车辆自组织网络

Transcription

1 Hans Journal of Wireless Communications 无 线 通 信, 2013, 3, Published Online February 2013 ( Vehicular Ad Hoc Networks * Wei Xiong, Demin Liang School of Electrical and Electronic Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan xw@mail.hbut.edu.cn Received: Dec. 21 st, 2012; revised: Dec. 24 th, 2012; accepted: Jan. 19 th, 2013 Abstract: This paper describes the concept of vehicular ad hoc networks (VANET), and indicates the similarities and differences with mobile ad hoc networks (MANET) and wireless sensor networks (WSN). The system architecture for VANET is outlined, the communication protocol stacks are investigated, and the potential applications are explored. The VANET-related consortia, standards, and projects around the globe are presented. The enabling technologies, such as spectrum allocation, media access, information dissemination, and system modeling, for the realization of vehicular networks are also reviewed. Keywords: Vehicular Ad Hoc Networks (VANET); Spectrum Allocation; Media Access; Information Dissemination; System Modeling * 车 辆 自 组 织 网 络 熊 炜, 梁 德 民 湖 北 工 业 大 学, 电 气 与 电 子 工 程 学 院, 武 汉 xw@mail.hbut.edu.cn 收 稿 日 期 :2012 年 12 月 21 日 ; 修 回 日 期 :2012 年 12 月 24 日 ; 录 用 日 期 :2013 年 1 月 19 日 摘 要 : 本 文 阐 述 了 车 辆 自 组 织 网 络 (VANET) 的 基 本 概 念, 指 出 了 VANET 与 移 动 自 组 织 网 络 (MANET) 无 线 传 感 器 网 络 (WSN) 等 系 统 之 间 的 异 同, 分 析 了 VANET 的 体 系 结 构 及 其 协 议 栈 层 次, 并 对 车 辆 网 络 的 典 型 应 用 进 行 了 分 类, 介 绍 了 与 VANET 相 关 的 研 究 机 构 主 要 技 术 标 准 以 及 欧 洲 美 国 和 日 本 在 该 领 域 的 最 新 研 究 计 划 和 研 究 项 目, 最 后 综 述 了 频 谱 分 配 信 道 接 入 信 息 分 发 和 系 统 建 模 等 关 键 支 撑 技 术 关 键 词 : 车 辆 自 组 织 网 络 (VANET); 频 谱 分 配 ; 信 道 接 入 ; 信 息 分 发 ; 系 统 建 模 1. 引 言 自 组 织 网 络 ( 简 称 自 组 网 ) 有 许 多 英 文 名 称, 例 如 Ad-hoc Networks Self-organizing Networks Infrastructure-less Networks Multi-hop Networks 以 及 Packet Radio Networks, 其 中 最 为 常 用 的 是 Ad hoc Networks Ad hoc 一 词 来 源 于 拉 丁 语, 本 意 为 向 这 个 (to this) 的 意 思, 在 英 语 中 其 基 本 含 义 是 为 某 一 即 将 * 资 助 基 金 : 本 文 工 作 受 湖 北 省 教 育 厅 科 学 技 术 研 究 计 划 (Q , Q ) 湖 北 工 业 大 学 科 研 启 动 基 金 项 目 (BSQD12022) 资 助 发 生 的 特 定 目 标 事 件 或 局 势 而 专 门 设 定 的, 事 先 未 准 备 的 移 动 自 组 织 网 络 (MANET) 是 由 一 组 带 有 无 线 收 发 装 置 的 移 动 节 点 共 同 组 成 的 自 治 系 统, 它 不 依 赖 于 预 先 架 设 的 固 定 基 础 设 施 的 支 持 而 临 时 组 建, 网 络 中 的 移 动 节 点 则 利 用 自 身 的 无 线 通 信 设 备 交 换 信 息, 当 信 源 和 信 宿 节 点 不 处 于 彼 此 的 通 信 范 围 内 时, 需 要 借 助 其 他 中 间 节 点 的 中 继, 从 而 实 现 多 跳 通 信 [1] 由 于 MANET 分 布 式 控 制 网 络 自 组 织 节 点 可 移 动 多 跳 对 等 通 信 的 技 术 特 点, 使 得 它 具 有 可 快 速 临 时 组 网 系 统 抗 毁 性 强 无 需 预 设 固 定 基 础 设 施 等 22

2 诱 人 的 优 点 然 而,MANET 节 点 有 限 的 处 理 和 存 储 能 力 以 及 节 点 有 限 的 能 量 供 给 等 缺 点, 又 限 制 了 它 的 应 用 场 合 目 前, 移 动 自 组 织 网 络 的 主 要 应 用 领 域 包 括 : 军 事 战 术 通 信 灾 后 紧 急 救 援 无 线 传 感 器 网 络 (WSN) [2,3] 无 线 局 域 网 (WLAN) 和 无 线 个 域 网 (WPAN) [4] 以 及 与 蜂 窝 移 动 通 信 系 统 的 结 合 等, 而 且 其 应 用 范 围 仍 在 不 断 拓 展 近 年 来, 无 线 移 动 自 组 织 网 络 一 个 非 常 重 要 的 发 展 方 向 就 是 在 智 能 交 通 (ITS) 领 域, 特 别 是 在 车 辆 网 络 通 信 中 的 广 泛 应 用, 这 便 是 本 文 将 要 深 入 研 究 和 讨 论 的 车 辆 自 组 织 网 络 (VANET) 2. 车 辆 自 组 织 网 络 的 基 本 概 念 车 辆 自 组 织 网 络 是 一 类 迅 速 崛 起 并 富 有 挑 战 的 移 动 自 组 织 传 感 网 络, 是 下 一 代 智 能 交 通 远 景 规 划 中 较 为 重 要 的 组 成 部 分, 主 要 包 括 车 辆 与 车 辆 (V2V/IVC) 车 辆 与 路 旁 设 施 (V2I/VRC) 以 及 车 辆 与 行 人 (V2P) 之 间 的 直 接 或 多 跳 通 信 [5], 使 得 在 现 有 道 路 网 中 动 态 快 速 构 建 一 个 自 组 织 分 布 式 控 制 的 车 辆 专 用 短 距 离 通 信 (DSRC) 网 络 成 为 现 实 车 路 通 信 系 统 属 于 有 基 础 设 施 网 络 体 系 架 构, 不 支 持 车 辆 之 间 的 直 接 通 信 车 辆 与 车 辆 之 间 的 通 信 必 须 经 由 路 旁 固 定 接 入 点 (AP) 或 基 站 (BS) 以 及 有 线 骨 干 网 络 的 转 接 才 能 够 完 成 在 此 类 网 络 中, 固 定 基 础 设 施 担 当 控 制 中 心 的 作 用, 诸 如 无 线 频 谱 资 源 分 配 呼 叫 建 立 越 区 切 换 等 控 制 功 能 都 采 用 集 中 控 制 方 式, 有 着 成 熟 的 用 户 接 入 与 分 组 路 由 方 案, 因 而 不 属 于 本 文 讨 论 的 重 点 车 辆 间 通 信 网 络 是 移 动 自 组 织 网 络 的 一 个 崭 新 分 支, 它 是 在 车 载 终 端 之 上, 将 电 子 传 感 导 航 定 位 移 动 计 算 数 据 网 络 机 器 视 觉 自 动 控 制 人 工 智 能 以 及 系 统 综 合 等 技 术 有 效 地 集 成, 并 运 用 于 整 个 地 面 道 路 交 通 运 输 管 理 体 系 之 中, 实 现 人 车 路 三 者 之 间 的 信 息 共 享 协 同 与 交 互, 从 而 建 立 一 种 在 区 域 范 围 内 全 方 位 发 挥 作 用, 实 时 准 确 高 效 的 综 合 交 通 运 输 管 理 与 服 务 系 统 在 面 向 ITS 用 户 提 供 实 时 道 路 交 通 环 境 状 况 信 息 的 同 时, 车 车 通 信 系 统 能 够 显 著 提 高 道 路 通 行 能 力 降 低 驾 驶 员 操 作 负 荷, 从 而 达 到 在 节 省 土 地 资 源 的 前 提 下, 提 供 更 为 安 全 经 济 舒 适 快 捷 的 道 路 交 通 运 输 服 务 节 约 能 源 消 耗 减 低 交 通 拥 塞 并 且 改 善 交 通 环 境, 其 最 终 目 标 就 是 实 现 以 车 载 终 端 的 高 度 智 能 化 为 核 心, 以 车 辆 之 间 的 协 调 合 作 为 基 础, 并 重 视 人 的 因 素 应 用 研 究, 促 进 人 车 路 三 位 一 体 协 调 发 展 的 智 能 协 同 系 统 它 代 表 着 未 来 道 路 交 通 的 发 展 方 向, 同 时 也 是 我 国 实 现 道 路 交 通 可 持 续 发 展 的 必 由 之 路 3. 车 辆 自 组 织 网 络 的 技 术 特 点 车 辆 自 组 织 网 络 具 有 无 线 移 动 自 组 网 的 一 般 特 征, 如 车 车 通 信 网 络 不 依 赖 预 先 架 设 的 固 定 基 础 设 施 而 临 时 构 建, 车 路 通 信 系 统 则 需 要 较 少 的 基 础 设 施 支 持, 每 个 车 辆 节 点 既 可 以 作 为 终 端 系 统 实 现 数 据 收 发, 又 可 以 作 为 中 继 路 由 实 现 多 跳 转 发 [6] ; 同 样 也 存 在 无 线 网 络 所 固 有 的 问 题, 如 隐 藏 / 暴 露 终 端 信 道 拥 塞 等 [7] 然 而 与 MANET/WSN 相 比,VANET 具 有 以 下 不 同 的 特 点 [8,9] : 1) 网 络 的 大 规 模 性 车 辆 自 组 织 网 络 的 大 规 模 性 主 要 体 现 于 两 点 :1 VANET 节 点 数 目 非 常 巨 大, 包 括 车 辆 节 点 ( 如 私 家 车 公 共 交 通 货 运 车 辆 ) 以 及 路 旁 节 点 ( 如 交 通 标 志 交 通 信 号 灯 等 );2VANET 节 点 分 布 区 域 也 非 常 广 泛 ( 如 位 于 城 市 中 心 或 高 速 公 路 上 ) 2) 网 络 密 度 随 时 空 变 化 快 网 络 密 度 有 赖 于 VANET 节 点 ( 尤 其 是 车 辆 节 点 ) 的 时 空 分 布 偏 远 地 区 的 交 通 属 于 稀 疏 网 络, 发 生 交 通 拥 塞 时 则 为 密 集 型 网 络 例 如 在 长 度 为 1 km 的 双 向 六 车 道 路 段 内, 如 果 车 辆 安 全 间 距 为 70 m, 则 有 近 70 辆 车 行 驶 在 该 路 段 上 ; 当 发 生 交 通 拥 塞, 如 果 此 时 车 辆 间 距 仅 为 5 m, 则 同 一 路 段 内 将 有 1000 多 辆 车 [10] 3) 车 辆 节 点 运 动 的 特 殊 性 车 辆 节 点 只 能 沿 着 道 路 网 做 高 速 受 限 的 约 束 运 动, 例 如 高 速 公 路 上 车 辆 的 行 驶 速 度 一 般 不 低 于 70 km/h, 但 车 辆 间 的 相 对 运 动 速 度 却 可 高 达 300 km/h; 另 外, 车 辆 在 行 驶 途 中 还 必 须 遵 守 有 关 交 通 规 则 ( 如 红 灯 停 绿 灯 行, 限 速 或 列 队 行 驶 等 ) 因 此, 车 辆 节 点 的 运 动 是 可 以 短 时 预 测 的, 交 通 信 息 在 VANET 节 点 间 的 传 播 也 具 有 很 强 的 方 向 性 目 前 研 究 人 员 一 致 认 为, 在 高 速 公 路 场 景 中 构 建 的 IVC 网 络 具 有 一 维 特 征, 而 在 城 市 道 路 场 景 中 构 建 的 IVC 网 络 则 具 有 二 维 特 征 [11] 4) 网 络 拓 扑 变 化 频 繁 23

3 由 于 车 辆 节 点 运 动 的 高 速 性, 加 之 网 络 极 易 受 驾 驶 员 行 为 ( 如 变 更 车 道 或 行 驶 方 向 ) 以 及 消 息 内 容 等 因 素 的 影 响, 节 点 之 间 通 过 无 线 链 路 形 成 的 网 络 拓 扑 结 构 变 化 剧 烈 且 频 繁 例 如 在 节 点 通 信 距 离 为 250 m 平 均 车 速 为 130 km/h 的 双 向 运 动 场 景 中, 节 点 间 通 信 链 路 持 续 时 间 不 超 过 15 s 的 概 率 仅 为 57% [12] 5) 频 繁 的 拓 扑 变 化 导 致 频 繁 的 网 络 分 裂 即 使 VANET 得 到 了 广 泛 的 部 署, 在 车 流 密 度 较 高 时, 仍 会 频 繁 出 现 网 络 分 裂 现 象, 从 而 导 致 许 多 链 路 路 径 在 正 式 使 用 之 前 就 已 经 失 效 为 此, 通 过 增 加 节 点 通 信 距 离 以 及 借 助 反 向 运 动 车 辆 实 现 信 息 转 发 可 以 有 效 减 低 网 络 分 裂 现 象 [13] 6) 节 点 无 明 显 的 硬 件 约 束 VANET 节 点 一 般 都 有 外 部 电 源 提 供 能 量, 所 以 它 不 像 传 感 器 节 点 那 样, 没 有 明 显 的 电 源 方 面 的 约 束, 因 此, 在 满 足 网 络 连 通 的 前 提 下, 可 以 适 当 增 加 单 跳 通 信 距 离 例 如 VANET 节 点 通 信 距 离 可 达 1 km, 无 线 通 信 带 宽 通 常 为 几 千 kbps 另 外 车 载 移 动 终 端 目 前 多 采 用 以 32 位 微 处 理 器 为 核 心 的 高 性 能 嵌 入 式 系 统, 计 算 能 力 和 存 储 容 量 都 得 到 了 较 大 的 提 升, 因 而 其 生 产 成 本 也 较 高, 节 点 的 生 命 周 期 与 车 辆 的 生 命 周 期 大 致 相 当 [14] 7) 节 点 具 有 丰 富 的 外 部 辅 助 信 息 随 着 全 球 定 位 系 统 (GPS) 与 信 息 系 统 (GIS) 的 普 及 与 广 泛 应 用,VANET 节 点 不 仅 可 以 获 取 自 身 精 确 的 位 置 速 度 加 速 度 等 瞬 时 运 动 信 息, 而 且 可 以 获 得 节 点 所 处 区 域 内 的 信 息 ( 如 道 路 网 分 布 等 ), 如 果 再 配 合 车 载 激 光 雷 达 (LIDAR) 和 CCD 视 觉 传 感 装 置,VANET 节 点 还 能 够 实 时 感 知 其 周 围 环 境 因 此,VANET 节 点 更 多 地 采 用 基 于 区 域 的 机 制 [15] 8) 不 同 的 交 通 应 用 具 有 不 同 的 服 务 质 量 要 求 VANET 致 力 于 提 高 道 路 安 全 运 输 效 率 行 车 舒 适 以 及 环 境 保 护 等 方 面 的 应 用, 大 多 数 交 通 方 面 的 应 用 对 网 络 服 务 质 量 (QoS) 有 着 严 格 的 要 求, 如 分 组 时 延 时 延 抖 动 可 用 带 宽 及 分 组 丢 包 率 等, 并 且 不 同 的 交 通 应 用 对 网 络 服 务 质 量 的 要 求 也 不 尽 相 同 例 如 与 行 车 安 全 相 关 的 应 用 允 许 时 延 仅 为 20~200 ms [16], 与 行 车 效 率 相 关 的 应 用 对 时 延 要 求 并 不 高 ( 一 般 为 秒 级 ), 而 多 媒 体 信 息 服 务 方 面 的 应 用 则 需 要 占 用 大 量 的 网 络 带 宽 小 结 VANET 与 MANET/WSN 之 间 最 大 的 差 异 就 在 于 : 快 速 变 化 但 可 以 预 测 的 网 络 拓 扑 频 繁 的 网 络 分 裂 节 点 的 硬 件 性 能 ( 节 能 已 不 再 是 VANET 面 临 的 首 要 挑 战 ) 基 于 位 置 的 与 路 由 机 制 以 及 对 网 络 服 务 质 量 要 求 的 不 同, 这 些 也 都 是 VANET 所 独 具 的 特 征, 它 们 对 整 个 网 络 系 统 的 设 计 与 实 施 起 着 举 足 轻 重 的 影 响 鉴 于 此, 针 对 MANET/WSN 所 做 的 研 究 成 果 并 不 能 够 直 接 应 用 于 新 兴 的 VANET 系 统 4. 车 辆 自 组 织 网 络 的 体 系 架 构 4.1. 车 辆 节 点 结 构 VANET 车 辆 节 点 的 硬 件 结 构 主 要 包 括 五 大 部 分 : 车 载 传 感 单 元 移 动 计 算 单 元 ( 车 外 ) 无 线 或 光 通 信 单 元 ( 车 内 ) 人 机 接 口 单 元 以 及 电 源 单 元 针 对 不 同 ITS 应 用, 车 辆 节 点 还 可 能 包 括 行 车 日 志 安 全 数 据 库 单 元 和 备 用 电 源 单 元 等, 其 体 系 结 构 如 图 1 所 示 最 重 要 也 是 最 能 够 体 现 VANET 应 用 价 值 的 是 与 行 车 安 全 相 关 的 应 用, 因 此, 车 载 传 感 单 元 是 最 基 本 的 组 成 部 分, 主 要 包 括 用 于 报 告 自 驾 车 行 驶 状 态 以 及 路 面 环 境 状 况 的 一 系 列 车 载 传 感 器 定 位 邻 居 车 辆 与 感 测 障 碍 物 的 微 波 / 激 光 雷 达 以 及 视 觉 传 感 装 置 等 当 传 感 器 收 集 到 自 身 及 其 周 围 环 境 数 据 后, 便 经 由 模 拟 / 数 字 转 换 器 将 模 拟 信 号 转 换 成 数 字 信 号 提 供 给 车 载 计 算 单 元 进 行 处 理 处 理 器 除 了 具 有 运 算 功 能 外, 还 需 要 装 备 一 定 容 量 的 行 车 日 志 安 全 型 存 储 器, 以 存 储 专 用 数 据, 也 可 以 用 于 存 储 诸 如 电 子 车 牌 或 许 可 证 书 等 机 密 信 息 由 于 车 辆 节 点 之 间 彼 此 需 要 分 发 信 息, 因 此, 处 理 器 还 必 须 具 有 与 其 他 车 辆 节 点 协 同 处 理 数 据 的 能 力 处 理 后 的 数 据 ( 也 可 能 只 是 一 个 判 决 ) 将 由 无 线 或 光 通 信 模 块 单 元 负 责 直 接 或 间 接 传 输 到 其 他 车 辆 节 点 或 交 通 控 制 中 心 通 常,VANET 应 用 都 需 要 知 道 车 辆 节 点 的 精 确 位 置 以 及 交 通 事 件 发 生 的 精 Figure 1. Vehicular node architecture 图 1. 车 辆 节 点 的 体 系 结 构 24

