（计算机应用技术专业论文）车用自组织网的可靠数据分发策略研究.pdf

r e s e a r c ho nr e l i a b l ed a t ad i s t r i b u t i o ns t r a t e g yi n v e h i c u l a ra d h o cn e t w o r k b y c h ug u o x i n u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f l i uy u e at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y2 0 ，2 0 1 0 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的 研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：逮蝉 日 期：2 幻生蒯 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 敝储獬：够剔磁轹嘴 一 济南大学硕十学位论文 詈詈暑詈詈詈! ! ! ! 詈曼詈! ! ! ! ! ! ! ! 皇i i i 毫曼! 曼暑! 皇皇! ! 鼍暑! 詈苎! ! 皇! 鼍曼! ! ! 詈! 詈鼍! ! 詈詈皇詈鼍皇 目录 摘要i i i a b s t r a c t v 第一章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 车用自组织网络特点2 1 3 车用自组织网络应用3 1 3 1 安全相关应用4 1 3 2 非安全相关应用5 1 4 车用自组织网络研究现状5 1 5 论文内容6 第二章车用自组织网络协议体系结构7 2 1 车用自组织网络应用层8 2 1 1 安全相关应用一8 2 1 2 非安全相关应用9 2 2 车用自组织网络网络层1 l 2 2 1 广播1 2 2 2 2 组播13 2 2 3 路由发现13 2 2 4 网络断裂16 2 3 车用自组织网络m a c 层1 6 2 3 1 单信道接入1 6 2 3 2 多信道接入技术1 7 2 3 3 广播支持m a c 协议18 2 3 4 方向天线18 2 4 车用自组织网络物理层l8 2 5 本章小结1 9 第三章稀疏车用自组织网络2 1 3 1 稀疏车用自组织网络的特点2 l 3 1 1 邻居表2 1 l 车用自组织网的可靠数据分发策略研究 3 1 2 数据的分发策略2 1 3 2 针对稀疏车用自组织网络的研究方向2 2 3 3 本章小结2 3 第四章一种新的稀疏车辆网络数据分发算法一e p f 2 5 4 1e p f 数据分发需求分析与功能设计2 5 4 1 1 辅助驾驶2 5 4 1 2 分布信息收集2 5 4 1 3 车辆协作2 6 4 2e p f 中的邻居表设计。2 6 4 3e p f 中的数据分发策略2 8 4 3 1 中继节点2 9 4 3 2 非中继节点3 1 4 4e p f 中的网络修复策略3 l 4 4 1 路由驱动网络修复3 1 4 4 2 非路由驱动网络修复3 3 4 5 性能分析3 4 4 5 1 协议的性能分析3 4 4 5 2 与其它协议的比较3 5 4 5 3 仿真工具介绍3 6 4 5 4 协议仿真3 7 4 5 5 仿真结果分析3 7 4 6 本章小结4 0 第五章结束语4 3 5 1 总结4 3 5 2 展望4 4 参考文献4 5 致 射5 1 附录a 攻读硕士学位期间完成的论文和参加的科研项目5 3 i l 济南犬学硕十学何论文 摘要 随着车辆技术的发展和车辆的普及，车辆已经成为生活中不可或缺的部分，车 用自组织网络v a n e t ( v e h i c u l a r a dh o cn e t w o r k ) 作为一个新的无线通讯研究领域， 已经成为智能交通系统i t 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 ) 的重要组成部分，但 是现在大部分研究都仅仅是针对密集车辆网络的研究，但是在农村或是高速公路等 稀疏车辆网络中的数据分发研究还没有得到广泛开展，论文的研究就是针对稀疏车 辆网络中的数据分发策略的研究。 首先，论文介绍了车用自组织网络的概念以及研究现状，在此基础上，分析车 辆网络的特点，对车用自组织网络协议体系结构采用分层方式进行研究，并对网络 层的数据分发协议进行比较分析。 其次，在总结前面技术的基础上，归纳出稀疏车用自组织网络的特点，分析稀 疏车用自组织网络与密集车用自组织网络的不同，以及这些特点给数据分发的研究 带来的挑战，并给出应对这些挑战的数据分发策略。 