（计算机科学与技术专业论文）面向无线车辆网络的可生存性技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 随着车辆的普及和移动a dh o c 网络技术的不断发展，作为智能交通系统重要 组成部分的车辆网络逐渐成为移动a dh o c 网络中一个新兴的研究领域。车辆网络 是由具有不同移动性能的车辆组成的无线网络，是一种特殊的移动a dh o c 网络。 它对于车辆环境下的交通信息预警、车辆行驶协助、车辆之间通信和车辆i n t e m e t 访问等方面具有良好应用前景。 目前对车辆网络的研究主要集中在m a c 协议、路由协议和网络安全等方面， 同时车辆网络的性能研究也已逐渐引起了学术界和产业界的关注。车辆网络因无 线特性，以及车辆的快速移动和网络分布范围大等特点，造成了它的脆弱性。研 究车辆网络在遭受各种威胁的情况下，如何保持服务的持续提供，也就是保证车 辆网络的可生存性显得非常重要。 本文以车辆网络的可生存性为研究目标，建立了车辆网络可生存性模型，并 针对提高可生存性的路由技术进行了研究。 首先，介绍了车辆网络的应用和体系结构，并分析了车辆网络的特点。 然后，根据车辆网络的特点和实际应用，分析了车辆网络的可生存性要素， 给出了车辆网络的可生存性定义，分析了车辆网络的服务、威胁和策略，提出了 一种基于马尔可夫链的平均可生存性模型，并通过模拟验证了该模型的正确性。 理论和模拟都表明改善网络通信的质量可以有效提高系统的可生存性。 在分析现有车辆网络路由协议的基础上，基于现有的路由技术a o d v 和 v h r p ，提出了一种更适合于城市车辆网络的路由协议基于速度向量的位置预 测路由协议v p r p ，并通过实验验证了该协议改进了路由性能。v p r p 在保证不增 加丢包率的前提下，进一步降低平均传输延迟，从而保证了网络能够及时地提供 服务。 由于n s 2 不能生成模拟需要的交通场景，本文还设计并实现了一个场景产生 器，产生了所需的交通场景。它的输出作为n s 2 模拟需要的场景文件。 主题词：车辆网络，移动自组网，可生存性，路由协议 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ep r e v a l e n c eo fv e h i c l e sa n dt h ec o n s t a n td e v e l o p m e n to fm o b i l ea dh o c n e t w o r k ( m a n e t ) t e c h n i q u e s ，v e h i c u l a r a dh o cn e t w o r k ( v a n e t ) ，a so n eo ft h em o s t c r u c i a lp a n so fi 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 ) ，h a sg r a d u a l l yb e c o m ean e w r e s e a r c hf i e l di nm a n e t v a n e tc o n s i s t so fv e h i c l e sw i t hv a r i e dm o b i l i t y a n di sa e s p e c i a lk i n do fm a n e t v a n e th a saf i n ea p p l i c a t i o np r o s p e c ti nt r a f f i ci n f o r m a t i o n w a r n i n g ，d r i v i n ga b i d a n c e ，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 n t e r n e ta c c e s s i n g ，a n ds o o n n o w a d a y s ，t h er e s e a r c h e sf o c u so nt h em a cp r o t o c o l s ，r o u t i n gp r o t o c o l s ，n e t w o r k s e c u r i t i e sa n ds oo n h o w e v e r ，t h ep e r f o r m a n c eo fv a n e th a sg r a d u a l l ya t t r a c t e d a t t e n t i o no f b o t ha c a d e m ea n di n d u s t r i e s v a n e t ，a saw i r e l e s sn e t w o r k ，i sv u l n e r a b l e d u et oi t sh i g hm o b i l i t ya n dl a r g es c a l eo fn e t w