车载自组网关键技术综述

摘要车载自组织网络(VANET：vehicularadhocnetworks)是由车载节点、路边通信基本设施和服务器构成自组织无线多跳网络。与老式基本设施网络相比，车载自组织网络具备成本低、容易布置和操作优势。此外从技术角度来看，车载自组织网络可以以便地为临近车辆建立实时或者非实时短距离通信。车载自组网可以通过车辆信息（如车速、位置和方向等）以及路况信息（如拥塞状况、交通批示灯信息和道路实时状态等）交互，提高车辆通行效率及安全性。车载自组网重要应用于智能交通系统中安全预警、协助驾驶、分布式交通信息发布、基于通信车辆控制及办公与娱乐化等方面。本文重要从车载自组织网络背景、构造简介、重难点和研究现状以及应用领域对VANET进行综述。核心词：VANET车载通信路由合同目录TOC\o"3-3"\h\z\t"1级标题,1,二级标题,2,3级标题,3"一、背景及意义 41.1研究背景 41.1.1国际动态 41.1.2国内动态 41.2研究意义 41.2.1减少事故率 41.2.2提高交通系统效率 41.2.3开发跨领域应用 4二、网络构造与通信方式 52.1车载自组网络构造 52.2车载自组网通信方式 5三、路由合同[5] 63.1单播路由合同 73.1.1平面路由合同 73.1.2基于分簇路由合同 73.2广播路由合同 83.3地理组播路由合同 83.4路由合同小结 8四、车载自组织网络有关技术[7] 84.1物理层原则 84.2MAC层[9] 9五、车载自组网络特点及研究难点 105.1车载自组网特点 105.1.1长处 105.1.2缺陷 105.2研究难点 11六、应用领域[10] 116.1积极安全应用 126.2公共安全应用 126.3改进驾驶应用 126.4电子商务与移动娱乐应用 12七、结语 13八、参照文献 13背景及意义研究背景随着机动车广泛发展，车联网发展迅速。其中，作为车联网一种分支，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密切关注。国际动态,美国联邦通信委员会专门为车辆间通信划分了一种专用频段。在该年汽车通信原则化会议上，各国专家提出车用自组织网络技术有望将交通事故带来损失减少50％。~，MobiCom专门召开了3次专项研讨会讨论VANET。,欧洲成立了车辆间通信联盟(Car2Carcommunicationconsortium)。日本也通过了两个车辆间通信原则。详细研究项目有欧洲多国合伙开展Fleenet项目、德国“NetworkonWheels”、日本JSK领导“AssociationofElectronicTechnologyforAutomobileTrafficandDriving”，“GroupCooperativeDriving”、美国VII、美国马里兰州立大学TrafficView项目、法国各种研究机构合伙开展CIVIC等。国内动态在国内，某些研究机构和大学对车载自组网MAC合同进行了研究，但是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合同BR-TDMA,该合同采用分布式控制，支持分组突发业务和资源预留实时业务，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用于自组网车载通信系统MAC合同CCR-ALOHA。该合同采用竞争与预约相结合分派方式，并将用于预约控制时隙和业务时隙相分离，可以提供可靠单跳广播信道和高效多跳广播服务，平时分组时延较小，具备较好可扩展性。当前，VANET研究重要涉及网络架构，\o"物理层"物理层技术，\o"媒体"媒体访问\o"机制"机制，路由合同，安全技术等。研究意义减少事故率车载自组网通过提供车辆之间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，使司机可以在超视距范畴捏获得其她车辆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（如交通拥塞状况、交通批示灯信息和道路实时状态等）交互，提高车辆通行效率及安全性[1]。