車載自組網(wǎng)技術(shù)綜述

1、摘要車載自組織網(wǎng)絡(luò)(VANET：vehicular ad hoc networks)是由車載節(jié)點(diǎn)、路邊通信基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)器組成的自組織無線多跳網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)相比，車載自組織網(wǎng)絡(luò)具有成本低、容易部署和操作的優(yōu)勢。另外從技術(shù)角度來看，車載自組織網(wǎng)絡(luò)能夠方便地為臨近車輛建立實(shí)時(shí)或者非實(shí)時(shí)的短距離通信。車載自組網(wǎng)能夠通過車輛信息（如車速、位置和方向等）以及路況信息（如擁塞情況、交通指示燈信息和道路實(shí)時(shí)狀態(tài)等）的交互，提高車輛通行效率及安全性。車載自組網(wǎng)主要應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)中的安全預(yù)警、協(xié)助駕駛、分布式交通信息發(fā)布、基于通信的車輛控制及辦公與娛樂化等方面。本文主要從車載自組織網(wǎng)絡(luò)的背景、結(jié)

2、構(gòu)介紹、重難點(diǎn)和研究現(xiàn)狀以及應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ANET進(jìn)行綜述。關(guān)鍵詞：VANET 車載通信 路由協(xié)議目錄一、 背景及意義41.1 研究背景4 國際動態(tài)4 國內(nèi)動態(tài)41.2 研究意義4 降低事故率4 提高交通系統(tǒng)效率4 開發(fā)跨領(lǐng)域應(yīng)用4二、 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與通信方式52.1 車載自組網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)52.2 車載自組網(wǎng)通信方式5三、 路由協(xié)議563.1 單播路由協(xié)議7 平面路由協(xié)議7 基于分簇的路由協(xié)議73.2 廣播路由協(xié)議83.3 地理組播路由協(xié)議83.4 路由協(xié)議小結(jié)8四、 車載自組織網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)784.1 物理層標(biāo)準(zhǔn)84.2 MAC層99五、 車載自組網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)及研究難點(diǎn)105.1 車載自組網(wǎng)特點(diǎn)10 優(yōu)點(diǎn)1

3、0 缺點(diǎn)105.2 研究難點(diǎn)11六、 應(yīng)用領(lǐng)域10116.1 主動安全應(yīng)用126.2 公共安全應(yīng)用126.3 改善駕駛應(yīng)用126.4 電子商務(wù)與移動娛樂應(yīng)用12七、 結(jié)語13八、 參考文獻(xiàn)13一、 背景及意義1.1 研究背景隨著機(jī)動車的廣泛發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速。其中，作為車聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)分支，車載自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)引起世界各國研究機(jī)構(gòu)和科研人員的密切關(guān)注。11.1.1 國際動態(tài)2003年,美國的聯(lián)邦通信委員會專門為車輛間通信劃分了一個(gè)專用頻段。在該年的汽車通信標(biāo)準(zhǔn)化會議上，各國專家提出的車用自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有望將交通事故帶來的損失降低50。2004年2006年，MobiCom專門召開了3次專題研討會

4、討論VANET。2005年,歐洲成立了車輛間通信聯(lián)盟(Car2Car communication consortium)。日本也通過了兩個(gè)車輛間通信標(biāo)準(zhǔn)。具體的研究項(xiàng)目有歐洲多國合作開展的Fleenet項(xiàng)目、德國的“Network on Wheels”、日本JSK領(lǐng)導(dǎo)的“Association of Electronic Technology for Automobile Traffic and Driving”，“Group Cooperative Driving”、美國的VII、美國馬里蘭州立大學(xué)的TrafficView項(xiàng)目、法國多個(gè)研究機(jī)構(gòu)合作開展的CIVIC等。1.1.2 國內(nèi)動態(tài)在國

5、內(nèi)，一些研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)對車載自組網(wǎng)MAC協(xié)議進(jìn)行了研究，不過更多是在軍事領(lǐng)域進(jìn)行研究。解放軍信息工程大學(xué)提出了一種移動自組織絡(luò)新型MAC協(xié)議BR-TDMA,該協(xié)議采用分布式控制，支持分組突發(fā)業(yè)務(wù)和資源預(yù)留的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，對網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不敏感，較好地解決了隱藏、暴露終端等問題。鄭州解放軍信息工程大學(xué)提出了一種新型的用于自組網(wǎng)車載通信系統(tǒng)的MAC協(xié)議CCR-ALOHA。該協(xié)議采取競爭與預(yù)約相結(jié)合的分配方式，并將用于預(yù)約的控制時(shí)隙和業(yè)務(wù)時(shí)隙相分離，能夠提供可靠的單跳廣播信道和高效的多跳廣播服務(wù)，平時(shí)分組時(shí)延較小，具有較好的可擴(kuò)展性。目前，VANET的研究主要涉及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，物理層技術(shù)，媒體訪問機(jī)制，路由協(xié)議，

