（通信与信息系统专业论文）基于车载无线局域网的定位算法研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 车载无线局域网是基于无线局域网演进而来的无线网，其主要功能是解决交通 拥塞、交通灯等待时间过长、过路费或停车费收取以及交通事故等问题。然而要 解决这些问题，首先必须能对车载实时精确的定位跟踪。目前最受人们青睐的g p s 定位虽然在车载领域有较为广泛的应用，但是由于g p s 定位在车载无线局域网中 应用具有诸多缺点，因此本文根据车载无线局域网的特点，研究一种适合在车载 无线局域网内能对车载进行实时且精确的定位跟踪算法。 根据车载无线局域网的特点，本文选用单站定位跟踪技术，对道路上的车载进 行实时的定位跟踪。本文主要以单基站方位时差联合定位( b t o ) 和单基站方位 多普勒频移联合定位( b d o ) 这两种方法为定位模型，对几种滤波算法进行研究， 同时搭建仿真平台对不同的滤波算法进行仿真分析和性能比较，为不同场景下车 载定位跟踪选定最优越的定位算法。本文的主要研究工作如下： l 、对车载无线局域网进行总体介绍。车载无线局域网分两个部分，即高层和 底层。本文对高层协议包括的资源管理、安全服务与信息管理、网络服务和理由， 底层协议的数据链路层和物理层分别进行了详细的叙述； 2 、介绍了单站定位跟踪的基本原理，并且根据这一原理提出了单站定位跟踪 模型，使用单站方位时差联合定位( b t o ) 和单站方位多普勒频率联合定位( b t o ) 方法推导出车载定位跟踪系统的状态方程和观测方程； 3 、系统的观测方程是非线性方程，不能通过一次测量实现定位跟踪，需要通 过多次顺序观测数据来估算车载的行驶状态。在有噪声的情况下通过多次顺序观 测数据来估算车载行驶状态的问题实际就是一个滤波问题，因此本文先后研究了 e k f 滤波算法、m v e k f 滤波算法、u 口滤波算法和简化u k f 滤波算法，并将这些 滤波算法应用到车载定位跟踪系统中，利用仿真结果讨论他们的精确度、敛散性 和实时性； 4 、根据一些特殊场景的应用，车载的速度可能会超出3 4 m s 的情形。比较讨 论了b t o 算法和b d o 算法，通过仿真分析比较它们的性能。 本文以b t o 算法和b d o 算法为定位跟踪模型，使用m a t l a b 仿真工具搭建车 载无线局域网的定位跟踪平台，针对上述不同的滤波算法对车载进行定位研究， 研究不同滤波算法的各种性能，为不同场景下的车载定位选取性能更好的算法， 确保车载在可预测的任何场景下得到实时精确的定位。 关键字：车载无线局域网，单基站方位时差联合定位，单基站方位多普勒频移联 合定位，e k f 滤波，u k f 滤波 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t v e h i c u l a ra dh o en e t w o r k s ( v a n e t s ) a r eb a s e do nw l a ne v o l v e d ，a n di t sm a i n l y t os o l v et h et r a f f i cc o n g e s t i o n ，t r a f f i cl i g h t st oe x t e n d 1 1 ew a i t i n gt i m e ，t o l l so rp a r k i n g f e e ，t r a f f i ca c c i d e n t sa n do t h e ri s s u e s h o w e v e r , s o l v i n ga l lo f t h e s ep r o b l e m si st os o l v e t h ev e h i c l el o c a t i o na n dt r a c k i n g , n o w ，u s e dw i d e l yi nt h ef i e l do fv e h i c l ep o s i t i o n i n g t e c h n o l o g yi sg p s ，h o w e v e r , d u et og p sp o s i t i o n i n gi nt h ec a rw i t ht h ev a n e t sh a v e k i n d so fs h o r t c o m i n g s ，s ot h i sp a p e rb a s eo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fv a n e t s ，t of i n da s u i t a b l ev a n e t sa n dt i m e l yv e h i c l et r a c k i n ga n dp r e c i s ep o s i t i o n i n g a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i c so fv a n e t s ，t h i sp a p e ru s e ds i n g l e - s t a t i o nl o c