（通信与信息系统专业论文）面向城域连通的vanet路由协议研究.pdf

面向城域连通的v a n e t 路由协议研究 摘要 随着汽车电子和信息工业的发展，传统的有线网络已经无法满足人们对随 时随地自由通信的需求，各种新兴的无线网络技术应运而生。车载自组织网络 ( v e h i c u l a ra dh o cn e t w o r k ，v a n e t ) 就是这样一种新型的、与人们生活息息相 关的无线网络，它以建立高效车载通信平台为目的，通过对计算机网络、通信 以及信号处理机制等现代信息技术的综合运用，实现对数据包的收集、分析、 处理和发布。 间歇连通性问题是实现和普及v a n e t 的关键因素，合理的城域连通性的 解决方案是搭建一个无运营商的、开放式的、可与g p r s i n t e m e t 无缝连接的地 面无线通信网络的重要前提。基于此，本文在分析现有v a n e t 路由协议优缺 点和连通保障机制的基础上，提出一种基于中心调度的路由协议f a n i n t e r s e c t i o nd i s p a t c h - b a s e dv a n e t r o u t i n gp r o t o c o l ，i d v r ) 。该协议通过深远探 测算法( f a r - r e a c h i n gd e t e c t i o nm e t h o d ，f d m ) 和停车转发机制( p a r k e dv e h i c l e s f a r w a r d i n gm e c h a n i s m ，p f m ) 计算最优连通路径，以缓解网络分割和高丢包率的 情况，从而达到提高网络性能的目的。主要工作如下： l 、深入研究a dh o c 网络和v a n e t ，分析对比现有的a dh o c 网络和v a n e t 经典路由协议的优缺点、工作机制以及适用场景，给出路由协议评价的一般标 准。同时从物理连通性和逻辑连通性两方面研究分析了连通性保障机制和措施。 2 、针对城域交通环境中间歇连通造成的效率低下问题，以经典的地理位置 路由协议g p s r 为原型，提出了一种基于角度优先的地理位置v a n e t 路由协 议一i d v r 。该协议中通过引入中心节点，增加网络中有效转发节点，增强支路 的连通性和可用度。 3 、基于微观交通仿真软件v a n e t m o b i s i m ，搭建城域范围内移动拓扑场景， 并利用开源网络仿真软件n s 2 对i d v r 路由协议进行仿真分析，仿真结果表明： 城域范围内当车辆的平均速度为4 0 k m h 时，i d v r 协议比a o d v 、g p s r 具有 更高的网络性能。 4 、针对城市车辆节点长时间沿道路停放的特点，提出了带停车转发的 i d v r 机制，它利用停车节点、移动节点和固定节点共同实现v a n e t 的信息接 收、处理、广播和转发。仿真结果表明：速度较高情况下，采用i d v rp f m 机 制的v a n e t 在端到端延时、归一化路由开销和投包率等方面具有较大的提升。 关键字：无线白组网；v a n e t ；i d v r ；路由协议；停车节点；城市场景 r e s e a r c ho nc o n n e c t i v i t y o r i e n t e dv a n e t r o u t i n g p r o t o c o li nu r b a ns c e n a r i o s a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ee l e c t r o n i ct e c h n 0 1 0 舀e sa n di n f o r m a t i o n i n d u s t r y ，t r a d i t i o n a l 诚r e dn e t 、o r k sa u r eu n a b l et om e e tm ec o m m u n i c a t i o nr e q u i r e m e n t so f a n ) ，t i m ea n da j l y w h e r e i nt h em e a l lt i m em a n yn e ww i r e l e s sn e t v v o r kt e c l l i l o l o g i e sh a v e e m e 唱e dr e c e n t l y v a i c u l a ra dh o cn e t 、v o r k ( v a n e t ) i san o v e lw i r e l e s sn e t w o r kw h i c h c a l lm a i ( ep e o p l e sl i f em o r ec o n v e l l i e n t 埘e