（计算机应用技术专业论文）车载无线自组织网mac协议研究.pdf

摘要 摘要 随着人们生活水平不断提高，在享受车辆带来的方便快捷之余，人们希望汽 车成为自己的“移动信息中心 一实现信息获取、远程办公和各种娱乐应用等， 车载无线自组织网( v e l l i c u l a ra dh o cn e t w o r k ，v a n e t ) 应运而生。它不仅可以 提供车载娱乐、实时导航、i n t e r a c t 接入等服务，而且还能传递辅助驾驶和事故告 警等实时信息，使出行更安全、高效、舒适。 本文以研究v a n e t 多媒体业务( 包含数据业务) 服务质量( q o s ) 为出发点， 深入研究和分析了车载环境下m a c 层采用i e e e 8 0 2 1 1 协议传输多媒体业务的 q o s 性能，找出存在的问题，提出了相应的改进机制，主要完成以下工作： 第一、深入研究和分析了车载环境下采用标准i e e e 8 0 2 1lee d c a 机制传输多 媒体业务q o s 性能。研究发现，区分优先级的e d c a 机制增强了d c f 机制在多 媒体业务q o s 方面的性能。但网络处于重负载和车载节点相对高速移动时，无法 有效降低多媒体业务的时延和时延抖动，不能满足多媒体业务q o s 要求。 第二、从m a c 层信道竞争窗口调节机制入手，提出a c w - e d c a ( a d a p t i v e c o n t e n t i o nw i n d o we d c a ，a c w - e d c a ) 自适应竞争窗口调节机制。该机制根据 网络负载情况动态调节初始竞争窗口和当前竞争窗口值，减少实时业务信道接入 时延和时延抖动。仿真表明，a c w - e d c a 在车辆处于相对静止时较标准e d c a 机 制减少了约3 0 的平均时延、约2 5 的平均时延抖动。但车辆高速移动时，音、 视频业务时延和时延抖动性能较差。 第三、针对a c w - e d c a 机制在车辆节点高速移动时，仍无法满足音、视频业 务的q o s 要求，在a c w e d c a 机制基础上，进一步提出了带无线帧突发功能 ( w i r e l e s sf r a m eb u r s t ，w f b ) 的a c w - e d c a 机制，即w f b + a c w o e d c a 机制。 该机制在站点获得信道占用权时，连续传输多个短音频帧，从而有效减小音频业 务的平均时延和时延抖动。仿真表明，车辆处于相对静止或相对高速移动时，较 标准e d c a 协议减少了约4 0 的平均时延和时延抖动。 第四、针对a c w - e d c a 机制以牺牲数据业务吞吐量为代价，来提高音、视频 业务的q o s ，在a c w - e d c a 机制基础上，进一步提出了m a c 层发送能力主动通 告机制( a c t i v en o t i f ye d c a ，a n e d c a ) ，即a n + a c w 二e d c a 机制。该机制根 据发送站点m a c 层发送能力动态调节t c p 层注入网络的数据量，从而提升数据 业务的平均吞吐量。仿真表明，在相对静止和相对高速移动时，数据业务平均吞 吐量较标准e d c a 协议约有3 0 的提升。 第五、对n s 2 中标准e d c a 仿真模块进行了研究和系统分析，在此基础上， 摘要 开发了本文提出的a c w - e d c a 、w f b e d c a 和a n e d c a 改进机制的仿真模块。 关键词：车载无线自组网；媒体访问控制；实时性；q o sn s 2 l l a b s t r a c t a sw ea l lk n o w n ，t h el i v i n gs t a n d a r di si m p r o v i n gc o n s t a n t l y b e s i d e se n j o y i n g c o n v e n i e n c eb r o u g h tb yv e h i c l e ，p e o p l ew a n t i tt ob e c o m et h e i ro w nm o b i l ei n f o r m a t i o n c e n t e r i no t h e rw o r d ，p e o p l eh o p et h a t ，i n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n , t e l e c o m m u t i n ga n d e n t e r t a i n m e n ta p p l i c a t i o ns h o u l db ea v a i l a b l ei nv e h i c l e v e h i c u l a ra dh o en e t w o r k e m e r g e sa tt h i sp r o p e rm o m e n t n o to n l yc a nv a n e ts u p p l yr e a lt i m ei n f o r m a t i o ns