IEEE Guide for Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE) Architecture

1609.0是一個針對V2V, V2I的概述協(xié)議沐祷，包含了組件，操作等炬太，用來幫助更好的理解其他相關(guān)的WAVE協(xié)議屏富，如1609.2，1609.3养叛，1609.4等种呐。
DSRC (dedicated short range communications) 在美國常用于指代WAVE相關(guān)的頻譜或技術(shù)。在美國以外弃甥，DSRC可能會指5.8GHz上的通信技術(shù)爽室，如電子收費。
WAVE標(biāo)準(zhǔn)提供了在支持互操作的低延遲淆攻，低開銷的WAVE設(shè)備上進行安全有效可持續(xù)的通信開發(fā)阔墩。
1609.0提供了從設(shè)備，協(xié)議瓶珊，標(biāo)準(zhǔn)不同視角的架構(gòu)啸箫。

1609.4對802.11的MAC層進行了擴展，包含以下features:

• 信道時鐘和切換
• 在BSS外使用802.11設(shè)備（信道使用伞芹，EDCA等）
• 在WAVE中使用802.11的vendor specific action和timing advertisement frames
• MAC層的再編址以支持假名

1609.4默認(rèn)設(shè)備具有以下高層features:

• 發(fā)送或者接收功能
• EDCA和發(fā)送時的用戶優(yōu)先級

1609.3包含以下features:

• WAVE的service advertisements和信道安排
• WSM協(xié)議
• 對已有協(xié)議的支持忘苛，如LLC和IPv6蝉娜，包括IPv6的配置
• 通過air接口傳遞控制信息

1609.3默認(rèn)設(shè)備具有以下高層features:

• LLC和SNAP（subnetwork access protocol)
• IPv6或者WSMP，至少能用其中一個來發(fā)送或接收數(shù)據(jù)

5 WAVE system overview

5.1 general

WAVE系統(tǒng)提供了固定的和移動的（如行人和行駛車內(nèi)）設(shè)備之間的安全與便捷的通信扎唾。包含了加密召川，認(rèn)證，完整性胸遇，抗抵賴性的荧呐，隱私保密的features，這些特性會在5.13.1中介紹狐榔。WAVE系統(tǒng)支持應(yīng)用向汽車系統(tǒng)和駕駛員提供更大的環(huán)境事件提醒坛增，潛在的風(fēng)險和馬上要發(fā)生的危險，增加了每天駕駛的安全性薄腻，移動性和便利性收捣。
WAVE支持一個V2V, V2I，V2D的低延遲的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境庵楷。為了支持低延遲通信罢艾，需要使用特殊的頻譜，開發(fā)特殊的short message協(xié)議尽纽。

5.2 System componets and connectivity

1609標(biāo)準(zhǔn)不區(qū)分設(shè)備類型咐蚯，靈活的支持包含RSU和OBU在內(nèi)的多種設(shè)備類型。RSU是永久安裝的通信時固定的設(shè)備弄贿，OBU通信時是移動的春锋，通常安裝在車上。后期還會包含手機設(shè)備和路邊的行人差凹。
一個應(yīng)用服務(wù)是一個包含數(shù)據(jù)交換的由WAVE設(shè)備上的一個上層實體提供給另一個WAVE設(shè)備上相似的實體的通過WAVE通信的服務(wù)期奔。WAVE協(xié)議是設(shè)計給設(shè)備間一致的，可互操作的危尿，及時的交換數(shù)據(jù)的呐萌。WAVE標(biāo)準(zhǔn)確定設(shè)備角色為provider的，廣播發(fā)送可用應(yīng)用服務(wù)谊娇，角色為user的肺孤，選擇性的加入provider提供的服務(wù)。provider和user并不是與RSU和OBU類型綁定济欢，在很多情況下赠堵，RSU可可以做provider。
通信安全服務(wù)可能被應(yīng)用調(diào)用法褥，也可能由Data或者管理層調(diào)用顾腊，會后續(xù)在5.13.中介紹。