ti se s t a b l i s h e da sa ne m c i e n ti m e r v e m c l e c o m m u n i c a t i o np l a t f o m i tm a i l l l yu s e ss e v e r a lk i n d so fm e t h o d ss y m h e t i c a l l y ，s u c ha s m o d e mi n f o 瑚a t i o nt e c 量1 i l o l o g y ，c o m p u t e rn e t w o r k s ，c o m m u i l i c a t i o n sa n ds i g n a lp r o c e s s i n g ， t oc o l l e c t ，p r o c e s s ，a 1 1 a l y s i sa i l dd i s s e m i n a t et l l ep a c k e t s i n t e 瑚i t t e n tc o i l l l e c t i v i 够p r o b l e mi sak e yf 她t o rt oi m p l e m e n ta n dp o p u l a r i z ev a n e t ar e a s o n a b l es 0 1 u t i o no fm e t r oc o 姐e c t i v i t yi st oe s t a b l i s ha no p e n e da n dn o n eo p e r a t o r c o m m u n i c a t i o n sn e 撕o r kw h i c hc a ns e a m l e s s l ya s s e s st og p r s i n t e m e t b a s e do nt h e f l e a t u r e sa n dc o n n e c t i v i 够g u a r a n t e em e c h a n i s mo fe x i s t i n g e tr o u t i i l gp r o t o c o l s ，a 1 1 i n t e r s e c t i o nd i s p a t c h - b a s e d 恻e tr o u t i n gp r o t o c 0 1 ( i d v r ) i sp r o p o s e di nt h i sp 印e r t h e r o u t i n gs t r a t e g yp r o v i d e sf a r - i - e a c l l i n gd e t e c t i o nm e 也o d ( f d m ) a n dp a r k e dv e h i c l e s f o r w a r d i n gm e c h a i l i s m ( p f m ) t oc a l c u l a t et h eo p t i m a lc o i m e c t i v 时p a t ht oe n h a n c et h e n e t 、) l ，o r kp e r f o 瑚a n c e t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： l 、w eh a v ea ni n - d e p t hs t u d yo fa d1 1 0 cn e t w o r k sa n d 、e tn e t w o r k a d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e s ，、v o f i ( i n gm e c h a n i s ma n da p p l i c a t i o ns c e n a r i o so fe x i s t i n ga dh o c n e t w o r k sa n dc l a s s i c 、厂a n e tm u t i n gp r o t o c o l sa r ea i l a l y z e da j l dc o m p a r e d w em s og i v e t h eg e n e r a le v a l u a t i o ns t a n d a r do fr o m i n gp r o t o c o l s p h y s i c a lc o n n e c t i v i 哆a n dl o g i c a l c o n n e c t i v i t ya r eu s e dt oi l i u s t r a t et h ec o n n e c t i v i t yg u a r 肌t e em e c h a n i