車聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議研究的關鍵問題及研究思路

車聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議研究的關鍵問題及研究思路

0基于400.11p的車聯(lián)網(wǎng)va-工業(yè)模式人們對道路安全的關注日益增加，而車輛網(wǎng)絡的研究已成為學術界和工業(yè)界的熱點。近年來,車聯(lián)網(wǎng)的概念亦逐漸明晰,基于802.11p實現(xiàn)車車、車路互聯(lián)成為車聯(lián)網(wǎng)的新標準,成為智能交通系統(tǒng)ITS領域的重要研究內(nèi)容。本文首先界定了車聯(lián)網(wǎng)的概念,探討了基于802.11p的車聯(lián)網(wǎng)與前些年借助于成熟的2G、3G技術發(fā)展起來的車聯(lián)網(wǎng)之間的差異,總結(jié)了國內(nèi)外對于基于802.11p的車聯(lián)網(wǎng)研究的定位。為了對基于802.11p的車聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議研究中的關鍵問題進行有序評述,提出了一種車聯(lián)網(wǎng)VA-NET網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)參考模型,并以分層模型為線對VA-NET網(wǎng)絡傳輸協(xié)議研究的關鍵問題及其研究進展進行了述評。在此基礎上,分析出VANET網(wǎng)絡傳輸協(xié)議研究的幾個切入點,并針對研究思路作出了一定的展望。1對中國車輛的可擴張性分析VANET網(wǎng)絡的本質(zhì)是在車輛與車輛之間、車輛與路邊設施之間實現(xiàn)單跳或者多跳的無線通信,并能夠自組織地建立起一個臨時的無線移動通信網(wǎng)絡,通信內(nèi)容包括交通事故地理位置信息、車輛移動速度信息、車輛故障預警信息、道路擁塞狀況信息、以及其它應用信息等等。比如:在實際應用中,VANET網(wǎng)絡能夠傳遞緊急事故等實時信息來輔助駕駛員避免交通事故,能夠?qū)崿F(xiàn)道路行駛過程中的導航,保持警車或者救火車跟其它車輛節(jié)點的通信以讓出警車或者救火車的緊急安全通道,進行交通信息的相關查詢,實現(xiàn)高速公路不停車繳費,實現(xiàn)交通信息廣播,實現(xiàn)車輛之間的語音視頻通信,以及車輛在局部城市范圍內(nèi)的無線調(diào)度等功能,使駕駛更加安全、高效、舒適。鑒于VANET網(wǎng)絡的應用前景,ITSAmerica協(xié)會的數(shù)十位學術界、工業(yè)界頂尖級專家在2008年12月向美國國會提交建議書,呼吁國會資助并將基于WAVE/802.11p的ITS系統(tǒng)的研究和部署,即將基于VANET網(wǎng)絡在智能交通領域的研究和部署,納入到美國基礎架構(gòu)的建設中來。從我國的情況來看,隨著中國汽車車輛總數(shù)的增加,我國每年因交通事故死亡的人數(shù)在幾十萬人以上,并且呈逐年上升的趨勢,交通擁堵的現(xiàn)象也愈加嚴峻。我們認為,事故報警及事故隱患預警信息在同一路段行駛的車輛之間是否能夠可靠地、快速地、無差錯地、時間可預測地傳輸是減少甚至避免交通事故的關鍵所在。早期的智能交通系統(tǒng)由于投入費用代價昂貴等原因并沒有真正地部署起來,近些年來借助于成熟的2G、3G技術發(fā)展起來的智能交通系統(tǒng)在實現(xiàn)車車通信時存在傳輸緊急數(shù)據(jù)時延大,經(jīng)濟費用過高等不足,另外傳統(tǒng)意義上的智能交通系統(tǒng)都是以監(jiān)測為主的輔助交通管理方式,而VANET網(wǎng)絡技術是在道路上動態(tài)地構(gòu)建出一個自組織、易部署、費用低、開放的無線通信網(wǎng)絡,提供超視距范圍內(nèi)的車輛狀況、事故報警及預警等信息,可以將VANET網(wǎng)絡看成是一個新型的無線接入網(wǎng),利用路邊單元將部分信息傳遞至Internet上,而在接入網(wǎng)的內(nèi)部則可以有效地傳遞不同服務質(zhì)量保證的應用數(shù)據(jù)信息,及時有效地將事故、路況等警示信息在同一路段行駛的車輛之間傳遞,降低二次事故的發(fā)生,從而減少交通事故的危害,其進展性研究成果的實用價值是非常大的。可預測VANET技術成熟后,因其對行車便利性與安全性的改善,短期內(nèi)將成為機動車的標準配備,市場與經(jīng)濟效益看好。