a t i o na n d t r a c k i n gt e c h n o l o g y , a n dl o c a t i o nt r a c k i n gf o rv e h i c l ei nt h er o a di nt i m e i nt h i sp a p e r , u s e dt h eb t oa n db d of o rt h el o c a t i o nm o d e l ，a n ds t u d yo fs e v e r a lf i l t e r i n ga l g o r i t h m s ， a n de s t a b l i s h e ds i m u l a t i o np l a t f o r mf o rd i f f e r e n tf i l t e ra l g o r i t h ms i m u l a t i o na n d p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nw h i c ho n ei sa d v a n t a g e o u so rn o t ，f o r d i f f e r e n ts c e n a r i o s c h o o s eb e t t e rv e h i c l el o c a t i o na n dt r a c k i n ga l g o r i t h m t h em a i nr e s e a r c hw o r k sa r ea s f o l l o w s ： 1 、o v e r v i e wo ft h ev a n e t s ，p r o t o c o lo ft h ev a n e t si sb o a r dt w op a r t s ，t h eo n ei s h i g h - l e v e l a n dt h e ao t h e ri sb o t t o m t h eh i g h - l e v e li n c l u d i n gr e s o u r c em a n a g e r , s e c u r i t ys e r v i c e sf o ra p p l i c a t i o n sa n dm a n a g e m e n tm e s s a g e s ，n e t w o r k i n gs e r v i c e s a n dm u l t i c h a n n e lo p e r a t i o n t h eb o t t o m l e v e li n v o l v em a ca n dp h y s i c a ll a y e r t h i s p a p e r , d e s c r i p t i o nt h e mo n eb y o l l ei nd e t a i l 2 、i n t r o d u c e das i n g l e s t a t i o nl o c a t i o na n dt r a c k i n go ft h eb a s i cp r i n c i p l e s ，a n d a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fs i n g l e s t a t i o nl o c a t i o na n dt r a c k i n gm o d e l ，u s i n gt h eb t o s a n dt h eb t o st oc a l c u l a t et h ev e h i c l el o c a t i o nt r a c k i n gs y s t e ms t a t ee q u a t i o na n d o b s e r v a t i o ne q u a t i o n ； 3 、t h i ss y s t e mo fo b s e r v a t i o ne q u a t i o n sa r en o n 1 i n e a re q u a t i o n s ，am e a s u r e m e n t c a nn o tb ea c h i e v e dw i t ht h el o c a t i o na n dt r a c k i n gf e a t u r e s ，t h r o u g hm a n yo b s e r v a t i o n a l d a t at oe s t i m a t et h eo r d e ro fv e h i c l ed r i v i n gc o n d i t i o n s i nt h ec a s e o fn o i s y o b s e r v a t i o n sb ym u l t i p l es e q u e n c ed a t at oe s t i m a t et h ea c t u a lv e h i c l ed r i v i n gs t a t ei sa f i l t e r i n gp r o b