车辆自组织网络

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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 [email protected] 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 [email protected] 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

21 Net project. Karlsruhe: Universitätsverlag Karlsruhe, 2005: [40] G. Yan, D. B. Rawat and S. El-Tawab. Reliable routing protocols in VANETs. Advances in Vehicular Ad-Hoc Networks: Developments and Challenges: IGI Global, 2010: [41] G. Yan, S. Olariu. A probabilistic analysis of link duration in vehicular ad hoc networks. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2011, 12(4): [42] M. Raya, J.-P. Hubaux. Securing vehicular ad hoc networks. Journal of Computer Security, 2007, 15(1): [43] ASTM. E Standard specification for telecommunications and information exchange between roadside and vehicle systems 5 GHz band dedicated short range communications (DSRC) medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications, [44] H. Moustafa, S. M. Senouci and M. Jerbi. Introduction to vehicular networks. Vehicular Networks: Techniques, Standards, and Applications. Northwest: Auerbach Publishers, CRC Press, Taylor & Francis Group, 2009: [45] T. Kosch, R. Mietzner and K.-O. Proskawetz. COMeSafety: A EU specific support activity (Project Presentation) [46] T. Sukuvaara, P. Nurmi, D. Stepanova, et al. Wireless traffic service communication platform for cars. Modelling, Computation and Optimization in Information Systems and Management Sciences, 2008: [47] R. Pfliegl. COOPERS: Co-operative systems for intelligent road safety (Project Presentation) [48] M. Provera. SAFESPOT integrated project: Co-operative systems for road safety Smart vehicles on smart ro ads. The Secure [72] Vehicle Communication Workshop, Lausanne, [49] CVIS. Cooperative Vehicle-Infrastructure Systems (CVIS). [50] T. Leinmüller, L. Buttyan, J.-P. Hubaux, et al. SEVECOM Secure vehicle communication. IST Mobile and Wireless Communication Summit, Mykonos, [51] K. Meinken, L. Andreone, A. Guarise, et al. WATCH-OVER: The concept of a cooperative system for vehicle to vulnerable road users communication. Proceedings of the 20th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles, Lyon, [52] D. Reichardt, M. Miglietta, L. Moretti, et al. CarTALK 2000: Safe and comfortable driving based upon inter-vehicle-communication. Proceedings of the IEEE Intelligent Vehicle Symposium (IV-2002), Versailles, 2002, 2: [53] P. Morsink, R. Hallouzi, I. Dagli, et al. CarTALK 2000: Development of a cooperative ADAS based on vehicle-tovehicle communication. Proceedings of the 10th World Congress and Exhibition on Intelligent Transport Systems and Services, Madrid, [54] W. Franz, H. Hartenstein and M. Mauve. Inter-vehiclecommunications based on ad hoc networking principles The Fleet Net project. Karlsruhe: Universitätsverlag Karlsruhe, [55] A. Festag, G. Noecker, M. Strassberger, et al. NoW Network on wheels: Project objectives, technology and achievements. Proceedings of the 5th International Workshop on Intelligent Transportation (WIT), Hamburg, 2008: [56] X.