最后，我们提出车辆网络的数据分发协议e p f ( e n h a n c e dp e r i m e t e rf o r w a r d p r o t o c 0 1 ) ，协议结合贪婪选择与节点移动算法，提出基于角色的数据分发方法。根 据车辆节点的位置、方向进行角色的分配，不同的角色采取不同的数据分发策略， 为了提高协议模型的可靠性，论文提出克服黑洞问题以及网络断裂的方法，协议模 型综合了基于位置和角色的协议特点，对稀疏车辆网络中由于节点高速移动所带来 的网络断裂和拓扑变化有很好的自适应性，可以满足车辆网络的安全应用需求，论 文还在n s 2 网络仿真平台下进行e p f 协议仿真，仿真结果证明，基于角色的数据 分发策略在稀疏网络中能够较好地实现数据分发的实时性；协议模型中的克服黑洞 以及网络断裂的策略能够较好的满足稀疏网络可靠性方面的要求。 关键词：智能交通；无线通讯；车用自组织网络；角色；数据分发；n s 2 i i i 车用自组织网的可靠数据分发策略研究 i v 济南大学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fv e h i c l et e c h n o l o g ya n dt h ep o p u l a r i t yo fv e h i c l e s ，v e h i c l e h a sb e c o m ea ni n d i s p e n s a b l ep a r to fo u rl i f e i no r d e rt oa c h i e v es a f e d r i v i n ga n d i m p r o v et r a f f i ce f f i c i e n c y , v a n e t ( v e h i c u l a ra dh o cn e t w o r k ) ，a san e wr e s e a r c hf i e l d o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，h a sb e c o m ea ni m p o r t a n tc o m p o n e n ti ni t s ( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) m o s to ft h es t u d i e sh a v eb e e nc a r r i e do u tf o rc o m p a c tv e h i c u l a r n e t w o r k ，b u tf e wa t t e n t i o n sh a v eb e e np a i do nd a t ad i s t r i b u t i o ni ns p a r s en e t w o r ks u c ha s r u r a lo rh i g h w a y , t h i sp a p e ra i m sa tt h er e s e a r c ho nd a t ad i s t r i b u t i o ns t r a t e g yi ns p a r s e n e t w o r k f i r s t l y , t h ec o n c e p ta n dt h es i t u a t i o no fs t u d yo fv a n e ta r ei n t r o d u c e d ，a n db a s e d o nt h ei n t r o d u c t i o n ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ev e h i c u l a rn e t w o r ka r ea n a l y z e d ，a n da l s o t h ea r c h i t e c t u r eo fv a n e tp r o t o c o li ss t u d i e d h i e r a r c h i c a l l y , e s p e c i a l l y t h ed a t a d i s t r i b u t i o np r o t o c o l si nt h en e t w o r kl a y e ra r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d s e c o n d l y , t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs p a r s