（计算机系统结构专业论文）车辆网络中可生存路由协议的研究.pdf

摘要 捅要 交通安全成为当今世界的一个主要问题。每年交通事故造成的人员伤亡超过 百万，对人类造成严重的伤害和财力浪费。因此，人们就应特别关注能够减少交 通事故数量和伤害严重程度的技术手段。作为“智能交通系统”的组成部分，以 及无线移动a dh o c 网的。种具体应用，车辆网络已经得到美国、欧洲和日本等发 达国家的重视。 总结近年来国外的些车辆网络的研究项日及其经验，1 个大的趋势是在汽 车上开发和配置安全有效的系统用以实现车辆之问直接通信和车辆与路边设施之 问通信。而要实现上述两种通信，就必须构建车辆网络并设计有效的数据路由协 议。本文首先分析了车辆网络的应用需求，并介绍了车辆网络的体系结构及特点， 然后提出了种新的体系结构混合无线网络( m w n ) 和种自适应位置辅助 多播算法( a g e o c a s t ) ，混合无线网络融合了蜂窝网和w l a n 配置的无线自组网， 而a g e o c a s t 则通过“多跳”方式或蜂窝网基站“t 转”方式为从源节点到n 的 节点的数据传播提供更好的途径。最后，心无线路由路径的可牛存性对该曲、议的 简单麻川进行了量化分析，指出了混合网络体系结构的优势，路由协议的效率。 此外，我们还提出了车辆网络中路由协议的改进、优化和设计方向。 关键词：可生存陛车辆网络位置辅助多播路由协议 垒! ! 坚型 _ 一一 a b s t r a c t i nt o d a y sw o r l d ，t r a f f i cs a f e t yi sam a j o rp r o b l e m t r a f f i ca c c i d e n t sr e s u ri nm o r e t h a no n em i l l i o nc a s u a l t i e se a c hy e a ra n da r ea s s o c i a t e d w i t hs e r i o u si n j u r i e sa n d e x t e n s i v em a t e r i a ll o s s e s t h e r e f o r e ，s p e c i a la t t e n t i o ni sg i v e nt ot h o s et e c h n o l o g i e s t h a t c a nr e d u c et h en u m b e ra n ds e v e r i t yo fr o a de v e n t s a sac o m p o n e n to ft h ei 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 ( i t s ) a n do n eo ft h e c o n c r e t e a p p l i c a t i o n s o fm o b i l ea dh o c n e t w o r k s ，v e h i c u l a rn e t w o r kh a sa t t r a c t e dr e s e a r c ha t t e n t i o nf r o mb o t hu s a ，e u ，a n d j a p a n s u m m a r i z i n gs o m er e s e a r c hp r o j e c t so fv e h i c l en e t w o r k sa b r o a di n r e c e n ty e a r s a n dt h e i re x p e r i e n c e s ，w ef i n dt h a ti n t e rv e h i c l ec o m m u n i c a t i o n ( i v c ) a n dv e h i c l et o r o a d c o m m u n i c a t i o n ( v r c ) a r e c o n s i d e r e dt oh a v ee x t e n s i v e p o t e n t i a l f o rt h e d e v e l o p m e n to fe f f i c i e n ts a f e t ys y s t e m si n s t a l l e d i nv e h i c l e st om a k ea b o v et h el w o w a y si n t or e a l i z a t i o n ，i t i s n e c e s s a r yt oc o n s t r u c tv e h i c u l a rn e t w o r k sa n dd e s i g na n e f f i c i e n tr o u t i n gp r o t o c o lt ot r a n s m i td a t a f i r s t l y ，t h e a p p l i e dr e q u i