Protocols

5.3.1 General

WAVE協(xié)議棧如下所示：

5.3.2 WAVE Short Message Protocol

WSMP運行應(yīng)用直接控制物理層特性弹囚，如傳輸數(shù)據(jù)時的信道號和傳輸功率。源應(yīng)用也會提供目標(biāo)設(shè)備的PSID和MAC地址领曼，包括可能的組地址鸥鹉。目的設(shè)備上的應(yīng)用實體可以通過PSID來正確接收WSM，如果PSID不是本設(shè)備上的應(yīng)用服務(wù)所需悯森，那么這個消息將會被丟棄宋舷。WSM設(shè)計成消耗最少的信道資源，所以它在CCH和SCH上都能傳輸瓢姻。
下面給出一個WSM的傳輸例子祝蝠。一個源設(shè)備應(yīng)用組件一個WSM數(shù)據(jù)包，把它的地址填為廣播MAC地址幻碱。根據(jù)它的配置绎狭，應(yīng)用選擇合適的信道信息（功率，數(shù)據(jù)速率）來控制這個發(fā)送褥傍，調(diào)用WSM請求原語（WSM-WaveShortMessage.request) 來請求WSMP來傳遞數(shù)據(jù)到底層服務(wù)儡嘶，隨后在信道上傳輸出去。一個接收設(shè)備接收到該數(shù)據(jù)包恍风，把它傳遞給通信協(xié)議棧蹦狂。WSMP根據(jù)PSID把它傳給目的接收應(yīng)用誓篱。這時，接收應(yīng)用知道源發(fā)送設(shè)備的存在知道發(fā)送設(shè)備的地址凯楔，如果有需要它可以繼續(xù)通過單播或者廣播MAC地址來和源設(shè)備通信窜骄。
WSMP非常適合基于消息的應(yīng)用，該應(yīng)用受制于間斷的無線連接摆屯。附錄C提供了WSMP在安全和電子收費場景的應(yīng)用實例邻遏。

5.3.3 Internet Protocol

WAVE支持IPv6。WAVE標(biāo)準(zhǔn)沒有明確規(guī)定IPv6以上的上層協(xié)議虐骑。IP協(xié)議適合提供給應(yīng)用所需的網(wǎng)絡(luò)包准验，如發(fā)送到遠端網(wǎng)絡(luò)主機的路由包。IPv6提供了分片重組功能廷没。IP協(xié)議上2個流行的傳輸協(xié)議有UDP和TCP糊饱。UDP提供了WSMP不提供的端口號和校驗和，TCP提供了端口號和保證端到端可靠性的確認(rèn)重傳機制腕柜。
NOTE - TCP在很多場景下很適用济似，但是WAVE環(huán)境下丟包率高，錯誤率高盏缤，可傳輸時長短砰蠢，TCP的適用性需要再考慮。
1609.3定義了一個WAVE Service Advertisement (WSA)來支持基于IP的應(yīng)用服務(wù)唉铜。一個RSU可以通過RSU router來廣播所有消息台舱，用來給OBU訪問基于IPv6的應(yīng)用服務(wù)。

5.3.4 Management plane

管理服務(wù)與多個Data plane實體相關(guān)潭流，來提供系統(tǒng)操作必要的層級功能竞惋。這些功能包括信道協(xié)調(diào)所需的時間同步和執(zhí)行服務(wù)請求與廣播。1609.4規(guī)定了對IEEE 802.11 MAC層管理實體的擴展（MLME)灰嫉，1609.3規(guī)定了WAVE的管理實體（WME)拆宛，5.13中描述的安全服務(wù)也在這個管理plane中，可以被WME或上層應(yīng)用調(diào)用讼撒。

5.4 Interfaces

設(shè)備間接口如下：

5.5 The 5.9 GHz spectrum allocation

下圖是美國FCC規(guī)定的用以DSRC的無線信道定義。這要求部署在美國的WAVE系統(tǒng)需要使用下列信道朋魔，或者他們的子集岖研。

FCC channel allocation

• 5.850 GHz 到 5.855 GHz保留
• 信道178是控制信道CCH
• 信道172，174警检，176孙援，180，182和184是服務(wù)信道SCH
• 信道174和176扇雕，信道180和182可以組合成2個20MHz的信道拓售，即信道175和181
• 信道172和184是設(shè)計用以公共安全應(yīng)用的，包括生命安全和財產(chǎn)安全镶奉。根據(jù)FCC础淤，信道172是用以V2V安全通信，用來做事故避免和減緩的腮鞍，生命安全和財產(chǎn)安全的應(yīng)用值骇。信道184是用來做高功率，長距離的公共安全和財產(chǎn)安全的應(yīng)用移国，包括十字路口車禍避免吱瘩。
  WAVE設(shè)備可用的無線信道由在1609.4的management information base (MIB) 定義。WAVE協(xié)議區(qū)分控制信道和服務(wù)信道迹缀，但是沒有按FCC的要求強制規(guī)定服務(wù)信道的不同規(guī)則使碾。