6、安全技術(shù)等。1.2 研究意義1.2.1 降低事故率車載自組網(wǎng)通過提供車輛之間的通信從而實(shí)現(xiàn)信息共享。它創(chuàng)造性地將自組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于車輛間通信，使司機(jī)能夠在超視距的范圍捏獲得其他車輛的狀況信息和實(shí)時(shí)路況信息。通過車輛信息（如車速、加速度、位置和方向等）以及路況信息（如交通擁塞情況、交通指示燈信息和道路實(shí)時(shí)狀態(tài)等）的交互，提高車輛通行效率及安全性1。1.2.2 提高交通系統(tǒng)效率隨著車載自組織網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，越來越多的車輛會具備通信和信息處理的能力，這使分布式的交通控制成為可能。車輛可以通過分布式的協(xié)調(diào)、同步等，實(shí)現(xiàn)對道路資源的合理分配，從而控制車輛安全、高效地行駛，大大推動智能交通系統(tǒng)的發(fā)展2。 1.2

7、.3 開發(fā)跨領(lǐng)域應(yīng)用目前,商業(yè)與娛樂是無線通信應(yīng)用最多的領(lǐng)域,該領(lǐng)域的應(yīng)用關(guān)注客戶消息的傳輸、車輛自動化或電子支付業(yè)務(wù),如下載音樂、車隊(duì)管理、車輛自身程序、電子付款、停車收費(fèi)或道路不停車收費(fèi)等。二、 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與通信方式2.1 車載自組網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)車載自組網(wǎng)組成部分：車、設(shè)施（包括路邊基站、信號燈等）、衛(wèi)星（提供GPS定位服務(wù)）、互聯(lián)網(wǎng)（實(shí)現(xiàn)部署功能）等。圖1顯示了車載自組網(wǎng)的模型示意3：圖 1：車載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 衛(wèi)星通信系統(tǒng)分別為車載自組網(wǎng)提供全球定位服務(wù)(GPS，global positioning system)和數(shù)字多媒體服務(wù)(DMB，digital multimedia broadcasti

8、ng)。車與車通信使車輛之間能夠通過多跳的方式進(jìn)行自動互聯(lián)，這好比車與車之間能夠像人一樣互相交談，起到提高車輛運(yùn)行的安全和疏導(dǎo)交通流量等作用。車載自組網(wǎng)除了可以單獨(dú)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)局部的通信外，還可以通過路燈、加油站等作為接入點(diǎn)的網(wǎng)關(guān)(gateway)，連接到其他的固定或移動通信網(wǎng)絡(luò)上，提供更為豐富的娛樂、車內(nèi)辦公等服務(wù)。VANET 網(wǎng)絡(luò)可能被通信運(yùn)營商、內(nèi)容服務(wù)商、政府機(jī)構(gòu)部署，或者由他們聯(lián) 合部署，構(gòu)成一個(gè)混合架構(gòu)的無線通信網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)歐洲車載通信聯(lián)盟（C2C-CC） 的定義，VANET 的架構(gòu)已被拓展到更廣泛的范疇，分為車內(nèi)通信（In-vehicle domain）、車間通信（Ad-hoc dom

9、ain）和車路通信（Infrastructure domain） 三個(gè)域。車內(nèi)通信（In-vehicle）是車載單元（OBU）與用戶終端之間的通信， 用戶終端可以是某種具體設(shè)備，也可以是集成于 OBU 的虛擬模塊，連接方式可以 有線或無線的。車間通信（Ad-hoc domain）包括 OBU 之間的通信（V2V）以及 OBU 與 RSU 之間的通信（V2R），通信方式可以是單跳也可以是多跳的。車路通信 （Infrastructure domain）是 OBU、RSU 與基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信，如 Satellite、Hot Spot、3G、4G 等，完成接入互聯(lián)網(wǎng)的功能。對于 RSU 來說，連接可

