Transcript book-ch11(ieee1609).

車輛定位與電子地圖整合服務
Vehicle Positioning, Digital Maps and Integrated
Services
Lecture 7 WAVE Protocols
Outline






WAVE Introduction
WAVE1609.1
WAVE1609.2
WAVE1609.3
WAVE1609.4
各國發展現況
Introduction



DSRC泛指所有短距離的無線通訊技術，包含不
同的技術和不同的規格，而用於交通上的
5.9GHz DSRC在MAC與PHY的底層為
IEEE802.11p.
802.11p是IEEE在2003年以802.11a為基礎所
制定，又稱為WAVE(Wireless Access in the
Vehicular Environment)，將會被用在DSRC
系統中。
優點為：可用於高速移動、美國運輸部以該標準
建置基礎建設。
Introduction

ITS概觀，
DSRC的重點
在於紅色區
塊。
Introduction



車內通訊: Bluetooth (BT), Ultra-wideband
(UWB)
車外通訊: 2G, 2.5G, 3G, 3.5G (cellular
systems), GPS, WiMAX
車路通訊: Microwave, Infrared, Dedicated
Short Range Communications (DSRC), WiFi
Introduction

車路通訊與車間通訊其實是同一技術的兩
種不同應用模式，通訊距離大約介於數百
公尺至一公里左右的範圍，再依據不同的
實體介質可細分為：




微波(microwave)
紅外線(infrared)
無線電(radio frequency, e.g. DSRC)
主要差異在於介質穿透能力及資料傳輸速
率高低，而相對移動速度對於通訊效能的
影響也會因介質而異。
Introduction


車路通訊(V2R, OBU-to-RSU／RSU-toOBU)應用模式下至少有一方是維持不動
的，例如自動電子收費、自動取得前方交
通路況、停車場資訊、定點影音資訊上傳
及下載等。
在車間通訊(V2V, OBU-to-OBU)應用模
式時就是屬於多動點之間的雙向傳輸，主
要被應用於車輛安全防撞訊息的交換，其
安全與即時性的需求均高。
DSRC
各式無線通訊接取技術
評估項目
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
10～50
m
(line-ofsight)
數十至數百
kbps
雙向交換
自動電子
收費
高
中
中
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
WLAN:
300～
1000 m
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
通訊模式
紅外線
Wi-Fi
DSRC
DSRC/WAVE頻譜分佈圖
Vehicle to
vehicle
Service
channel
Service
channel
Control
channel
CH 172
CH 174
CH 176
CH 178
Optionally combined
service channels
CH 180
CH 182
CH 184
5.925
5.915
5.905
5.895
5.885
5.875
5.865
5.855
Frequency (GHz)
Intersection
DSRC/WAVE的標準架構
12
WAVE Protocol Stack Model
OSI Reference
Model
Application
1609.1
WME
Security
Services
UDP/TCP
WSMP
IPv6
1609.3
802.2
1609.2
Application
Presentation
Session
Transport
Network
LLC
Data Link
MLME
1609.3
PLME
Management plane
802.11 WAVE MAC
802.11p
1609.4
Multi-channel operation
WAVE Physical
Data plane
Physical
Noun interpret(1)



Wireless access in vehicular
environment (WAVE): IEEE 所制定用於對車
輛與車輛，車輛與路邊裝置的無線通信。
Onboard unit (OBU):一個可移動的WAVE裝置，
可和路邊RSU和其他的OBU裝置進行通訊。
Roadside unit (RSU):一個固定式的WAVE裝
置，可和OBUs裝置交換訊息。
Noun interpret(2)



Provider Service Table (PST):紀錄傳輸的
WAVE device和支援channel的資訊。
Provider Service Context (PSC):一個欄位
的組合，包含PSID與一些增補資訊如版本。
Provider service identifier (PSID)：應用
程式提供唯一的編號用來識別該服務。
Noun interpret(3)



