Vehicular Communication System

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PAPER SURVey

Vehicular Communication System

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1.Motivation

在汽車消費成熟的國家中，車載資訊服務業(Telematics)在整個汽車市場中占據了非常重要的地位；在北美及歐洲國家中，新車款的 Telematics 安裝率已經超過 25%。先不從商業方面進行探討，對於車主而言，Telematics 意味著汽車不再是孤立的單元體，而是經由車載網路成為了一個資訊集合收發中心。

從 2004 年起，IEEE 已經開始著手討論相關標準，以期能使車載網路的架設更加順利，並且擴充更多的車用網路服務。相關的標準至今已然頗具規模，除了從 802.11 延伸而出、專門使用於車用通訊的 802.11p 外，IEEE 還針對高層標準制定了 IEEE1609 standard。有鑑於此，我們希望對相關的標準及系統做更進一步的探討及瞭解。

2.Introduction

以下將針對整個系統中最重要的幾個部分進行介紹。由於各個項目之間都存在著部分的關連，也沒有絕對的上層下層關係，所以首先將會對於整體 Vehicular Communication System 進行介紹，並且點出我們所著重的部分。接下來對於其中所牽涉到的 protocol 以及 standard 進行說明，最後則是詳細說明整個系統中最重要的 DSRC。

1. Vehicular Communication System

Vehicular Communication System 顧名思義，指的是由運輸工具以及路旁的通訊點所構成的網路。開始研究 Vehicular Communication System 的契機，是源自於智慧型運輸系統(ITS, Intelligent Transportation System)的需求。

ITS 是透過電子、通信、感測等技術，整合人、車、路的管理策略，能提供即時(real-time) 的道路資訊、事故狀況、車子各部件情況，甚至於經由反饋計算後可以即時調控交通號誌以利交通順暢。現今已然不少人使用的 ETC( Electronic Toll Collection)即為一例。

ITS 的主要技術部分羅列如下：

感測技術電腦技術通信技術

對於這三項研究技術，我們最感興趣的顯然是通信技術的部分。在整個 Vehicular Communication System 中，可以將通訊區域以及可運用的技術切成以下幾塊：

(1) 車內通訊：Bluetooth, UWB(Ultra Wide Band)

(2) 車外通訊：2G, 2.5G, 3G, 3.5G(Cellular System), GPS, WiMAX

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(3) 車路通訊(V2R, OBU-to-RSU／RSU-to-OBU)：Microwave, Infrared, DSRC, Wi-Fi (4) 車間通訊(V2V, OBU-to-OBU)：Microwave, Infrared, DSRC

示意圖如下：

2. IEEE 802.11p – WAVE

IEEE 802.11p Standard，又稱 WAVE(Wireless Access in the Vehicular Environment)，是 IEEE 在 2003 年以 802.11a 為基礎進行修訂，其主要目的是為了應用於智慧型運輸系統(ITS)而將原本的 802.11 進行修改，使其 PHY 層以及 MAC 層能達到效能上的需求。

和原本的 802.11a, b, g, n 相比，WAVE 要求更高的可移動性(mobility)和更短的時間延遲 (delay)，必須要在時速約兩百公里的狀況下保持通訊的可靠度(stability)，並且維持一公里的通信範圍。相較於美國 IEEE 制定的 802.11p，歐洲和日本也制定了相應的標準；雖然其目的都是應用於 ITS，建構出 Vehicular Communication System，但是在相容性上仍有待商榷。

3. DSRC & IEEE 1609 Family

DSRC 全名為 Dedicated Short Range Communication，泛指所有短距離的無線通訊技術，包含了數種不同的技術以及規格。而交通上所使用的 DSRC 系統使用的是 5.9GHz 的頻段，系統中的 PHY 和 MAC 層則是由 IEEE802.11p 所規範，其他部分也和 IEEE1609 Family 息息相關。

