（计算机系统结构专业论文）车载网络中信息服务广播路由协议的研究与设计.pdf

t h e s i sf o rm a s t e rd e g r e e ，2 0 1 l 嬲 s c h o o lc o d e ：1 0 2 6 9 s t u d e n tn 0 ：5 1 0 8 1 2 0 1 0 1 5 eastchina norma _ univer sit y r e s e a r c ha n d d e s i g n o fb r o a d c a s t r o u t i n g p r o t o c o lf o ri n f o r m a t i o n s e r v i c e si nv a n e t3 e r v l c e sl nv a 州el d e p a r t m e n t ：q ! 理巫曼s 堡i 星旦堡星i 坠亟! 垒殳h 望q ! q g y m a j o r ： g q 蛩! p 旦! 曼! ! 堡h i ! 曼曼堑旦曼 r e s e a r c ha r e a ： g q 堡旦亟盟趟曼! 盟q 巫 s u p e r v i s o r ：里! q 圣h 垫g ) 醴i s t u d e n tn a m e ： l 旦q 至迎i 2 0 1 0 1 0 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文车载网络中信息服务广播路由协议研究与 设计，是在华东师范大学攻读砸毛博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包 含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：日期：嘞年，j 月琴日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 车载网络中信息服 读学位期间在导师指导下 成果归华东师范大学所有 系本人在华东师范大学攻 学位论文，本论文的研究 相关规定保留和使用此学 位论文，并向主管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网 送交学位论 文的印刷版和电子版；允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、 借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检 索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制 学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部或“涉密 学位论文幸， 于年 月日解密，解密后适用上述授权。 ( 奶2 不保密，适用上述授权。 导师签名本人签名翌垂谊 划口年f ，月访日 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定 过的学位论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方 为有效) ，未经上述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权) 。 罗玉谊硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 邵时副教授华东师范大学主席 王能教授华东师范大学 沈富可副教授华东师范大学 华东师范大学2 0 l l 届研究生硕士学位论文 论文摘要 车载自组网( v e h i c l ea dh o cn e t w o r k ，v a n e t ) 是一种无线移动a dh o c 网 络，它为车辆间以及车辆与道路边的设备间提供通信服务。v a n e t 作为一种新 兴的无线a dh o c 网络，吸引了众多业内人士的重视并致力于车载网络各方面的 研究，同时高效的车辆间通信使得智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t s y s t e m ，i t s ) 这个概念应运而生。i t s 是一种信息化、智能化、社会化的新型 运输系统，它将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电子控制 技术以及计算机处理技术等有效地集成运用于整个交通运输管理体系。 i t s 应用包括协作驾驶控制、交通流量控制、事故避免、信息服务、以及 实时路由计算等。这些应用使用的通信方式有车辆与路边设施的通信 ( v e h i c l e i n f r a s t r u c t u r ei n t e g r a t i o n ，v i i ) 和车辆间通信( i n t e r v e h i c l e c o 哪u n i c a t i o n ，i v c ) ，而车辆间通信( i v c ) 是工t s 中比较重要一环。