ev a n e ta r es u m m a r i z e d ，a n dt h ed i f f e r e n c e b e t w e e nc o m p a c ta n ds p a r s ev a n e ta r ep r o p o s e d ，t h ec h a l l e n g e sb r o u g h tb yt h e s p e c i a l c h a r a c t e r i s t i c st ot h ed a t ad i s t r i b u t i o ns t r a t e g ya r ea n a l y z e d ，a n dt h es t r a t e g i e st od e a l w i t ht h ec h a l l e n g e sa r ep u tf o r w a r d f i n a l l y , an e wd a t ad i s t r i b u t i o np r o t o c o le p f ( e n h a n c e dp e r i m e t e rf o r w a r d p r o t o c 0 1 ) i sp r o p o s e di nv e h i c u l a rn e t w o r k ，b a s e do nt h ec o m b i n a t i o no fg r e e d y a l g o r i t h ma n dn o d em o b i l i t y , t h ep r o t o c o lp u t sf o r w a r dt h er o l e b a s e dd a t ad i s t r i b u t i o n m e t h o d t h er o l ei sd e s i g n e db yt h ep o s i t i o na n dd i r e c t i o no fv e h i c l en o d e ，a n dd i f f e r e n t r o l ew i l la d o p td i f f e r e n td a t ad i s t r i b u t i o nm e t h o d f o ri m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t y , t h e p r o t o c o lm o d e lp r o p o s e st h ew a y t oo v e r c o m et h eb l a c kh o l ea n dn e t w o r kf r a g m e n t ，a n d t h es y n t h e s i z a t i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i c so f p o s i t i o n - - b a s e da n dr o l e - b a s e di sp u tf o r w a r dt o g a i nb e t t e ra d a p t a b i l i t yt ot h en e t w o r kf r a g m e n ta n dt o p o l o g yc h a n g eb r o u g h tb yh i g h s p e e dm o v e m e n to fn o d ei ns p a r s ev a n e t , s ot h ep r o t o c o lm o d e lc a ns a t i s f yt h ed e m a n d o fs a f e t ya p p l i c a t i o n t h ee p fp r o t o c o lm o d e ls i m u l a t i o ni sc a r r i e do u tu n d e rn s 2 n e t w o r ks i m u l a t i o np l a t f o r m ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h er o l e b a s e d d a t a d i s t r i b u t i o ns t r a t e g yc a na c h i e v et h er e a l t i m ed a t ad i s t r i b u t i o ni ns p a r s en e t w o r k ，t h e v 