城市場景車載自組網仿真平臺及路由協(xié)議研究.doc

城市場景車載自組網仿真平臺及路由協(xié)議研究 分類號U DC密級單位代碼大連海事大學碩士學位論文城市場景車載自組網仿真平臺及路由協(xié)議研究楊帥指導教師何榮希職稱學位授予單位大連海事大學10151教授申請學位類別工學碩士學科(專業(yè))信息與通信工程論文完成日期xx10答辯日期xx11答辯委員會主席萬方數據IlIlll ll1l ll llllIllll lUIY2696325Research onSimulation PlatformandRouting ProtocolforVehicular AdHoc Networksin UrbanScenariosA thesisSubmitted toDalianMaritime UniversityInpartial fulfillmentof therequirements forthe degreeofMaster ofEngineeringYangShuai(Information andCommunication Engineering)Thesis SupervisorProfessorHe RongxiNovemberxx萬方數據大連海事大學學位論文原創(chuàng)性聲明和使用授權說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明本論文是在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，撰寫成博碩士學位論文!越壺揚量奎夔自緝圓魚真王魚丞墮由跡這嬰塞。 除論文中已經注明引用的內容外，對論文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。 本論文中不包含任何未加明確注明的其他個人或集體已經公開發(fā)表或未公開發(fā)表的成果。 本聲明的法律責任由本人承擔。 學位論文作者簽名學位論文版權使用授權書本學位論文作者及指導教師完全了解大連海事大學有關保留、使用研究生學位論文的規(guī)定，即大連海事大學有權保留并向國家有關部門或機構送交學位論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 本人授權大連海事大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，也可采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編學位論文。 同意將本學位論文收錄到中國優(yōu)秀博碩士學位論文全文數據庫(中國學術期刊(光盤版)電子雜志社)、中國學位論文全文數據庫(中國科學技術信息研究所)等數據庫中，并以電子出版物形式出版發(fā)行和提供信息服務。 保密的論文在解密后遵守此規(guī)定。 本學位論文屬于保密口在年解密后適用本授權書。 不保密口(請在以上方框內打“”)燃一如葉?名邪日期矽中年7月仫日萬方數據中文摘要摘要作為智能交通系統(tǒng)杰出的解決方案，車載自組網(Vehicular AdHoc Network，VANET)近年來吸引了越來越多的關注，己成為一個研究熱點。 IEEE8021lp協(xié)議是對傳統(tǒng)IEEE80211系列協(xié)議的擴展，是專注于車載環(huán)境通信而設計的技術。 VANET的通信場景和網絡結構等方面與其他無線網絡存在重要差別，作為VANET的一個重要環(huán)節(jié)，路由協(xié)議扮演了重要角色。 本文對車載自組網的仿真平臺和路由協(xié)議進行研究，搭建了基于IEEE80211p的城市場景聯合仿真平臺，分析了VANET中幾種典型的路由機制，并提出一種改進的路由協(xié)議。 論文首先分析了車載自組網的特點、結構、應用以及接入技術與典型的路由機制，闡述了IEEE80211p物理層和MAC層技術特性，然后在OPNET己有IEEE80211a節(jié)點模型基礎上，構建了IEEE80211p模塊，并與專業(yè)交通仿真軟件VaMobiSim搭建了城市場景下車載自組網聯合仿真平臺，其中VaMobiSim負責生成道路拓撲和汽車交通數據，OPNET負責在搭建的不同城市場景中對網絡協(xié)議的仿真。 隨后利用該仿真平臺對IEEE80211p的性能和AODV、DSR及GRP路由協(xié)議進行了仿真分析。 仿真結果表明IEEE80211p比IEEE80211a具有更優(yōu)越的性能，而且相比于AODV和DSR，地理位置路由協(xié)議GRP更適合于車載自組網。 為了進一步提高GRP路由協(xié)議的性能，本文還對GRP鄰區(qū)尺寸的劃分進行研究，通過對大量仿真數據的分析，歸納出一定網絡拓撲條件下GRP鄰區(qū)尺寸與VANET中汽車數量對應關系的數學模型，為GRP鄰區(qū)尺寸的劃分提供理論依據。 