5.6 Channel types

WAVE定義了2種無線信道：一個單獨的控制信道和多個服務(wù)信道蜜徽。CCH保留給WSMP消息和系統(tǒng)管理消息如WSA用。SCH用以通用的應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸票摇，可以通過WSA來協(xié)調(diào)拘鞋。SCH也可以由別的方法來安排，不需要advertisement矢门。在SCH上盆色，WAVE允許IPv6傳輸，也允許WSMP和管理包傳輸祟剔。
WAVE標(biāo)準(zhǔn)一方面規(guī)定CCH用以WSA廣播隔躲，不允許CCH上的IP傳輸，但是另一方面并沒有規(guī)定這么多信道怎么用物延。譬如1609并沒有定義一個單獨的安全信道宣旱，任一一個控制或服務(wù)信道都可以作為安全信道。
某個信道可能被規(guī)則設(shè)計為安全所用叛薯，如5.5中的例子』胍鳎現(xiàn)在展望，信道172未來可能在美國的部署會被設(shè)計為安全信道耗溜，但從WAVE協(xié)議的角度來說它還是SCH组力。

5.7 Communication services

5.7.1 General

WAVE通信服務(wù)支持信息使用WAVE協(xié)議通過空中接口從一個設(shè)備的高層實體傳輸?shù)搅硪粋€設(shè)備的高層實體。
應(yīng)用使用服務(wù)原語通過SAP來向WAVE協(xié)議或管理實體發(fā)起服務(wù)請求强霎。應(yīng)用也可以通過WAVE通信向其他應(yīng)用提供應(yīng)用服務(wù)忿项，如WAVE設(shè)備間的客戶端-服務(wù)器模式的地圖信息交換。
高層可能通過CCH或SCH交換信息城舞。WSMP傳輸可能使用任一信道轩触，但是IPv6只能在SCH上傳輸。接下來會講3種通信場景家夺，其中一個使用CCH脱柱，另2個使用SCH。

5.7.2 CCH communications

第一個場景是CCH通信拉馋。這個場景不涉及空中協(xié)調(diào)榨为。只有WSMP和管理包能在CCH上傳輸。WSM可能是單播的煌茴，也可能是組播或廣播的随闺，可以被附近任一一個傳輸時刻信道切換到CCH上的設(shè)備接收到。CCH通信可以被用于向附近WAVE設(shè)備請求時間信息蔓腐。發(fā)出請求的設(shè)備通過WSMP廣播一個請求消息矩乐，收到的設(shè)備會通過一個管理幀來返回時間信息，單播或廣播都可以。

5.7.3 SCH communications

多個應(yīng)用服務(wù)機制散罕，廣播的或非廣播的分歇，都在同一時間同一地點使用相同的SCH。在同一個SCH上的操作消耗同一個設(shè)備的PHY層資源欧漱，如同一時刻在同一個信道上的PHY操作职抡。

5.7.3.1 Unadvertised application-service opportunity

第二個場景中，一個非廣播式應(yīng)用服務(wù)误甚，應(yīng)用會可能會使用一個預(yù)先定義好的SCH缚甩。一個SCH用于特殊用途可以提前配置，或通過其他的OOB機制來決定窑邦。任一一個可通信的WAVE設(shè)備（如切換至正確信道）都參與進這個非廣播式應(yīng)用服務(wù)蹄胰。實際上任何參與者都不會被分配任何角色。信道172上的安全通信就是一個例子奕翔，所有參與的設(shè)備的信道172都提前配置成安全信道，應(yīng)用協(xié)議設(shè)定定期廣播消息（如Basic Safety Message)浩蓉。

