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服务于实时应用的乍载a dh o e 网络路由协议研究 论文摘要 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，车载a dh o e 网络 ( v e h i c l ea dh o en e t w o r k ，v a n e t ) 逐渐成为新兴的研究领域。v a n e t 是指道路上 车辆问、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。而 v a n e t 最主要的应用就是智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m ，i t s ) ，它 将先进的信息技术、数据通讯传输技术、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，解决目前交通基 础设施以及车辆行驶中的诸多问题。有效地利用这套系统可以改善交通安全、提 高交通系统的效率，提高驾驶舒适度。 由于车辆节点的高动态性，在v a n e t 中寻找和维护路由信息是一个很有挑 战性的难题。v a n e t 的路由协议一直都是国内外研究的热点，已经有很多研究 成果提出来。本论文在分析了v a n e t 和m a n e t 的特点以及v a n e t 的研究现 状的基础上继续深入研究了v a n e t 的一个重要方面即v a n e t 下的路由协议。 在总结前面技术基础上，本论文设计了一种新的服务于实时交通应用的车载 a dh o e 网络路由协议r b g r ( r o a db a s e dg r i dr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 并在模拟仿真 器n c t u n s 下进行了仿真。通过仿真和其他一些路南协议进行了比较，仿真结 果显示r b g r 在平均路由开销方面有比较明显的改进并且随车辆数的增加平均 端到端延迟抖动很小。而实时交通应用要求数据传输的延迟时间能够相对稳定， 随着车辆数的增多延迟抖动很小有利于实时交通应用的发展。 关键词：车载a dh o c 网络，智能交通系统，n c t u n s ，车载a dh o e 网络路由 协议，基于位置的路由协议 服务于实时应用的乍载a dh o e 网络路由协议研究 a b s t r a c t 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 e sa n dm o b i l ea dh o en e t w o r kt e c h n o l o g y , t h e v e h i c l ea dh o en e t w o r k s ( v a n e t ) h a sb e c o m et h ee m e r g i n gf i e l do fs t u d y v a n e t i saf o r mo fm o b i l ea dh o en e t w o r k ，t op r o v i d ec o m m u n i c a t i o n sa m o n gn e a r b y v e h i c l e sa n db e t w e e nv e h i c l e sa n dn e a r b yf i x e de q u i p m e n t ，u s u a l l yd e s c r i b e da s r o a d s i d ee q u i p m e n t t h et e r mi 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 ( i t s ) w h i c hi st h e m o s ti m p o r t a n ta p p l i c a t i o no f 、f a 卜难t r e f e r st oe f f o r t st oa d di n f o r m a t i o na n d c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yt ot r a n s p o r ti n f r a s t r u c t u r ea n dv e h i c l e s s u c ha sv e h i c l e s a n dr o u t e st oi m p r o v es a f e t ya n dr e d u c et r a n s p o r t a t i o nt i m e s a n df u e lc o n s u m p t i o n e 脏c t i v eu s eo ft h i ss y s t e mc a nn o to n l yi m p r o v es a f e t ya n de f j f i c i e n c yo f