u c h 嬲d r i v i n ga s s i s t a n c ea n de m e r g e n c ya l e r t ，b u ta l s oo n b o a r de n t e r t a i n m e n t ，n a v i g a t i o n a n di n t e r n e ta c c e s s w i t h o u td o u b t s ，v a n e tw i l la s s u r em o r es a f e r , e f f i c i e n ta n d c o m f o r t a b l ed r i v i n ge x p e r i e n c e b a s e do nt h er e s e a r c ho fv a n e tm u l t i - m e d i at r a f f i c ( i n c l u d i n gd a t at r a f f i c ) q u a l i t yo fs e r v i c e s ( q o s ) ，i n t e n s i v er e s e a r c ha n da n a l y s i sh a sb e e nm a d ea b o u t t h eq o s p e r f o r m a n c eo fm u l t i m e d i at r a f f i ci nv e h i c u l a re n v i r o n m e n t ，o nc o n d i t i o no fu s i n g s t a n d a r di e e e8 0 2 1 1m e d i u ma c c e s sc o n t r o lp r o t o c 0 1 m a i nc o n t r i b u t i o n sa r e a s f o l l o w ： 1 a n a l y z es t a n d a r di e e e8 0 2 1l ee d c am e c h a n i s md e e p l yb yo b s e r v i n gt h e p e r f o r m a n c eo fr e a lt i m em u l t i m e d i ai nv e h i c u l a re n v i r o n m e n t o u rr e s e a r c hr e v e a lt h a t a l t h o u g he d c ao u t p e r f o r md c fb yd i f f e r e n t i a t i n gt r a f f i cp r i o r i t i e s ，i th a sn om e a n o f d e c r e a s i n gt h ed e l a y d e l a yj i t t e ro fm u l t i m e d i af l o w si nh e a v yl o a da n dh i g hr e l a t i v e m o b i l i t ys c e n a r i o s oe d c ac a n n o ts a t i s f yt h eq o sr e q u i r e db ym u l t i - m e d i at r a f f i c 2 a i m i n ga tt h ep r o b l e mt h a tn e t w o r k i si n c a p a c i t a t e df o rt h eq o sp e r f o r m a n c eo f m u l t i - m e d i at r a f f i ci nh e a v yl o a da n dr e l a t i v eh ig hv e h i c u l a rv e l o c i t yc o n d i t i o n ，w es t a r t w i t ht h em a cc h a n n e lc o n t e n t i o nm e c h a n i s ma n dr a i s ea c w - e d c a ( a d a p t i v e c o n t e n t i o nw i n d o we d c a ，a c w - e d c a ) s c h e m e a c w - e d c aa d j u s t s v a l u eo fi n i t i a l a n dc u r r e n tc o n t e n t i o nw i n d o wd y n a m i c a l l yt od e c r e a s et h em e d i u ma c c e s s t i m e c o n s u m p t i o n d e l a yj i t t e r s i m u l a t i o nr e s u l ts h o wt h a ta c w - e d c a l o w e ra v e r a g ed e