在i t s 中车辆间通信的研究中，因为传统的f 1 0 0 d 机制很容易引起网络拥塞甚至广播 风暴，因此针对车载网络中信息服务的需求，已经提出了很多改进的广播协 议，例如分层紧急广播协议b r o a d c o 删和o v b c a s t 广播协议等，这些协议只能 工作在简单的高速公路网络上，因而有一定的局限性。为此，本文提出了一种新 型的信息服务广播协议( an e wb r o a d c a s tp r o t o c o lf o ri n f o r m a t i o ns e r v i c e s ， n b p i s ) 。该协议是一种基于w a v e 架构的为i t s 服务的信息服务广播协议，利用 此协议能够根据广播报文应用需求按指定方向进行广播，同时减少了报文到达延 时以及减小了广播报文对信道负载的影响。 在本论文中，作者分析了i v c 的应用类型以及相关协议。同时通过对 n c t u n s 仿真器的学习和研究后，将本论文提出的协议在此仿真器上模拟仿真。 并通过与泛洪机制以及o v b c a s t 广播协议进行比较来验证本协议在车辆网络中 针对信息服务的正确性和优越性。 关键词：蝌e t ，智能交通系统， n b p i s ，w a ，n c t u n s ，仿真 华东师范大学2 0 l l 届研究生硕士学位论文 a b s t r a c t v a n e t ( v e h i c l ea dh 0 cn e 铆o r k ) ，a so n ef 0 咖o f 恤w i r e l e s sm o b i l ea d - h o cn e t w o r k s u p p o n ss e i c e sf o r 锄o n gv e l l i c l e so r b e m e e nv e h i c l e s 肌di i l 觑咖c t u r e v a n e t h 雒b e c o m e u 1 e 锄e 唱i n gm o b i l ea d - h o cn e t w o f kw h i c h i sa n r a c t i n gm o r ea i l dm o r ep r o f e s s i o n a l st or e s e a r c l l a tm es 砌et i m et h ee 矗e c t i v ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nv e h i c l e sm a l st h ei n t e l l i g e n tt 胁s p o r t s y s t e m ( i t s ) e m e r g e 嬲t h et i m e sr e q u i r e t h et e n ni n t e l l i g e m 仃i m s p o r t a t i o ns y s t e m ( i t s ) r e f e r s t oe 行0 r t st oa d di n f o 咖a t i o n 锄dc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yt 0 拓肌s p o r ti n 仔嬲t n 】c t u r ea n d v e h i c l e si na ne 岱mt 0m a l l a g e 缸t o r st h a tt ) ，p i c a l l ya r ea to d d sw i t he a c ho t h e r ，s u c ha sv e h i c l e s ， a l l dr o u t e st 0i m p r o v es 砾嚏y 锄dr e d u c ev e h i c l et r 觚s p o r t a t i o nt i m e s ，锄d 向e 1c o n s u m p t i o n i t si n c l u d e sl o t so f 印p l i c a t i o i l ss u c h 嬲c o o p e r a t i v et 例陋cm o n i t o r i n g ，c o m r o lo f 仃a f f i c n o w s ，c o l l i s i o n sa v o i d a l l c e ，i n f - o m a t i o ns e r v i c e s 肌dr e a l t i m ed e t o u rr o u t e sc o m p u t a t i o n i t sh 雒 t w ot ) ，p e so fc o m m u n i c a t i o n sw h i c ha r ev n i c l e - i n 伽l s t m c t u r