t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m sb u ta l s oe n h a n c ed r i v i n gc o m f o r t b e c a u s eo ft h eh i g h l yd y n a m i cn a t a leo ft h ev e h i c l e sn o d ei nv a n e t - i ti sav e r y c h a l l e n g i n gp r o b l e mt of i n da n dm a i n t a i nt h er o u t i n gi n f o r m a t i o n v a n e tr o u t i n g p r o t o c o l si st h er e s e a r c hh o t s p o ta th o m ea n da b r o a d w h i c hh a sr a i s e dal o to f r e s e a r c hr e s u l t s i nt h i sp a p e r , a u t h o ra n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i e so fv a n e ta n d l 、1a 卜匝t a n dt h e nf u r t h e rs t u d i e da ni m p o r t a n ta s p e c to fv a 卜e t - 一t h e r o u t i n g p r o t o c o l so f 讼n e z i nt l l i sp a p e ra u t h o rd e s i g n e dan e wr o u t i n gp r o t o c o lo fv a n e t w h i c hs e r v i c e s f o rt h er e a l t i m et r a f f i ca p p l i c a t i o n sa n dh a sb e e nc a l l e dr b g r ( r o a db a s e dg r i d r o u t i n gp r o t o c 0 1 ) a n dc a r r i e do u tt h es i m u l a t i o ni nn c t u a s c o m p a r e dw i t ho t h e r r o u t i n gp r o t o c o l s t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h er b g rh a so b v i o u s i m p r o v e m e n ti nt 1 1 ea v e r a g er o u t i n go v e r h c a da n dt h ea v e r a g ee n dt oe n dd e l a yi i t t e r w i t ht h ei n c r e a s eo fv e h i c l e sn u m b e r t h er e a l t i m et r a f f i ca p p l i c a t i o n sr e q u i r ed a t a t r a n s m i s s i o nt i m ed e l a yt ob er e l a t i v e l ys t a b l e ，s m a l la v e r a g ee n dt oe n dd e l a y i r e r w i t ht h ei n c r e a s eo fv e h i c l e sn u m b e rj u s tm e e t st h er e a l t i m ea p p l i c a t i o nn e e d s k e yw o r d ：v e h i c l ea dh o en e t w o r k ，i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m ，n c t u n s ， r o u t i n gp r o t o c o l ，p o s i t i o nb a s e dr o u t i n gp r o t o c o l i i 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果据我所知，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：查& 垄圣丝日期：边皇：! ! ：丛 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在 解密后适用本规定 学位论文作者签名：古诗桶次 导师签名：弓毽卫 服务于实时应用的乍载a dh o e 网络路由协议研究第一章绪论 1 1 背景概述 第一章绪论 随着车辆的普及和移动a dh o e 网络技术的不断发展，车辆自组网( v e h i c l ea d h o en e t w o r k ，v a n e t ) 逐渐成为新兴的研究领域，同时车载通信也成为国内外研 究的热点。