l a y b y3 0 a n dd e l a yj i t t e rb y2 5 b o t h i ns t a t i ca n ds l o wm o b i l i t ys c e n a r i o ，c o m p a r i n gt o s t a n d a r de d c am e c h a n i s m b u tt h ed e l a y d e l a yj i t t e rp e r f o r m a n c eo f a u d i oa n dv i d e o i nh i g hr e l a t i v em o b i l i t ys c e n a r i oa r es t i l ln o ta sg o o da se x p e c t e d 3 i nv i e wo ft h ev i d e o & a u d i oq o sp r o b l e m sr e m a i ne x i s ti na c w - e d c a m e t h o d u n d e rt h er e l a t i v eh i g l lv e h i c u l a rv e l o c i t yc o n d i t i o n ，t h i sp a p e ri m p r o v ea c w - e d c a w i t hw i r e l e s sf r a m eb u r s tm e c h a n i s m ( w f b ) a n dp r o p o s e as c h e m en a m e d w f b + a c w - e d c a b a s e do nt h ef r a m eb u r s tt h e o r yu s e di ng i g a b i te t h e r n e t ，t h i s i i i m e c h a n i s mf u l l ye x e r t st h es h o r tf l a m ef e a t u r eo fr e a lt i m em u l t i - m e d i at r a m ca n d d e c r e a s e sa v e r a g ed e l a y d e l a yj i t t e r c o m p a r e dw i 廿ls t a n d a r de d c a ，w f b - e d c a g a i n s4 0 i m p r o v e m e n ti na v e r a g ed e l a y d e l a yj i t t e ra n de n h a n c e sm u l t i - m e d i aa u d i o t r a f f i cq o si nv a n e t 4 r e g a r d i n gt oa c w - e d c a e n h a n c e sa u d i oa n dv i d e ot r a f f i cq o so nt h ec o s to f r e d u c i n gd a t at r a f f i ct h r o u g h p u t ，t h i sp a p e rp r e s e n t sas c h e m ed e s i g n a t e da sa c t i v e n o t i f ye d c ao nt h eb a s i so fa c w - e d c a t h a ti sa n 十a c w 二e d c a i na c c o r d a n c e w i t l lt h et r a n s m i t t i n ga b i l i t yo fm a c l a y e r , a n e d c ar e g u l a t e sd a t aa m o u n tf r o mt c p l a y e rd y n a m i c a l l y t h e nt h ea v e r a g et h r o u g h p u t i se l e v a t e d t h es i m u l a t i o n d e m o n s t r a t e st h a t ，b o t hi nr e l a t i v es t a t i ca n dh i g hm o b i l i t ys c e n a r i o ，t h ea v e r a g e t h r o u g h p u to f a n e d c ae x c e e d ss t a n d a r de d c ab y3 0 5 m a k et h r o u g hr e s e a r c ha n ds y s t e m a t i ca n a l y s i st ot h es t a n d a r de d c am o d u l eo f n s 2 d e v e l o p t h ea c w - e d c a ，w f b e d c a ，a n e d c am o d u l e sw h i c ha r e m e n t i o n e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：v e h i c u l a ra dh o en e t w o r k ；m e d i aa c c e s sc o n t r o l ；r e a lt i m e ；q o s ；n s 2 i v 重庆交通大学学位论文原创性声明 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 工作所取得的成果。