Chapter8 通信协议设计举例DSRC协议设计 8.5 协议仿真与验证协议仿真与验证 8.4 协议描述协议描述 8.3 DSRC协议设计协议设计 8.2 DSRC协议分析协议分析 8.1 DSRC协议简介协议简介 DSRC协议简介8.1l专用短程通信(Dedicated Short Range Communications，简称DSRC)协议 适用于智能交通系统(ITS Intelligent Transportation Systems)领域道路与车辆之间的通信协议 （轨道交通？） DSRC技术是一种无线通信系统 DSRC系统主要由路边单元（Road-Side Unit，简称RSU）、车载单元（On-Board Unit，简称OBU）、控制中心以及一些辅助设备组成。 DSRC通信协议是RSU与OBU实现无线短程通信、保证信息安全可靠传输的核心技术。 车载单元又称为车载电子标签，通常安装在车辆挡风玻璃上，主要由收发器与信息存储介质（如IC卡）组成。 路边单元主要是指车道通信设备，覆盖区域约为330米(?)，其主要参数有：载波频率、发射功率和频谱、调制方式和通信接口等。 DSRC协议简介8.1lDSRC协议分三层物理层、数据链路层和应用层。 物理层：规定了DSRC通信系统机械、电气、功能和过程的参数，以激活、保持和释放通信系统之间的物理连接；数据链路层制定了媒质访问和逻辑链路控制方法，定义了进入共享物理媒质、寻址和出错控制的操作。数据链路的建立、拆除，对数据的检错、纠错是数据链路层的基本任务；应用层提供了一些DSRC应用的基础性工具，应用层中的过程可以直接使用这些工具，如通信初始化过程、数据传输和擦去操作等等。另外，应用层还提供了支持同时多请求的功能。用 户 要 求8.2.1(1)连接管理：DSRC协议使用无连接服务方式 （实时性）(2)广播与组播：通过车载单元和路边单元的广播群组的交换，为不同的应用者实现信息采集、广播和分配。(3) 服务证实方式：提供用户证实方式和无证实方式(4) 通信方式：使用全双工传输模式，数据通信方式采用异步通信方式。(5) 数据形式：向DSRC协议实体递交整块的数据，并且要求先对信息进行编码，然后再发送到对方。(6) 数据长度：用户传送的块数据的长度是任意的，要求DSRC协议实体提供分段/并段，复用/解复用等服务。(7) 服务质量(QoS)要求：提供通信系统管理支持和用户身份鉴别算法，并预留开发新应用的消息接口。通 道 性 质 8.2.2lDSRC协议特点：通信区域受限：通信仅在有限范围内是可能的；通信时间受限：通信仅允许在有限的时间内进行。lDSRC系统形式：主动式（Active System）：系统中OBU和RSU均有振荡器，都可以用来发射电磁波被动式（Passive System）：RSU发射电磁信号，OBU被电磁波激活后进入通信状态，并以一种切换频率反向发送给RSU。DSRC协议工作模式 8.2.3lDSRC协议的工作模式： 点对点模式和点对多点模式 采用主从模式l链路地址关系 l固定设备：路边单元协议功能分析 8.2.4(1)控制管理功能：用户身份验证，其他扩充管理功能(2)通信方式管理：DSRC协议规定对媒体的使用采取主从式，路边单元控制对媒体的使用，车载单元必须在规定的上行链路窗口才能上传数据。(3)数据的发送/接收管理：包括：PDU的封装/解封装，SDU分段/装配，SDU拼接/分离，PDU分割/组合，通信量填充等。(4)数据的完整性检查(5)发送/接收控制协议结构设计 8.3.1l三层结构：应用层、数据链路层和物理层。物理层规定了DSRC通信系统机械、电气、功能和过程的参数，以激活、保持和释放通信系统之间的物理连接。数据链路层是DSRC三层通信协议的中间层，制定了逻辑链路控制和媒质接入控制方法，定义了共享物理媒质、寻址和出错控制的操作。 应用层为DSRC应用提供通信工具，实现路边单元与车载单元的通信处理，而未经处理的部分留给低层协议来完成。 DSRC协议栈体系结构和数据流图 为什么没有网络层？协议机制设计 8.3.2物理层物理层1l规定了无线通信使用的传输媒质和上下行链路传输媒质的物理特性参数l确定与数据链路层的接口及需要提供的服务l提供数据传输、同步、定时功能以实现连接和数据传输l控制信道的激活、保持、释放，进行信道切换和选择l规定了RSU和OBU下行链路参数和上行链路参数的定义和取值范围：比如前同步字符长度、前同步字符波形等协议机制设计 8.3.2数据链路层数据链路层2l基本功能：为DSRC应用层提供一组服务原语，通过该组服务原语，固定设备可以同一个或一组通信设备实现点对点或点对多点的无差错通信。