ei m e 黟a t i o n ( v i i ) a i l di n t e r - v 曲i c l e c o m m u n i c a t i o n ( i v c ) ，w h i l ei v ci s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r to fi t s b e c a u s et h e 缸和i t i o n a ln o o d i n gp r o t o c o lc 绷e a s i l yl e a dt 0n e 撕o r kc o n g e s t i o n0 re v e nn e t 、) l ，o r ks t o m ，t h e r e a r el o t so fp r o f e s s i o n a l sh a v ep r o p o s e dt h e i ro w np r o t o c o l sb a s e do nt h er e s e a r c ho nl v c b u t m o s to ft l l e mh a v et h e i ro w nl i m i t a t i o n s ，s u c ha so v b c a s ta i l da i le m e 唱e n c yb r o a d c a s t p r o t o c o l ，n 锄e db d c o m m ，w h i c hc 锄o n l yw o r ki nas i m p l eh i 曲w a y n e t 、o r k f 0 rt h i s ， m i sp a p e ra u t h o rd e s i 朗e dan e wb r o a d c a s tp r o t o c o l ( n b p i s ) f o ri n f o m a t i o ns e r v i c e si nv a n e t n b p i si sab r o a d c a s tp r o t o c o lb a s e do nw a v ea r c h i t e c t i l r e nc a nb r o a d c a s tt h em e s s a g et 0t h e a p p o i m e dd i r e c t i o na st h e 叩p l i c a t i o nr e g u i r e m e n ta n da l s o 镪a n s m i tt h em e s s a g p st oa l lt h en o d e s w i t hl o wd e l a ya n dl o we 髋c to nn 咖o r kl o a d i nt h i sp a p e r ，t 1 1 ea u t h o ra n a l y z e dt h ec l 嬲s e so fa p p l i c a t i o n so ni v c 锄dt h e i rr e l e v a n t p r o t o c o l s a 觑rt h i s ，t h ea u t h o ra l s os t u d i e dt h en c t u n ss i m u l a t o ra j l di m p l e m e n t e d t h en b p l s p r o t o c o lo ni tt 0p r o v et h ec o r r e 咖e s sa n de 俄c 慨n e s so fn b p i sc o m p a r i n gt ot h eo v b - c a s t a n df l o o di ns e v e r a ls j m u l a t i o ns c e n a r i o s k e y w o r d s ：、，a n e t ，i t s ， n b p i s ，w a v e ，n c t u n s ， s i m u l a t i o n i i 华东师范大学2 0 l l 届研究生硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 背景概述。l 1 2 研究意义与主要工作。2 1 3 论文章节安排3 第二章车载网络的技术背景4 2 1 智能交通系统( i t s ) 4 2 2d s r c w a v e 协议栈6 2 3 车载自组网络( v a n e t ) 9 2 4 车间通信应用的分类1 0 2 5 车间通信需求比较1 2 2 6 车间通信广播路由协议概述1 4 第三章对仿真器n c t u n s 的研究1 6 3 1 网络仿真概述1 6 3 2 无线网络仿真研究现状1 6 3 3n c t u n s 网络仿真器18 3 4n c t u n s 体系结构2 l 3 5 在n c t u n s 中添加新的协议模块2 4 3 6 利用n c t u n s 进行模拟实验2 6 第四章n b p i s 广播路由协议2 8 4 1n b p i s 协议基本思想2 8 4 2 协议适用场景2 9 4 3 协议运行的前置条件2 9 4 4 最优转发节点选取3l 4 5n b p i s 协议运行逻辑实现3 2 第五章n b p i s 在n c t u n s 上的仿真测试3 8 5 1 仿真场景构造与参数设置3 8 5 2 协议性能评估指标4 4 5 3 仿真测试结果与分析4 5 第六章总结与展望。