10、以是有線的。2.2 車載自組網(wǎng)通信方式車載自組網(wǎng)是運(yùn)行于道路上的新型移動無線自組織網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)車與車（V2V，vehicle to vehicle）和車與設(shè)施（V2R，vehicle to roadside facilities）間的單跳或多跳無線通信。車載自組網(wǎng)基本思想是車輛與車輛或車輛與外界在一定的通信范圍內(nèi)的信息交互。如圖2所示，車輛在建立連接后，會自組織的建立起一個(gè)臨時(shí)移動通信網(wǎng)絡(luò)。其中，車載終端設(shè)備既作為信息采集節(jié)點(diǎn)，又作為信息轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，即中繼節(jié)點(diǎn)，將其他車輛傳輸過來的信息以多跳的方式傳輸至后續(xù)車輛節(jié)點(diǎn)或者路邊信息手機(jī)設(shè)備。通常,由于采用802.11系列協(xié)議，單個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)的單跳范圍

11、只有幾百米，可以看作一個(gè)移動的WLAN網(wǎng)絡(luò)4。圖 2：兩種通信方式三、 路由協(xié)議5車載自組網(wǎng)的路由協(xié)議研究是個(gè)熱門課題。由于車載自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁、鏈路不穩(wěn)定，路由技術(shù)是車載自組網(wǎng)技術(shù)的重大挑戰(zhàn)之一。很多研究機(jī)構(gòu)和公司對車載自組網(wǎng)的路由算法進(jìn)行了研究，并提出了許多車載自組網(wǎng)路由協(xié)議算法。這些算法大部分來自于移動自組網(wǎng)路由算法，但是又很好地解決了移動自組網(wǎng)路由算法無法適用于車載環(huán)境下的缺陷。路由協(xié)議是兩個(gè)通信實(shí)體間進(jìn)行通信和信息交流的標(biāo)準(zhǔn)。它分為路由建立、路由選擇和路由維護(hù)三個(gè)部分。路由建立是指根據(jù)網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)信息而生成的路由路徑；路由選擇是根據(jù)需求和算法對已建立的路由進(jìn)行選擇；路由維護(hù)是指

12、對選定的路由路徑進(jìn)行維護(hù)，在發(fā)生路徑斷裂的情況下，采取一定的恢復(fù)策略進(jìn)行路由恢復(fù)。路由選擇算法是為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)尋找下一轉(zhuǎn)發(fā)路徑，成功將消息發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)。它分為兩個(gè)步驟：第一，為源節(jié)點(diǎn)選擇到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路徑，在不同節(jié)點(diǎn)運(yùn)行路由選擇算法并在節(jié)點(diǎn)間交換信息；第二，將消息發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)，消息包括每個(gè)節(jié)點(diǎn)存儲的路由表和路由表動態(tài)更新。理想的路由算法應(yīng)該具備準(zhǔn)確、簡單、自適應(yīng)和最優(yōu)的特點(diǎn)?？偟膩碚f，車載自組網(wǎng)路由協(xié)議算法一般分為三種：單播路由算法、廣播路由算法和地理組播路由算法。其中單播路由算法是車載自組網(wǎng)路由協(xié)議算法中重要組成部分，它是端到端路由，也就是點(diǎn)對點(diǎn)路由。它是以研究數(shù)據(jù)包如何從源節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)

13、為目的。本文著重介紹單播路由算法，單播路由算法應(yīng)用前景十分廣泛。廣播路由算法是一對多路由，源節(jié)點(diǎn)周圍都是目的節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)需要把數(shù)據(jù)包傳播到周邊的所有節(jié)點(diǎn)。地理組播路由算法是將一定區(qū)域的所有節(jié)點(diǎn)作為目的節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)需要將信息傳播到一定區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)，這個(gè)區(qū)域稱之為相關(guān)區(qū)域。3.1 單播路由協(xié)議單播路由協(xié)議可分為基于拓?fù)涞穆酚蓞f(xié)議、基于地理位置的路由協(xié)議和基于分簇的路由協(xié)議三種。如果單播路由協(xié)議根據(jù)是否分級來分，可以分為平面路由協(xié)議和基于分簇的路由協(xié)議。平面路由協(xié)議的主要思想是車載自組網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)沒有進(jìn)行分級，節(jié)點(diǎn)間是平等的，任何節(jié)點(diǎn)之間都可以直接互相通信。平面路由協(xié)議根據(jù)是否需要節(jié)點(diǎn)的位置信息來

