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智能交通系统中无线通信网络的研究 摘要 随着经济社会的迅速发展，交通问题日益突显，智能交通成为世界各国研究 的热点。而建立合理、有效的交通通信系统对于实现智能交通来说至关重要，也 是实现智能交通的重点和难点。按照功能，交通通信系统可分为两个部分：车路 通信部分和车间通信部分。 车路通信部分，由于路面通信设施的固定特性，所以采用基站通信方式是较 为合理的，对此的研究已基本趋于成熟。 车间通信部分，由于车辆的快速移动，会导致拓扑结构的迅速变化，使得通 信过程复杂多变。本文提出将移动自组织( a dh o e ) 网络应用于车间通信环境 下，其中的每个车辆节点既作为通信终端，又作为路由器，从而解决了拓扑结构 快速变化所带来的问题。 为解决m a c 层如何公平、有效地共享信道资源的问题，本文对常用的i e e e 8 0 2 1 1 的m a c 协议的退避算法做出改进。提出根据网络当前具体的竞争激烈情 况，动态调整退避的时间值的退避改进算法。并通过o p n e tm o d e l e r 仿真平台 建立了车辆通信网络仿真模型，验证了该算法在网络竞争激烈的情况下，可提高 信道的利用率和网络的吞吐量。 此外，本文研究了移动自组织网络常用的路由技术，通过分析比较指出 a o d v 协议是更符合车间通信的路由技术，并通过o p n e tm o d e l e r 仿真平台得 到验证。 关键词：智能交通；8 a 0 协议；路由协议；仿真 。 一 一 ih er e s e ar c ho twir eie s sc o m m l i nic a tio nn e t w o r k1 - o r in t eilig e n tt r a n s p o r t a tio ns y s t e m s a b s t r a c t a l o n gw i t h t h e r a p i de c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n t ，o u rt r a n s p o r t a t i o n s y s t e mb e c o m e so v e r l o a d ，w h i c hl e a d st om a n yr o a dd e a t h sa n dr o a dc o n g e s t i o n i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ( r r s ) p r o v i d ea na n s w e rf o rt h e s et r a n s p o r t a t i o n i s s u e s t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mo fi t s ，w h i c ht h ei t sb a s e do n ，i so n eo ft h em o s t i m p o r t a n ts u b s y s t e m t h i sp a p e rw i l lb ef o c u so nt h i st o p i c t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mo fi t sc a nb ed i v i d e di n t ot w op a r t s ：r o a d v e h i c l e c o m m u n i c a t i o n ( r v c ) s y s t e ma n di n t e r - v e h i c l ec o m m u n i c a t i o n ( c ) s y s t e m r o a d v e h i c l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sb e e nr e s e a r c h e dc a r e f u l l yb yi t s r e s e a r c h e r s a n di ti sr e a s o n a b l et oa d o p tc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nw i r e l e s s b a s e s t a t i o nb e s i d er o a d s i n t e r - v e h i c l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sm o r ec o m p l e x ，b e c a u s et h et o p o l o g y m i g h tc h a n g eq u i c k l y 弱t h ev e h i c l em o v i n g t os e tu pac o m m u n i c a t i o nn e t w o r