6 0 6 1 总结6 0 6 2 展望6 0 附录6 2 参考文献6 4 致 射6 6 i l i 华东师范大学2 0 l l 届研究生硕士学位论文 1 1 背景概述 第一章绪论 经过多年来对无线移动网络( m o b 订ea dh o cn e t w o r k ，m a n e t n l ) 领域的研 究，以及近年来交通道路系统上容量的快速增加从而导致行车安全和效率问题越 来越受到重视，一种新兴的车载无线移动网络( v e h i c l ea dh o cn e t w o r k ， v a n e t 盥1 ) 逐渐成为研究的热点。同时在此研究过程中智能交通系统( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r ts y s t e m s ，i t s 1 ) 被提出并且也开始越加受到关注进而持续发展。i t s 是建立在网络化的信息技术基础之上，以实现交通管理系统的最佳化和高效化为 手段，提高行车安全性、舒适性以及道路的运输效率。 在北美，联邦通讯委员会( f e d e r a lc o 姗u n i c a t i o n sc o 姗i s s i o n ，f c c ) 基 于8 0 2 1 1 a 标准在5 9 g h z 频段上分配了7 5 删z 的频宽给车载系统使用，其中所 采用的被称为专用短距离通信( d e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o 姗u n i c a t i o n ，d s r c ) 协议n 1 ，能支持车辆在高速移动环境下，信息传输速率可达到2 7 m b p s 。欧洲地区 在1 9 9 1 年组成的 欧洲道路科技执行协调组织 ( e u r o p e a nr o a dt r a n s p o r t a t i o n t e l e m a t i c si m p l e m e n t a t i o nc o o r d i n a t i o no r g a n i z a t i o n ，e r t i c o ) ，作为欧洲 各国发展i t s 的基础，提供欧洲各国发展i t s 的咨询技术支持。目前以各城市试 验方式进行为主，与现有的通讯系统( 如手机系统，广播系统，g p s g i s 系统等) 相结合来发展i t s 相关服务啼3 。在台湾地区则有i t st a i w a n 整合产、官、学、 研各部门的资源，来推动i t s 的发展与建置并计划将通讯技术运用在包括先进旅 行者资讯系统等各项i t s 服务系统之内呻1 。 d s r c 是i t s 中专用于机动车辆在高速公路上等的收费点实现不停车自动收 费( e l e c t r o n i ct 0 1 1c 0 1 l e c t i o n ，e t c ) 技术。但是此项协议标准有诸多限制， 很难满足未来i t s 发展的需要。因此，i e e e 制定了w a v e ( w i r e l e s sa c c e s si n v e h i c u l a re n v i r o n m e n t ) 标准，这是目前唯一正在制定中的v a n e t 通信协议标 准，包含了i e e e1 6 0 9 协议族和8 0 2 1 1 p 协议。w a v e 标准改进了之前针对e t c 应用的d s r c 标准，能够达到更高的通信效率、传输范围，并能与现有的i n t e r n e t 网络更好的融合。 华东师范大学2 0 l l 届研究生硕上学位论文 v a n e t 是传统的移动自组网( m a n e t ) 在交通道路上的应用，道路上行驶的 汽车作为网络节点，具有高速移动并轨迹规则的特点，同时对网络时延、可靠性 等指标上有严格的要求。可以看出对v a n e t 领域的研究有着广阔的空间和应用前 景，我国自主汽车产业正处于初步并正在快速成长的阶段，在我国开展v a n e t 相关技术的深入研究有着重大意义。在v a n e t 的研究方面，主要集中在基于道路 安全的信息服务应用盯1 ，辅助型信息服务应用，以及交通状况查询等方面。因此 针对这些应用，对时延、到达率及准确性上有所不同，但针对v a n e t 网络设计一 个高到达率，低时延等高性能的广播协议无疑对v a n e t 路由协议的研究和发展有 进一步促进和推动作用。