l e m ，t h i sp a p e rh a ss t u d i e dt h ee k ff i l t e r i n ga l g o r i t h m ，m v e k ff i l t e r , u k f u k ff i l t e ra l g o r i t h ma n ds i m p l i f yt h ef i l t e r i n ga l g o r i t h r n ，a n du s i n gt h e s ef i l t e r i n g a l g o r i t h mi nv e h i c l el o c a t i o na n dt r a c k i n gs y s t e m ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t st od i s c u s st h e i r a c c u r a c y , c o n v e r g e n c ea n dt i m e l y 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t 4 、a c c o r d i n gt os o m es p e c i f i ca p p l i c a t i o ns c e n a r i o s ，v e h i c l es p e e dm a ye x c e e d 3 4 m ss i t u a t i o n d i s c u s s e da n dc o m p a r e db d oa l g o r i t h mw i t hb t oa l g o r i t h m ，b y s i m u l a t i o nc o m p a r i s o no ft h e i rp e r f o r m a n c e t h i sa r t i c l eu s e st h eb t o a l g o r i t h ma n db d o l o c a t i o na st r a c k i n ga l g o r i t h mm o d e l ， u s i n gt h em a t l a bs i m u l a t i o nt o o l sw h i c hb u i l tv a n e t sl o c a t i o nt r a c k i n gp l a t f o n nf o r t h ed i f f e r e n tf i l t e r i n ga l g o r i t h m st h a tc o m p a r ed i f f e r e n tf i l t e r i n ga l g o r i t h m so nd i f f e r e n t s c e n a r i o sa n ds e l e c tb e t t e rp o s i t i o n i n ga l g o r i t h m ，t oe n s u r et h a tv e h i c l ei nap r e d i c t a b l e s c e n a r i o sa r ea c c u r a t ep o s i t i o n i n gt i m e l y k e yw o r d s ：v a n e t ，b t o ，b d o ，e x t e n d e dk a l m a nf i l t e r i n g ，u n s c e n t e dk a l m a n f i l t e r i n g i 重庆邮电大学硕士论文 第一章车载网的发展和市场前景 第一章车载网的发展和市场前景 1 1 课题研究的背景和意义 随着社会的发展，人们的生活水平日益提高。人们在收入增加的同时，必然 会增加更多的物质消费，汽车作为现代社会必不可少的出行工具，其数量肯定会 随机经济的发展成指数倍增加。然而在车辆增加的同时，交通事故也在增加，日 益增加的交通事故已经成为了世界各国最头痛的问题之一。 近年来，我国交通事故数量和交通事故死亡人数一直居高不下，我国交通事 故造成的死亡一直是安全事故死亡人数中的最主要部分。根据公安部公布的数字 显示，2 0 0 6 年道路交通所造成的死亡事故人数占全国安全事故死亡总人数的 7 9 3 t 1 1 。2 0 0 5 年全国共发生道路交通事故4 5 0 2 5 4 起，造成9 8 7 3 8 人死亡、4 6 9 9 1 1 人受伤，直接财产损失达1 8 8 亿元i l 】。据统计，全世界每年道路交通事故死亡人 数为5 0 万至6 0 万人，其中我国就占到了1 5 至2 0 ，交通事故死亡绝对人数一 直是世界第一f 1 1 。另一方面，由车辆的增加，所引起的交通堵塞也是空前的。 目前的g p s 导航系统，在某种程度上缓解了这一问题，但是不能解决根本问 题。再者，目前的汽车通信市场，很大程度上由手机通信所占据，但客观上说， 蜂窝通信覆盖成本比较高昂，提供的带宽也有很大的限制。这迫使人们急于需求 一种全新的方式来解决这些问题。 美国联邦通信委员会为了提高高速公路和城市道路上的安全和效率，针对汽 车通信的特殊环境出炉i e e e 8 0 2 1 i p 标准。