s m s 2 、 d u et ol o we 丘l c i e n c y t r a n s p o r t a t i o n c a u s e db yt h e p o o rc o l l l l e c t i v i 够 o f m e t r o p o l i t a na r e a ，w ep r o p o s eap r o t o c o lb a s e do nt h ea n g l ep r i o r i t ) rg e o 舒a p 址c a lp o s i t i o n v a n e t r o u t i n gp r o t o c o l s ( i d v r ) i m p r o v e df - r o mg p s r w ei n t r o d u c eaf i x e dn o d ei ne a c h i n t e r s e c t i o nw 1 1 i c hi n c r e a s e se 丘e c t i v ef o r w a r d i n gn o d e sc o n n e c t i v i t ) ra n da v a i l a b i l i 移o f b r a n c h e s 3 、w eu s et h em i c r o s c o p i ct r a m cs i m u l a t i o ns o f h a r e v 抽e t m o b i s i mt op r o d u c e m o b i l et o p o l o g yf i l e si nu r b a ns c e n a r i o sa n dp u tt h ef i l e si n t on s 2t os i m u l a t ep r o p o s e d p r o t o c 0 1 t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti d v rp r o t o c o lh a sb e t t e rp e r f o m a l l c em a l l a o d va n dg p s ri nu r b a ns c e n 撕o sw h e nt h ea v e r a g es p e e di sl e s st h a j l4 0k m 屈 4 、u r b a nv e h i c l e sh a v eaf - e a t u r eo f1 0 n gp a r 妇n gt i m e ，a c c o r d i n gt ot h ec h a l r a c t e r i s t i c w ea d dt h ec o n c e p to fp f mt oo u rs t r a t e g y p a r k e dn o d e s ，f i x e dn o d ea n dm o b i l en o d e sa r e a d o p t e dt oc o n l p l e t et h ed a t ar e c e i v i n g ，b r o a d c a s t i n ga n df o n a r d i n gp r o c e s s e s f i n a l l y ， e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a ti d v r 、i t hp a r k e dn o d e sh a sb e t t e rp e r f o r m a n c ei na v e m g e e n d 。e n dd e l a y ，n o m a l i z e dr o u t i n gl o a da n dp a c k e td e l i v e r yr a t i o k e y w o r d s ：a dh o cn e t 、v o r k s ；、7 a n e t ；i d v r ；r o u t i n gp r o t o c o l s ；p a r k e dv e l l i c l en o d e ； u r b a ns c e n a r i o s 致谢 时光荏苒，岁月如梭，随着毕业论文的撰写完成，我的研究生生活也进入 了尾声。回首三年的时光，发现自己走出的每一步都伴随着师长和朋友的关心、 鼓励和帮助。在此，向所有关心帮助过我的老师和同学们致以最诚挚的谢意。 饮其流时思其源，成吾学时念吾师。在此衷心地感谢我的导师丁志中教授。 学高为师，身正为范：先生之风，山高水长。丁志中老师锐意进取的科研精神 和平易近人的学者风范永远是我学习的楷模。先做人，后做事。在丁老师的言 传身教之下，我不仅体会到科学研究的乐趣与魅力，还懂得了许多做人做事的 学问和道理。