（通信与信息系统专业论文）车辆自组织网络中信息传播机制的研究.pdf

指导教师：张理云高级工程师 题 明 目：车辆自组织网络中信息传播机制的研究 l u l ll l ii l lll ui ii llilli 17 5 4 815 英文题目：t h er e s e a r c ho fi n f o r m a t i o nd i s s e m i n a t i o nm e c h a n i s m i nv e h i c u l a ra d h o cn e t w o r k 关键词：车辆自组织网络、信息传播、i e e e 8 0 2 1 i p 、广播、 方向和距离 k e yw o r d s ：v a n e t 、i n f o r m a t i o nd i s s e m i n a t i o n 、i e e e 8 0 2 1 l p 、 b r o a d c a s t 、d i r e c t i o na n dd i s t a n c e ，二 j l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 车辆自组织网络( v a n e t ) 是以车辆为节点的a d h o e 网络，是道路上车辆间、车辆与 固定接入点之间相互通信组成的开放式移动网络，智能交通系统的重要组成部分。车辆自 组织网络的设计目标是建立一个车辆间通信的平台，实现汽车间的无线通信。v a n e t 的应 用可以增强交通安全性，提高交通效率，改善行车环境，因此引起了汽车工业界和学术界 的广泛关注。 本文的研究内容为v a n e t 中信息的传播机制。论文首先介绍了v a n e t 的概念、特征 及典型应用，详细阐述了啪t 的国际标准i e e e 8 0 2 1 l p 相对i e e e 8 0 2 1 l a 的改进及 i e e e l 6 0 9 标准，重点总结了w n e t 的五种信息传播模式，并从传播目的、通信机制、触发 条件、方向和通信质量五个方面对其进行了分析。 本文重点研究了信息传播中的广播方式。对已有的广播方法进行分类，比较了其优缺 点。在上述基础上，本文结合信息传播的方向，在基于距离的广播方法中加入方向性考量， 使广播消息的转发方向和信息传播方向在整体上保持一致。 网络中车辆节点的分布对信息传播影响很大，密集分布和稀疏分布是交通网络中常见 的两种情况。本文对于上述两种分布，提出了适应其节点分布的中继节点选择策略，并通 过数学分析方法证明了其有效性。 关键字：车辆自组织网络、信息传播、i e e e 8 0 2 1 1 p 、广播、方向和距离 ， j 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t v e h i c u l a ra d h o cn e t w o r k ( v a n e t ) ，i saf o r mo fm o b i l ea d h o cn e t w o r k ，t op r o v i d e c o m m u n i c a t i o n sa m o n gn e a r b yv 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 m p m e m v e h i c u l a ra d - h o cn e t w o r k sc a nb ev i e w e da sc o m p o n e n to ft h ei n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n s y s t e m s ( i t s ) t h em a i ng o a lo fv a n e ti st oc r e a t eap l a t f o r mf o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nv e h i c l e s a st h ee n h a n c e m e n ti nt r a f f i cs a f e t ya n dt r a f f i ce f f i c i e n c ya n di m p r o v e m e n ti n t r a f f i ce n v i r o n m e n t ，v a n e th a sc a u s e dw i d e s p r e a dc o n c e r ni na c a d e m i cc i r c l e sa n da u t o m o t i v e i n d u s t r y t h et o p i co ft h i sp a p e ri st h ed i s s e m i n a t i