车用自组织网的可靠数据分发策略研究 s t r a t e g i e si ne p fp r o t o c o lm o d e lt oo v e r c o m et h eb l a c kh o l ea n dn e t w o r kf r a g m e n tc a n b e t t e rm e e tt h er e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n t si ns p a r s en e t w o r k 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 n ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，v e h i c u l a ra dh o c n e t w o r k ，r o l e ，d a t ad i s t r i b u t i o n ，n s 一2 v l 济南大学硕十学化论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着车辆的智能化，越来越多的车辆和公路边的基础设施都开始装备无线通信 设备，车辆能够在一个自组织的、快速变化的无线移动网络中进行通信，同时这些 车辆还能访问公路边的无线通信设施【l 】，因此，车辆网络v n ( v e h i c u l a r n e t w o r k ) 这个新概念被引入到无线网络通信领域，这种车辆网络也被称为车用自组织网络 v a n e t ( v e h i c u l a r a d h o cn e t w o r k ) 【2 】，车辆间通过信息传输能够有效地防止事故 的发生，所以车用自组织网络是智能交通系统的研究热点【3 】，智能交通系统的目标 就是提供安全的交通环境，智能交通系统中的大部分设施都是不可移动的，所以车 辆如果想要获取自己想要的信息就必须在系统设备的无线通信范围内才能进行交 互，获取所需要的信息，而车辆网络的出现改变了这种点到点的通信模式，车辆之 间也可以进行通讯，这就大大丰富了车辆获取信息的途径，提高了智能交通系统的 效率。 车用自组织网络是无线网络研究的新领域，是移动自组织网络m a n e t ( m o b i l ea d h o cn e t w o r k ) 【4 】的特殊应用。随着车辆的普及，车辆网络领域的研究 已经得到越来越多的重视，车辆网络的研究，特别是城市中的这种紧密车辆网络， 由于车辆比较密集，对区域的信号覆盖也比较充分，所以紧密车辆网络的研究开展 起来比较容易，但是在农村或是高速公路等稀疏车辆网络领域的研究工作开展相对 缓慢，欧洲的许多工程项目如w i l l w a r m 以及c a r t a l k 5 】等，都是专门针对紧密 网络的通信领域，但是随着车辆的普及范围越来越广泛以及国内道路建设的完善， 稀疏车辆网络领域的研究将会成为车辆网络领域的重要部分。 车用自组织网络中的通信研究主要分为安全相关的研究与其它研究，现在的研 究热点是针对安全相关的研究，通过车辆间传输信息来实现辅助驾驶，信息搜集， 车辆协作等【6 】，提高车辆行驶的安全性。 论文主要针对稀疏车用自组织网络中安全相关数据分发策略的研究，通过车辆 间的相互协作实现数据的快速分发，稀疏车用自组织网络中的数据分发与紧密网络 不同，较低的车辆密度影响信号的覆盖范围，论文中的协议模型提出一种快速数据 分发策略以克服这种影响。 、 车用自组织网的可靠数据分发策略研究 1 2 车用自组织网络特点 车用自组织网络特点是能进行车辆间i v c ( i n t e rv e h i c l ec o m m u n i c a t i o n ) 和车 辆与路边设备间r v c ( r o a d s i d e v e h i c l ec o m m u n i c a t i o n ) 的信息交换【1 7 1 ，从而达到 车辆与车辆之间、车辆与路边的基础设施之间的实时通信，利用这些信息来实现道 路交通安全应用，车辆技术的发展对车用自组织网络的产生起了决定性的作用，如 图1 1 所示，每个车辆都要装备g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 接收器和收集周 围车辆关键信息的传感器，通过各种传感器准确地捕捉环境信息然后加以分析处 理，任何一种传感器都很难保证在任何时刻提供完全可靠的信息，多传感器分布协 作技术【引，即将获得的多个分布传感器信息进行合成，形成对某种需要特征的描述， 分布式传感器协作技术能够充分利用传感器数据问的冗余和互补特性，获得需要的 信息9 1 。