利用无线通信标准d s r c 实现路边到汽车 和汽车到汽车的公共安全和私人活动通信的短距离的通信服务p o ，驯。最初的设定 是在3 0 0 m 距离内能有6 m b p s 的传输速度，拥有1 0 0 0 英尺的传输距离和6 m b p s 的数据 速率【3 l 】。从技术上来看，它对i e e e 8 0 2 11 进行了多项针对汽车这样的特殊环境的 改进，如：热点间切换更先进、更支持移动环境、增强了安全性、加强了身份认 证等等【3 2 1 。使用i e e e 8 0 2 1l p 有望降低部署成本、提高带宽、实时收集交通信息等 3 3 1 o 在移动车载环境下实现我们所期待的服务，必先解决车载定位问题，否则一切 都是空谈。对比高速公路和城市道路这两种情况，又以高速公路的定位问题更为 迫切和复杂，基于以上考虑和i e e e 8 0 2 1 l p 标准的特性，本文拟采用在高速公路环 境下，一发一收的单基站定位和跟踪技术【2 】来实现对车载进行定位跟踪算法研究。 重庆邮电大学硕士论文 第一章车载网的发展和市场前景 1 2 国内外研究状况 早在上世纪8 0 年代初，日本就开始了车载通信的研究，到上世纪9 0 年和2 l 世纪 初，日本成功研发了应用于车载通信的协同驾驶系统d e m 0 2 0 0 0 p j 。与此同时，欧 美在车载自组织网方面也启动了几个研究机构，分别是：c a r t a l k 2 0 0 0 【l 引、 f 1 e e t n e t 1 9 = z t 、c 2 c c c 2 1 1 、w i l l w a r n t 2 2 1 、a d a s e t 2 3 1 、c o m c a r 2 4 1 、d r i v e 2 5 1 、 c h a u f f e u r 2 6 1 。 美国交通部( u s d e p a r t m e n to f t r a n s p o r t a t i o n ) 基于欧洲针对车载的通讯( 或 称专用短距离通讯，d e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n s ，d s r c ) ，尤其是电子 道路收费系统、车辆安全服务和车载商业交易系统等的应用，组织研发了能在车 载环境下能实现减缓交通堵塞、防止车载碰撞、增加车载安全服务、电子道路收 费系统以及增值业务的智能运输系统( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ，i t s ) 【6 7 2 2 1 。该系统具有自己的自组织网车载自组织网，车载自组织网协议分两部份， 其底层是i e e e8 0 2 1 l p ，i e e e8 0 2 1 l p ( 又称w a v e ，w i r e l e s s a c c e s si nt h ev e h i c u l a r e n v i r o n m e n t ) 是一个由i e e e8 0 2 1 1 标准演进的无线局域网通讯协议【3 4 1 。该协定 主要用于的无线通讯上，应用包括在高速行驶的车载之间以及车载与i t s 路边基 础设施之间的资料数据交换；其高层部分是i e e e l 6 0 9 ，i e e e l 6 0 9 标准则是以 i e e e 8 0 2 1 l p 通信协定为基础的高层标准，它包括：资源管理、应用和管理信息的 安全服务、网络服务和多信道操作【5 l 。 国内方面，中国科技大学在车载无线局域网的m a c 里，对帧传输的公平性做 了一定的研究；同济大学搭建了一个基于d s r c 的车载通信平台；还有清华大学、 北京科技大学、北京航天航空大学、哈尔滨工程大学、上海海事大学等也都在车 载无线局域网方面做了一些研究。总体来说，国内在车载无线局域网上的研究还 刚刚起步。2 0 0 9 年1 2 月2 1 日至2 2 日，在同济大学召开了全球第二届“i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c eo nw i r e l e s sa c c e s si nv 撕c u l a re n v i r o n m e n t s ”，会议讨论了目前车载自 组织网的研究概况，确定的今后车载自组织网的研究方向，并拟订于2 0 1 0 年1 1 月 公布i e e e8 0 2 1 l p 妣l 。 1 3 车载定位的发展现况 g p s 定位系统是目前应用最广泛的无线电导航定位系统，它能为航空、航天、 陆地、海洋等用户提供三维导航、定位信息。g p s 定位系统具有全球连续覆盖、定 位精度高、快速、全天候观测、无需通视、操作简便、抗干扰能力强等优点，因 此它在车载定位方面的应用一直延续到今天，并且有不断扩大的趋势。 g p s 的优点很多，相对于其他导航系统来说，具有以下三个特点【4 1 ： 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章车载网的发展和市场前景 全球连续覆盖。g p s 卫星的数目很多，并且分布也极为合理，能确保地面 任何一点都可以同时观测到至少4 颗卫星，因而能保障全球全天候连续三维定位、 导航。 