o r k c o n s e q u e n t l y ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt o s t u d yh o w t om a i n t a i nt h ec o n t i n u e dp r o v i s i o no fs e r v i c e s ，w h i c hm e a n sg u a r a n t e e i n g t h es u r v i v a b i l i t yo fv a n e tw h e ns u f f e r i n gf r o mv a r i e dt h r e a t e n s a i m i n ga tt h es u r v i v a b i l i t yo fv a n e t ，t h i st h e s i sd e v e l o p e d as u r v i v a b i l i t ym o d e l f o rv a n e t ，a n ds t u d i e dt h er o u t i n gt e c h n i q u e sf o ri m p r o v i n gt h es u r v i v a b i l i t yo f v a n e t f i r s t l y ，t h ea p p l i c a t i o n sa n da r c h i t e c t u r e so fv a n e tw e r ei n t r o d u c e d ，a n di t s c h a r a c t e r i s t i c sw e r ea n a l y z e d ，t o o s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt o i t sc h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o n s ，t h ef a c t o r si nt h e s u r v i v a b i l i t yo fv a n e tw a sa n a l y z e d ，t h es u r v i v a b i l i t yo fv a n e t w a sd e f i n e d ，t h e s e r v i c e s ，t h r e a t e n s ，a n ds t r a t e g i e so fv a n e tw e r ea n a l y z e d ，a n dt h em o d e lo fa v e r a g e s u r v i v a b i l i t y b a s e do nm a r k o vc h a i nw a sd e v e l o p e d f i n a l l y ，t h ec o r r e c t n e s s v e r i f i c a t i o nw o r ko ft h em o d e lw a sa l s od o n eb ys i m u l a t i o n s b o t ht h et h e o r ya n d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a ti m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fc o m m u n i c a t i o no fv a n e t c o u l de f f i c i e n t l ye n h a n c et h es u r v i v a b i l i t y t h i r d l y ，t h ee x i s t i n gr o u t i n gp r o t o c o l sf o rv a n e t w e r ei n t r o d u c e d ，t h e nb a s e do n t h ee x i s t i n gr o u t i n gp r o t o c o l s - - a o d va n dv h r p ，ar o u t i n gp r o t o c o l - - v e l o c i t yb a s e d p o s i t i o np r e d i c t i v er o u t i n gp r o t o c o l ( v p r p ) w a sp u tf o r w a r d ，w h i c hw a sm o r es u i tf o r v a n e ti n c i t y s c e n a r i o s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a ti t i m p r o v e dr o u t i n g p