r e s o fv e h i c u l a r n e t w o r k sa r ea n a l y z e d ，t h e n ，t h i sp a p e rp r e s e n t san e wa r c h i t e c t u r e ，m i x e dw i r e l e s s n e t w o r k ( m w n ) ，w h i c hi n t e g r a t e sc e l l u l a rn e t w o r kw i t ha dh o cn e t w o r ki nw i r e l e s s l o c a ln e t w o r ka n da a d a p t i v eg e o c a s tp r o t o c o lr o u t i n gp r o t o c o l ( a - g e o c a s t ) w h i c h e s t a b l i s h e sab e t t e rp a t hf o rt h es o u r c et oa r r i v ea tt h ed e s t i n a t i o na c r o s sm u l t i p l eh o p s a n d o rc e l l u l a rn e t w o r ka n dp r o v i d e sa p p r o p r i a t eq u a l i t yo fs e r v i c ef o rm w n t h r o u g h a n a l y s i so fs u r v i v a b i l i t yo f w i r e l e s sr o u t i n gp a t h e s ，w ed e m o n s t r a t et h em e r i t so f w m n ， a n de f f e c t so f t h ep r o p o s e d r o u t i n gp r o t o c o l f o rw m n b e s i d e s ，w ep r o v i d et h ef u t u r eo fi m p r o v e m e n t ，o p t i m i z a t i o na n dd e s i g n i n gw a y s o f r o u t i n gp r o t o c o li nv e h i c u l a rn e t w o r k s k e y w o r d s ：s u r v i v a b i l i t y v e h i c u l a rn e t w o r kg e o e a s t r o u t i n gp r o t o c o l 、p i 6 9 5 6 3 3 兰塑 创新| 生声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文r f j 特别加以标注和致i a , j _ q 一所罗列的内容以外，论文r 不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同t 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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担1 切相关责任。 本人签名 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使h j 学位论文的规定，即：研究 牛在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使 i j 论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、或其它复印手段保存论文。( 保密的论 文住解密后遵守此规定) 本人签名 导师签名 老噬 日期：星! 蔓f ：2 里 日期：2 1 喳! ，i 2 兰：芏窒堡二 _ r _ 一 第一章绪论 i 1 车辆网络的研究意义 道路交通伤害已经成为全球公共卫生问题。交通事故冈其极强的“杀伤力” 被称为世界“第杀手”。据世界卫生组织统计，全世界每年有1 2 0 多万人死j ：交 通事故，数百万人受伤或致残。全球每年交通事故造成的经济损失高达5 1 8 0 亿美 冗，其巾发展，p 国家占1 0 0 0 亿美元。每年在欧盟的公路上约4 万人丧牛，而美国 则有约1 7 万人伤亡，而我国2 0 0 0 年到2 0 0 2 年，平均每年发生约4 0 起次死亡 人数超过1 0 人的重特大交通事故。根据国务院发展研究巾心前几年作的r 1r 国交 通安全问题及对策报告显示，我国交通事故死亡人数已苦世界第位。l 酊交通 管理低效同样是个严重的问题，例如在德国，每天冈为交通堵塞要浪费3 3 0 0 0 0 0 0 公升的汽油，1 3 0 0 0 0 0 0 个小时，给国民经济造成巨大的损失。 