k b e t w e e nm o v i n gn o d e si st h ek e yt ot h i sp r o b l e m m o b i l ea dh o cn e t w o r kh a sb e e n i n t r o d u c e dt os o l v et h i sp r o b l e m ，i nw h i c he a c hn o d ec a nb es e v e ra sb o t ht e r m i n a l a n dr o u t e r s ot h em a t t e ro fr a p i dc h a n g i n gt o p o l o g yh a sb e e ns o l v e d i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fh o wt od i s t r i b u t es h a r e dw i r e l e s sm e d i u mf a i r l y a n de f f e c t i v e l y , t h ed y n a m i c s t a y e d - t i m ea l g o r i t h ma c c o r d i n gt oc o l l i s i o n sh a sb e e n p u tf o r w a r dt oi m p r o v et h eb i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k o f fa l g o r i t h mu s e di n i e e e 8 0 2 1 1 a n d ，w eu s eo p n e tt os i m u l a t et h ed y n a m i c s t a y e d t i m ea l g o r i t h m ，t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l ts h o w st h a t c o m p a r i n g w i t ht h e o r i g i n a la l g o r i t h m ，t h e p e r f o r m a n c es u c h 丛t h eu t i l i z a t i o no fw i r e l e s sm e d i u ma n dt h et h r o u g h p u th a s o b v i o u s l yi m p r o v e d m e a n w h i l e ，i nt h i sp a p e rt h er o u t i n ga l g o r i t h m so fm o b i l ea d h o cn e t w o r kh a v e b e e nr e s e a r c h e d a f t e rf u l l ya n a l y z i n ga n dc o m p a r i s o n ，t h i sp a p e rh a sp o i n t e do u tt h a t a o d vi sm o r ee f f e c t i v ei ni n t e r - v e h i c l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mt h i sc o n c l u s i o nh a s b e e ns u p p o r t e db ys i m u l a t i o nr e s u l tb a s e do no p n e tm o d e l e r k e y w o r d s ：。i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ；m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ； r o u t i n ga l g o r i t h m s ；s i m u l a t i o n 独创声明 。 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 洼； 垫遗查墓焦霞噩挂型岜盟笪：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：王嚷签字日期：。彩年石月7 1 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： i 需。 签字日期：d8 年月7 日 黜字：亟寸 签字日期：口彦年多月 e 1 智能交通系统中无线通信网络的研究 0 前言 0 1 课题研究意义 交通运输行业作为国民经济建设的基础性行业之一，其信息化、智能化的建 设对于提高综合效率、改善交通环境、降低运营成本以及便利人们的生活都有着 非常深远的意义。而随着移动无线自组网技术的出现和发展为具有移动性特点的 交通业的高度信息化带来了契机。