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DSRC系统与无证设备在5.9GHz的频段共存
Jim Lansford Cambridge Silicon Radio amp;University of Colorado – Boulder Boulder CO, USA
John B. Kenney Toyota InfoTechnology Center Mountain View CA, USA jkenney@us.toyota-itc.com
Peter Ecclesine Cisco Systems San Jose CA, USA pecclesi@cisco.com
摘 要
随着FCC NPRM13-22（文案13-49）的发布，美国联邦通信委员会提出了允许未经授权的设备，如Wi-Fi共享5.9GHz的智能交通运输系统带，这是目前分配给专用短程通信技术的。这个提议，这将创建一组新的规则，将成为U-NII-4-频带的规则，要求未授权的设备能够识别DSRC系统的存在，并推迟到它们，因为DSRC将保持的共同主要用户带。本文考察了围绕U-NII-4频段共享的问题，对那些试图以平衡的细分市场要使用的频段需求行业活动的报告，讨论了带共享如何工作并充分保护DSRC一些初步的想法，并着眼于需要做的事情，这将充分告知监管机构关于共享5.9 GHz的其带的可行性和实用性未来的工作。
关键词：专用短程通信技术，共存，频谱共享，未被授权的国家信息基础设施，智能交通系统
1背景
5GHz波段的监管问题
由于2.4GHz的工业，科学和医疗（ISM）频段已经越来越拥挤，出现了大量的在Wi-Fi行业的利益使用5 GHz频段，这通常属于未许可的国家信息基础设施下（UNII）美国联邦通信委员会（FCC）1的规则。作为目前实施的UNII频带被定义为在表1-1：
表1-1 5GHz U-NII频段在美国的分配
在5 GHz频段提供显着更多的频谱容量比2.4 GHz ISM频段的可用83.5MHz，值得关注的是，新一代的Wi-Fi的迅速普及加速将导致大规模拥堵，这些频段也无法避免。这些问题将在随后的章节中得到解决。
美国国会于1991年成立了智能交通系统（ITS）项目[1]。在1999年，FCC，响应来自汽车行业的请愿书“，为DSRC基于ITS应用，并采用DSRC技术操作规则分配的5.9 GHz频段[5.850-5.925 GHz]”[2]。 DSRC服务与政府无线电定位业务，并与非政府的5.9 GHz频段的共同主要卫星固定业务的上行链路的操作。 2003年，FCC采纳许可和服务规则DSRC [2]，其中包括修改零件90（用于路边单元RSU）和95（用于车载单元OBU）的委员会的规则。如示于图1-1，这些规则定义保留5兆赫的频段（5.850-5.855 GHz）的低端和指定7 10 MHz信道，即通道的频带规划。 172（5.855-5.865千兆赫）至184（5.915-5.925 GHz）的。通道。 178指定为控制信道，而其余六个信道被指定的服务频道。规则还允许两个20 MHz的服务渠道，分别重叠与渠道和174-176 180-182。 2006年，委员会通过指定通道进一步完善了DSRC规则。 172“专供车对车辆事故避免和缓解，生活和生命安全和安全通信属性的应用程序。“另外，它指定通道。 184“专为高功率，用于涉及生命和财产的安全，包括道路交叉口碰撞缓解公共安全应用长距离通信”[3]。
图1-1 FCC DSRC频段计划
专用短程通信技术
DSRC是的ITS技术，使直接车辆到车辆（V2V）和车辆对/从基础设施（V2I）通信[4]。近年来汽车制造商组成的财团，与美国运输部（DOT）合作，从事针对DSRC系统的部署研究[5,6]。研究的重点是通过所谓的基本安全信息（BSM）上的车辆状态信息（位置，速度，加速度，航向等）V2V通信[7]，以及使用该BSM数据防撞应用的发展识别潜在的碰撞威胁，并采取适当的行动，例如警告驾驶员或控制车辆。这些应用制定了严格的鲁棒性和底层的无线通信系统的延迟要求。而在DSRC的讨论重点是经常V2V安全通信，该系统能够支持各种各样的其它ITS应用，包括基于V2I安全的，自动化的驱动，高效率的移动性，减少了对环境的影响，以及电子商业（例如收费）。许多这些服务也强加在无线通信系统上的严格要求。