实现汽车问的无线通信可以给人类的生活带来极大的便利。例如，在 公路上行驶时，人们可以通过通信系统来了解路段的情况，根据是否发生事故或 堵车及时调整路线。同时交通系统也可以根据所收集到的车流量和路况信息及时 地调整红绿灯时间，使交通系统达到最高效率。由此可见，引入车辆间无线通信 可以极大地提高行车安全以及改善交通状况。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 1 ) 这个v a n e t 最主要的应用概念就是在这种情况下提出来的，它 将先进的信息技术、数据通讯传输技术、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，解决目前交通基 础设施以及车辆行驶中的诸多问题。有效地利用这套系统可以改善交通安全、提 高交通系统的效率，提高驾驶舒适度。 由于其在交通安全中的重要角色并且能提供舒适的驾驶条件，近年来智能交 通系统吸引了越来越多的学术机构，研究开发机构工业组织的重视。使用通讯设 备智能交通系统能提供大范围的服务包括车辆安全信息，出游计划等等。有效实 施智能交通系统能改善交通管理系统，减少交通事故，获取所需信息。然而，有 效实施智能交通系统的前提是需要车辆间具有相互通讯的能力，即在无线通讯的 环境下如何从一辆车到另一辆车分发消息。对于车辆间通讯来说，使用a dh o e 网络被认为是最适合的方法【2 】。这是因为装备无线通讯设备的移动车辆本身就 是移动节点，因此互相连接形成了车载a dh o e 网络。除了车辆与车辆设备 ( o n b o a r du n i t ，o b u ) 之间外还包括路边设备( r o a d s i d eu n i t ，r s u ) 与车辆 之间的通讯，车辆可以通过r s u 与路边固定基础设施通讯来提供更广范围的应 用。 智能交通系统首先需要一套无线通信协议来辅助移动车辆完成此应用。目 前，美国、欧洲、日本均制定了相应的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，主要用于不停车收费( e t c ，e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ) 服务于实时应用的车载a dh o c 网络路由协议研究 第章绪论 等应用，但是此类协议标准有诸多限制，难以满足智能交通系统的未来发展需要。 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 nv e h i c u l a re n v i r o n m e n t ) 标准，其 中包含了i e e e1 6 0 9 协议族以及8 0 2 1 1 p 协议。w a v e 标准改进了以前针对e t c 应用的d s r c 标准，采用了基于8 0 2 1 l 的协议架构，能够达到更高的通信速率、 更大的传输范围，并能和现有i n t e r n e t 以及移动通信网络融合。我国目前成立了 i t s 机构以及标准委员会，但仅局限于对智能交通应用( 如e t c 应用) 以及架 构的研究。国内的研究机构对智能交通系统中的核心通信协议的研究也落后于发 达国家。基于移动通信技术的智能交通系统应片j 也较普遍，但这并不与w a v e 相冲突，相比于g p r s u m t s ，w i m a x 和3 g 等，基于w a v e 的应用更容易部 署，而且成本也更低，反应更灵敏，从商业模式角度来看也更加符合智能交通系 统的特点。 由于车辆具有较强的独立性、频繁快速移动等特点，同时无线信道的稳定性 较差，针对v a n e t 的研究面临着许多挑战，例如数据分发，数据共享以及安全 问题。本论文致力于研究一个关键的网络问题：v a n e t 上的路由协议。路由协 议的主要要求是通过最小的网络资源消耗来达到最短的路由效果。许多路由协议 是基于移动自组织网络( m o b i l ea dh o cn e t w o r k i n g ，m a n e t ) 而设计的，并且其 中一些还能直接应用予v a n e t 。但是研究结果显示：由于v a n e t 区别于 m a n e t ，具有快速运动、动态信息交换和移动节点相对高速的这些特性，使得 这些协议具有较低性能，因此v a n e t 下发现并维护路由信息具有很大的挑战性。 1 2 主要工作 本论文的主要工作是研究服务于实时应用的车载a dh o e 网络路由协议，包 括分析车载a dh o c 网络特点，研究车载a dh o c 网络的路由协议，设计一种服 务于实时应用的车载a dh o c 网络路由协议r b g r ( r o a db a s e dg r i dr o u t i n g p r o t o c 0 1 ) ，在模拟仿真器n c t u n s 上进行了仿真实验得到仿真结果，对仿真结果 进行了分析。 