功能丰富，精度高。在没有s a 影响的情况下，g p s 利用c a 码单点定位 精度可达1 4 m ，测量速度精度可达0 3 m s 。 实时定位。g p s 导航能实时地确定运动车载的位置和速度，因此可以保障 运动载体按预定的航线行驶，同时也可以及时监视和修正行驶路线。 另外，欧美几个发达国家在上世纪7 0 年代已经开始研究智能车辆，1 9 7 9 年日本 成功研制了第一台智能车辆，该智能车辆具有专用的信号处理系统和控制系统， 测试速度达3 0 k m h 。到上世纪8 0 年代，随着计算机j 光学、传感器、通信等技术 的发展，使得发达国家在智能车载上的研究有了大大的突破。1 9 8 9 年m a r t i n m a r i e t t e 公司研制出的智能车载在越野环境下，以1 0 k m h 的速度自主行驶2 0 k m ，并且该车 还可以进行自主导航。此外，f m c 公司、密歇根州立大学、马里兰大学等在智能 车辆研究领域中也颇有影响力。美国在该领域的研究主要集中于战场，2 0 0 2 年美 国成功研制的无人地面车辆( u g v ) 系统，u g v 在公路上的行驶速度可达6 4 k m h ， 在无明显植被的环境下达3 2 k m h ，夜间最高速度也能达n1 6 k m h t 3 6 j 。 1 4 实际应用 我国在智能车辆研究比较晚，“八五 期间我国研制的第一辆智能车辆a l v l a b i ，其性能达到了当时的国际先进水平。“九五 期间由国防科技大学、南京理工 大学、清华大学、浙江大学和北京理工大学研制的军用智能车辆a l v l a bi i ，在 公路上的行驶速度可达1 5 k m h 。目前，我国正在研制军用智能车辆a l v l a bi i 3 5 】。 汽车已经是人们不可缺少的东西，然而在很多大都市和高速公路上越来越多的 交通事故和交通拥塞使得交通状况变的很糟糕。在这种严峻的形势下，需要一种 适合的智能运输系统来增强汽车运输的安全和效率。我们计划建立一个国际运输 信息网同时还给每辆汽车装上一个汽车内部通信综合设备。当汽车进入十字路口 的时候驾驶员将通过路边设施( r s u ) 得到安全和警告信息。同时汽车及时的向 交通代理处报告交通情况和道路状况，并且共享这些信息。尽管d s r c 系统目前主 要是用于增强安全和交通能力，但是它们同样能够向乘客和司机提供高速的数据 服务。这种需要给d s r c 系统一个新的名称车载环境的无线局域网( w a v e ) 。 w a v e 系统的应用包括：交通灯控制、交通拥塞警告、避免碰车、计费、汽车安全 服务、旅游信息和商业交易【3 7 1 。 汽车安全通信如图1 1 所示，图l ( a ) 表示a 车以低度行驶并发出低速行驶广播， 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章车载网的发展和市场前景 快速靠近的b 车收到广播后会换道超过a 车，快速靠近的c 车的司机收到前面有低 速行驶的a 车的警报后换道行驶或者减速。这样就避免了一起汽车追尾交通事故发 生；图1 ( b ) 所示为a 车突然刹车并向其后面所有的车发出它刹车的警报，b 车驾 驶员透过挡住视野的大卡车收到a 车刹车的警报，从而可以提前做好准备。 图1 1 汽车安全通信 1 5 本文所做的工作及结构安排 本文的主要包括以下内容： 介绍整个车载网络体系，对车载网的各部分和网络结构分别进行详细介 绍。 介绍单站车载定位跟踪的基本原理，建立定位跟踪系统状态方程和观测方 程。 根据系统模型和定位方法，对该系统的非线形滤波算法和线形滤波算法进 行深入研究：研究了e k f 算法、u k f 算法以及它们的改进算法，并将这 些算法用于车载网中，建立模型进行仿真分析。 在高速场景下，利用上述算法对车载进行仿真分析，通过仿真结果验证定 位跟踪的性能。 论文的具体安排如下： 第一章介绍了车载无线局域网的发展背景、市场前景，同时还介绍了车载定位 的发展状况和本文所研究的主要内容。 第二章介绍整个车载网络体系，对车载无线局域网的高层即1 6 0 9 协议的每部 分、底层部分机8 0 2 1 l p 协议的每部分分别以及网络结构进行详细介绍。 第三章叙述当今应用最广的g p s 定位的组成和原理，分析其优缺点。介绍了单 4 谶溅糍纛 然一 重庆邮电大学硕士论文 第一章车载网的发展和市场前景 站定位跟踪的基本原理，提出了单站定位跟踪模型模型，确定定位系统的状态方 程和观测方程。选用单站方位时差联合定位( b t o ) 和单站方位多普勒频率联合 定位( b t o ) 这两种定位方法，推导出他们的系统观测方程。 第四章介绍e k f 滤波算法及其改进算法的原理，对它们的滤波算法公式进行推 导，使用m a t l a b 仿真工具对这些说法进行仿真分析，利用仿真结果对两种滤波 算法的定位精度进行分析。 第五章介绍u k f 滤波算法，重点讨论了u k f 滤波算法的原理，并用第三章介绍 的状态方程和观测方程推导出标准u k f 滤波算法的公式，研究u k f 的简化算法， 并将u k f 滤波算法、s u k f 滤波算法和e k f 滤波算法一起进行仿真比较分析，考查 各种滤波算法的性能。 第六章在高速场景下对b t o 方法和b d o 方法用e k f 滤波算法进行仿真比较分 析它们的定位精度和性能，确定两种方法选择的最优点。 