在進一步深入研究GRP路由協(xié)議后，發(fā)現GRP在選擇下一跳鄰居節(jié)點的轉發(fā)算法上存在不足，為此對GRP算法中存在的缺陷進行了優(yōu)化和改進，提出一種改進的地理位置路由協(xié)議fImproved GeographicalRouting Protocol，IGRP)。 最后，對GRP與IGRP進行仿真對比。 仿真結果表明IGRP充分利用了路由協(xié)議中鄰區(qū)劃分和分層的策略，有利于選擇地理位置更具優(yōu)勢的節(jié)點轉發(fā)數據包，增加了數據包到目的節(jié)點的機會，在投遞率、延遲、路由跳數和回溯數方面都優(yōu)于GRP。 關鍵詞車載白組網；聯合仿真；路由協(xié)議；lEEE80211p萬方數據中文摘要萬方數據英文摘要ABST隊CTAs arlextension of IEEE80211standards，IEEE8021l pis anexcellent solutionandspecially developedfor vehicularwireless municationsin Intelligent Transport SystemRecently，VANET hasattractedmuch attentionand beena researchhotspotThemunication environmentand workarchitecture in VANET aredifferent fromotherwireless municationsystemsAs acritical part，routing protocol plays avery importantrolein VANETsIn thispaper，we investigatethe simulation platform androuting protocolfor VANETs inurban scenariosWe buildan urbanscenario simulationplatform with IEEE8021lpbased onOPNET andVaMobiSim，and evaluatethe performanceofIEEE8021la and IEEE8021lp，then proposean improvedrouting protoc01We firstanalyze thecharacteristics，structure，application，aess technologyand differentmechanismsof routingprotocols for VANETs，and thenintroduce theIEEE8021lp physicallayerand MAClayer technologySecondly，we buildan IEEE8021lp modulebased onexistingIEEE8021la nodemodel inOPNET toevaluate VANETswithIEEE8021lptechnologyThirdly，we developan integratedsimulationplatformforVANETsbased onVaMobiSimand OPNET，where VaMobiSimis responsiblefor generatingtraffic datawhileOPNET isin chargeof simulatingprotocols indifferent scenariosBased ontheintegrated simulationplatform，IEEE8021la andIEEE8021lp areparedIn addition，we investigateAODV，DSR andGRProuting protocolsthoroughly byextensive simulationsSimulation resultsshow thatGRP whichuses geographicallocation informationis moresuitableforVANETsFurthermore，in orderto improve the performanceof GRP，we analyzethe neighborhooddivisionand hierarchicalmethod inGRPAfter extensivesimulationsa mathematicalmodelabout relationshipbetween GRPneighborhood sizeand vehiclenumbers is presented for agiven workscale，which ishelpful toprovide atheoretical foundationto choosetheneighborhood sizeof GRPAfter anin-depth analysisof GRP，especially itsnext hopselection，aiming atits twodrawbacks