o nm e c h a n i s m so ft h em e s s a g ei nv a n e t f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n c e p t ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dt y p i c a la p p l i c a t i o n so fv a n e t , d e s c r i b e si n d e t a i lt h ei m p r o v e m e n to ni e e e 8 0 2 1lat oa d j u s tt h ev e h i c u l a rn e t w o r ke n v i r o n m e n t ，w h i c hi s t h ei e e e 8 0 2 1l p ，t h eo n g o i n gi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r di np h y s i c a la n dl i n kl a y e r s e c o n d l y , t h e a r t i c l es u m m a r i z e sf i v em o d e l si ni n f o r m a t i o nd i s s e m i n a t i o n ，a n da n a l y z e st h ed i s s e m i n a t i o n t a r g e t ，c o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m s ，t r i g g e rc o n d i t i o n s ，d i r e c t i o na n dc o m m u n i c a t i o nq u a l i t y t h i sp a p e rf o c u s e so nt h eb r o a d c a s tm e t h o di ni n f o r m a t i o nd i s s e m i n a t i o n i tc l a s s i f i e sa n d c o m p a r e st h ee x i s t i n gb r o a d c a s tm e t h o d b a s e do nt h ec l a s s i f i c a t i o na n dc o m p a r i s o no fe x i s t i n g b r o a d c a s ta l g o r i t h m s ，t h i sa r t i c l ei m p r o v e st h ed i s t a n c e b a s e db r o a d c a s t i n gw i t hc o n s i d e r a t i o no n t h ed i r e c t i o no fi n f o r m a t i o nd i s s e m i n a t i o nt om a k et h em e s s a g ef o r w a r d i n gd i r e c t i o nc o n s i s t w i t hi r e f o r m a t i o nd i s s e m i n a t i o no nt h ew h o l e t h ed i s t r i b u t i o no fn o d e si nt h et r a f f i cn e t w o r kh a sag r e a ti m p a c to nt h ep e r f o r m a n c eo f d i s s e m i n a t i o na l g o r i t h m s b a s e do nt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nd e n s ea n ds p a r s et r a f f i c ，t h ep a p e r p r o p o s e st w on e wm e t h o d st od e t e r m i n et h ew a i t i n gt i m eb e f o r em e s s a g ef o r w a r d i n g ，a n dp r o v e s i t se f f e c t i v e n e s sb ym a t h e m a t i c a la n a l y s i s k e ”o r d s ：v a n e t , i n f o