l实现方法：(1)数据链路层必须实现三个基本的子功能，即对不同通信设备进行地址分配并根据该地址共享信道，差错帧检验与恢复，数据流控制。(2)该层协议分为媒质接入控制子层（MAC）和逻辑链路控制（LLC）子层1.流控？数据链路层协议机制设计 8.3.2l定义内容：(1)帧结构(2)共享物理媒质的媒质接入控制过程（时窗管理）(3)地址规则和惯例(4)数据流控制过程(5)应答过程(6)错误控制过程(7)向数据链路层用户提供的服务(1) 帧结构含LPDU的帧结构 ：不含LPDU的帧结构 l所有传输的帧都必须用帧头和帧尾来标志数据帧的开始和结束 l在数据链路地址、MAC控制域、LPDU和帧校验序列中的连续五个1比特后插入1个0比特来避免出现帧标志序列 lMAC控制域包含MAC信息和LPDU的命令/响应标识符lMAC控制域的主要功能：指示一个LLC单元是否有效，以便允许无数据帧的存在。指示传输方向是上行还是下行，可以防止RSU和OBU之间的干扰。分配公共窗口和专用窗口，请求专用窗口。指定LLC单元的类型。 下行链路的MAC控制域 上行链路的MAC控制域 (2) 共享物理媒质的媒质接入控制过程（时窗管理）上下行链路窗口管理概况 N51时的公共上行链路窗口选择机制 N5=1时的公共上行链路窗口选择机制 N5的含义？ignore(3) 地址规则和惯例l在数据链路层使用的地址是链路地址，也就是代表业务接入点（SAP）的编码，同样的链路地址也用于MAC子层和LLC子层。 l每个固定设备都包含一个广播SAP和多个移动专用SAP。 l当一个新的专用链路地址被数据链路层检测到时，固定设备就可以建立与一个移动设备专用SAP对应的固定设备专用SAP。 l每个移动设备都包含一个广播SAP和请求上行链路传输时的一个专用SAP，也可以包含一个或多个组播SAP。 (4) 数据流控制过程lDSRC数据链路层提供两种类型的数据链路控制操作。a)第一种类型（称为类型1）的操作是无确认的无连接模式，它的协议复杂度最小。用于协商阶段的组播或广播信息 数据链路层用户实体可采取基于无确认的方式交换LSDUs 数据传输可以是点对点、组播或广播方式。 b)第二种类型（称为类型3）的操作是有确认的无连接模式，它要求一个站点在传送数据的同时又请对方回传确认信息。数据链路层用户实体可以交换在LLC子层被确认的LSDU而无需建立数据链路连接 数据单元传输是点对点 类型1操作命令PDU的LLC控制域编码 类型3操作命令PDU和响应PDU 的LLC控制域编码 协议机制设计 8.3.2应用层应用层3l应用层核心结构包括传送内核、初始化内核和/或广播内核。传送内核提供了可被初始化内核、广播内核和应用者所使用的基本运输手段。初始化内核（I-KE）：在有关配置和应用方面与同级实体交换信息，实现OBU和RSU之间通信的初始化。广播内核（B-KE）：通过车载单元和路侧单元的广播群组的交换，为不同的应用者实现信息采集、广播和分配。 l传送协议步骤：(1)将服务数据单元(SDU)变换为协议数据单元(PDU);(2)协议数据单元(PDU)编码;(3)分段;(4)八位组对准;(5)复用、拼接和逻辑链路控制访问;(6)解复用;(7)并段;(8)协议数据单元解码、解拼接、消除插入位;(9)将协议数据单元还原为服务数据单元，并按收件人分发。协议元素设计 8.3.3l应用层规定了各内核的服务、服务原语、参数和行为l提供一系列的服务原语给各种不同应用以实现通信过程的各种操作l这些服务原语用来规定应用数据的形态与数据结构应用层协议元素设计应用层协议元素设计 1协议元素设计 8.3.3传送内核提供的服务原语：- GET.request- GET.indication- GET.response- GET.confirm- SET.request- SET.indication- SET.response- SET.confirm- ACTION.request- ACTION.indication- ACTION.response- ACTION.confirm- EVENT-REPORT.request- EVENT-REPORT.indication- EVENT-REPORT.response- EVENT-REPORT.confirm- INITIALIZATION.request- INITIALIZATION.indication- INITIALIZATION.response- INITIALIZATION.confirm协议元素设计 