e r f o r m a n c e w i t h o u tt h ei n c r e a s eo fp a c k e tl o s sr a t e ，i tf u r t h e rr e d u c e da v e r a g ed e l a y ； c o n s e q u e n t l y ，i te n s u r e dt h et i m e l yd e l i v e r yo fn e t w o r ks e r v i c e s b e c a u s en s 2c o u l d n tg e n e r a t et h et r a f f i cs c e n a r i o sw h i c ht h es i m u l a t i o nn e e d e d ，a t r a f f i cg e n e r a t o rf o rc i t ys c e n a r i o sw a sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d ，w h o s eo u t p u t sw a s f o r n s 2 k e yw o r d s ：v a n e t ，m a n e t ，s u r v i v a b i l i t y ，r o u t i n gp r o t o c o l s 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 图目录 图2 1 车辆网络示意图8 图2 2 车辆配备的通信装置9 图2 3 车辆之间通信：_ 1 0 图2 4 车辆与路边固定设施之间通信lo 图3 1v a n e t 状态转移图1 6 图3 2 排队系统l7 图3 3 单组参数下的理论值和模拟值1 8 图3 4 不同威胁到达率下系统可生存性理论值1 9 图3 5 不同威胁到达率下系统可生存性模拟值2 0 图3 6 不同用户满意度下的系统可生存性理论值2 0 图3 7 不同用户满意度下的系统可生存性模拟值2 1 图4 1 十字路口示意图2 7 图4 2 分组示意图2 8 图4 3 路由建立过程2 9 图4 4 场景示意图3i 图4 5 ( a ) 交通示意图3l 图4 5 ( b ) 交通示意图3 2 图4 6 路由更新算法3 3 图4 7 路况示意图3 4 图4 8 第一组实验的吞吐量3 5 图4 9 第一组实验的分组投递率3 5 图4 1 0 第一组实验的平均传输延迟3 6 图4 1 1 第一组实验的控制报文数目3 6 图4 1 2 第一组实验的控制报文大小3 7 图4 1 3 第二组实验的吞吐量3 9 图4 1 4 第二组实验的分组投递率3 9 图4 15 第二组实验的平均传输延迟4 0 图4 1 6 第二组实验的控制报文数目4 0 图4 1 7 第二组实验的控制报文大小4 l 图5 1n s 2 构件库的部分类层次结构4 3 图5 2 用户角度看到的n s 2 4 3 图5 3n s 2 模拟基本流程4 4 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图5 4 环形道路图4 6 图5 5 简化场景图4 6 图5 6 模拟场景图4 7 图5 7 程序运行总流程图4 9 图5 8 前进事件流程图5 0 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表4 1 自组网路由协议分类2 3 表4 2r r e q 报文数据结构3 0 表4 3r r e p 报文数据结构3 0 表4 4 第一组实验a o d v 、v h r p 、v p r p 性能比较。3 7 表4 5a o d v 、v h r p 、v p r p 性能比较3 8 表5 1 模拟属性设置4 4 第1 i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本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 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术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。 学位论文题目：亘自垂线奎麴圆签的丑生盔性这盔盟塞 学位论文作者签名： 馥匙 日期：五彩年j 声月如 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；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。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 亘囱歪线主舾圈缝鲍豆生盔性垫盔堡窒 学位论文作者签名：盈丝 作者指导教师签名：二盔三垄叠 日期：矽口8 年j 2 月! 