r m a t i o n d i s s e m i n a t i o n ，i e e e 8 0 2 ll p ，b r o a d c a s t , d i r e c t i o na n dd i s t a n c e i 1 i i 目录 2 1v a n e t 的特点5 2 1 1 节点速度5 2 1 2 网络环境- 5 2 1 3 可预测的运动性6 2 1 4 节点密度6 2 1 5 节点异构性6 2 2 v a n e t 的相关应用7 2 2 1 安全性应用7 2 2 2 公共服务应用7 2 2 3 改善驾驶应用8 2 2 4 移动商务和娱乐应用8 2 3v a n e t 体系结构与相关标准9 2 3 1v a n e t 架构与协议栈9 2 3 2i e e e8 0 2 1 l a 协议的扩充：i e e e 8 0 2 1 l p 1 1 2 3 3i e e e1 6 0 9 标准1 3 第三章v a n e t 信息传播模式及广播1 6 3 1v a n e t 信息传播模式1 6 3 1 1 信标模式1 6 3 1 2 单播路由模式1 8 3 1 3 高级信息传播模式2 0 3 1 4 信息聚集模式2 2 3 1 5 大面积广播模式2 3 i i i 叶“童j j 壹室塑皇奎兰堡圭堡窒竺堂垡笙奎 旦茎 3 2 单播路由协议一2 4 3 2 1g p s r ：2 4 3 2 2g s r 2 4 3 2 3v f 心d 2 5 3 2 4s a g f 2 5 3 3v a n e t 中的广播方式2 5 3 3 1 洪泛方式及广播风暴2 6 3 3 2 基于概率的方法2 8 3 3 3 基于邻居信息的方法2 8 3 3 4 基于分簇的方法2 9 3 3 5 基于区域的方法3 0 第四章v a n e t 中基于优先权的广播一3 3 4 1 基于优先权的广播原理3 3 4 2 转发优先权定义一3 3 4 2 1 车辆自组织网络中的转发优先权3 3 4 2 2 基于距离的转发优先权3 4 4 2 3 基于方向和距离的转发优先权3 5 4 3 交通条件的判断3 7 4 4 密集交通场景下的中继策略“3 7 4 4 1 随机转发延迟3 7 4 4 2 性能分析3 9 4 5 稀疏交通场景下的中继策略“4 3 4 5 1 转发等待时间的改进4 3 4 5 2 性能分析4 4 4 5 3 传播空洞4 5 第五章总结与展望一4 7 参考文献4 8 致谢一5 1 缩略词5 2 i v 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着社会经济的发展与科技的进步，机动车辆迅速增加，便捷的交通为人民生活带来 极大便捷的同时，随之而来的交通事故也与日俱增，给国民的生命财产造成重大损失。同 时，交通管理效率不高也是个严重的问题，每天因为交通堵塞要浪费大量的汽油和时间， 给国民经济造成巨大的损失。如何及时、准确地估计复杂的交通状况，避免车祸事故、交 通堵塞等问题，以及满足消费者的安全性和舒适性需求是目前面对的最大挑战。因此，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 】应运而生，并引起了学术界和工业 界的极大关注。智能交通系统是应用先进的电子，通信，信息与感测等技术，以整合人， 路，车的管理策略，提供实时的信息而增进运输系统的安全，效率及舒适性，同时也减少 交通对环境的冲击。 移动自组织网络( m o b i l ea d h o cn e t w o r k ，m a n e t ) 【2 】是在不借助中心管理的情况下， 在有限的范围内，由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的临时自治系统。 网络中的移动终端利用自身的无线收发装置交换信息，当两个用户终端不在彼此的通信范 围内时，可以经过其他终端的分组转发进行数据通信，即以多跳方式实现相互间的通信。 而且，节点的移动性会引起网络拓扑结构的变化。 移动自组织网络如果以车辆为网络节点，则可以组成一种新型的网络：车辆自组织网 络( v e h i c u l a ra dh o cn e t w o r k ，卅e t ) 。v a n e t 是智能交通系统的重要组成部分，是道 路上车辆间、车辆与固定接入点之间相互通信组成的开放式移动a dh o c 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。v a n e t 网络 由车载计算机设备，无线通信设备和全球定位系统( g p s ) 组成。每个节点( 车辆) 可以通过 g p s 随时确定自己的方位，通过无线收发装置接收来自其他节点的信息并进行相应的计算， 然后向邻近区域的其他车辆发送自己的信息，包括方位、车速、前方车辆交通状况等。 