Analysis of the Mechanism of Typical VANET Basic Safety Messages
MA Jiarong 1，WANG Runmin  2，ZHANG Jinchong 3，ZHANG Zhiheng 4
(1. School of  Information Engineering ，Xi ’an University ，Xi ’an  710065，China ；
2. The Joint Laboratory for Internet of  Vehicles ，Ministry of  Education - China Mobile Communications Corporation ，
Chang ’an University ，Xi ’an  710061，China ；
3. China Automotive Technology and Research Center Co.，Ltd.，Tianjin  300300，China ；
4. Air and Missile Defense College ，Air Force Engineering University ，Xi ’an  710043，China )
Abstract :The generation and dissemination of  basic safety messages between connected vehicles is a key
factor affecting the effectiveness and reliability of  intelligent internet-connected vehicles. Based on the definition of  basic safety messages, this paper firstly expounds several typical communication protocol architecture frameworks including LTE-V 2X and WAVE and the current standard systems used in the Internet of  Vehicles at home and abroad. Then the carrier frequency bands and channel divisions of  different vehicle network communication protocols are defined. In addition, based on different standards and protocols of  Internet of  Vehicles, the standard data format for the basic safet
y message is given. Finally the BSM transmission parameters are discussed such as the message transmit frequency and transmission power level. The current research status of  the dynamic generation and transmission mechanism of  the BSM in Internet of  Vehicles based on traffic perception is analyzed as well.
Keywords :Internet of  Vehicle; basic safety message; broadcast mechanism; LTE-V 2X; intelligent connected vehicle
移动汽车网
收稿日期：2020-06-16  改稿日期：
2020-08-26
基金项目：国家重点研发计划（2018YFB0105104）；陕西省重点研发计划（2018ZDCXL-GY-05-02）；陕西省教育厅专项科研计划（20JK0871）
参考文献引用格式：
马佳荣，王润民，张晋崇，等. 典型车联网基本安全消息机制分析 [J ]. 汽车工程学报，2021，11(3)：205-214.
MA Jiarong ，WANG Runmin ，ZHANG Jinchong ，et al. Analysis of the Mechanism of Typical V ANET Basic Safety Messages [J ]. Chinese Journal of Automotive Engineering ，2021，11(3)：205-214. (in Chinese )
206 汽车工程学报                                      第11卷
