车载自组网技术综述

1、摘要车载自组织网络 (VANET： vehicular ad hoc networks) 是由车载节点、路边通信根底设施和效劳器组成的自组织无线多跳网络。与传统的根底设施网络相比，车载自组织网络具有本钱 低、容易部署和操作的优势。另外从技术角度来看，车载自组织网络能够方便地为临近车辆 建立实时或者非实时的短距离通信。车载自组网能够通过车辆信息如车速、位置和方向等 以及路况信息如拥塞情况、交通指示灯信息和道路实时状态等的交互，提高车辆通行效 率及平安性。车载自组网主要应用于智能交通系统中的平安预警、协助驾驶、分布式交通信 息发布、基于通信的车辆控制及办公与娱乐化等方面。本文主要从车载自组织网络的

2、背景、 结构介绍、重难点和研究现状以及应用领域对 VANET进行综述。关键词： VANET 车载通信 路由协议目录一、背景及意义 3研究背景 国际动态 国内动态 研究意义 降低事故率 提高交通系统效率 3开发跨领域应用 3二、网络结构与通信方式 4车载自组网络结构 4车载自组网通信方式 4三、路由协议 5 5单播路由协议 6平面路由协议 6基于分簇的路由协议 6播送路由协议 7地理组播路由协议 7路由协议小结 7四、车载自组织网络相关技术7 7物理层标准 7MAC 层 9 五、车载自组网络特点及研究难点 9车载自组网特点 9优点 研究难点缺点 1.010.1.1.1.1.1.1.六、 应用领域

3、 10主动平安应用公共平安应用改善驾驶应用电子商务与移动娱乐应用 1.1.七、 结语 12八、 参考文献 12背景及意义1.1 研究背景随着机动车的广泛开展，车联网开展迅速。其中，作为车联网的一个分支，车载自组 织网络技术已经引起世界各国研究机构和科研人员的密切关注。1.1.1 国际动态2003年, 美国的联邦通信委员会专门为车辆间通信划分了一个专用频段。在该年的汽 车通信标准化会议上，各国专家提出的车用自组织网络技术有望将交通事故带来的损失 降低50%。2004年2006年，MobiCon专门召开了 3次专题研讨会讨论 VANET2005年, 欧洲成立了车辆间通信联盟 (Car2Car co

4、mmunication consortium) 。日本也通过了两个 车辆间通信标准。具体的研究工程有欧洲多国合作开展的Fleenet 工程、德国的“ Network on WheelS、日本 JSK 领导的“ Associatio n of Electro nic Tech no logy for Automobile Traffic and Driving ，“Group Cooperative Driving 、美国的 VII 、 美国马里兰州立大学的 TrafficView 工程、法国多个研究机构合作开展的 CIVIC 等。1.1.2 国内动态在国内，一些研究机构和大学对车载自组网 MA

5、C协议进行了研究，不过更多是在军事 领域进行研究。解放军信息工程大学提出了一种移动自组织络新型MAC协议BR-TDMA亥协议采用分布式控制，支持分组突发业务和资源预留的实时业务，对网络规模不敏感， 较好地解决了隐藏、暴露终端等问题。郑州解放军信息工程大学提出了一种新型的用于 自组网车载通信系统的MAC协议CCR-ALOHA该协议采取竞争与预约相结合的分配方式， 并将用于预约的控制时隙和业务时隙相别离，能够提供可靠的单跳播送信道和高效的多 跳播送效劳，平时分组时延较小，具有较好的可扩展性。目前，VANET勺研究主要涉及网络架构，物理层技术，媒体访问机制，路由协议，安 全技术等。1.2 研究意义1

6、.2.1 降低事故率车载自组网通过提供车辆之间的通信从而实现信息共享。 它创造性地将自组网技术应 用于车辆间通信，使司机能够在超视距的范围捏获得其他车辆的状况信息和实时路况信 息。通过车辆信息如车速、加速度、位置和方向等以及路况信息如交通拥塞情况、 交通指示灯信息和道路实时状态等的交互，提高车辆通行效率及平安性 1 。1.2.2 提高交通系统效率随着车载自组织网络的开展， 越来越多的车辆会具备通信和信息处理的能力， 这使分布式的交通控制成为可能。车辆可以通过分布式的协调、同步等，实现对道路资源的合 理分配，从而控制车辆平安、高效地行驶，大大推动智能交通系统的开展2。1.2.3 开发跨领域应用目