车辆自组织网络的设计目标是建立一个车辆间通信的平台，实现汽车间的无线通信。 一方面，实现车辆间通信不仅可以减少交通事故的发生，提高行车安全系数，减缓交通拥 塞的状况，节省汽油消耗，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，同时交通控制中心也可以根据所收集到的 车流量和路况信息及时的调整红绿灯时间，使整个交通系统达到最高效率；另一方面，车 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 辆自组织网络可以改善驾驶，也给行车生活带来极大的便利，车辆自组织网络不仅可以快 速、可靠的在车辆间传递安全、交通、娱乐等实时信息，同时还可以改善行车舒适性和道 路的使用效率，并能满足乘客、环境对各种信息的需求，大大提高了行车质量。 1 2 车辆自组织网络的相关研究 v a n e t 及其相关技术已经引起世界各国研究机构和科研人员的密切关注。在学术研 究领域，在二十世纪八十年代初，日本汽车行驶电子技术协会( j s k ) 最早发起了车间通信 ( r v c ) 的研究。随后，在美国的c a l i f o r n i ap a t h 项目和欧洲的c h a u f f e u r 项目实现和展示了当 时关于汽车列队行驶自动控制的研究成果，证明了应用无线通信技术在交通安全和效率方 面可以取得较大程度的提高。日本在9 0 年代末进行的协作驾驶系统( c o o p e r a t i v ed r i v i n g ) 项目，如d e m o2 0 0 0 展现了车间通信技术的另一种应用，即通过无线通信技术交换各自的 行车和道路信息，互相协作以实现安全高效的自动驾驶。德国的车辆网络( n e t w o r ko n w h e e l ，n o w ) 项目专注于车辆通信的通信协议设计与数据传输的安全议题等两大研发重 心。在欧洲新发起的c a r t a l k2 0 0 0 研究项目中所提出的协作行车辅助系统( c o o p e r a t i v e d r i v e ra s s i s t a n c es y s t e m s ) 试图涵盖所有安全和舒适驾驶应用所面临的问题，建立一个包 括车一车和车一路的完整交通无线网络体系，并与传统网络! t 1 i n t e r n e t 和移动通信网络互联 互通融为一体。 2 0 0 4 年2 0 0 9 年间，m o b i c o m 专门召开了5 次专题研讨会讨论v a n e t ，计算机网络与通 信领域的许多会议也增加了v a n e t 相关的专题，促进了对v a n e t 的进一步深入研究和产 业应用的快速前进。i e e e 贝, i j 针对车辆间通讯( i n t e r v e h i c l ec o m m u n i c a t i o n s ，w c ) 与车辆对 路侧通讯设备的通讯( r o a d s i d e t o v e h i c l ec o m m u n i c a t i o n s ，r v c ) 定义了约四十种的相关应 用，显示出国际上对车辆自组织网络的相关应用与研究发展的高度重视。以下是与车辆自 组织网络相关的技术及研究项目： 1 i e e e8 0 2 1i p ：又称w a v e ( w i r e l e s sa c c e s si nt h ev e h i c u l a re n v i r o n m e n t ) ， 是一个由i e e e8 0 2 1 1 标准扩充的通讯协议。这个通讯协议主要用在车用电子的无线通讯 上。它是从i e e e8 0 2 1 l 扩充延伸而来以符合智能交通系统的相关应用。应用的层面包括 高速率的车辆之间( v e h i c u l a rt ov e h i c u l a r ，v 2 v ) 以及车辆与5 9 千兆赫( 5 8 5 5 9 2 5 千兆赫) 波段的标准i t s 路边基础设施之间的资料数据交换。i e e e1 6 0 9 标准则是以i e e e 8 0 2 1 1 p 通讯协议为基础的高层标准。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 2 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 ) 专用短程通信，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d s r c 。目前， 美国、欧洲、日本分别建立了自己的d s r c 标准。专用短程通信技术是i t s 的基础之一。d s r c 协议采用简化的3 层协议结构，包括物理层( p h y ) 、数据链路层( l l c ) 和应用层( a p p l i c a t i o n ) 。 