這又會(huì)帶來其它挑戰(zhàn)。舉例來說，事實(shí)上GNSS信號(hào)在隧道、地下停車場(chǎng)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(hào)或根本沒有GNSS信號(hào)的情況下，用戶不得不選擇替代源實(shí)現(xiàn)同步，這會(huì)影響通信的可靠性。

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

　　2.2高速狀況

　　移動(dòng)中的汽車在傳輸信號(hào)時(shí)會(huì)發(fā)生多普勒頻移，這個(gè)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(duì)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(hào)周期要比IEEE802.11p長10倍，這會(huì)限制最大可檢測(cè)的多普勒頻移，并因此對(duì)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(shí)，就不再能可靠地檢測(cè)消息，性能也很差[19]。3GPP解決這個(gè)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(hào)圖案或縮短符號(hào)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(hào)周期和精選的符號(hào)先導(dǎo)圖案，因此對(duì)高速時(shí)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(shí)都可圈可點(diǎn)。

　　2.3 近-遠(yuǎn)端問題

　　LTE-V2X對(duì)于用戶接收來自兩個(gè)或更多個(gè)具有不同功率電平的發(fā)射機(jī)的信號(hào)場(chǎng)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(gè)相鄰的發(fā)射機(jī)其中一個(gè)被阻擋的時(shí)候。IEEE802.11p允許每個(gè)OFDM符號(hào)傳輸單個(gè)用戶消息，而接收機(jī)可以針對(duì)每個(gè)用戶單獨(dú)以最佳的方式設(shè)置其參數(shù)，比如自動(dòng)增益控制器(AGC)、時(shí)間偏移估計(jì)和頻率偏移估計(jì)等，因?yàn)榉?hào)是不共享的。

　　LTE-V2X允許用戶共享相同OFDM符號(hào)內(nèi)的資源(圖3)，但接收機(jī)只根據(jù)單個(gè)組合信號(hào)設(shè)置其自動(dòng)增益控制器的增益值。因此，LTE-V2X接收機(jī)在存在強(qiáng)信號(hào)的條件下接收弱信號(hào)的能力是受限制的6。但弱信號(hào)的重要性可能比強(qiáng)信號(hào)大。舉例來說，強(qiáng)信號(hào)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(hào)也許來自可能會(huì)引起真正風(fēng)險(xiǎn)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(duì)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(shí)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(chǎng)驗(yàn)證，以評(píng)估不均勻分布的用戶以及他們快速移動(dòng)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(cè)試得到的實(shí)際性能。IEEE802.11p已被證明在各種現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)試驗(yàn)還沒有可用于比較的結(jié)果。但LTE-V2X同步概念對(duì)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(hào)必須在時(shí)間上同步到達(dá)接收機(jī)，以防止連續(xù)的OFDM符號(hào)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(hào)傳播時(shí)間不相等，要么每位用戶用于自己傳輸?shù)臅r(shí)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(shí)序基準(zhǔn)(在GNSS不可用的情況下)時(shí)就是這樣的例子。在這種情況下，每位用戶的傳輸時(shí)間都是基于自己的下行鏈路時(shí)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(shí))，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(huì)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(shí)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(cè)到消息，見圖4。

　　從圖中可以看出，對(duì)通信距離有限制，超出這個(gè)范圍接收機(jī)將無法檢測(cè)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(huì)將一組路徑預(yù)測(cè)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(gè)點(diǎn)用大約10個(gè)字節(jié)描述的情況下，這種增加的信息就會(huì)很容易在負(fù)荷中占據(jù)額外數(shù)10個(gè)字節(jié)。另外一個(gè)改變消息長度的例子與安全有關(guān)：對(duì)BSM來說，整個(gè)安全證書每隔500ms發(fā)送一次，會(huì)給默認(rèn)的消息長度再增加100個(gè)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(huì)自己用一個(gè)OFDM符號(hào)的分辨率(即8微秒)判斷傳輸時(shí)長，以便負(fù)載傳輸時(shí)間變得更短/更長。在LTE-V2X中，用戶會(huì)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(huì)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(duì)消息的檢測(cè)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(shí)會(huì)更加高效。

　　2.6 半雙工

　　從圖3可以明顯看出，LTE下的兩個(gè)用戶可以使用不同的頻率資源在相同的OFDM符號(hào)中傳送消息。在某一給定時(shí)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(huì)收到彼此的消息，從而錯(cuò)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(jì)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(chǎng)合。容量的定義是在某個(gè)區(qū)域內(nèi)所有車輛能夠在不競(jìng)爭(zhēng)相同資源的條件下實(shí)現(xiàn)通信的能力，因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)最終將導(dǎo)致通信距離的縮短和延時(shí)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(gè)給定10MHz的信道可以在1ms時(shí)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(huì)有多個(gè)用戶，每個(gè)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(huì)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(huì)被檢測(cè)到。兩個(gè)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(huì)通過半永久分配技術(shù)保持用于多次傳輸。因此這兩個(gè)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(shí)間來減輕這個(gè)問題，但不能完全解決沖突風(fēng)險(xiǎn)。

　　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(shí)會(huì)發(fā)出警告。LTE-V2X則無法這樣做，從而白白失去寶貴的時(shí)間。

　　2.10 網(wǎng)絡(luò)安全保護(hù)

　　ISO26262中針對(duì)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(xiǎn)和危險(xiǎn)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(jí)。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(jí)的ISO26262。達(dá)到ASIL B等級(jí)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(huì)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。