深入分析这利t 状况，首先路与车、人的供需矛盾依然突出，客、货运量和机 动车保有量的增长，道路建设和安全管理设施远远满足一i 了需求，从而导致了频 繁的交通事故和严重的交通堵塞。其次，城市路网结构、交通t 具总体构成不合 理，是导致车祸的客观原冈。些公路线型设计存在严重缺陷，形成急弯、连续 弯路、陡坡或连续长坡、宽路窄桥，且缺少标志、标线和安全防护设施。此外， 人们交通法律意识、交通安全意识和交通文明意识不强，也是导致交通事故的丰 要原冈。无论在城市还是在乡村，超载、超速、疲劳驾驶、洒后驾1 i 、违章会车、 无证驾驶等严重违章现象，随处可见。 对作为国民经济建设的基础性行业之一的交通运输行业信息化能够提高综合 效率、改善交通环境、降低运营成本以及便利人们的牛i 活，有着非常深远的意义。 而移动无线自组网技术( m a n e t ) 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g 、 技术应用不均衡、不协调，已有的网络并没有充分发挥功效。如何运川新的无线 技术如w l a n 和3 g 等无线技术在交通运输业巾开拓出更大的廊川空问，是“1 前 的。个新课题。 作为交通业信息化( 智能运输系统i t s ) 重要基础之的车辆网络的概念就 是在这种需求背景下提出的。下面我们列举了研究车辆网络技术的重要意义： 首先，f i 前政府和制造商已采取一系列的措施如强制系安全带，气囊保护， 自动刹车系统，限速，限载，限制酒后驾车。但车辆之间的协作、路况信息的共 享、u 向交通管理如公路收费、驾驶员违规又需要人为干预，浪费大量的人山、物 ! 至堕塑堑塑笙丝茎! 垩坐堡丝堕壁! ：堡堕生燮盟塑壅一 儿，而月还不能得到很好的效果，而依靠无线自组网技术，实现年辆之问的瓦连 以及车辆与路边吲定设施之间的瓦连，就可以扩展驾驶员的视野，实时获得路况 信息，协调车辆之问的行驶；通过自组网和i n t e r n e t 的瓦连，还可以实现自动收 费、年辆追踪、违规记录等。 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，牟辆网络还可以带来在车上进行视频会议、娱乐休闲、选择旅行路线等 业务。比如，汽车行驶巾，你的孩子可以和邻车上的孩子通过无线方式进行电子 游戏，比如下棋等：你可以提前得知下个加油站的相关信息，例如汽油单价， 服务项1 等。 此外，采川融台了多个网络技术( 例如无线接入技术) 的应用，就会为业务信 息的采集、分类、存储、转换、传递、加工以及牛成新信息的全过程等这些问题 的解决提供更丰富和更好的选择。同时，由于这些新技术系统中所蕴含或结合着 螳企业需要的管理思维还可能衍生出不同于传统的管理与操作模式。 1 2 车辆网络的研究现状 1 9 9 9 年l o 月，美国联邦通信委员会分配7 5 m h z ( 5 8 5 5 9 2 5 g h z ) 带宽作 为美国免费短距离通信频带，以及移动无线自组网潜在的民 j 和商j h 价值，为车 与年之问的通信( i n t e rv e h i c u l a rc o m m u n i c a t i o n i v c ) 互连提供了基础条件；同 时，蜂窝网技术的发展和w l a n 技术的实j 3 化，为高移动性的车与路边阎定设施之 问的通信( r o a d t o v e h i c l ec o m m u n i c a t i o n r v c ) 提供了技术保障。由车与车之间 耳联和年与路之间瓦联为基本体系结构构成的车辆网络成为了未来高度信息化公 路的重要要素之。 最早关于车辆之问直接通信的研究始于十九世纪八l 年代初的日本；后来的 c a l i f o r n i a p a t h i i l 和c h a u f f e u r o f e u t 2 i 取得了著名的研究成果车辆排列系统；在 随后的1 9 9 0 s 和2 0 0 0 s ，日本的协同驾驶系统展示了i v c 的另外一个重要应f | = 1 3 。 最近，车辆之间关于交通事故、紧急情 见和交通堵塞信息的通讯逐渐变为i v c 的 个重要鹿川q 新的1 个项目e u r o p e a np r o j e c tc a r t a l k 2 0 0 0 t 5 】研究的重点是皋 于安全可靠的i v c 以及舒适驾驶的相关| 、口j 题，此项目将i v c 与r v c ( 车路通讯) 结台，设计和测试协同驾驶帮助系统，其中的r v c 是车辆访问固定网络的手段f 6 1 ： 同时，该项目也与g e r m a nf l e e n e t l7 l 合作来研究i v c 技术。 以上项门t 巾车辆网络的设计和实现主要是针对某一种或某几种应用的需求， 在符项几t ”所做的研究1 二作主要集中在无线频谱的选择和有效使用、无线信道的 接入技术、信息传播路由技术以及针对各类业务的应用功能。经过2 0 多年的研究 t 作，日前在无线频谱的选择和有效使用、无线信道的接入等物理层和数据链路 第章绪论 3 _ _ _ _ _ _ - _ - _ - h _ _ _ - _ _ _ _ _ 层i r 问题已经初步明朗化，并有了实质性的成果。