車載自組織網(wǎng)絡(luò)（VANET）綜述

朱存智

（1.工程兵指揮學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.四川大學(xué)，四川 成都 610065）

車載自組織網(wǎng)絡(luò)（VANET）綜述

1、2朱存智

（1.工程兵指揮學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.四川大學(xué)，四川 成都 610065）

車載自組織網(wǎng)絡(luò)是未來智能交通系統(tǒng)的重中之重。車載自組織網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點數(shù)量大、高速運動、沿路徑移動以及受通信質(zhì)量受環(huán)境影響大等特性。因此其網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與通用的無線自組織網(wǎng)絡(luò)有很大區(qū)別。

VANET；車載網(wǎng)絡(luò)

1.研究背景及目的

目前國內(nèi)外對VANET的研究也大都是基于經(jīng)典的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)來進(jìn)行的。下面介紹車載網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀：

由于車載網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞念l繁變化，節(jié)點移動速度很快，路由技術(shù)成為了車載自組網(wǎng)中的重大挑戰(zhàn)之一。在早期實驗平臺中使用的是一些簡單洪泛路由技術(shù)。目前，在車載自組網(wǎng)中使用的路由協(xié)議大致可以分為 3類：基于拓?fù)涞穆酚桑═BR，topology-based routing）協(xié)議；基于位置的路由（PBR，position-based routing，）協(xié)議；基于地圖的路由（MBR，map-based routing）協(xié)議，DSDV（Destination-Swquenced Distance-Vector）協(xié)議時一種距離矢量路由協(xié)議，是由傳統(tǒng)的 Bellman-Ford路由協(xié)議改進(jìn)得到的，它利用目的節(jié)點序列號來解決DBF算法的路由環(huán)路和無窮技術(shù)問題。

GSR（Geographic Source Routing）是基于地理位置和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由協(xié)議。GSR通過位置服務(wù)獲取目的節(jié)點的位置信息之后，需要額外利用電子地圖的信息計算從本節(jié)點到目的節(jié)點的最佳路由，路由計算的算法選擇Dijkstra最短路徑算法。協(xié)議非常簡單，并且容易實現(xiàn)，但在應(yīng)付快速變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面效率非常的差，并且很容易因為車輛移動的方向不同而產(chǎn)生很頻繁的網(wǎng)絡(luò)分割問題。

GPCR（Greedy Perimeter Coordinator Routing）提出了專門解決城市環(huán)境中的路由問題的方法，它采用了受限的基于預(yù)選路徑的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略，為了提高路由的可靠性，協(xié)議在所有的邊緣結(jié)點中選擇最接近于目標(biāo)地址的結(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)路由，協(xié)議引入了協(xié)調(diào)結(jié)點的概念，協(xié)調(diào)結(jié)點是指處在路口的結(jié)點，當(dāng)選擇下一跳時，協(xié)議會優(yōu)先選擇處在交叉路口的結(jié)點來進(jìn)行路由。

GPSR（Geographical Perimeter Stateless Routing）是比較有名的利用地理位置來優(yōu)化路由的協(xié)議。節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)前不尋找路由，不保存路由表。移動節(jié)點直接根據(jù)位置信息（包括自己的、鄰節(jié)點的以及目的節(jié)點的位置信息）制定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)決策。數(shù)據(jù)分組中通常攜帶目的節(jié)點的地理位置信息。網(wǎng)絡(luò)中相鄰節(jié)點間通過周期性廣播分組獲得其他節(jié)點的位置信息。源節(jié)點或中間節(jié)點根據(jù)這些位置信息，將數(shù)據(jù)分組傳送給一個或多個相對自己而言距離目的節(jié)點更近的鄰節(jié)點。

2.體系結(jié)構(gòu)

車載網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的移動自組織網(wǎng)絡(luò)，以配備了無線互連接口設(shè)備的車輛為節(jié)點。車載網(wǎng)絡(luò)是一種融合了車輛與車輛之間直接互連、間接互連以及車輛與路邊固定設(shè)施互連的混合體系結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。車載網(wǎng)絡(luò)的整體框圖如圖1所示。

