（计算机科学与技术专业论文）基于ieee+80211技术的公交车载网ap切换技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 无线公交车载网是一种特殊的无线车载网。当前，越来越多的人选择公交车 作为出行工具。公交车提供i n t e m e t 接入服务将极大的便利人们的生活。由于公交 车的运行特征使得目前的车载网技术对公交车通信不适用或不能高效适用。当前 尚未有专门针对公交车载网设计的网络架构。由于公交车载网将承载通过a p ( 接 入点，a c c e s sp o i n t s ) 连接的i n t e m e t 接入服务，切换问题因此成为公交车通信面 临的一个典型的问题之一。本文针对公交车的运行环境和特性以及通信特点提出 了适合公交车通信的网络架构和切换策略。本文研究将为公交车载网的实现提供 可能的具体的技术手段，对车载网技术的发展具有重要意义。 公交车载网具有一般无线车载网所不具有的特点，例如可预测移动性以及每 个站点存在一个或多个a p 供车辆通信等等，这些特点使得现有车载网架构未能很 好地满足公交车的通信要求。因此本文在对公交车载网的特点进行了充分分析的 基础上，提出了一种适合公交车通信的基于i e e e8 0 2 1 1 技术的公交车载网结构 b u s n e t 。该结构通过引入公交车控制器( b c ，b u sc o n t r o l l e r ) 简化传统切换流 程。其提出为优化公交车切换过程、提高网络性能奠定了基础。 根据公交车实际运行特性，公交站点根据容量大小可能存在单a p 或者多a p 部署的情况，所以公交车发生切换时可选择进行通信的a p 个数可以为单个或多 个。因此本文将切换场景分为单a p 站点和多a p 站点切换两种。在单a p 站点切 换时，本文提出了一种切换策略一s s h a n d o f f 。该策略通过预先查询下一a p 信息 的机制减少切换时间，提高切换效率。n s 2 上的模拟实验表明，该策略在切换时 间上的性能明显优于i e e e8 0 2 1l 切换技术，更适合作为单a p 站点的切换策略。 在多a p 站点切换场景下，公交车在一个站点内可通过连接单个a p 或者连接 多个a p 进行切换进而进行通信。对此，本文首先针对单a p 连接的情形提出了 s m h a n d o f f 策略及a p 选择算法b w t ；然后针对多a p 连接的情形提出了两种切 换策略m m h a n d o f f 和o m m h a n d o f f , 及其分别对应的a p 选择算法m b w t 和f w b 。模拟实验表明，s m h a n d o f r 策略和m m h a n d o f f 策略在保证系统吞吐率 最大的前提下，实现了更好的a p 负载均衡，适合通信量大、车辆到达时间相对集 中的站点。另外，o m m h a n d o f f 策略在保证系统公平性的前提下，实现了更好的 a p 负载均衡。o m m h a n d o f f 适合通信量大、车辆到达时间相对分散的站点。以 上策略将会为公交车载网在实际不同切换情形的切换操作提供有效的参考。 主题词：车载网，公交车通信，切换机制，a p 选择，负载均衡 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t w i r e l e s sp u b l i cb u sn e t w o r ki sak i n do fs p e c i a lw i r e l e s sv e h i c u l a rn e t w o r k s c u r r e n t l y ，m o r ea n dm o r ep e o p l ec h o o s eb u s e sa st h e i rc o m m o nt r a n s p o r t a t i o nt 0 0 1 p r o v i d i n gi n t e m e ts e r v i c e so nb u s e sw i l lg r e a t l yi m p r o v ep e o p l e sq u a l i t yo fl i f e d u et o t h eu n i q u em o b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c s ，e x i s t i n gv e h i c u l a rn e t w o r k st e c h n i q u e sa r en o t s u i t a b l eo re f f i c i e n tf o rb u sc o m m u n i c a t i o n a tt h ep r e s e n t ，t h e r ei s n tad e d i c a t e d a r c h i t e c t u r eo fb u sn e t w o r k s i na d d i t i o n ，f o rp u b l i cb u sn e t w o r ki sm a i n l yu s e dt o p r o v i d ei n t e m e ts e r v i c e sv i aa p s ( a c c e s sp o i n t s ) ，h a n d o f fi st ob eat y p i c a lp r o b l e mt o b e s o l v e df o rb u sc o m m u n i c a t i o n t l l i s p a p e rp r o p o s e