而在网络层及廊川层的研究随 着无线技术( w l a n 和3 g ) 和无线自组网的发展仍处在探讨和争论阶段。 1 3 论文的研究内容 车辆网络- ”网络层数据传播的可靠性、高效性及实时性是其它应f j 业务的基 础，f hr 前所做的研究t 作有限。本文将对车辆网络的路由技术进行总结和分析， 然后从路由路径可生存性的角度结合车辆网络混合体系结构提出种新的数据传 播的路由协议，运用从可牛存性的形式化定义提出的路由路径可牛存性量化模型 对所提出的协议进行量化分析，说明了所提出的数据传播路由协议的高效性和混 合体系结构的优越性。下面给出本论文具体的研究内容： 总结和概括了车辆网络的应用需求、网络体系结构及特点 分析了车辆网络的路由技术 提出了车辆网络巾路由路径的可生存性量化模型 提出了路由路径可牛存的车辆网络数据传播路由协议 1 4 论文的章节安排 本文的章节安排：第2 章介绍了车辆网络的应川需求、体系结构及特点；筇 3 章在麻川需求背景下，归纳了车辆网络中需要支持的信息传播路由技术并加以 分析；第4 章提出了无线链路可牛存性的定义及量化模型；第5 章提出了尤线链 路可牛存性的分析结果；最后，在结束语中总结全文，并提出术来研究t 作的展 望。 笙二要兰塑堕竺盟堡叠笙塑_ 三 第二章车辆网络的体系结构 本章主要介绍车辆网络的系统构成。首先介绍车辆网络的应用需求；然后依 据应用需求，介绍车辆网络中的基本组成成份；最后重点介绍了车辆网络的体系 结构及其特点。 2 1 车辆网络的应用 车辆网络在交通运输r l i 出现，将会给该领域巾带来巨大的变化。它将扩展司 机的视野t j 车城部件的功能，从而提高道路交通的安全卜j 高效：它将加强1 0 4 一 之问的协作驾驶，拓宽现有交通道路的车辆流通量：它也为高速行驶的1 。辆l 提 供方便的信息业务等等。下面我们给出了车辆网络的应h j 。 协助驾驶 协、助驾驶是9 l 将车辆传感器收集的信息或从路边设施获取的信息，例如年 辆抛锚、交通事故、路面紧急状况以及潜在的危险障碍等，经由年辆网络提前通 告给司机，建议司机根据情况作出及时、适当的驾驶行为。协助驾驶有效地提高 了司机的注意力，提高了驾驶的安全性。典型的应j i 】便是紧急突发事件的信息通 告。 分布交通信息收集 传统的交通信息收集处理都是基于信息帅心，然后再通过尤线广播发送给各 个定制信息的车辆；新的应用可以基于i v c 来收集交通信息( 同方向的交通信息 可以很容易的通过反方向的车辆来携带、传送) ，即使用更新电子地图的方式帮组 司机决定路径：与协助驾驶信息通告不同的是，收集米的交通信息不直接影响司 机的驾驶行为，而仪仪让司机掌握整个道路的相关信息。典型的应川是交通流量 信息的分发，例如每辆车广播自己的位置、驾驶方向和速度以及从别的车辆收到 的相关信息给邻居车辆，同时，从自己收到的所有信息t p 综合出与自身相关的车 流量状况。 基于通讯的纵向车辆控制 利j j 车辆i 车辆之问直接通讯的方式来控制纵列汽车的协同行驶“，即， 刹车、转向都可以协调操作；即使中间车辆出现故障，也可以即时发现并进行后 续车辆的刹年操作；这些操作都不仅仅要通过得到前面车的信息做出判断，而是 要获得整个车队的相关信息而做出的协作步骤。 车辆之间的协作驾驶： 利川组4 二之间柏可通讯实现车辆在无红绿灯1 字路口或高速公路入r 处的 !兰塑塑堑塑笙丝墨i 堕坐垒笪堕壁! 堡堕鱼燮! 堕 年辆之间的协调驾驶。 辅助交通锊碑： 这类信息丰要包括协助交通管理部门实现自动收费、违规车辆记载( 超速、 超绒、洒后驾车、尤照驾驶等) ；协助交警实现远程指挥调度；协助警方侦破交通 事故，肇事年辆追踪等；这类信息的处理包括车辆内的黑匣子模块所存储的信息、 车辆之问的捕捉记录功能、车辆与路边吲定设施交百功能、定位4 ：辆功能；此外， 还涉及了个人隐私的保护。 川户通讯和信息戍川： n 的是让乘客享受娱乐，即各利懒于无线网络的业务，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 m e t 接入等。 2 2 车辆网络的组成 车辆网络是以配备了无线瓦连接口设备的车辆为节点，融合了4 ：辆与车辆之 问直接可连、问接互连以及车辆与路边i 古j 定设施瓦连的混合体系网络。 2 2 1 车辆网络巾的节点 如矧21 所示，每个年辆都要装备g p s 接收器和收集周围车辆关键信息的传 感器c l ，通过各科t 传感器准确地捕捉环境信息然后加以分析处理，任何种传感 器难保证在仃何时刻提供完全可靠的信息，但采朋多传感器融合技术，即将多个 传感器采集的信息进行合成，形成对环境特征的综合描述的方法，能够充分利j n 多传感器数据问的冗余和互补特性，获得需要的信息。 图2 i 车辆网络中的汽车节点装备 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：车辆配备接收、发送天线以实现数据的无线收发；车辆还应配备带有显示裴 置的计算平台和存储装嚣，以完成所收集信息的整合、处理及存储。 