7、前,商业与娱乐是无线通信应用最多的领域 ,该领域的应用关注客户消息的传输、 车 辆自动化或电子支付业务 , 如下载音乐、车队管理、车辆自身程序、电子付款、停车收费 或道路不停车收费等。网络结构与通信方式2.1车载自组网络结构车载自组网组成局部：车、设施包括路边基站、信号灯等、卫星提供GPS定位 效劳、互联网实现部署功能等。图1显示了车载自组网的模型示意 :Ip檸科的典VX1s ranl!8FI fettjj.c fan? ik 1000m最大移动速度只支持步行400km/h国内一般使用GSM动通信技术，A-GSM是公司资助研究的支持自组织技术的移动通 信技术,主要针对GSMS统中移动台的中继技

8、术进行研究,以此来增大GS嗣络覆盖半径。 所以GSMJ术也可以尝试性地应用于车载网中。美国和日本专用于车载自组网系统的DSRC标 准Dedicated Short Range Communication：专用短距离通信技术，2003年，美国的FCC专门为车载网系统通信分 配了 75MHZ勺信道。4.2 MAC层MAC层向网络中的节点提供了物理寻址和信道接入控制，为上层提供快速、可靠的报 文传输支持。特别在无线网络中，MAC协议能否有效地利用无线信道的有限带宽，将对无线网络的性能起着决定性作用。对于 VANETMA层除了考虑接入公平性、隐藏终端、 暴露终端等Ad Hoc网络的普遍问题外，还需考虑

9、以下特殊因素：移动自适应拓扑变化、 不同类别应用优先级、低传输延时、可靠传输等。早期关于VANET勺MAC层协议研究主要基于对传统Ad Hoc网络MAC协议的改进，以适用于高速移动的 VANET例如，IEEE 802.11 DCF17协议，基于 CSMA/CA以较小的RTS/CTS分组的交互，分配较大的无线 资源，从而提高无线资源的利用率，但 IEEE 802.11 DCF不能很好支持实时业务；Ad Hoc MAC18协议，通过TDMA机制为每个终端预留时隙，为 VANET提供了较好的QoS保证， 但Ad Hoc MAC协议不能有效地利用信道，且通信范围内的节点数目受限制；D-MA协议dire

10、ctional MAC ，定向天线 MAC协议19 是基于IEEE 802.11提出的，每个终端通 过GPS知道自己和邻终端的地理位置，在相邻的平行运行的车辆中，定向天线有利于减 少传输干扰和冲突，但其复杂性以及其昂贵的设施给实现带来了困难。近几年，关于 VANET勺MAC层协议研究较多，且提出了一些专门为车载环境下的无线接入设计的MAC层新协议，大大改进了 VANET无线接入控制的性能，提高了通信可靠性，降低了传输延 时。五、 车载自组网络特点及研究难点车载 Ad Hoc 网络作为一种特殊的移动 Ad Hoc 网络， 除了具有一般 Ad Hoc 网络 的一些共性外，还具备一般Ad Hoc网络

11、所不具备的特征。正是这些特性给设计车载 AdHoc 网络的路由层提出了新 的挑战。5.1 车载自组网特点5.1.1 优点1) 拥有丰富的外部辅助信息随着GPS全球定位系统，Global Positioning System和GIS地理信息系统， Geographic Information System 的普及 , 车载自组网中网络节点不仅可 以获得自身的位置信息，还可以得到所在区域的地理信息。GP列以为节点提供精 确定位和精准时钟信息，利于车辆获取自身位置信息和进行时钟同步。GPS和电子地图相结合，利用路径规划功能，将使车载自组网络由策略的实现变得更为简 单。2) 无能量约束网络中节点可以使

12、用车辆电池作为电源 , 所以, 车载自组网不像其他移动自组 织网络和传感器网络那样存在严格的能量约束。3) 优质高效的硬件设施保证车辆的承载空间较大，可以确保各类通信设备的尺寸和规模，如天线、路由 器等，同时具有强大的计算能力和存储能力。4) 车辆节点运动有规律性 道路的静态形状使得车辆移动是受限制的，车辆轨道一般可以预测。车辆同向行驶 , 拓扑相比照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。因此 , 不同运动场景对车辆运动的规律性有着较大 的影响。然而大多数场合 , 具有相同或类似运动规律的车辆可看作一个整体 , 可防 止个体的特殊运动行为带来