丁老师精益求精的治学态度和扎实严谨的工作作风是我今后行为 的典范。感谢丁老师在我硕士阶段对我全程无私的帮助和指导，从研究方向的 确定到小论文的发表，从课题研究的深入到国际学术会议的参加，无不凝聚着 丁老师的殷切关怀。他在学术上给我的循循善诱的教诲与指正，生活中给予的 丝丝细心的关怀和帮助，无不使人刻骨铭心。同时他在我论文的选题、实验的 设计、框架的调整、内容的增删，乃至格式的规范等方面，都给予了悉心的指 导，提出了许多极具价值的建议和意见。得遇此良师益友，实乃吾三生有幸。 浩荡师恩，没齿不忘。 一袭浪漫斛兵晚，满枕斑斓桂花香。昨日花里始逢君，今朝花开已三年。 5 0 6 这个团结活泼、竞争共进的大家庭是我顺利完成学业的温室。感谢通信 研究所的孙锐老师、王琼老师、赵烨老师、徐彩臣、黄玉雷、陈林、梅翔、王 磊以及众多师弟师妹们一直以来对我的关心与帮助，与他们一起学习工作交流 的时光我终生不忘。自古天意高难问，苍茫世事难自料，明日君赴潇湘我奔秦， 自此一别，不知何年何月何日再相逢，唯愿诸君前程一路好景致。 感谢我的父母，感谢他们赋予我生命，感谢他们一直以来对我的教育和呵 护。特别是漫漫长途的学习生涯，每一步的背后都有父母莫大的支持和帮助。 他们的支持和理解是我不断前进的动力，他们的关怀和教导是我的指明灯。纵 然用尽华辞丽藻，词穷语竭，面对父尊母慈，亦显苍白无力。 千言万语化作一句感谢，谨以此文献给所有关心、支持和帮助过我的老师、 同学、朋友和亲人们! 作者：时慧晶 2 0 1 2 年3 月 图1 1 图1 2 图1 3 图2 1 图2 2 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1o 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1o 插图清单 传统基础设施下的无线网络拓扑结构2 无线自组网的拓扑结构2 v a n e t 示意图4 a dh o c 网络协议栈结构9 a dh o c 网络路由协议分类1 1 v a n e t 直观定义图15 城市场景下的v a n e t 示意图1 6 v a n e t 体系结构图17 v a n e t 路由协议分类1 8 贪婪转发方式1 9 局部最优化一2 0 周边转发方式2 0 右手准则2 1 r n g 21 n n 2 l 高连通性场景2 4 低连通性场景2 4 城域连通性影响因素2 4 存储携带转发机制2 6 i d v r 协议转发策略2 7 深远探测法3 0 带无停车转发机制的v a n e t 示意图3 1 数据包转发过程举例3 2 用户角度看n s 2 3 4 n s 2 基本结构3 5 分裂对象模型3 5 n s 2 中常用网络组件3 6 单播节点结构图3 7 多播节点结构图3 7 n sp a c k e t 结构3 8 n s 的使用流程3 9 v a n e t 移动模型分类4 1 v a n e t m o b i s i m 与n s 2 之间的关系4 3 图5 1 l 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 1 8 图5 1 9 图5 2 0 图5 2 l 图5 2 2 图5 2 3 某时刻无中心节点的城市道路移动拓扑场景4 3 某时刻有中心节点的城市道路移动拓扑场景4 4 v a n e t m o b i s i m 产生的适用于n s 2 的移动拓扑文件片段4 4 a o d v 、d s d v 投包率分析4 8 a o d v 、d s d v 端到端平均延时分析4 8 a o d v 、d s d v 归一化路由开销分析4 8 城市交通场景4 9 a o d v 、g p s r 和i d v r 投包率分析5 0 a o d v 、g p s r 和i d v r 端到端平均延时分析5 1 a o d v 、g p s r 和i d v r 归一化路由开销分析51 i d v r 、i d v rp f m 投包率分析5 2 i d v r 、i d v rp f m 端到端平均延时分析5 2 i d v r 、i d v rp f m 归一化路由开销分析5 3 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表5 1 表5 2 表5 3 表5 4 表格清单 h e l l om e s s a g e 格式一2 8 n e i g h b o rl i s t 格式2 8 中心邻居表格式2 9 数据包格式2 9 移动场景数据4 7 流量场景文件4 7 a o d v 、g p s r 和i d v r 仿真参数4 9 i d v r 、i d v i l p f m 仿真参数5 2 第一章导论 1 1概述 1 1 1研究背景、意义 随着城市交通拥塞状况的日益加重以及交通事故的频繁发生，德、美、日 等国早在九十年代就已经提出智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ， i t s ) 【l 。