日 日期：) 嘶年驴月f 日 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 第一章绪论 随着车辆的普及和移动a dh o c 网络m a n e t ( m o b i l ea dh o cn e t w o r k s ) 技术 的不断发展，车辆网络v a n e t ( v e h i c u l a ra dh o cn e t w o r k s ) 逐渐成为新兴的研究 领域。车辆网络又叫车辆自组网、车载网络，它是以配备了无线互连接口设备的 车辆为节点，融合了车辆与车辆之间直接互连、间接互连以及车辆与路边固定设 施互连的混合体系结构的网络，是一种特殊的m a n e t 。它对于车辆环境下的交通 信息预警、车辆行驶协助、车辆之间通信和车辆i n t e m e t 访问等方面具有良好应用 背景。 1 1 车辆网络的研究意义 车辆网络是一个特殊的移动自组网，是自组织的、分布式的无线网络，在任 何时刻移动的车辆通过无线信道能够形成一个任意的网络拓扑结构，能够支持实 时的交通信息发布，提供紧急报警消息的通告和各种分布式应用。 1 9 7 3 年，美国国防部高级研究规划署( d a p r a ) 资助了一项特别的研究 分组无线网络( p a c k e tr a d i on e t w o r k ) ，即让分组交换技术在不受有线基础设施 限制的环境下运行。最开始的目的是为了满足战场生存的军事需求。在战场环境 下，由于各种因素，例如地理因素、时问因素，所以使用已经铺设好的通信设施 几乎是不可能的。因此，能快速装备、自组织的移动基础设施是这种网络的最大 特征。所以车辆网络作为一类特殊的自组网，它的重要用途之一便是军事应用， 装备了无线通信设备的各种战车和士兵，在战场上形成了一种非常广泛的无线网 络，大大便利了战场通信指挥与控制。 除了军事应用，车辆网络作为智能交通系统的重要组成部分，也具有非常重 要的民用价值。特别是在道路安全方面具有非常积极的作用。 随着车辆的普及，道路交通事故造成的伤害已经成为全球备受关注的问题。 2 0 0 5 年，全国共发生道路交通事故4 5 0 2 5 4 起，造成9 8 7 3 8 人死亡，4 6 9 9 11 人受伤，直接财产损失1 8 8 亿元，万车死亡率为7 6 。机动车驾驶人交通违法是造 成交通事故的主要原因。全国机动车驾驶人交通肇事4 1 7 3 5 5 起，造成9 1 0 6 2 人死 亡，分别占总数的9 2 7 和9 2 2 。超速行驶、疲劳驾驶、客车超员等是主要的 因素。因超速行驶导致1 6 0 1 5 人死亡；疲劳驾驶导致2 5 6 6 人死亡；违法超、会车 导致6 8 7 1 人死亡，违法占道行驶导致4 4 8 8 人死亡；超员客车交通事故导致3 0 3 9 人死亡。 第l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 通过深入分析这种状况，我们发现了存在一些深层次原因。首先，由于路与 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不了需求，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、交通工具总体构成不合理，是导致车祸的客观原因。一些 公路线形设计存在严重缺陷，形成急弯、连续弯路、陡坡或连续长坡、宽路窄桥， 且缺少标志、标线和安全防护措施。此外，人们交通法律意识、交通安全意识和 交通文明意识淡薄，也是导致交通事故的主要原因。无论在城市还是在乡村，超 载、超度、疲劳驾驶、酒后驾车、违章会车、无证驾驶等严重违章现象，随处可 见。 作为国民经济建设基础行业之一的交通运输行业，实现信息化能够提高其综 合效率、改善交通环境、降低运营成本以及便利人们的生活，有着非常深远的意 义。目前，交通行业所采用的信息化手段仅仅停留在局部，信息技术应用还不均 衡、不协调，现有的网络功效并没有得到充分发挥。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。 如何运用如w l a n 和3 g 等新的无线技术，在交通运输业中开拓出更大更新的应 用空间，是当前的一个新的课题。 由此，交通业信息化( 智能交通系统i t s ) 在这种需求背景下应运而生。i t s 从组成成分上来说，主要包括路边单元、车载单元、信息管理中心、交通管理控 制系统和需求管理系统。其中信息管理中心是i t s 的核心，为实现交通信息的共 享提供基础，而车辆网络则是整个通信的基础，所有通信和应用开发都基于车辆 网络。所以研究车辆网络具有非常重要的意义。 首先，目前政府和制造商已采取了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，限制酒后驾车等等。但是，这些措施实际使用中常 常遇到阻碍或者打了折扣，实施效果不佳。而车辆之间的协作、路况信息的共享、 交通管理如公路收费、驾驶员违规等都需要人工干预，不仅浪费了大量的人力、 物力，更重要的是得不到预期良好的效果。