13、的分析误差 , 有利于分析结果的准确性。5.1.2 缺点1) 网络拓扑结构变化快在城市场景下汽车的移动速度都比拟快速。 汽车快速的 移动使得无线覆盖半 径变得相对较小，尤其是在高速公路上 当无线覆盖半径是 250 米而汽车的行驶 速度到达 120km/h 的时候。汽车节点的高度动态性使得汽车 Ad Hoc 网络的拓 扑结构变化快速，这个特征给路由的管理带来了很大的不 便。另外在车载 Ad Hoc 网络中，汽车节点会频繁的参加和 退出，特别是在城市场景中，车载 Ad Hoc 网 络的规模在车 流顶峰期时会迅速增大。因此对车载 Ad Hoc 网络路由算法 的扩 展性提出了很高的要求。在车载Ad H

14、oc网络中，由于节点的速度大致在 542m/s 之间，这种高速移动性导致网络拓扑结构变化快，路径寿命短，例如平均 速度为100km/h的道路上，如果节点 的覆盖半径为250m,那么链路存在15s的 概率仅为 57%。2) 无线信道质量不稳定 由于车辆节点具有高速移动性，道路周围又有建筑物的影响，导致无线信道质量不稳定。 受多种其他因素影响， 包括道路情况、 车辆类型和车辆相对速度等， 数据传输过程中，受到多普勒效应的严重干扰，信道质量不稳定。3) 信道带宽严重低于理论值由于车辆分布集中，导致了对无线信道 的频繁竞争，负载过于集中，使得车 辆终端得到的实际带宽 远远小于理论值，比普通的 Ad H

15、oc 网络更严重。4) 受地理位置影响VANET 的数据通信往往与地理位置有关，有一定的方向性。譬 女口， V ANET中平安消息具有后向传递性，在事故预警时，消息总是向来车的方向进行传播。5) 受洪泛影响大移动自组织网络中常用的路由协议需要使用泛洪播送机制来搜索路径,频繁的拓扑变化必然导致频繁的泛洪播送。而车载自组网路由呈现“桶状形式 ,泛洪 播送更会带来严重的阻塞。6) 链路层公平性问题 车载自组网在物理层和数据链路层采用成熟的技术和设备，主流使用 IEEE802.11标准。但标准应用在车载自组网方面存在一些问题，如在狭窄的道路空间 内可能存在更多的冲突 ,原有的防止策略可能效果并不十分理

16、想同时，802.11标准自身退避机制的不公平性可能会加剧这种冲突，这对车载自组网中需要紧急传输 的事故告警信息非常不利。5.2 研究难点 基于以上特点，由两种网络结构组成的车载网络，将需要克服一些难题。首先，有必 要实现对两种网络下的协议和应用的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，要汇总局部数据到一个整体，以实现全 局搜索和访问；再次，满足 一定的QoS,比方时延和带宽要求；此外，由于异构的存在，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 RVC 网络频繁 无缝切换的机制。这些 问题都将是未来车载网络中的研究方向和热点。 主要挑战有1网络的连

17、通性问题 ,车载 自组网网络规模较大 ,会频繁出现网络通信的分割断线的现象 2信道接入问题 ,车载自 组网是多跳路由多点共享信道 ,车辆节点接入无线信道也是技术难点 3路由协议的设计 问题,车辆节点可以作为路由设备来使用 ,并且网络的拓扑变化较快 ,所以必须设计一个高 效的标准协议 4通信质量问题 ,网络传输的信息平安问题 ,需要对带宽可能存在拥堵、 过高的时延等问题进行处理 5网络管理的问题 ,车载网的管理包括节点移动性、 节点地 址、以及网络效劳管理等 ,存在需要进行定位车辆节点和节点的自动分配地址的一些问题。六、 应用领域 10车载自组网的四类主要应用有主动平安 ，如VSCVehicle

18、 Safety Communications项 目中对车辆主动进行刹车、变道、绕行等行为进行的物理描述与仿真分析。 Maihofer 等 人提出了一种虚拟预警信号 ,并对其应用进行了描述。 此外,在大多数关于车载自组网的文 献中也包含了应用实例。总之 ,车载自组网的分类方式需要根据具体网络的使用情况与目 的,具有相同特征的应用可归为同类别加以划分。车载自组网在交通运输中出现， 将会扩展司机的视野与车载部件的功能， 从而提高道 路交通的平安与高效。典型的应用包括：行驶平安预警，利用车辆间相互交换状态信息， 通过车载自组网提前通告给司机，建议司机根据情况作出及时、适当的驾驶行为，这便 有效的提升了