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作品成果。对本文的研究做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结果由本人承担。 靴做储签识 重庆交 日期：砂f0 年 学学位论文版权使用授权书 日 签稚笔算燧名：辨 日期：伽l 口年6 月。芎日日期：刃f 口年6 夤71 日 椁篡一粕，经婵 篡嚣簟期篙蒿：辫 f i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1研究背景 自从德国工程师k a r lb e n z 在1 8 8 5 年研制出第一辆现代汽车以来，汽车已经走 过了一百多年的历史，在人类文明发展史上留下了不可磨灭的足迹。时至今日， 在全世界的交通道路上，大约有8 亿辆汽车在行驶，平均每8 人就有一辆汽车， 每年燃烧约1 0 万亿升的汽油和柴油，汽车工业的发展对当今世界经济的方方面面 都有着重要影响【。 我国在改革开放以来，社会经济快速发展，汽车工业也成为了国民经济的重要 支柱产业之一，2 0 0 8 年全国汽车产量达9 3 4 5 1 万辆，销量达9 3 8 0 5 万辆，其中自 主品牌占1 4 以上，我国已经成为世界上规模最大的汽车市场之一，汽车在国民生 活和经济生产中的重要作用日益显著。与此同时，汽车大量普及所带来的问题也 日益突出，例如交通事故频繁、城市道路拥堵、环境污染加剧等，如何有效解决 这些问题值得进一步研究。 1 1 1 交通领域信息化发展 在交通领域自二十世纪八十年代以来就有一个主要的发展方向，即智能交通系 统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m s ，i t s ) ，美国、日本、欧洲等发达国家和地区为之 发起了许多研究项目和工程应用。智能交通系统( i t s ) 是为了全面有效地解决前 述的交通问题而提出的，是随着现代高科技的发展以及交通需求的提高，在实际 交通工程应用中不断发展的。它的基本思想是运用先进的科技成果和手段，使交 通运输网络更加安全、高效、环保、舒适，建立与现代社会文明相协调的交通体 系。 信息技术是二十世纪最重要的科技进步之一，智能交通系统也迅速应用了最新 的信息技术以实现跨越式发展。首先，汽车本身在快速信息电子化，短短半个世 纪内，汽车上的电子设备数量和复杂程度都达到了前所未有的水平，各种电气控 制部件、电子部件、数据总线、专用传感器、处理器芯片等等都装备到了汽车上， 在2 0 0 0 年，汽车上的平均c p u 数量达到了3 5 个，在一辆汽车的成本中信息电子 系统已占据了1 5 2 0 左右。汽车的高度信息电子化已成为汽车发展的必然趋势。 其次，道路交通系统也在不断信息化，目前主要有电子收费( e l e c t r o n i ct o l l c o l l e c t i o n ，e t c ) 系统和停车场辅助系统等应用，不过随着汽车本身信息化程度 的不断提高，道路交通支撑信息系统也将随之快速发展，围绕着让交通系统更加 2 第1 章绪论 安全、便捷、高效的共同目标，两者的发展是相辅相成的。 1 1 2 无线数字通信技术发展 许多成熟的信息电子技术，如处理器技术、数据总线技术、传感器技术、数据 库技术等已经被不同程度地应用到交通系统之中，从而大幅提升了交通系统的效 率。无线数字通信技术作为信息技术中发展较晚的技术，在2 0 世纪9 0 年代取得 了飞速的进步和广泛的普及。无线数字通信技术的目标是为了能够随时随地与任 何人和设备的高速可靠互联互通，以第二代蜂窝电话为代表的移动通信技术革命 证明了无线数字通信技术的成功。当前，无线数字通信技术发展仍然迅速，各种 应用纷繁复杂层出不穷，特别是允许设备互联的蓝牙( i e e e8 0 2 1 5 ) 、w i f i ( i e e e 8 0 2 1 l a b g ) 、w i m a x ( i e e e8 0 2 1 6 ) 等技术，在学术界和工业界都得到了很大的投入。 在可预见的将来，无线数字通信技术一定也会在交通领域得到广泛应用，特别是 交通安全和运输效率方面，通过无线数字通信技术将一定范围之内的汽车组织成 一个网络，快速交换必要的行驶信息和交通信息，从而让行车电脑系统或者驾驶 者能够做出合理正确的判断，是一个不但可行而且很有前景的发展方向。 在无线数字通信技术的发展历程中，无线局域网的普及值得注意，它将传统的 点对点无线通信扩展到由多个节点组成无线通信网络，提出了许多新的应用场景 和研究范围，意义十分重大。