4 确 时 间, 采 用 统 一 的 时 间 基 准 和 位 置 信 息 将 有 利 于 VANET 路 由 与 数 据 分 发 操 作 目 前, 车 辆 节 点 一 般 都 配 有 GPS 接 收 器, 能 够 比 较 方 便 地 实 现 车 辆 定 位 与 时 间 同 步 车 内 通 信 接 口 单 元 主 要 用 来 实 现 汽 车 内 部 控 制 系 统 与 各 检 测 和 制 动 机 构 间 的 数 据 通 信 提 供 基 于 车 载 数 字 地 图 的 交 通 态 势 信 息 的 显 示 车 载 多 媒 体 娱 乐 以 及 与 车 内 个 人 数 字 终 端 ( 如 PDA 智 能 手 机 ) 之 间 的 信 息 交 换 等 电 源 单 元 则 负 责 提 供 传 感 处 理 通 信 等 模 块 所 需 的 电 源, 它 是 VANET 的 生 命 线, 其 中 备 用 电 源 用 于 确 保 在 发 生 恶 性 交 通 事 故 时 仍 能 够 正 常 进 行 设 备 供 电 4.2. 路 旁 节 点 结 构 路 旁 节 点 的 硬 件 结 构 与 车 辆 节 点 的 基 本 相 同, 两 者 之 间 的 主 要 差 异 就 在 于 通 信 单 元 路 旁 节 点 的 通 信 单 元 一 般 包 括 两 个 模 块 : 无 线 通 信 模 块 和 有 线 通 信 模 块 其 中, 无 线 通 信 模 块 连 接 由 所 有 车 辆 临 时 构 建 的 车 用 自 组 织 网 络, 有 线 通 信 模 块 则 与 Internet 等 外 部 网 络 直 接 相 连, 从 而 实 现 两 种 协 议 栈 之 间 的 通 信 协 议 转 换, 同 时 发 布 管 理 机 构 的 交 通 调 度 任 务 以 及 增 值 服 务, 并 将 实 时 的 道 路 交 通 数 据 转 发 到 外 部 网 络 路 旁 节 点 可 以 是 一 个 具 有 监 控 功 能 的 高 性 能 传 感 器 节 点, 有 足 够 的 外 部 能 量 供 给 和 更 多 的 内 存 与 计 算 资 源, 也 可 以 是 没 有 监 控 功 能 而 仅 带 无 线 通 信 接 口 的 特 殊 网 关 设 备, 如 限 速 标 志 可 变 情 报 板 (VMS) 等 4.4. 车 辆 自 组 织 网 络 协 议 栈 随 着 车 辆 自 组 织 网 络 的 深 入 研 究 和 广 泛 应 用, 研 究 人 员 提 出 了 多 个 不 同 的 VANET 协 议 体 系 框 架 图 3(a) 所 示 为 目 前 已 被 采 纳 的 车 X 通 信 协 议 栈 四 层 模 型 [17], 其 参 考 设 计 采 用 双 栈 结 构, 以 并 行 支 持 基 于 TCP/IP 的 与 路 由 以 及 基 于 位 置 的 与 路 由 机 制 该 协 议 栈 的 应 用 目 标 是 使 VANET 节 点 按 照 信 道 ( 而 非 能 量 ) 高 效 利 用 的 方 式 协 同 工 作 各 协 议 层 及 平 台 的 功 能 如 下 : 1) ITS 接 入 层 涵 盖 多 种 通 信 介 质 以 及 物 理 / 数 据 链 路 层 协 议, 主 要 用 于 与 车 内 / 外 设 备 间 的 通 信 接 口 Figure 2. Vehicular ad hoc network architecture 图 2. 车 辆 自 组 织 网 络 的 体 系 结 构 4.3. 车 辆 自 组 织 网 络 结 构 典 型 的 车 辆 自 组 织 网 络 体 系 结 构 如 图 2 所 示, 一 般 由 车 辆 节 点 (OBU) 路 旁 节 点 (RSU) 中 继 骨 干 网 络 以 及 远 程 管 理 和 服 务 中 心 组 成 大 规 模 车 辆 节 点 按 照 一 定 的 时 空 特 征 分 布 于 道 路 网 内 部, 并 通 过 自 组 织 方 式 构 成 网 络 车 辆 节 点 通 过 各 种 车 载 传 感 装 置, 实 现 对 道 路 交 通 环 境 状 况 信 息 ( 如 车 道 标 识 以 及 路 面 状 况 前 / 侧 方 运 动 目 标 与 障 碍 物 自 驾 车 行 驶 状 态 等 ) 的 智 能 感 知 与 实 时 采 集, 这 些 信 息 可 以 在 其 车 载 终 端 上 加 以 显 示, 以 提 醒 驾 驶 人 员 注 意 行 车 安 全 对 于 非 常 紧 急 且 重 要 的 交 通 安 全 信 息, 一 方 面 可 以 通 过 车 路 通 信 系 统 传 送 到 交 通 指 挥 控 制 中 心, 从 而 实 现 在 大 区 域 范 围 内 进 行 实 时 的 交 通 调 度 ; 另 一 方 面, 也 可 以 通 过 车 车 通 信 系 统 直 接 在 车 辆 网 络 内 部 发 布, 从 而 可 以 无 时 延 地 在 小 范 围 内 进 行 区 域 交 通 调 度 (a) Layered architecture (b) Cross-layered architecture Figure 3. Protocol architecture for vehicular ad hoc networks 图 3. 车 辆 自 组 织 网 络 的 协 议 体 系 框 架 25

5 目 前 控 域 网 (CAN) 总 线 协 议 已 成 为 汽 车 计 算 机 控 制 系 统 的 标 准 总 线, 适 合 线 控 操 作 的 FlexRay 也 成 为 新 一 代 汽 车 内 部 网 络 通 信 协 议, 面 向 媒 体 的 系 统 传 输 (MOST) 总 线 专 门 用 于 满 足 车 载 高 端 娱 乐 的 要 求, 蓝 牙 WiFi ZigBee 等 短 距 离 通 信 技 术 则 支 持 与 PDA 智 能 手 机 笔 记 本 电 脑 及 相 关 外 设 间 的 无 线 信 息 交 换 车 辆 外 部 通 信 以 无 线 接 入 技 术 为 主, 可 大 致 分 为 : 1 专 用 频 段 上 的 中 短 程 通 信 技 术, 例 如 5.8/5.9 GHz 专 用 短 距 离 通 信 / 车 载 环 境 无 线 接 入 (DSRC/WAVE) 红 外 (IR);2 工 业 科 学 及 医 疗 (ISM) 频 段 上 的 中 短 程 通 信 技 术, 例 如 2.4/5.0 GHz 无 线 局 域 网 (WLAN);3 无 线 城 域 网 (WMAN) 技 术, 例 如 WiMAX;4 蜂 窝 移 动 通 信 技 术, 例 如 GSM/GPRS UMTS;5 地 面 广 播 技 术, 例 如 调 频 (FM) 数 字 音 / 视 频 广 播 (DAB/DVB) 等 2) ITS 网 络 和 传 输 层 包 括 一 系 列 数 据 分 发 协 议, 从 而 在 VANET 内 部 以 及 VANET 与 Internet 之 间 实 现 数 据 的 透 明 传 输 ITS 网 络 层 协 议 主 要 负 责 信 源 和 信 宿 节 点 间 高 效 路 由 的 发 现 与 选 择,ITS 传 输 层 协 议 则 提 供 可 靠 的 端 到 端 连 接, 并 根 据 其 上 的 ITS 构 件 层 和 应 用 层 需 求 实 现 流 量 控 制 和 网 络 拥 塞 控 制 协 议 栈 中 TCP/UDP 和 IPv6 两 层 作 为 Internet 协 议 组 的 一 部 分, 可 以 保 证 VANET 系 统 能 够 与 广 泛 普 及 的 互 联 网 应 用 相 兼 容 3) ITS 构 件 层 是 支 持 各 项 任 务 应 用 的 特 殊 功 能 集, 通 过 该 层 提 供 的 数 据 结 构 可 存 储 汇 集 维 护 不 同 类 型 的 异 构 源 数 据, 允 许 在 不 同 的 应 用 中 选 择 不 同 的 方 案, 提 供 面 向 ITS 的 特 定 消 息 处 理 机 制, 并 支 持 建 立 和 维 护 通 信 会 话 其 中 服 务 管 理 构 件 是 最 为 重 要 的 组 成 部 分 之 一, 完 成 服 务 发 现 服 务 下 载 与 管 理 等 功 能 4) ITS 应 用 层 提 供 基 于 车 车 / 车 路 通 信 等 道 路 交 通 服 务 的 高 层 应 用 接 口, 它 直 接 面 向 用 户, 以 满 足 用 户 的 不 同 需 求 目 前 主 要 考 虑 的 是 与 行 车 安 全 行 车 效 率 以 及 在 途 信 息 娱 乐 等 方 面 的 应 用 5) ITS 管 理 平 台 的 诸 多 机 制 一 部 分 将 融 入 到 上 述 各 层 协 议 之 中, 用 以 优 化 和 管 理 协 议 流 程 ; 另 一 部 分 则 独 立 在 协 议 外 层, 并 通 过 各 种 显 示 与 配 置 接 口 对 VANET 节 点 进 行 控 制 和 管 理, 例 如 车 辆 网 络 管 理 节 点 移 动 性 管 理 以 及 交 通 服 务 管 理 等, 并 实 现 信 息 的 跨 层 交 互 6) ITS 安 全 平 台 则 提 供 安 全 和 隐 私 服 务, 主 要 包 括 通 信 协 议 栈 不 同 层 内 安 全 消 息 格 式 的 定 义 身 份 认 证 和 安 全 证 书 的 管 理 终 端 海 量 数 据 云 存 储 的 安 全 问 题 以 及 敏 感 数 据 的 防 窃 取 和 防 篡 改 等 方 面 的 应 用 基 于 分 层 的 方 法 试 图 保 持 类 似 TCP/IP 协 议 层 次 及 其 功 能 和 接 口, 并 针 对 VANET 的 具 体 应 用 需 求 作 了 适 当 改 进, 以 适 应 车 辆 自 组 网 中 单 跳 及 多 跳 通 信 要 求 然 而 协 议 栈 中 各 层 之 间 是 相 互 独 立 的, 通 过 服 务 访 问 点 (SAP) 仅 能 够 实 现 与 相 邻 协 议 层 实 体 间 的 交 互, 因 此 不 利 于 多 层 数 据 融 合 处 理 图 3(b) 所 示 的 协 议 栈 改 进 了 原 始 模 型 ( 参 见 文 献 [18]), 它 继 承 了 传 统 分 层 架 构 的 思 想, 以 简 化 协 议 的 设 计 和 实 现, 同 时 也 增 强 了 不 同 协 议 层 之 间 的 协 作 与 信 息 共 享 应 用 层 在 该 协 议 栈 中 的 位 置 比 较 特 殊, 它 根 据 VANET 具 体 应 用 的 需 要, 从 其 下 多 个 SAP 中 选 择 是 否 直 接 使 用 某 个 低 层 提 供 的 服 务, 所 以 在 图 中 采 用 倒 阶 梯 型 来 描 述 这 个 功 能 层 车 载 GPS GIS 及 传 感 器 等 外 部 设 备 则 通 过 一 个 公 共 的 外 部 信 息 接 口, 从 而 实 现 与 各 协 议 层 之 间 的 数 据 共 享 与 交 互 外 部 管 理 平 台 则 作 为 系 统 的 配 置 接 口 允 许 用 户 设 置 或 修 改 有 关 协 议 层 参 数 小 结 早 期 的 VANET 主 要 是 为 车 辆 编 队 行 驶 以 及 协 同 驾 驶 系 统 设 计 的, 没 有 对 体 系 结 构 作 过 多 的 考 虑, 其 数 据 传 输 框 架 多 基 于 TCP/IP 分 层 模 型, 并 对 物 理 层 和 数 据 链 路 层 作 了 必 要 的 修 改, 以 适 用 于 车 载 环 境 协 议 栈 中 下 层 通 过 层 间 接 口 向 上 层 提 供 服 务, 但 不 能 实 现 跨 层 操 作 随 着 研 究 的 深 入, 特 别 是 当 VANET 需 要 提 供 多 种 承 载 业 务, 并 满 足 一 定 的 服 务 质 量 保 障 时, 就 应 当 考 虑 如 何 选 择 最 为 合 适 的 体 系 结 构, 需 要 对 原 有 的 协 议 栈 进 行 重 新 设 计 目 前, 多 采 用 具 有 跨 层 交 互 功 能 的 协 议 体 系 架 构, 高 层 应 用 程 序 可 直 接 调 用 其 下 任 意 多 层 的 信 息, 从 而 能 够 满 足 不 同 的 交 通 应 用 需 求 由 于 各 功 能 层 之 间 耦 合 度 较 高, 因 而 协 议 设 计 与 维 护 也 较 为 困 难 其 中 车 车 / 车 路 专 用 通 信 协 议 栈 为 强 制 实 现, 以 支 持 基 于 定 位 的 交 通 安 全 方 面 的 应 用 5. 车 辆 自 组 织 网 络 的 典 型 应 用 车 辆 网 络 的 自 组 织 性 和 大 规 模 节 点 提 供 的 容 错 能 力 使 其 不 会 因 为 某 些 节 点 的 异 常 而 导 致 整 个 系 统 的 崩 溃, 非 常 适 合 在 特 殊 时 刻 特 殊 环 境 中 快 速 构 建 26