WAVE management entity (WME):對
WAVE networking服務所提供的管理服務
WAVE short message (WSM):一種可以
不需要透過IP而可以由WAVE device間直接交
換訊息資料的資料結構。
WAVE short message protocol
(WSMP): WAVE shot message所使用的通
訊協定。
Noun interpret(4)


WAVE basic service set (WBSS)：
為一個集合，內含兩個或多個WAVE裝置
互相參與在同一個SCH上的通訊。一個
WBSS被創建是由一個WAVE裝置使用一
個WAVE發佈活動訊框在CCH上。
WAVE routing advertisement
(WRA):RSU的網路配置資訊廣播
Noun interpret(5)


WAVE service advertisement
(WSA)：WAVE服務公告由WME配置資
料與收集，提供識別WAVE應用程式與用
來連結的網路參數。
WAVE service information
element (WSIE)：一個WAVE發佈活
動訊框中的欄位，被使用來通知WAVE服
務開始被提供。
System components and connectivity

Two types of systems identified in the WAVE
standards. The first type is a roadside unit
(RSU). The second type is an onboard unit
(OBU).
IEEE 1609.1
19

IEEE 1609.1 : resource manager

IEEE 1609.1 為 WAVE 的資源管理。這個標準
制定一個用於 DSRC 應用與 WAVE 環境中的無
線存取方式，允許遠端應用程式與車上裝置
(OBU) 或路邊裝置 (RSU) 之間的通訊，WAVE
的資源管理扮演一個應用層的角色，其通訊的目
的是引導資訊交換。
IEEE 1609.2

IEEE 1609.2 : secure message
formats to process secure messages
of the DSRC/WAVE

主要目的在發展與定義安全訊息格式、處理
DSRC 與 WAVE 系統內部中的安全訊息它同
時也討論：
1.
2.
3.
WAVE管理訊息與應用程式訊息的加密方法
車輛引起的安全訊息例外處理
支援核心安全功能的必要管理功能
Scope & purpose



Define secure message formats, the
processing of the secure messages
within the DSRC/WAVE system
Method for securing WAVE
management messages and
application messages excepting
vehicle-originating safety messages
Services used to protect messages
from attacks
WAVE systems overview

Entities in the system



Providers
Users
RoadSide Units (RSUs)




On-Board Units (OBUs)





WAVE devices operate only when stationary
Support information exchange with OBUs
Usually be providers
WAVE devices operate in motion
Support information exchange with RSUs and other OBUs
Usually be users (may be providers)
Public Safety On-Board Units (PSOBUs)
Certificate Authorities (CAs)


Support security services
Authorize other entities via the issuance and revocation of
certificates
WAVE systems overview
WAVE systems overview
-Messages for WAVE radio stack




WAVE Short Message (WSM) for
broadcast applications over WSMP
(network layer)
UDP/IP stack for transactional
applications (network layer)
WAVE Service Announcement (WSA) for
providers notifies users which the services
are and what service channel(s) they are
provided on (MAC layer)
All generated by the WAVE Management
Entity (WME)
WAVE systems overview –
Security services



Applications over UDP use the secured
message formats to protect application
data (Encrypted Message)
Application over WSMP use the secured
message formats or the secured WSM
types to protect application data (Signed
Message)
WME uses the secured WSIE type to
preventing fake services (Signed Message)
Secured message format
Secured message format
Secured message format
Secured message format
Secured message format
Secured message format
Secured message format
Secured message examples
Secured message examples
Communication security overview

Attacks




Intercept a message
Alter the message
Replay a message
Prevention



Confidentiality – encrypting the message
Authenticity – confirmation of origin of the
message
Integrity – confirmation that the message has
not been altered
Cryptographic services

Symmetric algorithm (secret-key)




Asymmetric algorithm (public-key)



Two entities share a secret-key and uses this key to
encrypt/decrypt the message and provide
authenticity and integrity
Only the party shares the key knows who generates
the message
AES-CCM (authenticate-then-encrypt) adopted by
this standard
Two keys: public key and private key
In WAVE context, broadcast messages are signed
and are not be encrypted
Transactional messages are protected with
asymmetric or symmetric algorithms
Cryptographic services

