车辆自组织网络

Hans Journal of Wireless Communications 无 线 通 信, 2013, 3, 22-44 http://dx.doi.org/10.12677/hjwc.2013.31005 Published Online February 2013 (http://www.hanspub.org/journal/hjwc.html) Vehicular Ad Hoc Networks * Wei Xiong, Demin Liang School of Electrical and Electronic Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan Email: 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 Email: 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 (Q20111406, Q20111404) 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

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

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

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

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

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 E-mail 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

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

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 (E2213-03 [43] ), 它 也 是 IEEE WLAN 工 作 组 项 目 802.11p 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 802.11, 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

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, 2006.1~2009.12) 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, 2006.2~ 2010.1) [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 (2006.1~2009.12) 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, 2006.2~2010.1) [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, 2006.1~2008.12) 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 (2006.1~2008.12) [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, 2004.3~2007.3) 以 及 欧 洲 最 大 的 道 路 安 全 倡 议 PReVENT 的 子 项 目 WILLWARN (2004.2~ 2008.1) 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 (2000.9~2003.12) [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, 2004.1~2008.12) 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~ 2004.12; 第 二 阶 段 :2006~2009) [59] 增 强 型 数 字 地 图 (EDMap, 2001.4~2004.3) 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, 2004.1~2008.12) [60] 以 及 综 合 车 载 安 全 系 统 (IVBSS, 2004.7~2009.10) [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, 1995.7~ 至 今 ) 电 子 收 费 系 统 (ETC, 2001.3~ 至 今 ) 先 进 辅 助 巡 航 道 路 系 统 (ACAHS, 1996.9~ 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 1995 2000 2005 年 结 束 ; 目 前 正 在 进 行 的 是 第 四 阶 段 ), 30

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 (2011.1~2013.12) 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 7.1.1. 专 用 短 距 离 通 信 (DSRC) DSRC( 业 界 也 称 之 为 IEEE 802.11p 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 2. 915 MHz vs. 5. 9 GHz system performance comparison 表 2. 915 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 802.11a [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

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 5.900 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 7. 5.9 G Hz DSRC spectrum planning and power level 图 7. 5. 9 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

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 802.11p IEEE 802.11a/b/g ISO 21214 IEEE 802.16 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 :5770~5850 11a: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 124 200 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 : 250 3000~27,000 典 型 速 率 :6000 802.11a/g: 54,000 802.11b: 11,000 1000~2000 70,000 (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 3~15 1000 (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 500~700 200~300 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 7.2.1. 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 802.11 MA C DOLPHIN 自 动 依 赖 性 监 督 广 播 协 议 (ADS-B) 等 考 虑 到 IEEE 802.11 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 802.11 MAC IEEE 802.11 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

PCF 则 提 供 有 基 础 设 施 支 持 的 轮 询 式 无 竞 争 接 入 服 务 802.11 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 802.11 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 802.11p IEEE 802.11 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 802.11p 基 于 802.11a, 并 对 MAC 层 作 了 以 下 主 要 改 进 [66] : 1) WAVE 模 式 所 有 支 持 802.11p 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 802.11 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 802.11 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

4) 分 布 式 系 统 服 务 在 IEEE 802.11 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 7.2.2. 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

Table 4. IEEE 802.11 vs. ADHOC MAC 表 4. IEEE 802.11 与 ADHOC MAC IEEE 802.11 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 802.11 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 802.11 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 7.2.3. 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 802.11e 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 802.11 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

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] 7.3.1. 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

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 7.3.2. 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 7.3.3. 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

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 7.4.1. 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

据 代 价 也 太 大 7.4.2. 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 [74,117-119] 和 对 数 正 态 阴 影 模 型 [120-122] 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 7.4.3. 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): 13-64. [2] I. F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubra maniam, et al. Wireless 40

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