6 通 信 基 础 设 施, 因 此 具 有 广 阔 的 应 用 前 景 通 过 运 用 新 兴 的 车 X 通 信 技 术, 能 够 实 现 道 路 交 通 安 全 交 通 运 输 管 理 在 途 增 值 服 务 等 方 面 的 应 用 [19], 如 表 1 所 示 有 关 VANET 应 用 的 不 同 分 类 方 法, 读 者 还 可 以 参 见 文 献 [20] 5.1. 道 路 交 通 安 全 方 面 的 应 用 面 向 交 通 安 全 方 面 的 应 用 是 最 为 重 要, 也 是 最 能 够 体 现 VANET 应 用 价 值 的 一 类 应 用, 它 是 在 车 辆 高 速 行 驶 的 过 程 中, 通 过 与 其 它 临 近 车 辆 和 / 或 路 旁 基 础 设 施 之 间 的 无 线 通 信, 周 期 性 交 换 彼 此 的 运 动 状 态 ( 如 典 型 应 用 Table 1. Typical applications of vehicular ad hoc networks 表 1. 车 辆 自 组 织 网 络 的 典 型 应 用 应 用 描 述 车 辆 协 同 防 撞 告 警 (CCW) [26] 车 辆 主 动 监 听 其 邻 居 车 辆 发 送 的 运 动 状 态 信 息, 并 对 潜 在 的 交 通 事 故 发 出 警 告, 以 避 免 ( 连 环 ) 追 尾 等 恶 性 交 通 事 故 的 发 生 交 叉 路 口 协 同 防 撞 交 叉 路 口 附 近 的 车 辆 向 邻 近 车 辆 或 路 侧 单 元 周 期 性 广 播 其 位 置 及 运 动 状 态 信 息, (ICA) [27] 并 根 据 各 自 的 运 动 方 向 和 速 度 判 断 彼 此 之 间 是 否 存 在 碰 撞 的 可 能 协 同 车 道 预 留 紧 急 救 援 或 公 共 交 通 车 辆 要 求 沿 途 所 有 车 辆 为 其 让 道, (CLR) [28] 同 时 也 要 求 沿 途 所 有 交 通 信 号 灯 保 障 其 快 速 赶 到 事 发 地 点 或 优 先 行 驶 事 故 后 告 警 事 故 车 辆 提 醒 正 在 驶 向 该 事 故 地 点 的 所 有 车 辆 注 意 其 前 方 潜 在 的 交 通 危 险, (PCW) 接 收 到 事 故 告 警 信 标 的 路 旁 单 元 则 将 该 信 息 转 发 到 交 通 控 制 中 心, 以 便 及 时 处 理 事 故 现 场 逆 向 行 驶 告 警 (WDW) 针 对 单 行 道 中 逆 向 行 驶 车 辆 发 出 警 告, 并 提 示 驾 驶 人 员 正 确 的 行 驶 方 向 道 路 环 境 通 告 路 旁 传 感 器 实 时 检 测 道 路 路 面 是 否 覆 有 积 水 或 积 雪, 并 将 容 易 打 滑 路 段 的 信 息 发 送 给 过 往 车 辆, (RCW) 此 类 信 息 借 助 车 辆 的 运 动 还 会 发 布 到 更 远 的 范 围, 从 而 提 醒 驾 驶 人 员 及 早 做 好 预 防 车 道 变 更 辅 助 超 车 道 上 行 驶 的 车 辆 通 过 报 告 其 运 动 方 位, 借 以 提 醒 邻 近 车 道 上 行 驶 的 车 辆 注 意, (LCA) 避 免 侧 挂 等 交 通 事 故 的 发 生 高 速 公 路 上 行 驶 的 车 辆 能 够 感 知 同 向 行 驶 的 其 它 车 辆, 通 过 彼 此 之 间 实 时 的 信 息 交 换, 车 辆 协 同 编 队 行 驶 (Platooning) 能 够 为 驾 驶 人 员 提 供 及 时 反 馈, 并 在 适 当 时 候 采 取 纠 正 措 施, 从 而 使 车 流 更 加 畅 通 和 安 全, 同 时 也 减 少 有 害 气 体 的 排 放 主 要 通 信 方 式 V2V V2V/V2I V2V/V2I V2V/V2I V2V/V2I 分 岔 路 口 切 入 辅 助 分 岔 路 口 处 的 车 辆 在 进 入 主 干 道 之 前, 通 过 路 侧 单 元 侦 测 并 将 此 信 息 发 送 至 主 干 道 上 的 车 流, (BMA) 借 以 避 免 因 驾 驶 人 员 的 视 线 死 角 而 造 成 的 车 辆 擦 撞 等 交 通 事 故 V2V/V2I 车 辆 限 速 提 示 路 侧 单 元 根 据 当 地 的 交 通 法 规 或 天 气 情 况 ( 如 雨 雪 天 气 或 能 见 度 等 ) 向 过 往 车 辆 发 送 速 度 限 制 信 标, (SLW) 同 时 也 可 以 采 集 超 速 行 驶 车 辆 的 电 子 车 牌, 以 便 作 为 后 期 执 法 的 凭 据 V2I 道 路 施 工 通 告 路 侧 单 元 根 据 某 段 道 路 的 施 工 情 况 向 过 往 车 辆 发 布 施 工 区 域 通 告 信 息, (WZW) 以 提 醒 驾 驶 人 员 注 意 行 车 安 全 V2I 智 能 交 通 流 控 制 通 过 测 算 道 路 上 实 际 车 流 量 来 自 动 优 化 或 分 配 交 叉 路 口 红 绿 灯 时 间, 同 时 受 控 区 域 内 的 多 个 交 通 信 号 (ITFC) [30] 灯 还 可 以 相 互 关 联 协 同 调 度, 从 而 有 效 提 高 道 路 车 辆 通 行 率 V2V/V2I 实 时 道 路 交 通 信 息 (RTTI) [31] 电 子 不 停 车 收 费 (ETC) 通 过 对 道 路 交 通 实 时 信 息 的 收 集 处 理 和 发 布, 使 道 路 使 用 者 可 以 在 信 息 预 知 的 模 式 下 对 自 己 出 行 时 间 出 行 方 式 出 行 路 线 进 行 优 化 调 整, 从 而 避 免 交 通 拥 塞, 提 高 整 个 道 路 系 统 的 运 输 效 率, 同 时 还 能 够 为 交 通 管 理 规 划 部 门 提 供 实 时 交 通 信 息 支 持, 使 其 决 策 更 科 学 更 合 理 车 辆 在 通 过 收 费 站 点 时, 利 用 车 载 设 备 实 现 车 辆 识 别 等 操 作, 并 自 动 从 预 先 绑 定 的 IC 卡 或 银 行 帐 户 中 扣 除 相 应 费 用, 可 以 显 著 提 高 道 路 通 行 能 力, 降 低 收 费 管 理 成 本, 提 高 车 辆 营 运 效 益 V2V/V2I V2V V2V V2V/V2I V2I 方 式 IP 应 用 分 类 面 向 交 通 安 全 面 向 交 通 管 理 [32, 33] P2P 文 件 共 享 不 同 于 传 统 的 客 户 端 / 服 务 器 (C/S) 模 式, 点 对 点 (P2P) 网 络 的 一 个 重 要 目 标 就 是 让 所 有 的 网 络 节 点 都 能 够 提 供 资 源, 包 括 带 宽 存 储 空 间 和 计 算 能 力 等 因 此, 当 有 新 节 点 加 入 并 对 系 统 请 求 增 多 时, 整 个 系 统 的 容 量 也 会 随 之 增 大, 同 时 分 布 式 特 性 也 增 加 了 网 络 系 统 的 健 壮 性 停 车 场 管 理 ] (FPM) 通 过 路 旁 无 线 通 信 终 端 提 供 的 实 时 停 车 信 息, 从 而 引 导 驾 驶 人 员 更 方 便 快 捷 地 找 到 停 车 位 实 时 视 频 传 输 在 车 辆 网 络 环 境 中, 以 全 新 的 自 组 网 方 式 实 现 多 媒 体 及 视 频 信 号 的 实 时 传 输, (RTVT) [37] 以 帮 助 不 同 车 辆 内 的 网 络 用 户 之 间 进 行 实 时 通 信 和 共 享 信 息 的 需 要 多 人 在 线 游 戏 (MOG) [38] 高 速 互 联 网 接 入 (Hotspot) [39] 多 名 游 戏 玩 家 在 乘 车 旅 行 途 中, 通 过 编 队 行 驶 的 车 辆 临 时 组 成 的 无 线 通 信 网 络 进 行 车 间 互 动 娱 乐, 同 时 还 可 以 在 游 戏 过 程 中 与 其 他 玩 家 进 行 语 音 或 视 频 交 流 为 公 众 在 加 油 站 停 车 场 旅 馆 等 热 点 区 域 提 供 高 速 Internet 接 入 服 务, 实 现 在 线 收 发 阅 读 新 闻 即 时 聊 天 等 V2V/V2I [34-36 V2I V2V/V2I V2V V2I IP IP IP IP IP 在 途 增 值 业 务 27

7 当 前 车 辆 具 有 的 瞬 时 位 置 速 度 加 速 度 和 转 向 灯 的 控 制 状 态 ) 以 及 道 路 的 环 境 状 况 ( 如 路 面 是 否 有 积 水 或 积 雪 ) 等 实 时 信 息, 从 而 对 其 前 后 左 右 四 个 方 向 上 的 潜 在 危 险 进 行 主 动 检 测, 并 在 车 辆 与 危 险 目 标 可 能 发 生 碰 撞 的 情 况 下, 进 行 声 光 报 警 ( 以 提 示 驾 驶 人 员 注 意 危 险 目 标 所 在 方 位 及 其 危 险 程 度 ) 或 激 活 相 应 的 防 撞 应 急 措 施 ( 如 启 动 自 动 刹 车 系 统 或 提 前 触 发 安 全 气 囊 ), 其 应 用 目 标 是 努 力 提 高 道 路 交 通 运 输 网 络 的 安 全 运 行 能 力, 避 免 侧 挂 或 连 环 追 尾 等 恶 性 交 通 事 故 的 发 生, 并 显 著 减 少 人 员 伤 亡 以 及 财 产 损 失 相 比 那 些 仅 基 于 一 系 列 车 载 传 感 装 置 ( 如 超 声 波 雷 达 激 光 机 器 视 觉 红 外 等 ) 的 安 全 辅 助 系 统 而 言, 基 于 车 车 / 车 路 通 信 技 术 的 交 通 安 全 类 应 用 主 要 是 通 过 GPS 获 取 自 身 的 位 置 速 度 和 加 速 度 等 运 动 信 息, 无 须 进 行 复 杂 的 信 号 处 理 或 图 像 处 理 ; 借 助 中 间 车 辆 的 信 息 转 发, 后 者 在 应 对 非 视 距 范 围 内 的 交 通 事 故 预 警 方 面 还 具 有 不 可 比 拟 的 优 势 然 而, 为 了 解 决 传 统 GPS 的 定 位 精 度 问 题 以 及 在 困 难 地 区 由 于 高 大 建 筑 物 桥 梁 隧 道 树 木 等 的 遮 挡 或 多 径 效 应, 导 致 GPS 信 号 质 量 下 降, 定 位 精 度 的 降 低 无 法 满 足 协 同 安 全 驾 驶 服 务 的 应 用 需 求 [21] 因 此, 采 用 差 分 GPS(DGPS) 提 高 定 位 精 度 [22], 并 结 合 陀 螺 仪 等 惯 性 导 航 系 统 (INS) 实 现 航 位 推 算 也 是 目 前 广 泛 研 究 的 发 展 方 向 面 向 行 车 安 全 方 面 的 应 用 具 有 最 高 的 优 先 级, 它 对 紧 急 告 警 消 息 的 快 速 可 靠 分 发 有 着 非 常 严 格 的 要 [23] 求, 目 前 多 以 广 播 方 式 加 以 保 证, 同 时 也 需 要 解 决 [24] 广 播 风 暴 问 题 此 外, 这 类 应 用 还 要 求 具 有 较 高 的 市 场 普 及 率 才 能 够 得 以 最 终 实 现, 例 如 基 于 车 车 通 信 技 术 的 协 同 防 撞 告 警 (CCW) 服 务 要 求 所 有 车 辆 都 必 须 装 备 VANE T 无 线 通 信 设 施 ( 即 接 近 100% 的 市 场 普 [25] 及 率 ), 如 图 4 所 示 5.2. 交 通 运 输 管 理 方 面 的 应 用 面 向 行 车 效 率 方 面 的 应 用 主 要 是 基 于 浮 动 车 的 移 动 采 集 功 能, 从 而 实 现 对 道 路 交 通 流 信 息 的 动 态 实 时 监 测 一 方 面 可 以 通 过 车 路 通 信 系 统 传 送 到 交 通 指 挥 控 制 中 心, 并 由 交 通 控 制 中 心 进 行 集 中 处 理, 以 获 得 整 个 城 市 道 路 网 的 交 通 流 分 布, 从 而 实 现 在 大 区 域 范 围 内 的 实 时 交 通 调 度 ; 另 一 方 面 也 可 以 通 过 车 车 通 信 系 统 直 接 在 车 辆 网 络 内 部 发 布, 并 由 各 个 车 辆 0% 0% penetration rate infrastructure 10 Figure 4. Necessary vehicle and infrastructure penetration rates for different kinds of applications 图 4. 车 辆 自 组 织 网 络 的 典 型 应 用 及 其 所 需 的 市 场 普 及 率 节 点 分 布 式 处 理, 以 获 得 局 部 道 路 的 实 时 交 通 信 息, 从 而 能 够 无 时 延 地 在 小 范 围 内 进 行 区 域 交 通 调 度 通 过 在 车 辆 节 点 路 旁 设 施 以 及 交 通 控 制 中 心 三 者 之 间 共 享 实 时 的 道 路 交 通 信 息, 从 而 提 高 交 通 信 息 资 源 的 利 用 效 率, 改 善 道 路 交 通 运 输 网 络 的 拥 堵 状 况, 并 有 效 缩 短 行 车 时 间 面 向 行 车 效 率 的 应 用 虽 然 对 实 时 性 没 有 特 别 要 求, 但 是 过 高 的 时 延 以 及 丢 包 率 也 同 样 会 使 消 息 质 量 大 打 折 扣 [15] 由 于 信 源 / 信 宿 节 点 通 常 为 某 一 区 域 范 围 内 的 任 意 车 辆, 因 此, 上 述 两 类 典 型 应 用 多 采 用 方 式 [11] 5.3. 在 途 增 值 服 务 方 面 的 应 用 在 途 增 值 服 务 方 面 的 应 用 则 主 要 是 通 过 车 路 通 信 系 统 以 及 车 载 智 能 终 端, 为 驾 乘 人 员 提 供 形 式 多 样 内 容 丰 富 的 移 动 通 信 移 动 办 公 以 及 影 音 娱 乐 等 增 值 业 务, 从 而 提 升 智 能 交 通 系 统 的 应 用 价 值 此 类 应 用 具 有 最 低 的 优 先 级, 并 且 会 在 短 时 间 内 占 用 大 量 的 网 络 带 宽 资 源 ; 同 时, 为 了 保 持 与 传 统 互 联 网 业 务 的 兼 容 性, 通 常 采 用 IP 方 式 小 结 随 着 无 线 通 信 网 络 技 术 的 进 步 与 普 及, 行 车 安 全 问 题 越 来 越 受 到 重 视,IEEE 针 对 VANET 也 定 义 了 约 40 种 相 关 应 用, 除 了 学 术 界 的 前 瞻 技 术 探 讨 外, 美 国 欧 洲 和 日 本 等 交 通 发 达 国 家 的 产 业 界 也 在 积 极 发 展 各 种 类 型 的 应 用 研 究, 显 示 出 国 际 上 对 VANET 相 关 应 用 与 研 究 发 展 的 高 度 重 视 然 而, 目 前 大 部 分 应 用 尚 处 于 理 论 研 究 及 实 验 评 估 阶 段, 加 之 28

8 大 规 模 部 署 该 系 统 还 涉 及 到 投 资 和 法 律 等 方 面 的 问 题, 因 此, 如 何 将 理 论 成 果 转 化 为 实 际 应 用 便 成 为 现 阶 段 的 主 要 任 务 之 一 6. 车 辆 自 组 织 网 络 相 关 研 究 机 构 与 项 目 6.1. 相 关 研 究 机 构 及 主 要 技 术 标 准 VANET 研 究 人 员 多 来 自 图 论 统 计 物 理 学 计 算 机 网 络 及 交 通 工 程 等 不 同 领 域, 其 研 究 成 果 主 要 发 表 于 IEEE/ACM 等 相 关 学 术 期 刊 和 会 议 特 别 值 得 一 提 的 是,ACM 自 2004 年 起 每 年 都 会 专 门 举 办 一 届 VANET 国 际 研 讨 会, 借 以 展 示 和 讨 论 车 辆 组 网 互 联 技 术 的 最 新 研 究 进 展 除 美 国 车 辆 安 全 通 信 协 会 (VSCC) 欧 洲 车 车 通 信 协 会 (C2C-CC) 以 及 日 本 Internet ITS 协 会 等 产 业 研 究 机 构 外, 美 国 加 州 大 学 伯 [21,22] 克 利 分 校 和 洛 杉 矶 分 校 [20,32,33] 卡 耐 基 梅 隆 大 学 [24,35] 老 道 明 大 学 [36,40,41] 乔 治 华 盛 顿 大 学 [8] 乔 治 梅 森 大 学 [27] 罗 格 斯 大 学 [28] 马 里 兰 大 学 [31] 德 [11,13, 1 国 曼 海 姆 大 学 8] 卡 尔 斯 鲁 厄 大 学 [7,18,19] 汉 诺 威 [12] [6,42] 大 学 以 及 瑞 士 联 邦 理 工 学 院 等 著 名 学 府 也 开 始 了 车 辆 自 组 网 方 面 的 研 究 工 作, 纷 纷 成 立 了 VANET 研 究 小 组 并 启 动 或 参 与 了 相 关 研 究 计 划 国 际 标 准 化 组 织 (ISO) 智 能 运 输 系 统 技 术 委 员 会 (TC204) 第 16 工 作 组 (WG16), 即 广 域 通 信 协 议 及 接 口 工 作 组, 提 出 了 一 系 列 被 称 为 中 长 程 通 信 系 统 空 中 接 口 (CALM) 的 草 案 标 准, 并 规 定 了 有 线 和 无 线 通 信 系 统 的 通 用 框 架 网 络 协 议 和 接 口 定 义, 采 用 的 接 入 技 术 主 要 包 括 : 蜂 窝 通 信 卫 星 通 信 红 外 通 信 5 GHz 微 波 和 60 GHz 毫 米 波 通 信 以 及 移 动 无 线 宽 带 等, 能 够 实 现 车 辆 与 车 辆 车 辆 与 路 旁 设 施 车 辆 与 行 人 以 及 车 辆 与 Internet 间 的 直 接 或 多 跳 通 信 ( 如 单 播 多 播 和 广 播 ), 并 承 载 所 有 类 型 的 应 用 ( 如 ITS 安 全 类 非 安 全 类 应 用 以 及 传 统 互 联 网 应 用 等 ), 其 网 络 层 设 计 为 支 持 IP( 如 IPv6) 以 及 非 IP( 如 FAST) 类 型 的 通 信 [17], 其 概 念 验 证 示 范 模 型 如 图 5 所 示 美 国 材 料 试 验 协 会 (ASTM) 电 气 和 电 子 工 程 师 协 会 (IEEE) 以 及 汽 车 工 程 师 协 会 (SAE) 共 同 采 纳 的 DSRC/WAVE 标 准 其 中,ASTM 车 路 通 信 小 组 委 员 会 (E17.51) 负 责 开 发 5.9 GHz DSRC 标 准, 并 于 2003 年 发 布 其 物 理 层 与 媒 介 访 问 控 制 (MAC) 层 规 范 (E [43] ), 它 也 是 IEEE WLAN 工 作 组 项 目 p 的 基 础 相 应 的 高 层 协 议 规 范 则 由 IEEE DSRC 工 作 组 负 责, 主 要 包 括 四 个 标 准 [44] :1WAVE 资 源 管 理 (P1609.1);2WAVE 应 用 和 管 理 信 息 安 全 服 务 (P1609.2);3WAVE 网 络 服 务 (P1609.3);4WAVE 多 信 道 操 作 (P1609.4) SAE 则 主 要 负 责 开 发 消 息 集 (J2735) 数 据 字 典 及 应 用 框 架 等 标 准 Satellite DMB GPS CALM Support of ITS and Internet Services based on continuous communication over , GSM, UMTS, IR, IPv6, etc. V2V and V2I communication when no routing is needed Portable Internet Cellular Terrestrial DMB Portable Internet Cellular CVIS V2V and V2I communication, based on geo-aware multi-hop routing Car2Car Communication RSU RSU-to-RSU RSU 5GHz WLAN SAFESPOT Vehicle-to-Vehicle (WLAN or 60GHz) Hot-Spot (Wireless LAN) RSU IR DSRC Portable-to-Vehicle RSU 5.8GHz DSRC V2V and V2I communication for safety and traffic efficiency applications using car2car and CALM technologies Figure 5. Proof of concept demonstration for CALM technology 图 5. 中 长 程 通 信 系 统 空 中 接 口 (CALM) 概 念 验 证 示 范 模 型 29