2 】的构架和概念。它通过与路边单元的密切交互，使人、车、路实行网 络互联，从而改善交通的拥塞状况，提高车辆的运输效率。增强路网的通行能 力，减少事故的发生概率。但是，i t s 的通信网络结构设计和专用短距离 ( 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 s ，d s r c ) 标准【3 4 j 设计的理念过于保守 和落后，功能需求也相对单一，而且路边单元( r o a d s i d eu n i t s ，r s u ) 的建设 和维护是一项耗资巨大的基础设施。随着无线自组织网【5 】的深入研究和汽车工 业的飞速发展，人们对于随时随地自由高质量车间通信的要求日益强烈，因此 v a n e t l 6 - 5 j ( v e h i c u l a r a dh o cn e t w o r k ，车载自组织网络) 的概念应运而生。 通常，无线移动网络可被分为两类：一类是有基础设施无线网络模式 ( i n f r a s t r u c t u r em o d e ) 。这种模式下，节点通常通过单跳方式与通信基站、无 线接入点等基础设施通信，再由基础设施将数据包转发至目的节点，如图1 1 所示。该模式强调的是单跳、集中式的概念，例如蜂窝无线网络系统、办公室 无线局域网等。此时网络中的移动节点仅作为移动终端而不具有路由功能，路 由功能由移动交换机承担；另一类是无基础设施的移动无线网络模式 ( i n f r a s t r u c t u r e l e s sm o d e ) 。这种模式下，节点通过多跳转发方式，不再需要基 础设施的支持。也就是说，移动节点同时兼具路由器和移动终端的功能，如图 1 2 所示。它注重的是多跳、自组织、分布式的概念，例如无线a dh o c 网络、 车间自组网、无线传感网络和无线m e s h 网络等。这种组网方式通常适用于灾 难营救、城市环境检测与战场通信等特殊环境。 v a n e t 正是自组网技术的特殊运用，它是专门为车辆间通信而设计的无线 分布式网络。车辆节点的单跳通信距离一般只有几百米到一千米，所以每一个 车辆节点需同时具备收发器和路由器的双项功能，采用多跳的方式将数据包转 发给较远的目标车辆，以获取视距以外的车辆的速度、方向、刹车板压力、自 定义消息以及实时路况等。设计无运行商支持的车载自组网的目标是建立一个 免费的车辆间通信平台，一方面可以有效提高交通效率，给司机带来安全可靠 的行车环境；另一方面大大增强生活便利度，给人们带来更加舒适的出行环境。 随着世界各国对民用a dh o c 网络的广泛关注和应用，v a n e t 作为移动 a dh o c 网络的一个重要分支，也越来越得到人们的重视，逐渐成为世界各国研 究的热点1 9 。1o | 。曾在2 0 0 3 年i t u t 的汽车通信标准化会议上，各国专家声称如 果车间自组织网络v a n e t 技术能够成功普及，即有望到2 0 1 0 年降低5 0 的交 通事故损失【1 1 】。到目前为止交通事故仍然是一个威胁人类的全球性公共安全问 题，具有极强的“杀伤力”。可见v a n e t 的实施具有复杂性和长期性。同时， v a n e t 仍带有a dh o c 网络的局限性，同样很难支持城域覆盖和保证连通性。 试想间歇连通的城域v a n e t 无法及时传播交通事故情况会造成怎样的经济损 失。 图1 1 传统基础设施下的无线网络拓扑结构 图1 2 无线自组网的拓扑结构 造成间歇连通网络环境的原因【l 玉1 4 】是多方面的。首先，车辆节点的移动具 有规律性和高速性，这导致了v a n e t 拓扑结构频繁变化，链路状况不稳定以 及无线信道的不对称性等问题；再次，城市高密度建筑、城市道路规划、车辆 相对速度和司机随机行为等都是影响连通性的环境因素。有研究表明【”】：当节 点速度达到1 0 0 k m h 时，链路能够维持1 5 s 的可能性仅有5 7 。 由于连通性得不到保障，传统路由算法就失去了效率，设计出高连通性保 障的路由策略是本文目标。 k a v i nf a l l 提出了延时可容忍网络d t n ( d e l a v t o l e r a n tn e t w o r k ，d t n ) 【埔j 。d t n 的重点是路由模型的改变，即对网络分割的 关注。将传统网络的存储转发( s t o r e a n d f o r w a r d ) 方式转变为携带转发 ( c a r r y - a n d f o r w a r d ) 方式，一定程度上d t n 拓展了路由可能性的范围。后期 提出的机会网络( o p p o n u n i s t i cn e t w o r k i n g ，o n ) 模型【1 7 】采用存储携带转发 ( s t o r e - c a r r y a n d f o r w a r d ) 机制。