DSRC系统通信上使用的通用的IEEE 802.11物理层（PHY）和介质访问控制（MAC）协议的变化。这个变型中，被称为在汽车环境中无线接入（WAVE）在IEEE 802.11p修正案指定[8]。的波能力使得自组织通信低延迟，根据需要在其中高速车辆仅在彼此几秒钟的范围内的潜在碰撞前场景。WAVE DSRC和的IEEE802.11协议更传统的使用之间的关系将在下面讨论。在DSRC协议栈的较高层是根据由IEEE 1609工作组定义的标准和由国际汽车工程师学会[9]。
802.11在5GHz频段（支持802.11a / n / ac）
如1.1描述的，可用于在5GHz U-NII频带未许可设备频谱的显著量。在IEEE，但是也有一些这些频段定义了三种物理层规范：802.11，802.11n的，和802.11ac标准。所有这些标准都使用正交频分复用（OFDM）。 802.11a的被批准于1999年，通常使用20MHz信道，而802.11n标准于2009年批准，可以使用20或40MHz信道;两者都是现在的所谓的“基本标准”，这是目前802.11-2012一部分。该802.11p WAVE修正案也被纳入了基本标准。 802.11ac的是修正案草案基本标准是在批准的最后阶段;它使用20，40，80，160或80 80（非邻接）通道[12]。由于802.11ac标准可以使用更广泛的渠道，而且由于802.11ac标准预计将在数十亿的设备在未来5年内进行部署，市场一直关注的拥堵，所以FCC已经开始探讨如何释放更多的频谱，这将在1.5讨论。
IEEE802.11p和“传统”的IEEE 802.11的关系
因为第一个IEEE 802.11无线局域网标准于1998年发布，工作组已修订标准的25倍以上，改善和扩展其功能。如上所述，所述的802.11a，802.11n标准，和的802.11ac修正限定PHY改进，通过先进的技术和更高带宽的通道允许更高的吞吐量。
最初的努力规范DSRC的物理层和MAC层协议在ASTM国际组织的主持下进行。其结果是ASTM E2213-03标准[18]，在2003年ASTM E2213-03被要求通过FCC DSRC许可和服务规则[2]符合这是基于IEEE802.11a的OFDM PHY和802.11载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA / CA）MAC。2004年的汽车社会决定使用正规的修正802.11，而不是通过ASTM E2213.This部分是由一个愿望所驱使，鼓励了Wi-Fi社会支持DSRC共同的产品更新DSRC MAC和PHY标准，特别是在芯片级。其结果是在2010年出版前面提到的IEEE802.11p WAVE修正[8]。
大多数由IEEE 802.11p介绍修改影响MAC协议，定义的能力称为“一个基本服务的上下文设置“外部通信（OCB），即Ad Hoc模式，最大限度地减少设置延迟前两设备可以沟通。在物理层，使最小的802.11p标准的修改。两个显着的修改是相对于发送的频谱掩模和接收信道抑制。
1.4.1发射频谱掩模
在802.11p一个物理层的变化是在发射频谱掩模，这限制了多少能量，可以在操作的信道的外面发射。这是鉴于该频段计划（图1-1）的紧密堆积通道DSRC一个显著的关注。由于这个原因，FCC对待不同的DSRC比无牌Wi-Fi设备的发射频谱遮罩。对于DSRC，FCC要求符合发射频谱模板每四类设备的基础上，最大无线发射功率和最大等效全向辐射功率（EIRP）。这些类从D指定为A，其中A对应于最低的最大功率和D到最高。大多数DSRC设备在C类，其中有20 dBm的最大射频发射功率和33 dBm的最大EIRP。该802.11p的修订，包括这四个功率等级和口罩，并指FCC规定其适用。面具要求在最小衰减方面高于从信道中心偏移一定频率指定。 A类-D面具是表1-2 10 MHz工作信道规定。对于更广泛的渠道，偏移适当缩放。例如，在20MHz的信道应用类的掩模时，相对功率谱密度（PSD）必须至少低20dB为频率的至少11从信道的中心兆赫最大PSD。
表1-2 DSRC和WI-FI发射频谱掩模（显示为10 MHz信道）
相比之下，FCC不规范无牌的Wi-Fi设备的特定的发射频谱掩模。在这个频段内，例如，目前在U-NII-1谱带或在U-NII-4-频带未经许可设备提议的规则，不存在外的信道能量的限制。FCC规定排放超出带的边缘，而不是带内。IEEE 802.11标准不强加给每个物理层发射频谱掩模的要求。它实质上是类（尽管5.0GHz偏移约束从802.11缺失）在表1-2中所示的掩模。