19、司机的注意力，提高驾驶的平安性；协助驾驶，帮助驾驶员快速、平安的 通过“盲区，例如在高速路出入口或交通十字路口处的车辆协调通行；分布式交通信 息发布，改变传统的基于中心式网络结构的交通信息发布形式，车辆从车载自组网中获取实时交通信息，提高路况信息的实时性，例如，综合出与自身相关的车流量状况，更 新电子地图以便更高效地决定路径规划；基于通信的纵向车辆控制，通过车载自组网， 车辆能根据尾随车辆和更多前边视线范围外的车辆相互协同行驶，这样能够自动形成一 个更为和谐的车辆行驶队列，防止更多的交通事故。6.1 主动平安应用主动平安应用被视为是与道路平安有最直接影响的车载自组网的典型应用。 其根本目 的是

20、通过消息的传输使驾驶更平安 ,这意味着当驾驶员面临一个危险的境地 ,交通事故将 无法防止的发生时 ,车辆可以主动尝试防止意外发生或做出适当的平安措施。将主动平安应用场景按危险程度分类。如危险的道路曲线特征是静态的,可以预见的。因此，危险性低当交通异常 , 而道路状况仍然没有改变时 ,可视为是一个动态的情况。如 驾驶员按照常规方式驶过发生事故的区域。在这些情况下 ,危险度会逐渐升高。当出现高 危险时 ,应用会尽量防止车辆的碰撞例如 ,如果大量密集的交通车辆同时制动。如果刹车行 为仍然无法阻止碰撞的产生 ,就需要借助碰撞预警感应器 ,尽量减少对即将发生的碰撞进 行防止或降低危害。如 ,可通过关闭窗

21、户或提高减震器的功能降低影响。最后 ,当危险已经 发生后 ,预警系统将开启告警功能 ,警告接近车辆或拨打求助。6.2 公共平安应用车辆网络同样也可以支持如电子警察或紧急现场恢复等的公共效劳功能。 这一类典型 的例子对具备虚拟警报或发送高优先级信号的紧急车辆的支持。在这类应用场景下,紧急救援车辆可以更快到达其目的现场。交通监控设备可以简化,如只需知道电子车牌即可 ,无需通过监视器分辨 ,甚至采用图像处理的方式处理并识别肇事车辆身份。 然而 ,这样的应 用需要用于专门的场合 ,此处仅仅作为车辆公共平安应用的学术研究讨论之用。6.3 改善驾驶应用这类应用尝试用通信的方式改善或简化驾驶。从微观的角度出

22、发 ,可改善车辆周围区 域的交通状况从宏观角度看 ,各个车辆及周围车辆运行的优化组合提高整个交通网络的运 行效率。第一种情况 ,辅助应用程序可帮助驾驶员 ,在正常交通流量情况下进入高速公路 并入新的交通流或者协助减弱远灯带来的强光照射。第二种情况,在更大的区域需要提高整个交通的效率。这意味着 ,事故警告将在更广的范围传播 ,通知接收车辆潜在的障碍 ,使驾 驶员采取不同的路线。此外 ,另一项效劳是停车信息 ,甚至停车位预约保存。6.4 电子商务与移动娱乐应用目前 ,商业与娱乐是无线通信应用最多的领域 ,该领域的应用关注客户消息的传输、车 辆自动化或电子支付业务 ,如下载音乐、车队管理、车辆自身程

23、序、电子付款、停车收费 或道路不停车收费等。七、 结语本文从车载自组网络的背景及意义、网络结构与通信方式、路由协议、相关技术、重难 点以及应用领域对 VANET 技术进行了综述。 VANET 的设计和研究除涉及物理层、 MAC 层 和 路由协议外，对于传输控制、网络平安等方面也有一些研究成果，但还有待进行更为深入 的研究。网络平安也是 VANET 需要考虑的一大问题。此外由于车辆网络中车辆节点的运行 场景越来越复杂， 对网络路由的要求也越来越高， 因此需要分析和研究各种车辆移动的模式， 以更好地对协议进行完善和改进。通信技术的开展及其与智能交通的结合，能够提高车辆环 境的平安性、高效性，同时降低道路根底设施的本钱和复杂性，因此， VANET 具有很大的 开展潜力。车辆间通信标准 IEEE 802.11p 即将发布，标志着 VANET 正在开展成为一个更为 完整的标准体系，也标志着 VANET 朝着商用的目标又迈出了重要的一步。考虑到汽车化社 会带来的车辆的通信需求和庞大数量，