目前交通行业所采用的信息化手段仅停留在局 部，信息技术应用不均衡、不协调，已有的网络并没有充分发挥功效。如何运用 新的无线技术，如w l a n 和3 g 等无线技术，构建一个智能的交通体系是当前 的一个热点课题。 智能交通系统( 盯s ) 对于改善目前的交通环境有以下重要的意义： 首先智能交通系统依靠无线网络技术，能够实现车辆之间的互连以及车辆与 路边固定设施之间的互连，这样就可阻扩展驾驶员的视野、实时获得路况信息及 交通事故信息、协调车辆之间的行驶。还可以实现自动收费、车辆追踪、驾驶员 违规的自动记录等。 其次，除了防范事故，辅助驾驶员驾驶汽车，帮助交通管理部门管理交通等 功能外，车辆网络还可以让乘客享受各种基于无线网络的应用。例如，在线游戏、 视频点播、汽车会议、路边超市、快餐和i n t e r n c t 接入等。 0 2 国内外研究现状 目前，世界各国都在积极的进行智能交通( 玎s ) 的研究。其中，美国、欧 洲和日本的研究处于领先地位。最早关于车辆之间直接通信的研究始于日本。而 后来美国的c a l i f o r n i ap a t h s 项目n 1 和欧洲的c h a u f f e u ro fe l i 项目雎1 取得了车辆 排列系统的研究成果。随后，日本的协同驾驶系统展示了车辆网络的另外一个重 要应用口3 。目前，车辆之间关于交通事故、紧急情况和交通堵塞信息的通讯逐渐 变为智能交通的一个重要应用嘲。另外，欧洲的一个新的项目c a r t a i ，k 2 0 0 0 睛1 研究的重点是基于安全可靠的车辆网络以及舒适驾驶的相关问题，此项目的目标 是设计和测试协同驾驶帮助系统伽。同时，该项目也与德国的f l e e t n e t 口1 合作来 中国海洋大学硕士学位论文 研究车辆间的通信技术。 我国于8 0 年代后期开始了智能交通基础性的研究开发工作，包括优化道路 交通管理、交通信息采集等。2 0 0 1 年，我国政府将智能交通的开发应用列为 “十五”期间国家重点科技攻关优先发展的专题项目。北京、上海、重庆等 l o 个城市被确定为示范城市，促进了我国智能交通系统从技术研究到工程示范 应用在全国的开展。目前，在部分领域我国的技术水平已处于世界领先地位，但 在整体规模和层次上同发达国家还有不小的差距。智能交通已经日益得到我国政 府、大学、科研机构和各企业单位的重视，近年来不断有许多关于智能交通的研 究成果发表。第十四届智能交通大会已于2 0 0 7 年1 0 月9 日一1 3 日在北京召开。 这是智能交通大会首次在发展中国家举办。2 0 0 8 奥运会和2 0 1 0 年上海世博会也 为我国智能交通系统的试验和应用提供重要机遇。 0 3 本文的研究内容 本文首先介绍了智能交通的体系结构以及智能交通中车辆通信网络的组成。 然后详细研究车辆网络通信的特点。并结合对移动a dh o c 网络的分析，指出将 移动a dh o c 网络技术应用于车辆通信的优点和需要解决的问题，引出本论文的 研究重点：智能交通中车辆网络通信协议的研究。 在车辆网络通信协议的研究方面，本论文依次研究和讨论了如下问题： 1 ) 结合o s i 网络模型对现有的各层中关于车辆网络的研究的成果，以及仍 然存在和需要解决的问题进行分析。 2 ) 对车辆网络中的媒体访问控制子层m a c 协议进行详细的研究，并结合基于 w l a n 的m a c 协议提出了一种对m a c 协议中退避算法的改进方法。 3 ) 利用o p n e tm o d e l e r 仿真平台，建立无线网络m a c 协议的节点模型和 进程模型，对改进前后的m a c 协议进行仿真，并对结果进行研究分析。 4 ) 研究分析移动a dh o c 网络的两种路由协议d s r 和a o d v 。利用o p n e t m o d e l e r 建立一个模拟的车间通信网络模型，对这两种路由协议性能进行仿真分 析，选出能适合于车间通信网络环境要求的路由协议。 2 智能交通系统中无线通信网络的研究 0 4 本文的组织结构 二 第一章介绍了智能交通体系结构及其中的车辆通信网络。分析了车辆通信网 络的特点，并通过对移动a dh o c 网络的分析指出了移动a dh o c 网络应用于车 辆通信的优点和需要解决的问题。 第二章主要介绍了车辆网络中的媒体访问控制子层m a c 协议，通过对现有 w l a n 的m a c 协议的分析研究，指出了其存在的一些问题，并且在原有的二进 制指数退避b e b 算法的基础上提出了一种动态时延退避方案，它可以根据网络信 道当前的竞争激烈状况动态地采取不同的竞争窗口时间值，从而保证网络具有较 高的信道利用率，提高了网络吞吐量。 第三章详细介绍利用o p n e tm o d e l e r 网络仿真平台构建一个无线网络m a c 协议模型的过程，并对改进前后的m a c 协议进行仿真。通过对仿真结果的分析 比较，表明改进后的协议算法无论是在介质访问延时还是在网络吞吐量方面的性 能都要比改进前的协议算法有所提高。 第四章首先介绍了移动a dh o c 网络的两种路由协议d s r 和a o d v 。然后 通过对网络模型、节点模型和进程模型的建立，详细介绍了利用o p n e t 仿真平 台建立一个模拟车间通信网络模型的过程。