9 6.2. 相 关 研 究 计 划 或 研 究 项 目 欧 盟 委 员 会 特 别 资 助 的 针 对 esafety 通 信 [45] (COMeSafety, ~ ) 项 目 旨 在 使 车 车 / 车 路 通 信 技 术 标 准 化, 并 在 此 基 础 之 上 延 伸 出 多 个 研 究 计 划, 其 网 络 关 系 示 意 图 如 图 6 所 示 CARLINK 项 目 [46] (2006.7~2008.6) 试 图 通 过 整 合 多 种 无 线 组 网 技 术 ( 例 如 WLAN WiMAX 蜂 窝 移 动 通 信 网 以 及 广 域 传 输 网 等 ), 建 立 一 种 具 有 混 合 体 系 架 构 的 智 能 无 线 交 通 服 务 平 台, 从 而 实 现 在 道 路 网 内 部 实 时 发 布 区 域 天 气 预 报 城 市 交 通 拥 堵 状 况 以 及 交 通 运 输 调 度 管 理 等 面 向 道 路 安 全 的 智 能 协 同 系 统 (COOPERS, ~ ) [47] 侧 重 于 道 路 基 础 设 施 与 机 动 车 辆 之 间 的 实 [48] 时 交 通 信 息 通 信 SAFESPOT 综 合 研 究 项 目 (2006.1~ ) 侧 重 于 动 态 车 辆 网 络 的 V2V 通 信, 同 时 融 入 车 辆 与 道 路 基 础 设 施 之 间 的 V2I 通 信, 形 成 所 谓 的 安 全 间 距 辅 助 概 念, 即 通 过 检 测 道 路 前 方 潜 在 的 危 险, 从 而 扩 展 了 驾 驶 人 员 在 时 间 和 空 间 上 对 其 所 处 环 境 的 认 知 作 为 泛 欧 国 家 主 要 的 研 究 与 发 展 计 划 之 一, 车 路 协 同 系 统 (CVIS, ~2010.1) [49] 则 更 多 地 侧 重 V2V 和 V2I 通 信 核 心 技 术 的 设 计 研 发 与 测 [50] 试 安 全 车 辆 通 信 (SEVECOM, ~ ) 项 目 主 要 关 注 未 来 车 辆 网 络 通 信 安 全 需 求 的 界 定 与 实 现, 例 如 车 辆 间 通 信 及 其 与 道 路 基 础 设 施 间 通 信 的 安 全 性 和 隐 密 性 借 助 人 车 之 间 的 协 同 通 信 与 传 感 技 术 提 升 道 路 交 通 安 全 的 WATCH-OVER (2006.1~ ) [51] 主 要 研 究 车 载 平 台 与 可 穿 戴 用 户 模 块 之 间 的 协 同 合 作, 所 采 用 的 技 术 主 要 是 基 于 短 距 离 无 线 通 信 技 术 ( 如 ZigBee 射 频 识 别 RFID 超 宽 带 UWB) 以 及 视 觉 传 感 技 术 ( 如 红 外 2/3D 视 觉 传 感 器 微 波 雷 达 激 光 雷 达 等 ) 欧 洲 其 它 的 研 究 项 目, 例 如 CarTALK-2000 (2001.8~2004.7) [52,53] 远 程 通 信 及 信 息 处 理 系 统 (GST, ~2007.3) 以 及 欧 洲 最 大 的 道 路 安 全 倡 议 PReVENT 的 子 项 目 WILLWARN (2004.2~ ) 等, 虽 然 已 经 结 束, 但 是 他 们 的 研 究 成 果 却 是 值 得 上 述 这 些 后 续 研 究 项 目 借 鉴 的 另 外, 值 得 一 提 的 欧 洲 部 分 国 家 项 目 还 包 括 : 由 德 国 教 育 与 研 究 部 部 分 资 助 的 项 目 FleetNet (2000.9~ ) [54] 及 其 后 续 项 目 NoW (2004.5~2008.5) [55] 旨 在 充 分 利 用 无 线 移 动 自 组 织 网 络 通 信 技 术 开 发 车 辆 间 协 同 通 信 平 台, 从 而 提 高 驾 乘 人 员 的 行 车 安 全 与 舒 适 度 ; 英 国 运 输 部 已 经 启 Figure 6. Relationship between COMeSafety and other research institutions/projects 图 6. 中 长 程 通 信 系 统 空 中 接 口 (CALM) 概 念 验 证 示 范 模 型 动 的 车 路 全 作 系 统 (CVHS), 其 目 标 是 通 过 车 辆 基 础 设 施 与 通 信 的 协 调 获 得 更 为 安 全 可 靠 的 运 输 ; 以 及 瑞 典 的 智 能 车 辆 安 全 系 统 (IVSS) 等 美 国 方 面 主 要 是 由 交 通 部 (USDOT) 和 ITS America 等 联 合 倡 导 实 施 的 车 辆 与 道 路 基 础 设 施 一 [56,57] 体 化 (VII, ~ ) 应 用, 通 过 在 各 州 范 围 内 采 用 统 一 的 实 施 模 式, 并 运 用 浮 动 探 测 车 实 时 获 取 交 通 数 据 信 息, 提 供 动 态 路 径 规 划 与 诱 导 支 持, 从 而 显 著 提 高 道 路 交 通 安 全 及 行 车 效 率 该 计 划 是 一 个 多 系 统 集 成 多 学 科 交 叉 的 综 合 性 实 验 项 目, 主 要 包 括 : 由 USDOT 赞 助 的 智 能 车 辆 先 导 (IVI,1998~2004) 计 划 [58] 车 辆 安 全 通 信 (VSC) 计 划 ( 第 一 阶 段 :2002.5~ ; 第 二 阶 段 :2006~2009) [59] 增 强 型 数 字 地 图 (EDMap, ~2004.3) 计 划 等 美 国 通 信 委 员 会 (FCC) 还 专 门 为 ITS 通 信 分 配 了 5.9 GHz DSRC 频 段, 其 最 终 目 标 就 是 通 过 一 系 列 车 载 传 感 装 置 以 及 V2V/V2I 通 信 为 主 要 的 信 息 获 取 手 段, 并 为 驾 乘 人 员 提 供 安 全 辅 助 控 制 及 全 自 动 控 制 支 持 与 此 相 关 的 研 究 项 目 还 包 括 : 交 叉 路 口 协 同 避 撞 系 统 (CICAS, ~ ) [60] 以 及 综 合 车 载 安 全 系 统 (IVBSS, ~ ) [61] 等 根 据 日 本 对 智 能 道 路 交 通 的 规 划, 日 本 政 府 企 业 以 及 研 究 机 构 正 在 积 极 推 动 日 本 ITS 进 入 一 个 新 的 发 展 阶 段, 即 遵 循 ITS 的 系 统 集 成 理 念, 融 合 现 有 系 统, 例 如 车 辆 信 息 与 通 信 系 统 (VICS, ~ 至 今 ) 电 子 收 费 系 统 (ETC, ~ 至 今 ) 先 进 辅 助 巡 航 道 路 系 统 (ACAHS, ~ 至 今 ) 以 及 先 进 安 全 车 辆 系 统 (ASV, 1991 年 开 始, 第 一 二 三 阶 段 分 别 于 年 结 束 ; 目 前 正 在 进 行 的 是 第 四 阶 段 ), 30

10 从 而 实 现 集 ITS 于 一 体 的 智 能 道 路 交 通 基 础 设 施, 即 Smartway 小 结 以 上 简 要 介 绍 了 欧 洲 美 国 和 日 本 在 VANET 领 域 的 研 究 应 用 及 其 发 展 趋 势, 不 难 看 出 : 尽 管 各 国 对 其 称 谓 不 一, 内 容 也 不 尽 相 同, 但 都 是 以 道 路 和 车 辆 为 基 础 以 信 息 处 理 与 通 信 技 术 为 核 心 以 出 行 安 全 和 行 车 效 率 为 目 的, 并 将 道 路 交 通 基 础 设 施 的 智 能 化 及 其 与 车 载 终 端 一 体 化 系 统 的 协 调 合 作 作 为 研 发 方 向 和 突 破 重 点 国 内 对 此 方 面 的 研 究 尚 处 于 跟 踪 和 调 研 阶 段 [62-64], 据 笔 者 所 知, 国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 (863 计 划 ) 现 代 交 通 技 术 领 域 围 绕 提 高 我 国 道 路 交 通 安 全 保 障 水 平 的 重 大 需 求, 启 动 了 为 期 3 年 的 智 能 车 路 协 同 关 键 技 术 研 究 (2011.1~ ) 主 题 项 目, 旨 在 建 立 智 能 车 路 协 同 技 术 体 系 框 架, 攻 克 智 能 车 载 系 统 智 能 路 侧 系 统 车 车 / 车 路 协 同 信 息 交 互 与 控 制 车 路 协 同 系 统 集 成 和 仿 真 测 试 等 关 键 技 术, 研 制 支 持 典 型 应 用 的 系 统 装 备, 从 而 形 成 我 国 道 路 交 通 主 动 安 全 保 障 的 核 心 技 术 体 系 7. 车 辆 自 组 织 网 络 的 关 键 技 术 车 辆 自 组 织 网 络 作 为 现 代 交 通 与 信 息 领 域 新 兴 的 研 究 热 点, 涉 及 多 个 学 科 交 叉 与 融 合, 有 着 非 常 多 的 关 键 技 术 亟 待 研 究 与 解 决, 本 节 仅 列 出 部 分 关 键 技 术 7.1. 无 线 接 入 技 术 未 来 的 ITS 旨 在 充 分 利 用 先 进 的 短 距 离 无 线 通 信 技 术, 加 快 道 路 交 通 安 全 系 统 的 研 发 与 集 成 应 用, 在 为 道 路 交 通 提 供 全 面 的 安 全 解 决 方 案 的 同 时, 除 自 主 式 智 能 车 载 信 息 终 端 装 置 外, 还 必 须 考 虑 车 路 协 调 合 作 方 式, 即 通 过 车 -X 通 信 技 术 实 时 获 取 当 前 道 路 环 境 状 况 信 息, 从 而 更 有 效 地 评 估 潜 在 危 险, 其 研 究 与 发 展 将 直 接 受 益 于 以 DSRC WLAN WiMAX 红 外 蓝 牙 以 及 2/3G 等 为 代 表 的 无 线 移 动 接 入 技 术 的 发 展 与 更 新 从 网 络 层 次 上 讲, 无 线 接 入 技 术 一 般 对 应 于 开 放 系 统 互 连 / 参 考 模 型 (OSI/RM) 的 物 理 层 和 数 据 链 路 层 (2/3G 和 蓝 牙 技 术 除 外, 它 们 将 包 含 整 个 通 信 协 议 栈 ) 本 小 节 仅 对 DSRC 作 简 要 的 介 绍 ( 重 点 关 注 其 物 理 层 参 数 ), 并 与 其 它 短 距 离 通 信 技 术 的 主 要 性 能 指 标 进 行 分 析 和 比 较 专 用 短 距 离 通 信 (DSRC) DSRC( 业 界 也 称 之 为 IEEE p 或 WAVE) 是 专 门 为 车 载 环 境 设 计 开 发 的 中 / 短 程 射 频 通 信 技 术, 能 够 为 车 辆 与 车 辆 车 辆 与 路 旁 基 础 设 施 之 间 提 供 高 速 实 时 准 确 可 靠 的 单 / 双 向 语 音 图 像 及 数 据 通 信 服 务, 支 持 车 辆 公 共 安 全 交 通 运 输 管 理 在 途 信 息 发 布 商 用 货 运 管 理 以 及 不 停 车 收 费 服 务 等 应 用 [65], 从 而 能 够 显 著 提 高 道 路 交 通 的 安 全 运 行 效 率 它 包 括 一 系 列 协 议 和 标 准, 其 工 作 原 理 非 常 类 似 于 RFID 技 术 目 前, 国 际 上 已 基 本 形 成 以 欧 洲 CEN/TC278 美 国 ASTM/IEEE 和 日 本 ARIB/TC204 为 核 心 的 DSRC/ WAVE 标 准 化 体 系, 它 们 之 间 彼 此 互 不 兼 容 并 且 各 自 有 着 不 同 的 应 用 地 区 范 围, 但 是 从 微 波 频 谱 的 角 度 来 看, 面 向 ITS 应 用 的 DSRC 技 术 基 本 上 都 选 择 了 5.8~ 5.9 GHz 射 频 频 段, 主 要 是 因 为 该 频 段 的 微 波 信 号 具 有 良 好 的 频 谱 特 征 及 传 播 特 性, 例 如 能 够 提 供 高 速 率 的 数 据 传 输 (6~27 Mbps), 通 信 距 离 可 达 1000 m, 并 且 受 天 气 影 响 小 等, 因 此 特 别 适 用 于 车 载 环 境 此 外, 为 了 避 免 其 它 非 安 全 相 关 类 应 用 对 高 优 先 级 的 行 车 安 全 相 关 类 应 用 带 来 不 必 要 的 时 延 与 干 扰, 该 频 段 虽 为 免 费 使 用 频 段, 但 在 使 用 之 前 必 须 事 先 申 请 许 可 证 [66], 这 一 点 也 完 全 不 同 于 900 MHz 2.4 GHz 和 5.0 GHz ISM 频 段 的 使 用 早 期 也 曾 采 用 过 915 MHz 频 段, 它 们 之 间 的 主 要 差 异 如 表 2 所 示 Table MHz vs GHz system performance comparison 表 MHz 与 5.9 GHz 系 统 性 能 比 较 射 频 频 段 915 MHz 5.9 GHz 频 谱 带 宽 12 MHz 75 MHz 数 据 速 率 500 kbps 6~27 Mbps 通 信 距 离 <30 m <1 km( 标 称 300 m [67] ) 信 号 上 行 链 路 <4 mw <2 W 功 率 下 行 链 路 <10 W <2 W 信 道 数 目 1( 使 用 无 需 申 请 执 照 ) 7( 使 用 前 需 申 请 执 照 ) 主 要 应 用 不 停 车 收 费 车 辆 安 全 通 信 互 联 网 接 入 系 统 需 求 专 门 定 制 芯 片 及 软 件 基 于 IEEE a [68] 通 信 类 型 车 路 通 信 车 路 / 车 车 通 信 通 信 模 式 请 求 响 应 方 式 请 求 响 应 / 点 对 点 方 式 干 扰 来 源 900 MHz 移 动 通 信 扩 频 电 台 雷 达 等 某 些 雷 达 或 卫 星 通 信 的 上 行 链 路 31