第七章对文章的所有工作进行总结，展望未来的研究方向。 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章车载无线局域网简介 2 1 高层协议 第二章车载无线局域网简介 2 1 1 资源管理器 在车辆环境中有两种类型的无线接入( w a v e ) 设备。第一种类型的设备被称 为路侧单元( r s u ) ，在操作过程中它是静止不动的。并且，在通常情况下，它都 被安置在路边；第二种类型的设备被称为车载单元( o b u ) ，它常常是在移动环境 下工作，并且总是被放置在一种车辆上。一般情况下，静止设备具有自己的应用 程序，其应用程序可以提供一些特定的服务，移动设备也有一些同等的应用程序， 这些应用程序就是使用服务。在远离r s u 的设各上也许还会有许多应用程序，这 些应用程序的目的就是向o b u 提供服务。在r s u 内有一种w a v e 应用程序，该 应用程序能把来自于远程应用程序的请求进行复用，使得它们能够访问o b u l 5 , s o 】。 在r s u 内有资源管理器( 州) ，与它对等的应用程序被称为资源命令处理器 ( r c p ) ，它存在于o b u 内。其他远离r s u 的应用程序被称为资源管理器应用程 序( 眦) ，它是通过r m 与r c p 来通信。r m 复用来自于多个r m a 的请求，每 一个请求都和多个拥有r c p 的o b u 进行通信。通信的目的就是使得r m a 能够去 访问资源，例如：内存、用户接口、以及其它被r c p 所控制的车载设备的接口， 以一种一致的、可互操作的、及时的方式去满足r m a 的需求。 r m 是一个服务的提供者( 作为r m a 的一个代表) ，r c p 是这个服务的使用 者( 可视为将要被管理的资源) 。r s u 或者o b u 都可以用提供者的身份运行，换 言之，每一种设备类型都能够拥有r m 。拥有r m 的设备( r s u 或者o b u ) 将会 被称之为提供服务设备。资源管理目的就是去完善各种应用程序之间的协同工作 的能力。应用程序以一定的方式使用w a v e ，这些方式可以简化车载系统，削减 成本和提高性能。各种应用程序能有效使用多个内存页也能够将关于一个系统生 命期的管理配置问题减至最低程度。同时，使得一个尽可能最低成本的o b u 去支 持许多应用程序。没有o b u 软件可以代表使用r m 的应用程序，因此，处理记忆 和配置管理的必要条件都被从o b u 中移除了。o b u 仅仅起到了一个移动邮箱的 作用，这个邮箱可以将应用程序的信息和数据从一个r s u 移动到另一个r s u 上， 或者起到了一个公共的接口点的作用，这个接口点可以将数据传送到其它车载系 统上。 在o b u 的生命期中的任何时刻，将内存分配给一个应用程序，使得未来的应 用程序可以在不修改车载硬件和软件的条件下被开发和使用。 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章车载无线局域网简介 对于使用了r m 并且作为一个移动邮箱的应用程序来说，不使用内存中的数 据，会有很大的安全优势。让o b u 将每一个应用程序的信息都看成是一个即将被 保存并且之后可以从内存中再次获得的数据流，这样的数据能够以一定的方式被 加密，o b u 是不知道这种方式的。并不需要o b u 支持这种被这些应用程序所使 用的加密方案，并且这些方案全部在这些应用程序的绝对控制之下。 总的来说，r m a 是与一个或多个r m 在一个安全的有线网络中进行通信，但 是一个r m 与一个r c p 在一个无线连接中进行通信，这个无线连接也许是不安全 的。r m 以一定的方式去复用多个r m a 的通信会话，这种方式允许每一个r m a 与r c p 进行端到端的通信。如图2 1 所示，为了简单起见，这幅图显示了r s u 所 拥有的r m 是路侧环境的一分区，但是此处的r m 也可以存在于o b u 中。 憩裴连接 c ：磁s 0 2 1 1 p ) 譬造 删董磐令。昀虚 i 腿l 琢碧) o 三_ 一 q | 瞰r 图2 1 资源管理的组成分区 2 1 2 应用和管理信息的安全服务 车载无线局域网中，车载与车载和车载与路侧均可建立通信。w a v e 系统有很 多不同类型的实体，下面的实体都是不停的运转【6 】： 服务器：给一个或多个服务信道提供服务单元； 用户t 使用服务器提供的服务单元： 路边单元( r s u s ) ：固定时才能运行的w a v e 设备，它支持与o b u s 交换 信息。r s u s 代表植入到基础结构的元素，如：交通标志和交通信号。它们可以从 路的一边移到路的另一边，但是在移动过程中不能运行。r s u s 常常作为服务器， 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章车载无线局域网简介 r s u s 在许可的地点可在一个或多个服务信道上提供服务； 车载单元( o b u s ) ：在移动能运行的w a v e 设备，它支持与r s u s 或与其 他o b u s 交换信息。o b u s 是装在车载中，因此它便于携带。