而如果依靠无线自组网技术，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，就可以扩展驾驶员的视野， 实时获得路况信息，协调车辆之间的行驶，并且通过自组网和i n t e m e t 的互连，还 可以实现自动收费、车辆追踪、违规记录等功能。 其次，除了事故防范，辅助驾驶员驾驶，帮助交通管理部门管理交通等功能 外，车辆网络还可以实现行驶中的车上视频会议、娱乐休闲、旅行线路选择等业 务。例如，汽车行驶中，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；你可以提前得知下一个加油站的相关信息，如位置、汽油单价、服务项目等。 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 2 车辆网络的研究现状 1 9 6 8 年，在美国夏威夷大学，为了使分布在四个岛屿七处校园的人们能够实 现计算机之间的通信，构建了第一个无线自组网a i 0 h a 系统。在该网络中， 计算机不能移动，相互之间一跳可达。这个项目最突出的贡献是研究了共享媒介 的多站点接入信道问题，并提出了著名的a l o h a 协议。此后，美国国防部、美 国海军实验室相继启动了对自组网的研究，从2 0 世纪9 0 年代以来，在民用的系 统中也逐渐出现了无线自组网的标准和应用。第一代无线局域网标准一一 i e e e 8 0 2 1 1 标准于1 9 9 7 年6 月发布，该标准支持一跳的a dh o e 工作模式，这进 一步推动了自组网的发展。 自组网的应用范围不断拓展，例如传感器网络，其中也包括一个重要的方向， 就是与蜂窝移动通信系统等公共移动通信系统结合。随着自组网应用的不断深入， 这个应用已经引起了学术界和产业界越来越多的关注，并被认为是未来移动通信 系统的重要发展方向之一。 1 9 9 9 年1 0 月，美国联邦通信委员会f c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o nc o m m i s s i o n ) 基于8 0 2 1 1 a 分配了7 5 m h z ( 5 8 5 5 9 2 5 g h z ) 带宽作为美国免费的专用短距离通 信d s r c ( 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 ) 频带，以及移动无线自组网潜在 的民用和商用价值，为车与车之间的通信v 2 v ( v e h i c l e t o v e h i c l e ) 或i v c ( i n t e r v e h i c u l a rc o m m u n i c a t i o n ) 互连提供了基础条件；同时，蜂窝网技术的发展和w l a n 技术的实用化，为高移动性的车与路边固定设施之间的通信v 2 r ( v e h i c l e t o r o a d s i d e ) 或r v c ( 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 ) 提供了技术保 障。以车与车之间互连和车与路边设施之间互连为基本体系结构的车辆网络成为 了未来高度信息化公路的重要因素之一。 最早关于车辆之间直接通信的研究始于二十世纪八十年代初的日本；后来的 c a l i f o r n i ap a t h 1 】和c h a u f f e u ro fe u 2 取得了著名的研究成果车辆排队系统； 在上世纪末到本世纪初，日本的协同驾驶系统展示了v 2 v 的另外一个重要应用p j 。 最近几年，国际上对于车辆网络的研究已经越来越重视，很多国家都开展了 关于车辆的研究项目。瑞士联邦理工学院开展的项目v e c h i c u l a rn e t w o r k ss e c u r i t y p r o j e c t 在设计安全的体系结构、信任机制、隐私保护等方面做了很多工作1 4 j 。由 多家世界著名汽车生产商组成的一个汽车安全通信协会开展的一个项目一一 v e h i c l es a f e t yc o m m u n i c a t i o n s ( v s c ) p r o j e c t 也关注提供v 2 v 安全通信的d s r c 标 准【5 j 。新泽西理工学院的项目i m e r - v e h i c u l a rn e t w o r kt e c h n o l o g i e sp r o j e c t 主要研究 v 2 v 技术，包括可靠的消息发布技术、分布式移动服务请求、可靠的路由协议、 安全的车辆合作等【6 】。u n i v e r s i t yo f s o u t hc a r o l i n ai n t e m e ts e c u r i t yg r o u p 则分析了 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 车辆网络的脆弱性，然后在v 2 v 安全通信与路由协议上作出了很多工作i ，j 。 