因此本论文在w a v e 架构上，针对v a n e t 上的信息服务 的应用提出并在n c t u n s 实现了的一款具有高性能的数据分发算法的广播协议 n b p i s ，为以后车载网络信息服务应用更好的设计和实现打下基础。 1 2 研究意义与主要工作 据统计数据和研究资料表明，由于机动车辆的广泛普及，各国己进入了交通 事故的高发期，车辆运输安全问题已经十分严峻。而在2 0 0 3 年i t u t 的汽车通 信标准化会议上，所提出的车载自组网( v a n e t ) 技术能够为未来的交通系统提 供安全性和高效性。因而近年来，各国研究学者针对v a n e t 的车间通讯( i v c ) 的各种传输问题进行了广泛的研究，在v a n e t 的路由协议研究中主要有两类，第 一类是主要针对信息服务的广播或具有方向的多播协议，例如在车辆发生交通事 故后向事故周围车辆发送的紧急通告信息，以及向道路上的车辆通告大雾或雨水 等天气状况信息；第二类主要针对车辆间点对点通信，而这类通信协议主要是为 某个车辆提供服务的应用，例如娱乐，新闻，广告，以及连接到因特网等。对于 第一类的研究，应该说在v a n e t 具有重要意义，它能够真正为车辆安全以及车辆 运输效率，协助车辆驾驶等道路上车辆需求提供有效的服务，促进未来车辆系统 向高效化，信息化，智能化等方向发展。 w a v e 作为目前v a n e t 中正在研究的车载通信协议标准，迄今为止在n c t u n s 模拟平台上基于w a v e 架构的广播协议设计和实现还很少，所以本文针对v a n e t 的第一类研究，提出了基于w a v e 架构的信息服务广播协议。本文通过对v a n e t 的特点、应用以及协议的分析和总结，针对v e n e t 特点以及应用需求提出了适合 2 华东师范大学2 0 1 1 届研究生硕士学位论文 信息服务的广播协议n b p i s ，同时分析和研究了无线网络模拟器的发展历程和相 关技术，特别是对本论文的试验平台n c t u n s 网络模拟器的原理以及运用方法做 了全面的介绍。最后将本文提出的n b p i s 在n c t u n s 上实现并与o v b c a s t 广播协 议以及f 1 0 0 d 协议在多个性能指标上进行比较，来验证n b p i s 协议的正确性以及 高效性，为以后基于w a v e 架构的车载网络协议研究打下基础。 1 3 论文章节安排 因为车载网络( v a n e t ) 是种新型技术，在国内以至于国际上仍处于的新兴 的研究领域。所以本文给出了v a n e t 以及网络模拟器的全面介绍。 本论文共分为六个章节，具体章节安排如下： 第一章为绪论，介绍本课题的背景、相关概念、课题的研究意义及主要工作。 第二章具体介绍了车间通讯技术背景，包括i t s 的相关技术、d s r c 协议栈 和w a v e 协议栈，车辆自组网( v a n e t ) 、车间通信( i v c ) 的应用分类以及已存在 的部分广播协议。 第三章分析和研究了无线网络模拟器的发展历程和相关技术，特别是对本论 文的试验平台n c t u n s 网络模拟器的原理以及使用方法做了全面的介绍。 第四章介绍了n b p i s 协议的主要设计思想，协议运行的使用场景和前置条件 以及协议运行逻辑。 第五章是仿真测试，在n c t u n s 平台上得出n b p i s 和o v b c a s t 、f l o o d 协议 在各种场景下的运行比较结果，验证n b p i s 协议的可行性和优越性。 第六章对本论文进行了总结，对i t s 中信息服务应用和w a v e 架构的研究以 及发展前景进行展望。 3 华东师范大学2 0 l l 届研究生硕士学位论文 第二章车载网络的技术背景 2 1 智能交通系统( i t s ) 2 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 ts y s t e m s ，i t s ) 是利用基础设施和 车辆系统，通过先进感测、资讯、通信技术来达到行人、道路、车辆等整合型交 通管理，运用及时路况的资讯，可以降低交通事故发生，提高交通运输效率，从 而能够节省能源消耗并减少环境污染，来实现各种道路交通相关的安全性和便利 性等的系统服务。 t r - a v e i e r sc e n 坟芽s 嘲虮钯n 廿 k c & l 鼠e m o 瞻暖畿习l 粤! ；l 一勰习 鼍怒v e n 虻靶l 瓣篙黼；l 物缴缎绦毪a 线磁l t r 8 p 嘶 f 秘鳢a 伟吐 铂p p 口n l 靠f b r n m 掰。秘 l 触_ 粉弼钟堋 l膨a “a o w 蝴fl “t 撇舾 瞄船鲰嘲f 期穗 勰lip 自d 9 i 棚当琏 m m l 哪m n a 啦 、 c a 心l|il 1 陋 f e d 柳l r 出二： b i l oc u “绷l “跹耐m 4 卜娃老d - p 渤m 【0 j 彦d p mc 0 掰g n 啦诸a u 僦 r1 l 一州l 【 n 叁 苗 j l 啪“拗硒l r1 7 f l 镐篱，广 0 蚺 5 耍 ；。 