二十世纪9 0 年代初，曾经有两个无线局域网的标准， 即欧洲电信标准协会( e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d si n s t i t u t e ，e t s i ) 制 定的h i p e r l a n 无线局域网标准，以及美国电气与电子工程师协会( i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r s ，i e e e ) 制定的i e e e8 0 2 1 1 无线局域网标准。 不过h i p e r l a n 无线局域网标准不仅没有取得像同是欧洲提出的e t s ig s m 第二 代全球移动通信标准那样的成功，甚至在目前的市场上已经基本销声匿迹，美国 提出的i e e e8 0 2 1 l 标准主导了全球的局域网市场。因此，下面仅对i e e e8 0 2 1 1 标准及其所在的i e e e8 0 2 无线协议簇进行简单的介绍，本文在之后的章节中将对 i e e e8 0 2 无线协议簇中针对汽车通信的标准进行讨论，分析其中尚未解决的一些 问题，并给出改进建议。 i e e e8 0 2 协议簇是i e e e 标准中关于局域网( l o c a la r e an e t w o r k s ，l a n ) 和 城域网( m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s ， m a n ) 的一系列标准，特别指可以传输变 长数据包的包交换无线网络。图1 1 是根据o s i 七层参考模型描述的无线局域网协 议栈，i e e e8 0 2 协议簇主要分布在数据链路层及物理层。所有的i e e e8 0 2 协议簇 共用同一个逻辑链路控制协议( l o g i c a ll i n kc o n t r o ll a y e r ，l l c ) ，即i e e e 8 0 2 2 标准。在逻辑链路层之上的网络层协议一般采用i n t e m e t 的路由协议，如a o d v 或d s r 等协议；而在逻辑链路层之下的介质访问控制层( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l 第1 章绪论 3 l a y e r ，m a c ) 和物理层( p h y s i c a ll a y e r ，p i p ) 通常被合并为个8 0 2 协议， 而在传统有线网络中，介质访问控制层一般是与逻辑链路层组成数据链路层( d a t a l i n kl a y e r ) ，这是因为在无线网络中介质访问控制层与物理层的耦合程度比在传 统有线网络中两者的耦合程度更高，这也是无线局域网在协议划分方面需要注意 的一个特点。 a p p l i c a t i o n p r e s e n t a t i i o n s e s s i o n 一 t r a n s p o r t n e t w o r k 一，一一 d a t al i n k p h y s i e a l 图1 1 无线局域网协议栈2 1 f i g1 1w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r kp r o t o c o ls t a c k 2 1 图1 2 进一步描述了在8 0 2 协议簇中l l c 层、m a c 层与p h y 的组合结构及所 采用的机制，其中8 0 2 2 协议是共同的逻辑链路层协议。 为了能够更全面地了解以i e e e8 0 2 协议簇为代表的无线局域网技术的发展状 况，在表1 1 中列举了i e e e8 0 2 协议簇中的所有标准及其制定任务组( t a s kg r o u p ) 的当前状态，其中包括被广泛采用的8 0 2 1 1 系列协议、被弃用的8 0 2 1 3 1 4 协议等。 不过这个列表尚未包括正在制定之中的针对交通领域无线通信应用的 i e e e 8 0 2 1 1 p 协议标准，在第2 章将对此协议进行详细介绍。 表1 1i e e e8 0 2 协议簇 t a b l e1 1i e e e 8 0 2p r o t o c o lc l u s t e r 名称描述状态 i e e e8 0 2 1 b r i d g i n g ( n e t w o r k i n g ) a n dn e t w o r km a n a g e m e n t i e e e8 0 2 2 l o g i c a ll i n kc o n t r o l l n a c n v e i e e e8 0 2 3e t h e m e t i e e e8 0 2 4t o k e nb u sd i s b a n d e d i e e e8 0 2 5 d e f i n e st h em a c l a y e rf o fat o k e nr i n g i n a c t i v e i e e e8 0 2 6 m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s