同时，车辆的前后左右四个方向都应装备有检测其周围是否有其他车辆的 设备。 图1 1 车辆辅助系统 车用自组织网络是以公路分布结构为基础的特殊的自组织网络，它与一般的无 线自组织网络不同，车辆之间以及车辆和路边设备之间的通信可以实现停息的分 发，来预警事故、辅助司机驾驶，交通信息查询以及因特网服务等应用。 w i l l w a r m 、s a f e s p o t 以及f l e e t n e t 等工程都致力于车用自组织网络通信 研究，5 ，8 5 5 9 2 5 g h z 频率范围就是联邦通信委员会分配的专门用于这种通信领域 t l o l ，v a n e t 的产生吸引了许多国家的兴趣，下面介绍了v a n e t 的一些特点： 1 丰富的辅助信息 随着g p s 和g i s ( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 1z 1 技术的发展，车辆可以 获得位置、地理特征等信息，现在大部分的协议体系研究都是基于地理位置和地理 特征的，丰富的辅助信息为v a n e t 协议体系的发展提供了有力的支持。 2 济雨大学硕十掌何论文 2 链路质量的可测量性 协议体系中只有发送方才能估计链路的质量，并且选择数据传输接口和估计可 用的带宽，发送方通过收集网络拓扑结构、节点密度等信息来动态的调整数据传输 速度和传输接口，增加了数据传输的可靠性【1 2 】。 3 无能量的限制 传感器网络对能量的要求比较严格，车用自组织网络中的车辆使用电池作为能 源，因此没有能量的限制【1 3 】。 4 方向天线的使用 可变方向的信号传输，不仅提高了数据传输中空问的复用率，同时也降低了信 息冲突的概率1 4 】。车用自组织网络的拓扑结构依赖道路的分布、地理位置和地形， 像隧道、高速公路等地形的特殊性以及车辆的快速移动带来的网络拓扑结构的快速 变化都给数据分发协议的研究带来的很大的挑战，其中主要包括不稳定的无线传输 信道和车辆的特殊分布： 1 不稳定的无线信道 由于网络的特殊结构，带来了许多会影响信息传输质量的因素，如噪声、节点 的快速移动以及节点间的障碍物。 2 特殊分布 车辆的分布依赖于道路的分布，管状分布的车辆网络的特殊带来信息的重复传 输，形成广播风暴，这在很大程度上限制了网络的吞吐量【1 5 】。路径的生存时间也因 为拓扑结构的迅速变化而缩短，2 5 0 米的信号传输距离网络中路径生存时间大于1 5 秒的机率率为5 7 1 6 】。 1 3 车用自组织网络应用 车用白组织网络由于工作在特殊的环境中并且与一般的无线自组织应用不同， 它对于服务质量的要求比一般的服务类型要高，网络中的服务根据服务质量要求的 不同可分为与安全相关服务和非安全相关服务两类。 车用自组织网络具有极高的应用前景和研究价值，在车用自组织网络上开发的 应用和服务可以分为以下4 类： 1 安全告警类应用【1 7 】 这类应用是在有事故发生或者存在事故隐患时，通过在车辆间实时地交互信息， 使驾驶者可以对突发的事故做出及时反应，避免造成更严重的事故。 车用自组织网的口】靠数据分发策略研究 2 协同驾驶 这类应用的目的是帮助驾驶员快速、安全地通过十字路口、高速公路出入口等 敏感地段，安全警告以及协同驾驶的应用对时延的要求很高，所以此类应用要求协 议模型有很快的数据分发速度【1 8 】。 3 交通信息发布 这类应用是为了给驾驶者提供交通状况查询，如道路拥堵、车辆密度等信息， 从而可以提高道路交通效率，改善车辆驾驶条件，这类应用对时延要求不高【1 9 】。 4 信息服务类应用 这类应用是为用户提供i n t e m e t 服务【2 0 】，如媒体数据、移动网络办公等。 车用自组织网络按照信息的安全紧急程度又可以分为安全相关的应用和非安全 相关的应用。 1 3 1 安全相关应用 1 合作转发冲突警告 造成冲突的主要原因是非常规的驾驶行为，如突然的制动等，这种原因在交通 事故中占很大的部分，合作转发冲突警告提出了驾驶辅助服务来避免这种事故的发 生，在一般驾驶模式下，车辆相互匿名共享信息，如位置、速度等，为了能预测冲 突，每一车辆监视自己以及周围驾驶员的行为和车辆的位置，当监测到车辆逼进时， 来提醒司机采取一定的策叫2 1 1 。 2 事故预感及警告 事故预感及警告是紧跟着合作转发冲突警告的下一个步骤，此类应用在假设事 故是不可避免的情况下尽可能的减小连带事故的发生，与合作转发冲突警告相似， 它要求所有的车辆周期性的共享来自邻居的信息来预报事故。一旦事故不可避免， 相关的车辆迅速地交换信息如更精确的位置，车辆的大小等【2 2 1 。 3 信息安全 车辆为了获得便利的交通等私人利益，故意传输错误的信息给其它车辆，所以 信息传输过程中发送者身份的确认以及位置信息的真实性也就成为信息安全应用 的一个重要组成部分【2 3 1 。 