5.7.3.2 Advertised application-service opportunity

在第三個場景中派继，WAVE為廣播式應(yīng)用服務(wù)提供選擇。在這個場景中捻艳，一個WAVE設(shè)備作為provider角色驾窟。provider傳輸WSA消息，標(biāo)識和描述了應(yīng)用服務(wù)和它使用的SCH认轨，會在5.8中詳述绅络。provider WAVE設(shè)備切換到SCH上用以與其他參與者交換消息。其他作為user的WAVE設(shè)備是這個應(yīng)用服務(wù)的潛在參與者嘁字。接收到一個帶advertised應(yīng)用服務(wù)的WSA的user恩急，可以選擇加入在provider所在的SCH來參加這個服務(wù)。這時纪蜒，provider和user可以交換這個應(yīng)用服務(wù)的信息了衷恭。
下面是一個例子。一個固定的路邊provider設(shè)備纯续，發(fā)送一個WSA随珠，包含了綁定一個交通咨詢服務(wù)的PSID的service info，相應(yīng)的WSA的channel info指定了使用SCH182. Provider的交通咨詢服務(wù)應(yīng)用在SCH182上廣播交通預(yù)警消息猬错，也通過IPv6回復(fù)那些需要更多信息的請求窗看。車輛user設(shè)備進入RSU的覆蓋范圍后，從CCH上接收WSA倦炒，解析service info显沈。對交通咨詢服務(wù)感興趣的話，解析出相關(guān)PSID析校，然后切換信道到SCH182构罗，這樣就可以在SCH182上訪問交通咨詢應(yīng)用服務(wù)了铜涉。
需要注意的是建立一個廣播式應(yīng)用服務(wù)的信息交換只涉及WSA，其他的信息交換是應(yīng)用本身的事遂唧。
選擇哪個data plane協(xié)議來支持一個特定的應(yīng)用服務(wù)是由參與者本身決定的芙代。下面描述了選擇合適的協(xié)議的方法因素：

• 基于PSID或者PSC (Provider Service Context) 的信息選擇
• WSA的service info里面含有IP地址則選IP協(xié)議，IP協(xié)議以上的協(xié)議沒有指定
• 其他的都選WSMP

5.7.3.3 Device roles in an advertised application-service opportunity

在一個廣播式應(yīng)用服務(wù)中盖彭，一個WAVE設(shè)備可能作為一個或兩個角色存在纹烹，provider或者user。像在5.7.3.2和5.8中描述的召边，provider負責(zé)傳輸包含廣播應(yīng)用服務(wù)信息的WSA铺呵。user監(jiān)控WSA，來選擇是否加入這個服務(wù)隧熙。過程如下圖所示：

開始時片挂，WAVE設(shè)備并沒有發(fā)出支持這個應(yīng)用服務(wù)的請求。在1a中贞盯，provider設(shè)備上的應(yīng)用發(fā)起一個Provider Serivice請求原語到WME音念。這個請求包含了這個服務(wù)的特征，如需廣播的PSID躏敢，服務(wù)優(yōu)先級闷愤，廣播重復(fù)速率和所需的SCH。WME時可以拒絕這個請求的件余，如它的無線信道資源被其他服務(wù)請求占用讥脐。如果沒有拒絕，那么WME繼續(xù)填充這個請求啼器。服務(wù)參數(shù)填充在WSA中的service info段旬渠，信道參數(shù)填充在channel info段。
在1b步中镀首，WME收到請求后會和Security Processing Services交互來給這個WSA簽名坟漱。然后，在1c步中更哄，WME會和MLME交互來分配合適的SCH和協(xié)調(diào)CCH上WSA的周期傳輸芋齿。WSA會包含在802.11的管理幀中，具體格式會在1609.4和1609.3中描述成翩。
在1c步時觅捆，provider設(shè)備同時也會切換信道到SCH，此時它也是這個廣播式服務(wù)應(yīng)用的參與者麻敌。
另一個WAVE設(shè)備作為user角色栅炒。在2a中一個應(yīng)用發(fā)送一個user service請求到WME。成功處理這個請求后，WAVE設(shè)備開始等待接收WSA赢赊。2b中乙漓，user設(shè)備接收到WSA。如果這個WSA是簽名過的释移，根據(jù)user service請求叭披，需要安全驗證，那么WME就會在2c中調(diào)用Security Processing Service來解析WSA玩讳。
如果安全認(rèn)證通過涩蜘，WME根據(jù)WSA service info中的PSID來判斷收到的WSA的應(yīng)用服務(wù)是否是user service request中的應(yīng)用服務(wù)。如果不是熏纯，或者安全認(rèn)證不通過同诫，那么這個WSA將被忽略，設(shè)備繼續(xù)監(jiān)控CCH樟澜，等待接收下一個WSA误窖。
如果是user service request中的服務(wù)，那么WME在2d中通知應(yīng)用秩贰。此時贩猎，假如無線資源夠用，會有多種操作可選萍膛，都在1609.3中描述。根據(jù)user service request嚷堡， WME會在2e中自動的開始加入這個廣播應(yīng)用服務(wù)蝗罗，或者等待應(yīng)用的確認(rèn)是否加入。如果加入蝌戒，設(shè)備就會開始訪問相關(guān)的SCH串塑。此時，兩個設(shè)備都加入了這個應(yīng)用北苟，并處于同一個SCH桩匪，可以開始應(yīng)用數(shù)據(jù)的傳輸了。
其他的WAVE設(shè)備也還可以作為user加入這個應(yīng)用 友鼻。一個WAVE設(shè)備可以接收多個provider和user的Service request傻昙，同時作為provider和user角色存在于不同的應(yīng)用服務(wù)。

