IEEE802.11p將先于LTE-V2V用于安全應用

　　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用(OFDM)調制技術(shù)，其中的數據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。LTE-V2X繼承了很多LTE的機制，適合具有功率控制、同步調整功能的集中式(即非自組織)和同步網(wǎng)絡(luò )，并且工作在低速到中等速度。正如后面章節將要討論的那樣，它不太適合自組網(wǎng)通信模式，無(wú)法應用于多個(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中的影響要遠大于在IEEE802.11p中的影響。這將導致LTE-V2X性能會(huì )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(shí)序精度和頻率精度要求進(jìn)行了量化。

　　* 時(shí)序精度在針對信道切換的IEEE 1609.4標準中有規定

　　IEEE802.11p的操作對時(shí)序沒(méi)有依賴(lài)性;頻率精度在IEEE802.11中有規定

　　** 時(shí)序精度在3GPP TS 36.133中有規定;頻率精度在3GPP TS 36.101中有規定

　　有兩個(gè)明顯的主要區別：

　　1.LTE-V2X要求要嚴格得多;

　　2.LTE-V2X的要求與用戶(hù)的同步源有關(guān)。當用戶(hù)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(wú)法滿(mǎn)足，從而影響汽車(chē)彼此之間的通信性能。

　　為了滿(mǎn)足這些同步要求，LTE-V2X用戶(hù)需要依賴(lài)于全球導航衛星系統(GNSS)信號。然而，這又會(huì )帶來(lái)其它挑戰。舉例來(lái)說(shuō)，事實(shí)上GNSS信號在隧道、地下停車(chē)場(chǎng)和城市峽谷等位置有可能丟失或不足夠可靠。在沒(méi)有GNSS覆蓋的情況下，在要求的精度范圍內保持同步取決于用戶(hù)的本振漂移。精度越高，就像嚴格子載波間距要求的那樣，成本就越高。在沒(méi)有可靠的GNSS信號或根本沒(méi)有GNSS信號的情況下，用戶(hù)不得不選擇替代源實(shí)現同步，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。IEEE1609.4也需要GNSS信號，但只用于從一個(gè)信道切換到另一個(gè)信道，也就是說(shuō)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(chē)在傳輸信號時(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(zhù)汽車(chē)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(cháng)10倍，這會(huì )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仿真結果內已經(jīng)觀(guān)察到了這種缺點(diǎn)，即當速度超過(guò)140km/h時(shí)，就不再能可靠地檢測消息，性能也很差[19]。3GPP解決這個(gè)問(wèn)題的方法是引入復雜的處理方法，但該方法被證明不夠強大[20];或者減少調制和編碼方案(MCS)，但并不能解決問(wèn)題。建議修改先導符號圖案或縮短符號周期[21]是不被接受的，因此最終LTE-V2X被嚴格限制用于速度在140km/h以下的應用。

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

　　2.3 近-遠端問(wèn)題

　　LTE-V2X對于用戶(hù)接收來(lái)自?xún)蓚€(gè)或更多個(gè)具有不同功率電平的發(fā)射機的信號場(chǎng)合非常敏感，即近-遠問(wèn)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)射機其中一個(gè)被阻擋的時(shí)候。IEEE802.11p允許每個(gè)OFDM符號傳輸單個(gè)用戶(hù)消息，而接收機可以針對每個(gè)用戶(hù)單獨以最佳的方式設置其參數，比如自動(dòng)增益控制器(AGC)、時(shí)間偏移估計和頻率偏移估計等，因為符號是不共享的。

　　LTE-V2X允許用戶(hù)共享相同OFDM符號內的資源(圖3)，但接收機只根據單個(gè)組合信號設置其自動(dòng)增益控制器的增益值。因此，LTE-V2X接收機在存在強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信號大。舉例來(lái)說(shuō)，強信號可能來(lái)自與安全決策的關(guān)聯(lián)度較低的車(chē)輛后面的發(fā)射機，而弱信號也許來(lái)自可能會(huì )引起真正風(fēng)險的正在接近的發(fā)射機。

　　為了解決近-遠問(wèn)題，LTE-V2X引入了地球分區的概念，其中包括根據用戶(hù)所在的絕對地理位置建立空間隔離，不同位置的用戶(hù)只能限于從特定的時(shí)間-頻率集中選擇發(fā)射用的資源。這種解決方案當然非常有趣，但需要進(jìn)行現場(chǎng)驗證，以評估不均勻分布的用戶(hù)以及他們快速移動(dòng)位置帶來(lái)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已被證明在各種現場(chǎng)試驗中可以達到很大的通信距離，在高速公路情況下已經(jīng)能夠達到幾公里[8]。遺憾的是，LTE-V2X現場(chǎng)試驗還沒(méi)有可用于比較的結果。但LTE-V2X同步概念對用戶(hù)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(jiàn)表4。