首先车载a dh o e 网络是一种特殊的m a n e t ，国内对m a n e t 的研究相对 较多，但是对于v a n e t 的研究还很少。所以文章首先介绍了m a n e t 和v a n e t 的特点，并介绍了一些v a n e t 的研究现状，在此基础上继续深入介绍了v a n e t 的一个重要方面即v a n e t 下的路由协议。 其次由于在真实情况下测试v a n e t 应用不仅费用昂贵，而且还很危险，所 2 服务于实时应用的_ 乍载a dh o c 网络路由协议研究第一章绪论 以研究了一种新的用于车载a dh o c 网络的模拟仿真器n c t u n s 。n c t u n s 是一 种高度整合网络仿真和交通仿真的仿真平台。它支持交通道路的情况和网络通讯 情况的交互，适用于多种情况下的车辆交通仿真。 最后在总结前面技术基础上，设计了一种新的车载a dh o e 网络路由协议 r b g r 并在n c t u n s 下进行仿真。通过仿真和其他一些路由协议进行了比较，仿 真结果显示在车辆数一定的情况下，随着距离的增大，r b g r 在平均路由开销方 面有比较明显的减少；而在距离一定的情况下，随着车辆数的增多，r b g r 在平 均路由开销方面有比较明显的减少并且平均端到端延迟抖动很小。而实时应用要 求数据传输的延迟时问能够相对稳定，随着车辆数的增多延迟抖动小能够符合实 时应用的需要。 1 3 论文章节安排 本论文共分为七个章节，具体章节安排如下： 第一章，介绍论文的背景，论文的主要工作和章节安排。 第二章，分别介绍了m a n e t 和v a n e t 的特点，并且还介绍了v a n e t 的 第三章， 第四章， 第五章， 第六章， 一些应用和研究现状，以及v a n e t 的仿真与原型情况。 将车载a dh o e 网络的路南协议总结为五类分别介绍。 介绍了以一种车载a dh o e 网络路由协议r b g r 的思想和设计，并 介绍了一种新的车载a dh o e 网络模拟仿真器n c t u n s 的特点和体 系结构，以及在n c t u n s 中添加一个新模块的步骤。 在n c t u n s 下对r b g r 和其他几种路由协议进行了仿真比较，分 析了仿真结果并结合交通实时应用进行了一些研究。 对本论文进行了总结，提h 需要改进的地方，并对车载a dh o e 网 络的研究及发展前景进行展望。 服务于实时戍用的车载a dh o e 网络路由协议研究 第二章车载a d h o e 网络 第二章车载a dh o e 网络 2 1 无线移动a dh o e 网络 无线移动自组网( m o b i l ea dh o en 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【3 】。在该网络中，节点间的通信不需要同定 基站的转接，所有的节点作为对等实体进行连接，每个移动节点兼备路由器与主 机两种功能：作为主机，节点需要运行面向用户的应用程序；作为路由器，节点 需要远行相应的路由协议，完成转发工作，可以将网内某节点发送的数据转发给 其他节点。无线移动a dh o e 网络可以广泛应用于军事领域、自然灾害、科学考 察、探险、交互式演讲、共享信息的商业会议、紧急通信等等领域。 无线a dh o e 网络的雏形一一a l o h a 首先由美国夏威夷大学于1 9 6 8 年提出 并建立，旨在解决大学园区内四座岛屿问的通信问题。在2 0 世纪7 0 年代美国国 防部高级研究规划署( d a r p a ) 在a l o h a 基础上结合分组交换技术建立了第一 个高速无线移动分组交换网( p a c k e tr a d i on e t w o r k ，p r n e t 4 ) ，让报文在不受基 础设施限制的环境下运行。这项研究开辟了移动自组织网络m a n e t 的先河。 1 9 8 3 年，d a r p a 在p r n e t 基础上启动了高残存自适应网络计划( s u r a n 5 ， s u r v i v a b l ea d a p t i v en e t w o r k ) 。1 9 9 1 年，互联网工程任务组( i n t e m e te n g i n e e r i n g t a s kf o r c e ，i e t f ) 将移动自组网技术正式转为民用，并命名为m a n e t ( m o b i l ea d h o en e t w o r k s ) 【6 】。1 9 9 4 年，美国国防部( d o d ) 启动了全球移动信息系统 ( g1o m o ，g l o b a lm o b i l ei n f o r m a t i o ns y s t e m s ) 计划，旨在为移动信息用户提供随时 随地的以太网式多媒体连接。1 9 9 7 年，i e t f 成立了m a n e t 工作组，负责m a n e t 网络路由协议的研究与开发，相继推出一系列的r f c 文档。1 9 9 9 年r f c2 5 0 1 【7 】 公布了移动a dh o e 网络的特征、要求和应用环境。