需要明确的是，需要无牌Wi-Fi设备的802.11标准，以符合A类用于发射相对功率频谱屏蔽，而是由FCC允许使用较高的绝对发射功率比DSRC A类设备。通常，这些未经授权的设备被允许在250兆瓦或1000兆瓦（见表1-1），这比在DSRC C类限制甚至更高传输。因此，当我们考虑共享DSRC和未经许可的Wi-Fi设备之间的5.9 GHz频谱，一个考虑是，DSRC设备通常散发出最大20 dBm的，并符合陡峭，FCC要求C类掩膜，而Wi-Fi设备是允许稍微更高的功率，并使用由该标准，但不通过在FCC描述较浅掩模。
1.4.2接收信道抑制
其中802.11p修正案修改的物理层协议其他区域是相对于接收信道抑制。这是一个接收机的操作的信道从能量上可能存在的其它信道，特别是在直接相邻信道隔离能力的量度。802.11标准包括了OFDM 物理层协议信道抑制的要求。拒绝的一个电平被用于相邻信道干扰指定，并且用于非相邻信道干扰被指定拒绝的一个更高的水平。在802.11p工作的工作组关注的是，在移动环境下可能需要更高的抑制性能。因此，它们规定的“可选增强”排斥的水平，但这些不是必需的一致性802.11p。今天可用的原型802.11p设备通常不实现增强的拒绝电平，所以802.11p这方面是不为频谱共享尤其相关。
有关802.11p设备和常规的Wi-Fi设备之间的比较，最后的讲解涉及信道带宽。无论是经常使用的OFDM 物理层（最初在802.11规定，修改了802.11j）和DSRC使用OFDM 物理层（802.11p）的被允许使用5，10，或20 MHz的信道宽度。然而在实践中，无线网络设备使用20 MHz或更高，而DSRC装置使用10MHz的信道几乎完全。这是在设计这些类型的设备之间共享频谱的溶液相当显著，将在第2节说明。
FCC 13-22 NPRM
为应对迅速加快采用的Wi-Fi，尤其是新兴的802.11ac标准，联邦通讯委员会颁布于2013年初所提出额外的频谱将195MHz用于无证设备，如Wi-Fi法规制定提案（NPRM）通知书。此外，NPRM提议在现有的U-NII-1的变化，U-NII-2和UNII-2e频段，使他们无牌设备，包括使U-NII-1提供户外和简化DFS过程更为有用对于U-NII-2和U-NII-2e。拟议的新授权频谱和Wi-Fi信道之间的映射显示为红色，如图1-2作为提醒，在其频带为5.850-5.925 GHz的，所以这个频带在NPRM列入将允许一个额外的80 MHz和支持Wi-Fi操作一个额外的160 MHz信道。以下比802.11等标准未许可设备也将被允许在图1-2中标记为“新的”频带的任何地方进行操作。
图1-2 802.11ac当前和提出的5 GHz信道
这些新的频段将在表1-3所见。
表1-3拟议5GHz的U-NII频带新名称
从智能交通系统的角度来看，最显著提议的变更是允许通过DSRC使用的频带与未经许可的设备，如无线网络，这将成为拟议的U-NII-4频段共享。这导致了汽车和WLAN产业之间的混乱，因为没有预期5.9GHz的ITS频带分配是无照设备，如无线网络连接共享。最根本的问题是如何共享频段在一个“公平”的方式，因为DSRC已经在波段更高的优先级。
2在WLAN的介质共享
2.1 CCA工作流程
802.11基础介质共享原则称为载波侦听多路访问冲突避免（CSMA/CA），它通常被描述为“先听后说”，换句话说，传输一个数据包之前，802.11系统要检测信道是否繁忙；这个过程称为空闲信道评估（CCA）。CCA使用两个主要规则识别通道从空闲到繁忙的过渡。其中的一个规则是由接收信号和已知的训练信号，一个数据包的报头中的802.11使用的设备匹配成功的触发（训练信号的精确性与信道带宽和物理层的具体生成变化（11a／n／AC））。这个前导码检测被称为载波侦听（CS）。二次规则是由存在的能量高于某一阈值，无论提供的信号形式的存在，这是所谓的能量检测（ED）。第一条规则主要用于802.11个设备，以避免干扰彼此。二是旨在促进802.11和其他无牌设备，如微波炉之间的共存。
如果介质是忙，要么通过CS或ED，那么设备必须等待（延迟）一段时间称为退避。这可以被描述为统计复用，是一种非常有效的方法，用于介质的共享，特别是对轻负载的网络。
在Wi-Fi 802.11ac和802.11n等现代版本，还有一个额外的并发症，可以在不同的带宽操作。如前所述，802.11p通常工作在10MHz带宽，但802.1
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