d i s b a n d e d l e e e8 0 2 7b r o a d b a n dl a nu s i n gc o a x i a lc a b l ed i s b a n d e d i e e e8 0 2 8f i b e ro p d ct a g d i s b a n d e d i e e e8 0 2 9 i n t e g r a t e ds e r v i c e sl a b d i s b a n d e d i e e e8 0 2 1 0 i n t e r o p e t a b l el a b s e c u r i t y d i s b a n d e d 4 第1 章绪论 i e e e8 0 2 1 1a b g nw i r e l e s sl a n & m e s h ( w i f ic e r t i f i c a t i o n ) i e e e8 0 2 1 2 d e m a n dp d o f i t yd i s b a n d e d l e e e8 0 2 1 3n o t u s e d i e e e8 0 2 1 4c a b l em o d e m sd i s b a n d e d i e e e8 0 2 1 5w i r e l 髂sp a n i e e e8 0 2 1 5 1b l u e t o o t hc e r t i f i c a t i o n i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e ec e r t i f i c a t i o n i e e e8 0 2 1 6b r o a d b a n dw i t l e s sa c c e s s ( w i m a xc e r t i f i c a t i o n ) i e e e8 0 2 1 6 e ( m o b i l e ) b r o a d b a n db r i m l e s sa c c e s s i e e e8 0 2 1 6 i l o c a lm u l t i p o i n td i s t r i b u t i o ns e r v i c e i e e e8 0 2 1 7r e s i l i e n tp a c k e tr i n g i e e e8 0 2 1 8r a d i or e g u l a t o r yt a g i e e e8 0 2 1 9 c o e x i s t e n c et a g i e e e8 0 2 2 0 m o b i l eb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s i e e e8 0 2 2 lm e d i ai n d e p e n d e n th a n d o f f i e e e8 0 2 2 2w i r e l e s sr e g i o n a la r e an e t w o r k i e e e8 0 2 2 3b r o a d b a n di s d ns y s t e m e x p e r i m e n t a l h 8 0 2 2l o g i c a ll i n kc o n t r o l ( l l c ) 8 0 2 38 0 2 48 0 2 58 0 2 1 1 m a cm a cm a cm a c 8 0 2 38 0 2 48 0 2 3 8 0 2 1 1 p h y p h yp h y p h y w l a n c s m a c dt o e k e nb u 8t o c k e nr i n g c s m a c a 图1 28 0 2 协议簇组成结构【2 】 f i g1 28 0 2p r o t o c o lc l u s t e rf r a m e w o r k 【2 】 1 1 3 车载无线网络技术介绍 一方面是无线通信网络技术的快速发展；另一方面是交通领域信息化的迫切需 求，必然会催生无线通信网络技术在交通领域内的应用，这就是近年来学术界和 产业界研究的一个交叉学科热点课题：车载无线网络技术( v e h i c u l a rw i r e l e s s n e t w o r kt e c h n o l o g y ) ，目标是作为未来智能交通系统的基础部分，通过车与车、 车与路边节点的相互通信来构成统一的无线通信网络，用于传递辅助驾驶或避免 事故的实时信息，或提供娱乐信息、i n t e r n e t 接入等数据服务。 在广义上，只要应用了无线通信网络技术的都可以称之为车载无线网络技术。 在通信对象和通信范围上，车载无线网络技术可分为车内各部件之间的无线通信 ( i n t r a v e h i c l ec o m m u n i c a t i o n ) 、车与道路设施的无线通信( r o a dt ov e h i c l e c o m m u n i c a t i o n ，r v c ) 、车与车之间的无线通信( i n t e r - v e h i c l ec o m m u n i c a t i o n ， 第1 章绪论 5 c ) ；而在通信方式和网络结构上，又可以分为由基站对所有汽车进行集中式控 制的一跳式无线通信技术，和汽车之间构成自组织网络( a dh o e ) 的无线通信技 术。