一 笙三至兰塑塑塑塑堕墨笙塑二 ，_ 一 2 2 2 车辆网络的构成要素 为了解决交通的安全弓高效问题，配备了无线瓦连接口装置的车辆与车辆之 问需要在个暂时的、快速变化的a dh o c 网络巾进行数据的交换；此外，这些年 辆还席能访问路边的网络吲定设施，以便满足多方面的数据共享卜j 通讯需求。所 以由廊川需求决定了年辆网络不仪要包括由车辆为节点的无线自组嘲，而且要包 括4 三辆为移动节点与路边设施互连的尢线移动网。 车辆与车辆之问的自组网( v 2 v ) 允许司机车辆与不在视线内，或者不在无 线通讯范同内的其它车辆司机进行信息交换，通过信息交换所收集的信息则可以 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年辆实际上组成 了种移动无线a dh o c 网。由于车辆的自身特点，这些网络节点有更广的通讯范 同，并且几乎没有的能量限制，同时许多为移动a dh o c 网设计的协 义卜_ j 经验都可 以借鉴到车辆的自组网中来。如图2 2 所示，图中小方块代表4 二辆，虚线凼表小 川黑色填充牟辆的无线覆盖范围，黑色车辆可以和该范围内的任何车辆直接通信， 而要和该范同以外的车辆通信就要通过两圆柏交部分内的红色车辆作为转发节点 问接通信。此外本文所给出的幽是一个在某。刻静止的影像，实际上，各节点是 沿着市 i 对规则的轨迹高速移动的。 图2 2 车辆与车辆之间的自组网 车辆与路边设施的互连( v 2 r ) 允许车辆与路边的基础设施进行无线通讯，米 实现更大范围信息的共享，例如，路况信息的巡查，过桥、停车系统的自动收费， i n t e r n e t 网的无线高速接入等；这种网络丰目当于w l a n 的一- 种特殊应j ，或者是 蜂窝移动通讯技术的种技术延伸，虽然这两种技术都可 j 于无线移动节点访问 基础设施，但原理相差很大。如图2 3 所示，路边黑色箭头代表固定设施( 尤线 网关或基站) ，虚线椭圆表示每一固定设施所能覆盖的通讯范嗣，车辆弓路边设施 的连结是在不断切换的区域、 ，进行的。 ! 兰塑鬯堑垫堕丝茎宴堡! ! 堡篓堕壁堡堕堕堡坚塑里苎一 v 2 v 与v 2 r 都要在车辆网络中实现，且要组成异构、动态、高速的网络米 史现高效、安全的交通几标，所以，不仪需要分别对这两利j 技术的原理与实现途 图2 3 车辆与路边设施网络 径进行研究，而且需要研究他们之间的结合与瓦操作，这样才能最终达到车辆网 络府川需求的f = f 标。 2 3 车辆网络的体系结构 众多的尤线网络技术一hw l a n 和蜂窝网已经提供给了人类以光线方式访州 图2 4 车辆网络的体系结构 信息和移动电话业务。这两类无线网络技术各有其优缺点。早些时候，蜂窝网传 输带宽较低，约为9 6 k b p s ，现在g p r s 可达1 0 0 k b p s ，下代3 g 更可达2 m b p s ， 而且覆盖范围约为1 s k i n 到5 k i n ，但两节点互相通讯，要经过基站，如果基站出 现、日j 题，那么通信就得l 7 断；相比于w l a n 来说，其传输带宽比较低，且8 0 2 j 1 塑三兰垩塑堕竺塑竺至堕旦! 的特别模式的体系结构是不通过接入点通信的t 作站的集合，每个节点都可j 其 它节点直接通信，其更适合于a d - h o c 网络，但其覆盖范围较小，容易造成网络分 割，从而会引起中断数据传输。将两种无线技术结合起来或者扩展w l a n 和3 g 技术到整个网络t ，就可以解决存在的那些问题。图2 4 给出了将基于w l a n 的 a d h o c 网络和基于3 g 的蜂窝网( c e l l a r ) 结合的混合体系结构，其。里面细虚线 椭圆表示基于w l a n 的“甲跳”范围示意图，外面粗虚线椭圆表示蜂窝网络壤站 的覆盖范围。 由于车辆网络是由两种类型的网络混合而成，从而其网络协议既包括无线自 组网协议，同时也包括无线局域网或蜂窝网的协议；而这些协议不可能是将已有 的协议直接照搬到这里使用，而是要考虑车辆网络的特点对这些协议进行改进或 重新设计才能符合车辆网络的要求。 2 4 车辆网络的特点 通过上面的分析，我们得知，车辆网络属十混合、异构的网络类型，冈此分 析其特点要从局部和整体角度出发。 2 4 1 车辆网络的局部特点 从局部看，车辆网络 ，的两种网络结构( v 2 v 和v 2 r ) ，不仪分目u 包括每 利，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，使得每啼| 网络 有了新的特点。 v 2 v 的特点 车辆与阜辆之间自行组织形成的网络实质上是移动a dh o c 网络( m a n e t ) i ，, j 。种特殊形式，因此它具有m a n e t 的特点，( 1 ) 节点地位平等、尤t 1 ，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，与其范同之外的 节点通信，需经过中问节点的“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、噪音于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、荦向信道等问题也 是无线信道脆弱的一个原冈。