研究車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)

1、研究車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)(1)    【關(guān)鍵詞】網(wǎng)絡(luò),傳感器,車輛,研究,節(jié)點,數(shù)據(jù),無線,運動,移動,通過通過車載傳感器設(shè)備,車輛節(jié)點能夠感知兩大類的信息:車輛內(nèi)和車輛外的信息。車輛內(nèi)的信息包括車輛運行的內(nèi)在狀態(tài)、汽車的位置、速度等;車輛外的信息主要是環(huán)境信息,包括溫度、濕度、大氣指數(shù),以及行駛路途中的信息包括交通流量、路面狀況等。除了傳感器設(shè)備外,駕駛員其實也是一種高智能的“傳感器”,通過對所見所聞,能感知復(fù)雜事件,如檢測交通事故、行車危險等重要的事件。每個車輛傳感器節(jié)點感知不同區(qū)域、不同時刻的數(shù)據(jù),這些感知數(shù)據(jù)能為大量的應(yīng)用提供寶貴的數(shù)據(jù)支持。車輛傳感器

2、網(wǎng)絡(luò)具有廣闊的應(yīng)用背景,典型的應(yīng)用包括行車安全1、交通流量管理2和城市監(jiān)測3等。 作為一種特殊的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自己的獨特性,這決定了許多傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的解決方案不能適用于車輛傳感器網(wǎng)絡(luò),需要開展新的研究,進行新的優(yōu)化設(shè)計。 本文綜述車輛傳感器網(wǎng)絡(luò),比較討論車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征,討論由其帶來的設(shè)計上的挑戰(zhàn),最后介紹車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵技術(shù)的研究進展以及幾種典型的應(yīng)用。 1 車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 如圖1所示,車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)由移動車輛節(jié)點與固定的路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施組成。通過車載無線通信設(shè)備,車輛節(jié)點具有無線通信能力。當兩個車輛節(jié)點處于無線通信范圍內(nèi)時,能夠建立通信鏈路實現(xiàn)數(shù)據(jù)交

3、換。同時,路側(cè)固定的基礎(chǔ)設(shè)施也部署無線通信設(shè)備,在車輛經(jīng)過時能同路側(cè)的無線通信設(shè)備實現(xiàn)相互通信。路側(cè)的基礎(chǔ)設(shè)施通常連接Internet,所以車輛通過與路側(cè)設(shè)施的連接,能夠?qū)崿F(xiàn)在移動中連接Internet。 在無線車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)中,無線通信技術(shù)占有重要的地位,決定了車輛節(jié)點的通信方式與通信能力。無線通信技術(shù)的快速發(fā)展,為車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線通信提供了多種技術(shù)選擇,包括已在無線局域網(wǎng)中廣泛使用的Wi-Fi技術(shù),還有美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)制訂的專用短程通信標準(DSRC)。DSRC工作在5.9 GHz波段,擁有約75 MHz的帶寬,專用于車輛與車輛、車輛與路側(cè)的無線通信。 在單個車輛內(nèi),可根據(jù)

4、應(yīng)用的需要集成多種傳感器設(shè)備,感知不同種類的環(huán)境數(shù)據(jù)。典型的感知設(shè)備包括全球定位系統(tǒng)接收終端,能夠?qū)崟r地獲取車輛所處的地理位置與行駛速度信息;加速傳感器能夠提供車輛瞬時的加速度信息;視頻攝像機能夠拍攝車輛附近的視頻畫面與圖像信息;環(huán)境傳感器能夠感知環(huán)境指標信息,如溫濕度、一氧化碳含量等。其他的傳感器還有車輛內(nèi)狀態(tài)傳感器,提供發(fā)動機溫度、剩余油量等信息。佩戴在駕駛員身上的生物傳感器,能夠提供駕駛員生理狀態(tài)等信息。 車輛傳感器節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。車輛傳感器節(jié)點由車輛的供電系統(tǒng)提供電力,節(jié)點的核心是嵌入式處理器,通過總線與外設(shè)接口,連接各種感知器件。無線通信模塊實現(xiàn)節(jié)點同其他車輛節(jié)點,或路側(cè)設(shè)

5、施的無線通信能力。車載的存儲設(shè)備為車輛節(jié)點提供本地數(shù)據(jù)儲存手段。 傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可運用于單個車輛節(jié)點內(nèi),將多個小傳感器節(jié)點分布于車輛的不同部位,感知不同的數(shù)據(jù),通過小規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),將感知數(shù)據(jù)集中到車輛網(wǎng)關(guān)節(jié)點。 2 車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征與面對的挑戰(zhàn) 車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之上,利用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究成果,同時卻又展示了自身的獨特性,使得僅靠無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)有技術(shù),無法完全解決車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的新挑戰(zhàn)。同無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比較,車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)具有明顯的新的特征。 (1)車輛傳感器節(jié)點具有更充裕的資源 嵌入式的處理節(jié)點具有更強的計算能力,車載的存儲