4 隐私和可追溯性 隐私和可追溯性也是一种安全相关的应用，它要求每一车辆都有唯一的标识， 用于追踪和事故后的责任认定等功用，所以信息传输过程中的加密技术也被引入安 4 济雨大掌帧t ：宁何论文 全策略【2 4 1 ，应用于无线网络中的加密技术不能直接应用在车辆网络中，所以加密技 术在车用自组织网络中的改进也成为安全相关应用的重要组成部分。 1 3 2 非安全相关应用 非安全应用对实时性要求不是很高，主要是信息服务，非安全相关的应用可分 为上面提到的分布式交通信息发布和信息服务类应用两类，主要包括交通情况的查 询、i n t e r n e t 服务接入等方面，交通查询能够改善交通条件，非安全相关的应用提供 了大量的服务可用来提高网络的吞吐量和带宽的使用率。 1 4 车用自组织网络研究现状 目前车用自组织网络已经引起世界各国研究机构和科研人员的密切关注，其中 的通信协议体系和车辆技术在车用自组织网络的发展中起到了决定性的作用【2 5 】，车 用自组织网络中的协议体系研究必须建立在车辆硬件技术的基础上，不同的国家由 于地形、地理位置以及气候等方面的因素，使得国家道路体系的建设也各不相同， 再加上各个国家的汽车技术标准不能够统一，协议的研究也只能建立在不同的平台 上，导致协议的研究不能够很好的溶合在一起，很大程度上限制了协议的发展，国 内外有关车用自组织网络研究都主要集中在与自己国家地理位置和地形相关的通 信协议方面【2 6 1 ，现有的车辆网络研究工程项目可分为车辆及基础设施相关的研究和 协议体系标准的研究两类。 1 车辆及基础设施研究工程 欧盟资助的提供车辆通信安全的s e v e c o m 项目、车辆间通信联盟( c a r - c a r c o m m u n i c a t i o nc o n s o r t i u m ) 以及德国的“n e t w o r ko nw h e e l s ”【2 7 】都是研究如何优 化车辆通信和基础设施的部署，以提高道路安全行驶和优化道路交通。 图1 2 安全辅助驾驶系统 车用自组织网的可靠数据分发策略研究 曼! 曼! ! 曼! ! 曼! ! 苎! 鼍! ! ! ! 皇曼! ! ! ! ! ! 曼! ! ! 皂! ! ! 苎! ! ! 皇! 皇曼苎| i i i m ! ! ! ! ! ! ! ! 曼皇! ! 曼! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 还有一些欧盟资助的工程如c a r t a l k ，w i l l w a r n ，c v i s 以及美国的 t r a f f i c v i e w 2 引都是致力于安全辅助驾驶系统，这些项目的研究重点是车辆间的通 信，如图1 2 所示，为了尽可能预防事故发生，车辆之间通过数据的交换来分发车 辆非常规驾驶、车辆转向以及道路堵塞等信息以提高驾驶效率。 2 协议体系标准 e r t i c o l 2 为车用自组织网络带来开放式的信息通信服务标准，其中通信协议 体系研究集中在车辆网络中的预防安全系统，数字地图和相关应用程序也为车用自 组织网络协议体系提供了有力的技术支持，能够有效的改善车辆运行的安全性和效 率，实现辅助驾驶以及危险情况预防。 p r e v e n t 和c o m e s a f e t y 都是欧盟资助的项目，致力于研究汽车远程数据处理 服务和数据传输标准化的端到端的协议体系结构【3 0 】。 通信协议体系的标准化能够弥补由于硬件传输设备的不统一带来的通信效率 问题，通信协议的研究是v a n e t 体系中的重要部分，论文也是对通信协议的研究。 1 5 论文内容 论文从结构上分为五个部分： 第一章介绍课题研究的背景、目的和意义。介绍了车用自组织网络的特点，以 及车用自组织网络在现实中的一些应用和国内外研究现状。 第二章详细地阐述了车用自组织网络协议体系结构的组成，将车用自组织网络 协议体系结构分为四层，并对每一层的相关协议的特点进行分析比较，其中着重对 网络层协议中数据的转发策略进行详细分析，并给出协议中影响效率的因素的分析 比较，为后面的协议模型建立理论基础。 第三章研究稀疏车用自组织网络的特点以及这些特点给数据分发协议研究带 来的挑战，最后提出应对这些挑战的策略方向。 第四章首先提出稀疏车用自组织网络中的数据分发的需求分析与功能设计，提 出一种新的应用于稀疏车用自组织网络数据分发协议模型e p f ( e n h a n c e dp e r i m e t e r f o r w a r dp r o t o c 0 1 ) ，并且在n s 2 仿真环境下进行协议的仿真。 第五章给出了课题研究的总结以及将来工作的展望。 