同樣考慮到車聯(lián)網(wǎng)VANET網(wǎng)絡的應用前景,2011年10月,中國首屆車聯(lián)網(wǎng)大會上,謝光選、何積豐等五位院士積極倡議在國內(nèi)“加快實施車聯(lián)網(wǎng)工程”。2車聯(lián)網(wǎng)的跨層設計思想學術界最初提出VANET概念的想法是作為無線傳感器網(wǎng)絡的衍生應用,VANET網(wǎng)絡的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及網(wǎng)絡層協(xié)議基本沿用了無線傳感器網(wǎng)絡或者移動自組織網(wǎng)絡(mobileAdhocnetwork,MANET)的相關協(xié)議。但是車輛高速移動的特點使得支持MANET網(wǎng)絡的ZigBee、Bluetooth等協(xié)議并不適用于VANET網(wǎng)絡,另外由于頻繁的通信間斷,AODV和DSR等路由協(xié)議也不再適合VA-NET網(wǎng)絡。國外相關研究機構(gòu)近幾年來在VANET網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)鏈路層/物理層的協(xié)議研究上逐步達成一致并取得了一定的突破,即基于802.11技術來開展研究,目前的標準802.11p協(xié)議正處于草案完善過程之中,而對于VA-NET網(wǎng)絡路由層、傳輸層、應用層協(xié)議的研究工作正處于起步階段,IEEE1609工作組致力于該部分協(xié)議的標準化工作,但只是提出了有利于互通性的接口規(guī)范以及一些技術指標,對于具體的可靠傳輸協(xié)議算法涉及不深。VANET網(wǎng)絡中如何保證傳輸協(xié)議的可靠性、實時性及公平性的相關研究是當前熱點領域。在借鑒IEEE1609工作組的車聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧WAVE的基礎上,圖1描述了車聯(lián)網(wǎng)VANET網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)參考模型,同時圖中也給出了將增強VANET網(wǎng)絡傳輸協(xié)議可靠性、實時性及公平性所需要考慮的多方面因素放置在VANET網(wǎng)絡模型的不同層次予以解決的方案?？紤]到VANET網(wǎng)絡下層傳輸具有“網(wǎng)絡拓撲動態(tài)變化快、網(wǎng)絡節(jié)點間的傳輸鏈路壽命短”等特點,同時又要保證信息傳遞的可靠性與實時性的實際應用需求,不能照搬TCP/IP分層模型每一層次的功能,必須要把差錯控制功能、擁塞控制等傳輸層功能下移。因為TCP/IP分層模型所遵循的端到端設計原則,由端系統(tǒng)進行差錯控制,對于數(shù)據(jù)在可靠傳輸過程中的實時性無法保證。擬根據(jù)網(wǎng)絡鏈路實際的狀態(tài),自適應地考慮把差錯控制功能放在數(shù)據(jù)鏈路層抑或是傳輸層處理,即動態(tài)地決定是在VANET網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)鏈路層LLC子層、網(wǎng)絡層、還是在傳輸層維持一定的網(wǎng)絡傳輸狀態(tài)信息,其本質(zhì)是根據(jù)具體的車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡應用,需要在VANET體系結(jié)構(gòu)的研究中引入了跨層設計的思想?？鐚釉O計與協(xié)議分層設計思想相悖,因為分層思想邏輯結(jié)構(gòu)簡單、各層功能相對獨立、易于實現(xiàn)和維護,但協(xié)議分層意味著每層的功能在其協(xié)議數(shù)據(jù)單元被傳到相鄰層之前就已完成,因此需要在每一層里分別進行優(yōu)化,這顯然與數(shù)據(jù)操作所期望的高效性相悖。因此面對VANET網(wǎng)絡高出錯率的高速無線傳輸信道特性,跨層設計原則的引入是合時宜的。車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層的廣播協(xié)議用于傳輸控制信息,而在路由層展開應用信息的傳輸,包括單播和組播的路由算法等研究內(nèi)容。廣播協(xié)議應用于局部網(wǎng)絡范圍內(nèi),在MAC層進行協(xié)議開發(fā),而路由層的單播/組播協(xié)議的研究則可應用于整個車聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡范圍內(nèi)。部分研究者提出的分簇的組播協(xié)議,主要是考慮整個車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡范圍的具體應用對網(wǎng)絡信息傳輸?shù)男枨?