-M. Dong, K. Li, J. Misener, et al. Expediting vehicle infrastructure integration (EVII). California PATH Research Report UCB-ITS-PRR , Berkeley, [57] J. Opiola. Vehicle infrastructure integration (VII) in the US enhancing safety, enabling mobility. The Instititon of Engineering and Technology Seminar on RFID and Electronic Vehicle Identification in Road Transport, Newcastle, 2006: [58] K. Hartman, J. Strasser. Saving lives through advanced vehicle safety technology: Intelligent vehicle initiative final report. Final Report FHWA-JPO , Cambridge, [59] VSCC. Vehicle safety communications project. Final Report DOT HS , [60] M. Schagrin, M. Oliver. Cooperative intersection collision avoidance initiative. Proceedings of ITS America Annual Meeting, [61] J. J. Ference. The integrated vehicle-based safety systems initiative. 13th World Congress on Intelligent Transport Systems and Services, London, [62] 陈 立 家, 江 昊, 吴 静 等. 车 用 自 组 织 网 络 传 输 控 制 研 究 [J]. 软 件 学 报, 2007, 18(6): [63] 常 促 宇, 向 勇, 史 美 林. 车 载 自 组 网 的 现 状 与 发 展 [J]. 通 信 学 报, 2007, 28(11): [64] 李 丽 君, 刘 鸿 飞, 杨 祖 元 等. 车 用 自 组 网 信 息 广 播 [J]. 软 件 学 报, 2010, 21(7): [65] DSRC. Dedicated Short Range Communications (DSRC), [66] D. Jiang, L. Delgrossi. IEEE p: Towards an international standard for wireless access in vehicular environments. Marina Bay, SINGAPORE, 2008: [67] R. Roebuck. DSRC white paper. Carrollton, [68] D. Jiang, V. Taliwal, A. Meier, et al. Design of 5.9 GHz DSRC-based vehicular safety communication. IEEE Wireless Communications, 2006, 13(5): [69] A. C. V. Gummalla, J. O. Limb. Wireless medium access control protocols. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2000, 3(2): [70] J. Zhu, S. Roy. MAC for dedicated short range communications in intelligent transport system. IEEE Communications Magazine, 2003, 41(12): [71] S. Leng, H. Fu, Q. Wang, et al. Medium access control in vehicular ad hoc networks. Wireless Communications and Mobile Computing, 2011, 11(7): S. Sibecas, C. A. Corral, S. Emami, et al. On the suitability of a/RA for high-mobility DSRC. Proceedings of IEEE 55th Vehicular Technology Conference (VTC-2002-Spring), Birmingham, 2002, 1: [73] J. Yin, T. El Batt, G. Yeung, et al. Performance evaluation of safety applications over DSRC vehicular ad hoc networks. Proceedings of the 1st ACM International Workshop on Vehicular Ad Hoc Networks, Philadelphia, 2004: 1-9. [74] B. Gallagher, H. Akatsuka and H. Suzuki. Wireless communications for vehicle safety: Radio link performance and wireless connectivity methods. IEEE Vehicular Technology Magazine, 2006, 1(4): [75] L. Bononi, M. Di Felice. A cross layered MAC and clustering scheme for efficient broadcast in VANETs. Proceedings of the IEEE International Conference on Mobile Adhoc and Sensor Systems (MASS-2007), Pisa, 2007: [76] H. Menouar, F. Filali and M. Lenardi. A survey and qualitative analysis of MAC protocols for vehicular ad hoc networks. IEEE Wireless Communications, 2006: [77] M. J. Booysen, S. Zeadally and G. J. van Rooyen. Survey of media access control protocols for vehicular ad hoc networks. IET Communications, 2011, 5(11): [78] F. Borgonovo, A. Capone, M. Cesana, et al. RR-ALOHA, a reliable R-ALOHA broadcast channel for ad-hoc inter-vehicle communication networks. Proceedings of the Mediterranean Ad hoc networking Conference (Med-Hoc-Net 2002), Baia Chia, [79] B. O Hara, A. Petrick. The IEEE handbook: A designer s companion. New York: Standards Information Network IEEE Press, [80] K. Tokuda, M. Akiyama and H. Fujii. DOLPHIN for intervehicle communications system. Proceedings of the IEEE Intelligent Vehicles Symposium (IV-2000), Dearborn, 2000: [81] F. Borgonovo, A. Capone, M. Cesana, et al. ADHOC MAC: New MAC architecture for ad hoc networks providing efficient and reliable point-to-point and broadcast services. Wireless Networks, 2004, 10(4): [82] J. Liu, F. Y. Ren, L. M. Miao, et al. A-ADHOC: An Adaptive real-time distributed MAC protocol for vehicular Ad Hoc networks. Mobile Networks & Applications, 2011, 16(5): [83] L. Coletti, N. Riato, A. Capone, et al. Architectural and technical 42