6 济南大学硕十学位论文 第二章车用自组织网络协议体系结构 车用自组织网络体系结构( 如图2 1 所示) 根据通讯媒介和通讯方式和可分车 辆与路旁设备单元的通讯r v c ( r o a d s i d e t o v e h i c l ec o m m u n i c a t i o n s ) 、车辆间通 讯i v c ( i n t e r - v e h i c l ec o m m u n i c a t i o n s ) 以及r v c 与i v c 混合通讯三种【3 1 j 。车辆通 过车载的无线通讯设备之间或是车载设备与路边设备进行数据交换，并且将数据进 行处理，并在车载终端显示需要的信息，提供辅助性的建议，提高驾驶的安全性， 改善车辆行驶的效率。 一四弋5 刿 y 感应设备 两 r _ 一岳 显示终端 一、 存储 处理 l cj 图2 1 车用自组织网络体系结构 现在许多国家对于车用自组织网络的研究将硬件和软件研究分离开来进行，硬 件技术发展相对缓慢，并且研发周期比较长，并且不同车辆的通讯设施也没有形成 统一的标准，所以许多研究都把重点放在通信协议上，如何在现有的硬件基础上进 行通信协议的设计以提高车辆网络的安全性与效率，成为车用自组织网络的研究热 点。 为了能够更好地理解车用自组织网络协议，我们将车用自组织网络协议的研究 分为应用层、网络层、m a c 层和物理层四层，如表2 1 所示，并且在后面介绍了每 一层相关协议的研究，其中对应用层的研究主要分为安全相关的应用以及其它非安 全相关的应用，论文后面提出的适用于稀疏车辆网络的数据分发协议就是对安全应 用相关的数据分发支持，非安全相关的应用主要介绍当前一些交通查询以及i n t e r n e t 接入技术，对于网络层的研究主要集中在网络层的数据分发协议上，其中包括广播 任播策略、组播多播策略、路由发现以及网络断裂修复相关的研究，最后提出了 邻居表的更新策略，最后是媒体撞入控制m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 层和物理 层，下面就对每一层的相关研究进行详细介绍。 7 车用自组织网的可靠数据分发策略研究 表2 1 车用臼组织网络协议体系 应用层 安全应用非安全应用 警告预警 信息安全 隐私和可追溯性交通查询、i n t e r n e t 接入等 网络层广播任播组播多播路由发现 m a c 层单信道双多信道广播支持m a c 协议 物理层无线电频谱、物理介质 2 1 车用自组织网络应用层 车用自组织网络是一种特殊的自组织网络，由于工作在特殊的环境中并且与一 般意义的网络应用又有着不同，节点的快速移动所带来的网络拓扑结构的快速变化 与要求很高的服务质量使车用自组织网络应用层的研究陷入了两难的状况，车用自 组织网络中的应用服务根据质量要求不同可分为与安全相关和非安全相关的服务 两类。 2 1 1 安全相关应用 由于车辆网络中的节点移动速度非常快，而且事故所造成的后果也是非常严 重，所以安全服务对实时性的要求非常高，安全服务主要包括事故预感，合作转发冲 突警告、信息安全以及隐私和可追溯性三方面： 1 紧急事故预感合作转发警告 驾驶员的疏忽或是非法的驾驶行为是造成终端冲突的主要原因，由此造成的事 故占据交通事故中的很大部分，紧急事故预感合作转发冲突警告应用中提出驾驶辅 助服务来进行事故的预测和已发生事故的合作转发【3 2 l ，来通知其它相关的车辆，尽 可能减小事故概率，其中研究最多了是已发生事故的合作告知。 车辆共享位置、速度等信息，为了能预测冲突，车辆间相互监视自己以及周围 驾驶员的行为和车辆的位置。当监测到非法行驶的车辆时，来提醒司机采取一定的 策略。许多研究人员针对不同的应用提出了不同的防止冲突的策略。其中针对事故 感知和警告合作转发的研究都提出了一些分组策略，如文献 3 3 3 4 中提出了基于相 同运行模式的分组策略，通过组内进行驾驶行为的预测，文献 3 5 1 0 e 要求所有的车 辆周期性的共享来自邻居的信息来预报事故，一旦事故不可避免，相关的车辆迅速 地交换信息如更精确的位置，车辆的大小。基于安全制动距离以及驾驶员反应时间 提出了危险距离和危险区域的概念【3 6 1 ，进入危险区域的车辆需要得到及时的通知， 济南大学硕十学何论文 这种应用需要： 在相互传输范围内的车辆间可以共享信息 精确的相对和绝对位置信息 车辆问要彼此的信任 2 信息安全 车辆故意传输错误的信息给其它节点以获得更多的便利，所以信息发送者的身 份认证以及位置信息的实时性也就成了安全应用的一个重要部分f 3 2 】。 