s ap u b l i cb u sn e t w o r k a r c h i t e c t u r ea n ds e v e r a lh a n d o f fm e c h a n i s m sf o rb u sc o m m u n i c a t i o nb a s e do nt h e m o b i l i t ye n v i r o n m e n ta n dc o m m u n i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h ew o r ko ft h i sp a p e rw i l l p r o v i d eaf e wp r o b a b l es c h e m e sf o rt h er e a l i s t i cd e p l o y m e n to ft h eb u sn e t w o r k sa n d s i g n i f i c a n t l yp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fv e h i c l en e t w o r k s b u sn e t w o r k sh a v es o m ec h a r a c t e r i s t i c st h a tt r a d i t i o n a lv e h i c u l a rn e t w o r k sd on o t o w n ，s u c ha st h ep r e d i c t a b l em o v e m e n t sa n do n eo rm o r ea c c e s sp o i n t s ( a p s ) a te v e r y b u ss t a t i o nf o rb u s e st oc o m m u n i c a t ew i t ho t h e r s ，a n ds oo n t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sm a k e e x i s t i n gh a n d o f fm e c h a n i s m su n a b l et os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fb u sc o m m u n i c a t i o n h e n c e ，t h i sp a p e rf i r s t l yd e e p l ya n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fb u sn e t w o r k sa n dt h e n p r o p o s e sa l lb u sn e t w o r ka r c h i t e c t u r e _ b u s n e tf o rc o m m u n i c a t i o nb a s e do ni e e e 8 0 2 1 1 b u s n e ts i m p l i f i e st h et r a d i t i o n a lh a n d o f fp r o c e d u r eb yi n t r o d u c i n gab c ( b u s c o n t r o l l e r ) ，a n di sf u r t h e rc o n v e n i e n t l yu s e df o ro p t i m i z i n ga n dt h eh a n d o f fp r o c e d u r e s a n di m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r k a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lb u sm o b i l i t ys c e n a r i o s ，ab u ss t a t i o ns e t ss i n g l ea po r m u l t i p l ea p sb a s e do ni t sb u s e sc a p a c i t y ab u sc a ns e l e c to n eb u so raf e wb u s e st o c o m m u n i c a t ew i t ht oh a n d o f f h e n c e ，t h i ss t u d yt a k e st w os c e n a r i oc a s e si n t o c o n s i d e r a t i o n - - s i n g l ea pc a s ea n dm u l t i p l ea p sc a s e t l i sp a p e rf i r s t l yp r o p o s e sa h a n d o f fm e c h a n i s m - - s s h a n d o i j ff o rt h es i n g l ea pc a s e s s h a n d o f fc u t sd o w nt h e h a n d o f fd e l a ya n d i m p r o v e st h ee f f i c i e n c yb yp r e - c o l l e c tt h ei n f o r m a t i o no ft h en e x t 敲 