提高交通系统效率随着车载自组织网络发展，越来越多车辆会具备通信和信息解决能力，这使分布式交通控制成为也许。车辆可以通过度布式协调、同步等，实现对道路资源合理分派，从而控制车辆安全、高效地行驶，大大推动智能交通系统发展［2］。开发跨领域应用当前,商业与娱乐是无线通信应用最多领域,该领域应用关注客户消息传播、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、停车收费或道路不断车收费等。网络构造与通信方式车载自组网络构造车载自组网构成某些：车、设施（涉及路边基站、信号灯等）、卫星（提供GPS定位服务）、互联网（实现布置功能）等。图1显示了车载自组网模型示意[3]：图SEQ图\*ARABIC1：车载网络构造图 卫星通信系统分别为车载自组网提供全球定位服务(GPS，globalpositioningsystem)和数字多媒体服务(DMB，digitalmultimediabroad—casting)。车与车通信使车辆之间可以通过多跳方式进行自动互联，这好比车与车之间可以像人同样互相交谈，起到提高车辆运营安全和疏导交通流量等作用。车载自组网除了可以单独组网实现局部通信外，还可以通过路灯、加油站等作为接入点网关(gateway)，连接到其她固定或移动通信网络上，提供更为丰富娱乐、车内办公等服务。 VANET网络也许被通信运营商、内容服务商、政府机构布置，或者由她们联合布置，构成一种混合架构无线通信网络。依照欧洲车载通信联盟（C2C-CC）定义，VANET架构已被拓展到更广泛范畴，分为车内通信（In-vehicledomain）、车间通信（Ad-hocdomain）和车路通信（Infrastructuredomain）三个域。车内通信（In-vehicle）是车载单元（OBU）与顾客终端之间通信，顾客终端可以是某种详细设备，也可以是集成于OBU虚拟模块，连接方式可以有线或无线。车间通信（Ad-hocdomain）涉及OBU之间通信（V2V）以及OBU与RSU之间通信（V2R），通信方式可以是单跳也可以是多跳。车路通信（Infrastructuredomain）是OBU、RSU与基本设施之间通信，如Satellite、HotSpot、3G、4G等，完毕接入互联网功能。对于RSU来说，连接可以是有线。车载自组网通信方式车载自组网是运营于道路上新型移动无线自组织网络，可以实现车与车（V2V，vehicletovehicle）和车与设施（V2R，vehicletoroadsidefacilities）间单跳或多跳无线通信。车载自组网基本思想是车辆与车辆或车辆与外界在一定通信范畴内信息交互。如图2所示，车辆在建立连接后，会自组织建立起一种暂时移动通信网络。其中，车载终端设备既作为信息采集节点，又作为信息转发节点，即中继节点，将其她车辆传播过来信息以多跳方式传播至后续车辆节点或者路边信息手机设备。普通, 由于采用802.11系列合同，单个车辆节点单跳范畴只有几百米，可以看作一种移动WLAN网络[4]。图SEQ图\*ARABIC2：两种通信方式路由合同[5]车载自组网路由合同研究是个热门课题。由于车载自组网网络拓扑变化频繁、链路不稳定，路由技术是车载自组网技术重大挑战之一。诸多研究机构和公司对车载自组网路由算法进行了研究，并提出了许多车载自组网路由合同算法。这些算法大某些来自于移动自组网路由算法，但是又较好地解决了移动自组网路由算法无法合用于车载环境下缺陷。 路由合同是两个通信实体间进行通信和信息交流原则。它分为路由建立、路由选取和路由维护三个某些。路由建立是指依照网络和节点信息而生成路由途径；路由选取是依照需求和算法对已建立路由进行选取；路由维护是指对选定路由途径进行维护，在发生途径断裂状况下，采用一定恢复方略进行路由恢复。路由选取算法是为转发节点寻找下一转发途径，成功将消息发送到目节点。