DSRC技術(shù)及其通信機(jī)制的研究

范慶彬，孫健淞，牟紅光

（聯(lián)通系統(tǒng)集成有限公司吉林省分公司 長春 130012）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對于靈活機(jī)動性的要求不斷提高，從而需要更快捷、更有效的交通管理。在這一背景下，智能化交通運(yùn)輸系統(tǒng)（intelligent transport system，ITS）孕育而生。它集成了通信、控制、信息處理等先進(jìn)的技術(shù)，使得我們以往熟悉的交通運(yùn)輸系統(tǒng)成為一個立體化、智能化、信息化的嶄新智能交通系統(tǒng)。但是要實(shí)現(xiàn)ITS最重要的就是要解決在高速行駛中車輛之間通信問題，本文所介紹的專用短距離通信（dedicated short range communication，DSRC）技術(shù)為此提供了解決途徑。

2 DSRC技術(shù)

DSRC技術(shù)提供了一種高效的短距離無線通信機(jī)制。它具有傳輸速率高、延遲短等特點(diǎn)，支持點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)的通信，利用這種通信手段將車輛之間、車輛與道路之間有機(jī)地聯(lián)系在一起，為ITS提供了高效的無線通信服務(wù)。它和其他無線通信技術(shù)（如Wi-Fi技術(shù)、WiMAX技術(shù)）相比，具有很大的優(yōu)勢，它們之間的比較見表1。

表1 DSRC技術(shù)和其他無線通信技術(shù)的比較

由表1可以明顯看出，DSRC技術(shù)在性能和實(shí)現(xiàn)成本及復(fù)雜程度方面綜合考慮要遠(yuǎn)優(yōu)于Wi-Fi和WiMAX技術(shù)。

3 DSRC結(jié)構(gòu)及通信原理

3.1 DSRC結(jié)構(gòu)

DSRC結(jié)構(gòu)主要由三部分構(gòu)成，分別是OBU（on-board unit）、RSU（road-side unit）、專用通信鏈路，如圖 1 所示。

OBU是放在行駛的車輛上的嵌入式處理單元，在整體結(jié)構(gòu)中相當(dāng)于移動終端。它通常采用雙片式電子標(biāo)簽加CPU處理單元構(gòu)成。電子標(biāo)簽和CPU處理單元同時存儲著車輛的基本信息，如車主信息、車輛型號、車輛物理參數(shù)等。CPU處理單元還存儲著一些輔助信息，如在不停車收費(fèi)系統(tǒng)中需要保存車主賬號、余額、收費(fèi)記錄、通過時間等。OBU通過專用的通信鏈路依照通信協(xié)議的規(guī)定與RSU之間保持信息的交互，這種專用的通信協(xié)議是DSRC技術(shù)的核心所在。

RSU是安裝在指定地點(diǎn)（如車道旁邊、車道上方等）固定的通信設(shè)備，它保持著與不同OBU實(shí)時高效的通信，實(shí)現(xiàn)信息的交互，其有效的覆蓋區(qū)域?yàn)?～30 m。例如，在不停車收費(fèi)系統(tǒng)中，它與OBU保持實(shí)時通信，實(shí)現(xiàn)車輛的自主識別、自動交易、交易信息的記錄等功能。

專用通信鏈路是OBU和RSU保持信息交互的通道，它由兩部分組成：下行鏈路和上行鏈路。RSU到OBU的通信應(yīng)用下行鏈路，采用ASK調(diào)制，數(shù)據(jù)通信速率500 kbit/s，主要實(shí)現(xiàn)OBU讀取RSU中信息和RSU向OBU寫入信息的功能，如不停車收費(fèi)系統(tǒng)中，余額、收費(fèi)記錄等的寫入。上行鏈路是從OBU到RSU的通信，采用BPSK調(diào)制，主要實(shí)現(xiàn)RSU讀取OBU的信息，完成車輛的自主識別功能。

3.2 DSRC通信原理

3.2.1 DSRC協(xié)議

DSRC協(xié)議主要是為實(shí)現(xiàn)OBU和RSU之間通信交互而制定的通信接口規(guī)范。它參照了OSI參考模型制定了三層結(jié)構(gòu)，分別是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層。DSRC協(xié)議模型及各層數(shù)據(jù)流如圖2所示。