22 aspects for ad hoc networks based on UTRA TDD for intervehicle communication. Proceedings of the 12th IST Mobile & Wireless Communications Summit, Aveiro, 2003: [84] Y.-B. Ko, V. Shankarkumar and N. H. Vaidya. Medium access control protocols using directional antennas in ad hoc networks. [101] B. Karp, H. T. Kung. GPSR: Greedy perimeter stateless routing for wireless networks. The 6th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom 2000), Boston, 2000: [102] K. C. Lee, U. Lee and M. Gerla. Geo-opportunistic routing for Proceedings of the 19th Annual Joint Conference of the IEEE vehicular networks. IEEE Communications Magazine, 2010, Computer and Communications Societies (INF OCOM-2000), Tel Aviv, 2000, 1: (5): [103] J. Burgess, B. Gallagher, D. Jensen, et al. MaxProp: Routing for [85] A. Nasipuri, S. Ye, J. You, et al. A MAC protocol for mobile ad vehicle-based disruption-tolerant networks. Proceedings of the hoc networks using directional antennas. Proceedings of the 25th IEEE International Conference on Computer Communi- IEEE Wireless Communications and Networking Conference cations (INFOCOM-2006), Barcelona, 2006: (WCNC-2000), Chicago, 2000, 3: [104] J. Zhao, G.-H. Cao. VADD: Vehicle-assisted data delivery in [86] R. Ramanathan. On the performance of ad hoc networks with vehicular ad hoc networks. IEEE Transactions on Vehicular beamforming antennas. Proceedings of the 2nd ACM Technology, 2008, 57(3): international symposium on Mobile ad hoc networking & [105] V. Naumov, T. R. Gross. Connectivity-aware routing (CAR) in computing, Long Beach, 2001: vehicular ad-hoc networks. Proceedings of the 26th IEEE [87] R. R. Choudhury, X. Yang, R. Ramanathan, et al. Using International Conference on Computer Communications directional antennas for medium access control in ad hoc (INFOCOM-2007), 2007: networks. Proceedings of the 8th annual international conference [106] R. A. Santos, R. M. Edwards and A. Edwards. Cluster-based on Mobile computing and networking, Atlanta, 2002, location routing algorithm for vehicle to vehicle communication. [88] M. Takai, J. Martin, R. Bagrodia, et al. Directional virtual carrier Proceedings of the IEEE Radio and Wireless Conference, 2004: sensing for directional antennas in mobile ad hoc networks. Proceedings of the 3rd ACM international symposium on [107] G. Korkmaz, E. Ekici, F. Özgüner, et al. Urban multi-hop broad- Mobile ad hoc networking & computing, Lausanne, 2002: cast protocol for inter-vehicle communication systems. Proceedings of the 1st ACM International Workshop on Vehicular Ad [89] T. Korakis, G. Jakllari and L. Tassiulas. A MAC protocol for full Hoc Networks, Philadelphia, 2004: exploitation of directional antennas in ad-hoc wireless networks. [108] G. Korkmaz, E. Ekici and F. Özgüner. Black-burst-based multi- Proceedings of the 4th ACM international symposium on Mobile hop broadcast protocols for vehicular networks. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2007, 56(5): [109] C. MaihÖfer. A survey of geocast routing protocols. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2004, 6( 2): ad hoc networking & computing, Annapolis, 2003: [90] M. Sadashivaiah, R. Makanaboyina, B. George, et al. Performance evaluation of directional MAC protocol for inter-vehicle communication. IEEE VTC-Spring, [91] R. M. Yadumurthy, A. Chimalakonda, M. Sadashivaiah, et al. Reliable MAC broadcast protocol in directional and omni- directional transmissions for vehicular ad hoc networks. Proceedings of the 2nd ACM International Workshop on Vehicular Ad Hoc Networks, Cologne, 2005: [92] D. Lee, R. Attias, A. Puri, et al. A wireless token ring protocol for intelligent transportation systems. Proceedings of the IEEE Intelligent Transportation Systems Conference (ITSC 01), Oakland, 2001: [93] Z. D. Chen, H. T. Kung and D. Vlah. Ad hoc relay wireless networks over moving vehicles on highways. Proceedings of the 2nd ACM international symposium on Mobile ad hoc networking & computing, Long Beach, 2001: [94] F. Li, Y. Wang. Routing in vehicular ad hoc networks: A survey. IEEE Vehicular Technology Magazine, 2007, 2(2): [95] W. Chen, R. K. Guha, T. J. Kwon, et al. A survey and challenges in routing and data dissemination in vehicular ad hoc networks. Wireless Communications & Mobile Computing, 2011, 11(7): [96] A. Casteigts, A. Nayak and I. Stojmenovic. Communication protocols for vehicular ad hoc networks. Wireless Communications & Mobile Computing, 2011, 11(5): [97] C. E. Perkins, P. Bhagwat. Highly dynamic destination-sequenced distance-vector routing (DSDV) for mobile computers. ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 1994, 24(4): [98] P. Jacquet, P. Mühlethaler, C T. lausen, et al. Optimized link state routing protocol for ad hoc networks. Proceedings of the IEEE International Multi Topic Conference (INMIC 01), Lahore, 2001: [99] V. D. Park, M. S. Corson. A highly adaptive distributed routing algorithm for mobile wireless networks. Proceedings of the 16th Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Com- munications Societies (INFOCOM '97), Kobe, 1997, 3: [100] D. B. Johnson, D. A. Maltz. Dynamic source routing in ad hoc wireless networks. Mobile Computing: Kluwer Academic Publishers, 1996: [110] H. Wu, R. Fujimoto, R. Guensler, et al. MDDV: A mobilitycentric data dissemination algorithm for vehicular networks. Proceedings of the 1st ACM International Workshop on Vehicular Ad Hoc Networks, Philadelphia, 2004: [111] D. Sormani, G. Turconi, P. Costa, et al. Towards lightweight information dissemination in inter-vehicular networks. Proceedings of the 3rd international workshop on Vehicular ad hoc networks, Los Angeles, 2006: [112] C. Maihöfer, T. Leinmüller and E. Schoch abiding geocast: Time-stable geocast for ad hoc networks. Proceedings of the 2nd ACM International Workshop on Vehicular Ad Hoc Networks, Cologne, 2005, [113] R. Stanica, E. Chaput and A.-L. Beylot. Simulation of Vehicular Ad-Hoc Networks: Challenges, Review of Tools and Recommendations. Computer Networks, 2011, 55(14): [114] D. Helbing. Traffic and related self-driven many-particle systems. Reviews of Modern Physics, 2001, 73(4): [115] J. Haerri, F. Filali and C. Bonnet. Mobility models for vehicular ad hoc networks: A survey and taxonomy. IEEE Communications Surveys and Tutorials, 2009, 11(4): [116] M. Fiore. Mobility models in inter-vehicle communications literature. Technical Report, Department of Electronics, Polytechnic Institute of Torino, [117] Y. Zang, L. Stibor, G. Orfanos, et al. An error model for intervehicle communications in highway scenarios at 5.9 GHz. Proceedings of the 2nd ACM International Workshop on Performance Evaluation of Wireless Ad Hoc, Sensor, and Ubiquitous Networks, Montreal, 2005: [118] 熊 炜, 李 清 泉. 高 速 公 路 场 景 中 车 用 自 组 织 网 络 的 节 点 度 [J]. 电 子 与 信 息 学 报, 2010, 32(9): [119] 熊 炜, 李 清 泉. 高 速 公 路 场 景 中 车 用 自 组 织 网 络 1 连 通 的 必 要 条 件 [J]. 软 件 学 报, 2010, 21(11): [120] C. Bettstetter, C. Hartmann. Connectivity of wireless multihop networks in a shadow fading environment. Wireless Networks, 2005, 11(5): [121] Z L. L. hang, B. H. Soong, Y. Zhang, et al. An analysis of k-connectivity in shadowing and Nakagami fading wireless multi-hop networks. Marina Bay, 2008: [122] X. Ta, G. Mao, B. D. O. Anderson. On the giant component of 43