6、設(shè)備提供了較大的存儲能力。更重要的是,整個節(jié)點系統(tǒng)有持續(xù)的電力供應(yīng),而不像傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中那樣,節(jié)點僅僅靠電池的有限電力供電。這說明能源有效性不是車輛無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究重點,而其他方面,如傳輸時延、系統(tǒng)吞吐率,成為系統(tǒng)設(shè)計中更重要的性能指標。 (2)車輛節(jié)點具有很高的移動性 車輛傳感器節(jié)點的高速移動特性決定了車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)會快速變化,兩個節(jié)點間的通信時間很短暫。而傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點一般都是靜態(tài)的,網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性。 (3)車輛節(jié)點的移動具有局限性 車輛節(jié)點只能在路網(wǎng)上行駛,而不具有任意的移動能力,因而車輛的運動具有一定程度的可預(yù)知性。 (4)車輛傳感器網(wǎng)

7、絡(luò)中節(jié)點分布非常不均勻 車輛節(jié)點的分布狀況收多個因素的影響,包括道路網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)、地理位置、駕駛員的駕駛習(xí)慣等。由于節(jié)點分布的不均勻,網(wǎng)絡(luò)的連通狀況差異很大,在節(jié)點分布稀疏的地方,節(jié)點可能不存在直接的鄰居。 (5)車輛節(jié)點的感知數(shù)據(jù)取決于車輛的移動軌跡 車輛傳感器節(jié)點在車輛行駛過程中感知數(shù)據(jù),采集得到的數(shù)據(jù)與行駛軌跡密切相關(guān)。而車輛的主用目的是交通,而不是感知數(shù)據(jù),因而一般不會主動改變車輛行駛路線來達到特定的數(shù)據(jù)感知目的。 (6)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模可能非常的大 本篇論文由網(wǎng)友投稿，讀書人只給大家提供一個交流平臺，請大家參考，如有版權(quán)問題請聯(lián)系我們盡快處理。車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的最大規(guī)模可以達到所有具備無線

8、通信能力的車輛,因而系統(tǒng)的可擴展性是車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)必須解決的問題之一。 與車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的密切相關(guān)的一個概念是車輛自組織網(wǎng)絡(luò)4,車輛自組織網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)。車輛自組織網(wǎng)絡(luò)是一種特殊類型的移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)(MANET),而與一般的MANET相比,車輛自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有更高的節(jié)點移動性。一般來說,MANET具有良好的網(wǎng)絡(luò)連通性,而車輛自組織網(wǎng)絡(luò)對連通性要求更低。給定一對節(jié)點,車輛自組織網(wǎng)絡(luò)中可能不存在一條連通的通信路徑,這使得傳統(tǒng)的MANET路由協(xié)議在車輛自組織網(wǎng)絡(luò)中失效。MANET是無基礎(chǔ)設(shè)施的一類網(wǎng)絡(luò),而車輛自組織網(wǎng)絡(luò)是一種混合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),可以利用路側(cè)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施,實現(xiàn)

9、更好的系統(tǒng)性能。 3 車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù) 3.1 MAC技術(shù) 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及MANET中,已有多種不同的媒體訪問控制(MAC)協(xié)議,如SMAC5等。而車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性對MAC協(xié)議提出了新的要求。在車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)中,MAC的設(shè)計可以分為兩大類:一類的設(shè)計場景是車輛與路側(cè)的無線通信,另一類是車輛與車輛間的無線通信。 IEEE 802.11協(xié)議常被用于車輛與路側(cè)訪問點的通信,然而實驗發(fā)現(xiàn),IEEE 802.11協(xié)議需要13 s的時間來建立車輛與路側(cè)訪問點的連接6。而由于高速移動性,汽車在某個訪問點的通信范圍內(nèi)的時間很短。這也就意味著在車輛與路側(cè)訪問點之間可能還未建立連接,車輛已駛離訪問

10、點,失去了通信的機會。文獻7對該問題進行了深入的研究,通過在美國波士頓地區(qū)的大量實驗發(fā)現(xiàn),車輛與接入點(AP)間相遇的時間很短暫,99%的相遇持續(xù)時間少于250 s,平均值是10 s,而中間值更只有4 s。通過深入的分析,發(fā)現(xiàn)Wi-Fi產(chǎn)品之所以需要如此長的時間來建立連接,是因為客戶端用較長的時間來掃描發(fā)現(xiàn)訪問點,然后通過用戶指定與選定的訪問點建立相關(guān)聯(lián)系。文章提出了QuickWi-Fi的方法來加速連接的建立?？蛻舳俗詣优c第一個掃描發(fā)現(xiàn)的AP建立相關(guān)聯(lián)系,如果失敗,再嘗試第二個。在認證、關(guān)聯(lián)、動態(tài)IP地址獲取(DHCP)以及地址解析(ARP)等階段,經(jīng)常需要利用超時機制進行重試。QuickWi