Hash functions



SHA-1 are adopted by this standard
Use to generate identifiers to
certificates and fragmented messaged
For efficiently operate the
cryptographic algorithm


Asymmetric algorithms are used to
setup a secure-session
Symmetric algorithms are then used to
protect data
The construction and use of signed
messages
Flow Chart
Receiver verifies the
message by certificate
and the signature
Sender send encrypted
message
SecuredMessage
(Encrypted Message)
CA response with
corresponding certificate
and CRL
Sender send signed
message with certificate
and signature
SecuredMessage
(Signed Message)
WAVECertificateRequest
WAVECertificateResponse
Issuer requests
certificate from CA
Receiver decrypts
the message by
symmetric key
Summary of IEEE 1609.2
Anonymity


Mechanism for providing
anonymous authenticated broadcast
messaged are not given in this
standard at this time
The current standard is focus on
protecting message payloads and
does not provide the protection for
message headers
IEEE 1609.3

IEEE 1609.3 : network services


提供 WAVE 網路服務給 WAVE 裝置與系統，
它定義操作在網路層與傳輸層的 WAVE 網路
服務，粗略的重新展現 OSI 網路模型的第三、
四層。
IEEE 1609.3 的網路服務提供兩大類的傳輸
服務：IPv6 傳輸服務、WAVE short
message (WSM)短訊服務
WAVE network services (1/3)


IEEE 1609.3 的制定目的在於提供
WAVE系統的定址及路由的服務。
IEEE 1609.3 規範了在 5.9GHz 的
DSRC/WAVE 模式下，無線連接車用裝
置和車用裝置與固定的路邊裝置的網路層
及傳輸層的服務及操作。
WAVE network services (2/3)


定義 WAVE 的網路服務，我們可以從資
料面及管理面來討論。
Data Plane(資料面)



定義使用現有的 UDP (TCP選用)、IPv6 與
邏輯鏈結控制，車用無線存取環境的短訊息
WAVE Short Message (WSM) 與其通訊協
定Protocol (WSMP) 。
控制發射功率、資料傳輸速率及廣播頻道。
WAVE的執行應至少支持一種IPv6或WSMP
的傳輸
WAVE network services (3/3)

Management Plane(管理面)
•
•
•
•
•
應用程式的登錄。
管理車用無線存取環境基礎服務(WAVE
basic service set ,WBSS)。
頻道使用狀態監控。
IPv6 的配置。
接收頻道能量監控。
Communication protocols (1/2)

Channel types

CCH (single control channel)


保留給short、high-priority application 及
system control message使用。
SCH (multiple service channel)

支援一般目的的應用資料傳輸。
Communication protocols (2/2)

WAVE Short Message Protocol (WSMP)



被設計來提升在WAVE的傳輸效率，車用無線存取環境短訊
息可以使用任意頻道傳送 (CCH or SCH) 。它允許應用程
式直接控制實體層PHY例如：頻道號碼、傳輸功率(能量)等
利用在傳遞訊息。
WAVE Short Messages (WSMs)，提供服務識別碼
PSID 能送達目的端正確的應用程式，被設計用來使用
最小頻道容量。
IPv6

僅能使用在SCH 多重服務頻道，它允許存取一般的應用程
式與網路。
IEEE1069.3 Protocol Stack Model
Application
WME
UDP/TCP
WSMP
non-IP based
IPv6
Focus of enhancements
Specified by this standard
LLC
MLME
PLME
Management plane
WAVE MAC
Multi-channel operation
WAVE Physical
Data plane
Datagram different in TCP/IP and
WSM( Wave Short Message )
Logical Link Control (LLC)




IPv6 type packets received from the lower
layers with an Ethernet Type value of 0x86DD
are delivered to the IPv6 protocol.
WSM packets received from the lower layers
with an Ethernet Type of 0x88DC are delivered
to the WSM protocol.
IPv6 packets for transmission shall have
Ethernet Type set to 0x86DD.
WSM packets for transmission shall have
Ethernet Type set to 0x88DC
Service request summary table & graph
alternating
immediate
extended
Service access point
WAVE Basic Service Set (WBSS)