它分为两个环节：第一，为源节点选取到达目节点途径，在不同节点运营路由选取算法并在节点间互换信息；第二，将消息发送到目节点，消息涉及每个节点存储路由表和路由表动态更新。抱负路由算法应当具备精确、简朴、自适应和最优特点。 总来说，车载自组网路由合同算法普通分为三种：单播路由算法、广播路由算法和地理组播路由算法。其中单播路由算法是车载自组网路由合同算法中重要构成某些，它是端到端路由，也就是点对点路由。它是以研究数据包如何从源节点到达目节点为目。本文着重简介单播路由算法，单播路由算法应用前景十分广泛。广播路由算法是一对多路由，源节点周边都是目节点，源节点需要把数据包传播到周边所有节点。地理组播路由算法是将一定区域所有节点作为目节点，源节点需要将信息传播到一定区域内所有节点，这个区域称之为有关区域。单播路由合同单播路由合同可分为基于拓扑路由合同、基于地理位置路由合同和基于分簇路由合同三种。如果单播路由合同依照与否分级来分，可以分为平面路由合同和基于分簇路由合同。平面路由合同重要思想是车载自组网中节点没有进行分级，节点间是平等，任何节点之间都可以直接互相通信。平面路由合同依照与否需要节点位置信息来选取路由途径来分，可以分为基于拓扑路由合同和基于地理位置路由合同两种。基于拓扑路由合同重要思想是依照网络拓扑构造和链路信息来做出路由规划，并不需要节点自身位置信息和移动速度信息。而基于地理位置路由合同则不需要路由表或存储途径，而是充分运用定位服务获得位置信息和速度信息，为数据转发选出更好更有效路由途径。这种路由合同可以更好适应网络大小和拓扑构造变化。基于分簇路由合同将节点分级节点分为簇首节点、普通节点和网关节点。在簇内，普通节点只能与簇首节点进行通信，而簇与簇之间是通过网关节点来通信。基于分簇路由合同浮现重要是为了充分运用网络带宽，并且可以适应网络大规模化。平面路由合同平面路由合同分为基于拓扑路由算法和基于地理位置路由算法。由于车载自组网可以看作是一种极其特殊移动自组网，因而移动自组网路由算法也可以应用到车载自组网上。而基于拓扑路由算法恰恰是从移动自组网基于拓扑路由算法中演变过来。详细有PRAODV算法、DAODV算法、PAODV算法、VPRP算法、ROMSGP算法。当前，基于拓扑路由算法重要是依照典型基于拓扑路由算法和进行改进。由于定位系统普及，每个车辆节点都装有，可以获得节点位置和速度方向信息。在车载自组网中，车辆节点依照获得地理位置信息进行路由规划。由于基于地理位置路由算法在无线传感网络和移动自组网中都体现较好，研究机构开始将它应用到车载自组网中，徐徐地成为了车载自组网主流路由算法，甚至于在基于拓扑路由算法中都引入了位置和速度方向信息。详细有基于地理位置贪婪路由算法GPSR、延时容忍路由算法、服务质量路由算法。基于分簇路由合同与平面路由算法不同，基于分簇路由算法能适应网络大规模性，可以减少车载自组网控制开销，具备较好发展前景。但是车载自组网中节点移动速度快，对簇形成和维护提出更高规定。因而如何将一群节点构成一种个簇，设计出能适应车载自组网高移动性分簇算法是核心。如图3所示，它显示了基于分簇路由合同基本构造。其中，较大车作为簇头节点，其她车辆为普通节点。图SEQ图\*ARABIC3：基于分簇路由合同基本构造广播路由合同在车载自组网中，有时候必要要用到广播路由合同。它是车载自组网中基本操作，通过广播形式将信息传播到其她所有节点，例如交通状况，天气状况和广告等信息。在单播路由合同中，有也需要用广播来传送路由控制信息。在车载自组网中，运用广播方式来传播信息最重要是目节点位置信息传递。最简朴广播方式是采用泛洪，即每个节点收到广播信息后再将其传播给它所有邻居节点，除了发送给它广播信息那个节点。洪泛方式能保证每个节点都收到广播信息，但是不可避免地会带来信道冲突、广播风暴和很高开销，故而泛洪方式只适合于小规模车载自组网。地理组播路由合同Geocast路由合同[6]是一种基于位置组播路由合同，它把数据包从源节点传送到某个特定地理区域内节点集。