11 美 国 联 邦 通 信 委 员 会 (FCC) 于 2003 年 7 月 专 门 为 DSRC 分 配 了 75 MHz 的 频 谱 带 宽, 位 于 5.850~5.925 GHz 之 间 为 了 满 足 不 同 类 型 的 应 用 需 求, 该 频 段 被 划 分 为 八 个 不 同 的 信 道 [67] : 一 个 10 MHz 带 宽 的 控 制 信 道 (5.885~5.895 GHz, CH178) 六 个 10 MHz 带 宽 的 服 务 信 道 ( 其 中,CH172 属 于 车 车 通 信 服 务 信 道, 车 路 通 信 服 务 信 道 包 括 CH174/176/180/182, 交 叉 路 口 协 同 通 信 服 务 信 道 则 为 CH184) 以 及 一 个 5 MHz 带 宽 的 预 留 信 道 ( 参 见 图 7 所 示 ) 控 制 信 道 主 要 用 于 行 车 安 全 相 关 的 广 播 信 标 以 及 服 务 通 告 的 发 布, 其 它 非 安 全 相 关 的 交 通 信 息 则 在 服 务 信 道 中 处 理 并 加 以 传 输 在 DSRC 系 统 中, 车 车 通 信 带 宽 选 择 为 10 MHz( 而 不 采 用 WLAN 系 统 中 的 20 MHz 带 宽 ), 其 主 要 原 因 是 为 了 减 低 由 于 多 径 传 播 所 引 起 的 正 交 频 分 复 用 (OFDM) 符 号 间 的 干 扰 现 象 [66] 不 同 于 美 国 的 DSRC 规 范, 欧 洲 电 信 标 准 协 会 (ETSI) 提 出 将 5.855~5.925 GHz 之 间 共 70 MHz 的 频 段 分 配 给 欧 洲 DSRC 系 统, 其 中,10 MHz 带 宽 的 控 制 信 道 中 心 频 率 位 于 GHz(CH180) 此 外, 针 对 道 路 安 全 以 及 交 通 管 理 等 方 面 的 应 用 指 定 5.875~5.905 GHz(3 10 MHz, 主 要 用 于 车 路 间 通 信 ), 针 对 高 优 先 级 行 车 安 全 相 关 的 应 用 则 指 定 5.905~5.925 GHz (2 10 MHz, 主 要 用 于 车 辆 间 通 信 ), 并 规 定 5.855~5.875 GHz 共 20 MHz 的 可 用 带 宽 主 要 针 对 非 安 全 相 关 的 交 通 应 用 [17] 日 本 则 倾 向 于 在 5.8 GHz 频 段 (5.770~5.850 GHz) 分 配 80 M Hz 带 宽 用 于 其 DSRC 通 信 虽 然 我 国 ISO/ TC 204 技 术 委 员 会 向 交 通 部 无 线 电 管 理 委 员 会 也 提 出 将 5.8 GH z 频 段 分 配 给 智 能 交 通 运 输 系 统 的 短 程 通 Figure G Hz DSRC spectrum planning and power level 图 GHz DSRC 频 谱 规 划 及 其 功 率 级 分 配 信, 但 就 目 前 的 具 体 应 用 而 言, 主 要 实 现 的 是 ETC 收 费 服 务 小 结 表 3 为 DSRC 同 其 它 几 种 常 用 的 短 距 离 无 线 接 入 技 术 在 传 输 速 率 频 谱 特 征 以 及 通 信 模 式 等 方 面 的 比 较, 可 以 看 出 每 一 种 无 线 电 系 统 都 有 它 们 各 自 的 技 术 性 能 和 应 用 领 域 数 据 通 信 网 络 ( 如 WLAN) 能 够 提 供 无 障 碍 的 Internet 接 入, 因 而 具 有 高 速 率 和 高 可 靠 性, 但 不 支 持 对 实 时 性 要 求 高 的 应 用 ; 电 信 网 络 ( 如 GSM/CDMA) 主 要 面 向 的 是 话 音 业 务, 因 此 能 够 提 供 低 时 延 的 实 时 支 持, 但 可 靠 性 较 差 ; 专 用 通 信 系 统 ( 如 DSRC) 是 应 用 相 关 的 网 络, 只 有 贴 近 应 用, 才 能 够 做 出 高 效 的 目 标 系 统 ; 然 而 无 线 电 广 播 很 难 提 供 高 可 靠 低 时 延 的 实 时 通 信 服 务, 其 可 靠 性 通 常 由 中 继 转 发 加 以 保 证 7.2. 信 道 共 享 技 术 在 车 辆 自 组 织 网 络 中,MAC 协 议 决 定 着 无 线 信 道 的 共 享 方 式, 并 在 VANET 节 点 之 间 分 配 有 限 的 无 线 频 谱 资 源, 从 而 构 建 网 络 系 统 的 底 层 通 信 基 础 结 构 从 网 络 层 次 上 讲,MAC 协 议 处 于 VANET 物 理 层 之 上, 其 设 计 好 坏 直 接 影 响 到 网 络 吞 吐 量 端 对 端 时 延 等 网 络 性 能 指 标 的 优 劣, 对 VANET 数 据 分 发 性 能 也 起 着 至 关 重 要 的 作 用, 是 保 证 车 辆 网 络 用 户 高 效 通 信 的 关 键 技 术 之 一 MA C 协 议 除 了 需 要 解 决 无 线 自 组 网 中 共 有 的 隐 藏 和 暴 露 终 端 以 及 如 何 使 用 分 布 式 控 制 机 制 实 现 无 线 信 道 资 源 的 公 平 接 入, 从 而 保 证 网 络 中 各 种 业 务 的 服 务 质 量 等 普 遍 性 问 题 外 [69,70],VANET 特 定 的 应 用 环 境 和 业 务 需 求 使 得 研 究 人 员 在 设 计 与 开 发 车 辆 专 用 的 MAC 协 议 时, 还 必 须 着 重 考 虑 以 下 几 方 面 的 因 素 [71] : 1) 可 扩 展 性, 以 适 应 车 辆 网 络 高 度 动 态 频 繁 变 化 的 拓 扑 结 构 ; 2) 实 时 性, 在 规 定 的 时 延 要 求 ( 如 100 ms [60] ) 内 快 速 分 发 交 通 安 全 事 件 信 息 ; 3) 可 靠 性, 减 少 发 送 数 据 冲 突 的 同 时, 还 要 提 高 分 组 在 多 径 衰 落 时 变 信 道 中 的 正 确 接 收 [72-74] ; 4) 突 发 性, 以 支 持 广 播 消 息 优 先 机 制, 应 对 可 能 出 现 的 交 通 突 发 事 件 [75] 此 外, 车 辆 节 点 一 般 都 有 车 载 电 源 和 GPS 等 设 备, 因 此 在 设 计 和 开 发 车 辆 专 用 MAC 协 议 时, 节 约 32

12 Table 3. Performance comparison between DSRC and other short range wireless communication technologies 表 3. DSRC 及 其 它 短 距 离 无 线 通 信 技 术 的 性 能 比 较 DSRC-ETC DSRC-IVC WLAN IR WiMAX GSM/GPRS UMTS 技 术 标 准 IEEE p IEEE a/b/g ISO IEEE GSM 3GPP 天 线 类 型 车 顶 天 线 车 顶 天 线 车 顶 天 线 定 向 天 线 智 能 天 线 (MIMO) 车 顶 天 线 车 顶 天 线 频 谱 范 围 (MHz) 5795~5815 ( 早 期 :902~928) 欧 洲 :5855~5925 美 国 :5850~5925 日 本 :5770~ a:5 GHz(UNII) 11b/g:2.4 GHz(ISM) 800~1000 nm 2~66 GHz, 可 由 用 户 自 行 选 择 欧 洲 :900/1800 美 国 :850/1900 欧 洲 :900/2100 美 国 : 850/1700/1900 信 道 带 宽 4 5 MHz 或 2 10 MHz 控 制 信 道 : 1 10 MHz 服 务 信 道 : 6 10 MHz 20 MHz 4 个 独 立 信 道 khz 8 个 时 隙 / 载 频 5 MHz 等 效 全 向 辐 射 功 率 33 dbm 路 旁 节 点 : 44.8 dbm 车 载 节 点 : 33 dbm 17 dbm/mhz z30dbm 取 决 于 使 用 的 频 率 范 围 (MS) 2W(850/900) 1W(1800/1900) 功 率 控 制 数 据 速 率 (kbps) 下 行 :500 上 行 : ~27,000 典 型 速 率 : a/g: 54, b: 11, ~ ,000 (GPRS) 下 行 :60~80 典 型 速 率 :10,000 上 行 : 20~40 车 载 环 境 :384 通 信 距 离 取 决 接 入 点 1~100 3~ (m) 的 覆 盖 范 围 典 型 距 离 : 7 取 决 接 入 点 覆 盖 范 围 最 大 :50 km 取 决 基 站 覆 盖 范 围 最 大 :35 km 取 决 基 站 覆 盖 范 围 最 大 :2 km 连 接 建 立 时 间 (ms) 5~12 采 用 自 组 织 方 式 10 存 在 连 接 时 延 支 持 越 区 切 换 入 网 时 间 : 10 s 入 网 时 间 :2.12 s 支 持 越 区 切 换 支 持 越 区 切 换 系 统 响 应 时 间 (ms) 10 取 决 具 体 实 现 取 决 具 体 实 现 10 取 决 具 体 实 现 500~ ~300 信 道 访 问 机 制 TDMA EDCA(~802.11e) CSMA TDMA OFDMA TDMA CDMA 优 先 级 或 无 优 先 级 4 个 服 务 等 级 有 优 先 级 支 持 CALM~IR 支 持 8 QoS 取 决 于 其 QoS 取 决 于 其 无 QoS 支 持 QoS 支 持 QoS 支 持 无 实 时 支 持 无 QoS/RT 支 持 个 不 同 的 优 先 级 到 AP 的 距 离 到 BS 的 距 离 通 信 模 式 定 向 双 工 非 对 称 广 播, 无 P2P 全 向 双 工 对 称 全 向 双 工 对 称 定 向 双 工 对 称 全 向 双 工 非 对 称 广 播 / 单 播 / 多 播 广 播, 无 P2P 广 播 / 单 播 / 多 播 有 限 广 播, 无 P2P 全 向 双 工 非 对 称 无 广 播, 无 P2P 全 向 双 工 非 对 称 有 限 广 播, 无 P2P 系 统 需 求 路 旁 设 备 GPS( 但 非 强 制 ) 接 入 点 设 备 视 距 定 向 天 线 接 入 点 设 备 基 站 设 备 基 站 设 备 主 要 干 扰 来 源 DSRC-IVC DSRC-ETC WLAN 5GHz DSRC-IVC 可 见 光, 雨, 雪 取 决 于 使 用 的 频 率 范 围 预 留 频 段 预 留 频 段 能 量 和 时 间 同 步 等 问 题 已 不 再 是 其 首 要 考 虑 的 关 键 因 素 [76] 纵 观 当 前 车 用 MAC 协 议 研 究 的 趋 势, 我 们 注 意 到, 近 年 来 该 技 术 的 发 展 实 际 上 是 沿 着 两 条 主 线 进 行 的 [77] : 一 条 是 以 无 线 局 域 网 为 基 础, 在 多 址 技 术 上 主 要 采 用 载 波 侦 听 / 冲 突 避 免 (CSMA/CA) 机 制, 从 而 有 效 地 避 免 载 波 之 间 的 冲 突 ; 另 一 条 则 是 以 分 组 无 线 电 为 基 础, 在 多 址 技 术 上 主 要 采 用 无 竞 争 的 分 布 式 时 隙 预 约 ( 例 如 RR-ALOH A [78] ), 从 而 有 效 地 解 决 了 隐 藏 / 暴 露 终 端 问 题 基 于 自 由 竞 争 的 车 用 MAC 协 议 基 于 竞 争 的 随 机 访 问 MAC 协 议 采 用 按 需 分 配 信 道 的 方 法, 基 本 思 想 是 当 节 点 需 要 发 送 数 据 时, 通 过 竞 争 方 式 占 用 无 线 信 道 如 果 发 送 的 数 据 包 产 生 了 冲 突, 则 按 照 某 种 策 略 重 新 发 送, 直 到 数 据 被 成 功 接 收 或 放 弃 发 送 典 型 的 基 于 自 由 竞 争 的 车 用 MAC 协 议 [79] [80] 包 括 :IEEE MA C DOLPHIN 自 动 依 赖 性 监 督 广 播 协 议 (ADS-B) 等 考 虑 到 IEEE 标 准 已 被 广 泛 应 用 于 VANET 模 拟 实 验 研 究 及 系 统 原 型 设 计, 为 此 在 简 要 介 绍 其 MAC 协 议 后, 说 明 业 界 针 对 车 载 环 境 所 做 的 改 进 IEEE MAC IEEE MAC 标 准 定 义 了 两 类 媒 介 访 问 控 制 机 制 : 点 协 调 功 能 (PCF) 和 分 布 式 协 调 功 能 (DCF), 其 中,DCF 是 PCF 的 基 础, 提 供 分 布 式 竞 争 接 入 服 务, 33

13 PCF 则 提 供 有 基 础 设 施 支 持 的 轮 询 式 无 竞 争 接 入 服 务 DCF 是 基 于 CSMA/CA 多 址 接 入 技 术 的 协 议, 其 载 波 侦 听 机 制 由 物 理 载 波 侦 听 和 虚 拟 载 波 侦 听 共 同 完 成, 其 中 物 理 载 波 侦 听 有 赖 于 所 使 用 的 物 理 层 硬 件, 通 过 节 点 接 收 到 的 信 号 电 平 来 确 定 信 道 的 占 用 情 况, 该 方 法 不 能 够 有 效 地 解 决 隐 藏 终 端 问 题 [72] ; 虚 拟 载 波 侦 听 则 是 对 接 收 到 的 MAC 帧 信 息 进 行 解 析 的 基 础 上, 判 断 无 线 信 道 将 被 占 用 的 时 间, 从 而 确 定 自 身 发 送 需 要 延 迟 多 长 的 时 间 因 此, 网 络 中 每 个 节 点 都 必 须 维 护 一 个 网 络 分 配 矢 量 (NAV), 它 是 一 个 定 时 器, 其 数 值 大 小 预 示 着 当 前 正 在 进 行 的 通 信 所 需 持 续 的 时 间 当 其 中 任 何 一 个 载 波 侦 听 功 能 指 示 信 道 忙 时 ( 例 如 NAV 不 等 于 零 ), 则 认 为 信 道 忙 ; 否 则, 认 为 信 道 空 闲 MAC 采 用 不 同 的 帧 间 间 距 (IFS), 从 而 实 现 对 不 同 分 组 或 业 务 提 供 接 入 信 道 的 优 先 级 控 制 这 些 帧 间 间 距 按 照 从 短 到 长 的 顺 序 分 别 为 : 短 帧 间 间 距 (SIFS) PCF 帧 间 间 距 (PIFS) DCF 帧 间 间 距 (DIFS) 扩 展 帧 间 间 距 (EIFS), 可 以 看 出 SIFS 具 有 最 高 的 优 先 级 根 据 CSMA/CA 协 议, 每 个 车 辆 节 点 在 尝 试 发 送 数 据 之 前, 首 先 侦 听 信 道 是 否 空 闲 如 果 侦 听 到 信 道 已 经 空 闲 了 DIFS 的 时 间, 则 立 即 发 出 包 含 信 源 节 点 ID 以 及 未 来 整 个 通 信 持 续 时 间 的 请 求 发 送 (RTS) 分 组 所 有 接 收 到 RTS 分 组 的 邻 居 车 辆 则 根 据 解 析 出 的 通 信 持 续 时 间 分 别 设 置 各 自 的 NAV 值 如 果 信 宿 节 点 准 备 就 绪, 在 接 收 到 RTS 分 组 并 等 待 SIFS 的 时 间 后, 则 立 即 发 出 包 含 后 续 通 信 所 需 时 间 的 清 除 发 送 (CTS) 分 组 所 有 接 收 到 CTS 分 组 的 邻 居 节 点 会 根 据 解 析 出 的 通 信 持 续 时 间 再 次 设 置 各 自 的 NAV 值 当 信 源 节 点 接 收 到 CTS 分 组 并 等 待 SIFS 的 时 间 之 后, 开 始 传 输 数 据 分 组 信 宿 节 点 则 在 正 确 接 收 来 自 信 源 节 点 的 DATA 分 组 并 等 待 SIFS 的 时 间 之 后, 再 向 信 源 节 点 发 送 一 个 确 认 应 答 (ACK) 信 号 所 有 接 收 到 ACK 分 组 的 节 点 将 各 自 的 NAV 值 清 零 因 此, 在 单 一 共 享 信 道 中, 通 过 RTS/CTS/DATA/ACK 四 次 握 手 过 程, 从 而 实 现 了 分 布 式 业 务 数 据 的 接 入 过 程 如 果 信 道 忙, 则 执 行 二 进 制 指 数 退 避 (BEB) 算 法, 然 后 重 新 检 测 信 道, 这 样 能 够 避 免 在 各 站 点 之 间 竞 争 信 道 时 可 能 造 成 的 冲 突 节 点 进 入 退 避 状 态 将 启 动 一 个 退 避 计 时 器, 当 计 时 到 达 退 避 时 间 后 结 束 退 避 状 态 在 退 避 状 态 下, 只 有 当 检 测 到 信 道 空 闲 时 才 进 行 计 时 如 果 信 道 忙, 退 避 计 时 器 则 停 止 计 时, 直 到 检 测 到 信 道 空 闲 时 间 大 于 DI FS 后 才 继 续 计 时 当 多 个 节 点 推 迟 且 进 入 随 机 退 避 状 态 时, 则 利 用 随 机 函 数 选 择 具 有 最 小 退 避 时 间 的 节 点 作 为 竞 争 优 胜 者 IEEE p IEEE MAC 的 自 组 织 工 作 模 式 在 构 建 独 立 基 本 服 务 集 (IBSS) 时, 效 率 低 下 ( 其 主 要 表 现 为 耗 时 ) 算 法 复 杂 且 系 统 开 销 大, 不 适 合 车 辆 之 间 的 专 用 通 信 车 车 通 信 要 求 具 有 的 瞬 时 数 据 交 换 能 力, 无 法 通 过 首 先 扫 描 基 本 服 务 集 (BSS) 信 标 信 道, 然 后 再 执 行 一 系 列 握 手 过 程 来 得 以 实 现 为 此,IEEE p 基 于 a, 并 对 MAC 层 作 了 以 下 主 要 改 进 [66] : 1) WAVE 模 式 所 有 支 持 p 的 无 线 设 备 默 认 都 守 候 在 同 一 信 道 ( 例 如 控 制 信 道 ) 内, 并 配 置 基 本 服 务 集 标 识 (BSSID) 域 为 全 1, 以 支 持 车 辆 间 的 安 全 通 信 该 模 式 允 许 VANET 节 点 以 广 播 方 式 收 发 数 据 帧, 不 需 要 事 先 隶 属 于 某 个 BSS 这 样, 当 VANET 节 点 位 于 彼 此 的 通 信 范 围 内 时, 便 可 以 立 即 通 信, 从 而 减 少 了 系 统 的 额 外 开 销 2) WAVE BSS 如 果 VANET 节 点 需 要 获 取 某 项 服 务 ( 如 数 字 地 图 增 量 更 新 服 务 ) 时, 它 首 先 发 送 一 个 服 务 请 求 分 组,WAVE 站 点 则 根 据 接 收 到 的 请 求 分 组 采 用 信 标 帧 发 布 WA VE BSS, 不 同 的 是,WAVE 站 点 不 必 周 期 性 的 重 复 广 播 由 于 其 中 已 经 包 含 了 所 需 的 全 部 信 息, 因 此 接 收 端 一 方 面 可 以 了 解 WAVE BSS 中 提 供 的 服 务 以 决 定 是 否 需 要 获 取 该 项 服 务, 另 一 方 面 也 可 以 根 据 其 提 供 的 信 息 来 配 置 VANET 节 点 ( 例 如 服 务 所 在 信 道 等 ) 以 完 成 服 务 的 连 接 过 程 相 关 服 务 的 安 全 认 证 则 由 位 于 MAC 之 上 的 高 层 机 制 来 保 证, 这 进 一 步 减 少 了 系 统 的 通 信 开 销 3) BSSID 扩 展 用 法 考 虑 到 行 车 安 全 是 VANET 首 要 解 决 的 关 键 应 用, 为 此, 当 节 点 配 置 为 特 定 BSSID, 即 隶 属 于 某 个 WAVE BSS 时, 其 仍 然 支 持 全 为 1 的 通 配 型 BSSID ; 换 言 之,WAVE 模 式 与 WAVE BSS 可 以 共 存, 因 此, 在 进 行 数 字 地 图 增 量 更 新 的 同 时,VANE T 节 点 仍 可 对 外 发 送 广 播 信 标 这 一 点 完 全 不 同 于 传 统 的 MA C 机 制, 即 当 节 点 处 于 某 个 特 定 的 BSS 时, 它 便 会 自 动 过 滤 掉 来 自 其 它 BSS 成 员 节 点 的 分 组 包 34