最后对这两种路由协议性能进行仿 真，并结合仿真结果进行性能分析。 第五章给出对本论文工作的总结及对今后工作的展望。 3 智能交通系统中无线通信网络的研究 1 智能交通体系结构及通信特点 1 1 智能交通系统概述 智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，i t s ) 是人们将先进的信息 技术、数据通讯传输技术、电子控制技术、传感器技术以及计算机处理技术等有 效地综合运用于整个运输体系，从而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用 的实时、准确、高效的运输综合管理系统嘲。其目的是使人、车、路三者密切地 配合、和谐地统一，并极大地提高交通运输效率、保障交通安全、改善环境质量 和提高能源利用率。 目前智能交通系统的应用领域可归结为以下七部分：先进的出行者信息服务 系统( a d v a n c e dt r a v e l e ri n f o r m a t i o ns y s t e m s ，a t i s ) 、先进的交通管理系统 ( a d v a n c e dt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m s ，a t m s ) 、先进的公共交通系统 ( a d v a n c e dp u b h ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ，a f t s ) 、先进的车辆控制系统、商用 车辆运营系统、电子收费系统( e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ，e t c ) 和应急管理系统 ( e m e r g e n c ym a n a g e m e n ts y s t e m ，e m s ) 。智能交通系统的体系结构图如下图1 1 所示。 图卜1 智能交通系统的体系结构 对于智能交通系统中通信网络的研究，其主要目的就是建立一种或多种无线 网络结构，使得车辆在通信网络中能够获得可靠的连接和得到相应的服务。 作为智能交通系统的重要组成部分，车辆通信是一个研究的重点。一般来说， 可以把智能交通系统中车辆之间的通信网络分为有基础设施的车辆网络和无基 础设施的车辆网络两种。即车辆通信网络系统被分为两种类型：一种是车辆与路 5 中国海洋大学硕士学位论文 边单元之间通信的车路通信系统( r o a d v e h i c l ec o m m u n i c a t i o n ，r v c ) ；一种是 二车辆之间通信的车间通信系统( i n t e r - v e h i c l ec o m m u n i c a t i o n ，i v c ) 叫。 麟站 艇站 + 图1 - 2 车路通信r v c 系统 图1 - 2 所示的是车路通信r v c 系统模型结构图。r v c 系统是基于车辆与路边 基础设施( i n f r a s t r u c t u r e s ) 通信的系统，当车辆驶入这些接入点的通讯范围内时， 通讯自动建立。车辆与路边基础设施之间的通信类似于无线局域网，路边单元相 当于无线局域网中的接入点a p 。这种通信方式可以实现更大范围的信息共享， 比如接入i n t e r a c t 、电子收费等。这种通信方式的通信过程是：当节点a 要与节 点b 进行通信时，节点a 首先与路边单元通过控制信道进行通信获得可使用的信 道信息。如果没有可使用的信道，只有等待。否则，节点接入由路边单元分配给 它的信道进行通信。这种通信方式的优点是：通过路边单元分配信道给车辆单元， 能够避免车辆单元自由竞争信道所引起的碰撞，因此可靠性较高。然而，在一些 边远的地方，由于这种路边单元架设困难或者架设之后维护困难等原因，r v c 的通信方式在这种条件下难以实现。目前，这些基于r v c 系统的应用需要建设大 量昂贵的基础设施，而且，由于接入点的信号覆盖范围限制，通讯可能是间歇的， 所以它不能很好的适应多变的车间通信环境。 相对于车路通信r v c 系统，i v c 系统可以提供车辆间的通信而不需要任何 基础设施。它的模型结构如图1 3 所示。 智能交通系统中无线通信网络的研究 图卜3 车间通信i v c 系统 车间通信i v c 系统提供能在车辆之间直接传送和接受信息的网络环境，可 以迅速，容易的适应多变的环境。这种通信方式的通信过程是：首先车辆与在他 附近的其他车辆组成一个临时的网络，车辆可以和其无线覆盖范围内的任何车辆 直接通信，而要和其无线范围以外的车辆通信就要通过其他车辆节点作为转发节 点间接通信。所以，i v c 不仅允许车辆与其他不在视线范围内的车辆进行通信， 还可以与不在其无线通讯范围内的其他车辆进行通信。 通过车间通信i v c 网络所收集的信息可以帮助提高交通的安全与效率。另 一方面，配备有通讯设备的移动车辆实际上组成了一种移动无线自组织方式的网 络。由于车辆的自身特点，这些网络节点有更广的通讯范围，并且几乎没有能量 的限制。 