s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t st h r o u g hn s 2s h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h es s h a n d o f ri s b e t t e rt h a nt h ei e e e8 0 2 1 1h a n d o f fm e c h a n i s mo nh a n d o f fd e l a y w i t ht h em u l t i p l ea p sc a s e ab u sc a nc o n n e c te i t h e ro n eb u so raf e wb u s e st od oa h a n d o f f h e n c e ，f o rt h i sc a s e ，t h i sp a p e rf i r s t l yp r o p o s e sas m - h a n d o f fm e c h a n i s ma n d b w ta p s e l e c t i o na l g o r i t h mu s e df o ro n ea pc o n n e c t i o n a n dt h e np r o p o s e st h eo t h e r t w oh a n d o f fm e c h a n i s m sc a l l e dm m h a n d o f fa n do m m h a n d o f rr e s p e c t i v e l ya n dt h e t w oc o r r e s p o n d i n ga p - s e l e c t i o na l g o r i t h m sm b w ta n do f w bf o raf e wa p c o n n e c t i o n s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa l s os h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h es m h a n d o f f a n dm m - h a n d o f fp e r f o r mw e l lo na p - l o a db a l a n c ew i t ht h es y s t e mt h r o u g h o u t 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 g u a r a n t e e d t h e s et w om e c h a n i s m sa r es u i t a b l ef o rs c e n a r i o si nw h i c ht h e r ea r el a r g e t r a f f i cf l o w sa n dn o td e n s e l ya r r i v i n gb u s e sf o rab u ss t a t i o n t h eo m m - h a n d o f f o b t a i n sb e t t e ra p l o a db a l a n c ep e r f o r m a n c e 、析吐lf a i r n e s sg u a r a n t e e d a l la b o v e s c h e m e sw i l lp r o v i d ee f f e c t i v eh a n d o f fc o n s i d e r a t i o nf o rt h ef u t u r ed e p l o y m e n to ft h e r e a l i s t i cp u b l i cb u sn e t w o r k si na c t u a ls c e n a r i o s k e yw o r d s ：v e h i c u l a rn e t w o r k ，b u sc o m m u n i c a t i o n ，h a n d o f fm e c h a n i s m a ps e l e c t i o n 。i o a db a l a n c e 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表3 1 符号定义3 3 表3 2 消息定义3 5 表3 3b w t 算法4 4 表4 1m b w t 算法5 0 表4 2o f w b 算法5 5 表5 1 主要实验参数6 0 表5 2p r o b e r e q 消息的结构体6 1 表5 3p r o b e r e s 消息的结构体6 2 表5 4h d o f f n o t i f y 消息的结构体6 2 表5 5h d o f f m s g 消息的结构体6 2 表5 6h d o f f a c k 消息的结构体6 3 表5 7c a n s w e r 消息的结构体6 3 表5 8b a n s w e r 消息的结构体6 3 表5 9 实验中主要函数6 3 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 。