14 4) 分 布 式 系 统 服 务 在 IEEE 标 准 中 定 义 的 分 布 式 系 统 为 通 过 AP 在 相 同 扩 展 服 务 集 (ESS) 内 不 同 BSS 之 间 的 相 互 连 通, 即 移 动 站 点 必 须 位 于 同 一 个 网 段 内 这 显 然 不 能 满 足 车 载 计 算 机 在 城 市 或 城 间 范 围 内 高 速 运 动 时 仍 需 要 保 持 与 网 络 通 信 的 要 求 为 此,WAVE 模 式 下 的 车 载 通 信 终 端, 不 管 是 否 已 经 隶 属 于 某 个 WAVE BSS, 都 能 够 发 送 / 接 收 含 有 通 配 型 BSSID 的 数 据 帧, 这 时 帧 控 制 字 段 中 的 ToDS 和 FromDS 比 特 位 必 须 设 置 为 00; 若 为 某 个 已 知 的 BSSID, 则 可 以 用 来 访 问 分 布 式 系 统 服 务 基 于 时 分 多 址 的 车 用 MAC 协 议 时 分 多 址 (TDMA) 是 实 现 信 道 分 配 简 单 成 熟 的 机 制, 例 如 蓝 牙 网 络 便 采 用 了 基 于 TDMA 的 MAC 协 议 它 是 在 一 个 宽 带 的 无 线 载 波 上, 将 时 间 分 成 周 期 性 的 帧, 每 一 帧 再 分 割 为 若 干 时 隙 ( 无 论 帧 或 时 隙 都 是 互 不 重 叠 的 ), 每 一 个 时 隙 就 是 一 个 信 道, 从 而 分 配 给 一 个 用 户 使 用 系 统 根 据 一 定 的 时 隙 分 配 原 则, 使 各 个 车 载 通 信 终 端 在 每 帧 内 只 能 够 按 照 指 定 的 时 隙 发 送 或 接 收 数 据 在 满 足 定 时 和 同 步 的 条 件 下, 各 个 节 点 之 间 的 通 信 互 不 干 扰 典 型 的 基 于 TDMA 机 制 的 车 用 MAC 协 议 包 括 :ADHOC-MAC [81,82], 它 非 常 适 合 车 辆 网 络 对 通 信 实 时 性 的 需 求, 但 网 络 扩 展 性 较 差, 并 且 节 点 间 需 要 严 格 的 时 间 同 步 ADHOC-MAC ADHOC-MAC 是 欧 洲 CarTALK-2000( 随 后 又 被 德 国 FleetNet 等 ) 研 究 项 目 采 用 的 MAC 协 议, 其 基 本 实 现 为 可 靠 的 时 隙 预 约 ALOHA(RR-ALOHA) 协 议 [78], 并 根 据 车 辆 网 络 的 特 点 对 时 隙 预 约 ALOHA(R- ALOHA) 协 议 作 了 较 大 改 进, 通 过 全 分 布 式 的 媒 体 接 入 控 制, 即 动 态 时 分 多 址 接 入 机 制, 实 现 在 同 步 自 组 网 中 建 立 无 竞 争 的 可 靠 的 单 跳 广 播 信 道, 通 过 帧 信 息 (FI) 的 交 互 与 更 新, 使 所 有 邻 节 点 都 能 够 准 确 地 掌 握 时 隙 分 配 情 况, 从 而 较 好 地 解 决 了 隐 藏 终 端 和 暴 露 终 端 问 题, 通 过 快 速 预 约 附 加 带 宽 的 方 式 占 用 其 它 空 闲 信 道, 还 能 够 提 供 高 带 宽 利 用 率 的 点 对 点 通 信 以 及 具 有 最 少 转 发 节 点 的 多 跳 广 播 服 务 RR-ALOHA 可 以 在 不 同 的 物 理 层 标 准 下 使 用 ( 即 独 立 于 物 理 层 [76] ), 尤 其 适 合 于 采 用 时 隙 帧 结 构 的 物 理 层, 如 通 用 移 动 通 信 系 统 陆 地 无 线 接 入 时 分 双 工 (UTRA-TDD) UTRA- TDD 最 初 是 为 集 中 式 网 络 体 系 架 构 而 设 计 开 发 的, CarTALK-2000 项 目 解 决 了 许 多 关 键 技 术 性 问 题 ( 如 分 布 式 同 步 技 术 功 率 控 制 机 制 无 线 资 源 管 理 等 ) [83], 从 而 将 其 成 功 地 移 植 到 VANET 中 RR-ALOHA 协 议 的 基 本 思 想 是 [78] : 假 设 一 帧 由 N 个 时 隙 组 成, 并 且 单 跳 内 的 所 有 节 点 共 同 组 成 一 个 全 连 通 的 簇 当 有 节 点 需 要 加 入 时, 先 侦 听 一 帧 的 时 间, 然 后 选 择 一 个 空 闲 时 隙 发 送 一 个 分 组 来 预 约 这 个 时 隙 如 果 邻 居 节 点 正 确 接 收 到 了 该 分 组, 则 在 它 的 FI 中 标 示 出 来 可 以 看 出 FI 是 发 送 节 点 感 知 的 前 一 帧 的 时 隙 状 态 信 息 当 新 加 入 的 节 点 从 一 帧 时 间 内 收 到 的 所 有 FI 中 知 道 邻 节 点 都 已 正 确 接 收 到 分 组 时, 即 认 为 预 约 成 功, 从 而 将 每 帧 中 的 该 时 隙 作 为 其 基 本 信 道 (BCH), 直 到 节 点 离 开 网 络, 在 此 期 间, 其 它 节 点 不 能 够 访 问 该 时 隙 其 中 BCH 主 要 用 于 传 送 FI 其 它 信 令 信 息 以 及 承 载 有 效 载 荷 在 每 一 帧 中, 节 点 都 必 须 在 自 己 的 BCH 中 发 送 FI, 并 根 据 邻 节 点 的 FI 和 自 己 的 信 道 使 用 情 况 及 时 更 新 FI 当 BCH 提 供 的 基 本 带 宽 不 能 够 满 足 业 务 需 求 时, 节 点 可 以 通 过 预 约 附 加 信 道 的 方 式 占 用 其 它 空 闲 信 道, 以 满 足 业 务 的 QoS 要 求 如 果 是 点 对 点 通 信, 节 点 还 可 以 预 约 PTP 信 息 进 行 传 送, 以 实 现 相 邻 一 跳 簇 内 的 时 隙 复 用, 从 而 提 高 了 信 道 的 利 用 率 在 RR-ALOHA 协 议 中,FI 的 发 送 与 更 新 是 其 关 键 技 术 之 一 FI 是 一 个 由 N 个 时 隙 状 态 信 息 组 成 的 向 量, 它 由 节 点 对 前 N 个 时 隙 侦 听 获 得 当 分 组 被 正 确 接 收 或 发 送 时, 相 应 的 时 隙 标 记 为 忙 (BUSY), 否 则 标 记 为 空 闲 (IDLE), 其 中, 在 忙 时 隙 的 FI 中 还 包 含 发 送 节 点 的 ID 等 信 息 在 从 时 隙 (k-n) 到 时 隙 (k-1) 中, 至 少 接 收 到 一 个 FI 将 时 隙 (k-n) 标 记 为 忙, 则 第 k 个 时 隙 被 标 记 为 已 预 约 (RESERVED), 否 则 标 记 为 可 用 (AVAILABLE) 显 然, 一 个 可 用 时 隙 是 可 以 被 访 问 的 当 节 点 j 试 图 接 入 某 个 可 用 时 隙 时, 在 其 接 收 到 的 所 有 FI 中, 节 点 j 用 于 传 送 的 时 隙 均 被 标 记 为 忙, 则 认 为 传 送 成 功, 否 则 传 送 失 败 图 8 中 的 7 个 节 点 分 别 隶 属 于 三 个 单 跳 (OH) 簇 A B C, 位 于 同 一 个 OH 簇 内 的 所 有 节 点 可 以 直 接 通 信, 不 同 簇 内 的 节 点 如 果 不 属 于 所 有 簇 的 公 共 子 集 则 不 能 够 直 接 通 信, 只 有 位 于 公 共 子 集 的 节 点 才 能 够 与 簇 内 的 所 有 节 点 通 信, 并 且 所 有 的 OH 簇 形 成 一 个 两 跳 (TH) 簇 以 节 点 1 为 例, 它 通 过 侦 听 信 道 可 以 知 35

15 Table 4. IEEE vs. ADHOC MAC 表 4. IEEE 与 ADHOC MAC IEEE MAC ADHOC MAC 接 入 机 制 CSMA/CA TDMA 协 议 类 型 异 步 MAC 同 步 MAC 时 间 同 步 没 有 必 要 必 须 适 用 网 络 规 模 中 等 受 时 隙 数 限 制 节 点 运 动 性 中 / 高 速 中 等 QoS 与 实 时 性 * 差 中 等 可 靠 多 播 / 广 播 无 有 Figure 8. FI broadcast schematic 图 8. FI 广 播 示 意 图 道 与 其 最 近 邻 节 点 ( 即 节 点 2 4 5) 的 时 隙 占 用 情 况, 通 过 正 确 接 收 并 解 析 来 自 邻 节 点 的 FI 信 标 ( 即 FI-2 FI-4 FI-5), 还 可 以 掌 握 其 两 跳 范 围 内 其 它 节 点 ( 例 如 节 点 3 6 7) 的 时 隙 占 用 情 况, 从 而 有 效 克 服 了 隐 藏 终 端 问 题, 并 显 著 减 少 了 冲 突 的 发 生 采 用 动 态 TDMA 机 制 为 每 个 终 端 预 留 时 隙, 也 为 VANET 提 供 了 较 好 的 QoS 保 证 但 是, 在 该 协 议 中 一 帧 所 包 含 的 时 隙 数 也 限 制 了 无 线 传 输 范 围 内 的 节 点 数 ( 这 是 因 为 时 隙 数 必 须 大 于 节 点 数 ), 所 以 当 网 络 中 节 点 增 多 时, 帧 的 长 度 也 要 随 之 增 加 此 外,FI 的 周 期 性 传 送 也 将 增 加 网 络 的 额 外 开 销 在 此, 我 们 将 IEEE 同 ADHOC MAC 协 议 进 行 了 简 单 的 比 较, 如 表 4 所 示 需 要 说 明 的 是, 此 处 的 比 较 并 不 是 为 了 要 确 定 这 两 类 MAC 协 议 谁 优 谁 劣 ; 相 反, 两 者 在 目 前 已 经 启 动 的 VANET 研 究 计 划 或 研 究 项 目 中 都 具 有 一 定 的 应 用 背 景 例 如 IEEE 适 合 于 高 速 运 动 场 景 且 不 需 要 时 间 同 步, 而 ADHOC MAC 则 能 够 保 证 更 高 的 可 靠 性 QoS 和 实 时 性 因 此 作 者 认 为, 这 两 个 标 准 的 融 合 将 为 VANET 提 供 更 好 更 完 整 的 解 决 方 案 基 于 空 分 多 址 的 车 用 MAC 协 议 空 分 多 址 (SDMA) 接 入 方 式 是 通 过 空 间 的 分 割 来 区 别 不 同 的 用 户 在 无 线 通 信 中, 能 够 实 现 空 间 分 割 的 基 本 技 术 就 是 采 用 自 适 应 阵 列 天 线, 在 不 同 用 户 方 向 上 形 成 不 同 的 波 束 SDMA 采 用 定 向 天 线 来 服 务 于 不 同 的 用 户, 相 同 或 不 同 的 频 率 都 可 以 用 来 服 务 于 被 天 线 波 束 覆 盖 的 不 同 区 域 扇 形 天 线 可 以 看 作 是 技 术 成 熟 度 成 熟, 仍 在 发 展 中 较 成 熟 * IEEE e 为 无 线 设 备 定 义 了 支 持 带 宽 敏 感 应 用 的 QoS 机 制 SDMA 的 一 个 基 本 方 式, 在 极 限 情 况 下, 自 适 应 阵 列 天 线 具 有 极 小 的 波 束 和 无 限 快 的 跟 踪 速 率, 理 论 上 可 以 实 现 最 佳 的 SDMA 目 前, 针 对 不 同 的 MANET 应 用, 研 究 人 员 从 不 同 方 面 提 出 了 多 个 基 于 定 向 天 线 的 MAC 协 议 [84-89], 其 中,Ko 等 人 [84] 基 于 IEEE 的 定 向 MAC(D-MAC) 协 议 最 有 可 能 应 用 于 车 载 环 境 [76,90] D-MAC 该 协 议 要 求 每 个 终 端 必 须 知 道 自 己 及 其 近 邻 节 点 的 位 置, 再 根 据 周 围 节 点 是 否 正 在 进 行 通 信 等 情 况 选 择 采 用 定 向 或 全 向 方 式 发 送 RTS 分 组, 接 收 到 RTS 或 CTS 分 组 的 定 向 天 线 将 自 动 锁 定, 并 根 据 接 收 信 息 延 迟 发 送 图 9 所 示 的 网 络 中 包 含 三 个 节 点 A B C, 其 中, 节 点 B 和 C 不 在 彼 此 的 无 线 通 信 范 围 内, 它 们 的 公 共 邻 居 是 节 点 A 在 A 处 所 有 定 向 天 线 未 被 锁 定 时, 若 A 要 向 B 发 送 信 息, 则 A 先 发 出 一 个 全 方 向 RTS 分 组 节 点 C 中 接 收 到 RTS 分 组 的 定 向 天 线 将 被 锁 定, 直 到 A 和 B 之 间 的 通 信 结 束 这 样, 在 节 点 A 和 B 的 整 个 通 信 过 程 中,C 不 会 向 A 发 送 RTS 分 组, 从 而 避 免 了 冲 突 由 于 车 辆 的 运 动 受 道 路 结 构 以 及 交 通 规 则 的 限 制, 因 此, 在 VANET 中 采 用 定 向 天 线 技 术 必 定 有 利 于 减 少 传 输 干 扰 和 冲 突 的 发 生, 同 时 也 可 增 加 信 道 复 用 的 可 能 性 [89,91] 该 技 术 在 理 论 上 可 以 显 著 改 善 现 有 MAC 协 议 的 性 能, 然 而 定 向 天 线 系 统 的 复 杂 性 以 及 难 以 管 理 等 特 点 也 给 现 场 实 现 带 来 了 困 难 小 结 如 何 解 决 多 个 用 户 高 效 合 理 地 共 享 有 限 36