innexthopselection，some improvementshavebeenprovided aordinglyand anew improvedgeographical routingprotocol(IGRP)ispresented，which jointlyconsiders distanceand hierarchicalfactor andtakes fulladvantageofneighborhood divisionto choosea moresuitable neighboras nexthopSimulation results萬方數據英文摘要show thatIGRP canimprovetheperformance inpacket delivery，work delay，routing hopsandbacktrack numberThereforeit ismuch beaerthan GI沖foraVANET withan urbanenvironmemKey WordsVehicularad hoework(VANET)；Joint Simulation；Routing Protocol；IEEE8021lp萬方數據目錄目錄第1章緒論?111課題研究背景?112課題研究意義?213論文的主要內容及結構安排?3第2章車載自組網概述?521車載自組網?5211車載自組網的特點?5212車載自組網的結構?6213車載自組網的應用?9214車載自組網研究面臨的挑戰(zhàn)?922車載自組網接入技術?10221蜂窩移動通信技術?11222WIMAX?11223WIFI?11224移動衛(wèi)星接入系統(tǒng)?11225WAVE?1123車載自組網路由協(xié)議?13231基于拓撲的路由協(xié)議?14232基于地理位置的路由協(xié)議?18233基于地圖的路由協(xié)議?2124本章小結?2l第3章基于IEEE80211p的城市場景VANET仿真平臺研究?2331IEEE80211p?23311IEEE8021lp物理層技術?23312傳統(tǒng)IEEE80211MAC層技術?24313增強式分布信道訪f司(EDCA)協(xié)議?29314IEEE8021lp MAC數據單元?一33315IEEE8021lp MAC協(xié)議新特性?3532OPNET和VaMobiSim聯合仿真平臺搭建?36321城市場景車輛移動模型?36322VaMobiSim?37萬方數據目錄；23OPNET39324聯合平臺搭建?4033IEEE8021lp性能仿真分析?45331仿真參數設置?45332IEEE80211a與IEEE8021lp對比分析?4534基于IEEE80211p的路由仿真對比分析?4935本章小結?51第4章GRP路由協(xié)議的改進及仿真分析?5341GRP路由協(xié)議介紹?53411GRP劃分鄰區(qū)分層策略?54412GRP路由表?55413GRP轉發(fā)策略?5642GRP鄰區(qū)尺寸設置?一59421研究方法?59422研究結論?5943GRP路由協(xié)議改進?61431GRP路由算法的缺陷?61432具體的改進措施?6344仿真結果?65441仿真參數設置?65442仿真場景?66443仿真結果?6745本章小結?71第5章總結與展望?73參考文獻?75攻讀學位期間公開發(fā)表論文?79致射?80作者簡介?81萬方數據城市場景車載自組網仿真平臺及路由協(xié)議研究第1章緒論11課題研究背景全球經濟的高速增長帶來了交通運輸行業(yè)的迅猛發(fā)展，隨著機動汽車數量的迅速增加，交通安全事故頻發(fā)、道路交通堵塞、停車困難、道路交通引起的沿路環(huán)境惡化、全球環(huán)境不協(xié)調、能源消耗增長等現象日趨嚴重，交通基礎設施土地資源緊張等問題日益突出，為了有效地解決這些交通問題，歐洲、美國等世界主要發(fā)達國家都提出了智能交通系統(tǒng)(IntelligentTransportSystem，ITS)的概念【l2】。 ITS系統(tǒng)采用了檢測、通信、計算機、控制、GPS和GIS等現代高新技術，有效地集成運用于整個交通運輸管理體系13J，以建立起一種在大范圍內、全方位發(fā)揮作用的，實時、準確、高效的綜合運輸和管理系統(tǒng)，從而提高路網的交通吞吐量和服務質量、改善環(huán)境質量、提高能源利用率、預防交通事故的發(fā)生。 ITS還能夠實現車輛的智慧駕駛和輔助駕駛，通過信息采集和無線通信技術，ITS將各種交通與車輛相關的信息(行駛速度、路El紅綠燈、剎車、超車、道路狀況等1和周圍車輛實現交換和共享，車載自組網(Vehicular Adhoc Networks，VANET)為這種無線通信技術提供了重要技術支持。 無線通信技術的發(fā)展帶動了車載通信技術的進步，在提高道路交通安全、道路運行效率、提供舒適應用等方面，VANET正起著越來越重要的作用，越來越多的國家、汽車工業(yè)、研究機構開始致力于VANET的研究，而VANET也正成為一個熱點研究方向。 