(1) DSRC 於 Vehicular Communication System 中的定位

首先，我們要了解的是整個 DSRC system 在整個 Vehicular Communication System 中所扮演的角色。於 Figure2.1 中我們可以清楚的看到，DSRC 扮演的就是 WAVE Network 的角色，負責的是 V2V 以及 V2R 的通訊；但是在 V2V 以及 V2R 的通信上，可運用的技術不只 DSRC 一種，

為了確實選出最適合的技術，我們可以列出下列兩個表格：

評估項目 通訊模式

覆蓋範圍 傳輸速率 工作模式 主要應用 安全

需求

移動能力

即時特性

Figure 2.1

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車路 (V2R)

微波 10～50 m (depend on power)

數十至數百 kbps

雙向交換自動電子收

費

高中中

紅外線 10～50 m (line-of-sight)

雙向交換自動電子收

費

高中中

Wi-Fi WLAN:

10～100 m

ideal:

a: 54Mbps 11b: 11 Mbps 11g: 54 Mbps

單向廣播雙向交換

定點式短距資料傳輸

低中中

DSRC WLAN:

300～1000m

mobile:

3～27 Mbps

單向廣播雙向交換

動態／定點式

短距資料傳輸

中高高

評估項目 通訊模式

覆蓋範圍 傳輸速率 工作模式 主要應用 安全

需求

移動能力

即時特性

車路 (V2R)

微波 10～50 m (depend on power)

雙向交換移動下短距資料傳輸

中中中

紅外線 10～50 m (line-of-sight)

中中中

DSRC WLAN:

300～1000m

mobile:

3～27 Mbps

中高高

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經由比較之後我們可以發現，DSRC 在車間以及車路通訊上，的確有著較好的表現。

(2) DSRC 標準架構

整個 DSRC 的標準架構示意圖如下：

由圖中我們可以清楚看出，於 PHY 以及 MAC 的部分，是由 IEEE802.11 所規範的；當過了 Logic Link Control(LLC)層後，整個系統分為兩個部分，即 Non-IP 和 IP-Base 兩條路徑提供使用者選擇：

<i> IP-Base

於藍色箭頭所指的區塊，是網際網路最常使用的 TCP/UDP 結合 IP 的 protocol，適用於指向性雙向傳輸，如車上娛樂、商家資訊等等。

<ii> Non-IP Base

紅色箭頭所指的區塊，則是由 IEEE 1609.3 所規範的 WSMP Protocol，可以使用較快的速度以及較少的 delay 向周圍廣播 standard 中所允許的訊息。主要的應用為主動式安全性傳輸，以及交通資訊的傳遞。

(3) IEEE 1609 Family

IEEE 1609 Family 是針對 IEEE 802.11p 高層的 Management 以及 Security 部分進行規範，於 DSRC 標準架構的示意圖中，可以看見不少部分都和 IEEE 1609 Family 相關。詳細的架構圖如下所示：

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以下將針對 IEEE 1609 各個部分進行簡單的介紹：

<i> IEEE 1609.1：Resource Management

負責整個系統的資源管理。此處的資源管理扮演的是一個 application 的角色，目的是要引導資訊交換。

<ii> IEEE 1609.2：Security Services for Applications and Management Messages

這個整個環節中最為重要的一部分，管理整個 DSRC 系統的安全性。對於車用網路而言，安全性的重要程度遠高於其他部分

<iii> IEEE 1609.3：Network Service

制定了 WSMP 層的通訊協定，降低了 WAVE 設備之間傳輸所需要的時間

<iv> IEEE 1609.4：Multi-Channel Operations

負責在控制頻道以及服務頻道間切換，以符合 application 的要求

<v> IEEE 1609.11：Over-the-Air Data Exchange Protocol for Intelligent Transportation Systems (ITS) 此部分主要鎖定在電子收費系統的傳輸以及安全性之上