主 善 ， 。 蔽磁n l u r 嘲辫键v e n 艺电 錾 叮 考 l l 二己 b # 黼* t 。啄i 一 l p a r k 钠k l 要 ； _ r r 瓣5 | l 磊 l 翩孵m 2、，垂热芝i e l ， 口 童 羔 鲤! 雌物一* 扩j ，i i 墨 l 嘲簪，l蝴| e l 瞄 开 f l e 瓣 l 善餮善l o o lj一，i 7 。一q i ： ， l j 图2 1i t s 系统架构图。 图2 1 为由美国国际i t s 组织提供的i t s 系统架构图，共分为四个单元，包 括旅行者( t r a v e l e r ) 、交通控制中心( c e n t e r ) 、车辆( v e h i c l e s ) 以及道路设 施( f i e l d ) 。其中交通控制中心可以提供许多交通管理相关服务，如整体交通管 理控制、电子化收费、驾驶辅助引导、紧急事件管理等。同时从图中可以看出， 通过v e h i c l et ov e h i c l e 、v e h i c l et or o a d s i d e 、f i x p o i n tt of i x p o i n t c o 姗u n i c a t i o n 、w i d ea r e aw i r e l e s s ( m o b i l e ) c o 姗u n i c a t i o n 等网络连接方 式，将i t s 系统架构中的四个交通单元连接起来。 4 华东师范大学2 0 l l 届研究生硕士学位论文 智能交通系统在通讯网络中可以分为两个部分：车辆与基础设施的整合( v i i ) 和车间通讯( i v c ) 。v i i 是通过无线网络使得车辆与道路边的基础设施间进行通 信；i v c 是通过无线网络使得车辆与车辆间进行通信。在1 9 9 5 年3 月美国交通 部出版了“国家智能交通系统项目规划 ，其中明确规定智能交通系统包含的7 大领域和具有的2 9 个用户服务功能。这7 大领域涉及：出行需求管理系统、出 行与交通管理系统、商用车辆运营系统、公共交通运营系统、电子收费系统、应 急管理系统以及先进车辆控制和安全系统叫。 2 1 2 智能交通系统研究内容 近年来，智能交通系统一直是交通运输领域与无线网络领域结合后的理论研 究热点，同时取得了相当大的成果。随着当今交通系统的发展，努力改良并提出 适于i t s 应用的新交通运输模型，这些模型与传统的交通系统相比应该具有信息 化、实时化和网络化等特点。因而近年来，人们越来越关注智能交通系统的研究， 这些研究主要包括以下方面阳3 ： 1 ) 动态的交通预测和控制。 2 ) 高速公路以及主要路段上的事故管理。 3 ) 旅行者行为的模型研究。 二。 4 ) 在组建交通模型中应用了神经网络和人工智能。 5 ) 在自动化的道路系统和车辆控制方面。 6 ) 拥挤定价。 7 ) 在交通运输与安全、环保和能量等相关方面。 8 ) 综合交通运输的智能化等相关方面。 本文针对智能交通系统中的路由问题提出了基于信息服务的广播路由协议， 主要是为解决交通道路上运输安全，路况以及娱乐等相关信息的分发提供了一种 具有高性能的信息广播机制，为未来智能交通系统上设计更高效及可靠的广播路 由协议打下基础。 5 华东师范大学2 0 1 l 届研究生硕士学位论文 2 2d s r c w a v e 协议栈 2 2 1d s r c w a v e 协议栈的发展背景 为了减少道路上车辆事故从而提高车辆行驶安全，通过车辆间相互通信是非 常必要的，同时车辆间传递的信息必须具有低延时，高准确率和到达率等特点。 8 0 2 1 1 是基于无线自组网的协议标准，但是因为车载自组网与无线移动自组网 相比，具有其本身独特的特点，所以单纯将8 0 2 1 1 协议应用于车载网络上，效 率并不高。基于此原因，由a s t m 和i e e e 制定的d s r c ( d e d i c a t e ds h o r tr a n g e c o m m u n i c a t i o n ) 协议，即专用短距离通讯，专用于智能交通系统上。在1 9 9 9 年由f c c 在5 9 g h z 频段上为d s r c 分配了7 5 删z 的频宽给车载系统使用。d s r c 的物理层是基于i e 髓8 0 2 1 1 a 协议，同时其介质访问控制层是基于i 阻e8 0 2 1 1 的分布式协调功能( 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 ) 。 但是d s r c 协议在车载网络上有诸多限制，如数据传输率低，车载无线通信 范围小，不易于传统的i n t e r n e t 相融合等特点。因此，美国i e e e 从2 1 世纪开 始在基于d s r c 标准上提出了w a v e ( w i r e l e s sa c c e s s i nt h e v e h i c u l a r e n v i r o n m e n t ) 协议标准。