基本安全消息[1]（Basic Safety Message，BSM）是在车联网与智能网联汽车应用中，基于无线通信按固定周期向外部车辆或路侧感知设备传播车辆基本参数和运行状态的一种消息。目前，多个标准化组织均给出了BSM的定义：美国汽车工程师学会（Society of Automotive Engineers，SAE）定义车联网BSM为一种综合考虑车辆状态，在车辆间进行交换的、用于多种应用的、描述车辆状态的安全数据。这一数据类型周期性地向邻居车辆发送包含有安全应用及其他应用所需的数据。欧洲电信标准化协会（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）将BSM定义为合作式感知消息[2]（Cooperative Awareness Message，CAM），是借助周期性发送数据包以帮助道路使用者和路侧基础
会（
SAE
（
（
可借助
备（
对于车联网与智能网联汽车安全应用而言，为了避免发生车辆碰撞等事故，需要车辆获取实时性更高、准确性更强的邻居车辆状态信息，这需要利用较高的BSM生成和传递频率。然而，为保证不造成车联网信道拥堵，BSM生成和传递频率应保持在适当较低的水平。因此，制定完善的BSM生成传播机制是车联网与智能网联汽车安全应用研究和部署过程中的首要环节，以保证BSM消息能满足各项车联网与智能网联汽车的应用需求。
为解决上述问题，美国、欧洲和中国等多个国家和地区的标准化组织，在构建的车联网体系架构基础上，开展了一系列关于BSM消息的标准化工作，对BSM消息集进行了定义，并根据不同应用进行了相
应的需求分析。2016年，SAE发布了专用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）消息最小性能需求——车辆安全应用中的基本安全消息标准SAE J2945.1[3]，给出了BSM消息的推荐使用规则。同年，SAE发布了基于5.9 GHz DSRC的车联网应用消息集标准SAE J2735[4]，明确了最终的消息结构、数据帧和数据元素。2014年，欧洲ETSI组织发布了ETSI TS 102 894-2[5]标准，对智能交通系统应用层、设备层的通用数据集进行了定义，在此基础上，2018年，ETSI发布了ETSI EN 302 637-2标准草案，给出了CAM的推荐发送机制和数据格式。2017年，China-SAE发布了车用通信系统应用层及应用数据交互标准T/CSAE 53—2017[6]，明确了车用通信系统的应用类型，定义了BSM数据集、数据帧、数据元素和对应的服务接口。
上述有关BSM的标准因不同国家/地区政策以及所选的不同通信技术呈现出一定程度的差异。本文通过对几种典型的车联网通信协议进行介绍，对不同车联网体系架构下的底层框架和现行标准进行了梳理。然后，就不同地区的研究组织对车联网频段、信道的具体划分进行了明确。在给出了BSM 消息定义的基础上，对不同标准中的BSM数据结构进行了详细剖析，并在网络层和接入层层面上分析了BSM机制中涉及的两个重要传输参数和当前BSM发送机制的研究现状。最后，围绕车联网
第3期                                                                                              207
马佳荣 等：典型车联网基本安全消息机制分析    BSM 机制中涉及的发送频率、发送功率参数设定和
基于交通感知的动态车联网BSM 动态生成及传播机制的研究现状进行了讨论和分析。相关研究成果可以支撑面向交通感知的BSM 生成及传播机制的进一步研究。
1  典型车联网通信协议
1.1  基于80
2.11p 的DRSC 通信协议1.1.1  WA VE 车联网通信协议
1999年，美国联邦通信委员会（Federal Com-munications Commission ，FCC ）提议将5.9 GHz 频谱处的75 MHz 专门用于支持高速移动环境中车辆与车辆（Vehicle to Vehicle ，V2V ）、车辆与路侧
设备（Vehicle to Infrastructure ，V2I ）间的通信。2010年7月，美国电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers ，IEEE ）在802.11a 协议的基础上，率先发布了车联网技术的底层协议802.11p [7]。随后，IEEE 相继发布了IEEE 1609.2、IEEE 1609.3、IEEE 1609.4[8]系列标准，定义了MAC 层以上的高层通信协议栈，并就此搭建了5.9 GHz 频谱处DSRC/WA VE 的标准体系框架[9]。WA VE 体系结构如图2所示。
1.1.3  日本DSRC 通信协议
日本的DSRC 体系与美国相似，1997年，日本无线工业及商贸联合会（Association of Radio Industries and Businesses ，ARIB ）发布了面向交通信息和控制系统的DSRC 标准，通过选取开放系统互联基本参考模型