初始化内核提供的服务原语：- RegisterApplicationRSU:- RegisterApplicationOBU:- DeregisterApplication:- NotifyApplicationOBU:- NotifyApplicationRSU:- EndApplication: 广播内核提供的服务原语：- Broadcast Data:- Get Broadcast Data: 协议元素设计 8.3.3逻辑链路控制子层（逻辑链路控制子层（LLCLLC）服务原语）服务原语 2lLLC子层提供两种类型的服务模式： (1)无确认无连接模式服务 传输服务原语：- DL-UNITDATA.request(LID, data, RR) - DL-UNITDATA.indication(LID, data)交换服务原语：- DL-REPLY.request(LID, data) - DL-REPLY.indication(LID, data) - DL-REPLY-STATUS.indication(LID, data, status)(2)有确认无连接模式服务 传输服务原语： -DL-DATA-ACK.request(LID, data) - DL-DATA-ACK.indication(LID,data) - DL-DATA-ACK-STATUS.indication(LID, status) 协议元素设计 8.3.3 MACMAC子层服务原语子层服务原语 3l MAC子层提供 X-MA-DATA服务原语给LLC子层l固定（F）MAC和移动（M）MAC中的原语是不同的，因此它们被分为F-MA-DATA原语和M-MA-DATA原语。F-MA-DATA.request(LID, LPDU, RR)：由LLC子层发送给MAC子层以请求在第一个可用的下行链路窗口发送一个LPDU给一个移动SAP F-MA-DATA.indication (LID, LPDU) ：从MAC子层发送到LLC子层，指示成功接收到一个移动SAP发出的有效帧。 M-MA-DATA.request(LID, LPDU) ：由LLC子层发送给MAC子层以请求在一个上行链路窗口发送一个LPDU给固定SAP。 M-MA-DATA.indication(LID, LPDU) ：从MAC子层发送到LLC子层，指示成功接收到来自一个固定SAP的一个有效帧。 协议描述 SDL8.4l整个DSRC系统包含RSU单元和OBU单元 l以RSU端为例，把RSU看作一个独立的SDL系统，上层应用系统、OBU都被看作RSU的外部环境。l设计采取按层分解、逐步求精的方法，即系统划分为功能块，功能块再被划分为子功能块和进程，最后在进程层次上详细描述RSU端的功能和行为。 RSU端的SDL设计、描述层次分解 系统命名规则 8.4.1系统模块和信道的命名规则系统模块和信道的命名规则 1lRSU系统如果包含与OBU系统同名的模块，则在RSU系统模块名的尾部添加_RSU字样，相应OBU模块名的尾部添加_OBU字样。l若两个系统中的信道重名，在重名的RSU系统信道名的尾部添加_RSU字样，相应OBU信道名的尾部添加_OBU字样；l信道的命名规则是按照协议栈自上而下的层次关系来命名的，且双向信道使用介词tot，单向信道使用介词to（需注意信号传输方向）。 系统命名规则 8.4.1变量命名规则变量命名规则 2l过程中需要输入输出的变量不能与外部对应的变量重名，因此过程中使用的变量名称是在外部相应变量命名的基础上在其尾部添加_p字样。