5 图3 6 图3 7 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图目录 车载网组成示意图2 c 网络应用场景5 r v c 网络应用场景5 r v c 公交车载网实现的功能1 4 基于蜂窝网络的公交车载网示意图1 6 基于i e e e8 0 2 1 1 的公交车载网示意图1 7 混合型公交车载网示意图l8 蜂窝网络局内切换流程图2 1 蜂窝网络域间切换流程图2 2 i e e e8 0 2 1 1 b 切换流程2 4 i e e e8 0 2 1 1a p 选择过程流程图2 6 b u s n e t 架构31 b ci nb u s 3 2 公交车载网的首次接入3 5 切换的触发3 8 s s h a n d o f f 流程图4 0 s m h a n d o f f 流程图4 1 s m h a n d o f f 实例4 3 m m h a n d o f f 切换流程4 7 m m h a n d o f f 实例4 8 o m m h a n d o f f 切换流程5 2 o m m h a n d o f f 实例5 3 n s 2 结构图5 9 实验组成模块示意图5 9 实验场景6 0 s s h a n d o f f 切换时间6 4 s m h a n d o f f 的a p 负载情况6 5 s m h a n d o f f 系统吞吐率6 5 m m h a n d o f f 的a p 负载情况6 7 m m h a n d o f f 系统吞吐率6 7 第1 v 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n ；b p 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：基王! 堡呈垦墨q 2 ：! ! 技苤鲍金塞主戴圆缱翅携技盔珏盔 学位论文作者签名：耋j 逝盎! 日期：多弦罗年，月，7 日 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。) 学位论文作者签名：到盏盂 作者指导教师签名：一 日期：砌7 年1 1 月7 日 日期：抽? 年i 、月f 毋日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 随着计算机技术的飞速发展和人们出行的需要，智能交通系统i t s ( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r ts y s t e m s ) 越来越受到人们的重视，成为学术界和工业界越来越关心的领 域。所谓智能交通即是通过运用现有的无线技术如i e e e8 0 2 1 1 和蜂窝网等技术在 交通运输业中开拓更大应用空间，以提高交通运行效率、改善交通环境、降低运 营成本以及便利人们生活。作为智能交通重要基础之一的车载网( v e h i c u l a r n e t w o r k s ) 就是在这种需求背景下提出来的。 车载网依靠无线通信技术实现车辆之间的互连以及车辆与路边固定设施之间 的互连进而实现进行车辆之间的协作、路况信息的共享等功能。车载网的发展对 智能交通、网络通信都有积极的推动作用。车载网可以实现安全信息服务( s a f e t y s e r v i c e s ) ，包括安全事故预警、扩展驾驶员视野、实时获得路况信息、协调车辆之 间的驾驶。通过车载网和i n t e m e t 的互连，可以进行辅助驾驶服务( a s s i s t a n c e s e r v i c e s ) ，例如天气道路查询，加油站信息查询，以及自动收费，车辆追踪等服 务。另外，车载网还可以为用户提供一些增值服务( v a l u ea d d e ds e r v i c e s ) 以方便 乘客和驾驶员的娱乐消遣，例如收发e r n a i l ，w e b 浏览，观看网络视频等。而在 军事应用领域，现代化战场上的各种作战车辆之间、士兵之间、士兵与军事车辆 之间都需要在动态变化的战场条件下保持密切的联系，以完成指挥、部署和协调 作战，车载网通信无需架设专用的网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点正符 合该要求。军需物流车队在实施物料供给时，也可以通过车载网技术与路边固定 基站进行联系以方便协调和组织。 公共汽车( p u b h cb u s e s ) 是一种特殊的车辆。在一些大城市，每天都会有数 百万人乘坐公交车出行。乘客往往会耗时十几分钟甚至几个小时在公交车上。公 交车司机在行驶中可以利用无线技术享受安全驾驶等服务。如果通过无线网络为 乘客提供高速i n t e m e t 接入服务，乘客只需要携带自己的各种移动终端( 如p d a 、 手机、笔记本电脑等) 就可以浏览新闻，查收邮件，进行网络游戏等消遣娱乐。 极大的方便了乘客出行，提高了乘客生活质量。 目前，尽管蜂窝网络技术( c e l l u l a rn e t w o r k i n gt e c h n o l o g i e s ) ，例如2 5 g 3 g 已经能够为用户提供i n t e m e t 接入服务，但是基于i e e e8 0 2 1 1 技术的车载网仍然 有其生存空间和竞争优势。首先是网络建设费用较低，与动辄数百万的蜂窝网基 站建设费用相比，a p 的价格仅为几百元。其次i e e e8 0 2 11 技术一直处于不断发 展和进步之中，可以提供比蜂窝网络更高的服务带宽。最后i e e e8 0 2 1 1 技术使用 的是免费的i s m 频段( 应用于i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i c ，m e d i c a l ) ，而使用蜂窝网的频 段必须向运营商支付一定的费用。