物理层规定y d s r c 通信系统机械、电气、功能和过程的参数，以激活、保持和释放通信 系统之间的物理连接；数据链路层是d s r c - - - 层通信协议的中间层，制定了逻辑链路控制 和媒质接入控制方法，定义了共享物理媒质、寻址和出错控制的操作。应用层规定了应用 服务数据的分解与重组并提供了一些d s r c 应用的基础性工具。应用层中的过程可以直接 使用这些工具，例如：通信初始化过程、数据传输和擦去操作等。另外，应用层还提供了 支持并发多请求的功能。 3 c a r t a l k2 0 0 0 3 】：是一个从2 0 0 1 年开始，为期3 年的项目。致力于开发一种新 的基于车间通信的驾驶员辅助驾驶系统，用于驾驶的安全性和舒适性。项目中所提出的协 作行车辅助系统( c o o p e r a t i v ed r i v e ra s s i s t a n c es y s t e m s ) 试图涵盖所有安全和舒适驾驶应用 所面临的问题，建立一个包括车一车通信和车一路通信的完整交通无线网络体系，并与传 统网络如i n t e m e t 和移动通信网络互联互通融为一体。 4 f l e e t n e t 4 ：项目由6 家公司和3 个大学共同发起，2 0 0 0 年9 月启动。试验床由1 0 辆汽车和路边的基站组成，车辆装备有摄像头、导航系统和液晶接触式显示屏。嵌入式计 算机通过控制器局部网( c a n ) 总线与车内的电子设备实现连接。f l e e t n e t 利用车辆间多跳无 线通信，研究实现多种免费的应用服务，包括紧急事件通知、障碍物警告、交通拥堵监测 和因特网接入等。 5 n o w 【4 j ：是f l e e t n e t 的后续项目，主要是对通信协议的研究和对v 2 v 安全通信的 研究。其主要的目的就是设计车辆网络的通信系统，实现车辆间能够交换车辆传感器上的 数据，解决在车间通信中的通信协议和如何保证数据安全性。 6 i pp r e v e n t 【5 】：为了促进交通安全，欧洲汽车制造商和欧洲委员会联合提出了该项 目。该项目不仅仅是解决车辆之间的通信问题，还研究车辆传感器、结合数字地图研究车 辆定位技术。该项目主要研究的是具有基础设施的车辆网络，并没有涉及无基础设施的车 辆网络。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 3 本文主要内容与组织结构 v a n e t 是将a d h o c 应用在车辆中的网络，其网络特点决定了信息传播方式与传统无 线网络的不同。本文分析了v a n e t 相关标准，介绍了传统无线自组织网络的广播方式和 路由协议，并结合v a n e t 的特点，将基于距离的广播方法用于v a n e t 的信息传播，提 出了密集和稀疏两种代表性交通场景下信息中继车辆的选择策略，并作了证明分析，验证 了其有效性。 本文对各章节做如下安排： 第一章介绍了v a n e t 的起源、研究背景和意义及已经进行和正在进行的相关研究。 第二章主要介绍了v a n e t 和m a n e t 的区别，v a n e t 的应用，v a n e t 的体系结构 和相关国际标准：i e e e 8 0 2 1 l p 及i e e e l 6 0 9 ，分析了i e e e 8 0 2 1 1 p 为了适应v a n e t 的网 络环境而对i e e e 8 0 2 1 l a 作出的改进。 第三章首先对v a n e t 的五种信息传播模式作了详尽阐述，介绍了网络中常见的广播 风暴问题，针对v a n e t 中的广播传播方式，对典型的协议作了分析，概括了它们的主要 优缺点。 第四章将v a n e t 中的方向因素植入基于距离的广播方法，将其改进为基于方向和距 离的广播方式，并针对密集和稀疏两种交通场景下的广播中继策略作出优化。 第五章是对全文的总结和下一步工作的展望。 4 第二章v a n e t 简介 第二章v a n e t 简介 种特殊的移动a d h o c 网络，除了具有一般移动a d h o e 网络的 一些共性外，还具备一般移动a d h o c 网络所不具备的特征。 v a n e t 的网络特征主要包括节点速度的高速变化，车辆活动方式，节点密度以及网络 中节点的异构性等，下面分别来介绍网络的这几项特征。 2 1 1 节点速度 在移动的v a n e t 中最重要的特征就是节点的速度。v a n e t 的节点一般包括车辆和 道路两边的路边基础单元( r s u ) ，节点的速度可以是0k m h ，例如堵车时的车速或是静 止的路边基础单位；也可以是1 2 0k m h ，例如在高速公路上疾驰的车辆。 这两种极端速度对无线网络通信系统构成了很大的挑战。在节点移动速度很快的情况 下，由于相互无线通信的范围很小，只有几百米的距离，所以无线通信的窗口非常小。