För två år sedan spikade IEEE standarden 802.11p, en fordonsanpassad vari­ant av den populära wlan-standarden som används för att koppla upp allt från datorer, surfplattor och smartmobiler till övervakningskameror och tv-apparater.

Att även fordonsindustrin satsar på wlan, och inte LTE, Zigbee, Bluetooth eller en egenutvecklad kommunikationsstandard hänger samman med att tekniken är billig, inte kräver någon infrastruktur och ger en godtagbar räckvidd.

– Fordonsindustrin är mycket kostnadsmedveten, säger Erik Ström som är professor i kommunikationssystem vid Chalmers Tekniska Högskola.

En standard för allt
Med 802.11p som bas går det att skapa allt från enkla vägtullar till säkerhetshöjande kommunikation mellan fordon liksom mellan fordon och trafikinfrastrukturen.

Men medan 802.11a/b/g/n normalt baseras på en hierarki där en router eller någon annan centralpunkt håller i taktpinnen och bestämmer hur meddelandena ska skickas är 802.11p ett ad-hoc nät, det vill säga ett nät som skapas av de noder som befinner sin inom räckhåll för var­and­ra. Den typen av nät går även att skapa med standarderna a/b/g/n men i 802.11p kan en ny nod börja kommunicera med de andra utan den förhandling kring hur man bildar en så kallad BSS, Basic Service Set, som används i vanliga wlannät. Att lägga till en nod i ett BSS kan ta flera sekunder. 802.11p har inget BSS så att lägga till en ny nod går på mindre än 100 ms.

En annan viktig skillnad är att man valt 5,9 GHz-bandet för 11p, ett frekvensband som är dedicerad för just fordonskommunikation. Wlan-standarderna b/g/n använder det populära och fria bandet på 2,4 GHz, a-varianten nyttjar det betydligt mindre använda 5,4 GHz-bandet.

Catenas utvecklingsplattform för 802.11p. Till vänster radiokortet med företagets tvåkanaliga radiokrets som realiserats i en 65 nm-process. AD-omvandlarkortet utgör brygga till det betydligt större digitalkortet som sköter basbands­processningen i en FPGA.

Delat i flera kanaler
Att det blivit det högre frekvensbandet för fordonstillämpningar trots att det ger kortare räckvidd hänger samman med att det fanns tillgängligt runt om i världen. I varje fall nästan. I USA och Europa finns ett band på 75 MHz från 5,850 till 5,925 GHz medan Japan har 80 MHz från 5,770 till 5,850 GHz plus ett lägre frekvensband.

I Europa är frekvensbandet uppdelat i olika underband för säkerhetskritiska respektive icke säkerhetskritisk kommunikation. Det finns också ett band som reserverats för ännu inte definierade uppgifter.

802.11-standarden tillåter 5, 10, 20 MHz som kanalbandbredd även om 20 MHz är standard. För 802.11n kan även kanaler på 40 MHz användas. När det gäller fordonskommunikation är det 10 MHz-kanaler som gäller och uteffekten är i Europa begränsad till 3 dBm i en rundstrålande antenn (EIRP).

Det smalare bandet minskar fädningsproblemen (att signalen varierar i styrka beroende på flervägsutbredning) och ger därmed en robustare kommunikation.

Att bandet är delat i flera kanaler öppnar för att fordonet kan göra flera saker parallt. Dock måste man alltid lyssna på trafiksäkerhetskanalen. Enda undantaget är när man skickar själv.

Om kretsarna blir flerkanaliga är för tidigt att säga även om det är troligt. Än finns inga volymkretsar att tillgå.

Lyssnar alltid på kontrollkanalen
De olika banden kallas ITS-G5A, ITS-G5B och ITS-G5C. A och B är uppdelade i fem 10 MHz-kanaler varav fyra är avsedda för tjänster och en är kontrollkanal. A och B är avsedda för ad-hoc nät där alla noder är lika mycket värda. ITS-G5C däremot har en liknade uppbyggnad som traditionella wlan-nät med en master som håller i taktpinnen. Troligen blir det noderna vid sidan av vägen som blir masterenheter medan fordonen blir underordnade (slavar).

Med 10 MHz-kanaler kan man får 3, 4, 5, 6, 9, 12, 18, 24 och 27 Mbit/s i rå datatakt. Generellt ger lägre takt en mer robust kommunikation. För fordonstillämpningar har man därför valt 6 Mbit/s som en bra kompromiss mellan datatakt och robusthet, men av det försvinner upp till 50 procent i bland annat overhead.