w a v e 或称为8 0 2 1 1 p ，是一个为提高d s r c 协议的物理 层和访问控制层性能的i e e e 标准。 2 2 2w a v e 协议栈介绍 w a v e 协议栈较以前的d s r c 协议栈，可以说是一个全新的协议架构。w a v e 的物理层和m a c 子层也是基于8 0 2 1 1 的，借鉴了8 0 2 1 1 a 协议、8 0 2 1 1 e 协议 以及8 0 2 1 l q 协议的特点。w a v e 可以和以前的8 0 2 1 l 标准兼容，也可与传统 i n t e r n e t 有效融合。w a v e 协议栈的特点有以下几个方面： ( 1 ) 在公共安全相关的应用上预留了专门信道。 ( 2 ) w a v e 设备之间可以相互通信，且通信距离理论值最大为1 0 0 0 米，但 据实际情况的测量，一般在3 0 0 米左右。 ( 3 ) 数据传输速率高：可达到3 2 7 m b p s 。 ( 4 ) 能够与传统i n t e r n e t 融合。 6 华东师范大学2 0 1 1 届研究生硕士学位论文 w a v e 的物理设备分为两类：r s u ( r o a d s i d eu n i t ) 和o b u ( o n b o a r du n i t ) 。 其中r s u 扮演了访问接入点的角色，一般固定安装在路边，并可以与i n t e r n e t 通过有线或无线的方式连接；而o 叫属于车载设备。一个r s u 可以和多个o b u 组成w b s s ( w a v eb a s i cs e r v i c es e t ) ；若没有r s u ，则0 b u 之间可组成w i b s s ( w a v ei n d e d e n d e n tb a s i cs e r v i c es e t ) ，因此w i b s s 属于无线移动网络。利 用w a v e 协议栈通信，r s u 设备和0 b u 设备来完成各种应用报文的交互。图2 2 n 明 为w a v e 系统的组成部件，其中包括：物理设备( r s u 和0 b u ) 、内部物理接口 ( a i r l i n k ) 、功能组件( p h y ，m a c ，n e t w o r k i n g ：w s m i p u d p t c p ，m a n a g e m e n t p 1 a n e ) 、外部物理接口( 0 i ，w a n ) 和外部功能接口( 髓n a g e m e n te n t i t y ， a p p l i c a t i o n ) 。 劂r 弧s i d e 谛怒。屯k 。劂裟裟r 弧k e 谛錾翥。屯陋。勰 u 呻i t a p p l i ca u o n 0 a p p ca 廿o n s 一 蔷 蔷 舞叠 妻妻 l 艺s 弋 1 吣盈瓤r - _ j ) 黧rop们nai 拶厂 if y t 冉r n 鼻ii n t e 柏n 叠、 矿弋二二二：7 、”乙、i ”( ：二7 、 i 图2 2w a v e 系统的组成部件 7 华东师范大学2 0 1 1 届研究生硕上学位论文 m a n a g e m e n tp i a n e d a t ap i a n e 图2 3w a v e 协议栈架构 w a v e 协议栈分为管理平面和数据平面，其中管理平面负责该协议栈参数和 行为的控制，而数据平面主要负责传输有效的数据信息。w a v e 协议栈的架构设 计参考了o s i 七层模型，如图2 3 n 町所示为其各层次协议。 w a v e 协议栈是由8 0 2 1 1 p 以及1 6 0 9 协议栈组成的，如图2 4 n 们所示，其中 8 0 2 1 1 p n 妇定义了物理层和m a c 层标准，而i e e e l 6 0 9 则是以i e e e 8 0 2 1 1 p 通讯协 议为基础的高层标准。i e e e l 6 0 9 工作在5 9 g h z 频段下，同时使用8 0 2 1 1 p 标准 作为底层的通讯技术，采用i p v 6 作为上层通讯协议。i e e e l 6 0 9 协议栈包括四个 部分n 2 l ： 0 s i r e f e r e n c o m o d e i a p p c a l i o n p r e s e n t a t i o n ；e s s i o n t 怕n s p o r t n e r i d a t al i n k p h y s i i 图2 4w a v e 协议栈和相应标准文档 华东师范大学2 0 1 l 届研究生硕士学位论文 ( 1 ) i e e e1 6 0 9 1 一w a v er e s o u r c em a n a g e r ( 资源管理) ：描述了w a v e 系统架构的关键组件，同时定义了消息传送格式以及资源类型；( 2 ) i e e e1 6 0 