系统命名规则 8.4.1类型命名规则类型命名规则 3l若出现结构体元素名与对应的数据类型名相同的情况，则在元素名的尾部添加_v字样 DSRC协议系统图 8.4.2system RSU1(1)signallist APPtoL7_RSU = GET.request, SET.request, ACTION.request,EVENT_REPORT.request,/*STARTUP,*/RegisterApplicationRSU,DeregisterApplication,EndApplication;signallist L7toAPP_RSU = GET.confirm,SET.confirm,ACTION.confirm,EVENT_REPORT.confirm,failure,NotifyApplicationRSU;signallist LLCtoL7_RSU=DL_UNITDATA.indication,DL_DATA_ACK_STATUS.indication,DL_REPLY_STATUS.indication;signallist L7toLLC_RSU=DL_UNITDATA.request,DL_DATA_ACK.request, DL_REPLY.request; signallist PHtoMAC_RSU= MPDU_R, MPDU_DtoF;signallist MACtoPH_RSU= MPDU_B, MPDU_DtoM, MPDU_A;L7_RSUL2_RSUENVtotRSURSUtotOBUENVtotL7_RSU(L7toAPP_RSU)(APPtoL7_RSU)L7totL2_RSU(L7toLLC_RSU)(LLCtoL7_RSU)L2totENV_RSU(MACtoPH_RSU)(PHtoMAC_RSU)DSRC协议模块图 8.4.3l模块级主要解决的问题：(1)设计模块结构，划分具体进程；(2)说明模块内各进程之间信号交互情况，定义本模块内使用的信号； (3)定义本模块内使用的数据类型和数据结构。 l模块内部还可嵌套子模块，以L2_RSU模块为例，又根据功能划分为两个子模块：LLC _RSU模块和MAC_RSU 模块 L7_RSU模块模块 1l应用层模块包括三个进程：(1)传输内核（TKE）进程(2)初始化内核（IKE）进程(3)广播内核（BKE）进程 /简化l初始化内核IKE_RSU实现OBU和RSU之间通信的初始化 l传输内核TKE_RSU将初始化内核和上层应用发来的SDU（服务原语），转换成PDU，并调用LLC提供的服务。 应用层功能块图 L2_RSU模块模块 2l数据链路层模块包括(1)MAC（媒体访问控制子层）子模块(2)LLC（逻辑链路控制子层）子模块 数据链路层模块分解图 lLLC_RSU包括3个进程：(1)控制进程（Transfer_Control_RSU）(2)类型1组件进程（Type1_RSU）(3)类型3发送组件进程（Type3_Send_RSU） 逻辑链路控制子层模块图 MAC子层模块图 lMAC子层功能：负责MAC子层协议数据单元的解析和生成以及对上、下行链路窗口的管理。l在RSU端拥有一个进程：传输进程（TransferF）,进程实例静态创建，只有1个实例。 DSRC协议进程图 8.4.4l需完成的工作：(1)声明本进程内用到的变量提供变量和过程的共享机制；(2)定义必要的新的数据类型； (3)定义进程内部不同状态，用SDL进程图详细描述系统行为。 初始化内核进程图（1） 初始化内核进程图（2） l进程开始，完成变量初始化，进入空闲状态（idle）的过程。 初始化内核进程图（3） l空闲状态下对超时的处理： 初始化内核进程图（4） l进程收到TKE进程的信号INITIALIZATION.confirm的处理： 初始化内核进程图（5） l进程收到信号EndApplication后的处理过程： 初始化内核进程图（6） l进程收到信号EndApplication后的处理过程： 初始化内核进程图（7） l进程收到信号EndApplication后的处理过程： 初始化内核进程图（8） l进程收到信号DeregisterApplication的处理： 模块级别的仿真 8.5.1l需要完成的工作：将被仿真的模块提升到系统级将该模块的上层接口与下层接口都描述为环境假定上下层接口都是理想通道手动输入来自上下层的信号来触发该模块中的进程修正一些协议逻辑错误和设计漏洞一对一仿真模式 8.5.2RSU独立仿真模式 8.5.3协议验证 8.5.5l对协议DSRC的验证是利用工具Telelogic Tau中的Validator完成的 l利用工具对DSRC的SDL系统进行仿真验证 作业oP239思考题 1,2nDSRC协议的特点是什么？nDSRC协议为什么没有网络层？o本次作业不需提交。