16 Figure 9. Principle of D-MAC protocol 图 9. D- MAC 工 作 原 理 的 无 线 信 道 资 源, 即 M AC 协 议 的 设 计 一 直 都 是 无 线 移 动 自 组 织 网 络 ( 当 然 也 包 括 VANET) 的 关 键 技 术 之 一, 它 的 好 坏 直 接 影 响 到 网 络 吞 吐 量 端 对 端 时 延 等 性 能 指 标 的 优 劣 由 于 车 辆 网 络 独 有 的 特 性, 使 得 车 用 MAC 协 议 的 设 计 面 临 许 多 极 具 挑 战 性 的 技 术 问 题 不 同 的 网 络 环 境 也 有 着 不 同 的 应 用 需 求 和 限 制 条 件, 因 此 不 存 在 一 个 适 用 于 所 有 车 辆 网 络 的 MAC 协 议 无 论 是 采 用 基 于 自 由 竞 争 的 信 道 分 配 机 制, 还 是 采 用 基 于 TDMA/SDMA 的 固 定 信 道 分 配 机 制, 或 者 其 它 类 型 的 MAC 协 议 ( 如 针 对 车 辆 编 队 行 驶 的 无 线 令 牌 环 协 议 [92] ), 都 必 须 根 据 具 体 应 用 选 择 不 同 的 协 议 类 型 来 设 计 相 应 的 MAC 协 议 7.3. 数 据 分 发 技 术 车 用 自 组 织 网 络 是 由 一 组 具 有 路 由 功 能 的 车 辆 节 点 组 成 的 分 布 式 无 线 多 跳 通 信 网 络, 它 可 以 不 依 赖 任 何 预 设 的 网 络 基 础 设 施, 网 络 中 的 每 个 节 点 既 是 终 端, 也 是 中 继 器 当 信 源 节 点 与 信 宿 节 点 之 间 不 能 够 直 接 通 信 时, 则 需 要 借 助 其 它 中 间 节 点 的 辅 助, 采 用 存 储 转 发 机 制 有 利 于 克 服 车 辆 网 络 的 间 歇 连 通 性 问 题 [93] 因 此 数 据 分 发 协 议 也 是 VANET 中 不 可 缺 少 的 一 个 重 要 部 分, 它 负 责 将 数 据 分 组 从 信 源 节 点 通 过 车 辆 网 络 转 发 到 目 标 节 点, 其 设 计 的 好 坏 直 接 影 响 到 通 信 业 务 服 务 质 量 的 各 项 性 能 指 标, 影 响 到 通 信 系 统 资 源 使 用 的 有 效 性 和 可 靠 性 车 辆 网 络 中 的 数 据 分 发 主 要 包 括 两 个 方 面 的 功 能 : 寻 找 源 节 点 与 目 标 节 点 间 的 优 化 路 径, 并 将 数 据 分 组 沿 着 优 化 路 径 正 确 转 发 VANET 的 首 要 目 标 是 提 供 高 服 务 质 量 和 公 平 高 效 地 利 用 网 络 带 宽, 这 些 网 络 路 由 协 议 的 主 要 任 务 是 寻 找 从 源 节 点 到 目 标 节 点 间 通 信 延 迟 最 小 的 路 径, 同 时 提 高 整 个 网 络 的 信 道 利 用 率, 避 免 产 生 通 信 拥 塞 并 均 衡 网 络 流 量 等, 这 类 似 于 传 统 的 MANET 和 WLAN 等 无 线 网 络 然 而, 在 VANET 中, 节 点 的 能 量 消 耗 问 题 已 不 再 是 这 类 网 络 考 虑 的 重 点, 同 时 车 辆 节 点 数 目 往 往 很 大 且 一 般 都 安 装 有 GPS 等 定 位 终 端, 因 此 数 据 分 发 协 议 要 能 够 在 局 部 拓 扑 以 及 全 局 定 位 信 息 的 基 础 上 选 择 最 佳 路 径, 并 能 够 适 应 网 络 的 快 速 拓 扑 变 化, 它 对 应 于 OSI 七 层 模 型 中 的 网 络 层 针 对 不 同 的 车 辆 网 络 应 用, 研 究 人 员 提 出 了 不 同 的 数 据 分 发 协 议 但 到 目 前 为 止, 仍 缺 乏 一 个 完 整 和 清 晰 的 协 议 分 类 本 小 节 从 具 体 应 用 的 角 度 出 发, 根 据 不 同 应 用 对 车 辆 网 络 各 种 特 性 的 敏 感 度 不 同, 将 其 粗 略 分 为 单 播 型 广 播 型 和 多 播 型 数 据 分 发 协 议 [94-96] 有 关 VANET 路 由 的 不 同 分 类 方 法, 读 者 还 可 以 参 见 文 献 [9,63] 基 于 单 播 机 制 的 数 据 分 发 协 议 目 前,MANET 路 由 协 议 的 研 究 已 经 成 为 无 线 自 组 织 网 络 的 热 点 之 一, 对 其 路 由 方 法 的 讨 论 也 越 来 越 深 入, 并 且 已 经 提 出 了 多 种 针 对 MANET 的 路 由 方 案, 主 要 包 括 先 应 式 路 由 ( 如 目 标 节 点 序 列 号 距 离 矢 量 DSDV [97] 最 优 链 路 状 态 路 由 OLSR [98] ) 反 应 式 路 由 ( 自 组 网 按 需 距 离 矢 量 路 由 AODV [99] 动 态 源 路 由 DSR [100] ) 路 由 ( 贪 婪 边 界 无 状 态 路 由 GPSR [101] ) 以 及 混 合 路 由 ( 如 终 端 路 由 TR) 等, 然 而 它 们 却 不 能 直 接 应 用 于 节 点 高 速 运 动 且 非 均 匀 分 布 的 车 辆 网 络 内 在 车 辆 自 组 织 网 络 中, 基 于 位 置 的 路 由 协 议 是 首 选 的 数 据 分 发 机 制, 同 时 引 入 随 机 转 发 机 制 可 以 增 强 协 议 的 鲁 棒 性 [102] 然 而, 在 更 为 真 实 的 车 辆 运 动 场 景 中, 例 如 类 似 于 曼 哈 顿 式 的 城 市 运 动 以 及 随 着 车 载 存 储 器 的 广 泛 应 用, 需 要 对 这 类 使 用 存 储 转 发 机 制 的 协 议 设 计 得 当, 否 则 有 可 能 出 现 某 些 过 时 的 信 息 覆 盖 掉 较 新 的 信 息 Burgess 等 人 [103] 采 用 优 先 级 策 略 来 确 定 分 组 数 据 包 的 传 递 顺 序 :1 邻 居 节 点 的 数 据 包 具 有 最 高 的 优 先 级 ;2 其 次 为 包 含 有 路 由 信 息 的 数 据 包 ;3 确 认 交 付 的 数 据 包 ;4 转 发 次 数 较 少 的 数 据 包 ; 5 转 发 次 数 较 多, 但 仍 能 够 正 确 转 发 的 数 据 包 Zhao 和 Cao [104] 提 出 的 车 辆 辅 助 数 据 传 输 (VADD) 协 议 也 是 基 于 存 储 转 发 的 思 想, 并 且 运 用 车 辆 运 动 的 可 预 测 性 以 指 示 消 息 沿 着 预 定 的 道 路 网 图 进 行 传 播, 在 减 少 消 37

17 息 转 发 时 延 的 同 时 还 显 著 提 高 了 分 组 转 发 的 成 功 率 Naumov 和 Gross [105] 基 于 混 合 路 由 协 议 ( 即 PGB+AGF) 提 出 的 连 接 感 知 路 由 (CAR), 在 路 由 发 现 阶 段 通 过 泛 洪 机 制 找 出 源 节 点 与 目 标 节 点 间 的 一 系 列 界 点, 并 采 用 贪 婪 路 由 算 法 在 指 定 路 径 中 转 发 分 组 包 基 于 广 播 机 制 的 数 据 分 发 协 议 广 播 机 制 是 车 辆 网 络 中 使 用 最 为 频 繁 的 一 种 数 据 分 发 技 术, 例 如 面 向 道 路 行 车 安 全 方 面 的 应 用 主 要 使 用 广 播 方 式 报 告 实 时 交 通 紧 急 事 故 路 面 环 境 以 及 天 气 状 况 等 信 息 同 时 广 播 机 制 也 通 常 运 用 于 单 播 协 议 的 路 由 发 现 阶 段, 以 期 寻 找 信 源 和 信 宿 之 间 的 优 化 路 径 当 节 点 密 度 较 高 时, 它 又 将 导 致 大 量 带 宽 资 源 的 消 耗 以 及 较 长 的 端 对 端 延 迟 依 据 各 节 点 在 车 辆 网 络 中 扮 演 的 角 色 以 及 关 于 下 一 跳 转 发 节 点 的 选 择 方 法 的 不 同,VANET 广 播 协 [14,64] 议 可 以 分 为 : 基 于 泛 洪 的 广 播 基 于 分 簇 的 广 播 基 于 列 表 的 广 播 以 及 基 于 距 离 的 广 播, 如 图 10 所 示, 其 中 大 多 数 算 法 都 是 假 定 车 辆 节 点 能 够 通 过 GPS 获 知 自 身 的 位 置 信 息 泛 洪 技 术 是 最 简 单 的 广 播 业 务 类 型, 它 不 需 要 已 知 任 何 网 络 拓 扑 信 息, 其 工 作 原 理 如 下 : 源 节 点 向 其 所 有 的 邻 居 节 点 广 播 分 组, 中 间 节 点 判 断 自 己 是 否 是 目 标 节 点 如 果 不 是, 并 且 又 是 第 一 次 接 收 到 该 分 组, 则 继 续 广 播 ; 否 则 直 接 丢 弃 在 车 辆 节 点 高 速 运 动 的 场 景 中, 安 全 信 息 只 能 够 通 过 定 向 泛 洪 策 略 实 现 ; 但 当 节 点 密 度 增 加 时, 带 宽 的 消 耗 也 会 急 剧 增 加 因 此 不 加 限 制 地 周 期 性 广 播 必 将 导 致 分 组 在 全 网 范 围 内 重 复 发 送 VANET 中 对 泛 洪 方 案 的 改 进 之 一 是 : 在 分 组 的 智 能 广 播 中 引 入 隐 式 确 认 机 制 ( 如 I-BIA [29] ), 即 当 前 方 车 辆 接 收 到 来 自 后 方 的 同 一 分 组 时, 则 由 其 后 的 车 辆 节 点 负 责 继 续 向 后 广 播, 从 而 有 效 抑 制 了 重 复 广 播 的 节 点 数 目 采 用 泛 洪 方 式 传 递 信 息, 具 有 很 大 的 盲 目 性, 通 信 负 荷 重 且 端 对 端 时 延 长, 但 它 也 是 将 分 组 扩 散 到 整 个 网 络 的 最 健 壮 和 最 基 本 的 方 法 随 着 网 络 规 模 的 扩 大 以 及 节 点 移 动 性 的 增 强, 节 点 在 非 层 次 化 路 由 协 议 维 护 阶 段 的 信 息 交 换 也 越 来 越 频 繁, 继 而 导 致 网 络 时 延 的 增 大 和 网 络 拥 塞 分 簇 是 克 服 以 上 缺 点 的 常 用 方 法 ( 如 基 于 集 群 的 位 置 路 由 并 在 每 个 子 集 中 选 择 一 个 簇 头, 用 以 构 成 高 一 层 次 的 Figure 10. VANET broadcast protocols 图 10. VANET 广 播 协 议 虚 拟 骨 干 网, 从 而 实 现 网 络 的 层 次 化 ; 同 一 簇 内 的 节 点 之 间 可 以 直 接 通 信, 不 同 簇 内 的 节 点 之 间 的 通 信 则 CBLR [106] ), 它 通 过 将 网 络 中 的 节 点 划 分 为 多 个 子 集, 需 要 经 由 簇 头 和 网 关 节 点 实 现 该 方 案 在 网 络 拓 扑 变 化 较 小 时 才 具 有 较 好 的 性 能, 否 则 会 因 为 频 繁 地 重 组 簇 内 成 员 并 重 选 簇 头 等 过 程 而 使 网 络 性 能 恶 化 网 络 中 的 所 有 节 点 都 将 维 护 一 个 邻 居 节 点 列 表, 并 且 通 过 请 求 / 响 应 方 式 周 期 性 地 更 新 下 一 次 转 发 节 点 由 前 一 次 转 发 节 点 确 定 当 节 点 低 速 运 动 时, 该 方 案 在 网 络 通 信 量 及 端 对 端 延 迟 方 面 显 示 了 优 越 的 性 能, 但 当 网 络 拓 扑 变 化 频 繁 时, 其 性 能 将 急 剧 恶 化, 因 此 不 适 合 应 用 于 高 速 运 动 的 车 辆 网 络 特 别 是 当 节 点 移 动 性 增 加 时, 节 点 间 控 制 消 息 的 交 换 周 期 缩 短, 这 意 味 着 消 耗 网 络 带 宽 资 源 的 同 时, 也 将 增 加 端 对 端 [107,108] 时 延 最 具 代 表 性 的 是 Korkmaz 等 人 提 出 的 城 市 多 跳 广 播 (UMB) 协 议 每 次 只 允 许 一 个 节 点 参 与 分 组 转 发 具 有 相 对 于 其 他 几 种 广 播 方 案 更 好 地 性 能, 其 网 络 通 信 量 少 端 对 端 延 迟 小 在 这 类 方 案 中, 转 发 节 点 由 基 于 距 离 的 转 发 节 点 选 择 (DBRS) 算 法 选 举 产 生 被 选 取 的 转 发 节 点 通 常 位 于 前 一 次 转 发 节 点 传 输 范 围 的 边 界, 因 而 具 有 最 短 的 等 待 时 间, 其 代 表 性 的 基 于 距 离 的 广 播 方 案 有 DDT RBM 和 ODAM 然 而, 在 稀 疏 网 络 中, 如 果 转 发 节 点 并 非 边 界 节 点 的 话, 那 么 转 发 节 点 将 花 费 更 长 的 等 待 时 间 此 时, 转 发 节 点 必 须 等 待 直 到 时 间 超 期, 这 样 端 对 端 延 迟 反 而 会 变 长 基 于 多 播 机 制 的 数 据 分 发 协 议 基 于 位 置 的 多 播 路 由 也 称 为 多 播 路 由 [109], 它 提 供 从 源 节 点 到 某 特 定 区 域 (ZOR) 内 的 所 有 目 标 节 点 的 广 播 前 述 的 许 多 VANET 应 用 直 接 受 益 于 地 理 多 播 服 务, 例 如 当 前 方 车 辆 发 生 交 通 异 常 后, 事 故 车 辆 仅 对 正 在 驶 向 该 事 故 地 点 的 所 有 车 辆 广 播 紧 急 38

18 告 警 消 息, 以 提 醒 其 注 意 前 方 潜 在 的 危 险, 并 提 前 做 好 防 范 工 作 ; 或 者 当 前 方 道 路 发 生 交 通 拥 塞 后, 受 阻 车 辆 将 对 正 在 驶 向 该 拥 塞 路 段 的 所 有 车 辆 广 播 交 通 路 况 信 息, 以 提 醒 驾 驶 员 及 早 变 更 行 车 路 线, 从 而 有 效 地 避 免 交 通 拥 塞 的 进 一 步 恶 化 [110] Wu 等 人 提 出 的 以 车 辆 运 动 为 中 心 的 数 据 分 发 算 法 (MDDV), 旨 在 利 用 车 辆 节 点 的 运 动 特 性 来 进 行 数 据 分 发, 并 且 综 合 了 存 储 转 发 基 于 车 道 轨 迹 的 转 发 以 及 基 于 位 置 的 转 发 三 者 的 优 势 在 MDDV 算 法 中, 转 发 节 点 选 择 距 离 目 标 最 近 的 节 点 作 为 其 下 一 跳 邻 居, 这 种 机 制 被 称 为 MFR (Most Forward within Radius), 从 而 使 到 达 目 标 节 点 的 跳 数 最 少 [111] Sormani 等 人 基 于 信 息 传 播 函 数 产 生 的 虚 拟 势 场 概 念, 提 出 了 在 指 定 路 径 中 传 递 信 息 的 新 方 法, 即 节 点 首 先 估 计 其 在 势 场 中 的 位 置, 并 选 择 势 场 中 具 有 极 小 值 的 节 点 作 为 其 下 一 跳 转 发 节 点, 从 而 缩 小 了 数 据 分 组 传 送 的 范 围 [112] Maihöfer 等 人 提 出 了 持 续 性 多 播 的 概 念, 即 对 某 段 时 间 内 位 于 特 定 区 域 中 的 所 有 节 点 持 续 广 播 服 务, 因 而 特 别 适 用 于 基 于 位 置 的 服 务 (LBS) 文 中 详 细 讨 论 了 设 计 空 间 语 义 以 及 三 种 解 决 方 案 : 1) 服 务 器 用 来 存 储 多 播 信 息 ;2) 目 标 区 域 内 指 定 的 节 点 可 以 临 时 担 当 服 务 器 的 作 用 ;3) 每 个 节 点 存 储 所 有 接 收 到 的 多 播 分 组, 同 时 也 存 储 所 有 邻 居 节 点 及 其 位 置 表 信 息 小 结 目 前 大 部 分 文 献 都 是 采 用 协 议 设 计 与 仿 真 验 证 相 结 合 的 研 究 方 法, 提 出 的 车 用 信 息 分 发 协 议 缺 乏 对 VANET 动 态 拓 扑 特 性 的 建 模 分 析, 也 缺 乏 深 入 分 析 影 响 协 议 性 能 ( 如 可 靠 性 实 时 性 可 达 性 资 源 利 用 率 等 ) 的 各 种 因 素 及 其 相 互 关 系 此 外 大 部 分 文 献 为 了 简 化 理 论 分 析 或 实 验 仿 真 过 程, 一 般 都 假 定 节 点 通 信 距 离 相 等 链 路 路 径 对 称 且 信 息 传 输 可 靠, 然 而 无 线 信 道 受 外 界 环 境 干 扰 严 重 ( 如 具 有 较 高 的 误 码 率 传 输 功 率 摄 动 大 时 延 抖 动 非 均 衡 等 ), 加 之 GPS 信 号 失 效 以 及 高 速 移 动 节 点 间 的 多 普 勒 效 应 等, 使 得 车 辆 自 组 织 通 信 在 实 际 应 用 中 仍 面 临 着 严 峻 的 技 术 挑 战 因 此, 如 何 针 对 车 辆 网 络 中 不 同 交 通 信 息 的 应 用 需 求, 提 出 具 有 较 强 可 扩 展 性 和 鲁 棒 性, 同 时 兼 顾 可 靠 性 实 时 性 资 源 利 用 率 的 单 跳 或 多 跳 路 由 协 议, 是 VANET 迫 切 需 要 解 决 的 问 题 7.4. 其 它 关 键 技 术 车 辆 运 动 建 模 车 辆 运 动 模 型 主 要 描 述 车 辆 节 点 高 速 受 限 的 约 束 运 动 特 征, 预 测 其 在 场 景 中 的 时 空 位 置 分 布 并 用 来 评 估 节 点 运 动 对 自 组 网 通 信 协 议 性 能 的 影 响 虽 然 在 真 实 环 境 中 对 所 开 发 的 协 议 或 算 法 进 行 测 试 与 评 估 是 至 关 重 要 的 一 步, 但 是 在 协 议 的 设 计 和 开 发 阶 段 以 及 对 分 析 模 型 的 验 证 与 完 善 阶 段, 研 究 人 员 会 首 先 考 虑 通 过 模 拟 仿 真 代 替 大 规 模 现 场 实 验 [113] 因 此 尽 可 能 真 实 地 反 映 车 辆 节 点 的 运 动 行 为 便 是 VANET 模 拟 中 最 为 重 要 的 一 个 方 面 根 据 运 动 模 型 对 交 通 要 素 和 行 为 细 节 描 述 程 度 的 不 同, 可 大 致 分 为 微 观 和 宏 观 运 动 模 型 [114] 其 中, 微 观 运 动 模 型 以 单 个 车 辆 为 研 究 对 象, 车 辆 在 道 路 上 的 跟 车 超 车 以 及 车 道 变 换 等 微 观 行 为 能 够 得 到 较 真 实 的 反 映, 其 特 征 参 数 主 要 包 括 车 头 时 距 和 车 头 间 距 ; 宏 观 运 动 模 型 则 基 于 流 体 动 力 学 理 论 描 述 交 通 流 作 为 整 体 所 表 现 出 的 宏 观 运 动 特 征, 它 仅 考 虑 了 诸 如 道 路 交 叉 路 口 交 通 信 号 灯 等 运 动 约 束 因 素, 并 规 定 了 交 通 流 量 车 辆 密 度 和 平 均 运 动 速 度 三 者 之 间 的 量 化 关 系 因 此, 微 观 交 通 模 型 是 VANET 研 究 中 较 理 想 的 选 择 根 据 车 辆 运 动 生 成 方 法 的 不 同, 微 观 交 通 模 型 又 可 以 分 为 数 学 解 析 模 型 交 通 仿 真 模 型 统 计 调 研 模 型 和 运 动 轨 迹 模 型 [115] 其 中, 数 学 解 析 模 型 是 交 通 仿 真 中 最 为 重 要 的 一 类 模 型, 它 通 过 建 立 一 系 列 数 学 表 达 式, 以 期 反 映 真 实 的 物 理 作 用 Fiore [116] 将 此 类 模 型 进 一 步 细 分 为 随 机 模 型 交 通 流 模 型 车 辆 跟 驶 模 型 排 队 模 型 和 行 为 模 型 数 学 模 型 的 解 析 表 达 式 通 常 比 较 复 杂, 缺 乏 对 驾 驶 员 行 为 的 真 实 性 描 述, 为 了 验 证 其 准 确 性 还 需 要 同 真 实 的 车 辆 运 动 做 比 较 交 通 仿 真 模 型 借 助 微 观 交 通 仿 真 软 件 研 究 宏 观 和 微 观 交 通 行 为, 然 而 遗 憾 的 是, 在 商 业 化 的 交 通 仿 真 软 件 中 不 能 够 直 接 进 行 网 络 通 信 模 拟, 并 且 两 者 的 运 动 数 据 格 式 也 彼 此 互 不 兼 容 统 计 调 研 模 型 则 通 过 大 规 模 问 卷 或 在 线 调 查 获 取 人 的 行 为 及 其 特 征, 但 由 于 工 作 量 巨 大, 可 操 作 性 差 运 动 轨 迹 模 型 虽 然 可 以 随 时 重 现 真 实 的 车 辆 运 动 行 为, 但 却 不 具 外 推 性, 例 如 针 对 公 交 系 统 的 运 动 轨 迹 就 不 适 用 于 私 家 车 的 运 动 模 拟, 此 外 通 过 大 规 模 现 场 实 验 获 得 一 定 数 量 的 车 辆 轨 迹 数 39