j p h u b a u x 【3 7 】使用基于基站的置信网络和延迟答复的方法来来认证位置信息的 正确性，t i ml e l n m u l l e 3 8 】在延时答复方法的基础上结合两次握手技术来进一步 验证了信息的正确性，但基站的使用带来了很大的硬件开销，后来出现了用移动节 点代替基站的方法，如文献 3 9 1 0 0 提出通过与自己星形连接的邻居节点的观察来综 合计算节点的可靠性，动态实现了对节点信息正确性的检查，累积估计方式【4 0 1 与星 型估计不同，它要求信息所跳过的每一个节点都会估计信息的正确性，最终接收节 点通过累计值与门限的比较决定是否相信接收到的信息，这两种方式都会产生很高 的计算开销，但随着单收发器的计算速度的提高，使得它的可用性远远高于基站的 方式。 3 隐私和可追溯性 隐私和可追溯性也是一种非常重要的应用，权威地址机构为每一节点创建一个 唯一的映射。文献 4 1 】要求创建足够多的认证供所有的车辆进行随机选择，要求认 证机构需要维持一个很大的数据库，而文献 4 2 1 0 0 贝j 要求标识管理单元和路径追踪 单元分别管理车辆的唯一标识注册和行驶路线的追踪，这样就大大减小了数据库的 规模，但是路由的追踪却增加了硬件的开销，车辆注册后，移动管理单元线性分发 给车辆唯一标识，接收到信息的节点通过公私密钥算法来认证消息的可靠性，并且 将发送者的标识信息存储到移动管理单元来追踪信息来源。 2 1 2 非安全相关应用 非安全相关应用主要是信息服务应用，主要包括交通条件的查询，i n t e m e t 服务 接入等方面。高效的交通查询能改善交通条件，其中包括位置、速度、车辆密度以 及交通阻塞等方面，由于g p s 在车辆中的普及，所以车辆可以得到自己的位置，简 单的g p s 获得的位置不够精确，不能够满足应用，为了获得更高精度的位置信息， 许多车辆定位技术涌现出来。 q 车用自组织网的可靠数据分发策略研多z i 位置查询 现有的定位技术可根据车辆是否载有g p s 系统分为基于g p s 的定位和非基于 g p s 的定位两类： 基于g p s t 尉n g 4 3 1 利用最初的g p s 技术和差分g p s 4 4 1 ，并且结合电子地图，增加了计 算的开销但提高了位置定位的可靠性，航位推测法【4 5 1 则是在上一次获得的位置信息 的基础上通过行驶速度来计算自己的位置，或者通过与自己邻近位置的车辆的位置 信息来计算自己的位置，差分g p s 定位技术与航位推测法的精确性都比单纯的g p s 技术要高。 非基于g p s 在实际的环境中，并不是所有的车辆都载有g p s 系统，并且由于信道环境的阻 碍，使得有些车辆不能够利用g p s 技术来获取自己的位置。基于三角测量方法的分 布定位系统m 利用载有g p s 系统的车辆来辅助未载有g p s 系统的车辆，车辆的快 速移动降低这种方法的精度，所以三角测量还结合车辆发送信号的强度来计算车辆 的位置，这种方法的精确度主要依赖于邻居节点以及邻居的位置信息，但在实际模 拟的平均误差大概是在8 - 2 1 m1 4 7 1 。 2 i n t e m e t 接入 i n t e m e t 接入也是信息服务的重要应用，此应用可以为车辆提供丰富的服务，车 辆的运行效率可以通过传输文件或者下载地图来改善，车辆可以通过作为接入点连 接到路边设备或是作为网关的节点来接入i n t e r n e t ，分配i p 地址策略成为接入因特 网的关键技术，其中对分配策略影响最大的就是节点的快速移动，下面对现有的i p 地址分配技术进行分析和比较。 分布式 现在的一些研究使用分布方式来自动配置i p 地址，要求接入到i n t o - n e t 的节点 首先请求网络地址分配，m m o h s i n 4 8 1 提出借助已经拥有i p 地址的节点来申请，已 经分配到i p 地址的节点为自己的邻居节点分配i p 地址，分配到i p 地址的节点维持 一个i p 地址的可分配集合，系统不需要实现对重复地址的探测，大大提高了i p 地 址的复用率，但是这种策略没有考虑到i p 地址的释放问题，由于节点的移动速度 过快，节点在没有i n t e m e t 网络覆盖区域时继续维持m 地址可分配集合，造成i p 地址资源的浪费，同时i p 地址集的动态变化以及节点与系统的交互也会增加网络 1 0 济雨大学硕十字何论文 詈! ! ! ! 曼詈鼍i ii ii i i i i 1 i ! 量 消耗，降低系统的效率。 s t o n e r t 4 9 1 提出概率分配算法来减少地址重复的概率，这种方式并不像上面的地 址分配，当有节点要求i p 地址时，节点会通过请求节点的速度以及运行方向来决 定是否分配给它地址，这样i p 地址的有效生存时间就比上面的分配策略要长，提 高了i p 地址的利用率。 基于中心节点 文献 5 0 提出了一种基于中心节点的地址管理方法，它要求中心节点维持网络 中所有正在使用的地址，想要加入网络中的节点发送请求到中心节点，但是由于网