节 点速度的这一特征影响到所有的通信层，在相对速度较高的情况下，传送者必须克服多普 勒效应等物理现象，链路层不能够预知连接是否会中断，连接失败可能会频繁发生。在路 由中多条信息分发时，车辆间的短时间相遇或是一般行驶都会造成一个高度不稳定的拓 扑，此时基于拓扑的路由方式很难及时作出响应。另外一种极端情况是车辆的移动速度很 慢，网络的拓扑非常稳定。但是车辆移动缓慢，通常情况下是一个高密度的交通环境，会 导致相互间干扰以及媒体接入问题等。由于这些原因，车辆组织网络需要可扩展的通信解 决方案。 2 1 2 网络环境 在移动a d h o c 网络中，节点的移动一般都是随机的并且不受周围地形的影响。而在 v a n e t 中，车辆不能随意行驶，而是使用预先设定的路线，通常是两个方向。车辆在方 向上的变化通常发生在十字路口处，而这往往是不可预知的，而且车辆的速度必须符合不 同类型行车道上的速度限制要求。 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章v a n e t 简介 区分出3 种类型的道路： ( 1 ) 高密度城市道路网络：在城市中，道路的密集程度非常高，有大道也有小巷，许多 的十字路口将道路分割成段。同时，道路两边的建筑物也会限制无线通信。 ( 2 ) 高速公路：高速公路通常是多车道的，一般路段很长，有明确的出口和坡道。车辆 移动速度较快，驾驶方向能够较长时间保持不变。 ( 3 ) 乡村道路：这些道路通常很长，十字路口相对较少。由于乡村交通不如城市繁忙， 道路上较少的车辆往往不能形成一个连通的网络。总体来说，乡村道路的方向变化频率明 显高于高速公路。 2 1 3 可预测的运动性 尽管车辆节点的运行规律比较复杂，但是车辆的运动趋势在一定程度上仍然是可以预 测的。在高速公路场景中，根据车辆所处的车道、实时的道路状况以及汽车自身的速度和 方向就可以推测汽车在随后短时间内的运动趋势。在城市场景中，不同类型的车辆具有不 同的运动趋势。公交车的行驶平均速度缓慢且具有间隔性静止状态，因此根据公交节点的 速度大小和道路特点就可以推测出短时间内的运动趋势。 2 1 4 节点密度 除了速度和运动方式，节点密度是车辆通信的第三大要素。在低密度的情况下，信息 不容易立即转发，因此节点应该能够存储该消息直到发现合适的传播节点，将其转发出去。 在高密度的时候，转发节点之间会发生相互碰撞，此时需要根据应用的不同来选择合适的 下一跳中继节点。 此外，节点的密度不仅与道路类型相关，同样与时间也相关。在交通高峰期的时候， 车辆自组织网络的节点密度会很高，因此整个网络的连通性也相应提高；而在夜间或者在 郊区，车辆自组织网络的节点会比较稀少，此时整个网络的连通性也比较低。当车辆白组 织网络的连通性比较低的时候，网络分裂的情况将频繁发生，从而给车辆自组织网络的路 由层带来较大的影响。 2 1 5 节点异构性 在车辆自组织网络中，节点有许多不同种类。一个最基本的区别就是车辆和路边基础 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章v a n e t 简介 设施单元( r s u ) 。车辆又可以划分为城市公交，私家车，出租车，救护车辆，道路建设 和维修车辆等。并不是所有的应用都必须安装在所有的车辆上，例如只有紧急救护车辆能 够发出警告以通知前方车辆让路。取决于应用需要，r s u 能够作为信息汇聚点，编辑简单 的数据至网络，也可以作为自组织网络的一个普通节点，从而能够像其他车辆一样用于转 发。基础设施节点能够提供接入背景网络，通知交通运营中心有关道路的情况。此外，不 同于车辆的是，这些节点都是固定公用的，不需要保护r s u 的隐私。 2 2v 州e t 的相关应用 最初提出车辆自组织网络的构想是出于对行驶安全性的考虑，即通过车辆间的无线通 信交换安全信息。如今，不仅车辆之间可以相互通信，车辆还可同路边的固定设施进行通 信，这些设施包括路侧单元、交通灯、交通标志、加油站等。虽然安全应用仍然是车载网 络的核心，但辅助驾驶应用及娱乐应用也已提出。针对这些应用，表格2 - 1 将其分为四类， 并给出了相应的实例。 2 2 1 安全性应用 主动安全性应用是v a n e t 应用中最典型也是最可取的应用，它直接影响道路交通安 全。其主要目的是通过车辆间信息交换，驾驶员能够被告知危险情况，车辆试图避免事故 以及事故发生无法避免的时候能够及时做出反应，使得驾驶更加安全。 车辆在公路上高速行驶时司机们只有极少的时间对他们前方的车辆做出反应。如果前 方发生了交通事故，正在朝事故发生点行驶的车辆常常在司机们刹住车之前就撞上了。而 安全应用能够用于提醒司机们沿着某条道路的前方有交通事故，从而避免连续相撞的发 生。同时，安全应用也能够用于及时提醒司机们前方距离较近的车辆从而事先避免事故的 发生。 2 2 2 公共服务应用 v a n e t 也支持交通网络中的公共服务。