智能交通系統(tǒng)對VANET具有很高的性能需求，IEEE8021lp是一個標準的IEEE80211擴展通信協(xié)議1，主要用于車載無線通信接入技術。 IEEE80211p定義和規(guī)范了車輛環(huán)境無線通信技術的MAC層和物理層，它是決定VANET性能的一個重要環(huán)節(jié)。 VANET是一種移動自組織網絡(Mobile AdHoe Network，MANET)，但它表現出截然不同的特點，比如具有高度動態(tài)的拓撲、預定義的車輛道路、不可預知司機行為等16J。 由于VANET中的所有節(jié)點的地位平等、自組織、沒有預先安排的基礎設施或中央控制節(jié)點和節(jié)點的高速移動導致了網絡拓撲的動態(tài)變化的通信環(huán)境，這使路由協(xié)議成為VANET中最關鍵的技術【781，在很大程度上路由協(xié)議決定了VANET整體的性能。 因此分析、研究、選擇和設計合適的路由協(xié)議具有重要意義。 萬方數據第1章緒論12課題研究意義人類生活水平不斷提高，人們外出旅游、辦公、購物時需要一種更為安全、舒適與高效的出行環(huán)境。 加快交通基礎設施建設，提高交通基礎設施和運輸裝備的利用效率、減少交通公害對加速發(fā)展公路交通運輸事業(yè)具有十分重要的意義。 在城市環(huán)境下，車輛密度大，城市道路密集錯綜復雜，交通規(guī)則眾多以及受樹木和高大建筑影響，城市場景下的車載通信技術研究面臨著新的挑戰(zhàn)和機遇，因此研究城市場景下的車載自組網對交通安全、道路資源利用等方面具有重要意義。 主要表現在以下幾個方面 (1)交通安全緊急情況發(fā)生時，車輛之間的信息交換和車輛的輔助駕駛功能能夠使駕駛員第一時間了解緊急情況信息，減輕駕駛員的駕駛疲勞，有助于駕駛員根據實際情況做出及時、正確的操作，減少交通事故的發(fā)生，保障駕駛員和乘客的交通出行安全。 (2)道路資源利用利用車輛終端采集到的道路路況信息，通過車與車、車與控制中心共享，能夠使駕駛員及時了解道路使用和車流量信息，使駕駛員合理規(guī)劃路程，避開占道率高的交通線路以選擇合適道路，從而節(jié)省駕駛員出行時間，有效解決道路交通阻塞問題，提高通行效率，實現道路資源的有效利用。 (3)協(xié)調控制車與車、車與路的協(xié)調控制是未來智能交通發(fā)展的趨勢，車輛之間的協(xié)調控制可以通過車輛間的通信實現，例如，根據交叉路口的回饋信息，通過控制中-th,合理控制交叉路口的紅綠燈時間，協(xié)調車輛先后通行順序。 在交叉路口紅燈結束時，實現所有車輛的同步起步，減少紅綠燈等待時間，解決滯后拖延問題，提高路VI車輛通行效率。 (4)服務和應用車載自組網與Intemet、移動蜂窩網、無線局域網等網絡的互聯，能為乘客在乘車之余提供正常的娛樂、通話、辦公、網絡購物等服務和應用。 作為新興產業(yè)，VANET在世界各國的不斷發(fā)展和巨大的市場應用潛力，將為汽車工業(yè)、硬件設備制造商、網絡服務提供商以及數據通信工業(yè)提供新的市場商機。 VANET作為未來社會智能交通運輸管理的核心系統(tǒng)，是一個能夠進行快速、雙向、大規(guī)模信息萬方數據城市場景車載自組網仿真平臺及路由協(xié)議研究交換的系統(tǒng)。 信息通訊技術的發(fā)展為VANET的實現提供了必要條件。 同時，推行ITS將會加速信息相關技術裝備的進步，并帶動其它領域信息與遠程通信社會的進步，從而推動信息與遠程通信工業(yè)的普及與發(fā)展。 13論文的主要內容及結構安排本文首先對車載自組網的特點、應用等方面進行了深入討論，對VANET的接入技術和路由協(xié)議進行了研究，隨后研究了IEEE8021l系列技術和專用于智能交通車載環(huán)境的IEEE80211p新技術及其優(yōu)勢特點。 同時研究分析了斯圖加特大學開發(fā)的開源交通仿真器VaMobiSim，掌握該仿真器的技術及相應的關鍵模塊設計，對其在道路仿真的具體參數設置以及產生的道路交通仿真數據進行分析，并以此搭建了城市場景下OPNET與VaMobiSim智能交通聯合仿真平臺，實現了VaMobiSim與OPNET的聯合應用。 在聯合仿真平臺的基礎上對IEEE80211p的性能進行了仿真分析。 最后，分析了車載自組網中AODV、DSR和GRP三種典型的路由協(xié)議，并針對GRP路由協(xié)議的不足進行改進，提出一種適合城市場景下VANET的路由協(xié)議IGRP，并進行了仿真研究。 論文共分為五章，各章的組織結構及內容如下第1章緒論，介紹了本文研究的背景和意義，描述了論文的研究內容，最后給出了論文的結構安排。 第2章車載自組網概述，首先介紹了車載自組網的特點、結構、應用和車載自組網所面臨的挑戰(zhàn)，討論了車載自組網的接入技術，最后詳細分析了車載自組網的三種主要路由協(xié)議。 