23 wireless multi-hop networks in the presence of shadowing. IEEE Transactions on Vehicular Technology, [123] V. Taliwal, D. Jiang, H. Mangold, et al. Empirical determination of channel characteristics for DSRC vehicle-to-vehicle communication. Proceedings of the 1st ACM International Workshop on Vehicular Ad Hoc Networks, Philadelphia, [124] M. Torrent-Moreno, F. Schmidt-Eisenlohr, H. Füßler, et al. Effects of a realistic channel model on packet forwarding in vehicular ad hoc networks. Proceedings of the IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), Las Vegas, 2006, 1: [125] F. J. Martinez, C. K. Toh, J.-C. Cano, et al. A survey and comparative study of simulators for vehicular ad hoc networks (VANETs). Wireless Communications & Mobile Computing, 2011, 11(7): [126] D. R. Choffnes, F. E. Bustamante. An integrated mobility and traffic model for vehicular wireless networks. Proceedings of the 2nd ACM International Workshop on Vehicular Ad Hoc Networks, Cologne, 2005: [127] R. Barr, Z. J. Haas and R. Renesse. Scalable wireless ad hoc network simulation. In Handbook on Theoretical and Algorithmic Aspects of Sensor, Ad Hoc Wireless, and Peer-to- Peer Networks, CRC Press, 2005: [128] M. Piorkowski, M. Raya, A. Lugo, et al. TraNS: Realistic joint traffic and network simulator for VANETs. ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review, 2008, 12(1): [129] SUMO. SUMO Simulation of Urban MObility An open source traffic simulation package, [130] C. Sommer, Z. Yao, R. German, et al. Simulating the influence of IVC on road traffic using bidirectionally coupled simulators. Proceedings of IEEE INFOCOM Workshop on MObile Networking for Vehicular Environments (MOVE), Phoenix, 2008: 1-6. [131] C. Lochert, A. Barthels, A. Cervantes, et al. Multiple simulator interlinking environment for IVC. Proceedings of the 2nd ACM International Workshop on Vehicular Ad Hoc Networks, Cologne, 2005: [132] R. Mangharam, D. S. Weller, D. D. Stancil, et al. GrooveSim: A topography-accurate simulator for geographic routing in vehicular networks. Proceedings of the 2nd ACM International Workshop on Vehicular Ad Hoc Networks (VANET 05), Cologne, 2005: [133] R. Mangharam, D. Weller, R. Rajkumar, et al. GrooveNet: A hybrid simulator for vehicle-to-vehicle networks. Mobile and Ubiquitous Systems: 2006 Third Annual International Conference on Networking & Services, 2006: 1-8. [134] M. Riley, K. Akkaya and K. Fong. A survey of authentication schemes for vehicular ad hoc networks. Security and Communication Networks, 2011, 4(10): [135] M. A. Moharrum, A. A. Al-Daraiseh. Toward secure vehicular ad-hoc networks: A survey. IETE Technical Review, 2012, 29(1): [136] C. L. Robinson, L. Caminiti, D. Caveney, et al. Efficient coordination and transmission of data for cooperative vehicular safety applications. Proceedings of the 3rd International Workshop on Vehicular Ad Hoc Networks, Los Angeles, 2006: [137] C. L. Robinson, D. Caveney, L. Caminiti, et al. Efficient message composition and coding for cooperative vehicular safety applications. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2007, 56(6):