世界上一些著名的公司和大 学( 如n o k i a ，i n t e l ，m i c r o s o f t ，s u n ，美国加州大学，宾州大学) 等相继投入这方面 的研究。 与其他传统的通信网络相比，m a n e t 具有以下主要特点： ( 1 ) 无中心和自组织性。m a n e t 不需要现有的无线网络下的基站支持，随时随地 组成一个网络来进行通信。因此用户可以不受时间和地点的限制进行通信。 4 服务于实时应用的乍载a dh o c 网络路由协议研究第二章车载a dh o c 网络 ( 2 ) 网络拓扑动态变化。由于节点的移动性，无线发送装置发送功率的变化，无 线信道的相互干扰，地形等综合因素影响造成了网络的拓扑结构的变化。网络的 拓扑结构可能随时发生变化，而且这种变化的方式难以预测。 ( 3 ) 分布式控制网络。自组织网络中的节点都具备独立路由功能，不存在一个集 中的网络中心控制点，网络路由协议通常采用分布式控制方式，因而要求比中心 结构网络具有更强的鲁棒性和抗毁性。 ( 4 ) 无线传输宽带有限。由于无线信道本身的物理特性，它所能提供的网络带宽 相对有线信道要低得多。除此之外，考虑到竞争共享无线信道产生碰撞、信号衰 减、噪音干扰、信道间干扰等因素，节点可得到的实际带宽是远远小于理论上的 最大带宽值。这个特点的直接后果就是网络拥塞成为自组网中经常出现的情况。 ( 5 ) 节点能源有限。通常自组织网络的节点都是依靠电池等可耗尽能源作为主机 的电源，由此在进行系统设计时必须考虑如何有效的节省能源。 ( 6 ) 网络安全性差。移动无线网络由于采用无线信道、有限电源、分布式控制等 原因，更加容易受到窃听、伪造、拒绝服务等各种网络攻击，在军事应用中必须 高度重视。 ( 7 ) 生存时间短。自组网通常是由于某个特定原因而临时创建的，使用结束后， 网络环境将会自动消失。自组网的生存时间相对于固定网络而言是短暂的。 ( 8 ) 多跳通信：由于无线收发机的信号传输范围的限制，a dh o c 网络要求支持多跳 通信。这种多跳通信也带来了隐藏站和公平性等问题。 ( 9 ) 网络的可扩展性不强。在目前i n t e m e t 环境下，由于采用了t c p i p 协议中的 子网技术，从而使得目前的i n t e m e t 具有很强的网络可扩展性。而动态变化的拓 扑结构使得具有不同子网地址的移动节点可以同时处于一个自组网中，子网技术 所带来的可扩展性因而无法应用在自组网环境中。 基于上述特点，传统有线网络的诸多网络协议在m a n e t 中并不适合。目前 关于m a n e t 的研究主要集中在路由协议、m a c 层协议、服务质量( q o s ) 、安全 等方面。 2 2 车载a dh o c 网络 随着公路和车辆的智能化，越来越多的车辆和公路边的基础设施都开始装备 通信设备。不久的将来，车辆需要能够在一个暂时的、自组织的、快速变化的无 线移动网络中进行通信；同时，这些车辆还应能访问公路边的网络设施。因此， 服务于实时应用的乍载a dh o c 网络路由协议研究 笫二章车载a d h o c 网络 诞生了车辆网络( v e h i c l en e t w o r k ) 这个新概念。这种车辆网络也被称为车载a d h o c 网络( v e h i c l ea dh o cn e t w o r k ，v a n e t ) ，它作为智能交通系统的重要组成部 分，以及无线移动a dh o c 网络( m a n e t ) 的一种特殊应用已经得到越来越多的重 视。其最重要的特点是能进行车与车之间和车与路边设备之间的信息交换，从而 达到车辆与车辆之间、车辆与路边的基础设施间的实时通信，利用这些信息来改 进道路交通的安全，还可以对车辆网络进行远程控制等等。 v a n e t 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 c 网络。它在道路上构建一个白组织的、部署方便、费用低廉、结构开 放的车辆问通信网络。v a n e t 技术可以实现事故警告、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。 v a n e t 是一种特殊的m a n e t ，它与m a n e t 的相似之处在于其快速运动 的节点和不断变化的网络拓扑结构。而v a n e t 与m a n e t 的不同之处在于其节 点的运动路径是在既定的道路上，不会做出各种曲线运动。在v a n e t 中，车辆 的运动速度受规定车速、道路交通状况和交通控制机制的限制。此外，未来的车 辆会装备有可充电的能源或太阳能设备，因此v a n e t 将不会存在m a n e t 所具 有的能量受限的问题。所以说v a n e t 是一种非常灵活的，且相对易于控制管理 的m a n e t ，具有极高的应用前景和研究价值。 2 2 1 车载a dh o e 网络的应用 随着v a n e t 的发展，许多新的应用也随之出现，如紧急事件处理，辅助驾 驶，交通信息共享，广告娱乐等。车辆间通讯为车辆提供新的服务并且创造了很 多改进安全的机会。例如，应用车辆间通讯来进行冲撞警告，实时交通信息，主 动导航服务，天气预报等。