物理層為DSRC提供了上/下行通信通道，同時提供優(yōu)先級之分，屬于底層協(xié)議。它采用的是OFDM（正交頻分復(fù)用）技術(shù)，采用這種技術(shù)大大提高了無線通信的抗干擾性和穩(wěn)定性，為數(shù)據(jù)鏈路層提供了良好的傳輸基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)鏈路層是OSI參考模型的第二層，在物理層的基礎(chǔ)上向應(yīng)用層提供服務(wù)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息的可靠傳輸。它規(guī)定了通信幀的結(jié)構(gòu)和封裝方式，實(shí)現(xiàn)差錯和流量的控制，為應(yīng)用層提供了可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

應(yīng)用層是在數(shù)據(jù)鏈路層提供服務(wù)的基礎(chǔ)上提供特定的應(yīng)用服務(wù)，如實(shí)現(xiàn)通信初始化和釋放程序、廣播服務(wù)支持、遠(yuǎn)程應(yīng)用相關(guān)操作。

3.2.2 DSRC通信流程

結(jié)合我國實(shí)際應(yīng)用環(huán)境及需求特點(diǎn)，以定點(diǎn)被動式傳輸通信為例，可以將DSRC的通信流程大致分為建立連接、信息交換、連接釋放3個基本過程。

第一過程，建立連接。RSU利用物理層的下行線路循環(huán)不斷地發(fā)送幀控制信息，車載OBU駛?cè)隦SU的有效發(fā)射區(qū)域內(nèi)時將接收此幀控制信息，同時回復(fù)相應(yīng)信息請求建立連接。這時RSU收到請求信息做出響應(yīng)操作，將響應(yīng)信息發(fā)送給對應(yīng)的OBU。OBU收到響應(yīng)信息，發(fā)出確認(rèn)信息，RSU讀取確認(rèn)信息核實(shí)身份，連接建立成功。以上信息交互類似于TCP/IP協(xié)議中的3次握手過程。

第二過程，信息交換。利用已建立好的連接，針對應(yīng)用服務(wù)類型進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在此過程中差錯控制應(yīng)首先被考慮，可以通過幀攜帶OBU私有標(biāo)識、設(shè)置重傳計(jì)數(shù)器、控制重傳等待時間等方式解決。

第三過程，連接釋放。RSU向OBU發(fā)送釋放連接信息，OBU接收信息，確認(rèn)要釋放連接，設(shè)定連接釋放計(jì)數(shù)器，由連接釋放計(jì)數(shù)器釋放連接。

4 DSRC技術(shù)展望

DSRC技術(shù)具有大容量、高速率、低延遲等特點(diǎn)，可以為很多類似于ITS系統(tǒng)的通信平臺提供服務(wù)，應(yīng)用前景廣泛。

DSRC技術(shù)主要提供的服務(wù)如下。

（1）信息交互的服務(wù)

DSRC技術(shù)提供車輛之間的通信，滿足如自動駕駛、信息提示等多方面的服務(wù)。DSRC技術(shù)還提供了固定點(diǎn)與行駛車輛間的通信，例如不停車收費(fèi)系統(tǒng)。

（2）實(shí)時監(jiān)控服務(wù)

可以實(shí)時監(jiān)控道路上行駛的車輛，獲取車輛的信息，甚至對車輛進(jìn)行控制等，這些實(shí)時性的監(jiān)控服務(wù)為人們提供了很大的方便，同時也為實(shí)現(xiàn)全道路自動無人駕駛提供了可能的技術(shù)支持。

雖然DSRC標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用前景十分廣泛，但還存在如下有待解決的問題。

（1）RUS 問題

部分系統(tǒng)應(yīng)用DSRC技術(shù)實(shí)現(xiàn)OBU和RSU之間的通信，只需要在特定位置安置一個或幾個RSU單元即可，如：不停車收費(fèi)系統(tǒng)。但是對于有些系統(tǒng)如無人駕駛系統(tǒng)，則需要在道路上等距離安置RSU單元，這樣安置RSU單元的數(shù)量、距離、抗相互干擾等就成了有待解決的問題，所以對于今后的研究應(yīng)著重于如何設(shè)計(jì)RSU的發(fā)射功率及分布。

（2）布網(wǎng)問題

要應(yīng)用DSRC技術(shù)就要為其提供相應(yīng)的載體平臺，這樣就需要投入大量資金做基礎(chǔ)建設(shè)。所以如何使DSRC技術(shù)能利用公網(wǎng)設(shè)施實(shí)現(xiàn)通信就成了有待解決的問題。