14、選擇路由路徑來分，可以分為基于拓?fù)涞穆酚蓞f(xié)議和基于地理位置的路由協(xié)議兩種?；谕?fù)涞穆酚蓞f(xié)議的主要思想是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和鏈路信息來做出路由規(guī)劃，并不需要節(jié)點(diǎn)自身的位置信息和移動速度信息。而基于地理位置的路由協(xié)議則不需要路由表或存儲路徑，而是充分利用定位服務(wù)獲得的位置信息和速度信息，為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)選出更好更有效的路由路徑。這種路由協(xié)議能夠更好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)大小和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化?；诜执氐穆酚蓞f(xié)議將節(jié)點(diǎn)分級節(jié)點(diǎn)分為簇首節(jié)點(diǎn)、普通節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。在簇內(nèi)，普通節(jié)點(diǎn)只能與簇首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，而簇與簇之間是通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)來通信的?；诜执氐穆酚蓞f(xié)議的出現(xiàn)主要是為了充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，并且能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)?；?。3.

15、1.1 平面路由協(xié)議平面路由協(xié)議分為基于拓?fù)涞穆酚伤惴ê突诘乩砦恢玫穆酚伤惴āＳ捎谲囕d自組網(wǎng)可以看作是一種極其特殊的移動自組網(wǎng)，因此移動自組網(wǎng)的路由算法也可以應(yīng)用到車載自組網(wǎng)上。而基于拓?fù)涞穆酚伤惴ㄇ∏∈菑囊苿幼越M網(wǎng)的基于拓?fù)涞穆酚伤惴ㄖ醒葑冞^來的。具體有PRAODV算法、DAODV算法、PAODV算法、VPRP算法、ROMSGP算法。目前，基于拓?fù)涞穆酚伤惴ㄖ饕歉鶕?jù)經(jīng)典的基于拓?fù)涞穆酚伤惴ê瓦M(jìn)行改進(jìn)。由于定位系統(tǒng)的普及，每個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)都裝有，能夠獲得節(jié)點(diǎn)的位置和速度方向信息。在車載自組網(wǎng)中，車輛節(jié)點(diǎn)根據(jù)獲得的地理位置信息進(jìn)行路由規(guī)劃。由于基于地理位置的路由算法在無線傳感網(wǎng)絡(luò)和移動自組網(wǎng)中都

16、表現(xiàn)的很好，研究機(jī)構(gòu)開始將它應(yīng)用到車載自組網(wǎng)中，漸漸地成為了車載自組網(wǎng)的主流路由算法，甚至于在基于拓?fù)涞穆酚伤惴ㄖ卸家肓宋恢煤退俣确较蛐畔?。具體有基于地理位置的貪婪路由算法GPSR、延時(shí)容忍路由算法、服務(wù)質(zhì)量路由算法。3.1.2 基于分簇的路由協(xié)議與平面路由算法不同，基于分簇的路由算法能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性，能夠減少車載自組網(wǎng)的控制開銷，具有很好的發(fā)展前景。但是車載自組網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)移動速度快，對簇的形成和維護(hù)提出更高的要求。因此如何將一群節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)個(gè)的簇，設(shè)計(jì)出能適應(yīng)車載自組網(wǎng)的高移動性的分簇算法是關(guān)鍵。如圖3所示，它顯示了基于分簇的路由協(xié)議的基本結(jié)構(gòu)。其中，較大的車作為簇頭節(jié)點(diǎn)，其他車輛為普

17、通節(jié)點(diǎn)。圖 3：基于分簇的路由協(xié)議的基本結(jié)構(gòu)3.2 廣播路由協(xié)議在車載自組網(wǎng)中，有時(shí)候必須要用到廣播路由協(xié)議。它是車載自組網(wǎng)中的基本操作，通過廣播的形式將信息傳播到其他所有節(jié)點(diǎn)，例如交通狀況，天氣狀況和廣告等信息。在單播路由協(xié)議中，有的也需要用廣播來傳送路由控制信息。在車載自組網(wǎng)中，運(yùn)用廣播方式來傳播的信息最重要的是目的節(jié)點(diǎn)位置信息的傳遞。最簡單的廣播方式是采用泛洪，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)收到廣播信息后再將其傳播給它的所有鄰居節(jié)點(diǎn)，除了發(fā)送給它廣播信息的那個(gè)節(jié)點(diǎn)。洪泛方式能保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)都收到廣播信息，但是不可避免地會帶來信道沖突、廣播風(fēng)暴和很高的開銷，故而泛洪方式只適合于小規(guī)模的車載自組網(wǎng)。3.3 地理組