11、-Fi將重試的超時從幾秒鐘減小到幾百毫秒,大大縮短了連接建立的時間。 在車輛與車輛通信的場景里面,MAC協(xié)議往往需要根據(jù)應(yīng)用需求進行針對性的設(shè)計。例如,在文獻8中,應(yīng)用場景是緊急事件消息的分發(fā),在這樣的應(yīng)用中,事件消息的發(fā)送應(yīng)被賦予極高的優(yōu)先等級,盡早發(fā)送出去,否則其他車輛可能因為沒有及時收到警告消息,而發(fā)生車禍。文章提出利用一個控制信道的方法,克服隱藏終端問題,實現(xiàn)緊急消息的可靠傳輸。 3.2 路由技術(shù) 根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸模式的不同,路由協(xié)議可以分成單播、多播和廣播等三大類。在單播路由中,一個數(shù)據(jù)包只發(fā)送到一個目的地;在多播路由中,數(shù)據(jù)包發(fā)送給多個目的節(jié)點;而在廣播路由中,數(shù)據(jù)包發(fā)送給所有的節(jié)點。

12、不同的路由類型,適用于不同的應(yīng)用場景。比如,在緊急事件廣播中,需要把緊急的消息發(fā)送給所有節(jié)點,這時廣播路由就非常有效。 由于車輛節(jié)點的高速移動性以及車輛網(wǎng)絡(luò)的不連通性,決定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與MANET的路由協(xié)議不適用于車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)。延遲容忍網(wǎng)絡(luò)(DTN)9是處理不連通網(wǎng)絡(luò)的一種有效方法,因而車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)可以借鑒其中的一些關(guān)鍵技術(shù)。它的核心思想是存儲-轉(zhuǎn)發(fā)策略,即在沒有下一跳可以轉(zhuǎn)發(fā)的情況下,暫時把數(shù)據(jù)存儲起來,隨節(jié)點移動。在轉(zhuǎn)發(fā)機會出現(xiàn)的時候,再把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳節(jié)點。 基于存儲-轉(zhuǎn)發(fā)的思想,文獻10提出了一種新的路由協(xié)議(稱為VDD),利用車輛的移動性來幫助數(shù)據(jù)發(fā)送。根據(jù)交通流量的固定模

13、式以及路網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu),車輛的運動具有一定程度的可預(yù)測性。VDD利用路段上車流量情況,選擇一條延遲最短的路徑,作為下一跳的轉(zhuǎn)發(fā)目標。 文獻11提出的路由算法有動態(tài)發(fā)現(xiàn)目標的能力,在發(fā)送數(shù)據(jù)之前,源節(jié)點通過廣播的方法,查找目的節(jié)點。在目的節(jié)點回復(fù)給源節(jié)點的過程中,選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂?。與一般的路由算法不同,選出的路徑由若干個物理位置所確定。在數(shù)據(jù)傳輸過程中,數(shù)據(jù)包沿著給定的物理位置傳送到目的節(jié)點。 3.3 車輛運動模型 節(jié)點的運動影響網(wǎng)絡(luò)的整體性能,因而必須對節(jié)點的運動規(guī)律進行深入研究。特別是在對系統(tǒng)進行仿真評估的過程中,節(jié)點的運動模式直接影響了性能評估的準確性。在理想狀況下,使用真實的車輛運動數(shù)據(jù)

14、,能得到最真實的實驗結(jié)構(gòu)。然而,真實的車輛運動數(shù)據(jù)不容易取得,或者需要付出比較高的代價,因而需要研究車輛運動模型。利用貼近現(xiàn)實世界的運動模型,人工生成車輛運動數(shù)據(jù),提高仿真結(jié)果的可靠性。 在MANET研究中,經(jīng)常假設(shè)節(jié)點的運動服從簡化的運動模型,如Random Walk(RW)、Randon Way Point (RWP)12等模型。在RW模型中,節(jié)點隨機選擇一個方向與速度,移動一段距離(或者一定的時間)后,再重新選擇方向與速度。 簡化的運動模型未能考慮道路的拓撲結(jié)構(gòu)、交通流量等實際因素,不能刻畫車輛運動的規(guī)律?；诤喕Ｐ瓦M行的設(shè)計或性能仿真,結(jié)果是不可靠的。 文獻13將現(xiàn)有的車輛運動模型分