因此，i e e e8 0 2 1 1 技术为无线车载网提供了另 第l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 外一种吸引人的选择。i e e e8 0 21 l 技术通过部署在道路旁边的接入点a p ( a c c e s s p o i n t ) 来提供i n t e m e t 接入服务。利用i e e e8 0 21 1 技术为车辆以及行人提供各种 服务是目前的研究热点i l ”。然而公交车辆在运行过程中具有自己的特点且目前研 究较少。因此，为了便利人们的生活，为了推动车载网的发展，基于i e e e8 0 21 1 技术结和公交车特点构建一种高效的无线公交车载网具有极其重要的意义。车载 网的组成部分主要有路边接入点a p 、车辆、i n t e r n e t 接入接口等，如图11 所示。 图1 1 车载网组成示意图 研究目的及意义 随着中国经济的飞速发展，广大人民的生活水平也不断提高。中国城市化进 程力快，城市人口不断增长，城市交通面临前所未有的挑战。经济增长和国民人 均收入的提高，以及汽车工业的发展和汽车价格的下调都刺激着人们购买汽车的 欲望。机动车数量激增导致对道路、停车场所等交通基础设施的需求增长。交通 需求增长和相对有限交通容量之间的矛盾显得日益突出和尖锐。在过去的二十多 年中，我国城市公共交通有了很大的进展，9 3 的城市有了公共交通网络。尽管如 此，城市对公共交通服务的需求量也在以每年约舷的幅度增长。如今，在我国大 中型城市已随处可见车水马龙的景象，甚至在一些特大型城市，“堵车”已成为 广大有车一族日常生活中每天都要遇到的事情。日益增长的汽车消费为节能减排、 构建集约型社会的可持续发展目标的实现带来了巨大压力。因此，国家和各大城 市都在大力发展公共交通事业。少数城市加快轻轨、地铁建设的同时，几乎每个 城市都在积极发展公交车事业。例如增加线路和车辆，划定公交车专用道路，降 低市民乘车成本增加公交车服务内容。以此来吸引更多的人选择公交车作为出 行的首选交通工具。 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 公交车载网技术主要应用于智能公交系统a p t s ( a d v a n c e dp u b l i c t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ) 中。智能公交系统是伴随着i t s ( i n t c l l i g e mt r a n s p o r t s y s t e m s ) 的发展而兴起的。中国智能交通协会对i t s 的定义是：将先进的信息技 术、数据通信传输技术、电子控制技术以及计算机处理技术与先进的行政管理手 段结合起来，使其有效地综合运用于交通运输的服务、控制和管理。其目的是使 人、车、路密切配合，和谐统一。i t s 可以极大地提高交通运输效率，保障交通安 全，改善环境质量和提高能源利用率。 选择公交车作为首选出行工具不但是国家和政府所提倡的，也是越来越多的 人的真实想法。那么乘客如果可以在公交车上移动接入i n t e r n e t ，将会极大的便利 人们的生活。公交车的通信也可以推动i t s 的发展，可以监测交通状况、发送交 通预警信息，实现智能交通。在这种情况下，公交车接入i n t e m e t 的研究和应用就 应运而生了。 当前，公交车通信面临着一些问题。公交车自身的特点带来了对传统车载网 结构的挑战。公交车存在行驶线路固定、在固定地点停留、车上乘客同时访问 i n t e m e t 实现不同的服务、部分乘客的乘坐时间和网络行为存在规律性等特点。需 要针对这些公交车独有的移动特性和运行环境来设计新的网络架构。传统车载网 的研究近几年来已经取得了巨大的成果。各种网络通信协议和策略被陆续提出来 以改进网络性能，更好地支持各种网络服务。但是，因为公交车的移动特性和运 行环境，传统车载网的一些通信协议对公交车载网并不适用。特别是在提供i n t e m e t 接入服务方面。为了更好地满足公交车上乘客的业务q o s 需求( 例如，时延和带 宽要求) ，减少公交车上大量乘客带来的访问冲突，开发利用公交车的移动特性， 我们有必要设计一种高效的无线公交车载网结构。其设计目标是提供高效服务的 网络结构，并在该结构基础之上解决网络中的一些通信问题。具体来说，主要包 括： ( 1 ) 提出满足各种服务的公交车载网框架。该框架的各个部分应能方便地完 成公交车信息控制与分发，口地址分配等工作。通过这些功能部件，每辆公交车 能够方便地获得自己移动线路上的各个a p 的地址、使用信道、位置信息等。 ( 2 ) 基于提出的网络结构，对通信协议进行研究以提高网络性能。为了增强 通信性能，减少通信时断时连的不稳定性，公交车的切换问题就显得格外重要。 特别是公交车运行特点和通信环境等因素为切换工作的开展带来了挑战和机遇。 充分利用公交车的可预测移动性、网络动态特性开发减少切换开销的高效切换策 略是重点要考虑的内容。切换策略要包括可靠的切换流程和合理的a p 选择算法。 本项研究构建了适合于公交车通信的网络结构以及切换策略。其意义在于： 可以更好地支持公交车上的乘客进行通信，改善公交车载网的性能；促进智能交 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 通的发展，缓解城市交通压力；减少空气污染实现节能减排，提高人们的生活质 量。此外，无线公交车载网的研究对于车载网的发展、智能交通系统的建设具有 十分重要的意义，对网络技术的发展也起到了积极的推动作用。 1 2 车载网的研究及应用现状 车载网的研究伴随无线网络技术的发展已有2 0 多年。无论从车载网通信结构 还是各种具体的通信协议都已经出现众多研究成果，本节主要介绍车载载网络的 研究及应用现状。 