5.7.3.4 Ending participation in an application-service opportunity

如果一個設(shè)備加入了一個應(yīng)用服務(wù)彩扔，加入狀態(tài)會一直保持到本地結(jié)束妆档。WAVE標(biāo)準(zhǔn)沒有用空中包交換來確認(rèn)結(jié)束。在設(shè)備內(nèi)部虫碉，WME把結(jié)束決定發(fā)給MLME來結(jié)束參與贾惦，如停止信道訪問，停止在WSA中廣播這個應(yīng)用服務(wù)。WME也會通知影響到的應(yīng)用须板。WME停止服務(wù)參與有很多原因碰镜，比如，應(yīng)用操作完成會使應(yīng)用發(fā)送結(jié)束請求习瑰，或者WME可能需要重新分配本地通信資源來相應(yīng)更高優(yōu)先級的應(yīng)用服務(wù)绪颖。

5.7.3.5 IPv6 services

WAVE系統(tǒng)可以支持普通的IPv6應(yīng)用。舉個例子杰刽，一個RSU連接進Internet菠发，它被配置成一個Internet訪問服務(wù)的provider，發(fā)送一個廣播Internet訪問服務(wù)的WSA贺嫂。這個WSA中和service info, channel info一樣滓鸠，可能包含WAVE Routing Advertisement(WRA). 這個WRA中包含了一個OBU訪問Internet所需的所有信息，并且移除了對ICMPv6 Router Advertisement message的需要第喳。
基于WRA中的信息糜俗，OBU可以配置自己的IPv6棧來訪問Internet，使用RSU設(shè)備作為網(wǎng)關(guān)曲饱，如下圖所示：

如果IPv6應(yīng)用的host是RSU的話悠抹，那么就不需要Internet連接或者WRA，本地的service info和channel info就包含在RSU的發(fā)出的WSA中扩淀。
WAVE設(shè)備楔敌，比如OBU，也可以不通過RSU而加入IPv6本地網(wǎng)絡(luò)驻谆，這種情況下卵凑，OBU可以發(fā)送包含相關(guān)service info和channel info的WSA。
IPv6提供鄰居發(fā)現(xiàn)功能胜臊，鄰居緩存里面放有通信范圍內(nèi)的設(shè)備的IP地址和MAC地址勺卢。這個功能通過組播-回復(fù)機制實現(xiàn)，在RFC2461里有描述象对，會在信道上產(chǎn)生大量的傳輸信息黑忱。在一些WAVE系統(tǒng)中，它需要保持信道上的傳輸量到一個最小值勒魔，它會建議鄰居緩存通過其他方式實現(xiàn)甫煞，比如積極監(jiān)控空中傳輸包。不過1609標(biāo)準(zhǔn)并沒有排除掉RFC2461中的鄰居發(fā)現(xiàn)功能冠绢。
在一個WAVE系統(tǒng)中危虱，鄰居緩存的成員通常基于接收到的包含MAC地址和IP地址的包構(gòu)建唐全。當(dāng)訪問一個服務(wù)信道時埃跷，一個加入無路由的通信（包不需要通過路由來發(fā)送給服務(wù)器）的host會把這個服務(wù)器加入到它的鄰居緩存中蕊玷。如果這個通信時需要路由的，那么客戶端主機會把網(wǎng)關(guān)加入到它的鄰居緩存中弥雹。此外垃帅，一個WAVE設(shè)備還可以通過從一個本地鏈路的IPv6地址接收到的ICMPv6和IPv6 PDU來增加鄰居緩存，可以將它的MAC頭中的MAC地址和源IP地址關(guān)聯(lián)起來剪勿。