车辆之间关于交通事故、紧急情况和交通堵塞信息的迅速可靠发布也是v 2 v 的一个重要应用【引。欧洲的一个项目c a r t a l k 2 0 0 0 9 】研究的重点是基于安全可靠的 v 2 v 以及舒适驾驶的相关问题，此项目将v 2 v 与v 2 r 结合，设计和测试协同驾 驶帮助系纠1 0 】；同时，该项目也与g e r m a nf l e e n e t 1 1 】合作来研究v 2 v 技术。f l e e n e t 也是一个重要的项目，它主要研究开发一个实用的车辆问通信的平台，并设计实 现通信协议和进行应用开发。继f l e e n e t 之后，德国的一个项目n o w - - n e t w o r ko n w h e e l s 致力于进一步开发v 2 v 和v 2 r 的实用平台【l 引。 车辆运动模型作为研究车辆网络的基础内容之一，也是研究的热点。法国的 移动通信研究中心对车辆的运动模型做了详细的分析与概括，并将车辆运动模型 分成了宏观模型和微观模型两类l l 引。 经过2 0 多年的研究工作，在无线频谱的选择和有效使用、无线信道的接入等 物理层和数据链路层中问题已经初步明朗化，而且这与移动a dh o c 网络相比没有 数目太大区别，而在m a c 层、网络层及应用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。所以目前的研究主要集中在 m a c 协议、路由协议、网络安全等方面。 早期的m a c 协议是基于单信道的接入控制协议，例如m a c a 【l 训，但在单信 道条件下，解决隐藏终端和暴露终端问题具有局限性，所以研究人员开始研究多 信道的接入控制协议。基于双信道的接入控制协议采用两个共享信道：控制信道 用于传输控制帧，数据信道用于传输数据帧。因此，控制帧和数据帧就不会发生 冲突，再结合适当的控制机制，可以完全消除隐藏终端和暴露终端问题。文献 1 5 】 提出d e a n a 协议，将时间帧分为周期性调度访问阶段和随机访问阶段。调度访 问阶段由多个连续数据传输时隙组成，某个时隙分配给特定节点用来发送数据。 除接收节点外，其他节点在此时隙处于休眠状态。随机访问阶段由多个连续的信 令交换时隙组成，用于处理节点的添加、删除、及时间同步等。文献 1 6 在d e a n a 协议基础上，采用h a s h 函数计算每个节点权值，确定两跳范围内所有节点在每个 时隙上的优先级，并避免把时隙分配给无流量的节点。采用多信道便于将控制信 道和数据信道分离，可以有效减小冲突，但是对时间同步、节点硬件能力、软件 编程实现提出更高要求；而基于单信道的c s m a c a 技术，只需一个射频模块， 硬件成本低，软件设计相对简单。 2 0 0 3 年，c h r i s t i a nl o c h e r t 等人提出了基于城市地图定位的路由算法g s r ( g e o g r a p h i cs o u r c er o u t i n g ) j 。2 0 0 7 年，v a l e r yn a u m o v 和t h o m a sr g r o s s 提出 了一个适用于城市和高速公路的连通性感知路由算法c a r ( c o n n e c t i v i t y a w a r e r o u t i n g ) t 1 8 】。关于路由协议，本文在第四章会有详细介绍。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 在网络安全方面，2 0 0 7 年，文献【1 9 】为v 2 v 提出了一个安全性体系结构，主 要包括i d 和密钥的管理，通信的安全和隐私加强机制。2 0 0 8 年，m a x i mr a y a 等 人提出了以数据为中心的信任的概念，并提出了一套建立这种信任的计算框架， 通过实验证明这种机制能高度回避攻击和作出正确的决定【2 0 l 。 国内对于车辆网络的研究比较少。国内在a dh o c 网络以及无线传感器网络方 面有很多研究。对于智能交通系统的研究起步于上世纪末，也已经取得了很多实 际应用性成果，但是对于车辆网络的研究还处在起步阶段。最新的研究成果有， 清华大学与中科院电工研究所对无线车辆网络进行了较多的研究与实践，在硬件 平台的构建等方面拥有自主知识产权。2 0 0 7 年1 0 月，同济大学启动的国家8 6 3 项 目“基于移动中继技术的车辆通信网络的研究”将对车辆网络进行基础性和应用 性研烈2 1 1 。 1 3 论文的研究内容 车辆网络因节点的移动性及其移动的特殊性，区别于一般m a n e t 。在实际中 存在着诸多威胁，有来自人为的外部攻击，有来自系统内部的故障，更多的来自 网络本身存在的问题。首先，介绍了车辆网络的应用和体系结构，并分析了车辆 网络的特点。然后，根据车辆网络的特点和实际应用，分析了车辆网络的可生存 性要素，给出了车辆网络的可生存性定义，分析了车辆网络的服务、威胁和策略， 提出了一种基于马尔可夫链的平均可生存性模型，并通过模拟验证了该模型的正 确性。