15、成四大類,即理論模型、基于交通流量模擬器的模型、基于調(diào)查的模型和基于跟蹤數(shù)據(jù)的模型。利用車載的GPS接收器,可以記錄車輛的運動軌跡。圖3顯示了上海的道路分布圖,以及某輛出租車在上海市內(nèi)一天的運動軌跡?；诟檾?shù)據(jù)的模型從大量的跟蹤數(shù)據(jù)中抽取車輛運動的特征,并利用這些特征,來重新生成貼近現(xiàn)實世界的車輛運動數(shù)據(jù)。為了得到真實的運動模型,需要考慮多個因素,主要包括移動限制條件和流量產(chǎn)生器。移動限制描述了車輛運動的自由程度,如在城市內(nèi)的車輛必須行駛在道路上。流量產(chǎn)生器生成車輛,處理車輛與車輛、車輛與環(huán)境的交互,決定車輛的運動速度等。 3.4 試驗床 試驗床是進行車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重要手段,世界上已經(jīng)

16、建立起多個車輛網(wǎng)絡(luò)的試驗床。美國的馬薩諸塞大學(xué)建立了UMass DieselNet14,系統(tǒng)由40輛公交車組成,每輛公交車上配備一套HaCom Open Brick嵌入式計算機,256M內(nèi)存,40G硬盤,運行Linux操作系統(tǒng)。GPS接收終端提供實時的定位服務(wù)。每輛公交車上有3種無線通信設(shè)備,分布式Wi-Fi AP、Wi-Fi網(wǎng)卡和MaxStream XTend 900 MHz的無線電。DieselNet是混合型的網(wǎng)絡(luò),除了公交車節(jié)點外,網(wǎng)絡(luò)中還包括安裝在路邊的Throwboxes,用于提高網(wǎng)絡(luò)的連通性。本篇論文由網(wǎng)友投稿，讀書人只給大家提供一個交流平臺，請大家參考，如有版權(quán)問題請聯(lián)系我們盡快

17、處理。在歐洲,德國的Fleetnet項目15由6家公司和3個大學(xué)共同發(fā)起,2000年9月啟動。試驗床由10輛小汽車和路邊的基站組成,車輛裝備有攝像頭、導(dǎo)航系統(tǒng)和液晶接觸式顯示屏。嵌入式計算機通過控制器局部網(wǎng)(CAN)總線與車內(nèi)的電子設(shè)備實現(xiàn)連接。FleetNet利用車輛間多跳無線通信,研究實現(xiàn)多種免費的應(yīng)用服務(wù),包括緊急事件通知、障礙物警告、交通擁堵監(jiān)測和因特網(wǎng)接入等。 4 車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用 車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)有廣闊的應(yīng)用舞臺,典型的應(yīng)用包括行車安全、城市監(jiān)測、路況監(jiān)測、交通流量監(jiān)測等。在文獻1中,應(yīng)用的場景是:車輛節(jié)點在發(fā)現(xiàn)緊急狀況時,通過DSRC無線通信技術(shù),將緊急狀況告知其他車輛,以

18、防止碰撞的發(fā)生。文獻3提出通過車載傳感器,車輛節(jié)點拍攝途經(jīng)路上發(fā)生的事件、識別車牌號碼等信息。由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模巨大,不適合用集中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點來收集數(shù)據(jù)。他們提出車輛節(jié)點僅發(fā)送簡單的摘要信息,而通過移動的數(shù)據(jù)收集節(jié)點(如警車),選擇性地收集所需數(shù)據(jù)。在文獻16中,車輛節(jié)點通過三維的加速傳感器,檢測路面的損毀狀況。利用廣泛的分布性,和車輛節(jié)點大范圍的移動性,車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠很好地檢測路面破損情況。通過GPS接收終端,車輛節(jié)點能夠感知地理位置信息與速度信息,通過收集相關(guān)路段在某個時刻的車輛感知數(shù)據(jù),能夠計算得出相應(yīng)的交通流量狀況。 5 結(jié)束語 不同于傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)有其自身的特性,體

19、現(xiàn)在節(jié)點的高速移動性、網(wǎng)絡(luò)的不連通性、系統(tǒng)的大規(guī)模性、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的混合性等方面,這些特性決定了傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的方法不適用于車輛傳感器網(wǎng)絡(luò),需要進行相應(yīng)的修正或重新設(shè)計。本文討論了車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與特點,介紹了若干關(guān)鍵技術(shù)和典型的應(yīng)用。車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究還處于較初步的階段,還有許多的問題,包括移動模型、路由方法等,需要進一步深入的研究。 6 參考文獻 1 YIN J, ELBATT T, YEUNG G, et al. Performance evaluation of safety applications over DSRC vehicular ad hoc networksC/P

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