o b u s 在私人车载中 运行，安全协议的目标是在不侵犯驾驶员的合理私密消费? 的情况下运行。o b u s 常常为用户，但是有时候也可以是服务器。 o b u s 的重要部件： 公共安全车载单元( p s o b u s ) ：植入在公共安全车载的网络节点。相关当局 允许这些节点去操作特殊的公共安全应用软件，如交通信号优先级。 另外，下面的实体支持安全服务： 认证授权( c a s ) ：通过发行和注销认证来授权其他实体的实体。 系统支持在控制信道( c c h ) 和多重服务信道( s c h ) 运行。m a c 层，包括 c c h 和s c h 的排队管理。l l c 层的网络栈可以分为两部分：w s m p 栈和u d p d 栈。w s m 一般用于广播应用程序。u d p i p 栈一般用于事务处理应用程序，其应 用主要是用于携带单播数据交换。 本文归纳了4 类攻击者： 第一类：无线的发送器和接收器，但是没有密码建钥资料； 第二类：有效的o b u 或者r s u ； 第三类：已经从o b u 或者r s u 中提取到了密码建钥资料，允许他们在多个 地点同时假装成为那个o b u 或者r s u ，或者是强制撤销该密码建钥资料； 第四类：有着安全管理职能组织的内部人员；( h s m 制造商、认证中心、车载 制造商、政府等) 。 系统中的许多消息很容易被伪造和重放。对s i g n e d m e s s a g e 类型以及这个标准 中的处理规则的使用可以阻止第一类的攻击者伪造消息，或者去阻止第二类的攻 击者发送大量的欺骗性消息。如果有一种机制：由于证书过期或者由于证书被撤 销，而能够从系统中移除有危险的证书，则由第三级类攻击者造成的损害也有限。 最后，为了限制第四类攻击者造成的损害，建议有安全管理职能的组织一定要使 管理和检查程序的代码合理和彻底。 2 1 3 网络服务 车载无线局域网是一个无线通信系统，为交通运输提供能共同使用且不间断的 服务。这种服务包括汽车与道路边和汽车与汽车之间的通信。w a v e 网络为所有层 与设备以及管理服务之间的数据传输提供服务。w a v e 网络服务描述的是o s i 体系 结构的第三层和第四层。目的是在w a v e 内部系统提供能够在w a v e 网络服务上层 和下层的多个堆栈的寻址和路由服务。上层支持包括为用户提供安全和娱乐的服 务。 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章车载无线局域网简介 墨 要 善 耋 m a n a g a m o n tp i a n o d a t ap i a n o 图2 3w a v e 协议堆栈 w a v e 网络服务提供了逻辑链路层、网络层和传输层的功能。图2 3 表示了大 致的w a v e 协议堆栈。这个堆栈由以下几部分组成1 7 j ： 数据平面，它包含通信协议和递送数据的硬件。数据平面携带应用程序产 生的或者传送给它的基本信息量。用时还携带不同机器的管理平面实体之间的信 息量，或管理平面实体和应用程序之间的信息量( 如：通知) 。 管理平面，它用来进行系统配置和功能维护。管理平面使用数据平面服务 来传输设备之间的信息量，个别层会定义具体的管理实体，如：物理层管理实体 ( p l m e ) 和媒介控制访问层管理实体( m l m e ) 。管理服务统称为w a v e 管理 实体( w m e ) 。 w a v e 的目的就是为应用软件提供服务。它提供了两种通信方式或协议堆栈： w s m p 和i p v 6 。使用w s m p 的应用软件可发起一个w b s s 来使用s c h ，但是，如果 w s m s 改变c c h 后，就不需要了。 无w b s s 时，数据交换只能够在c c h 上使用w s m p 。下面假定在没有w b s s 时 使用w s m p 4 9 1 ： 如果有一个源请求构成了待传输的w s m 数据，且它还涉及到m a c 地址。 考虑到它的结构，请求选择了合适的无线通信信息( 功率大小、数据数率) 来控 制传输，导致w s m 产生一个给w s m p 的原始请求传输给低层，随后在c c h 上传 输w s m p 。 如果有一个接收设备接收了数据包，并拒绝了它的通信堆栈。这时，接受 的应用软件就获得供应商的地址，能够在c c h 上使用合适的单播或广播地址来交 换信息。 w b s s 由时间和频率( 信道) 组成，在通信范围的某一套设备中，它用来支持 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章车载无线局域网简介 一个或者多个应用程序。w b s s 在一个设备的应用程序的请求下发起，并通过c c h 被通告i 。 应用程序通过请求w m e 来触发w b s s 。这个请求详细说明7 n 务器服务的内 容、持续性、接收设备的目的m a c 地址、每次c c h 访问时通知副本的数量和使 用的s c h 。这些w b s s 参数由w a v e 通知帧从空中传输，服务器服务表中的这些 参数由w a v e 服务信息元素( w s i e ) 组成。 2 1 4 多信道操作 w a v e 系统有两种设备：路边单元( r s u s ) 和车载单元( o b u s ) 。