理论和模拟都表明改善网络通信的质量可以有效提高系统的可生存性。最 后，在分析现有车辆网络路由协议的基础上，基于现有的路由技术a o d v 和v h r p ， 提出了一种更适合于城市车辆网络的路由协议基于速度向量的位置预测路由 协议v p r p ，并通过实验验证了该协议改进了路由性能。v p i 心在保证不增加丢包 率的前提下，进一步降低平均传输延迟，从而保证了网络能够及时地提供服务。 由于n s 2 不能生成模拟需要的交通场景，本文还设计并实现了一个场景产生器， 产生了所需的交通场景。它的输出作为n s 2 模拟需要的场景文件。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、体系结构和特点； 分析了车辆网络面临的威胁，并提出了量化的系统可生存性模型； 分析了车辆网络的路由技术，并提出了一种更适合城市环境的路由协议； 介绍模拟工作，设计并实现了一个用于产生城市交通的场景产生器。 1 4 论文的章节安排 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕七学位论文 本文后续章节安排如一f 。 第二章介绍了车辆网络的应用、体系结构和特点； 第三章分析了车辆网络的可生存要素，建立了基于马尔可夫链的车辆网络可 生存性模型，并通过模拟验证了模型的正确性： 第四章介绍了自组网和车辆网络的路由协议，然后基于a o d v 和v h r p ，提 出了一种更适合城市环境车辆网络的路由协议v p r p ，并通过n s 2 模拟验证了该 协议改进了路由性能。 第五章介绍了n s 2 模拟过程，以及本文设计并实现的一个用于产生城市交通 的场景产生器。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章车辆网络 本章主要介绍车辆网络的系统组成。首先介绍车辆网络的应用需求，然后介 绍车辆网络的体系结构，最后分析了车辆网络的特点。 2 1 车辆网络的应用 车辆网络在交通运输中出现，将会给该领域带来巨大的变化。它将扩展驾驶 员的视野与车载部件的功能，从而提高道路交通的安全与效率；它将加强车与车 之间的协作驾驶，拓宽现有交通道路的车辆流通量；它也为高速行驶的车辆中提 供方便的信息业务等等。具体来说，车辆网络的应用可以列举如下。 协助驾驶 传感器技术的发展为车辆的协助驾驶【2 2 】提供了条件。车辆收集传感器对所检 测到的路面信息或交通数据进行综合决策。车辆遇到例如抛锚、交通事故、路面 打滑、障碍物阻挡等情况时，可以及时将这些信息通过车辆网络报告驾驶员，建 议驾驶员根据情况做出及时、适当的驾驶行为。协助驾驶可以在不分散驾驶员注 意力的前提下有效提高驾驶的安全性。典型的应用就是紧急警告消息的分发拉引。 分布式通信息收集 传统的交通信息收集处理都是基于信息中心，然后再通过无线广播发送给各 个定制信息的车辆；新的应用可以基于v 2 v 来收集交通信息，即使用更新电子地 图的方式帮助驾驶员决定路径；与协助驾驶信息通告不同的是，收集来的交通信 息不直接影响驾驶员的驾驶行为，而仅仅让驾驶员掌握整个道路的相关信息。典 型的应用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中综 合出自身相关的车辆流量状况。 基于通讯的纵向车辆控制 利用车辆与车辆之间直接通讯的方式来控制一纵列汽车的协同行驶【2 j ，即刹 车、转向都可以协调操作；即使中间车辆出现故障，也可以及时发现并进行后续 车辆的刹车操作；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 针对一个由若干辆车组成的车队，可以利用组内之间相互通信，实现车辆在 无红绿灯十字路口或高速公路入口处等的协调驾驶。 辅助交通管理 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 这类信息主要包括替交通管理部门收集整体交通信息；协助交通管理部门实 现自动收费、违规车辆记载( 超速、超载、酒后驾车、无照驾驶等) ；协助交替 实现远程指挥调度；协助警方侦破交通事故，肇事车辆追踪等。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 固定设施交互功能、定位车辆功能i 此外，还涉及了个人隐私的保护。 用户通讯和信息应片j 目的是让乘客享受娱乐，即各种基于无线网络的业务，例如，上网冲浪、在 线游戏、视频点播、汽车会议等。 2 2 车辆网络的体系结构 车辆网络是以配备了无线互连接口设备的车辆为节点，融合了车辆与车辆之 间直接互连、间接互连以及车辆与路边固定设施互连的混合体系结构的网络。车 辆网络的整体框图如图21 所示。 1m ( 蕞 图2 1 车辆网络示意图 局部一些车辆可以组成一个车队，与一般的m a n e t 类似；车辆通过路边固 定设施可以访问i n t e m e t 。这种混合、异构的体系结构是与一般m a n e t 的最大区 别。 