　　在LTE-V2X這樣的同步系統中，所有用戶(hù)的信號必須在時(shí)間上同步到達接收機，以防止連續的OFDM符號之間出現碼間干擾。在實(shí)際應用中這種要求是無(wú)法滿(mǎn)足的，因為要么來(lái)自不同發(fā)射機的信號傳播時(shí)間不相等，要么每位用戶(hù)用于自己傳輸的時(shí)序基準不相等。當用戶(hù)處于覆蓋范圍內、并將eNB用作他們的時(shí)序基準(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(hù)的傳輸時(shí)間都是基于自己的下行鏈路時(shí)序基準7。自然而然的，一些用戶(hù)靠eNB近一些(具有較短的傳播延時(shí))，一些用戶(hù)比較遠。近的用戶(hù)要比遠的用戶(hù)更早地開(kāi)始傳輸，而鄰近近用戶(hù)的接收(RX)用戶(hù)也會(huì )設置相應的接收窗口。遠用戶(hù)的傳輸將在往返傳播延時(shí)之后到達接收機。在遠程發(fā)射機太遠的情況下，它可能到達的太晚而超出接收窗口，導致接收側無(wú)法檢測到消息，見(jiàn)圖4。

　　從圖中可以看出，對通信距離有限制，超出這個(gè)范圍接收機將無(wú)法檢測到遠用戶(hù)發(fā)的消息。表5列出了LTE-V2X可以實(shí)現的最大距離。某些情況下不能滿(mǎn)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據包來(lái)表征的。諸如(由ETSI規定的)CAM和基本安全消息(BSM,由SAE規定)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(chē)狀態(tài)信息和其它相關(guān)信息。汽車(chē)偶然也會(huì )將一組路徑預測和/或近來(lái)的路徑歷史點(diǎn)附加到這些消息上。點(diǎn)的數量取決于道路狀況，但在每個(gè)點(diǎn)用大約10個(gè)字節描述的情況下，這種增加的信息就會(huì )很容易在負荷中占據額外數10個(gè)字節。另外一個(gè)改變消息長(cháng)度的例子與安全有關(guān)：對BSM來(lái)說(shuō)，整個(gè)安全證書(shū)每隔500ms發(fā)送一次，會(huì )給默認的消息長(cháng)度再增加100個(gè)字節。 IEEE802.11p的資源分配方案可以很輕松地支持可變數據包大小。一旦某位用戶(hù)占用了信道它就會(huì )自己用一個(gè)OFDM符號的分辨率(即8微秒)判斷傳輸時(shí)長(cháng)，以便負載傳輸時(shí)間變得更短/更長(cháng)。在LTE-V2X中，用戶(hù)會(huì )以半永久的方式保留資源，也就是說(shuō)在知道確切的數據包大小之前。在應用層的負荷大小還沒(méi)有確定前就提前保留資源會(huì )導致資源大小的超分配(沒(méi)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(jiǎn)單資源分配機制在處理可變負荷尺寸時(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(hù)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(shí)刻，用戶(hù)要么發(fā)送，要么接收，因為他們的無(wú)線(xiàn)系統工作在半雙工模式。這樣，兩位用戶(hù)即使靠得很近也不會(huì )收到彼此的消息，從而錯過(guò)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

　　重載設計的LTE波形和幀格式在單用戶(hù)下將轉換為更高的開(kāi)銷(xiāo)，詳見(jiàn)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)區域內所有車(chē)輛能夠在不競爭相同資源的條件下實(shí)現通信的能力，因為競爭最終將導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)間內容納大約2條消息。

　　2.9 消息沖突

　　在一條道路的指定區段會(huì )有多個(gè)用戶(hù)，每個(gè)用戶(hù)以有規律的間隔發(fā)送消息。IEEE802.11p通過(guò)實(shí)現CSMA-CA協(xié)議解決潛在的沖突問(wèn)題，它會(huì )在開(kāi)始新的傳送之前檢查無(wú)線(xiàn)信道是否在使用狀態(tài)。LTE-V2X沒(méi)有等效的機制，如果發(fā)生沖突也不會(huì )被檢測到。兩個(gè)用戶(hù)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(guò)半永久分配技術(shù)保持用于多次傳輸。因此這兩個(gè)用戶(hù)的多次傳輸將丟失。

　　LTE-V2X通過(guò)增加一定程度的隨機性在用戶(hù)之間重新選擇事件時(shí)間來(lái)減輕這個(gè)問(wèn)題，但不能完全解決沖突風(fēng)險。

　　舉例來(lái)說(shuō)，兩輛汽車(chē)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(wú)沖突操作，必要時(shí)會(huì )發(fā)出警告。LTE-V2X則無(wú)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

　　ISO26262中針對上路汽車(chē)定義的功能性安全認證提出了采取驗證和確認措施來(lái)確保達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(guò)衡量威脅生命的潛在可能性來(lái)確定汽車(chē)安全完整性水平(ASIL)等級。由于V2X可能控制汽車(chē)，比如在車(chē)隊應用中，因此可以假設V2X要求ASIL B等級的ISO26262。達到ASIL B等級要求付出額外的成本，因此強烈建議將非安全關(guān)鍵域和安全關(guān)鍵域在軟件和硬件方面分隔開(kāi)來(lái)。如果系統的非安全部分沒(méi)有被隔離，那就也要進(jìn)行ISO26262認證，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大更好地防止潛在的網(wǎng)絡(luò )攻擊，見(jiàn)圖5。硬件和軟件的隔離清楚地表明，無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單地重復使用標準LTE調制解調器覆蓋LTE-V2X應用空間。

　　高度復雜的LTE-V2X解決方案意味著(zhù)比IEEE802.11p解決方案更高的成本。因此用LTE-V2X滿(mǎn)足安全應用將變得更加昂貴。