对于这一类应用的突出案例是紧急车辆( 警车、 救护车等) 支持虚拟警报器信号优先的能力。运用这些应用，紧急车辆可以比现在更快的 到达目的地。此外，电子车牌等应用可以简化交通监管，提高交通效率。但是这项应用不 能被滥用，必须清楚地强调安全需求并且需要为车辆通信制定相关法律。 7 二章v a n e t 简介 表2 - 1v a n e t 基本应用 应用类别情景目的应用实例 1 弯道提示；2 低桥提示；3 被毁交通灯提 1 危险路况示或被毁停止标志提示 1 道路状况汇报( 基于车辆) ；2 道路状况汇 报( 基于路边固定设施) ：3 前方路况汇报( 用 安全应用 2 异常交通及道路状况于提高能见度) ；4 前方工地汇报 1 盲区警报；2 变道警报；3 岔路口碰撞警 报；4 前端尾端碰撞警报：5 紧急电子刹车灯； 3 碰撞危险警报6 轨道碰撞警报；7 前方行人警报 4 事故发生情况1 碰撞前期感知 5 事故后期处理1 碰撞后期警报；2 抛锚警报；3 s o s 服务 1 前方急救车辆行驶汇报；2 急救车辆信号优 1 紧急事件响应先；3 急救车辆事故现场汇报 公共服务 1 电子牌照；2 电子执照；3 车辆安全检查； 2 支持权限4 丢失车辆追踪 1 高速公路汇聚口驾驶辅助；2 左转辅助；3 限 速控制；4 强光控制；5 车内信号提示；6 自 改善驾驶1 辅助驾驶适应传动管理 1 向控制中心汇报碰撞及路面状况；2 智能交 通流量控制；3 路径导航：4 地图下载更新； 2 交通效率 5 停泊点定位业务 1 无线检测、诊断t2 软件更新；3 安全召 1 车辆维护回通知；4 及时修复通知 2 移动业务 1 互联网业务；2 及时消息；3 关注点通告 商业娱乐 1 车队管理；2 车辆租用管理；3 区域入口 3 企业管理业务服务管理；4 有害货物托运追踪 4 电子支付 1 养路费支付；2 停车费支付；3 油费支付 2 2 3 改善驾驶应用 这一类别的应用是通过v a n e t 收集、发布、处理即时交通信息来改善和简化驾驶。这 既包括微观环境中个体车辆的驾驶行为辅助，也包括宏观网络中交通效率的提高。该应用 能够提供给驾驶员到达目的地的最佳道路选择或者合适的停车场所，这样就能降低道路的 拥塞，保持交通的顺畅，从而提高道路的容量，避免交通堵塞。 2 2 4 移动商务和娱乐应用 v a n e t 在商业和娱乐方面也有很大的应用潜力。对因特网的持续访问能力日益成为 大多数人的需求，再加上许多应用本身就要求对因特网的连接，因此，向车辆使用者以及 r 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章v a n e t 简介 其他的v a n e t 网络应用程序提供因特网连接服务是必要的。这也意味着通常的因特网业 务要能够在车辆网络中无缝地实现，而不需要重建。 此外，与车辆有关的自动化项目和支付功能已得到初步应用，e t c ( e l e c t r o n i ct o l l c o l l e c t i o n ) 收费系统是国际上努力发展并推广普及的一种用于公路，大桥等的电子自动收 费系统。e t c 系统采用多种技术手段使车道收费过程自动化。车辆通过收费口时，司机不 必停车交费，车载电子标签自动与安装在路侧或门架上的微波天线进行信息交换，中心控 制计算机根据存储在电子标签中的信息识别出道路使用者，然后自动从其账号中扣除道路 通行费。我国部分城市已经引进并运行了该系统。 2 3v a n e t 体系结构与相关标准 2 3 1v a n e t 架构与协议栈 车辆自组织网络体系中所涉及的网络节点包括车载通信装备( o n b o a r du n i t ，o b u ) 和 安装有传感器的路边固定设施单元( r o a d s i d eu n i t ，r s u ) 。如图2 1 所示，r s u 与o b u 相比除了具有基本通信功能外还拥有一定的管理功能并且通过基站或接入点接入后备网 络。车辆自组织网络系统包括车路( v e h i c u l a rt or o a d ，v 2 r ) 通信和车车( v e h i c u l a rt o v e h i c u l a r ，v 2 v ) 通信两种形式：车路通信是车辆与路边基础设施的通信，属于移动节点 与固定节点的通信，采用基于一跳的a dh o c 网络模型；车车通信是车辆间通信，采用基 于多跳的a dh o c 网络模型。两种通信方式被应用于不同领域。 9 图2 - 1v a n e t 网络架构 为了利于研究，对v a n e t 进行功能分层。参照a dh o c 网络的协议栈分层，可以将v a n e t 分为5 层，自顶向下分别为应用层、传输层、网络层、数据链路层( m a c ，l l c ) 和物理层6 1 。 