22 1 节点 虽然目前配备了无线通信装黄的车辆并不是很多，然而随着无线通信技术 第8 页 国防科学技术人学研究牛院硕- t z 学托论立 配备的无线通信装置结构图如| 墨| 2 2 所示。 削22 车辆n b 需的通信装置 这种通信主要包含以下组成部件：# 用短距离通信d s r c 的天线、网仁；全 球定位系统g p s 天线、接收机；显示系统的接口、显示设备；应用处理器以及车 辆传感器系统i 驯。 传感器收集车辆关键信息，通过各种传感器准确地捕捉环境信息然后加以处 理，仃何一种传感器都很难保证在任何刚刻都能提供完全可靠的信息，所以可以 采= | 】多传感器融合技术，即将多个传搏器采集的信息进行整台，形成对环境特征 进行综合描述的方法，这样能够充分利用多传感器数据间的冗余和互补特性，获 取需要的信息。 2 22 网络组成要素 车辆网络的通信包括车辆之间的通信v 2 v ( v e h i l c l e t o v e h i c l e ) 和车辆与路 边网定设施之间的通信v 2 r ( v e h i c l e t o r o a d s i d e ) 。 车辆之间的通信( v 2 v ) 实际上是一种特殊的m a n e t 。由于车辆自身的特点， 车辆节点有较广的通信范围，并且儿乎没有能黾限制。同时，许多为m a n e t 设 计的协议与经验都可以借鉴到v 2 v 网络中。典型的v 2 v 通信如图23 所示。节点 a 可以通过b 或者c 与d 通信。 车辆与路边设旌的互连( v 2 r ) 允许车辆与路边的基础设施进行无线通信，米 实现更大范围信息的共享和i n t e m e t 接入。例如，路况信息的查询，过桥、停车系 统的自动收费等：这种网络相当于w l a n 的一种特殊应用，或者是蜂窝移动通信 技术的一种技术延伸。虽然这两种技术都可用于无线移动节点访问基础设施，但 是原理相差很大。所以路边固定设施可以足无线网关( a p ) 或者基站。每个固定 第9 页 国防科学技术太学研究牛院硕 。学忙论文 图2 3 车辆之问通信 设施有一定的通信范围，所以车辆在行驶过程中访问路边设施时，会在多个固定 设施的通信区域巾切换。典纠的切换如图2 , 4 所示。 崮241 辆与路边吲定设施之问通信 车辆丌始通过左边的基站访问有线嘲络，一段时l i j 后，驶m 了卉边基站的 覆盖范围，进入了有边的基站范围，此时，就涉及到一系列跨并切换问题。 2 3 车辆网络的特点 通过上面的分析，我们得知，牟辆网络腻于混台、片构的删络类型，因此分 析其特点要从局部和整体角度出发。 23 1 车辆网络的局部特点 从局部看，车辆网络有两种网络结构( v 2 v 年丌v 2 r ) 所| 三【它不仪包括每种 删络的特点，而h 山十构成网络节点和运动规律的特有性质，使得每一种网络有 r 新的特点。 v 2 v 的特点 车辆与车辆之间自行组织形成的网络实质上是m a n e t 的一种特殊形式。 m a n e r 的特点柏：( 1 ) 节点地位平等、无中心网络的自组织性；( 2 ) 网络拓扑 第】o 页 匝 、零 辖 詈孵 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 结构动态变化的f 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 ) 网络的分布性、临时性和脆弱行，自组织网中的用户终端具备独立 的路由和主机功能，并且高度分布；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。 但是，由于v 2 v 的特殊性，使得v 2 v 还具有如下特点1 2 5 】：( 1 ) 可预测的高 速移动性，但是由于公路的静态形状使得移动是受限制的；( 2 ) 动态的、快速变 化的拓扑结构；( 3 ) 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；( 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，在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 ( a c c e s sp o i n t ) 完成终端接入固定网络，这两种网络都是单跳网络，这种中心 接入和单跳特征有别于强调多跳和无中心接入的v 2 v 。移动无线通信网络通常具 有如下特点：( 1 ) 单跳接入，接入时无需路由；( 2 ) 设施的构建需要大量的人 力物力投入，构建周期长；( 3 ) 通过基站或接入点等中心接入，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，但拓扑结构不会发生大的改变。这些特点与自组织网形成鲜明对比。 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，造成了接入中心间频繁切换；( 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