3.Vehicle Communication's implementation in linux

車載資通訊為現在一個滿受到重視的議題，除了一些傳輸協定的訂定，像是(InV) Intra-vehicle 車內之間的溝通，CAN，(V2V) Vehicle-to-Vehicle 不同車輛之間的通訊有 IEEE 802.11p，DSRC (Dedicated Short Range Communication)等協定，而(V2I) Vehicle-to-Infrastructure 也有 IEEE 802.11p ,IEEE 1609 等協定，而在於模擬車載環境方面也有像 NCTUns 軟體的開發，而目前許多人也開始進行一些實作方面的 implementation，而這些實作大部分接建於 embedded linux system 上。

一個車載環境網路包括三種傳輸，InV、V2V、V2I communitation，如下圖所示：

InV：communicate with sensors CAN bus , LIN bus (inside the vehicle)。

V2I、V2V：車輛間，及車輛和環境之間的傳輸溝通(Outside the vehicle)。

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目前許多 embedded solution 仍在開發實驗中，而我們 survey 了幾篇 paper 將在以下中介紹他們的 implementation。

A. An Integrated Embedded Solution for Vehicle Communication & Control

這個 solution 是兩位新加坡的學者所做出來的，他們的做法是拼湊出一個 Integrated Embedded Circuit Board，而這個 Integrated Embedded Circuit Board 可以 handle 所有的訊息，包括來自車內及車外的訊息，而 Integrated Embedded Circuit Board 是由四種 device 所組成的：Wireless card、PIC Board、SBC(Single Board computer)、GPRS Modem。如下圖所示：

Block diagram of Integrated Embedded Circuit Board

相對應 services

各個 Device 的用途如下：

PIC Board 主要連接的是車內的各個 ECUs，可以接受車內各種狀況的訊息，即發送指令給 ECUs。

Wireless Card 負責 wireless communication。

GPRS Modem Communicate with a mobile phone。

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SBC (Single Board computer)

負責和上述三個 device 之間的溝通及運作。

A-1. 使用裝置

a. SBC : Soekris Net4801 in Gentoo Linux OS，act as core platform of Integrated Embedded Circuit Board。

b. Wireless Card：D-Link DWL-G520 wireless card。

c. GPRS Modem：iTengo GPRS modem。

d. PIC Board：consists of dsPIC30F4012 and 18F2455 chips。

A-2. Software in SBC

在 SBC 須要寫一個 program 來管理 SBC 和 PIC Board 及 GPRS modem 之間的溝通，PIC Board 使用的是 serial IO 來溝通 ,而 GPRS modem 使用的是 USB port，為了解決 SBC 同是要跟兩種 device 溝通的問題，他們在 SBC 上寫了一個排成演算法來分割這個 two-way communication，而他們利用了 pthread C library 來 create 兩個 threads，而在這兩個 threads 間又創建了兩個 pipe 以便進行 two-way data 的傳輸，其中一個 pipe 為傳送 SMS(Short Message Service)，而另一個 pipe 為 SMS 的接收。示意圖如下：

A-3. Vehicle Communications

這方面他們似乎遇到一些問題，就是許多新的 Driver 還未被開發出來，或者是已開發出來，但是還並不完善，原先他們想使用的是(WAP)，但是並不適用於車載環境，而最後他們用的是 Mobile Ad-hoc Network(MANET)，不過因為車輛具有 high mobility 的特性，因此他們有在 AODV protocol 進行一些調整。

A-4. Experiment Results

以下是他們實驗的一些結果，可看出他們這個 Integrated Embedded Circuit Board 運作得還算不錯。

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B. Vehicle Collision Avoidance Warning System using DSRC

此篇 paper implement 的東西主要和上篇有點雷同，也是 implement 出一車載網路模組，因此也包括了三種傳輸，InV、V2V、V2I communitation，而此篇 paper 比較 focus 在於應用層次方面，他們發表的是一個 vehicle collision warning system，而此系統便是建構於車載網路環境上。