在车载自组网中，诸多应用都需要这种位置辅助组播路由，特别是在交通安全领域，当某车辆节点发生交通事故时，该算法将在区域内发出事故警报，提示该区域车辆节点不要接近事故发生地，以免导致连环事故和交通堵塞。而不必要告知区域之外车辆节点，就不需要收到该组播信息。在此路由算法中，只要车辆节点进入区域，就意味着它加入了组播组。同理，一旦驶出该区域，则表达它退出了组播组。多数位置辅助组播路由都是通过定向泛洪发送组播信息，即通过定义转发区域和限制转发区域内泛洪传播，用来减少由于泛洪引起控制开销和信道冲突。尚有一种解决办法是通过单播路由把数据包传送到目的区域，而在目的区域内再使用泛洪方式。路由合同小结在车载自组网中，路由合同是核心技术之一。通过对各种路由合同分析，发现设计出一种万能路由合同是不实际。在不同应用环境下，需要不同车载自组网路由合同。对于大规模性车载自组网，网络动态变化频繁，它合同要可以对拓扑变化具备高度适应性，并且具备良好可扩展性。对于节点移动速度快，对时延规定较高车载自组网，它合同必要要保证低时延。因此，依照详细应用环境，构造出适合路由合同才是车载自组网路由合同设计核心，也是难点。随着设备普及，车辆节点都可以获得自己位置信息和移动速度信息，因此当前合同都将位置信息和移动速度信息作为下一跳选取度量因素，基于地理位置路由算法成为了车载自组网路由合同主流。车载自组网路由合同研究还在发展中，随着研究进一步，更多路由算法被提出，更多解决方案被实现。车载自组织网络有关技术[7]物理层原则车载自组网络节点在高速移动中进行通信,因此需要一种稳健频道以及良好信号,以适应车载自组网需求可以支持高速率传播以及多跳传播,保证明时信息、地传送对于信号延迟要减少到最小,并且要保证信息传送实时性必要与链路层一合同接口匹配。当前世界上应用于车载网物理技术重要有:802.11b（Wi-Fi:无线保真技术）和UTRA-TDD（TD-CDMA：时分码分多址技术）。相比之下，802.11b应用比较简朴、价格便宜,但是性能上要远逊于UTRA-TDD。参数比较如表1[8]。表SEQ表\*ARABIC1：802.11b和UTRA-TDD对比示意图国内普通使用GSM移动通信技术,A-GSM是公司资助研究支持自组织技术移动通信技术,重要针对GSM系统中移动台中继技术进行研究,以此来增大GSM网络覆盖半径。因此GSM技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DSRC原则（DedicatedShortRangeCommunication：专用短距离通信技术），，美国FCC专门为车载网系统通信分派了75MHz信道。MAC层[9]MAC层向网络中节点提供了物理寻址和信道接入控制，为上层提供迅速、可靠报文传播支持。特别在无线网络中，MAC合同能否有效地运用无线信道有限带宽，将对无线网络性能起着决定性作用。对于VANET，MAC层除了考虑接入公平性、隐藏终端、暴露终端等AdHoc网络普遍问题外，还需考虑如下特殊因素：移动自适应拓扑变化、不同类别应用优先级、低传播延时、可靠传播等。初期关于VANETMAC层合同研究重要基于对老式AdHoc网络MAC合同改进，以合用于高速移动VANET。例如，IEEE802.11DCF[17]合同，基于CSMA/CA，以较小RTS/CTS分组交互，分派较大无线资源，从而提高无线资源运用率，但IEEE802.11DCF不能较好支持实时业务；AdHocMAC[18]合同，通过TDMA机制为每个终端预留时隙，为VANET提供了较好QoS保证，但AdHocMAC合同不能有效地运用信道，且通信范畴内节点数目受限制；D-MAC合同(directionalMAC，定向天线MAC合同)[19]是基于IEEE802.11提出，每个终端通过GPS懂得自己和邻终端地理位置，在相邻平行运营车辆中，定向天线有助于减少传播干扰和冲突，但其复杂性以及其昂贵设施给实现带来了困难。近几年，关于VANETMAC层合同研究较多，且提出了某些专门为车载环境下无线接入设计MAC层新合同，大大改进了VANET无线接入控制性能，提高了通信可靠性，减少了传播延时。