圖1 體系結(jié)構(gòu)圖

3.車載網(wǎng)絡(luò)通信

為了解決交通的安全與高效問題，配備了無線互連接口裝置的車輛與車輛之間需要在一個暫時的、快速變化的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換；此外，這些車輛還應(yīng)能訪問路邊的網(wǎng)絡(luò)固定設(shè)施，以便滿足多方面的數(shù)據(jù)共享與通信需求。所以由應(yīng)用需求決定了車載網(wǎng)絡(luò)不僅要包括由車輛為節(jié)點的無線自組網(wǎng)，而且要包括車輛為移動節(jié)點與路邊設(shè)施互連的無線移動網(wǎng)。因此，車載網(wǎng)絡(luò)通信包括車輛之間的通信和車輛與路邊固定設(shè)施之間的通信。

典型的IVC通信如圖2所示，圓形虛線表示車輛節(jié)點的通信范圍。節(jié)點A可以通過B或者C與D通信。此外本文所給出的圖示是在某一刻的靜止影像，而實際上各節(jié)點是沿著相對規(guī)則的軌跡高速移動的。

圖2 車輛節(jié)點之間通信

車輛與路邊設(shè)施的互連允許車輛與路邊的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行無線通信，來實現(xiàn)更大范圍信息的共享和Internet接入，例如，路況信息的查詢，過橋、停車系統(tǒng)的自動收費等；這種網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于WLAN的一種特殊應(yīng)用，或者是蜂窩移動通信技術(shù)的一種技術(shù)延伸。雖然這兩種技術(shù)都可用于無線移動節(jié)點訪問基礎(chǔ)設(shè)施，但是原理相差很大。所以路邊固定設(shè)施可以是無線網(wǎng)關(guān)或者基站。每個固定設(shè)施有一定的通信范圍，所以車輛在行駛過程中訪問路邊設(shè)施時，會在多個固定設(shè)施的通信區(qū)域中切換。典型的切換如圖3所示。

圖3 通信切換

車輛首先通過左邊的基站訪問有線網(wǎng)絡(luò)，一段時間后，駛出了左邊基站的覆蓋范圍，進(jìn)入了右邊的基站范圍，此時，就涉及到一系列跨區(qū)切換問題。

由于車載網(wǎng)絡(luò)是由兩種類型的網(wǎng)絡(luò)混合而成，從而其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議既包括無線自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，同時也包括無線局域網(wǎng)或蜂窩網(wǎng)的協(xié)議；而這些協(xié)議不可能是將已有的協(xié)議直接照搬到這里使用，而是要考慮車載網(wǎng)絡(luò)的特點對這些協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)或重新設(shè)計才能符合車載網(wǎng)絡(luò)的要求。

4.特點及研究難點

車載Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)作為一種特殊的移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，除了具有一般Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的一些共性外，還具備一般Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)所不具備的特征。正是這些特性給設(shè)計車載Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由層提出了新的挑戰(zhàn)。下面將從六個方面簡單介紹車載Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的一些特點。

（1）地形的限制影響

在車載Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中汽車節(jié)點的運動會受到不同場景中地形的限制。道路的靜態(tài)形狀使得車輛移動是受限制的，只能沿著車道單、雙向移動，具有一維性。車輛行駛軌道一般是可以預(yù)測的，顯著區(qū)別于普通的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的隨機(jī)運動。因此在車載Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的模擬實驗中需要一個能夠反應(yīng)現(xiàn)實場景特征的汽車節(jié)點移動模型，從而提高汽車Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)模擬實驗的真實性。

（2）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快

在城市場景下汽車的移動速度都比較快速。汽車快速的移動使得無線覆蓋半徑變得相對較小，尤其是在高速公路上當(dāng)無線覆蓋半徑是 250米而汽車的行駛速度達(dá)到 120km/h的時候。汽車節(jié)點的高度動態(tài)性使得汽車Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快速，這個特征給路由的管理帶來了很大的不便。另外在車載Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，汽車節(jié)點會頻繁的加入和退出，特別是在城市場景中，車載Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模在車流高峰期時會迅速增大。因此對車載Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由算法的擴(kuò)展性提出了很高的要求。

在車載 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點的速度大致在5～42m/s之間，這種高速移動性導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快，路徑壽命短，例如平均速度為100km/h的道路上，如果節(jié)點的覆蓋半徑為250m，則鏈路存在15s的概率僅為57%。

（3）無線信道質(zhì)量不穩(wěn)定

由于在城市環(huán)境下，受多種因素影響，其中包括路邊建筑、道路情況、車輛類型和車輛相對速度等。限制了節(jié)點無線傳輸?shù)姆秶?，使得在物理位置上處于無線覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點并不一定能夠直接通信。這就使得現(xiàn)有的Ad Hoc路由協(xié)議直接應(yīng)用于車載Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中性能嚴(yán)重下降。因此，對傳統(tǒng)路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，以便適合于車輛間通信也是研究車載Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的難點所在。