18、播路由協(xié)議Geocast路由協(xié)議6是一種基于位置的組播路由協(xié)議，它把數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)傳送到某個(gè)特定地理區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)集。在車載自組網(wǎng)中，很多應(yīng)用都需要這種位置輔助組播路由，尤其是在交通安全領(lǐng)域，當(dāng)某車輛節(jié)點(diǎn)發(fā)生交通事故時(shí)，該算法將在區(qū)域內(nèi)發(fā)出事故警報(bào)，提示該區(qū)域的車輛節(jié)點(diǎn)不要靠近事故發(fā)生地，以免造成連環(huán)事故和交通堵塞。而不必要告知區(qū)域之外的車輛節(jié)點(diǎn)，就不需要收到該組播信息。在此路由算法中，只要車輛節(jié)點(diǎn)進(jìn)入?yún)^(qū)域，就意味著它加入了組播組。同理，一旦駛出該區(qū)域，則表示它退出了組播組。多數(shù)的位置輔助組播路由都是通過定向泛洪發(fā)送組播信息，即通過定義轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域和限制轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域內(nèi)的泛洪傳播，用來降低由于泛洪引起的控

19、制開銷和信道沖突。還有一種解決方法是通過單播路由把數(shù)據(jù)包傳送到目標(biāo)區(qū)域，而在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)再使用泛洪方式。3.4 路由協(xié)議小結(jié) 在車載自組網(wǎng)中，路由協(xié)議是關(guān)鍵技術(shù)之一。通過對各種路由協(xié)議的分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)出一種萬能的路由協(xié)議是不實(shí)際的。在不同的應(yīng)用環(huán)境下，需要不同的車載自組網(wǎng)路由協(xié)議。對于大規(guī)模性的車載自組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化頻繁，它的協(xié)議要能夠?qū)ν負(fù)渥兓哂懈叨鹊倪m應(yīng)性，并且具有良好的可擴(kuò)展性。對于節(jié)點(diǎn)移動速度快，對時(shí)延要求較高的車載自組網(wǎng)，它的協(xié)議必須要保證低時(shí)延。所以，根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境，構(gòu)造出適合的路由協(xié)議才是車載自組網(wǎng)路由協(xié)議設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，也是難點(diǎn)。隨著設(shè)備的普及，車輛節(jié)點(diǎn)都可以獲得自己的位置信

20、息和移動速度信息，所以現(xiàn)在的協(xié)議都將位置信息和移動速度信息作為下一跳選擇的度量因素，基于地理位置的路由算法成為了車載自組網(wǎng)路由協(xié)議的主流。車載自組網(wǎng)路由協(xié)議的研究還在發(fā)展中，隨著研究的深入，更多的路由算法被提出，更多的解決方案被實(shí)現(xiàn)。四、 車載自組織網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)74.1 物理層標(biāo)準(zhǔn)車載自組網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在高速移動中進(jìn)行通信,所以需要一個(gè)穩(wěn)健的頻道以及良好的信號,以適應(yīng)車載自組網(wǎng)的需求可以支持高速率的傳輸以及多跳傳輸,保證實(shí)時(shí)信息、地傳送對于信號的延遲要降低到最小,并且要保證信息傳送的實(shí)時(shí)性必須與鏈路層一協(xié)議接口匹配。目前世界上應(yīng)用于車載網(wǎng)的物理技術(shù)主要有:802.11b（Wi-Fi:無線保真技術(shù)）和

21、UTRA-TDD（TD-CDMA：時(shí)分碼分多址技術(shù)）。相比之下，802.11b應(yīng)用比較簡單、價(jià)格便宜,但是性能上要遠(yuǎn)遜于UTRA-TDD。參數(shù)比較如表18。表 1：802.11b和UTRA-TDD的對比示意圖國內(nèi)一般使用GSM移動通信技術(shù),A-GSM是公司資助研究的支持自組織技術(shù)的移動通信技術(shù),主要針對GSM系統(tǒng)中移動臺的中繼技術(shù)進(jìn)行研究,以此來增大GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑。所以GSM技術(shù)也可以嘗試性地應(yīng)用于車載網(wǎng)中。美國和日本專用于車載自組網(wǎng)系統(tǒng)的DSRC標(biāo)準(zhǔn)（Dedicated Short Range Communication：專用短距離通信技術(shù)），2003年，美國的FCC專門為車載網(wǎng)系統(tǒng)通信