WBSS為一個搭配的WAVE站台集合，這
些站台由單獨的WBSS 提供者與無使用者，
或是多個WBSS使用者所構成。
應用程式使用WSMP時，可以起始一個
WBSS去產生一個可用的SCH供他們使用，
但是這不是必要的動作，WSMs也可以在
CCH上交換資料。
WAVE Communications Concepts
應用程式可以選擇要不要使用WBSS來傳遞訊息




不使用WBSS時，將被限制WSMs僅能使用CCH。
使用WBSS時，則可以選擇WSMs或IPv6在SCH通訊。
WBSS可分為持久性(persistent)與非持久性(nonpersistent)


持久性的如Internet access。
非持久性的則可以限定服務期限。
Device WBSS roles


WBSS不管是提供者或是使用者皆使用role來控制使用權限，
限定哪些使用者能選擇哪些限定的服務要求。
Priorities



當兩個應用程式欲使用同一個通道通訊時，WME可以根據應
用程式的優先順序，決定誰先使用通訊服務。
下層的優先權則由MAC層來定義與控制。
Operation without a WBSS




來源的應用程式組成WSM來傳達訊息，並且訂
出欲廣播的MAC位址。
基於WSMP的配置，應用程式能依據power
level與data rate來選擇合適的傳輸通道，接著
丟出一個WSM的要求事件在WSMP中，給底層
與接下來在CCH的傳輸。
收到的裝置將packet pass給上層的
communication stack。
WSMP依據目的端應用程式登錄的PSID傳遞訊
息給正確的應用程式，收到訊息的應用程式根據
傳來的訊息中的對方位址，再利用CCH交換彼此
的資料。
Operation with a WBSS (1/2)

WBSS 提供兩種操作型態

Persistent WBSS


發佈在CCH間隔期間，用來提供一個不間斷的服
務給任何進入通訊範圍內的設備。
Non-Persistent WBSS

僅發佈在起始階段，用來支援一個被請求的服務。
Operation with a WBSS (2/2)

WAVE Service Information Element (WSIE)

應用程式提供應用服務給予可能的使用者，其是經由
WAVE發佈訊框中的WSIE來發佈。
WAVE Service Advertisement (WSA)



它建立一個WSIE與傳遞它的處理方式，起始於當一個
應用程式要求起始一個WBSS與提供服務時。
WME收到WME-Application.request 命令之後，
WME會建立一個MLME-WSA.request 命令，然後去
開始WBSS的創建。
WAVE Service Information Element (WSIE)
Reference by IEEE 1609.3
Service usage examples(1/4)
Service usage examples(2/4)
Service usage examples(3/4)
Service usage examples(4/4)
Wave Service Advertisement format
WSM format
WAVE Element ID
IEEE 1609.4



Discuss the WAVE multi-channel
operations
提供頻帶的協調及MAC子層的管理功能。
協調控制頻道 (Control Channel, CCH)
與服務頻道的操作 (Service Channels,
SCH) ：


控制頻道用來廣播、高優先權的利用與訊號
使用訊息(系統用) 。
服務頻道則用來提供線上的傳輸服務。
General description


WAVE 裝置(OBU 或RSU) 應該能提供一個架構
，用來支援一個控制頻道(CCH) 及多個服務頻
道(SCH)
CCH


SCHs


用來傳輸WSM及發佈WAVE服務
用來讓應用程式互動或傳輸訊息用
這些頻道的設計內容及實體層(Physical layer,
PHY) 的詳細規格內容被規範在IEEE 802.11 的
標準中，並在IEEE 802.11p 中被修訂
Reference Model
Application
WME
UDP/TCP
WSMP
IPv6
LLC
MLME
WAVE MAC with channel coordination
PLME
WAVE Physical
Management plane
Data plane
Focus of enhancements
Specified by this standard
Multi-channel operation(1/3)