车载自组网络特点及研究难点车载AdHoc网络作为一种特殊移动AdHoc网络，除了具备普通AdHoc网络某些共性外，还具备普通AdHoc网络所不具备特性。正是这些特性给设计车载AdHoc网络路由层提出了新挑战。车载自组网特点长处拥有丰富外部辅助信息随着GPS（全球定位系统，GlobalPositioningSystem）和GIS（地理信息系统，GeographicInformationSystem）普及,车载自组网中网络节点不但可以获得自身位置信息,还可以得到所在区域地理信息。GPS可觉得节点提供精准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，运用途径规划功能，将使车载自组网络由方略实现变得更为简朴。无能量约束网络中节点可以使用车辆电池作为电源,因此,车载自组网不像其她移动自组织网络和传感器网络那样存在严格能量约束。优质高效硬件设施保证车辆承载空间较大，可以保证各类通信设备尺寸和规模，如天线、路由器等，同步具备强大计算能力和存储能力。车辆节点运动有规律性道路静态形状使得车辆移动是受限制，车辆轨道普通可以预测。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,可以预测途径状态。因而,不同运动场景对车辆运动规律性有着较大影响。然而大多数场合,具备相似或类似运动规律车辆可看作一种整体,可避免个体特殊运动行为带来分析误差,有助于分析成果精确性。缺陷网络拓扑构造变化快在都市场景下汽车移动速度都比较迅速。汽车迅速移动使得无线覆盖半径变得相对较小，特别是在高速公路上当无线覆盖半径是250米而汽车行驶速度达到120km/h时候。汽车节点高度动态性使得汽车AdHoc网络拓扑构造变化迅速，这个特性给路由管理带来了很大不便。此外在车载AdHoc网络中，汽车节点会频繁加入和退出，特别是在都市场景中，车载AdHoc网络规模在车流高峰期时会迅速增大。因而对车载AdHoc网络路由算法扩展性提出了很高规定。在车载AdHoc网络中，由于节点速度大体在5～42m/s之间，这种高速移动性导致网络拓扑构造变化快，途径寿命短，例如平均速度为100km/h道路上，如果节点覆盖半径为250m，则链路存在15s概率仅为57%。无线信道质量不稳定由于车辆节点具备高速移动性，道路周边又有建筑物影响，导致无线信道质量不稳定。受各种其她因素影响，涉及道路状况、车辆类型和车辆相对速度等，数据传播过程中，受到多普勒效应严重干扰，信道质量不稳定。信道带宽严重低于理论值由于车辆分布集中，导致了对无线信道频繁竞争，负载过于集中，使得车辆终端得到实际带宽远远不大于理论值，比普通AdHoc网络更严重。受地理位置影响ＶＡＮＥＴ数据通信往往与地理位置关于，有一定方向性。譬如，ＶＡＮＥＴ中安全消息具备后向传递性，在事故预警时，消息总是向来车方向进行传播。受洪泛影响大移动自组织网络中惯用路由合同需要使用泛洪广播机制来搜索途径,频繁拓扑变化必然导致频繁泛洪广播。而车载自组网路由呈现“桶状”形式,泛洪广播更会带来严重阻塞。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技术和设备，主流使用IEEE802.11原则。但原则应用在车载自组网方面存在某些问题，如在狭窄道路空间内也许存在更多冲突,原有避免方略也许效果并不十分抱负同步，802.11原则自身退避机制不公平性也许会加剧这种冲突，这对车载自组网中需要紧急传播事故告警信息非常不利。研究难点基于以上特点，由两种网络构造构成车载网络，将需要克服某些难题。一方面，有必要实现对两种网络下合同和应用兼容（两种路由合同切换和互操作）；另一方面，考虑顾客局部管理问题，要汇总局部数据到一种整体，以实现全局搜索和访问；再次，满足一定QoS，例如时延和带宽规定；此外，由于异构存在，数据传播时，必然要大量连接、切换，因而要提供透明传播以及提供RVC网络频繁无缝切换机制。