[12]
（Open Systems Interconnection Basic
Reference Model ，OSI/RM ）中的物理层L1、数据链路层L2和应用层L7，搭建了DSRC 的基本通信框架，并将L3、L4、L5、L6层的功能在L7层中进行了标准化整合。2001年发布的标准则对DSRC 系统中不同设备间的无线空中接口参数进行了定义
和明确。
1.2  基于蜂窝通信的C-V2X 通信协议
移动通信技术的快速发展使车联网技术实现超大带宽、低延时可靠通信、移动终端海量连接成为可能。自2015年以来，国际通信标准组织（the 3rd Generation Partnership Project ，3GPP ）相继推出了包含有长期演进-车联网（LTE-V2X ）和5G-V2X 的C-V2X 技术。在完成基于LTE PC5接口的V2V （PC5-Based V2V ）的标准化工作和基于LTE Uu 接口的V2X 的标准化工作的基础上，3GPP 无线电接入网（Radio Access Network ，RAN ）组织于2017年3月冻结了3GPP LTE Rel-14[13]的V2X 标准化工作，实现了对基于LTE 技术，并满足LTE-V2X 基本业务需求的RAN 物理层标准的设计。
图2    WA VE 体系结构
1 609.2
管理平面
数据平面
1 609.3
802.11
1 69.4
1.1.2  ITS-G5车联网通信协议
在IEEE 802.11p 标准的基础上，2010年，ETSI 发布了其在5 GHz 频段上的智能交通系统物理层和MAC 层标准，定义了其基于802.11p 框架下的ITS-G5协议栈框架，并对其通用需求进行了解释[10]。同年9月，给出了智能交通系统体系框架标准，明确了智能交通系统通信架构[11]（Communications
for Intelligent Transport Systems ，ITSC ）。2014年，发布了智能交通系统应用层、设备层的通用数
据集，并明确了系统中的应用需求。ITS-G5协议栈体系架构如图3所示。
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3GPP LTE Rel-14主要针对的是现阶段辅助驾驶的应用需求。针对未来自动驾驶的应用需求，3GPP 组织自2016年逐步推进了一系列关于5G-V2X 的标准化工作。2018年6月，3GPP RAN 组织完成了面向5G-V2X 应用用例的评估方法研究，并对评估场景进行定义，明确了6 GHz 以上的Sidelink 信道模型。同年，启动了“基于5G 新空口（NR ）的V2X （Rel-16）”工作，旨在通过增强多进多出（Multiple Input Multiple Output ，MIMO ）使毫米波频段的有效性得到提高，同时，3GPP Rel-16针对NR Sidelink 的物理层架构、传播方式、同步机制进行了设计，并根据NR Uu 接口对5G-V2X 应用的适用情况进行了增强。此外，对无线接入技术的选择机制进行了明确，并给出了空口服务质量管理技术方案。
在中国，随着4G/5G 蜂窝通信网络的大规模铺设，中国通信标准化协会（CCSA ）、中国智能交通产业联盟（C-ITS ）和China-SAE 等组织积极开展了LET-V 端到端的标准体系构建工作。2017年，China-SAE 发布了车用通信系统应用层及应用数据交互标准，参照国际标准化组织制定的通信系统七层参考模型和美国、欧洲主流的车用通信系统架构，中国车用通信系统主要包括系统应用、应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。通过向下制定与不同通信设备对接的服务提供接口（SPI ），
该标准可实现对包含有DRSC 和3GPP LTE-V2X 等不同通信方式和多种通信设备的兼容。China-SAE 数据交互标准的通信技术兼容范畴说明如图4所示。
2019年7月，欧盟正式发布声明，否决了此前由欧盟委员会提出的指定DSRC 为未来车联网技术的方案。2020年，ETSI 获批的最新标准EN 将C-V2X 作为智能交通系统（Intelligent Transport System ，ITS ）终端的接入层技术。与此同时，通过对接入层之上的全部ETSI 标准系列和规范进行更新，当前所有ETSI 标准均可支持基于C-V2X 技术的接入层协议。上述标准和规范目前已形成ETSI ITS Release1规范集，是帮助行业相关厂商未来开发C-V2X ITS 解决方案和终端的基础。
此外，2019年12月，美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission ，FCC ）通过了重新分配5.9 GHz 频谱的提案，并将其中20 MHz 频段专用于C-V2X 技术。1.3  车联网通信协议特性对比