r s u 是一 种w a v e 设备，它只能在固定的位置工作以支持o b u s 间的通信和数据交换。o b u 是一种移动或便携式的w a v e 设备，它支持r s u s 和其它o b u s 间的信息交换。 当启动时，设备监视c c h 直到接收到w a v e 服务广告( w s a ) ，它利用其中一个 s c h 或设备根据它所传输的w a v e 通知帧，选用s c h 来发布服务。在特定的间隔， 如控制信道间隔( c c hi n t e r v a l s ) ，为了额外的安全或私人服务广告，w a v e 设备 也必须监听c c h 。当监听c c h 是必须的时候，如果中止s c h 上的处理过程是必 要的话，那么当监听c c h 不必要的时候( 即设备恢复到s c h 的时候) ，数据交换 有可能重新开始。建议：在监听c c h 的时候，采取缓存数据包的方法，直到设备 恢复到s c h 结束处理过程。 设备要在s c h s 上交换数据，必先要时间同步。除了彼此同步外，设备还必须 知道何时允许结束监听c c h 。一旦同步，单信道就能确保它们在指定的c c h 间隔 内满足监听c c h 的条件。 c c h 使用的e d c a 参数集设置应尽可能地优化w s m p 数据传输。当工作在 c c h 上时，所有的w a v e 设备都应使用表2 1 所示的e d c a 参数集。i e e ep 8 0 2 1 1 p 规定了c w 的最小和最大值。c c h 上的e d c a 参数集设置应和表1 所示的保持一 致，它已经在管理信息库( m m ) 预先配置好了。 表2 1c c h 上的e d c a 参数集 a c i4 c c c 鲑f s nz 鞠9 彪# n i t o f d m p h y l属性 c c 9o 0尽力服 ( c + 1 ) 2 1c 6 o 务 2视频 ( c + 1 ) 4 1( c 。+ 1 ) 2 - 1 3o 3语音 ( c 。+ 1 ) 4 1( c 。+ 1 ) 2 - 1 2o s c h 允许口和w s m p 数据帧的传输，如果在提供者的w a v e 通知行为帧内， 接收到一个e d c a 参数集，此e d c a 参数集就能在这个w b s s 内使用。i e e e8 0 2 1 l 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章车载无线局域网简介 标准规定了默认的e d c a 参数集。i e e ep 8 0 2 “p 规定了c w 的最小和最大值。提 供者可能根据它自身条件或者被提供的负荷来改变其参数值。管理信息库( m i b ) 给出了s c h 上的默认e d c a 参数值，见表2 2 。 表2 2s c h 上的默认e d c a 参数 a c l彳c c c a l f s nt x o p l i m l t o f d m p h y l属性 c i nc 7 0 o尽力服 c c 30 务 2视频 ( c + 1 ) 2 1c j 。 20 3语音 ( c i 。+ 1 ) 4 1( c 阿，m i 。+ 1 ) 2 1 2 o 当w a v e 设备加入到一个w b s s 时，在c c h 消息传送的间隔内，必须确保 所有w a v e 设备正在监听c c h 。在一个正常的时间间隔( 如c h 间隔) 内，所有 的w a v e 设备都应监视c c h 。在此过程中，还应传输w s m p 报头和w s a s 上的 高优先级( 级别4 或更高) 的w s m p 消息和c c h 编号。在s c h 间隔内，若设备 仍然停留在c c h 上，则低级别帧( 用户优先级为3 或更低) 可在任何时间传输。 图2 4 显示了同步间隔和它的c c h 间隔以及s c h 间隔的组成部分。同步间隔 长度应是d o t 4 s y n c i n t e r v a l 。c c h 和s c h 间隔值分别存储在d o t 4 c c h i n t e r v a l 和 d o t 4 s y n c i n t e r v a l 内，而且这些属性值加起来应该等于同步间隔。为了让w a v e 设 备选择一个共同时间库来同步，使用u t c 作为评估共同时间库的参考标准。当定 时器时间同步功能系数点4 同步间隔为o 时，同步间隔就应立即启动。 同步间隔 _ 保护间隔 e = = = = = = = = = = 习 二i 二 二工二 二i c c h f 司隔s c h 间隔 每秒u t c 的启动 每秒u t c 的启动 图2 4 同步间隔、保护间隔、c c h 间隔和s c h 间隔 2 2i e e e 8 0 2 1l p 2 2 1d s r c 的频谱分配和架构 d s r c 的频谱有七个带宽为i o h m z 的信道组成，如图2 5 。其中1 7 8 信道是控制 信道( c c h ) ，它只用于安全通信【2 7 , 4 9 , 5 0 。在两边的信道是用来做特殊的使用口引， 重庆邮电大学硕士论文第二章车载无线局域网简介 其余的信道都是用来作安全信道和服务信道。 避免故挽敦生命控制信道大功率公关安全 伪1 玲曲1 7 4凸 n曲1 1 1 曲t 1 ) 0曲i 酡c h 劓 ili l l l 舅-