1 2 1车载网的研究现状 目前，专门针对公交车载网的研究还为数不多。少数涉及到公交车的车载网 也是将公交车看作单独的网络节点进行测试实验。其中，文献 6 提出了一种利用 公交车线路之间的接触时间( c o n t a c tt i m e ) 而非公交车接触时间的车辆间通信的路 由协议。显然这种路由策略并不能支持一些时延受限的业务。x i a o l a nz h a n g t7 j 通过 分析公交车线路级的接触间隔时间得到一种公交车移动模型，并使用其对路由性 能进行了分析。另外，a 九l l l a 【8 】利用u m a s sd i e s e l n e t 测试床对所提出的支持w e b 搜索的结构进行了验证。 除了公交车外，列车网络也开始受到研究者的关注。其中，w i f i lr a i l 【9 j 刚刚 已经被成功测试通过。该系统包含多个i e e e8 0 2 1l ga p s ，单工光纤，太阳能系统， 车内装置以及各种软件系统。但是该系统目前还未真正部署，而且其使用代价可 能也比较高昂。 公交车载网的研究是以车载网的研究为基础的，下面我们详细介绍当前车载 网的研究现状。 1 2 1 1 车载网通信系统结构 公交车载网是无线车载网的一种，是将无线通信技术应用到公交车上，以方便 乘客或利于公交管理者有效实施的一种网络技术。车载网技术可实现事故告警、 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。无线车载 网可分为i n t e r v e h i c l ec o m m u n i c a t i o n ( i v c ) 和r o a d v e h i c l ei n f r a s t r u c t u r e c o m m u n i c a t i o n ( r v c ) 以及混合型网络。i v c 不需要添加其它基础设施，利用车 辆自身携带的无线模块，直接与其它车辆通信。r v c 则是车辆与路边的无线接入 1 w i - - f i ( w i r c l e s s f i d e l i t y ，无线相容性认证) 实际是对产品是否符合i e e e8 0 2 1 l a b 悟标准的一种认证，该 认证由厂商自发组成的非赢利性组织w i f i 联盟实施，所以通常w i - f i 技术即是指i e e e8 0 2 1 l a b g 标准。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 点等基础设施通信( r s u ，r o a ds i d eu n i t ) ，以达到组网或者接入i n t e m e t 的目的。 而且也可以同时结合两种网络考虑问题一即混合型车载网，二者可以起到互相补 充的作用。本文的研究即是基于r v c 网络的。i v c 和r v c 网络的应用场景如图 1 2 和图1 3 所示。 ， 图1 2i v c 网络应用场景 图1 3r v c 网络应用场景 i v c 网络可以为车辆提供车辆间的交通信息交换、娱乐等功能。值得一提的 是i v c 网络在紧急避险中的应用。预防车辆碰撞，避免交通事故关键是要确保车 辆间的安全通信。由于前方车辆出现急刹、抛锚甚至肇事等危险，后方车辆来不 及躲避而发生连环追尾的事故在国道、高速公路上屡见不鲜。异常车辆发出的预 警信息如果能够快速、可靠地传播给后方车辆，就可以提醒驾驶员及早做出反应， 采取相应的措施。发生或者发现事故的车辆通过基于一定机制的通信( 如广播) 通知到后续到达的车辆，可以有效地避免以上事故的发生。关于c 网络间的路 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 由机制、消息格式等研究，近年来取得了长足的进步。i v c 网络实质上是移动 a d h o c 网络( m a n e t ，m o b i l ea dh o cn e t w o r k i n g ) 的一种形式，它具有以下特点： ( 1 ) 节点具有无中心网络的自组织性： ( 2 ) 网络拓扑结构动态变化的不可预测性； ( 3 ) “单跳”，“多跳 共存的组网方式； ( 4 ) 可预测的高速移动能够优化系统； ( 5 ) 动态的、快速变化的拓扑结构( 由于高速移动性) ； ( 6 ) 固有的大规模性。 r v c 网络更加适合提供车辆与道路旁基础设施进行通信接入骨干网或者 i n t e r n e t 的服务。可以在高速公路、城市主干道或者公交沿线布置b s ( b a s i cs t a t i o n ， 如a p 、蜂窝网基站) ，为沿线车辆提供i n t e r a c t 接入服务。现在的星巴克咖啡厅、 肯德基快餐店或者许多机场都提供了所谓的“热点”接入服务。实际上这些网络 都和r v c 网络采用相同的结构，只不过移动的车辆换成了固定不动的用户而己。 许多城市甚至提出了建设“无线城市 的计划，个别城市( 如上海、武汉、扬州) 已经小范围的实现了i e e e8 0 2 1 1 网络覆盖。r v c 车载网属于移动无线通信网络 的一种应用，通常有如下特点： ( 1 ) 通过b s “单跳”接入，移动终端没有路由功能，且不能相互直接通信； ( 2 ) 网络拓扑结构相对稳定； ( 3 ) 节点频繁进行b s 间的切换； ( 4 ) 存在隧道等b s 的信号覆盖不到的情况。 1 9 9 9 年1 0 月，美国联邦通信委员会分配7 5 m h z ( 5 8 5 5 9 2 5 g h z ) 带宽作为 美国免费短距离通信频段【l o 】。