第3章基于IEEE80211p的城市場景VANET仿真平臺搭建，首先從物理層到MAC層對專用于車載通信環(huán)境的IEEE8021lp技術進行了詳細研究，并利用OPNET與VaMobiSim搭建了基于IEEE80211p城市場景智能交通聯合仿真平臺，利用該平臺對IEEE80211p的性能進行了仿真研究，在此基礎上，對比了IEEE802“p協(xié)議下AODV，DSR和GRP三種路由協(xié)議的性能。 萬方數據第l章緒論第4章GRP路由協(xié)議的改進及仿真分析，從鄰區(qū)劃分與分層、路由表和轉發(fā)策略三個方面對GRP路由協(xié)議進行了深入分析和研究，并對GRP鄰區(qū)尺寸的設定給出了數學模型，為鄰區(qū)劃分提供依據。 最后設計了一種改進的GRP路由協(xié)議IGRP，并通過仿真驗證了改進協(xié)議的有效性。 最后是全文的總結與展望，對論文的研究內容和研究成果進行總結，并指出論文研究中存在的不足及下一步需要進行深入研究的方向。 萬方數據城市場景車載自組網仿真平臺及路由協(xié)議研究第2章車載自組網概述車載自組網(VANET)是智能交通和智慧城市建設當中重要的一個環(huán)節(jié)。 不同于傳統(tǒng)的移動自組織網(MANET)，VANET有著它自己的特點和結構。 VANET的目的是優(yōu)化城市道路交通，實現智能化通行，使人們能夠更安全舒適地駕駛，并且通過移動應用程序能繼續(xù)享有各種娛樂和應用服務91。 路由協(xié)議是車載無線通信的關鍵技術，設計一個合適的路由協(xié)議對整個車載自組網的性能起著決定性的作用，VANET需要一個合適的路由協(xié)議來實現高效的數據傳輸。 21車載自組網211車載自組網的特點作為自組織網絡的一種，VANET與MANET一樣有著許多自組織網絡所共有的特點，例如，自組織、網絡動態(tài)變化、可擴展性強等，但VANET有著自己所獨有的特點。 (1)車輛移動軌跡的可預測性在城市場景下，車輛的移動不是隨機性的，車輛移動軌跡往往受到交通線路、交通規(guī)則和駕駛員駕駛習慣的限制，通過交通線路、地圖、車輛速度和駕駛員工作生活規(guī)律等信息可預測出車輛的移動軌跡。 (2)高服務質量的要求在駕駛過程中繼續(xù)享受網絡服務是VANET的一個特點，在出現緊急安全事件時要求車載網幫助駕駛員做出及時正確的處置措施，這就要求車載網具有低延時、高吞吐量、高傳輸速率的服務質量。 (3)充足的能源供應能源一直是困擾移動自組網的一個問題，但在車載自組網中，車輛通過發(fā)動機持續(xù)為電池提供電源，能確保電力供應不受限制，同時還能滿足其他通信設備的需求。 (4)復雜的通信環(huán)境萬方數據第2章車載自組網概述城市場景下車輛間的通信環(huán)境復雜，受到多種因素的影響，例如，城市建筑、路邊樹木、車輛速度和軌跡等，同時還受到城市其他無線信號的干擾，加上無線通信距離相對較短，這使車載通信變的復雜。 (5)GPS和電子地圖通過安裝在車輛上的GPS、電子地圖、汽車導航等設備，車載自組網中的節(jié)點不僅可以隨時獲得自己的位置信息，還可以獲得相關區(qū)域的車流量、道路狀況等相關信息。 212車載自組網的結構車載自組網中的每個節(jié)點既是終端節(jié)點又具有路由功能，每個節(jié)點都安裝有無線收發(fā)裝置，車輛和車輛之間、車輛和基礎設施之間采用現有的標準通信協(xié)議，通過一跳或多跳構成自組織移動無線網絡【lo】。 節(jié)點之間通過直接通信和自組織多跳通信，能夠自主地連接建立起移動網絡。 如圖21所示，車載自組網網絡結構按照OSI七層協(xié)議可分為物理層、數據鏈路層、網絡層和傳輸應用層fll】。 謄i；童鼉i慧，?i?蔫簿避用屢ii。 y；簿搿搿蕊。 i囂?|?ji辮i；|i蔓|；網絡層謄i i。 i|鬈鏈路控靠整；ij。 齲AC層。 物理層數據傳輸、服務應用襞I、路由協(xié)議、路由安全、網絡互迄、QOS支持等數據封裝、檢測糾疆等j無線接入、QOS保障、功率控制等信號收發(fā)i檢測、調制解調等圖21車載自組網網絡結構Fig21Network architecturein VANET物理層涉及到在通信信道上傳輸的原始數據，主要任務是檢測收發(fā)無線電信號，調制解調原始數據等。 萬方數據城市場景車載自組網仿真平臺及路由協(xié)議研究數據鏈路層該層又分為MAC層和鏈路控制層，功能包括無線接入、QoS保障、功率控制、數據封裝、檢測分組等，主要任務是將原始的傳輸鏈路轉變成一條邏輯的傳輸線路。 網絡層決定如何將數據從發(fā)送方路由到接收方，包括路由協(xié)議、路由安全、網絡間的互連、QoS支持等。 傳輸層建立端到端之間數據傳輸鏈接，通過錯誤糾正和流控制機制提供可靠且有序的數據包傳送，提供面向無連接的數據包的傳送，保持會話過程通信鏈接的暢通。 應用層負責對軟件提供接口以使程序能使用網絡服務，提供的服務包括文件傳輸、文件管理、電子郵件及應用服務的信息處理。 車載自組網的拓撲結構根據有無基礎設施可以分為以下3種結構【12l有基礎設施支持的拓撲結構(Vehicle toInfrastructure，V2I)、完全自組織的拓撲結構(Vehicle toVehicle，V2V)和混合模式的拓撲結構。 