包括信息的可靠性,可達性,實時性等QoS特性。3文化因素:網(wǎng)絡傳輸可靠性+實時性、公平性由于作為網(wǎng)絡節(jié)點的車輛運動速度快,從而導致的網(wǎng)絡拓撲變化快,網(wǎng)絡節(jié)點間傳輸鏈路壽命短,加上所基于的無線信道屬于開放的有損介質(zhì),存在多普勒多徑衰落等現(xiàn)象,這些因素都難以保證VANET網(wǎng)絡中信息傳輸?shù)目煽啃?若是為了保證端到端數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?通過傳統(tǒng)的在信源節(jié)點及信宿節(jié)點的對等端之間進行滑動窗口等差錯控制的方式保證數(shù)據(jù)可靠性的同時,由于引入定時重傳等機制必然會引發(fā)數(shù)據(jù)傳輸過程中的實時性不能得以保證,另外處于自組織管理模式下的車輛節(jié)點在數(shù)據(jù)發(fā)送時能否保證其數(shù)據(jù)發(fā)送方面的相對公平性也是在信息傳輸協(xié)議研究時需要考慮的一個重要因素。將增強VANET網(wǎng)絡傳輸可靠性、實時性、公平性所需要考慮的多方面因素放置在VANET網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)模型的不同層次予以解決,從VANET網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的角度對VANET網(wǎng)絡可靠傳輸協(xié)議進行研究有利于從宏觀上對需要解決的問題進行把握。結(jié)合車輛速度、道路形狀等信息來預測VANET網(wǎng)絡的拓撲變化情況,并利用VANET網(wǎng)絡拓撲特點,設計適用于不同交通通信場景的網(wǎng)絡協(xié)議,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠、高效、快速的傳輸協(xié)議從理論上來看是可行的,同時如何適應網(wǎng)絡拓撲快速變化的可縮放性也是有待解決的一個開放課題。在網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)研究的基礎上,我們把適應網(wǎng)絡拓撲快速變化的可靠傳輸協(xié)議的研究分解為對應于3個層次的子問題來研究,如下文所述。3.1連通性問題的研究第一個子問題是VANET網(wǎng)絡拓撲連通性問題。VA-NET網(wǎng)絡中節(jié)點的動態(tài)性導致的VANET網(wǎng)絡拓撲的連通性問題是一個開放問題,在某些假設條件下也可建模成一個NP-hard問題,這個領域還比較新,目前國外文獻中相關研究還不多。在VANET網(wǎng)絡中,節(jié)點的移動性模型與網(wǎng)絡連通性模型指的是同一個模型概念。3.2網(wǎng)絡連通性的改進第二個子問題是在VANET網(wǎng)絡連通性研究的基礎上,如何設計適用于不同交通場景(比如高速公路交通場景)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠、高效、快速的傳輸。由于車輛高速移動的動態(tài)特性,在VANET的網(wǎng)絡節(jié)點中維護路由表是非常困難的,傳統(tǒng)的路由協(xié)議OSPF、RIP顯然不適合VANET網(wǎng)絡。目前國內(nèi)外研究團隊針對VA-NET網(wǎng)絡路由協(xié)議的研究已經(jīng)有了一定的深度,目前大致分為4類:(1)基于網(wǎng)絡拓撲的路由協(xié)議的研究。VANET網(wǎng)絡路由協(xié)議的部分研究者認為VANET是MANET在智能交通領域中的應用,也具備MANET自組織、節(jié)點動態(tài)性、短距離通信等特點,因此直接將MANET網(wǎng)絡中成熟的基于網(wǎng)絡拓撲的AODV、DSR、OLSR協(xié)議經(jīng)過改進后應用于VANET網(wǎng)絡,但是由于網(wǎng)絡節(jié)點的高速動態(tài)性,端到端的路徑會經(jīng)常斷裂,并且路徑通常是在數(shù)據(jù)傳輸完之前斷裂,論文中的實驗效果并沒有考慮到這一假設,所以其實際效果并不好。(2)基于節(jié)點相對位置的路由協(xié)議的研究。其主要思想是通過獲得源節(jié)點、相鄰節(jié)點以及目標節(jié)點的相對位置信息來確定通信路徑。