1 2 车辆通信网络的特点分析 车辆通信系统中的两种网络结构( c 和r v c ) ，不仅分别包括其自身网络 的特点，而且由于构成网络节点和运动规律的特有性质，使得每一种网络有了新 的特点。 1 2 1 车路通信r v c 的特点 车路通信网络r v c 属于移动无线通信网络的一种特殊应用，移动无线通信网 络原有的网络架构技术通常包括蜂窝移动通信网络和无线局域网，蜂窝移动通信 网络中移动终端接入固定网络是基于基站的中心接入方式，而无线局域网则要通 过接入点( a p ) 完成终端接入固定网络，这两种网络都是单跳网络，二这种中心 7 中国海洋大学硕士学位论文 接入和单跳特征有别于强调多跳和无中心接入的车间通信i v c 。 车路通信网络r v c 通常有如下特点：( 1 ) 单跳接冬，接入时不存在路由问题； ( 2 ) 设施的构建需要大量的人力、物力的投入，构建周期长；( 3 ) 通过基站或 接入点( a p ) 等中心接入，移动终端没有路由功能，且不能相互直接通信；( 4 ) 网络拓扑结构相对稳定，尽管由于设备或链路引起故障，但网络拓扑结构不会发 生大的改变。 此外，由于车辆作为移动终端，车路通信r v c 除了具有上述与中心接入方 式的无线网络共同的特点外，还有如下特点：( 1 ) 车辆终端的移动速度高，造成 了在接入中心间频繁切换；( 2 ) 车辆终端没有明显的电源限制和计算能力限制： ( 3 ) 由于隧道或野外环境可能使得基站或接入点覆盖不到。 ： 1 2 2 车间通信i v c 的特点 车辆与车辆之间白行组织形成的网络实质上是移动自组织网络的一种特殊 形式，因此它具有以下和移动自组织网络共同的特点：( 1 ) 节点地位平等、无中 心网络的自组织性；( 2 ) 网络拓扑结构动态变化的不可预测性；( 3 ) “单跳 、“多 跳 共存的组网方式，节点与其覆盖范围内的节点通信，单跳即可完成，与其范 围之外的节点通信，需经过中间节点的“多跳 转发，该“多跳 是通过普通的 具有路由功能的节点完成的；( 4 ) 无线传输带宽的有限性和无线信道的脆弱性， 无线信道的物理特性决定了它所能提供网络带宽比有线信道要低得多。同时，由 于竞争共享无线信道产生的碰撞、信道衰减、噪音干扰及信道间干扰等多种因素 使得传输带宽变窄且无线信道很脆弱。此外，由于隐终端、暴露终端、单向信道 等问题也是无线信道脆弱的一个原因；( 5 ) 自组织网络的分布性、临时性和脆弱 性，自组网中的用户终端具备独立的路由和主机功能，并且高度分步。网络都是 为临时使用而建立的，因此，使用结束自动消失。由于网络采用无线信道、分布 自治等技术，使得网络更脆弱。 由于车间通信i v c 的特殊性，使得车间通信还具有如下特点：( 1 ) 可预测的 高速移动特性，利用这个特性能够优化系统；( 2 ) 动态的、快速变化的拓扑结构 ( 由于高速移动性) 由于公路的静态形状使得移动是受限制的、且是一维的；( 3 ) 网络固有的大规模性；( 4 ) 网络的分割特性；( 5 ) 车辆节点不能保证可靠性；1 6 ) 8 智能交通系统中无线通信网络的研究 没有明显的电源限制。 1 2 3 车辆网络的整体特点 从整体看，由于融合了两种不同类型网络结构的车辆网络，使得车辆网络成 为一种新的特殊的无线移动通信网络。车辆网络中i v c 与r v c 的结合既可以看 作是扩展孤立的无线自组网到大规模互联网络，也可以看作无线自组网将蜂窝移 动通信网络和无线局域网中的最后一跳扩展为多跳无线连接。通过车辆网络不仅 可以实现位于不同无线自组网的移动终端之间的通信，而且实现了与现有有线网 络的互连。它具有如下特点：( 1 ) 大规模的异构网络的融合；( 2 ) 网络业务可由 多种方式实现，比如数据传播既可以通过车间通信i v c 实现，也可以通过车路 通信r v c 实现，或通过两种网络的结合来实现；( 3 ) 网络终端高速移动且不可 靠；( 4 ) 网络拓扑结构复杂多变；( 5 ) 网络有了更强的可生存性和扩展性，两种 网络优势互补，相互延伸。 1 3 移动a db l o c 网络简介 移动自组织( a d h o c ) 网络( m o b i l e a dh o c n e t w o r k ) m a n e t 是由一组带 有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的临时性自治系统们。在m a n e t 中，网络中的节点通常由移动主机组成，节点之间不需要经过基站或其它基础设 施就可以直接实现点对点的通信。由于a dh o c 网络中的节点是移动的，网络的 拓扑结构是在不断变化的，并且因为无线节点的通信距离有限，使得网络中的节 点不一定都在其他所有节点的通信范围内。当节点间不能直接可达时，需要中间 节点的转发才能实现相互通信n 。 在移动a dh o c 网络中，每个节点既作为主机又作为路由器。一方面，节点 作为主机运行相关的协同应用程序；另一方面，节点作为路由器需要运行相关的 路由协议，进行路由发现、路由维护等常见的路由操作，对接收到不是发向自己 的分组要进行分组转发。 因为移动a dh o c 网络是一个多跳的无线移动网络，两个要交换信息的主机 可能不能直接进行通信。图i - 4 描述了一个由三个主机组成的简单的移动a dh o c 网络。 