圖22V2I拓撲結構Fig22V2I topologyarchitectureV2I在這種網絡結構下，車輛之間不能直接通信，當車輛之間有信息需要傳輸時，通過路邊的基礎設施轉發(fā)，整個網絡系統(tǒng)功能的實現都由路邊設備進行控制和管理，其場景如圖22所示。 萬方數據第2章車載自組網概述圖23V2V拓撲結構Fig23V2V topologyarchitecture圖24混合拓撲結構Fig24Hybrid topologyarchitectureV2V車輛之間組成自組織結構，車輛節(jié)點既是通信接收終點，也可以是中間轉發(fā)節(jié)點。 整個網絡系統(tǒng)的運行、控制和路由功能的實現都是由車輛節(jié)點之間協(xié)作完成的。 萬方數據城市場景車載自組網仿真平臺及路由協(xié)議研究這種網絡拓撲結構組網方式自由、具有靈活性，減少了部署基礎設施帶來的開銷。 其場景如圖23所示。 混合結構單純的V2V與V2I都有其各自的優(yōu)缺點，而且雙方的優(yōu)缺點存在互補關系，因此提出了將二者結合的方案【13】，其場景如圖24所示。 2，13車載自組網的應用車載自組網不斷發(fā)展，越來越多的移動應用相繼出現，從保障安全駕駛到娛樂服務，再到商業(yè)等有著諸多方面。 (1)安全預警司機可以從車載自組網系統(tǒng)中獲得行駛中的道路交通信息，包括其他車輛的狀態(tài)信息、道路狀態(tài)和碰撞預警等。 司機可以根據情況做出相應的反應，提高駕駛安全性，避免交通事故的發(fā)生，提高道路交通安全。 (2)智能駕駛通過行駛過程中的信息交換，車輛可以獲得當前交通道路及周邊路況信息，結合自身的信息，車輛可以輔助駕駛員對當前的速度、方向和路徑做出適當調整，提高道路通行效率，增加安全性，減輕駕駛疲勞。 (3)交通信息共享與查詢車輛節(jié)點對交通路況實時的反饋信息，可以通過城市交通管理系統(tǒng)集中控制交通狀況，而且通過該系統(tǒng)面向公眾提供查詢服務，提高公眾出行效率。 (4)網絡服務、娛樂和車內辦公通過與Inter等其他網絡的互連，駕駛員和乘客在駕駛過程中可以享受到各種網絡和娛樂服務，增加駕駛樂趣，同時還可以實現車內會議、車內辦公等功能。 214車載自組網研究面臨的挑戰(zhàn)車載自組網有自己的特點又有著諸多的應用需求，實現高效無線通信是關鍵的因素。 車載自組網的研究面臨著信息傳播、隱私、安全和互聯網整合等挑戰(zhàn)，所以采用的協(xié)議和機制應該是穩(wěn)定、可靠、可擴展的【14,15】。 VANET面臨以下問題需要深入研究 (1)安全問題萬方數據第2章車載自組網概述VANET不像WIFI技術那樣有固定的訪問接入點AP(Aess Poim)，VANET依靠的是車輛節(jié)點的隨機移動傳播信息。 VANET車輛之間的互相連接缺乏一定的認證、關聯等過程，存在一定的安全性問題，因此需要研究適用于車載自組網的安全體系結構和專用安全技術。 (2)無線信道固有特性的影響在無線通信方面，VANET呈現出了不利的特性，復雜的通信環(huán)境以及多個反射物體會降低接收信號的強度和質量。 此外，鑒于周圍物體以及發(fā)送端與接收端的移動性，必須考慮衰減效應。 (3)信息的可靠傳輸信息(特別是緊急信息)告警是VANET最為重要的一種應用，緊急信息的快速傳播、目標區(qū)域的覆蓋范圍、傳播的時間是當前研究的重點。 目前使用的方法多是靠廣播的方式，但隱藏節(jié)點問題、暴露節(jié)點問題，延遲或阻斷了廣播數據傳輸，嚴重地影響了緊急信息傳播的可靠性與實時性。 (4)健壯可靠的路由VANET的設計是為了滿足從安全到休閑娛樂的服務和應用，而節(jié)點的高速移動導致了網絡拓撲動態(tài)變化的通信環(huán)境，這使路由協(xié)議成為了車載自組網中關鍵的技術，因此路由算法應該高效、健壯、可靠地適應車載自組織網絡的特點和應用。 (5)統(tǒng)一的標準和多網融合VANET需要標準化的通信方式，從而使VANET能夠很好的無縫融合到Intemet、傳感器網絡、移動蜂窩網、WIFI等網絡，統(tǒng)一的標準使VANET在利用不同設備制造商的產品時能夠正常工作。 22車載自組網接入技術無線通信系統(tǒng)的接入技術有蜂窩移動通信技術、全球微波互聯接入(WorldwideInteroperability forMicrowave Aess，WiMAX)、IEEE8021l(WiFi)、移動衛(wèi)星接入、WAVE等。 萬方數據城市場景車載自組網仿真平臺及路由協(xié)議研究221蜂窩移動通信技術蜂窩移動通信采用蜂窩無線組網方式，在終端和網絡設備之間通過無線通道連接起來，進而實現用戶在活動中的相互通信。 其主要特征是終端的移動性，并具有越區(qū)切換和跨網自動漫游功能。 主要優(yōu)點是用戶容量大，服務性能較好，頻譜利用率較高。 但在蜂窩移動通信技術中，用戶獲得的實際數據傳輸率卻很低，GSMEDGE還不足128kbps，而3G不到512kbps。 222Wi MAXWiMAX也叫無線城域網。 