( 5 ) 网络的分布性、临时性和脆弱性，自组网- l 的 川户终端具备独立的路由和主机功能，并且高度分步；网络都是为临时使川而建 立的，冈此，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v 2 v 的特殊性，使得v 2 v 还具有如下特点：( i ) 石预测的高速移动 ! ! 至塑型塑塑堡丝些旦堡生堡篁塑壁塑堕堕堕丛盟塑塑一 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) 由十公路的静态形状使得移动是受限制的、一维的；( 3 ) 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；( 6 ) 没有明显的电源限制。 v 2 r 的特点 v 2 r 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，蜂窝移动通信网络移动终端 接入j 刮定网络是基于皋站的h d 接八方式，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，这种巾心接入和单跳特征有 别十强调多跳和无- | j 心接入的v 2 v 。移动无线通信网络通常有如下特点：( 1 ) 甲 跳接入，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投入，构 建周期长：( 3 ) 通过皋站或接入点( a p ) 等中心接入，移动终端没有路由功能， 且不能柑瓦直接通信：( 4 ) 网络拓扑结构相对稳定，尽管由于设备或链路引起故 障，佴网络拓扑结构不会发生大的改变。这些特点与自组网形成鲜明对比。此外， 由于车辆作为移动终端，v 2 r 除了具有上述特点外，还有如下特点：( 1 ) 终端的 移动速度高，造成了在接入t - 心间频繁切换；( 2 ) 终端没有明显的电源限制和计 算能力限制：( 3 ) 由于隧道或野外可能使得基站或接入点覆盖不到。 2 4 2 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 为种新的特殊的无线移动通信网络。车辆网络巾v 2 v 与v 2 r 的结合既可以看 作是扩展孤立的无线自组网到大规模瓦联网络；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r r 的最后跳扩展为多跳无线连接。通过车辆网络不仪 可以实现位于不同自组网的移动终端之问的通信，而且实现了与现有有线网络的 瓦连。它具有如下特点：( 1 ) 大规模界构网络的融台；( 2 ) 网络业务可由多种力 式实现，比如数据传播既可以通过v 2 v 实现，也可以通过v 2 r 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，蹦种网络优势互补，相互延伸。 基于以上特点，由两种网络结构构成的车辆网络，将有一些难题要克服。首 先，有必要对提供对两种网络下的协议和应用实现兼容( 两种路由协议的切换和互 操作) ；其次，考虑用户局部管理问题，要汇总局部数据库到个整体，以实现全 局搜索和滴问；再次，满足。定的q o s ，比如时延和带宽要求：此外，由于异构 网的存在，数据传输时，必然要大量的连接、切换，因此要提供透明的传输以及 提供车辆在蜂窝网络l r 频繁无缝切换的机制。以上等等问题将是未来车辆网络r t l 的研究方向和热点，而在车辆网络中高效、实时的路由算法和协议是卟关键需 要解决的问题。本文在下毒将结合车辆网络的特点对信息传播路由技术作一分 第i 章车辆网络的体系结构 析，方面对现有算法和协议的优劣性进行分析、比较；另方面利川牟辆刚络 的特有的特点，提出高效的信息传播路由技术。 2 5 小结 本章详细介绍了j j 辆网络的应j 需求，然后对车辆网络的各利，体系结构进行 了描述和分析，给出了他们各自的特点，并提出了基于蜂窝刚和a d h o c 网的混合 网络体系结构( m w n ) ，进步分析了该体系结构在车辆网络1 1r 麻川的优势。 璺三皇兰塑堕笙竺笪墨堕塑上 第三章车辆网络路由技术 本章主要介绍车辆网络中路由技术所面临的问题以及信息传播时所需要的路 由技术类型，然后对现有无线自组网的各类路由技术中主要路由协议的设计思路 和解决策略进行比较，分析和分类阐述，得出适合于车辆网络中v 2 v 结构的路由 技术，并结合车辆网络的混合体系结构，进一步提出设计更可靠、高效路由技术 所需考虑的问题。 3 1 车辆网络中地理位置辅助路由概述 我们在第二章t j 提到车辆网络融合了两利t 网络结构v 2 v 和v 2 r ，闪此车辆 网络中数据传播可依赖的网络结构有以下三种可能：单纯在白组织的v 2 vi i l l 播，4 三和车之问通过同定设施酉：连( 无线作为最后跳连接到有线丰干网) 的v 2 r 结构，或者融合两者为体的混合结构即车辆网络体系结构。