研究思路同樣是利用MANET網(wǎng)絡中典型的基于相對位置的GPSR協(xié)議經(jīng)過改進后并應用于VANET網(wǎng)絡,其確定路徑的算法使用的是貪婪模式,相對過高的時延不適合傳輸緊急數(shù)據(jù),信息傳遞時按照右手規(guī)則向前以直線的路徑逐段傳遞到目標節(jié)點,當將數(shù)據(jù)傳輸給相對位置在后面或者相對位置在前面一定范圍的車輛時,對于在彎道處的車輛就不能收到該信息。(3)基于GPS系統(tǒng)及電子地圖的路由協(xié)議的研究。在VANET中,實際的場景是節(jié)點限制在道路上雙向移動。因此,借助于電子交通地圖、交通模型、車載導航系統(tǒng)GPS或北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)等,設計出的VANET路由協(xié)議是比較有前景的研究方向。但是,依靠節(jié)點集、道路集、彎道限制集以及電子地圖的全局拓撲信息確定路由算法本身的復雜度,比如計算開銷與延遲等,將是一個難以突破的難點。(4)基于分簇的路由協(xié)議的研究。這部分路由協(xié)議的研究思路同樣源于MANET分簇路由協(xié)議的改進研究,基于分簇的層次結(jié)構(gòu)能夠減少路由維護的代價,但在簇的形成過程中,如何有效地適應網(wǎng)絡連通性的變化特征始終是分簇VANET路由協(xié)議設計面臨的挑戰(zhàn)。加拿大維多利亞大學的PanJianping團隊將分簇與信息分層網(wǎng)絡編碼相結(jié)合,在信息傳輸?shù)目煽啃约皩崟r性保證方面取得了一定的成果。在研究VANET網(wǎng)絡可靠傳輸協(xié)議時需要充分考慮網(wǎng)絡連通性。車輛是高速移動的,車輛密度超過一定閾值,某一路段的VANET網(wǎng)絡是連通的,而車輛密度低于一定閾值時,則是非連通的,VANET網(wǎng)絡在連通狀態(tài)與非連通狀態(tài)下不斷切換,其時間粒度是以分鐘為單位的,在這種情形下,可以考慮利用網(wǎng)絡連通狀態(tài)以及節(jié)點位置預判信息對路由協(xié)議進行研究。3.3緊急網(wǎng)絡應采用td/ip協(xié)議第三個子問題是VANET網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中,若發(fā)生網(wǎng)絡擁塞,如何保證緊急數(shù)據(jù)的傳輸可靠性,而丟棄非緊急數(shù)據(jù)。在這種情況下,如何保證緊急數(shù)據(jù)在傳輸過程中的實時性和可靠性,而基于TCP/IP協(xié)議簇的擁塞控制機制顯然不適合VANET網(wǎng)絡,因為其數(shù)據(jù)是沒有緊急與非緊急的區(qū)分的。缺乏擁塞控制的傳輸協(xié)議可能會極大地影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)目蛇_性及延時的可預期性。3.4對國內(nèi)研究的總結(jié)國內(nèi)在VANET網(wǎng)絡技術領域的研究還處在早期階段,比如在國內(nèi)有代表性的《通信學報》、《電子學報》、《軟件學報》、《計算機學報》和《計算機研究與發(fā)展》等一級期刊的正刊上,到目前為止針對VANET網(wǎng)絡的所有研究論文僅有7篇[19,28,29,30,31,32,33],其中有3篇屬于介紹國外最新研究成果的綜述類文章,包括:清華大學課題組在參考文獻中,介紹了VANET網(wǎng)絡的發(fā)展現(xiàn)狀及應用領域;武漢大學課題組針對VANET網(wǎng)絡的傳輸控制協(xié)議對國內(nèi)外的研究成果進行分析和比較;重慶大學課題組則是對VA-NET網(wǎng)絡信息廣播方面的技術及發(fā)展方向進行了綜述。其它4篇文章所反映的國內(nèi)在VANET網(wǎng)絡研究領域的成果分別是:武漢大學課題組從數(shù)據(jù)包差錯序列的角度研究了VANET網(wǎng)絡物理層無線信道的差錯特性;武漢大學另一課題組對VANET網(wǎng)絡的全網(wǎng)連通性進行了研究,提出了一種用于高速公路場景中VANET網(wǎng)絡不存在孤立節(jié)點的概率分析算法,并明確給出了確保網(wǎng)絡中不存在孤立節(jié)點的節(jié)點間通信距離的閾值;中國科學院計算所課題組借鑒P2P網(wǎng)絡的思想利用VANET網(wǎng)絡節(jié)點進行協(xié)助數(shù)據(jù)下載,提出一種基于動態(tài)時槽的車聯(lián)網(wǎng)協(xié)助傳輸數(shù)據(jù)的方法;在VANET通信路由研究方面,湖南大學課題組利用基于可變網(wǎng)絡編碼的路由方式,即根據(jù)網(wǎng)絡拓撲狀態(tài),由信源車輛節(jié)點指導轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的信息網(wǎng)絡編碼方式,最大程度確保信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡服務質(zhì)量;吉林大學的課題組在VANET網(wǎng)絡安全方面做出了一定的有深度的研究。