9 中国海洋大学硕士学位论文 图卜4 一个简单的移动a dh o c 网络 主机c 不在主机a 的无线覆盖范围之内( 用环绕主机a 的圆环表示) ，同时 主机a 也不在主机c 的无线覆盖范围之内。如果主机a 和c 之间需要交换信息， 就需要主机b 为它们转发分组，因为主机b 在主机a 和c 的无线覆盖范围之内， 此时b 就在为a 和c 的通信中担当路由器的功能。 移动a dh o e 网络可以在没有或不便利用现有的网络基础设施的情况下提供 一种通信支撑环境，从而拓宽了移动通信网络的应用环境。它可以在独立的环境 下运行，也可以通过网关连接到现有的网络基础设施上，如i n t e r a c t 。在后面这 种情况下，移动a dh o c 网络通常是以一个末端网络的方式连接进入现有网络， 它只允许产生于或目的地是自治系统内部节点的信息进出，而不会让其它信息穿 越自治系统。 目前，移动a dh o e 网络不仅在军事应用上占据着重要地位，如单兵个人电 台、车载军用电台等n 铂，而且随着其技术的不断完善，在民用领域，如抢险救灾、 教学、传感器n 及多媒体会议等场合的作用和影响也越来越大，而车载通信系统 则是移动a dh o c 网络近几年新兴的又一重要应用。 1 4 移动a dh o c 网络技术应用于车辆通信的优点 在智能交通系统的车间通信中，需要车辆之间能快速形成一种暂时的、快速 变化、分布式控制的无线网络，以此满足多方面的交通信息数据共享与车辆间的 通讯需求。由此可见，现有的移动自组织网络在一定程度上与需要建立的智能交 通中车辆之间通信的网络是非常相似的。从另一方面来看，车间通信网络i v c 其实是移动自组织网络的一种特殊应用。所以，在研究车间网络通信系统时许多 移动自组织网的研究方法，如移动自组织网络协议的设计与经验都可以借鉴到智 1 0 智能交通系统中无线通信网络的研究 能交通的车间通信i v c 网络中来。而且许多移动自组织网的研究成果都可直接 或间接的用于车辆网络技术的研究中来。 因此，我们需要解决的问题是：如何将原来移动自组织网络的技术用于先进 的车辆网络中，以提高交通效率、减少交通事故的发生。 1 5 移动a dh o c 网络技术应用于车辆通信需要解决的问题 虽然车辆网络与移动自组织网络非常相似，然而车辆网络并不完全等同于移 动自组织网络，与移动自组织网络相比，车辆网络也有许多不同之处，比如：在 移动自组织网络中的节点的能源问题、体积问题等在车辆网络中并不存在；在移 动自组织网络中节点的运动轨迹是随机的，不可预测的，而车辆网络中的节点的 运动轨迹并不是完全随机的，具有一定的规律性；车辆网络中的节点速度与移动 自组织网络研究的节点速度相比要高得多等。可以看出他们之间是有一些重要的 差别的。 一下面我们将结合o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 参考模型来分析移动 一 a dh o c 网络应用于车辆通信需要解决的问题。这里我们将o s i 参考模型简化为 物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层这样5 层网络结构。我们将重点 对数据链路层和网络层要解决的问题进行分析。 1 数据链路层 目前，有两种主要的方法用于开发车辆通信中的m a c 协议，他们的不同点 在于所采用的无线物理接口是不一样的。一种方法是基于现有的w l a n 的物理层， 例如i e e e 8 0 2 1 1 标准，w l a n 提供的是可选的热点连接；另一种方法是对3 g 蜂窝网技术的扩展，例如c d m a ，3 g 提供的是全部覆盖。前者的优点是自身内 在对移动自组织方式下的分布式协调的支持，但是无线电资源分配与传输率控制 不够灵活；相反的，后者由于c d m a 的技术而拥有灵活的数据传输率控制与无 线电资源的分配，但其在移动自组织模式下的协调功能却很复杂。而对于车路通 信r v c 来说，基于蜂窝移动的3 g 技术能满足它的特性，但不足的是数据的带 宽太低；基于w l a n 的无线接入点技术用于车路通信r v c 的不足之处是需要大 量的建造基础设施，这似乎有很大难度。所以怎样将w l a n 的高速接入或3 g 蜂窝网技术的广泛接入有效的应用于车辆网络中是研究的重点。在接下来的第 中国海洋大学硕士学位论文 二、三章中，我们将重点研究车辆网络的媒体访问控制子层m a c 协议。 2 网络层； 常规的路由协议主要是为有线固定网络而设计的，这些网络的拓扑结构是固 定的，不会出现大的网络结构变化。而车辆网络，尤其是车间通信i v c 结构则是 动态变化的，那么常规路由在拓扑结构变化时，就会花很大的代价重新寻找路由， 而且协议状态将始终处于不收敛状态。 车辆网络不能采用常规路由协议还主要由于以下几种因素：( 1 ) 车辆网络中 节点间的无线信道可能存在单向信道；( 2 ) 无线信道的广播特性使得常规路由的 网络选择路由过程中产生许多冗余链路；( 3 ) 常规路由的周期性广播路由更新报 文会消耗大量的网络带宽；( 4 ) 常规路由协议周期性的路由更新报文会消耗大量 的节点能源。 针对应用于车载通信系统的大规模、高动态的特点，其理想的路由协议应该 是可扩展性好、对网络拓扑变化具有高度自适应性的按需路由。