d t n 和0 n 的移动模型关注的都是节点的相遇 特征。 综上所述，本课题将在存储转发理论研究的基础上，最终提出一种衡量连 通性的简单方法和基于地理位置路由协议的改进算法。可以预见，通过本课题 的研究，可以进一步提高车间通信的效率，并使得该新算法运用到研究项目中 具有较大的研究意义及实用价值。 1 1 2国内外研究现状分析 1 1 2 1v a n e t 介绍 v a n e t 是由行驶的车辆之间组成的一种特殊的无线自组织网络，它是以建 立高效车间通信平台为目的，通过对计算机、通信以及信号处理机制等现代信 息技术的综合运用，实现对数据包的收集、分析、处理和发布。它汲取了传统 自组网的优点，既不需要依赖预设好的网络基础设施，又能够快速有效地展开 使用。车辆节点利用源源不断的电量供应和一定尺寸的天线优势，通过自身携 带的无线收发设备与其他车辆随时、随地进行信息( 文字、图片和视频) 交换、 服务和信息的共享、路况信息查询发布、拥塞和突发事故报警以及其他增值服 务功能。v a n e t 中最重要的特点之一即是车辆节点无需事先通知就能够频繁 的、动态的、自由的接入和离开网络，且不会直接影响到网络中其它节点问的 通信。当源节点和目的节点在彼此的一跳通信范围内，则直接实行单跳通信； 否则，源节点可以借助中间车辆中继实行多跳通信。 1 1 2 2v a n e t 特点 a dh o c 网络与传统的无线通信系统相比，其独特的组网方式使它具有自组 织性、无中心、路由多跳、动态拓扑、带宽有限、链路容量易变、节点的局限 性、网络扩展性差和安全性差等特点。v a n e t 可以理解为一种专用的无线自组 织网络，因此它除具有上述特点外，还具备一些独有特性【1 8 。2 引。首先整个v a n e t 可以分为两个部分1 2 l j ：( 1 ) 车与车( v e h i c l et ov e h i c l e ，v 2 v ) ；( 2 ) 车与路边节 点( v e h i c l et oi n f r a s t r u e t u r e ，v 2 i ) 。如图1 3 所示的v a n e t 示意图。 ( 1 ) v a n e t 节点可通过卫星导航与定位系统( g 1 0 b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ， g p s ) 和数字多媒体服务( d i g i t a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ，d m b ) 实现车辆精确定 位和精准节点的时钟信息。g p s 和电子地图相结合促使基于位置服务的路由策 略的实现变得更为简单。 ( 2 ) 节点的高速移动性使得链路生存期限( t i m et ol i v e ，t t l ) 大大缩短。 城域范围内的移动节点速度大致变化范围为5 6 0 k m h ，这将导致路径寿命变 短，v a n e t 拓扑结构变化更快。有研究显示，假设车辆节点的通信半径为2 5 0 m ， 那么在平均速度为1 0 0 k m h 的高速公路上链路t t l 达1 5 秒的概率仅为5 7 ， 这显然无法达到通信要求。 ( 3 ) 节点移动具有一定随机性，移动节点只能沿着既定方向沿途移动或行 或停，具有可预测性。这就使得对v a n e t 的研究不仅要考虑城市建筑物对通 信信号的影响，还要考虑到城域v a n e t 的问歇连通性问题【2 2 。2 5 1 。 ( 4 ) 随着智能汽车工业的发展，车辆不仅具有强大的计算能力和存储能力， 而且车辆发动机启动能够为节点源源不断地提供电力支持，从而无需考虑节点 能力的限制。另外，车内空间完全可以承载天线的尺寸和其它的通信设备，为 提高车间自组网性能奠定基础。 图1 3v a n e t 示意图 除此固有有利条件外，服务站、交通灯、路灯等潜在固定节点也可被作为 接入点的网关( g a t e w a y ) ，使大范围无运营商公共服务网成为可能。 1 1 2 3v a n e t 的应用场合 车载通信系统在i t s 中起着至关重要的作用，它的出现满足了人们对“随 时、随地、以任意方式”接入网络的需求，因此v a n e t 正引起越来越多的关 注。v a n e t 之所以不沿用传统的蜂窝移动通信技术而采用a dh o c 模式，原因 就在于移动节点处于高速变化的运动场景中。v a n e t 拓扑结构处于频繁变化 中，节点周边环境也具有多样性，传统的集中式分布的蜂窝移动网络并不能很 好地适应这种情况，将具有强适应性的a dh o c 技术运用于汽车领域的思想应运 而生。v a n e t 目前已经被广泛运用于道路交通安全应用和商业信息发布等多种 应用场景中。