这些问题都将是将来车载网络中研究方向和热点。重要挑战有（1）网络连通性问题,车载自组网网络规模较大,会频繁浮现网络通信分割断线现象（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）路由合同设计问题,车辆节点可以作为路由设备来使用,并且网络拓扑变化较快,因此必要设计一种高效原则合同（4）通信质量问题,网络传播信息安全问题,需要对带宽也许存在拥堵、过高时延等问题进行解决（5）网络管理问题,车载网管理涉及节点移动性、节点地址、以及网络服务管理等,存在需要进行定位车辆节点和节点自动分派地址某些问题。应用领域[10]车载自组网四类重要应用有积极安全,如VSC（VehicleSafetyCommunications）项目中对车辆积极进行刹车、变道、绕行等行为进行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文献中也包括了应用实例。总之,车载自组网分类方式需要依照详细网络使用状况与目,具备相似特性应用可归为同类别加以划分。车载自组网在交通运送中浮现，将会扩展司机视野与车载部件功能，从而提高道路交通安全与高效。典型应用涉及：行驶安全预警，运用车辆间互相互换状态信息，通过车载自组网提前告示给司机，建议司机依照状况作出及时、恰当驾驶行为，这便有效提高了司机注意力，提高驾驶安全性；协助驾驶，协助驾驶员迅速、安全通过“盲区”，例如在高速路出／入口或交通十字路口处车辆协调通行；分布式交通信息发布，变化老式基于中心式网络构造交通信息发布形式，车辆从车载自组网中获取实时交通信息，提高路况信息实时性，例如，综合出与自身有关车流量状况，更新电子地图以便更高效地决定途径规划；基于通信纵向车辆控制，通过车载自组网，车辆能依照尾随车辆和更多前边视线范畴外车辆互相协同行驶，这样可以自动形成一种更为和谐车辆行驶队列，避免更多交通事故。积极安全应用积极安全应用被视为是与道路安全有最直接影响车载自组网典型应用。其基本目是通过消息传播使驾驶更安全,这意味着当驾驶员面临一种危险境地,交通事故将无法避免发生时,车辆可以积极尝试避免意外发生或做出恰当安全办法。将积极安全应用场景按危险限度分类。如危险道路曲线特性是静态,可以预见。因而，危险性低当交通异常，而道路状况依然没有变化时,可视为是一种动态状况。如,驾驶员按照常规方式驶过发生事故区域。在这些状况下,危险度会逐渐升高。当浮现高危险时,应用会尽量避免车辆碰撞例如,如果大量密集交通车辆同步制动。如果刹车行为依然无法制止碰撞产生,就需要借助碰撞预警感应器,尽量减少对即将发生碰撞进行避免或减少危害。如,可通过关闭窗户或提高减震器功能减少影响。最后,当危险已经发生后,预警系统将启动告警功能,警告接近车辆或拨打求助电话。公共安全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公共服务功能。这一类典型例子对具备虚拟警报或发送高优先级信号紧急车辆支持。在此类应用场景下,紧急救援车辆可以更快到达其目现场。交通监控设备可以简化,如只需懂得电子车牌即可,无需通过监视器辨别,甚至采用图像解决方式解决并辨认肇事车辆身份。然而,这样应用需要用于专门场合,此处仅仅作为车辆公共安全应用学术研究讨论之用。改进驾驶应用此类应用尝试用通信方式改进或简化驾驶。从微观角度出发,可改进车辆周边区域交通状况从宏观角度看,各个车辆及周边车辆运营优化组合提高整个交通网络运营效率。第一种状况,辅助应用程序可协助驾驶员,在正常交通流量状况下进入高速公路,并入新交通流或者协助削弱远灯带来强光照射。第二种状况,在更大区域需要提高整个交通效率。这意味着,事故警告将在更广范畴传播,告知接受车辆潜在障碍,使驾驶员采用不同路线。此外,另一项服务是停车信息,甚至停车位预约保存。电子商务与移动娱乐应用当前,商业与娱乐是无线通信应用最多领域,该领域应用关注客户消息传播、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