i e e e 的d s r c 研究团队也针对车辆间通讯和车辆与 路边设备通讯两种类型定义了约四十种相关应用，其中包括协同驾驶、冲撞避免、 交通路况信息传送、车辆诊断、电子收费系统与娱乐相关等应用【8 】。虽然车辆 自动驾驶尚需要较长一段时间来完成，但自组织形成的车辆间通讯网络的应用发 展将成为未来几年的主要研究方向。 2 2 1 1 提高车辆安全 现在研究最多的就是车辆安全类应用，它最能体现出v a n e t 的应用价值， 包括主动式紧急事件警告，道路条件通告等等。能否有效地避免和减少交通事故， 6 服务干实时应用车载a d 陆c h 络踏自协议研究筇= 章车载a dh 哪目络 取决于事故警告信息是否可靠、快速、无差错地传播。对于紧急事件处理，例如 当车辆突然刹车、抛锚、转弯时，车辆将立即广播这些紧急信息，周围的车辆接 收到这些信息后快速做出反应，避免交通事故发生。特别是在大雾，大雨等恶劣 天气影响司机视野情况下，v a n e t 更能发挥作用，避免连续的追尾事故，提高 了驾驶的安全性。这类应用一般对时间延迟要求比较高，要求在极短的时间内获 得相关信息。 图2 l 车辆安全应用举例 如图2 i 即是安全应用的一个例子，车辆1 遇至障碍物或者是因故障停在路 上，它就向周围通告它的状况。对于车辆2 来说，由于人的反应速度限制，直接 从人看到车辆l 停下来再做反应可能还是会来不及，而结合车辆1 发出的警告， 能使得司机更快做出反应。而车辆3 由于车辆2 的阻挡，看不到车辆1 的状况， 通过直接接受车辆l 的警告或者接收车辆2 转发的通告( 车辆3 在车辆l 的无线 范围外) ，它也能得到提醒，从而提早做出准备。此外，当车辆2 ，3 需要换道行 驶时，它可以和旁边车道的车辆4 ，5 ，6 通讯，从而协调换道避免发生碰撞。 2 , 2 1 2 提高交通效率 通过将消息不仅提供给车辆所有者，还提供给车辆网络上的其他车辆，来提 高变通效率。这类应用的作用是提高道路交通效率，改善车辆驾驶条件。主要查 啕的信息包括车辆速度、密度、堵车情况、道路情况等。例如智能道路导航， 服务于实时应用的乍载a dh o c 网络路由协议研究第二章车载a dh o c 网络 通过收集交通情况，预测交通拥塞状况，来选择一条更好的道路；绿灯速度优化， 通过到交通路口的距离和交通信号的计时来选择一个行驶速度，避免遇到红灯停 车：换道协助，通过旁边道路上的车辆信息，使得换道时不影响其他车辆。辅助 驾驶，车辆根据周围车辆状况以及道路的信息，协助司机做出合理的驾驶行为。 现在，越来越多的车辆配置g p s 设备，车辆通过不断广播自己的位置，速度， 角度等信息，使得车辆之间都“知己知彼”，相互之间保持一定距离。特别在交 叉路口地段，车辆间可以相互协调行驶。甚至在将来，借助于精确的电子地图和 道路信息，车辆之间相互通信，白发做出准确判断，使得车辆自动驾驶。这类应 用对时延一般要求不是很高，需要统筹考虑交通情况。 2 2 1 3 获取信息及其他 这类应用用于提高驾驶员的舒适度，通过获取所需的资讯来满足各种需求。 包括：i n t e r a c t 接入，使得车辆可以使用普通的基于i p 的服务；相关资讯通告， 使得可以获得当地旅馆信息，旅游信息，天气信息或者其他可以从附近车辆或基 础设施得到的资讯。远程车辆诊断，允许服务站在不需要物理连接的情况下获得 车辆状态信息，从而诊断或预测出车辆的问题所在。这类应用可用于商业服务。 可以将v a n e t 下智能交通系统的应用按服务类型分成以下几类：车辆与车辆 之间( v 2 v v e h i c l et ov e h i c l e ) ：如交换交通信息，交通事故警告，车辆碰撞预警 交换天气状况或道路条件。车辆与路边设备之间( v 2 i ，v e h i c l et oi n f r a s t r u c t u r e ) ： 路边单元设备作为信息提供点提供服务和信息收集点收集实时道路信息，可部署 在交通灯或者路灯上，或者部署在一段危险区域如施工现场提示附近的车辆注 意：其他的还有提供资讯如根据使用来付款( p a y a s y o u d r i v e ) 的基于入口的服 务【9 】( p o r t a l b a s e ds e r v i c e s ) 等。 2 2 2 车载a dh o c 网络的特点 v a n e t 是极其特殊的移动自组织网络，它具备自组织网络的基本特点，但 是由于车辆快速的移动以及网络拓扑结构受限于道路的原因，使之具有独特的特 点。由于v a n e t 在数据链路层上主要使用8 0 2 1 l 标准，同样存在一般无线网络 所固有的问题，如隐藏点问题、暴露点问题、信道捕获问题等。从数据包传输的 角度来说，它具有以下不利因素【1 0 】： ( 1 ) 无线信道质量不稳定，受多种因素影响，包括路边建筑、道路情况、车辆类 8 服务于实时应用的年载a dh o c 网络路由协议研究 第二章车载a dh o c 网络 型和车辆相对速度等。特别在城市中，由于道路两旁拥挤的楼房阻碍了消息的传 递，使得消息只能沿着道路的方向传递，这样大大降低了v a n e t 的传送效率。 ( 2 ) v a n e t 中拓扑结构受道路局限， 由于车辆网络集中在道路上，网络往往呈 现出带状形式。因此v a n e t 的空间利用率比m a n e t 小很多，使得其网络的容 量降低。 ( 3 ) 网络中的节点移动速度快、拓扑变化快、路径的寿命短。车辆的快速移动， 导致网络的拓扑结构频繁变化，车辆无法长期保持邻居节点的信息。特别在信息 的多跳传递中，带来很大困难，车辆需要定期广播自己的方位，来通知邻居节点。 平均速度为1 0 0 公里每小时的道路上，如果节点的覆盖半径为2 5 0 米，则链路 存在1 5 秒的概率仅为5 7 11 】。 ( 4 ) 连接频繁中断。基于上述同样原凶，v a n e t 的连通性也频繁的随之改变。特 别是当车辆密度很小的情况下，网络不连通的概率更高。在某些应用下，例如普 遍的i n t e m e t 访问，这个问题需要得到解决。一个可能的解决方案是，沿着道路 预先配置一些转发节点或是访问点来维持网络连通性。 ( 5 ) 泛洪广播会阻塞数据包的传输。广播作为一种常用的通信模式，在无线通信 中占有很重要的地位。但在v a n e t 中，由于网络呈现管状形式，泛洪广播会给 网络带来严重的阻塞 1 2 1 。然而自组织网络中常用的路由协议都需要使用泛洪广 播机制来搜索路径，频繁的拓扑变化必然导致频繁的泛洪广播。 v a n e t 的不利因素虽然很多，但是，由于v a n e t 是车辆间通信的网络，因 此无能量约束，同时，g p s 的广泛使用使得v a n e t 能够获取周围环境特征，因 此，v a n e t 也具有很多移动自组织网络所不具备的有利因素： ( 1 ) 有比较丰富的外部辅助信息。随着g p s 和g i s 的普及，v a n e t 中网络节点 不仅可以获得自身的位置信息，还可以得到所在区域的地理信息，比如路口分布、 道路方向等。此外还可以通过传感器获得车辆自身的各种信息。 ( 2 ) v a n e t 中节点运动相对其他移动自组织网络来说具有一定的规律性和预测 性，可以根据车辆行驶的方向以及速度估计车辆下一个时刻的方位。因此路径状 态可估计。在v a n e t 中，车辆移动较有规律：车辆同向行驶，拓扑相对比较稳定， 车辆反向行驶，拓扑变化快、链路寿命短。结合车速、街道形状，可以预测路径 状态。 ( 3 ) 消息传播的方向性。根据不同的消息，车辆可以选择消息传播的方向。比如 车辆的急刹车信息，车辆只需向后传播这些消息而无需向前传播，这将减少信道 9 服务于实时应用的乍载a dh o c 网络路由协议研究第二章争载a dh o c 网络 的冲突。 ( 4 ) 充足的能量和存储空间。由于网络中节点是车辆而不是其他小的手持设备， 可以使用车辆电池作为电源，所以，v a n e t 不像其他移动自组织网络和传感器 网络那样存在严格的能量约束，它有充足的能量和存储空间。 ( 5 ) 适合定向天线传播信息。定向天线使能量在某个方向上不增加发射能量的情 况下增加传输范围，因此比较适合v a n e t 的“管状”传输信道。 2 3 车载a dh o c 网络的研究现状 关于车辆间相互通信最早的研究起始于2 0 世纪8 0 年代，由日本j s k 领导的 车辆交通和驾驶电子技术协会( a s s o c i a t i o n o fe l e c t r o n i c t e c h n o l o g y f o r a u t o m o b i l et r a f f i ca n dd r i v i n g ) 发起，后来美国加利福尼亚的p a t h 和欧洲的 c h a u f f e u r 1 3 发表了著名研究成果，车辆排列系统( p l a t o o n i n g ) 。在9 0 年代，日 本的合作驾驶系统d e m 0 2 0 0 0 1 4 又展现了车辆网络的另一重要应用。现在关于 利用车载a dh o c 网络特别是利用智能交通系统改善安全问题、交通效率和驾驶 舒适度的研究也是越来越多。 欧洲的项目c a r t a l k2 0 0 0 1 5 就是通过研究车辆网络来解决关于安全与舒适 驾驶等问题。这个项目主要关注于设计，测试，和评估车辆网络中辅助驾驶系统。 而f l e e n e t 16 】是2 0 0 0 年由欧洲的公司和大学共同提出，主要目的是开发自组织 网络技术在车辆网络中的应用，车辆之间的通信基于i e e e 8 0 2 1 1 协议。车载网 络( n e t w o r k so nw h e e l s ，n o w 1 7 ) 是德国研究联邦局提出的，其主要目的是设计 车辆网络的通信系统，实现车辆问能够交换车辆传感器上的数据。p r e v e n t 1 8 】 项目是欧洲汽车制造商和欧洲委员会联合会联合提出的。该项目不仅要解决车辆 之问的通信问题，还研究车辆传感器和车辆定位技术，但其主要集中在具有基础 设施的车辆网络上。此外还有门本的互联网i t s 协会【1 9 】和法国多个研究机构 合作开展的c i v i c 2 0 】等。2 0 0 5 年，欧洲成立了车辆间通信联盟( c a r 2 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 ) 2 1 】。