22、分配了75MHz的信道。4.2 MAC層9MAC層向網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)提供了物理尋址和信道接入控制，為上層提供快速、可靠的報(bào)文傳輸支持。特別在無線網(wǎng)絡(luò)中，MAC 協(xié)議能否有效地利用無線信道的有限帶寬，將對無線網(wǎng)絡(luò)的性能起著決定性作用。對于VANET，MAC層除了考慮接入公平性、隱藏終端、暴露終端等 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的普遍問題外，還需考慮以下特殊因素：移動自適應(yīng)拓?fù)渥兓?、不同類別應(yīng)用優(yōu)先級、低傳輸延時(shí)、可靠傳輸?shù)?。早期關(guān)于VANET的MAC層協(xié)議研究主要基于對傳統(tǒng) Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò) MAC 協(xié)議的改進(jìn)，以適用于高速移動的 VANET。例如，IEEE 802.11 DCF17協(xié)議，基于CSMA/CA

23、，以較小的 RTS/CTS 分組的交互，分配較大的無線資源，從而提高無線資源的利用率，但I(xiàn)EEE 802.11 DCF不能很好支持實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)；Ad Hoc MAC18協(xié)議，通過TDMA機(jī)制為每個(gè)終端預(yù)留時(shí)隙，為 VANET 提供了較好的 QoS 保證，但 Ad Hoc MAC 協(xié)議不能有效地利用信道，且通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目受限制；D-MAC協(xié)議 (directional MAC，定向天線MAC協(xié)議)19 是基于IEEE 802.11 提出的，每個(gè)終端通過 GPS 知道自己和鄰終端的地理位置，在相鄰的平行運(yùn)行的車輛中，定向天線有利于減少傳輸干擾和沖突，但其復(fù)雜性以及其昂貴的設(shè)施給實(shí)現(xiàn)帶來了困難。近

24、幾年，關(guān)于 VANET的MAC 層協(xié)議研究較多，且提出了一些專門為車載環(huán)境下的無線接入設(shè)計(jì)的 MAC層新協(xié)議，大大改進(jìn)了VANET無線接入控制的性能，提高了通信可靠性，降低了傳輸延時(shí)。 五、 車載自組網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)及研究難點(diǎn)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(jì)車載Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的路由層提出了新的挑戰(zhàn)。5.1 車載自組網(wǎng)特點(diǎn)5.1.1 優(yōu)點(diǎn)1) 擁有豐富的外部輔助信息隨著GPS（全球定位系統(tǒng)，Global Positioning System）和GIS（地理信息

25、系統(tǒng)，Geographic Information System）的普及,車載自組網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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。GPS可以為節(jié)點(diǎn)提供精確定位和精準(zhǔn)時(shí)鐘信息，利于車輛獲取自身位置信息和進(jìn)行時(shí)鐘同步。GPS和電子地圖相結(jié)合，利用路徑規(guī)劃功能，將使車載自組網(wǎng)絡(luò)由策略的實(shí)現(xiàn)變得更為簡單。2) 無能量約束網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)可以使用車輛電池作為電源,所以,車載自組網(wǎng)不像其他移動自組織網(wǎng)絡(luò)和傳感器網(wǎng)絡(luò)那樣存在嚴(yán)格的能量約束。3) 優(yōu)質(zhì)高效的硬件設(shè)施保證車輛的承載空間較大，可以確保各類通信設(shè)備的尺寸和規(guī)模，如天線、路由器等，同時(shí)具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和存儲能力。4) 車輛節(jié)點(diǎn)運(yùn)動有

26、規(guī)律性道路的靜態(tài)形狀使得車輛移動是受限制的，車輛軌道一般可以預(yù)測。車輛同向行駛,拓?fù)湎鄬Ρ容^穩(wěn)定車輛反向行駛,拓?fù)渥兓?、鏈路壽命短。結(jié)合車速、街道形狀,可以預(yù)測路徑狀態(tài)。因此,不同運(yùn)動場景對車輛運(yùn)動的規(guī)律性有著較大的影響。然而大多數(shù)場合,具有相同或類似運(yùn)動規(guī)律的車輛可看作一個(gè)整體,可避免個(gè)體的特殊運(yùn)動行為帶來的分析誤差,有利于分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。5.1.2 缺點(diǎn)1) 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(shí)候。汽車節(jié)點(diǎn)的高度動態(tài)性使得汽車 Ad

27、 Hoc 網(wǎng)絡(luò)的拓 撲結(jié)構(gòu)變化快速，這個(gè)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)的速度大致在 542m/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(diǎn) 的覆蓋半徑為 250m，則鏈路存在 15s 的概率僅為 57%。2) 無線信道質(zhì)量不穩(wěn)定由于車輛節(jié)點(diǎn)具有高速移動性，道路周圍又有建筑物的影響，

