车载自组织网络的体系结构和通信协议研究
System Architecture and Communication Protocols in Vehicular Ad Hoc Networks
2011-05-18
作者:杨琼,沈连丰
摘要:在对车载自组织网络的特点和研究现状分析的基础上，文章给出了车载自组织网络(VANET)中多维多层的理论模型和网络体系结构，讨论了物理层技术及其相关标准以及MAC 层、网络层协议设计的重点和难点，阐述了广播协议的设计思路。
关键字:车载自组织网络；体系结构；媒体访问控制协议；路由协议
英文摘要:This paper gives a brief introduction to the characteristics and research status of vehicular ad hoc networks and presents a multilayer, multidimensional theoretical model and network architecture. It discusses techniques and standards in the PHY layer as well as challenges in designing protocols for the MAC and network layers. The design of the broadcast protocol in the MAC layer is described in detail.
英文关键字:vehicular ad hoc network; system architecture; MAC protocol; routing protocol
基金项目：国家高技术研究发展(“863”)计划(2008AA01Z205)
随着汽车工业的蓬勃发展，城市交通拥堵、道路交通事故以及恶劣天气下道路交通安全成了亟待解决的问题。作为智能交通系统(ITS)重要组成的车载自组织网络(VANET)就是在此背景下提出的，成为保障行车安全和提高交通效率的关键。VANET是将无线通信技术应用于车辆间通信的自组织网络，对于发展移动通信，提升车辆的信息化自动化程度，减少交通事故，提高道路交通安全，具有十分重要的意义。
1 车载自组织网络
1.1 车载自组织网络的特点
VANET是自组织网络的一种在交通领域支持动态、随机、多跳拓扑结构应用的特殊区域性网络，是一类特殊的移动自组织网络(MANET)[1]。文献[2]认为真正纯粹的通用目的的MANET 在现实世界中并不存在，而诸如VANET、MESH网络、机会式网络和无线传感器网络(WSN)这类具有实际应用背景的特殊移动自组织网络却获得了巨大的成功。VANET与通用目的的自组织网络相比，具有以下特点[3]：
⑴VANET中节点的拓扑结构变化快，车辆的快速移动性决定了车载自组织网络中拓扑结构的频繁改变，使得两个车辆节点之间通信链路的生存时间大大缩短。通常的解决办法是通过提高发射功率来延长链路的生存时间，但发射功率的提高、通信距离增加的同时又降低了网络的吞吐量。
⑵快速变化的拓扑结构给建立精确的邻居节点列表带来困难，而每个节点要获取维护整个网络的全局拓扑结构变得不现实，因此基于网络拓扑结构的协议不适用于车载自组织网络。
⑶车辆高速行驶带来信道的快速衰落、严重的多普勒效应，同时受道路情况、道路周围高大建筑物、树木的影响，无线信道质量很不稳定。
⑷虽然车辆节点的快速移动给车载自组织网络带来严重的挑战，但是由于车辆总是在道路上行驶，车辆节点的移动具有规律性，因此节点的拓扑结构变化具有规律，可预测。
⑸车载自组织网络具有丰富的外部辅助设备。车载全球定位系统(GPS)可以为VANET提供精确的定时和车辆的位置信息，配合电子地图的使用，为VANET组网和路由协议设计带来便利。车辆上可安装各种功能的传感器，采集车辆节点的速度、加速度、方向等状态信息。
⑹通用MANET中通信模块由电池供电，所以节省能量成为协议设计过程中需要重点考虑的问题。而在车载自组织网络中，由车辆本身为各种设备提供电力，从而对通信设备的能耗和设备体积的要求降低。
1.2 车载自组织网络的研究现状
VANET目前是专用自组织网络中研究和应用最为活跃的领域。全球有众多的科研机构、汽车制造商以及相关组织参与到车载自组织网络的科研项目、外场试验和标准化工作中。例如美国的Vehicle Safety Consortium、欧洲的Car-2-Car Communication Consortium、CarTALK 2000、FleetNet，日本的Advanced Safety Vehicle Program等。美国还启动了车载自组织网络的外场试验项目。
在标准化方面，专用短距离通信(DSRC)是主要用于ITS领域(如电子收费系统ETC)专为ITS而开发出的技术标准[4]。国际标准化组织智能运输系统委员会ISO/TC204负责DSRC国际标准的制订工作。国际上DSRC标准制订主要有欧洲、美国和日本三大阵营。欧洲DSRC标准化工作小组CEN/TC278第9工作组于1994年开始DSRC标准的起草工作，1997年通过了ENV12253“5.8 GHz DSRC物理层”、ENV12795“DSRC数据链路层”和ENN12834“DSRC应用层”标准。1997年日本DSRC标准化工作小组TC204委员会完成了DSRC标准制订工作，2001年和2004年又分别发布了ARIB STD-T75和ARIB STD-T88两项标准。1998年美国联邦通信委员会将5.850~5.925 GHz(75 MHz)频段分配给运输服务领域的短程通信。2002年ASTM通过DSRC 标准E2213-02，2003年通过其改进标准E2213-03。在标准E2213-03的基础之上，IEEE 802.11p 和IEEE 1609工作小组开始制订车载环境下的无线通信标准。2006年IEEE通过了IEEE 1609.1—1609.4系列标准。2010年7月IEEE 802.11p标准正式发布，该标准是DSRC的物理层和MAC层标准，是针对ITS中的相关应用对IEEE 802.11标准的扩充延伸。
2 车载自组织网络的体系结构
2.1 理论模型
由于车辆自组网的网络节点具有高度移动性，车辆的分布相当复杂且变化多端。为了适应这种情况并能揭示问题本质，本文提出VANET的信息描述模型，即在研究的地理区域内，考虑一多维数组并将它用n×m阶矩阵表示。将每一车辆有可能联网参与通信的设备均看成n×m 阶矩阵中的一个“元素”，每一“元素”又都看作是一个一维或者多维数组，可以包含：位置信息、设备识别码、通信模式、优先等级、移动信息(例如速度方向等)、分组情况(所属的子集)、紧急情况标识(例如危险等级、求救信息等)、能量信息、联网状态等，能够根据实际情况的变化而随时修正。
同样，根据需要矩阵中的“元素”可以表示为一维或多维数组(矩阵)，即可得到一个用多重数