19 据 代 价 也 太 大 无 线 信 道 建 模 无 线 传 播 模 型 描 述 无 线 信 号 通 过 空 间 传 播 时 遭 受 的 各 种 衰 落 和 干 扰 现 象, 预 测 接 收 信 号 的 功 率 及 其 传 输 内 容 的 完 整 性, 并 对 无 线 系 统 进 行 设 计 仿 真 与 规 划 无 线 信 号 通 过 空 间 传 播 时 会 遭 受 各 种 衰 落 现 象, 主 要 涉 及 两 个 重 要 方 面, 即 大 尺 度 路 径 损 耗 和 小 尺 度 衰 落 [73] 其 中, 大 尺 度 衰 落 由 于 传 播 距 离 的 路 径 损 耗 或 传 播 环 境 ( 如 高 大 建 筑 物 ) 的 遮 挡 所 致, 它 用 于 预 测 平 均 场 强 并 估 计 无 线 覆 盖 范 围, 通 常 与 射 频 频 率 无 关 ; 小 尺 度 衰 落 则 由 于 无 线 电 波 在 空 间 传 播 时 存 在 反 射 绕 射 和 衍 射 等 机 制, 从 而 造 成 信 号 经 由 多 条 路 径 到 达 接 收 端 叠 加 形 成, 与 无 线 频 率 有 关 加 之 车 辆 之 间 的 相 对 运 动 会 引 起 随 机 频 率 调 制, 这 是 由 多 径 分 量 存 在 的 多 普 勒 效 应 引 起 的, 因 此 信 号 经 由 不 同 方 向 传 播 时, 其 多 径 分 量 也 将 造 成 接 收 机 信 号 的 多 普 勒 扩 展 目 前, 在 移 动 无 线 信 道 建 模 方 面,VANET 研 究 人 员 仍 主 要 使 用 NS-2 中 已 经 实 现 的 大 尺 度 路 径 损 耗 模 型, 例 如 地 面 反 射 双 线 模 型 [74, ] 和 对 数 正 态 阴 影 模 型 [ ] 近 几 年 来, 研 究 人 员 也 开 始 采 用 相 对 复 杂 的 统 计 模 型 来 较 精 确 地 描 述 无 线 传 播 的 多 径 衰 落 现 象 其 中, 瑞 利 分 布 是 最 常 见 的 用 于 描 述 平 坦 衰 落 信 号 接 收 包 络 或 独 立 多 径 分 量 接 收 包 络 统 计 时 变 特 性 的 一 种 分 布 类 型 众 所 周 知, 两 个 正 交 高 斯 噪 声 信 号 之 和 的 包 络 服 从 瑞 利 分 布 当 存 在 一 个 主 要 的 稳 定 信 号 分 量, 例 如 视 距 传 播 路 径 时, 则 小 尺 度 衰 落 的 包 络 服 从 莱 斯 分 布 当 确 定 信 号 的 功 率 与 多 径 分 量 方 差 之 比 趋 于 0 时, 莱 斯 分 布 则 退 化 为 瑞 利 分 布 另 一 个 广 泛 应 用 的 场 强 概 率 分 布 是 Nakagami-m 分 布 [123,124], 当 m = 1 时 退 化 为 瑞 利 分 布 协 同 仿 真 平 台 车 辆 通 信 网 络 协 同 仿 真 平 台 主 要 由 两 大 部 分 组 成 : 微 观 交 通 仿 真 软 件 和 网 络 通 信 模 拟 软 件 [125], 前 者 用 以 产 生 实 际 的 车 辆 运 动 数 据, 后 者 则 用 以 产 生 实 际 的 无 线 通 信 行 为 微 观 交 通 仿 真 是 20 世 纪 60 年 代 伴 随 计 算 机 技 术 的 进 步 而 发 展 起 来 的 交 通 分 析 技 术 和 方 法, 它 可 以 动 态 逼 真 地 仿 真 交 通 流 和 交 通 事 故 等 各 种 交 通 现 象, 复 现 交 通 流 的 时 空 变 化, 深 入 分 析 车 辆 驾 驶 员 和 行 人 道 路 交 通 的 特 征, 从 而 有 效 地 进 行 交 通 规 划 交 通 组 织 与 管 理 交 通 能 源 节 约 与 物 资 运 输 流 量 合 理 化 等 方 面 的 研 究 由 于 国 外 在 交 通 仿 真 研 究 方 面 开 展 的 较 早, 目 前 已 经 形 成 相 对 完 整 的 体 系, 其 中 公 认 较 成 熟 的 微 观 交 通 仿 真 软 件 主 要 包 括 : 美 国 佛 罗 里 达 大 学 McTrans 中 心 开 发 的 TSIS-CORSIM 英 国 Quadstone 公 司 的 PARAMICS 和 德 国 PTV AG 公 司 的 VISSIM 然 而, 这 些 微 观 交 通 仿 真 软 件 与 主 流 的 网 络 模 拟 软 件 ( 如 OPNET NS-2 GloMoSim) 并 无 接 口, 加 之 两 者 所 支 持 的 运 动 数 据 格 式 也 彼 此 互 不 兼 容, 因 此 国 外 许 多 学 术 研 究 机 构 分 别 提 出 了 各 自 的 集 成 / 协 同 仿 真 模 型, 例 如 街 区 随 机 路 点 (STRAW) [126] 运 动 模 型 已 经 集 成 于 JiST/SWANS [127] 离 散 事 件 模 拟 器 中, 交 通 与 [128] 网 络 仿 真 (TraNS) 平 台 实 现 了 城 市 交 通 模 拟 (SUM O) [129] 与 NS-2 的 集 成, 网 络 仿 真 中 的 车 辆 [130] (VeiNS) 则 通 过 TCP/IP 网 络 接 口 实 现 了 SUMO 与 OMNeT++ 的 集 成, 针 对 车 车 通 信 的 多 模 拟 器 互 联 环 境 (MSIECV) [131] 实 现 了 NS-2 VISSIM 与 MATLAB/ Simulink 等 模 拟 软 件 之 间 的 无 缝 连 接, 集 成 网 络 和 运 动 模 拟 实 验 平 台 GrooveNet( 原 名 为 GrooveSim) [132,133] 则 允 许 在 真 实 或 模 拟 车 辆 之 间 实 时 通 信 8. 结 束 语 车 辆 自 组 织 网 络 是 一 类 迅 速 崛 起 并 富 有 挑 战 的 移 动 自 组 织 传 感 网 络 除 了 前 面 讨 论 的 无 线 接 入 信 道 共 享 数 据 分 发 和 系 统 建 模 等 技 术 外, 还 有 许 多 关 键 技 术 也 引 起 了 VANET 研 究 人 员 的 广 泛 兴 趣, 例 如 车 辆 网 络 中 数 据 传 输 控 制 [62] 通 信 安 全 与 认 证 [134,135] [136,137] 信 息 编 码 与 调 度 等 限 于 篇 幅 的 考 虑, 本 文 仅 将 这 些 可 能 的 研 究 热 点 和 研 究 方 向 罗 列 出 来, 只 想 起 到 抛 砖 引 玉 的 作 用, 不 做 深 入 的 讨 论 对 这 些 问 题 感 兴 趣 的 读 者 也 可 以 参 考 所 引 用 的 相 关 文 献, 期 望 能 够 借 此 推 动 国 内 学 者 对 这 一 新 兴 领 域 更 广 泛 的 关 注 与 重 视 参 考 文 献 (References) [1] I. Chlamtac, M. Conti and J.-N. Liu. Mobile ad hoc networking: Imperatives and challenges. Ad Hoc Networks, 2003, 1(1): [2] I. F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubra maniam, et al. Wireless 40

20 sensor networks: A survey. Computer Networks, 2002, 38(4): [3] 任 丰 原, 黄 海 宁, 林 闯. 无 线 传 感 器 网 络 [J]. 软 件 学 报, 2003, 14(7): [4] X. J. Li, B.-C. Seet and P. H. J. Chong. Multihop cellular networks: Technology and economics. Computer Networks: The International Journal of Computer and Telecommunications Networking, 2008, 52(9): [5] G. Karagiannis, O. Altintas, E. Ekici, et al. Vehicular networking: A survey and tutorial on requirements, architectures, challenges, standards and solutions. IEEE Communications Surveys and Tutorials, 2011, 13(4): [6] J. Luo, J.-P. Hubaux. A survey of research in inter-vehicle communications. Embedded Security in Cars: Securing Current and Future Automotive IT Applications. Heidelberg: Springer Berlin, 2006: [7] M. Torrent-Moreno, M. Killat and H. Hartenstein. The challenges of robust inter-vehicle communications. Proceedings of the 62nd IEEE Vehicular Technology Conference (VTC), Dallas, 2005, 1: [8] J. J. Blum, A. Eskandarian and L. J. Hoffman. Challenges of intervehicle ad hoc networks. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2004, 5(4): [9] S. Yousefi, M. S. Mousavi and M. Fathy. Vehicular ad hoc networks (VANETs): Challenges and perspectives. Proceedings of the 6th International Conference on ITS Telecommunications, 2006: [10] Y. Toor, P. Muhlethaler, A. Laouiti, et al. Vehicle ad hoc networks: Applications and related technical issues. IEEE [11] Communications Surveys & Tutorials, 2008, 10(3): H. Füßler, M. Mauve, H. Hartenstein, et al. Position-based routing for car-to-car communication. Inter-vehicle-communications based on ad hoc networking principles The FleetNet project. Karlsruhe: Universitätsverlag Karlsruhe, 2005: [12] M. Rudack, M. Meincke and M. Lott. On the dynamics of ad hoc networks for inter vehicle communication (IVC). Proceedings of the 2002 International Conference on Wireless Networks (ICWN 02), Las Vegas, [13] H. Füßler, M. Mauve, H. Hartenstein, et al. A comparison of routing strategies for vehicular ad hoc networks. Technical Report TR , [14] T.-H. Kim, W.-K. Hong and H.-C. Kim. An effective multi-hop broadcast in vehicular ad-hoc network. Architecture of Comput- ing Systems ARCS Heidelberg: Springer Berlin, 2007: [15] M. L. Sichitiu, M. Kihl. Inter-vehicle communication systems: A survey. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2008, 10(2): [16] Q. Xu, R. Sengupta and D. Jiang. Design and analysis of highway safety communication protocol in 5.9 GHz dedicated short range communication spectrum. Proceedings of the 57th IEEE Semiannual Vehicular Technology Conference (VTC), 2003, 4: [17] M. Bechler, H. Berninger, T. Biehle, et al. COMeSafety architecture task force: European ITS communication architecture Overall framework, proof of concept implementation FP [18] H. Füßler, M. Torrent-Moreno, M. Transier, et al. Thoughts on a protocol architecture for vehicular ad-hoc networks. Proceedings of the 2nd International Workshop in Intelligent Transportation (WIT), Hamburg, 2005: [19] H. Hartenstein, K. P. Laberteaux. A tutorial survey on vehicular ad hoc networks. IEEE Communications Magazine, 2008, 46(6): [20] U. Lee, R. Cheung and M. Gerla. Emerging vehicular applications. Vehicular Networks: From Theory to Practice. Chapman & Hall, CRC Press, Taylor & Francis Group, 2009: [21] S. E. Shladover, S.-K. Tan. Analysis of vehicle positioning accuracy requirements for communication-based cooperative collision warning. Journal of Intelligent Transportation Systems, 2006, 10(3): [22] H.-S. Tan, J. Huang. DGPS-based vehicle-to-vehicle cooperative collision warning: Engineering feasibility viewpoints. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2006, 7(4): [23] S. Panichpapiboon, W. Pattara-Atikom. A review of information dissemination protocols for vehicular ad hoc networks. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2011, 99: [24] N. Wisitpongphan, O. K. Tonguz, J. S. Parikh, et al. Broadcast storm mitigation techniques in vehicular ad hoc networks. IEEE Wireless Communications, 2007, 14(6): [25] J. A. Misener, R. Sengupta and H. Krishnan. Cooperative collision warning: Enabling crash avoidance with wireless technology. Proceedings of the 12th World Congress on Intelligent Transport Systems, San Francisco, [26] T. ElBatt, S. K. Goel, G. Holland, et al. Cooperative collision warning using dedicated short range wireless communications. Proceedings of the 3rd International Workshop on Vehicular Ad Hoc Networks, Los Angeles, 2006: 1-9. [27] M. Hartong, R. Goel, C. Farkas, et al. PTC-VANET interactions to prevent highway rail intersection crossing accidents. Proceedings of the 65th IEEE Vehicular Technology Conference (VTC Spring), Dublin, 2007: [28] N. Ravi, S. Smaldone, L. Iftode, et al. Lane reservation for highways (Position Paper). Proceedings of the 10th International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC- 2007), Seattle, 2007: [29] S. Biswas, R. Tatchikou and F. Dion. Vehicle-to-vehicle wireless communication protocols for enhancing highway traffic safety. IEEE Communications Magazine, 2006, 44(1): [30] V. Gradinescu, C. Gorgorin. Adaptive traffic lights using car-tocar communication. Proceedings of the 65th IEEE Vehicular Technology Conference (VTC-2007-Spring), Dublin, 2007: [31] T. Nadeem, S. Dashtinezhad, C. Liao, et al. Traffic view: Traffic data dissemination using car-to-car communication. ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review, 2004, 8(3) : [32] A. Nandan, S. Das, G. Pau, et al. Co-operative downloading in vehicular ad-hoc wireless networks. Proceedings of the Second Annual Conference on Wireless on-demand Network Systems and Services (WONS-2005), 2005: [33] K. C. Lee, S.-H. Lee, R. Cheung, et al. First experience with CarTorrent in a real vehicular ad hoc network testbed. Proceedings of the IEEE Workshop on Mobile Networking for Vehicular Environments (MOVE-2007), Anchorage, 2007, [34] M. Caliskan, D. Graupner and M. Mauve. Decentralized discovery of free parking places. Proceedings of the 3rd international workshop on Vehicular ad hoc networks, Los Angeles, 2006: [35] R. Panayappan, J. M. Trivedi, A. Studer, et al. VANET-based approach for parking space availability. Proceedings of the fourth ACM international workshop on Vehicular ad hoc networks, Montreal, [36] G. Yan, M. C. Weigle and S. Olariu. A novel parking service using wireless networks. Proceedings of the IEEE/INFORMS International Conference on Service Operations, Logistics and Informatics (SOLI-2009), Chicago, 2009: [37] M. A. Bonuccelli, G. Giunta, F. Lonetti, et al. Real-time video transmission in vehicular networks. Proceedings of the IEEE Workshop on Mobile Networking for Vehicular Environments (MOVE), 2007: [38] C. E. Palazzi, M. Roccetti, S. Ferretti, et al. Online games on wheels: Fast game event delivery in vehicular ad-hoc networks. Proceedings of the 3rd International Workshop on Vehicle-to- Vehicle Communications 2007 (V2VCOM-2007), Istanbul, [39] B. Bochow, M. Bechler. Internet integration. Inter-vehicle-communications based on ad hoc networking principles The Fleet 41