总体上来说，可以将v a n e t 应用场合大致归纳为以下三类 2 6 _ 2 8 】： ( 1 ) 从车辆节点角度来看，将a dh o c 技术引入汽车领域不仅能够实现车 辆间自由地语音、视频、图像传输等服务，还能够寻找服务站、加油站、停车 位，以及公交车预报站、呼叫出租车、搭乘便车、汽车修理站等服务。v a n e t 4 可以为节点提供前方各路段的天气信息和道路状况。一方面能够大幅度减少车 辆迟滞时间，为汽车出行提供安全保障；另一方面间接提高汽车燃料利用效率， 减少汽车运输对环境的影响。 ( 2 ) 从交通管理角度来看，v a n e t 系统将会对交管部门起到至关重要的 作用。例如可对车辆进行车牌号与i p 绑定，必要时可以准确对特殊目标车辆定 位监察，网内其他车辆也可以利用v a n e t 协助交管部门查找违规车辆，通过 车辆驾驶情况和酒精浓度数据传感器通知周围危险区车辆、行人，减少或者避 免人员财产的损失。此外，当遇到紧急情况时，执法车辆也可以通过城域埘e t 快速调整路线，以便及时执行紧急任务。另外，v a n e t 能够协助交管部门实现 车辆自助收费，还能够追踪超速驾驶、超载、酒后驾车、无照驾驶等违章情况。 这一系统的广泛应用将会大大的增加平均道路容量，并提高交管部门工作效率。 ( 3 ) 从公民角度看，v a n e t 的实施将会大大提高人们的出行效率和乐趣。 人可以利用v a n e t 系统实现公交预报站功能、呼叫出租车、搭乘便车等。旅 途中的乘客也可利用手持终端接入n e t 系统与其他车辆乘客在线游戏、在 线聊天、视频点播、p 2 p 文件共享和i n t e r n e t 接入来增加旅途乐趣。司机可以 进行实时路边超市、快餐广告获取，同时汽车还可以通过固定在信号灯或街灯 上的无线接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 接入i n t e m e t 进行汽车会议。 1 1 2 4v a n e t 的关键技术 本文所研究的城域间歇蝌e t 网络是一种特殊的自组织网络，它同样存 在着有限带宽、隐藏节点、聋哑节点、暴露节点和信道冲突等一般无线通信网 所固有的问题拉9 。3 0 j 。但相对于传统a dh o c 网络，v a n e t 也具有自身独特的特 性。下面介绍v a n e t 网络的一些关键技术： ( 1 ) v a n e t 的间歇连接性 车辆高速移动性导致v a n e t 中的连接状况不稳定。文献【3 1j 表明v a n e t 经常出现2 个极端特征：当车辆密度大时、n e t 表现为全连通网络；当区域 车辆密度小时v a n e t 即变为一个间歇连通的网络。某些道路中可能没有足够 的车辆支持多跳转发，导致部分节点被分割成孤立网络或者孤立节点，此时的 网络链路具有高度的不可靠性。许多关于v a n e t 中路由协议的研究都是建立 在通信节点之间是互相连接的【3 2 。33 】这个前提上。但是实际上v a n e t 连接性通 常较弱，特别是在低密度的情况下，车辆连接具有偶然性。d t n 和0 n 两种网 络的提出一定程度上缓解了v a n e t 的低连通性，典型的代表是军事自组网、 野外跟踪传感器网络【3 4 】以及星际网络1 35 | ，但其节点之间也存在不稳定的端到 端连接。 ( 2 ) 高速变化的网络拓扑结构 在城域v a n e t 中，车辆节点沿着道路高速移动，导致网络拓扑结构也在 实时地变化。如何利用有效的路由算法迅速发现通往目的节点的路径是v a n e t 中一个亟待解决的问题。尽管目前国内外的许多科研机构致力于高效v a n e t 路由协议的研究，但通信过程中出现的网络隔断和信号阻碍造成的丢包现象仍 没有有效解决，因此路由协议仍是目前普及v a n e t 最关键技术之一。 ( 3 ) 无线信道质量的不可靠性 v a n e t 的无线信号传播模型受到多种环境因素影响，例如建筑物、道路拓 扑、车辆类型、高速移动性和车辆的加入退出等。特别是城市建筑物严重制约 了无线节点的有效传输范围，也就是说处于理论通信半径内的节点不一定能够 参与直接通信，传统白组织网络路由协议不能够适应这种特殊自组织网。这种 受限的消息传递方式大大降低了v a n e t 的传送效率。 ( 4 ) 大规模性 车载自组网具有大规模性，这是因为城市任意车辆节点均可作为有效节点 加入和退出网络，网络覆盖一个或者多个城市。网络的大规模性是由特殊应用 场景决定的，因此v a n e t 规模比传统a dh o c 网络节点数量多且范围广。 ( 5 ) 安全性 车载自组网采用传统无线传输方式，网络的无线链路更容易受链路层的攻 击。且漫游的车辆节点脱离物理保护，这种频繁移动性使得车辆之间脆弱的信 任关系成为v a n e t 面临的安全性挑战之一。 ( 6 ) 服务质量保证( q o s ) 6 j 目前一般存在两种保障网络q o s 的策略，第一种是提供足够的网络带宽， 以避免节点间的资源竞争；第二种是利用消息不同的优先级，以确保特定业务 的服务质量。