Risk för överbelastning
Varje användare behöver cirka 40 kbit/s för att skicka statusmeddelanden (kallade CAM, cooperative awareness messages). Om vi antar att paketen är 500 byte långa och skickas tio gånger per sekund kan systemet med rådatatakt på 6 Mbit/s och 50 procents effektivitet (nyttotakten är 3 Mbit/s) stödja 75 användare inom radioräckvidd.

– Detta är inte tillräcklig i tät fordonstrafik och ett av problemen som både forskare och industri brottas med, säger Erik Ström.

När det gäller säkerhet och autentisering, det vill säga kontroll av identiteten, finns en avvägning mellan ambitionsnivån, integriteten och kostnaden. De vanliga protokollen WEP/WPA/WPS är för långsamma, istället baseras säkerheten på standarden IEEE 1609.2, ”Security Services for Applications and Management Messages”. Den definierar mekanismer för autentisering och kryptering av meddelanden.

Meddelandena innehåller en digital signatur som kan användas för att verifiera vem sändaren är och att meddelandet inte är ändrat. Det finns två kryptonycklar med 224 respektive 256 bitar. Bägge är beräkningsintensiva och med tanke på att det i kösituationer kan komma hundratals meddelanden per sekund är det troligast att det blir den kortare som kommer att användas.

För att signera ett meddelande behöver varje nod ha en egen kod plus en publik kod. Samtidigt får den egna koden inte omedelbart röja den unika identiteten på avsändaren. Den informationen ska bara finna hos behöriga myndigheter.

Dessutom finns planer på att begränsa giltighetstiden på certifikaten, fem till tio minuter har nämnts, allt för att göra det svårare för obehörig att spåra ett visst fordon. Samtidigt som certifikaten byts, byts även MAC-adressen.

Båda åtgärderna ska dessutom försvåra för hackare som vill ta kontroll över fordon eller infrastruktur som till exempel vägskyltar.

Ovanpå 802.11p finns högre lager för olika tjänster. I Europa går dessa under beteckningen ITS-G5 (ES 202 663 Intelligent Transport Systems) medan de i USA kalla Wave, Wireless Access in Vehicular Environments,

Rf-krets från Kista
USA var först ut med wlan-kommunikation för fordonssäkerhet men ännu finns inga lpmmersiella kretsar att köpa. Volymerna är helt enkelt för små. Däremot har det sedan många år gått att köpa olika typer av testsystem.

Ett av dessa kommer från nederländska Catena, med en utvecklingsavdelning i Kista.

– Vi har tagit fram en transceiver för 11p baserat på vår 11a-plattform, säger Mats Carlsson som är chef för det svenska kontoret.

Radiomiljön är betydligt tuffare i 802.11p än i 802.11a. Bland annat måste mottagarna kunna klara större överhörning mellan kanalerna eftersom det i till exempel en bilkö kan finnas väldigt många sändare inom ”hörhåll”. Dessutom rör sig bilarna vilket leder till dopplerskift.

En del av problemen kan hanteras av bättre filter i den digitala basbandskretsen men kraven på rf-kretsen ökar också. Bland annat måste mottagaren kunna hantera 10–12 dB högre störnivåer medan sändaren har striktare krav på att undertrycka signaler som ligger utanför bandet.

Har  två kanaler
Det här kräver bättre linjäritet i lågrusförstärkaren på ingången liksom i lokaloscillatorn. Den senare måste dessutom har lägre fasbrus. Vidare krävs bättre linjäritet och undertryckning av det efterföljande filtret liksom större dynamik i AD- omvandlarna.

– Man måste jobbar igenom hela konstruktionen, säger Mats Carlsson.

Förutom att radiodelen är förbättrad i Catenas 11p-krets är den tvåkanalig. Det handlar dock inte om en Mimo-lösning utan om kravet att trafiksystemen ska kunna lyssna på en trafikkanal samtidigt som de själva sänder.

Radiokretsen är designad i en 65 nm-process hos Globalfoundries och används redan i fältförsök av två systemleverantörer med egna basbandskretsar. Går allt väl kommer de också att finnas med i de produkter som börjar rullas ut 2015.

– Vår affärsmodell är egentligen att licensiera IP men i de första produkterna blir det en tvåkretslösning. På sikt kan man tänka sig att integrera ihop rf-delen med basbandet till en krets.