（4）無能量約束

節(jié)點通過發(fā)動機(jī)可以提供電力支持，車輛的承載空間也可以確保天線的尺寸和其他額外的通信設(shè)備，同時還具有強(qiáng)大的計算能力和存儲空間等。

（5）GPS（全球定位系統(tǒng)）和電子地圖的應(yīng)用

通過獲得有比較豐富的外部輔助信息，使得車載 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)能夠獲取周圍環(huán)境特征。車載Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不僅可以獲得自身的位置信息，還可以得到所在區(qū)域的地理信息，比如路口分布、道路方向等。

（6）信道帶寬嚴(yán)重低于理論值

在城市環(huán)境下，由于車輛分布集中，導(dǎo)致了對無線信道的頻繁競爭，負(fù)載過于集中，使得車輛終端得到的實際帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論值，比普通的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)更嚴(yán)重。

基于以上特點，由兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成的車載網(wǎng)絡(luò)，將需要克服一些難題。首先，有必要實現(xiàn)對兩種網(wǎng)絡(luò)下的協(xié)議和應(yīng)用的兼容（兩種路由協(xié)議的切換和互操作）；其次，考慮用戶局部管理問題，要匯總局部數(shù)據(jù)到一個整體，以實現(xiàn)全局搜索和訪問；再次，滿足一定的QoS，比如時延和帶寬要求；此外，由于異構(gòu)的存在，數(shù)據(jù)傳輸時，必然要大量的連接、切換，因此要提供透明的傳輸以及提供RVC網(wǎng)絡(luò)頻繁無縫切換的機(jī)制。這些問題都將是未來車載網(wǎng)絡(luò)中的研究方向和熱點，而車載網(wǎng)絡(luò)中高效、可靠的路由協(xié)議是一個亟待解決的關(guān)鍵問題。

5.未來前景

VANET具有極高的應(yīng)用前景和研究價值。在 VANET上開發(fā)的應(yīng)用和服務(wù)，根據(jù)它們不同的用途可以分為以下4類：

（1）安全告警類應(yīng)用。這類應(yīng)用是在有事故發(fā)生或者存在事故隱患時，通過在車輛間及時的交互信息，使駕駛者可以及時的對突發(fā)的事故做出反應(yīng)，避免造成更嚴(yán)重的事故。

（2）協(xié)同駕駛。這類應(yīng)用的目的是幫助駕駛員快速、安全的通過十字路口、高速公路入口及出口等敏感地段。

（3）分布式交通信息發(fā)布。這類應(yīng)用是為了給駕駛者提供交通狀況查詢，如道路擁堵、車輛密度等信息，從而可以提高道路交通效率，改善車輛駕駛條件。這類應(yīng)用對時延要求不高。

（4）信息服務(wù)類應(yīng)用。這類應(yīng)用是為用戶提供 Internet服務(wù)，如多媒體信息、移動辦公和聯(lián)網(wǎng)游戲等。

6.結(jié)語

考慮到汽車化社會帶來的車輛的通信需求和龐大數(shù)量，車輛通信必將成為最直接有效的MANET的實現(xiàn)。車載計算機(jī)和定位設(shè)備，如GPS接收器和通信設(shè)備，必將成為未來的交通工具基本配件，也對車載自組織網(wǎng)絡(luò)研究提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

[1] 常促宇，向勇，史美林. 車載自組網(wǎng)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 通信學(xué)報，2007，11.

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[4] Internet ITS consortium[EB/OL]. http://www.internetits.org. 2006.

Vehicle self-organizing network (VANET) Review

ZHU Cun-zhi

Vehicle self-organizing network is the core of the Intelligent Transportation System .VANET has some characteristics .For example ,VANET has a great quantity of nodes ,the nodes are high-speed mobiles ,the nodes move along with the road and the quantity of the communication dependents on the environment of the nodes .The network architecture and the channel access technology have great differences between VANET and MANET.

VANET; Vehicle self-organizing network

U495

A

1008-7427（2011）11-0157-02

2011-08-31

作者系中國人民解放軍工程兵指揮學(xué)院講師，四川大學(xué)在讀研究生。