i e t f 提出的两种服务模型( 综合服务模型、区分服务模型) 始终 忽略了无线移动网络的特殊环境。现有q o s 保障机制主要基于依赖基础设施的 单跳g s m 网络模型，直接运用于多跳、动态的v a n e t 是行不通的。针对无线 网络的q o s 保障机制是自组网技术面临的重要挑战之一。 基于以上几点，导致了对车载白组网的研究需区别于传统a dh o c 网络。 只有充分考虑上述的v a n e t 的特点，搭建适合v a n e t 的真实仿真场景，设计 针对大规模v a n e t 的高效路由策略，才可能最大限度地发挥出整个v a n e t 的 积极作用。 1 2 本论文创新之处 国内目前对a dh o c 网络应用研究相对成熟，而对v a n e t 的研究尚停留在 理论阶段2 1 儿2 4 】【37 1 ，其重点主要集中在高效的v a n e t 路由策略这一亟需解决的 关键问题上。本文首先对a dh o c 网络路由进行分析，然后对目前适用于v a n e t 的路由技术进行了深入的分析与研究，提出一种带停车转发机制的基于中心节 点调度的v a n e t 路由协议( i n t e r s e c t i o nd i s p a t c h - b a s e dv a n e tp r o t o c o lw i t h p a r k e dv e h i c l e sf o r w a r d i n gm e c h a n i s m ，i d v rp f m ) 。本文的创新点主要体现在 以下两个方面： 1 、设计了一种基于十字路口调度的v a n e t 地理位置路由协议一i d v r ， 它以经典的地理位置路由协议g p s r 为原型，在每个十字路口引入一个固定节 点，这个固定节点一方面增加有效节点负责数据包的多跳转发，增强连通性： 另一方面负责快速检测各支路的可用度，探知连通性。在原有包格式的基础上 对控制包、邻居列表格式和数据包格式进行了扩展、改进以及实现。中心固定 节点除了保存邻居列表还增加中心邻居表，利用定时握手机制获得其邻居固定 节点的延时信息，运用支路角度信息为数据包选择转发方向。最后在开源网络 仿真软件n s 2 上仿真实现i d v r 路由协议，并分析了该协议。仿真结果表明： 在平均速度3 0 k m h 时，i d v r 协议比a o d v 、g p s r 具有更高的网络性能。 2 、城域间歇v a n e t 中加入停放车辆作为有效的静止转发节点，p f m 具有 以下两个方面的优点，一是稳定网络拓扑结构。城市车辆节点数目一定时，上 下班时间或者节假日等均会导致节点密度变化过快，此时v a n e t 成为不稳定 的功能受限网络。加入停车节点的城市v a n e t 在车辆的数量上和组织上均具 有较高的稳定性。二是提供城市连通性保障。在受限能力允许的情况下，车辆 间通信的停放节点的数据转发策略更容易在间歇v a n e t 中实现。总之，加入 停车节点的v a n e t 一方面缓解了v a n e t 的间歇连通性，保证了路由和数据的 正常传递；另一方面可减少或者脱离v 2 i 通信模型中耗资建设的固定路边单元。 1 3本论文研究的主要内容 本文中，我们首先介绍了本课题的研究背景，接着分析了该课题国内外的 研究状况，从v a n e t 定义出发，分析了v a n e t 特点、应用场合和关键技术。 最后提出本文的创新之处。 第二章，介绍了a dh o c 网络体系结构，分析了自组网的定义、经典路由 协议。对现有路由协议d s d v 、d s r 和a o d v 工作机制和优缺点进行了详细的 分析，为分析v a n e t 奠定基础。最后给出了三个路由协议的评价标准。 第三章，首先介绍了n e t 定义，总结了现有v a n e t 协议栈结构，详细 介绍了经典地理位置路由协议g p s r 、g p c r 和g s r 的工作机制，并且进一步 介绍了它们的优缺点。 第四章，首先对间歇连通的城域v a n e t 进行连通机制性能分析，结合这 些v a n e t 特点和连通机制设计出基于中心固定节点的i d v r 协议。该协议要 求在每个十字路口处引入一个中心固定节点，在原有包格式基础上对h e l l o 包、 邻居列表、数据包格式进行扩展设计。每一个固定节点要同时维持邻居列表和 中心邻居列表，分别记录普通邻居节点位置信息和中心邻居节点角度、延时信 息，这样有助于为数据包选择合适的支路转发方向。除此之外，i d v r 协议引 入停车转发机制辅助通信，使得完全脱离路边单元辅助的v 2 v 通信成为可能。 第五章，本章详细介绍了本文所需的开源网络仿真软件n s 2 和交通流仿真 软件v a n e t m o b i s i m 1 1 。n s 2 部分包括丰富的网络组件、分裂对象模型、仿真