此外还有从2 0 0 4 年开始m o b i c o m 每年召开一次 的v a n e t 研讨会 2 2 】，和2 0 0 8 年开始举行的w a v e 研讨会 2 3 1 等等。 在北美，联邦通信委员会( 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 m h z 的带宽用于专用短程通讯协议( 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 ) ，2 0 0 4 年f c c 允许d s r c 用于紧急非紧急应用，并且为紧急应用提供相 应的优先级。从9 0 年代开始，各国就在制定各自的d s r c 标准。最早可以追溯 1 0 服务于实时应用的车载a dh o c 网络路由协议研究第二章- 乍载a dh o c 网络 到1 9 9 2 年，由美国材料实验协会( a m e r i c a ns o c i e t yf o rt e s t i n ga n dm a t e r i a l s ， a s t m ) 带i 定了d s r c 标准。1 9 9 5 年，欧洲标准化委员会( c e n ) 完成欧洲d s r c 标准的制定工作。1 9 9 7 年，日本t c 2 0 4 委员会完成日本d s r c 标准制定工作， 中国于2 0 0 7 年5 月参考欧洲d s r c 标准制定了自己的d s r c 标准。但是以上标 准都有诸多限制，如：数据传输速率较低、无法实现车辆间通信、r s u 设备覆 盖范围较窄、不易与传统i n t e m e t 融合，从而只能实现有限的智能交通应用如不 停车收费( e t c ) 等，无法满足i t s 的长远发展的需要。 从2 1 世纪初开始，美国美国电气和电子工程师协会( i e e e ) 就在筹备为i t s 建立基础设施，并在a s t md s r c 标准的基础上开始制定基于8 0 2 1 l 针对i t s 的协议标准：8 0 2 1 1 p ，其主要制定了物理层和介质访问控制层规范。i e e e1 6 0 9 工作组基于8 0 2 1 1 p 标准制定了1 6 0 9 协议族，此协议族制定了链路层、网络层、 传输层、安全、资源管理规范。作为未来v a n e t 中最有希望通用的标准，本文 将8 0 2 1 1 p 和1 6 0 9 协议族统称为w a v e 协议栈，并在后面部分简要介绍。 2 3 1 车载a dh o e 网络研究内容 尽管已经有很多组织机构在智能交通系统车辆间通讯方面作了很多年的努 力，但是车辆间通讯的许多方面还需要更多想法和研究成果来支持。例如，高性 能高效的物理层传输策略，公平和可扩展的媒体访问层( m a c ) 方案，路由协议， 安全性等等。下面介绍一些当前研究的热点。 2 3 1 1 高速实时通讯 由于没有一个统一的调度机制，如何提供更高的通讯速度，保证更短的延迟 时间是一个很大的挑战。特别是对于碰撞警告情况，需要在极短的时间内做出通 告和响应。比如一辆车以每小时5 0 千米的速度行驶，也就是每l o o m s 就行进1 4 米，这种高速行驶的车辆，需要在极短的时间内对碰撞发出警告，以保证车辆有 足够的时间作出机械响应，否则就失去警告的意义。对于某些特定的服务，必须 限制它的响应时间，对于基于尽力而为的网络米说，提供的q o s 很难满足要求， 因此需要定义新的方法来满足这些需求。高速实时的目标需要多方面的共同努 力。前面提到的i e e e8 0 2 1 1 p 标准可以提供较快的传输速率，较强的抗干扰能 力和一些保证低延迟时间的手段。而i e e e8 0 2 1 1 e 就专门定义了q o s 标准来解 决服务质量问题。但作为通信系统，整体可以达到的q o s 离实际应用还有距离。 服务于实时虑用的车载a dh o c 网络路由协议研究 第二章车载a d b o c 网络 2 3 1 2 可靠的m a c 层协议 m a c 层协议在q o s 保证架构中处于关键地位。基于i e e e8 0 2 1 1 协议的m a c 层q o s 增强技术，在近年来得到深入研究。例如文献【2 4 】对i e e e8 0 2 1 l 协议的 q o s 增强技术进行了综述；文献【2 5 ，2 6 分别针对退避算法、竞争窗口等方面进行 了研究。为了有效解决隐藏终端问题，文献【2 7 】首先提出在真实数据传送之前进 行r t s c t s 握手。该种握手在v a n e t 或m a n e t 网络中被普遍使用。i e e e 8 0 2 1 l e 2 8 睾- i 对i e e e8 0 2 1 1 系列协议的q o s 增强最终形成标准。 在车载网络中，有时紧急报文的分发是否成功能影响人的生死。成功的紧急 报文分发应该是及时的和无损的，而m a c 层协议对于紧急报文传输尤为关键。 目前使用的m a c 层协议大多是基于8 0 2 1 1 的d c f 和e d c a ，但是在某些情况 下，如密集的网络时还存在问题，v m e s h 2 9 就是在车辆密度很大的情况下性 能要更好的种m a c 层协议，它采用