由于v 2 r 结构r 1 1 只 存在“单跳”，冈此就不存在路由；而基于融台了两种网络构架的车辆网络体系 结构及其特点到日前为止，在文献中还很少有人加以论述，冈此构建于混合体系 结构之上的路由算法也还没有详细分析，所以日前文献对于车辆网络路由的研究 只是集i i ，住v 2 v 这利，体系结构f 。 3 1 1 车辆网络路由概述 在i p 网络中，路由是朋来实现分组的正确转发过程，把信息从源地址通过嘲 络传播到f _ i 的地址的行为，而且在传输中至少要经过个t p 问节点，路由的实现 需要网络层实现的路由器功能来完成。路由包含两个基本过程：确定最佳路径和 通过网络传播信息。般来说，信息传播相对简单，路径确定比较复杂。跳数 ( m e t r i c ) 是路由算法州以确定到达同的地的最佳路径的计量标准，如路手= = 长度、 可靠性、延迟、带宽、负载及通信代价。为了帮助选择路径，路由算法初始化并 维护包含路径信息的路由表，路径信息根据使用的路由算法不同而不同。信息传 播就是通过所选择的路径将数据从源节点发送到目的节点。 实现上述路由过程，就要设计相应的路由算法。设计路由算法时丰要考虑如 下日标：m e t r i c 的优化，即在多个计量标准中择优选择：健壮、稳定；简甲、高 效：快速收敛，即迅速使所有路由器对最佳路径达成致；自适应性，能够适应 各利一网络环境；安全性，保证信息准确、完整地到达。 在v 2 v 网络巾，每+ 配置好的节点( 车辆) 既有主机功能，又具有路由功能， 在该体系结构下的车辆问直接相互通信( i v c ) 就需要根据上- 章“t t 提到的v 2 v 网络特点设计路由算法。在本章中我们将首先对现有车辆网络q ，基于v 2 v 结构下 的路由算法进行分析和总结，然后结合上章给出的车辆网络体系结构提出混体 ! ! 圭塑型堑堡望丝些! 堕壁垒堕堕墅! ：堡堕虫堡堡塑竺塞一 系结构下路由算法的设汁思路。 3 1 2 地理位置辅助路由技术 由于车辆可以很便利地配备全球定位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 等 设备提供车辆的定位信息( 坐标位置和速度) ，g p s 系统和数字地图可以帮助车 辆节点获知他的位黄与道路周围环境，即，道路拓扑在定程度上反映了车辆网 络的拓扑，所以这些信息可以帮助设计更高效的路由。定位信息可 4 十定向路由， 统的时钟可以实现全局同步，相关研究已表明：地理定位信息能够提高路由性 能。 在车辆网络h 频繁的网络拓扑变化，有限的带宽以及车辆网络倒有的大规 模等特点使得维护和交换全局路由信息比较刖难。相反地，车辆可以仪仪收集和 维护局部的网络信息实现路由。由于行驶中的车辆通常事先不知道他们要通信对 方的位置和标识，因此车辆可以将信息传播到某1 地理区域或者在当前环境小有 相对速度、相对位置适宜的车辆中或者同种类型的车辆q ( 比如，警车) 。由此可 以看出，地理位置辅助路由途径巾数据包的发送日的地是个地理位置而不是i 古 定地址。 在路由算法实现时，我们要扩展和修改已有路由信息中地址信息为地理位置 地址。源信息创造者使用可控的范围的泛洪技术将信息传播到日的地。泛洪信息 的接收者使用他们所收集的局部环境的知识决定是否是他们所想要得信息，如果 是，则接受；否则，转发或丢弃。 3 2 v 2 v 中路由算法的类型 从信息传播到达日的地点的路径及对车辆网络应_ e j 需求的适用性出发，我们 将路由算法分为五种类型，它们是单播( u n i c a s t ) 、多播( m u l t i c a s t ) 、地理位 置多播( g e o c a s t ) 、广播( a n y c a s t b r o a d c a s t ) 和扫描( s c a n ) 。所有的传播类型均 考虑使j j 了定位系统，冈为大量文献表明由地理位置辅助的路由协议可以大大提 高车辆网络r f l 信息传播的效率。 单播( u n i c a s t ) ：包括精确单播和近似单播。精确单播是指对确定位置的单播， 意思是i 条信息应当在时刻t 之前传送到位置为l 的节点i ；近似单播是指对近似 位置的单墙，意思是在时刻t l 之前发送一条信息到节点i ，而节点最终在时刻t 2 活动性为m 的位置l 收到。 多播( m u l t i c a s t ) ：多播意味着在时刻t 之前向区域r 内所有接收者发送r 条 信息( 接收者有选择性) 。 地理位置多播( g e o c a s t ) ：是指在时刻t 之前将数据包发送到地理区域内的所 有节点，注意地理位置广播中的区域特指地理区域，而其他四类方式中的区域可 塑三童兰塑塑塑塑堕墨茔塑 ! ! ，一一 以指地理区域，也可指逻辑区域其可以看作为多播的。个子集。 广播( a n y c a s f i b r o a d c a s t ) ：广播意味着在时刻t 之前分发一条信息给【苤域r ， 区域内的所有节点都可以接收。 扫描( s c a n ) ：是指在时刻t 之前一条信息在区域r 内发散次。 为了说明这几类路由算法在实际中的应用，我们考虑以下廊川场景： 。辆汽 乍( 或者看作交通信息控制者) 希望获得些较远区域的信息。