免费频段加上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互连提供了基础条件；同时，蜂窝网技术的发展和i e e e 8 0 2 1 1 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提供了技术保 障。由车与车之间互联和车与路之间互联为基本体系结构构成的车辆网络成为了 未来信息化公路的重要要素之一。 最早关于车辆之间直接通信的研究始于上世纪八十年代初的日本。c a l i f o r n i a p a t h 1 1 】和c h a u f f e u ro f e u 1 2 】取得了著名的研究成果一车辆排列系统：在随后的上 世纪九十年代和本世纪初，日本的协同驾驶系统展示了c 的另外一个重要应用 【1 3 】。近几年，车辆之间关于交通事故、紧急情况和交通堵塞信息的通信逐渐成为 i v c 的一个重要应用1 4 1 。项目e u r o p e a np r o j e c tc a r t a l k 2 0 0 0 1 5 1 研究的重点是基于 安全可靠的i v c 以及舒适驾驶的相关问题。此项目将i v c 与r v c 结合，设计和测 试协同驾驶帮助系统，其中的r v c 是车辆访问固定网络的手段【1 6 1 ；同时，该项目 也与g e r m a nf l e e n e t 1 7 】合作来研究i v c 技术。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 以上项目中车载网的设计和实现主要针对某一种或某几种应用的需求。各项 目的研究工作主要集中在无线频谱的选择和有效使用、无线信道的接入技术、信 息传播路由技术以及针对各类业务的应用功能。经过2 0 多年的研究工作，目前在 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所面临的 问题已经取得了实质性的进展。而在网络层及应用层中的研究随着无线技术和无 线自组网的不断发展仍处在探索和争论阶段。 以上几种车辆通信结构主要是用于安全业务和辅助驾驶业务的满足。近几年 来，随着i n t e m e t 业务的多样化以及i n t e m e t 骨干网技术的快速发展，利用车辆与 a p 连接进而访问i n t e m e t 的需求也越来越普遍。一些通过开放式a p 为移动车辆提 供i n t e m e t 连接的车载网测试床已经涌现出来u , 2 a 8 - 2 0 。他们都只用于车辆驶过一些 独立的热点区域( h o ts p o t ) 时提供i n t e r n e t 连接。其中，d r i v e t h r u ，c a r t e l l 2 】， v a n l a n t l 8 】和c a r b e m e t b 9 】都属于为在城市环境下运行的车辆( 此时，车辆会频繁 连接a p ) 提供服务的平台。他们的关注重点在于为目前的一些主要应用( 例如， w e b 查询) 提供车路连接性。u m a s s 大学的d i e s e l n e t t 2 0 】是一种延迟容忍网络( d t n ， d e l a y - t o l e r a n tn e t w o r k ) 平台。该网络运行在4 0 辆巴士之上，部署在郊区而且车辆 和a p 之间的间隔相遇时间( i n t e r - m e e t i n gt i m e ) 为几分钟。该网络主要侧重于车 车之间的连接性。尽管这些系统部署代价不高，但他们却都无法提供连续性的 i n t e m e t 接入服务。 1 2 1 2 车载网m a c 协议研究 车辆网络的通信特征对车辆通信系统的设计带来很多的挑战和要求。目前， 车载网m a c 设计主要结合i v c 和r v c 网络的特点进行。目标是满足网络通信需 求( s e r v i c e sd i f f e r e n t i a t i o n ) ，达到较高的网络性能( d e l a y , t h r o u g h p u t , s c a l a b i l i t y , f a i m e s s c h a n n e lu t i l i z a t i o n ) 。具体来看，目前主要的m a c 协议按照接入方式包括 以下几类： ( 1 ) 基于i e e e8 0 2 1 l p 协议。适合于i v c 和r v c 的m a c 协议。m e e8 0 2 1 1 p 是i e e e 工作组针对车载通信专门开发的一套协议( 该协议尚未定稿) 。它将一段 位于5 9 g h z 免费频段的频宽为7 5 h z 的通信频段作为车辆通信的专门短程通信范 围( d s r c ，d e l i c a t es h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n ) 。在这一频段上分为7 个信道， 其中有一个为专门用于s a f e t ys e r v i c e 的控制信道，其余6 个为n o n s a f e t ys e r v i c e 的 服务信道。i e e e8 0 2 1 1 p 实际上是基于i e e e8 0 2 1l b 的竞争机制和i e e e8 0 2 1 1 e 的服务区分机制发展起来的。这类协议已经有很多变种协议：v m e s h l 2 2 1 ，s s m 2 3 j ， m i l i t a r yi v c 2 4 1 ，v c w c l 2 5 1 ，a p p m a c t 2 6 1 ，an e wm a c 2 7 】，am o d i f i e d8 0 2 11 b a s e d m a c l 2 8 1 。 ( 2 ) 基于动态预约的t d m