28、導(dǎo)致無線信道質(zhì)量不穩(wěn)定。受多種其他因素影響，包括道路情況、車輛類型和車輛相對速度等，數(shù)據(jù)傳輸過程中，受到多普勒效應(yīng)的嚴(yán)重干擾，信道質(zhì)量不穩(wěn)定。3) 信道帶寬嚴(yán)重低于理論值由于車輛分布集中，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(shí)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。4) 受地理位置影響 的數(shù)據(jù)通信往往與地理位置有關(guān)，有一定的方向性。譬 如， 中安全消息具有后向傳遞性，在事故預(yù)警時(shí)，消息總 是向來車的方向進(jìn)行傳播。5) 受洪泛影響大移動自組織網(wǎng)絡(luò)中常用的路由協(xié)議需要使用泛洪廣播機(jī)制來搜索路徑,頻繁的拓?fù)渥兓厝粚?dǎo)致頻繁的泛洪廣播。而車載自組網(wǎng)路由呈現(xiàn)

29、“桶狀”形式,泛洪廣播更會帶來嚴(yán)重的阻塞。6) 鏈路層公平性問題車載自組網(wǎng)在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層采用成熟的技術(shù)和設(shè)備，主流使用IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)。但標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用在車載自組網(wǎng)方面存在一些問題，如在狹窄的道路空間內(nèi)可能存在更多的沖突,原有的避免策略可能效果并不十分理想同時(shí)，802.11標(biāo)準(zhǔn)自身退避機(jī)制的不公平性可能會加劇這種沖突，這對車載自組網(wǎng)中需要緊急傳輸?shù)氖鹿矢婢畔⒎浅２焕?.2 研究難點(diǎn)基于以上特點(diǎn)，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(shí)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(gè)整體，以實(shí)

30、現(xiàn)全 局搜索和訪問；再次，滿足一定的 QoS，比如時(shí)延和帶寬要求；此外，由于異構(gòu)的存在，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，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(diǎn)。主要挑戰(zhàn)有（1）網(wǎng)絡(luò)的連通性問題,車載自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大,會頻繁出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的分割斷線的現(xiàn)象（2）信道接入問題,車載自組網(wǎng)是多跳路由多點(diǎn)共享信道,車輛節(jié)點(diǎn)接入無線信道也是技術(shù)難點(diǎn)（3）路由協(xié)議的設(shè)計(jì)問題,車輛節(jié)點(diǎn)可以作為路由設(shè)備來使用,并且網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓^快,所以必須設(shè)計(jì)一個(gè)高效的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議（4）通信質(zhì)量問題,網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔踩珕栴},需要對帶寬可能存在擁堵、過高的時(shí)

31、延等問題進(jìn)行處理（5）網(wǎng)絡(luò)管理的問題,車載網(wǎng)的管理包括節(jié)點(diǎn)移動性、節(jié)點(diǎn)地址、以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)管理等,存在需要進(jìn)行定位車輛節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)的自動分配地址的一些問題。六、 應(yīng)用領(lǐng)域10車載自組網(wǎng)的四類主要應(yīng)用有主動安全,如VSC（Vehicle Safety Communications）項(xiàng)目中對車輛主動進(jìn)行剎車、變道、繞行等行為進(jìn)行的物理描述與仿真分析。Maihofer等人提出了一種虛擬預(yù)警信號,并對其應(yīng)用進(jìn)行了描述。此外,在大多數(shù)關(guān)于車載自組網(wǎng)的文獻(xiàn)中也包含了應(yīng)用實(shí)例?？傊?車載自組網(wǎng)的分類方式需要根據(jù)具體網(wǎng)絡(luò)的使用情況與目的,具有相同特征的應(yīng)用可歸為同類別加以劃分。車載自組網(wǎng)在交通運(yùn)輸中出現(xiàn)，將會擴(kuò)展