基于目前国际上主流车联网通信协议分析结果可以认为，目前世界上主流车联网通信协议基本上是以IEEE 主导的IEEE 802.11P 为核心的DSRC 和3GPP 发起制定的以L TE-V 和未来5G NR 为主的C-V2X 。本节主要对上述两种通信协议特征进行对比。
如表1所示，C-V2X 技术[14]与802.11p 技术[15]
相比，主要差异表现在以下几个方面：首先，两者通信方式不同，802.11p 技术采用的是异步通信，C-V2X 技术则使用同步通信，由于同步通信具有较低的信道访问开销，因此，C-V2X 技术具有更高的频谱效率；其次，相比802.11p 技术，C-V2X 技术在跨车辆的资源多路复用技术中，可灵活使用频分复用（Frequency Division Multiplexing ，FDM ）和时分复用（Time Division Multiplexing ，TDM ）两种方式，在相同范围内具备更多的链路预算；再
表1  典型车联网通信协议特征对比
API
SPI
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马佳荣 等：典型车联网基本安全消息机制分析
次，C-V2X技术使用Turbo编码并在上行链路中使用单载波频分多址（SC-FDM）技术，有效地提高了频谱的利用率和速率；最后，C-V2X技术支持混合自动重传请求（Hybrid Automatic Repeat Request，HARQ）的重传机制，可实现数据更远距离的传输[16]。
1.4  国际车联网通信标准进展分析
目前，世界上多个国家或地区的政府或标准化组织围绕IEEE 802.11p和LTE-V制定了关于所在区域内的车联网通信标准体系，见表2。由表2可知，无论是IEEE 802.11p还是C-V2X技术，目前均已完成了阶段性的技术研究和标准化制定。
表2
主流车联网通信标准汇总
DSRC作为车联网的主流通信技术得到众多关注和发展。然而，由于DSRC依赖较大基础设施的部署数量，致使系统的建设和运行成本显著增加。同时，DSRC物理层存在异步通信的固有缺陷，且针对物理层的改进方案一直未出现较为明确的演进方向，车联网与智能网联汽车安全应用的及时性遭遇极大挑战。此外，车联网与智能网联汽车应用呈现多样化和复杂化，DSRC技术难以满足其对鲁棒性和可靠性的要求。考虑到移动通信技术的超大覆盖范围和稳定的通信质量，以及其明确的演进路线，利用蜂窝通信技术支持车联网应用完成数据交互的趋势愈发明确。因此，C-V2X技术得到越来越多的国家和地区，以及标准化组织的青睐，并在全球范围内形成一系列的标准成果。
尽管相关标准化工作、测试试验已陆续开展并取得一定成果，综合当前实际的产业进展情况，实现全
面的基于5G–V2X技术的车联网及智能网联汽车应用仍需要一定的时间。现阶段LTE-V2X主要关注基础V2X业务，NR-V2X更多作为补充技术出现。
2  车联网载波频段和信道划分
2.1  载波频段
在发展电子收费系统（Electronic Toll Collection，ETC）技术的过程中，美国、日本、欧洲相继为车联网通信技术分配了相应的工作频段，其中，美国选择了5.9 GHz，日本、欧洲选择了5.8 GHz。1999年，美国FCC将5 850～5 925 MHz频段用于基于DSRC的智能交通业务，其中，5 850～5 855 MHz 的5 MHz是预留的保护频段，余下的5 855～5 925 MHz频段根据业务进行平均分配。
20世纪90年代末，日本将5 770～5 850 MHz 频段划分给DSRC，用于车辆信息与通信系统（V ehicle Information and Communication System，VICS）和ETC。2012年，ARIB发布的《700MHz Band Intel-ligent Transport Systems》规范中则将755.5～764.5 MHz 频段规划给ITS的道路安全应用业务。
欧洲ETSI根据不同的应用需求，对5 GHz频段上的ITS系统无线电频谱资源进行了重新分配，其中，ITS-G5A（5.875～5.905 GHz）主要面向安全相关应用，ITS-G5B（5.855～5.875 GHz）主要面向非安全相关应用，ITS-G5C（5.470～5.725 GHz）主要面向使用其他通信技术（BRAN，WLAN）的应用。此外，ETSI还预留5.905～5.925 GHz以满足未来ITS应用的需求。
2013年，中国工业和信息化部发布的《关于调整5 725-5 850兆赫兹频段频率使用事宜的公示》中，将5 725～5 850 MHz频段规划为宽带无线接入系统、智能交通专用无线通信系统（包括ETC等）、点对点或点对多点扩频通信系统及通用微功率（短距离）无线电发射设备等无线电台站的使用频段。2018年，中国工业和信息化部出台《车联网直接通信使用5 905～5 925 MHz的管理规定》，明确规划5.9 GHz 频段作为基于LTE的C-V2X技术的车联网（智能网联汽车）直连通信的工作频段[17]。各国车联网通信技术频段如图5所示。