希望获得信息的 汽# 控制崩首先查询它自己附近( 多播方式g e o c a s t ) 以确定附近车辆是否有它 所需要的信息。任何有这样信息的汽车都可以响应这个查询( 在确定位置或近似 位赞单播) 。如果在一定时间内没有收到答复，汽车控制者发送个查询到较远 的区域的任何汽车( a n y c a s t ) 。在较远区域拥有该信息的牟辆就可以响应，响府 可能是以u n i c a s t 或m u l t i c a s t ( 如果缓从被要求) 。该场景描述了个p u l l ( ：t 十) 的 途释。 个p u s h ( 推) 途径也可以被用到，比如，遇到碰撺或交通堵塞的汽年可以 川多播( m u l t i c a s t ) 发送该信息到个区域。 另个戍日是移动i n t e r n e t 访问。i 古i 有的i n t e r n e t 网关被沿途安置。想访问 i n t e r n e t 的汽车首先通过区域内的网关( s c a n ) 传播个查询。收到查询信息的网 关响应请求的车辆( 举播) 。请求的汽车收到。个响应者并且开始和它交可。从汽 年到网关的通信属于精确单播向从网关到汽车属于近似单播。另外，遇到紧急情 况的车辆需要通知它周罔的牟辆做出紧急刹车或减速等行为，可以根据自己的4 二 速、位置、移动方向确定要通知车辆的地理区域，从而以地理位黄多插( g e o c a s t ) 的形式发送出去。 实际上，v 2 v 中的路由协议是由两类组成，。类是点到点通信( 甲播) ，另 类是点到多点通信( 包括其他四类多播) ，这两类方式均有位置辅助，且要考虑 v 2 v 的特点，“前的协议大多是对a d h o c 网络巾的协议进行了局部改进，考虑 了车辆网络一部分特点。下面我们对基于地理位置辅助的荦播路由协议和多播路 由协议加以总结和比较 3 2 1 单播路由算法 文献“4 j 中综述了2 0 0 1 年前应用地理位置信息来增强效率的点对点学播路由 协议，地理定位辅助的单播路由协议包括l a r ( l o c a t i o n a i d e d r o u t i n g ) r d m a r g e o c a s t ，d r e a m ，g p s r 以及具有移动预测机制的路由协议d v - m p ( d i s t a n c e v e c t o rw i t h m o b i l i t yp r e d i c t i o n ) 和f o r p ( f l o wo r i e n t e dr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 。 l a r 是利用移动节点的位置信息来控制路由查询范围，从而限制路由请求过 程中被影响的节点数目，提高路由请求的效率。r d m a r ( 相对距离微观发现路由) 协议有两个特点：一是在路由查找时利用源节点与目的节点之间的距离( 网段数) f t d 来限制路由查找范围；二是在路由维护中依据节点之问的空间关系米确定维 ! !兰塑塑塑坚丝墨茎! 堡垒堡篓塑壁堡竖塑塑些堕竺塞 护策略。g p s r ( g r e e d yp e r i m e t e rs t a t e l e s sr o u t i n g ，贪婪性转发和沿周边转发路由) 阱泌是个在转发数据分组时仪使_ e j 邻居节点位置信息的路由协议。具有移动预 测机制的路由协议z ，d v - m p 是基于移动预测的预选型距离向量路由协议算法， 在d v - m p 中，路由表中的度量用r e t ( r o u t ee x p i r a t i o nt i m e ，路由有效期) 表示。 尤需触发更新机制，放宽了路由表的周期更新间隔。由于可以在活动路由r 4 t 断之 前提前建立新的路由，因此由移动引起的中断可降低到最小程度；而f o r p 是使 川移动预测的面向流( f l o w ) 的随选型路由协议，目的节点选择路由有效期r e t ( 沿 路由各l e t 的最小值) 最大的路由，当r e t 快到时提前重构路由。 文献 ”】评估了地理定位辅助型单播协议g p s r 和非地理定位辅助型单播协议 d s r 住i v c 的效率，文t l i 最后得出结论：地理定位辅助类型协议更适合在车辆网 络t l ；应 j 。 3 2 2 多播路由算法 本节分析现有地理位置辅助多播( g e o c a s t ) 路由协议，这些协议的共性在于 他们将数据包发送到地理区域内的所有节点。这卜j 发送数据包到节点的任意组的 多播路由协议不同，比如，对于希望获得新信息的所有节点来说，个地理广播组 仪被定义为个地理区域。注意地理广播是多播的1 个子类，并且地珥广播能通 过多播业务实现，实现途径是如后面所描述的地理节点途径，简单定义多播组到 定的地珊区域。 我们的描述t 到如下两个定义，其中地理广播包的n 的区域是指数据包被 最终传播到的地理区域；邻居是指无需，l - 问节点的帮助数据包直接能到达的节点， 也就是说该节点在发送节点的无线覆盖范围内。 g e o c a s t 协议分为以下三类，泛洪( f l o o d i n g ) 、