即根据发送数据 分组的需要按需进行路由发现过程，采用局部修复等技术，减少路由开销，缩短 路由恢复时间。 要构建完整的车辆网络，必须综合考虑由车间通信i v c 和车路通信r v c 组 成的网络体系结构。因此考虑和评估车辆网络既要完成车辆与车辆之间信息的交 换，同时还要完成每辆车与基站之间信息的交换，因此设计和评估在此场景下的 信息交换协议就变得十分重要。因此本文在接下来的第四章中将详细介绍和分析 目前技术最成熟、研究和应用最广泛的几种路由协议。 通过以上的分析可以看出，将已有的各种关于无线网络的研究成果应用于车 辆通信网络中还有很多需要解决的问题，还需要进行相应的改进。在接下来的章 节中，我们将分别对车辆网络的m a c 协议和路由协议进行分析。并通过对协议 的仿真做具体的协议性能研究。 1 6 本章小结 本章介绍了智能交通体系结构及其中的车辆通信网络。并详细分析了车辆通 信网络的特点，通过结合对移动a dh o e 网络的分析指出了移动a dh o c 网络应 用于车辆通信的优点和需要解决的问题。 1 2 智能交通系统中无线通信网络的研究 2 车辆网络中的媒体访问控制子层m a c 协议 在上一章节中，我们已经对车辆网络中的m a c 层进行了简单的分析，从中 我们可以看出：目前，有两种主要的方法用于开发车辆通信网络中的m a c 协议。 一种方法是基于现有的w l a n 的方式，例如8 0 2 1 1 标准；另一种方法是对3 g 蜂窝网技术的扩展，例如c d m a 。下面我们先对这两种不同的方法做一个简单 的分析比对。 2 1 现有的m a c 协议解决方案及其比较 2 1 1 基于w l a n 的m a c 协议 1 w l a n 利用微波在空中发送和接收数据，无需线缆介质，而且w l a n 的数据 传输速率现在已经能够达到5 4 m b i t s ，传输距离可远至2 0 k i n 以上。移植w l a n 技术到车辆网络中需要在如下领域做进一步的研究： ”a 对无线网络固有的严重的多径衰减的抵制； b 由于高速移动造成的节点之间的时间同步问题； c 在高动态网络拓扑结构中无线资源的分配问题。 其中a 和b 更多的是要依靠硬件和物理层来解决，而c 的解决则要依靠m a c 层来解决。 下面我们先讨论已有的一些解决无线资源的分配问题的方案，他们都是通过 增加新的特点到现存的标准中来解决相关问题的。 dl e e 等依据无线网络的特点设计了类似于i e e e s 0 2 4 和8 0 2 5 的一种特殊 的令牌环接入控制协议：无线令牌环唧( w i t e l e s st o k e nr i n gp r o t o c 0 1 ) n 钔， 以解决无线资源的竞争问题。该协议不仅包括构造、恢复、加入和撤销一个令牌， 而且解决了令牌的循环、恢复和多令牌出现等问题。尽管该协议的设计能适应于 动态拓扑变化的情况，并且仅依赖i e e e 8 0 2 1 1 的物理层，但是其是否能适合于 高速移动的车间网络通信i v c 系统中还需进一步的证明。 g m u r t h y 等提出了一种基于位置的信道接入l c a 协议“盯。假设每一节点具 中国海洋大学硕士学位论文 有可用的位置探测设备，该协议将一定的地理区域分成蜂窝结构，并且每一小格 有唯一和他相关的通道。在被给定的小格内，任何多址访问机制都可采用，如 c s m a ，c d m a ，t d m a 等。从某种程度上讲，l c a 协议不仅仅是w l a n 的扩展。 考虑到l c a 和s d m a ( 空分多址) 之间的相似性，其对于高速移动的车间通信 i v c 的适应性还有待迸一步的研究改进。 还有一些其他基于传统局域网技术的建议如非坚持c s m a 和以概率p 坚持 的c s m a 方式，从报文丢失率的角度来看，非坚持c s m a 要优于p 坚持c s m a ， 因此，非坚持c s m a 被d e m 0 2 0 0 0 项目采纳为车间通信i v c 协议的一部分。： 很多其他的协议也是通过局部修改i e e e 8 0 2 1 1 被提出，虽然目前己经提出 几种m a c 协议，但是要将它们运用于实际还需更多的努力。目前美国a s t m 选择 一 ， 的是i e e e 8 0 2 1 l a ，它是以d s r c a e j 为基础。而在欧洲，c a r t a l k 提出的基于u t r a t d d 的m a c 协议将是另一个应用于i v c 系统的协议。 2 1 2 基于3 g 技术的m a c 层协议 通过上一章的简单分析，可以看出在车路通信r v c 中应用3 g 技术是可行 的。而要直接将3 g 技术应用在车间通信网络中是要进行大量改进的，因为该技 术是为有中心控制的蜂窝网所设计的。为了将3 g 技术应用到车间通信i v c 网络 中，要解决如下问题： a 分布式无线资源管理 b 功率控制算法 c 时间同步 许多方案建议对于分布式通道分配使用a l o h a ( r - a l o h a ) 。r a i ，o h a 比时隙a l o h a 有更高的吞吐量，因为只要有数据包发送，则在序列结构中就匹 配一个时隙。