B-1. System Architecture

系統架構和上段中有點雷同，主要會有一個 embedded system 作為控制系統，而會連接三個 basic 元件，DSRC unit、vehicular unit 及 GPS unit。vehicular unit 主要就是屬於車內車子狀況的回報及控制透過 control area network (CAN) interface 連接各機器。

GPS unit 負責隨時提供位置、速度、車頭方向等等資訊。而 DSRC unit 主要做為各 vehicle 之間的橋梁，因此 DSRC 有著短距離傳輸、高傳輸速率的特性。而 vehicle collision warning system 的建置如下圖：

Vehicle collision warning system 是在 linux OS 於 x86 infrastructure 下，包括"Linux"

及"Bootloader"兩 program，而 DSRC 包括了 WAVE 及 WSMP 這兩部分，而 WSMP 處理的是一般的訊息，WAVE 則用於處理控制的訊息。

B-1. Conflict Detection Agorithm

關於 Conflict Detection 的演算法，想法其實並不複雜，例如有兩車輛 A 和 B，

GPS 會告訴我們 A 車及 B 車的位置、速度、方向，假設 A 的位置在(Λ₁, λ₁)，速度為 V_A，B 的位置在(Λ₀, λ₀)，速度為V_B，因此若我們計算出當經過 t 時間後其 A,B 的

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(Λ , λ , t)相等，就代表 A 車和 B 車會在 t 時間相撞。以下為 collision 的 model：

可用下列式子粗糙的算出 A 車和 B 車相距的距離：

而比較精確的計算方式則是先轉換成 ECEF，再轉換成 NED 如以下(2) ,(3)

之後再分成幾個 Case 計算出 ADM 及 BDM。

而由於 GPS 會有一定的誤差，因此在計算相撞時間的時候，須考慮 GPS 誤差的 error range，因此會輸出兩個時間，以 A 車為例會輸出(t_A1, t_A2)，公式如下(4)，

若是 A 車輸出的時間範圍和 B 車輸出的時間範圍有重疊的部分，則代表有可能會相撞，而演算法大致上的運作及想法及是如此。

4.About the android in vehicle communation

在最新一期的新通訊雜誌中，有提到因為 Android 的開放特性，加上採用 Android 平台可連結 google 推出的各式應用服務，某些廠商也開始將 Android 導入車載資訊領域，好處是可以利用一些已有的 google 的應用軟體 Google Market 及 Google Talk、Google Map 等，而使得 Android 打進未來汽車產業的機會大增。

5.Our thoughts

在做完 Paper survey 之後，我們想我們可以試著用 Android 來呈現 Car collision avoidance warning system，目前想法是想實驗於較小型的車輛，例如兩台遙控車，而利用 Android 手機可以借用它的於 GPS 的定位系統，然後 DSRC 可用藍芽模組修改取代，不過有個問題是，GPS

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的誤差似乎會有約幾公尺，對於遙控車來講已經太大，因此利用 GPS 定位系統來定位可能要想其他的辦法來取代之，如可能用 DSRC 信號強度的變化計算出兩台車的間距，或方向，或是需要一些小的基地台來對他們進行小範圍的定位。

6.Reference

1.DSRC HOME

http://www.leearmstrong.com/DSRC/DSRCHomeset.htm 2.Vehicular Communication Systems

http://en.wikipedia.org/wiki/Vehicular_communication_systems 3.IEEE 1609 Working Group Public Site

http://vii.path.berkeley.edu/1609_wave/

4.“Geographic Information Systems for Transportation-principles and applications” Harvey J. Miller, Shih-Lung Shaw, Oxford University Press, Inc.

5.“(Dedicated Short Range Communication, DSRC)專用短距離通訊” 張益瑞 6.新通訊 http://www.2cm.com.tw/coverstory_content.asp?sn=1003240018

7. An Integrated Embedded Solution for Vehicle Communication & Control Huaqun Guo Yongdong Wu

8.Verification of On-Line Vehicle Collision Avoidance Warning System using DSRC C. W. Hsu, C. N.

Liang, L. Y. Ke, F. Y. Huang