在智能交通領域,從2010年底提出了車聯(lián)網(wǎng)的概念,其本質(zhì)也是車用自組網(wǎng)。目前國內(nèi)對VANET術語的中文翻譯包括:車載自組網(wǎng),車用自組網(wǎng),車聯(lián)網(wǎng)等,目前尚未達成一致,屬于技術發(fā)展的早期。4網(wǎng)絡連通性問題目前在車用自組網(wǎng)研究領域存在的主要問題有:(1)節(jié)點移動性導致的VANET網(wǎng)絡連通性問題是個NP-hard問題,由于VANET研究領域較新,尚缺乏有效的建模,而網(wǎng)絡連通性是數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議研究的基石;(2)缺乏有效的同時保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性及實時性的協(xié)議實現(xiàn)方法;(3)在數(shù)據(jù)傳輸過程中,對發(fā)生擁塞情形的考慮不足。4.1網(wǎng)絡連通性及其連通度鑒于網(wǎng)絡節(jié)點的位置特征滿足GI/D/∞的排隊模型,即車輛進入VANET網(wǎng)絡服從泊松分布,節(jié)點之間的相對距離服從指數(shù)分布,以及車輛節(jié)點間的期望相遇時間服從指數(shù)分布,當前多數(shù)研究者從排隊模型入手對VAENT網(wǎng)絡的連通性開展研究。考慮到滲透理論在圖論中對1維、2維網(wǎng)圖的連通性的研究已經(jīng)取得不少成果,可以考慮用滲透理論對VANET的網(wǎng)絡連通性(包括1維,2維)及其連通度進行研究。滲流是以概率分析為基礎對圖的各種模型進行研究,主要探討的是各種模型的閾值問題。以高速公路交通場景的VANET網(wǎng)絡為例,車輛節(jié)點間的通信距離是存在限制的,基于802.11p技術的節(jié)點臨界通信半徑r為300米,假設某一路段長度為L,路段中有n個車輛節(jié)點,則連通半徑rc為L*(logn)/n,若是連通半徑rc<r,則可以保證1維VANET網(wǎng)絡的連通。將VA-NET網(wǎng)絡的連通性描述為滲流現(xiàn)象,其中車輛節(jié)點的高速移動性規(guī)律對VANET網(wǎng)絡連通性變化的影響將是難點。4.2基于分簇的網(wǎng)絡性能仿真在研究VANET網(wǎng)絡可靠傳輸協(xié)議時必須要充分考慮網(wǎng)絡連通性,以高速公路場景為例,車輛是高速移動的,當車輛密度超過一定閾值,某一路段的VANET網(wǎng)絡是連通的,而當車輛密度低于一定閾值時,則是非連通的,VANET網(wǎng)絡在連通狀態(tài)與非連通狀態(tài)的切換在以分鐘為單位的時間粒度里也是經(jīng)常變化的,所以在對VANET網(wǎng)絡節(jié)點進行分簇時,需要充分考慮網(wǎng)絡連通性、維護開銷、車輛運動軌跡、負載均衡等因素;在VANET網(wǎng)絡分簇簇頭的選取上,需要充分考慮簇頭節(jié)點在拓撲中的位置、車輛行駛軌跡等信息以進行包括簇頭的切換、車輛節(jié)點所屬簇的切換等算法的設計研究。在路由算法的設計中,還需引入簇間通信的最短時延及最短距離等指標,這里需要說明的是:引入簇間通信最短距離指標是車輛節(jié)點間利用數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議802.11p進行通信存在通信距離有效范圍的限制,為了保證信息在通信過程中的連續(xù)性,需要對傳輸路徑進行類似于3G網(wǎng)絡中的軟切換、更軟切換的預判切換機制的修正。另外,在真實的VANET網(wǎng)絡中,車輛節(jié)點具備較強的組移動特性,預判切換將充分考慮這個可能欠穩(wěn)定的組移動特性的因素。引入簇間通信最短時延指標是因為一方面考慮所傳信息的時效性,另一方面是因為當一個簇與另一個簇處于非連通狀態(tài)時,負責信息轉(zhuǎn)發(fā)的車輛節(jié)點需要暫存信息,等狀態(tài)由非連通轉(zhuǎn)成連通后繼而進行轉(zhuǎn)發(fā),但暫存信息的時間是存在最短時間限制的,這個閾值的范圍是需要研究的。該部分研究的關鍵之處在于針對車輛運動變化特征預判、網(wǎng)絡連通性變化預判的基礎上,完成基于分簇的可靠傳輸路由協(xié)議的設計。關于這里提到的暫