然而，为了将r - a l o h a 应用到车间通信i v c 还有两个问题需要 解决：一是在许多参与节点和频繁预约的情况下，r - a l o h a 有一定的不稳定性， 该问题可以应用m l o t t 等人在文献中提到的方法得到解决，其中时间同步问题 是依靠g p s 和附加的同步序列号来解决n 铂n 田；另一个是，r a l o h a 需要一个广 播环境，目的是为了让所有的节点收到发送信号，更为重要的是得到时隙的状态。 e b o r g o n o v o 等研究员开发了：一个新的可靠的r - a l o h a 协议n 盯，解决了上述问 1 4 智能交通系统中无线通信网络的研究 题，但没有在高速移动网络环境下进行仿真和评估。 另外，有一些协议将c d m a 和随机通道访问机制结合起来用到无线移动网 ： 络中。如r a - c d m a ，c a - c d m a 等，按照文献中的分析结果，此类协议对于移 动自组织网络是适用的，但要适合于车间通信i v c 还需要有很多的改进。 由以上的分析，可以看出：将基于w l a _ n 的m a c 协议应用到车辆网络中 是有很大的优势和可操作性的。我们的研究重点就是设计一种基于w l a n 的 m a c 协议，使其能够应用到妾辆网络中，完成相应的功能。 2 2 基于w l a n 的车辆网络m a c 协议 车辆网络的m a c 协议的作用是要定义节点接入无线信道的规则。对于高效、 - ， 一 ：， 公平的共享无线带宽资源来说，信道接入协议起着至关重妻的作用o l 种好的信 道接入协议应能达到下述要求： 公平、有效地分享有限的带宽资源； 获得尽可能高的吞吐量； 延迟尽可能小。 2 2 1 w i a n 的m a c 协议 i e e e8 0 2 1 1 的m a c 子层协议首要的任务就是控制介质访问。按照拓扑结 构划分，i e e e8 0 2 1 1m a c 协议支持独立基本服务集( m s s ) 、基本服务集( b s s ) 和扩展服务集( e s s ) 三种类型的无线局域网删嘲嘲。 独立基本服务集：这种拓扑结构是一种分布对等式结构，它是w l a n 中最基 本和最简单的组成结构，是一种无中心的网络拓扑结构，网络中各个站点竞争公 用信道，当站点数过多时，信道竞争成为限制网络性能的关键因素。 基本服务集：这是一种有中心控制结构的网络拓扑结构，一个基本服务集包 含1 个无线基站( a p ) 和多个无线移动站。所有的移动站点在本b s s 以内都可 以直接通信，但在和本b s s 以外的站点通信时都必须通过本b s s 基站的转发。 扩展服务集：一个扩展服务集至少有两个无线基站工作在b s s 结构模式， 包含多个小区，两个b s s 之间可使用不同的服务集标识。当一个站点从一个b s s 移动到另外一个b s s 时，需要完成越区切换，这是一种链路层的移动；当一个 中国海洋大学硕士学位论文 站点从一个e s s 移动到另一个e s s 时，需要完成漫游( r o a m i n g ) ，这是一种网 络层的移动。 在m a c 层，8 0 2 1 1 标准定义了两种不同的工作方式嘞1 ：一种是分布式协调功 能( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ，d c f ) ，另一种是中心点协调功能( p o i n t c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ，p c f ) 。分布式协调功能d c f 是i e e e 8 0 2 1 1 最基本的媒 体访问方法，在d c f 中，各个站点地位平等，采用竞争的方式来共享共同的信 道，所以在无中心的车间通信网络i v c 中，可以采用分布式协调功能。而中心 点协调功能p c f 需要一个管理整个网络的中心节点，整个网络中信道的分配由 中心节点完成，不存在冲突，因此可以在有基础设施架构的网络中应用。在车辆 网络中的车路通信中就可以采用中心点协调功能p c f 。 2 2 2p c f 接入方式 p c f 是一种集中式的控制方法，它存在一个点协调机制，在有基础设施架构 的网络中，设置一个单独的中心协调点( a p ) ，采用轮询机制控制所有站点对信 道的访问。它保证了无冲突的服务。 当系统处于p c f 方式时，中心协调点a p 会给每个需要发送数据的站点安排 合适的时间片，保证了时延方面的要求。由于中心点协调机制的存在，p c f 一般 能提供较低的时延，并能够舍弃其他的冲突控制机制。一个站点要发送和接收数 据，必须要得到a p 的选择和允许。因为使用了更高级的优先接入，a p 总能发 布选择请求( p o l l i n gr e q u e s t ) 给各个站点用以数据传输。 p c f 只能在有基础设施架构网络中使用，车辆网络中的车路通信可以应用 p c f 方式。本文重点研究车间通信，所以对p c f 方式不做详细讨论。 2 2 3d c f 接入方式 i e e e8 0 2 1 1 中的分布式协调功能采用带冲突避免的载波侦听多路访问 ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s w i t