32、司機(jī)的視野與車載部件的功能，從而提高道路交通的安全與高效。典型的應(yīng)用包括：行駛安全預(yù)警，利用車輛間相互交換狀態(tài)信息，通過車載自組網(wǎng)提前通告給司機(jī)，建議司機(jī)根據(jù)情況作出及時(shí)、適當(dāng)?shù)鸟{駛行為，這便有效的提升了司機(jī)的注意力，提高駕駛的安全性；協(xié)助駕駛，幫助駕駛員快速、安全的通過“盲區(qū)”，例如在高速路出入口或交通十字路口處的車輛協(xié)調(diào)通行；分布式交通信息發(fā)布，改變傳統(tǒng)的基于中心式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的交通信息發(fā)布形式，車輛從車載自組網(wǎng)中獲取實(shí)時(shí)交通信息，提高路況信息的實(shí)時(shí)性，例如，綜合出與自身相關(guān)的車流量狀況，更新電子地圖以便更高效地決定路徑規(guī)劃；基于通信的縱向車輛控制，通過車載自組網(wǎng)，車輛能根據(jù)尾隨車輛和更多前邊

33、視線范圍外的車輛相互協(xié)同行駛，這樣能夠自動形成一個(gè)更為和諧的車輛行駛隊(duì)列，避免更多的交通事故。6.1 主動安全應(yīng)用主動安全應(yīng)用被視為是與道路安全有最直接影響的車載自組網(wǎng)的典型應(yīng)用。其基本目的是通過消息的傳輸使駕駛更安全,這意味著當(dāng)駕駛員面臨一個(gè)危險(xiǎn)的境地,交通事故將無法避免的發(fā)生時(shí),車輛可以主動嘗試避免意外發(fā)生或做出適當(dāng)?shù)陌踩胧?。將主動安全?yīng)用場景按危險(xiǎn)程度分類。如危險(xiǎn)的道路曲線特征是靜態(tài)的,可以預(yù)見的。因此，危險(xiǎn)性低當(dāng)交通異常, 而道路狀況仍然沒有改變時(shí),可視為是一個(gè)動態(tài)的情況。如,駕駛員按照常規(guī)方式駛過發(fā)生事故的區(qū)域。在這些情況下,危險(xiǎn)度會逐漸升高。當(dāng)出現(xiàn)高危險(xiǎn)時(shí),應(yīng)用會盡量避免車輛的碰

34、撞例如,如果大量密集的交通車輛同時(shí)制動。如果剎車行為仍然無法阻止碰撞的產(chǎn)生,就需要借助碰撞預(yù)警感應(yīng)器,盡量減少對即將發(fā)生的碰撞進(jìn)行避免或降低危害。如,可通過關(guān)閉窗戶或提高減震器的功能降低影響。最后,當(dāng)危險(xiǎn)已經(jīng)發(fā)生后,預(yù)警系統(tǒng)將開啟告警功能,警告接近車輛或撥打求助電話。6.2 公共安全應(yīng)用車輛網(wǎng)絡(luò)同樣也可以支持如電子警察或緊急現(xiàn)場恢復(fù)等的公共服務(wù)功能。這一類典型的例子對具備虛擬警報(bào)或發(fā)送高優(yōu)先級信號的緊急車輛的支持。在這類應(yīng)用場景下,緊急救援車輛可以更快到達(dá)其目的現(xiàn)場。交通監(jiān)控設(shè)備可以簡化,如只需知道電子車牌即可,無需通過監(jiān)視器分辨,甚至采用圖像處理的方式處理并識別肇事車輛身份。然而,這樣的應(yīng)用

35、需要用于專門的場合,此處僅僅作為車輛公共安全應(yīng)用的學(xué)術(shù)研究討論之用。6.3 改善駕駛應(yīng)用這類應(yīng)用嘗試用通信的方式改善或簡化駕駛。從微觀的角度出發(fā),可改善車輛周圍區(qū)域的交通狀況從宏觀角度看,各個(gè)車輛及周圍車輛運(yùn)行的優(yōu)化組合提高整個(gè)交通網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率。第一種情況,輔助應(yīng)用程序可幫助駕駛員,在正常交通流量情況下進(jìn)入高速公路,并入新的交通流或者協(xié)助減弱遠(yuǎn)燈帶來的強(qiáng)光照射。第二種情況,在更大的區(qū)域需要提高整個(gè)交通的效率。這意味著,事故警告將在更廣的范圍傳播,通知接收車輛潛在的障礙,使駕駛員采取不同的路線。此外,另一項(xiàng)服務(wù)是停車信息,甚至停車位預(yù)約保留。6.4 電子商務(wù)與移動娛樂應(yīng)用目前,商業(yè)與娛樂是無線通信應(yīng)用最多的領(lǐng)域,該領(lǐng)域的應(yīng)用關(guān)注客戶消息的傳輸、車輛自動化或電子支付業(yè)務(wù),如下載音樂、車隊(duì)管理、車輛自身程序、電子付款、停車收費(fèi)