由基站进行集中式网络控制无疑是比较简单的方案，可以直接借助于成熟的 2 g 3 g 移动通信网络技术，但是这种方案存在两个难点：( 1 ) 无法提供行车安全 应用的实时支持。实际上，通过基站在车辆之间转发信息存在较大的时延和较低 的可靠性；( 2 ) 基站的信道资源十分有限并且相对昂贵，向所有行驶车辆提供在 线通信支持是不现实且不经济的。因此，车载无线网络的网络结构必然是自组织 的，至多可能会在某个特定情况下结合现有的集中式移动通信网络来支持特定的 业务。 在狭义上，当前车载无线网络技术的研究焦点聚集在基于车载自组织网络的车 一车与车一路的通讯技术，即车载无线自组织网络( v e h i c u l a ra dh o cn e t w o r k , v a n e t ) 。确切的说，v a n e t 是指在交通道路上车辆之间、车辆与固定接入点之 间相互通信组成的开放移动a dh o c 网络，其目标是为了在道路上构建一个自组织 的、部署方便、费用低廉、结构开放的车辆间通信网络，以实现事故预警、辅助 驾驶、道路交通信息查询、车间通信和i n t e g e r 接入服务等应用【3 】。许多人将v a n e t 视为无线自组织网络( a dh o cn e t w o r k ) 的一种特殊的实际应用。不过，由于v a n e t 本身所具有的网络特点，例如拓扑高动态、时延要求严格、节点移动速度高、轨 迹可预测、能量无限、定位准确等还有其应用前景明朗且广阔。研究范围横跨智 能交通系统领域、计算机网络领域以及无线通信领域三大传统研究领域，使得对 v a n e t 的研究吸引了许多学术界和工业界的注意。 早在1 9 9 2 年，美国材料试验协会( a s t m ) 就已经开始制定专用近程车间通 信技术( d e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n ，d s r c ) 标准，以用于高速公路电 子收费系统。当时确定的d s r c 标准采用9 1 5 m h z 频段，基于t d m a 的信道多路 访问方式。随着交通领域信息化的不断发展，9 1 5 m h z 频段宽度仅能支持0 5 m b p s 的传输速率，且传输距离仅有3 0 米，无法满足新提出的各种车载无线网络应用的 要求。于是在1 9 9 9 年底，美国联邦通信委员会( f c c ) 分配了5 9 g h z 附近的无 线频段作为v a n e t 网络专用通信频段，最高可支持2 7 m b p s 的传输速率，最远可 支持1 0 0 0 米的传输距离。2 0 0 2 年底，美国材料试验协会制定了基于5 9 g h z 频段 的d s r c 新标准a s t me 2 2 1 3 0 2 ，并且采用了i e e e8 0 2 1 1 a 作为底层传输技术。 次年，美国联邦通信委员会将此标准的下一版本e 2 2 1 3 0 3 规定为北美的d s r c 标 准。而后，美国材料试验协会将d s r c 标准的制定工作转到i e e e 下面进行，即现 在正在制定中的i e e e8 0 2 1 l p 标准。这是目前唯一正在制定之中的v a n e t 通信协 议标准，其中包含m a c 层和p h y 层协议。与此同时，v a n e t 上层协议的制定也 在同步进行，即i e e e1 6 0 9 协议簇，其中包含了1 6 0 9 0 ( 体系结构描述) 、1 6 0 9 1 6 第1 章绪论 ( 资源管理) 、1 6 0 9 2 ( 安全服务) 、1 6 0 9 3 ( 网络服务及通信服务) 、1 6 0 9 4 ( 服务 信道管理) 等，与8 0 2 1 l p 构成完整的v a n e t 协议栈。 除了美国之外，欧洲和日本也分别制定了自己的v a n e t 发展计划以及研究项 目，包括欧洲的“s a f e s p o t ”【4 】、“f l e e t n e t ，【5 1 、“n e t w o r ko nw h e e l s ，【6 1 、“c w i c 、 “p r e v e n t 1 6 】、“c a r t a l k2 0 0 0 ，【7 】等( 并且成立了车载通信联盟( c a r 2 c a r c o m m l l i l i c a t i o nc o n s o r t i u m ) t s j ) ，以及日本汽车行驶电子技术协会( j s k ) 领导的 “a s s o c i a t i o no fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g yf o ra u t o m o b i l et r a 街ca n dd r i v i n g ，【，j 和 “g r o u pc o o p e r a t i v ed r i v i n g 1 0 】以及“i n t e m e t i t s 1 7 】等v a n e t 相关的工程和 研究项卧引。 