9 2 一一w a v es e c u r i t ys e r v i c e sf o ra p p l i c a t i o n sa n dm a n a g e m e n tm e s s a g e s ( 安 全服务) ：定义了安全消息的格式和处理过程，为安全消息的交换提供环境； ( 3 ) i e e e1 6 0 9 3 w a v en e t w o r k i n gs e r v i c e s ( 网络及通信服务) ：定义了w a v e 的网络和传输层服务，包括寻址和路由，从而支持安全的w a v e 数据交换；( 4 ) i e e e 1 6 0 9 4 一w a v em u l t i c h a n n e lo p e r a t i o n s ( 服务信道管理) ：增强了8 0 2 1 1 m a c 层，提供多信道协作功能。 w a v e 作为下一代专用短距离通信( d s r c ) ，主要用于智能交通系统( i t s ) 上的应用服务，具有很高的研究应用价值。 2 3 车载白组网络( v a n e t ) 无线移动自组网( m o b i l ea dh o cn e t w o r k i n g ，m a n e t ) 又称无线移动多跳网、 无线自组网，是a dh o c 网络的一种自组织网络，是由一组相互协作的无线移动 节点组成的、无中心控制节点、不依赖于任何固定网络设备的特殊网络，而车辆 自组网( v a n e t ) 就是m a n e t 中的一种特殊应用。 v a n e t 是指在交通道路上的车辆之间、车辆与固定接入点间相互通信组成的 无线移动的a dh o c 网络，旨在为道路上构建一个车辆间通信的网络，此网络具 有自组织性、部署方便、耗费低廉并且结构开放的特点。v a n e t 技术可以实现道 路上各种应用，如辅助驾驶、事故警告、交通信息查询、车辆上的乘客间通信以 及i n t e r n e t 信息服务等相关应用。 v a n e t 上的网络节点是由行驶在道路上的车辆组成的，因为车辆具有快速移 动和轨迹规则的特点，因此与m a n e t 相比具有很多不同的特性，下面列出v a n e t 一些特点n3 1 ： ( 1 ) 电力消耗无限制：该车载无线设备可以利用车用电池作为其稳定供电 来源。 ( 2 ) 外部辅助信息多：智能车辆通常会装载很多先进电子配备，如g p s 、导 航系统和电子地图等。 ( 3 ) 网络拓扑范围广：该车载网络可以覆盖都市街道、高速公路等交通道 9 华东师范大学2 0 l l 届研究生硕七学位论文 路系统，甚至可以覆盖到面积广阔的乡村。 ( 4 ) 网络密度多变：在现实的交通道路上，车辆密度会随时发生变化。 ( 5 ) 管状的网络拓扑：不同于一般网络均匀分布情况，v a n e t 的拓扑结构 受限于道路设计，通常呈现管状分布。 ( 6 ) 车辆节点移动具有规律性：v a n e t 中车辆节点是沿着现实交通道路情 况移动的，并非随机移动，因此具有一定的移动规律。 ( 7 ) 车辆节点移动速度较快：据此原因，v a n e t 网络拓扑变化迅速。 2 4 车间通信应用的分类 车间通信允许移动车辆通过无线数据传输能够直接和其他车辆进行通信，而 是否需要类似于路边设备的基础设施参与其中是可选的。根据应用的需求车辆间 交换的数据不同，例如有控制车辆行为的数据以及因特网信息等，这些通信方式 有三种：1 ) 一对一，例如路口上两个车辆节点为避免碰撞的数据交换；2 ) 一对 多，例如在控制车辆整体运动时，需要一个领导车辆与其他成员车辆间进行通信； 3 ) 多对多，道路上为避免拥塞，各个车辆间互相交换自身位置、速度以及方向 等运输信息，从而使得车辆能够实时调整自己的运行状态。除此之外，本论文所 叙述的很多其他应用，都利用了多于一个的通信方式。 i 篝牡。y “z d 。v 瓠毒。 拳o n 翻帕l 日o o 暇_ i 霹r l 田j j 霸r 虿一 ! 叫 南 图2 5 通过领导车辆来引导后续车辆的排队行驶 从图2 5 的车辆引导驾驶应用中，引导车辆对后续车辆的行驶设置了运行空 间以及运行方式。后续车辆接收到引导车辆的信息后，会根据引导车辆信息的要 求，来设置自身运行状态，从而使得整个运行车辆队列按照指定方式整体行驶。 可能这种整体的驾驶方式可以通过驾驶之前司机间的协商以及在运行过程中司 机的实时观察来调整。但是通过司机来调整驾驶方式，对整体驾驶的精确度不高， 同时也有很大的局限性。所以从长远来看，根据车间通信的方式才能真正满足车 l o 华东师范大学2 0 l l 届研究生硕士学位论文 辆实际应用的需求。 根据应用的需求，以及结合v a n e t 的属性，来设计i v c 协议。车载网络中的 应用需求可能对信息传递的要求在各种指标上各不相同，根据前面的叙述，车载 网络中的某些应用可能对信息时延有着严格要求，而其他应用可能会要求具有很 高的报文到达率，但对时延要求不高。例如在车载网络中的车辆安全应用中，当 发生车辆交通事故