曰日 图2 2v a n e t 网络协议栈 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章v a n e t 简介 啪：w a v em a n a g e m e n te n t i t y ，w a v e 管理实体 m l m e ：m a cs u b l a y e rm a n a g e m e n te n t i t y ，m a c 子层管理实体 p l m e ：p h y s i c a ll a y e rm a n a g e m e n te n t i t y ，物理层管理实体 w s m p ：w a v es h o r t - m e s s a g ep r o t o c o l ，w a v e 短消息协议 在此协议栈中，网络层支持i p v 6 、w s m p 协议，传输层采用t c p u d p 协议，这里主要 介绍位于v a n e t 网络底层的i e e e8 0 2 1 l p 协议和i e e e1 6 0 9 协议。 2 3 2i e e e8 0 2 1 1 a 协议的扩充：i e e e 8 0 2 11 p i e e e8 0 2 1lp 又称w a v e ( w i r e l e s sa c c e s si nt h ev e h i c u l a re n v i r o n m e n t ) ，是一个由i e e e 8 0 2 1 1 标准扩充的通讯协议。这个通讯协议主要用在车用电子的无线通信上。它是从i e e e 8 0 2 1 l a 扩充延伸，以符合智能交通系统的相关应用。应用的层面包括高速率的车辆之间 ( v 2 v ，v e h i c u l a rt ov e h i c u l a r ) 以及车辆与5 9 千兆赫( 5 8 5 5 9 2 5 千兆赫) 波段的标准i t s 路边基础设施之间的资料数据交换。i e e e1 6 0 9 标准则是以i e e e8 0 2 1 l p 通信协议为基础 的高层标准。目前，i e e e8 0 2 1 1 p 仍处于草案阶段，其最新版本为2 0 0 9 年1 0 月通过的d r a f t 9 0 版本，预计于2 0 1 0 年1 1 月正式向i e e e 大会上提交。 i e e e8 0 2 1 l p 标准的任务包括两点，第一，描述相关功能和业务，它们可以使支持 w a v e 通信技术的节点在快速变化的网络环境中运行并能在无需加入基本业务集( b a s i c s e r v i c es e t ，简称b s s ) 的情况下相互交换消息；第二，定义由i e e e8 0 2 1 1m a c 层控制 的w a v e 信令技术及接口功能。 由于i e e e8 0 2 1 1 是关于m a c 层和p h y 层的标准，因而i e e e8 0 2 1 l p 也仅对这两层 标准进行了部分修订。以下分别对修订内容进行介绍。 ( 1 ) 对m a c 层的修订 简单的说，i e e e8 0 2 1 1 关于m a c 层的描述主要是解决如何组织一组无线收发机以将 其建成一个合作组并对其进行维护。同一个组中的收发机相互间可以随意进行通信，但从 组外收到的帧全被过滤。这样一个组即为一个基本业务集( b a s i cs e r v i c es e t ，b s s ) 。常见 的b s s 包括一个接入点( a c e s sp o i n t ，a p ) 和数个收发机，b s s 机制负责控制对a p 资源 和业务的访问，并允许收发机滤出无关的传递。为了加入一个b s s ，收发机先侦听a p 发 来的信标，通过认证、联盟等步骤后最终加入该b s s 。一个b s s 由b s s i d 标识，该标识 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章v a n e t 简介 可以是a p 的m a c 地址。还有一种特殊的b s s i d 称为w i l d c a r db s s i d ，由全“1 ”标识。除 了这种b s s 外，i e e e8 0 2 1 1 还定义了a dh o c 模式下的独立b s s ( i n d e p e n d e n tb s s ，i b s s ) 。 然而这种i b s s 对于车载通信而言仍过于繁杂、开销太大。因而i e e e8 0 2 1 l p 对m a c 层 进行修订的核心目的是实现低开销的建立通信组，简化b s s 操作。其对m a c 层的修订主 要包括提出w a v e 模式，在w a v e 模式的基础上提出的w b s s ( w a v eb s s ) ，以及扩充 w i l d c a r d 的使用。 w a v e 模式 上述m a c 操作对于车载环境而言太耗时，安全应用需要即时的数据传递能力，不能 将时间花在信道扫描、多步握手等通信建立过程上。因而w a v e 模式