在学术研究领域，在二十世纪八十年代初，日本汽车行驶电子技术协会( j s k ) 最早发起了车间通信( c ) 的研究。随后，在美国的“c a l i f o m i ap a t h ”项引u 】 和欧洲的“c h a u f f e u r ”b 2 】项目实现和展示了当时关于汽车列队行驶自动控制的研 究成果，证明了应用无线通信技术在交通安全和效率方面可以取得较大程度的提 高。日本在9 0 年代末进行的协作驾驶系统( c o o r p e r a t i v ed r i v i n g ) 项目( 如“d e m o 2 0 0 0 ” 1 3 】) 展现了车间通信技术的另一种应用，即通过无线通信技术交换各自的 行车和道路信息，在互相协作以实现安全高效的自动驾驶，这在功能上类似于基 于雷达扫描和自动控制技术的自适应自动巡航系统( a d a p t i v ec r u i s ec o n t r o l ， a c c ) ，可以互为补充。在欧洲新发起的c a r t a l k 2 0 0 0 7 j 研究项目中所提出的协作 行车辅助系统( c o r p o r a t i v ed r i v e r a s s i s t a n c es y s t e m s ) 试图涵盖所有安全和舒适驾 驶应用所面临的问题，建立一个包括车一车( c ) 和车一路( r v c ) 的完整交通 无线网络体系，并与传统网络如i n t e r a c t 和移动通信网络互联互通融为一体。2 0 0 4 年2 0 0 8 年间，m o b i c o m 专门召开了5 次专题研讨会讨论v a n e t ，计算机网络与 通信领域的许多会议也增加了v a n e t 相关的专题，促进了对v a n e t 的进一步深 入研究和产业应用的快速前进。 目前的研究成果表明，v a n e t 具有许多其他移动自组织网络所不具备的特点 和问题。首先，v a n e t 是传统的移动自组织网络( m o b i l ea dh o cn e t w o r k ， m a n e t ) 在交通道路上的应用，构成网络的节点是在道路上行驶的汽车，具有高 速移动而轨迹规则的特点，并且对于v a n e t 提供的网络服务时延、可靠性以及可 扩展性的要求十分严格，而且需要v a n e t 网络能够同时支持各种差异较大的服 务，如大数据量的实时导航、车载娱乐等系统，以及高实时性的行车辅助、紧急 避险等系统。当然，v a n e t 也具有移动自组织网络本身的各种特点，如自组织性、 无固定结构、网络拓扑动态变化、网络容量有限等，但在一些特殊苛刻的应用环 境下，如狭窄的道路、高密度节点分布、节点高速移动等，直接影响v a n e t 网络 的信息传输能力，处理不好将会导致丢包增加、延迟增大【3 1 。实验表明【1 4 】，在v a n e t 第1 章绪论 7 中使用传统的传输层协议( 如t c p 和u d p ) 和路由协议( 如a o d v ，d s r ，o l s r 等) ，数据包的成功传输率不会超过5 0 ，延迟大且延迟抖动剧烈。基于8 0 2 1 l p 协议的一项研究实验表明，v a n e t 节点的周期性广播数据包，在最坏情况下节点 丢包率达到8 0 以上l l5 1 。可以看出，v a n e t 领域有着广阔的研究空间和应用前景， 在我国自主汽车产业处于初步阶段正在快速成长的时期，我国的研究机构和院校 率先开展针对v a n e t 基础技术的深入研究具有重大意义。在政策层面，这不仅仅 是交通部一个部门的任务，而需要各个切实相关的部门联合起来；在战略层面制 定合理的发展计划，以推动和保证我国自主汽车产业在未来的v a n e t 标准制定和 技术应用中能够占据有利的地位。 1 2车载无线自组织网国内外研究现状 车载无线自组网是指道路上车辆间、车辆与固定接入点之间相互通信组成的开 放移动a dh o e 网络。它在道路上构建一个自组织的、部署方便、费用低廉、结构 开放的车辆间通信网络。v a n e t 技术可以实现事故告警、辅助驾驶、道路交通信 息查询、乘客间通信和i n t e m e t 信息服务等应用【1 8 , 1 9 】。 1 2 1 车载无线自组织网研究面临的问题 与传统的有线和蜂窝网络相比，a dh o e 网络没有基础设施，每个节点都可能随 时进入或离开网络，整个网络分布式运行。然而，传统网络中对连接性和业务传 输的基本需求，在自组织网络中也同样需要得到满足。目前自组织网络研究中的 主要热点和难点问题有信道接入协议、路由协议、传输控制、服务质量q o s 、能 量消耗和安全性等问题。 ( 1 ) 信道接入协议 信道接入协议( m e d i u m a c e e s sc o n t r o l ，m a c ) 主要解决如何在相互竞争的用 户之间分配无线信道，即无线节点如何接入无线信道来发送数据帧的问题。通常， 可以将信道接入协议分为两大类：随机接入( 如a l o h a 、c s m a 和c s m a c d 等) 和受控接入( 如t d m a 和令牌传递方案等) 。自