WiMAX是一項新興的寬帶無線接入技術，能提供面向互聯網的高速連接，數據傳輸距離最遠可達50km，是一種為企業(yè)和家庭用戶提供“最后一英里”的寬帶無線接入方案。 WiMAX還具有QoS保障、傳輸速率高、業(yè)務豐富多樣等優(yōu)點。 但WiMAX在用戶移動過程無縫切換方面與蜂窩移動通信技術存在一定差距。 223WLAN無線局域網(Wireless LAN，WLAN)為一定區(qū)域內終端設備提供了無線網絡連接。 WLAN擴容方便，與多種網絡標準兼容，具有靈活性、移動性和應用廣泛等優(yōu)點的特點。 但WLAN在傳輸距離、性能、安全方面存在不足，目前只適合于個人終端和小規(guī)模網絡的應用。 224移動衛(wèi)星接入系統(tǒng)移動衛(wèi)星接入通過繞地軌道衛(wèi)星實現網絡接入服務。 衛(wèi)星接入系統(tǒng)能夠提供大范圍、遠距離的通信服務，尤其適合于其他通信技術網絡無法覆蓋的地方，如遠洋、深山、內陸等地區(qū)。 但衛(wèi)星通信技術數據傳輸率上相對較低，而且資費是其他通信技術的幾倍甚至幾十倍。 225WAVE專用短程通信技術(Dedicated ShortRange Communication，DSRC)是覆蓋中短程距離的通信技術。 DSRC技術致力于解決汽車和汽車、汽車和道路之間車載環(huán)境下的通信問題【硒】，為車載環(huán)境提供高數據量、低延時的安全通信連接。 DSRC由美國材料試驗學會fAmerican Societyfor TestingMaterials，ASTM)1992年提出。 隨后，歐洲和日本先后制萬方數據第2章車載自組網概述定了自己DSRC標準。 1999年，美國聯邦通信委員會(Federal CommunicationsCommission，FCC)將59GHz頻段的75MHz帶寬頻譜分配給交通領域的DSRC使用，用于車載通信領域的研究。 xx年，ASTM通過了E221302作為DSRC標準，采用59GHz的工作頻率。 xx年7月，IEEE協(xié)會成立車載環(huán)境無線接入(Wireless Aessin VehicularEnvironment，WAVE)研究工作組，WAVE標準包含了IEEE80211p協(xié)議和IEEE1609協(xié)議簇，WAVE參考模型如圖25所示。 xx年，IEEE8021l工作組開發(fā)了一套新的基于IEEE80211的修正案協(xié)議IEEE80211p，使IEEE80211無線通信技術可以支持車載環(huán)境中的無線通信。 經過數年的測試和驗證，IEEE80211p正式成為VANET的一個協(xié)議層。 在WAVE體系中，IEEE80211p定義了物理層和低層MAC標準，IEEE1609協(xié)議定義WAVE高層協(xié)議標準。 作為國際標準技術，IEEE80211p協(xié)議包含PHY層和MAC層兩個重要部分。 和IEEE80211a一樣，在PHY層IEEE80211p采用正交頻分復用(Orthogonal FrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)技術，在MAC層IEEE8021lp采用增強式分布信道訪問技術(Enhancement DistributedChannel Aess，EDCA)技術。 目前IEEE1609協(xié)議簇己經頒布和制定中的標準有17】IEEE1609 0、IEEE1609 1、IEEE1609 2、IEEE1609 3、IEEE1609 4、IEEE160911和IEEE160912。 IEEE16090t181定義了WAVE體系的總體架構標準和必要的服務需求。 IEEE16091191定義了WAVE資源管理器(Resource Manager，砌舊，旨在實現站點的應用服務需求。 IEEE1609220】定義了WAVE設備中安全信息的格式及處理安全信息的標準，包括保護WAVE管理信息和應用信息的方法，同時還描述了必要的管理職能以支持核心安全功能。 IEEE16093t211定義了OSI模型中網絡層和傳輸層標準，包括互聯網協(xié)議(IP)、用戶數據報協(xié)議(UDP)和傳輸控制協(xié)議(TCP)等，同時提供了WAVE設備的管理服務和數據服務。 萬方數據城市場景車載自組網仿真平臺及路由協(xié)議研究IEEE16094阻1定義了多信道操作以及物理層和高層MAC技術標準，包括控制信道(CC印和服務信道(SCH)的間隔計時器、優(yōu)先級訪問參數、信道交換、管理服和多信道操作的原語設計等。 IEEE1609111231定義了電子支付服務、電子支付服務過程中的身份驗證以及支付數據在WAVE體系中的傳輸標準。 IEEE1609121冽描述了WAVE體系中所使用的標識符，標明標識符的使用標準并指定標準中標識符的值。 DSRC的信道設計和操作都是由IEEE1609標準來控制，具體來說，IEEE16093標準控制WAVE的連接設置和管理。 IEEE16094工作在IEEE80211p的上層，IEEE16094負責多信道操作和高層MAC1251。 