(1) PHY is tuned to the CCH, and receives
WSAs, which are in turn passed to MLME,
and then WME.
(2) WME accepts user service requests from
higher layer entities.
(3) WME matches available services with
requested services and assigns channel
access, sending SCH start commands to the
MAC layer management entities associated
with the two physical layers.
Multi-channel operation(2/3)


(4) MLME controls the channel switching of
the two PHYs. PHY1 alternates between CCH
and SCH1 on channel interval boundaries;
PHY2 remains tunes to SCH2 for the duration
of its service.
(5) On receipt of a subsequent request from
the higher layer, WMEends the SCH2
assignment and MLME in turn causes PHY2
to return to its default state.
Multi-channel operation(3/3)
Provide Functions

頻道的路由(Channel routing)





Routing for WSMP data
Routing for IP datagram
使用者優先權(User priority, UP)
頻道協調(Channel coordination)
MAC服務資料單元(MSDU) 的傳輸等
Routing for WSMP data (1/2)
1 octet
1 octet
1 octet
channel
power
data rate
WSMP header
Source: IEEE 1609.4

WSMP header 包含channel number、
power level data rate等，這些參數被用來
控制實體層的傳輸。相關Data Packet 的規範
請參考IEEE 1609.3
Routing for WSMP data (2/2)

Routing Script Scenario



首先 WSMP data 從 LLC 層被傳送到 MAC
層。
接下來 MAC 會路由該封包到適當的 buffer
也就是在 WSMP header 中所指的channel
number。
如果 WSMP header 中所指的 channel
number 是無效的，則該封包會被摒棄，而
所謂無效的 channel number 是指它並非對
應到 CCH number 或目前的 SCH number。
Routing for IP packet (1/2)


首先，在 IP 封包被傳送之前，必須先向 MLME
做一個註冊的動作。註冊的內容包括要告知：
SCH number、power level、data rate 及可
接受的power level 及 data rate。另外，在任
何一個時間點，只有一個註冊動作會被核准。
接下來，IP 封包從 LLC 層被傳送到MAC層，
MAC層會轉送該封包到符合目前SCH的緩衝區中。
Routing for IP diagrams (2/2)

Data shall be discarded：


一是該封包在傳輸之前並沒做任何註冊的動作
一是該傳輸的 WAVE 裝置並非是一個 WBSS
(WAVE basic service set) 的成員。WBSS
是一個集合，內含兩個或多個WAVE裝置互相
參與在同一個SCH上的通訊。
User priority (1/2)



使用IEEE 802.11e 的增強分散頻道存取(Enhanced
Distributed Channel Access mechanism ，EDCA)
的機制，來競爭媒體存取
媒體存取控制(MAC) 根據存取分類索引(access
category index, ACI)與使用者優先權的配對決定將資料
置於何佇列。此部份於IEEE 802.11 中有定義
EDCA parameters



訊框內部間隔之仲裁(Arbitration inter-frame space，
AIFS)：無線媒體在閒置與開始傳輸一個訊框的最小時間間
隔
競爭窗口(Contention window，CW)：亂數切換機制中，
取得的一個間隔
傳輸機會限制(Transmit opportunity (TXOP) limit) ：取
得TXOP之後可以進行傳輸的最大持續時間，limit =0時，
僅能允許傳輸一個MSDU
User priority (2/2)
LLC
MAC
ACI = 3
AIFS[ACI]
CW[ACI]
TXOP[ACI]
Transmit Queues
Pre-queue channel
access functions
AIFS[ACI]
CW[ACI]
TXOP[ACI]
圖中展示了在一個
Channel 的情況下，資
料封包於(MAC層)競爭
的概念圖。
ACI = 2
AIFS[ACI]
CW[ACI]
TXOP[ACI]

ACI = 1
AIFS[ACI]
CW[ACI]
TXOP[ACI]
ACI = 0
Internal Contention
Medium Contention
PHY
Source : IEEE 1609.4
各國現況-美國
各國現況-日本
各國現況-歐洲
歐洲ITS跨國計畫總覽