WAVE廠、露lEEEl6093麓jiWAVE管理實體H(WME)j LLC高層MACIEEEl609A低層MAC管理實體低層MACL，MLME80211P物理層鋒理實饞PHY802,1lpPLME羅k；傳輸層網絡層數據鏈路層物理層圖25WAVE、IEEE1609和IEEE8021lp模型Fig25WAVE，IEEE1609andIEEE8021lp model23車載自組網路由協(xié)議在現實城市道路交通環(huán)境中，車輛行駛方向、位置、速度等時刻變化，又受到交通線路和交通規(guī)則的限制，導致城市場景下的車載自組網網絡拓撲結構不斷變化。 城市的通信環(huán)境受到諸多干擾，通信信道過窄，鏈路不穩(wěn)定，同時人們對車載應用又有著較高萬方數據第2章車載自組網概述要求，路由協(xié)議成為VANET網絡中重要的一環(huán)，車載環(huán)境下的路由協(xié)議一直是近年來的一個研究熱點。 車載自組網的路由協(xié)議大致可以分為以下三類【26】基于拓撲的路由協(xié)議(Topologybased Routing，TBR)、基于地理位置的路由協(xié),SL(Position basedRouting，PBR)和基于地圖的路由協(xié)議(Map basedRouting，MBR)，如圖26所示。 圖26車載自組網路由協(xié)議Fig26Routing protocolinVANET231基于拓撲的路由協(xié)議網絡拓撲是指網絡中節(jié)點位置構成的物理布局。 拓撲結構作為網絡的特征，可以用來設計路由協(xié)議。 基于拓撲的路由協(xié)議利用網絡中的鏈路信息進行數據包的發(fā)送【27,15】，節(jié)點之間通過周期性的交互，得到全網范圍內到其他節(jié)點的路由。 基于拓撲的路由協(xié)議的特點有節(jié)點的地位平等，網絡中每個節(jié)點需要根據網絡拓撲結構維護自己的路由表。 該類協(xié)議的節(jié)點需要維護路由表，針對網絡規(guī)模擴展時，維護開銷較大，因此不能適用于大規(guī)模的網絡。 基于拓撲的路由協(xié)議按照路由發(fā)現的方式可以分為先應式和反應式兩種，區(qū)分的標準是節(jié)點是否需要維護源節(jié)點到目的節(jié)點的路由路徑18】。 先應式路由協(xié)議又稱為表驅動(TableDriven)路由協(xié)議，方法依靠基本的路由表更新機制，這種機制需要經常周期性地廣播路由信息，每個節(jié)點無論當前是否需要通信，都萬方數據城市場景車載自組網仿真平臺及路由協(xié)議研究要建立和維護一張或多張表格，這些表格包含到達網絡中其他所有節(jié)點的路由信息。 當檢測到網絡拓撲結構發(fā)生變化時，節(jié)點在網絡中發(fā)送更新消息。 收到更新消息的節(jié)點更新自己的表格，以維護及時、準確的路由信息。 先應式路由協(xié)議的優(yōu)點在于，當節(jié)點需要發(fā)送數據包時，可以立即獲得到達目的節(jié)點的路由。 這種路由特性對于數據包、自組織包的傳遞非常有用。 反應式路由協(xié)議又稱為按需(OnDemand)路由協(xié)議，反應式路由協(xié)議是根據發(fā)送數據分組的需要按需進行路由發(fā)現過程，網絡拓撲結構和路由表內容也是按需建立的，節(jié)點維護信息是整個網絡的一部分。 采用反應式路由協(xié)議的節(jié)點需要發(fā)送數據時，需要等到尋找到一條路由時才能進行數據發(fā)送，但反應式路由協(xié)議能夠快速適應網絡拓撲的變化【281。 動態(tài)源路由協(xié)議(Dynamic SourceRouting，DSR)t29】是一種基于源路由方式的按需路由協(xié)議，每個給定路線的數據分組都在報頭帶有完整、有序的此分組必經的節(jié)點列表。 DSR協(xié)議主要包括兩個過程路由建立和路由維護。 這兩個過程都是按需的。 當節(jié)點S向節(jié)點D發(fā)送數據時，它首先檢查緩存中是否存在到目的節(jié)點D的有效路由。 如果存在，則直接使用，否則啟動路由建立過程。 源節(jié)點S將使用洪泛方法發(fā)送路由請求信息(RREQ)，RREQ包含源節(jié)點地址、目的節(jié)點地址、唯一標識符以及中間節(jié)點列表；中間節(jié)點轉發(fā)RREQ，并附上自己的節(jié)點標識；當RREQ消息到達目的節(jié)點D或任何一個緩存有到目的節(jié)點路由的中間節(jié)點時，節(jié)點D或該中間節(jié)點將向S發(fā)送路由應答消。 息(RREP)，該消息中包含節(jié)點S到D的路由信息，節(jié)點S收到RREP后，路由建立過程結束。 先應式路由協(xié)議進行路由維護時，會周期性地廣播路由更新消息，影響整個網絡節(jié)點，重新計算路由。 DSR路由協(xié)議在進行維護時，如果數據傳送時某個節(jié)點發(fā)生錯誤導致鏈路中斷，上一節(jié)點就會回傳一個路由錯誤分組到