車載自組網(wǎng)技術的研究

車載自組網(wǎng)技術的研究

1車載自組網(wǎng)ro道路交通事故已成為全世界的公共安全問題。交通事故因其極強的“殺傷力”被稱為世界“頭號殺手”。作為智能交通系統(tǒng)重要基礎之一的車輛網(wǎng)絡概念就是在這種需求背景下提出的。車載自組網(wǎng)是專門為車輛間通信而設計的自組織網(wǎng)絡,它創(chuàng)造性地將自組網(wǎng)技術應用于車輛間通信,使司機能夠在超視距的范圍內(nèi)獲得其他車輛的狀況信息(如車速、方向、位置、剎車板壓力等)和實時路況信息。車載自組網(wǎng)的設計目標是建立一個車輛間通信的平臺,不僅提高交通效率,還為司機的通行帶來可靠安全和多重便利,使旅行者更加舒適。在2003年ITU-T的汽車通信標準化會議上,各國專家提出的車用自組織網(wǎng)絡(VANET,vehiclead-hocnetworks)技術有望在2010年將交通事故帶來的損失降低50%。2自組織交通信息系統(tǒng)自組網(wǎng)是一種無線分布式結構,強調(diào)的是多跳、自組織、無中心的概念。因此可以把車載自組網(wǎng)(VANET,vehicleadhocnetworks)定義為一種快速移動戶外通信網(wǎng)絡(fastmovingoutdoorcommunicationnetwork),也有人把車載自組網(wǎng)稱為自組織交通信息系統(tǒng)(SOTIS,self-organizingtrafficinformationsystem)。車載自組網(wǎng)的基本思想是在一定通信范圍內(nèi)的車輛可以相互交換各自的車速、位置等信息和車載傳感器感知的數(shù)據(jù),并自動的連接建立起一個移動的網(wǎng)絡。節(jié)點的單跳通信范圍只有幾百米到一千米,每一個節(jié)點(車輛)不僅是一個收發(fā)器,同時還是一個路由器,因此采用多跳的方式把數(shù)據(jù)轉發(fā)給更遠的車輛。2.1車載自組網(wǎng)gps,dmb服務整個車載自組網(wǎng)分為兩部分:車與車(V2V,vehicletovhicle)和車與設施(V2I,vehicletoinfrastructure)。圖1顯示了車載自組網(wǎng)在真實環(huán)境中應用的一個模型示意?？梢钥吹?衛(wèi)星通信系統(tǒng)分別為車載自組網(wǎng)提供全球定位服務(GPS,globalpositioningsystem)和數(shù)字多媒體服務(DMB,digitalmultimediabroadcasting)。車與車通信使車輛之間能夠通過多跳的方式進行自動互聯(lián),這好比車與車之間能夠像人一樣互相交談,起到提高車輛運行的安全和疏導交通流量等作用。車載自組網(wǎng)除了可以單獨組網(wǎng)實現(xiàn)局部的通信外,還可以通過路燈、加油站等作為接入點的網(wǎng)關(gateway),連接到其他的固定或移動通信網(wǎng)絡上,提供更為豐富的娛樂、車內(nèi)辦公等服務。在本文中,針對車載自組網(wǎng)的特點和技術難點,主要討論車與車之間通信的自組網(wǎng)方式。2.2節(jié)點的特點影響車載自組網(wǎng)是極其特殊的移動自組織網(wǎng)絡,它同樣存在一般無線自組網(wǎng)所固有的問題,如隱藏點問題、暴露點問題、信道捕獲問題等,不過也帶有自身獨特的特性。車載自組網(wǎng)的主要特點包括:(1)由于節(jié)點高速移動性(速度大致在5~42m/s之間),導致網(wǎng)絡拓撲結構變化快,路徑壽命短,例如平均速度為100km/h的道路上,如果節(jié)點的覆蓋半徑為250m,則鏈路存在15s的概率僅為57%。(2)無線信道質量不穩(wěn)定,受多種因素影響,其中包括路邊建筑、道路情況、車輛類型和車輛相對速度等。(3)節(jié)點通過發(fā)動機可以提供源源不斷的電力支持,車輛的承載空間也可以確保天線的尺寸和其他額外的通信設備,同時還具有強大的計算能力和存儲能力等。(4)節(jié)點移動具有一定的規(guī)律性,只能沿著車道單/雙向移動,具有一維性。(5)道路的靜態(tài)形狀使得車輛移動是受限制的,車輛軌道一般可預測。(6)GPS能夠為節(jié)點提供精確定位和精準時鐘信息,利于獲取自身位置信息和進行時鐘同步。(7)GPS和電子地圖相結合,利用路徑規(guī)劃功能,將使車載自組網(wǎng)路由策略的實現(xiàn)變得更為簡單。2.3加強駕駛輔助設施建設,提高駕駛安全性車載自組網(wǎng)在交通運輸中出現(xiàn),將會擴展司機的視野與車載部件的功能,從而提高道路交通的安全與高效。典型的應用包括:(1)行駛安全預警。利用車輛間相互交換狀態(tài)信息,通過車載自組網(wǎng)提前通告給司機,建議司機根據(jù)情況作出及時、適當?shù)鸟{駛行為,這便有效的提升了司機的注意力,提高駕駛的安全性。(2)協(xié)助駕駛。幫助駕駛員快速、安全的通過“盲區(qū)”,例如在高速路出/入口或交通十字路口處的車輛協(xié)調(diào)通行。(3)分布式交通信息發(fā)布。改變傳統(tǒng)的基于中心式網(wǎng)絡結構的交通信息發(fā)布形式,車輛從車載自組網(wǎng)中獲取實時交通信息,提高路況信息的實時性,例如,綜合出與自身相關的車流量狀況,更新電子地圖以便更高效地決定路徑規(guī)劃。(4)基于通信的縱向車輛控制。通過車載自組網(wǎng),車輛能根據(jù)尾隨車輛和更多前邊視線范圍外的車輛相互協(xié)同行駛,這樣能夠自動形成一個更為和諧的車輛行駛隊列,避免更多的交通事故。(5)乘客辦公與娛樂化。讓乘客享受娛樂,視頻點播、汽車會議、路邊超市等各種基于無線網(wǎng)絡的應用,例如,在線游戲和Internet接入等。2.4車載自組網(wǎng)的主要特點車載自組網(wǎng)是一種動態(tài)變化并基于無線信道的自組織網(wǎng)絡,面臨的主要挑戰(zhàn)包括以下幾個方面:(1)網(wǎng)絡固有的大規(guī)模性,同時很難保證一維網(wǎng)絡的連通性,必須能處理網(wǎng)絡的分割問題。(2)車載自組網(wǎng)的無線信道是多跳共享的多點信道,信道接入技術控制節(jié)點如何接入無線信道,對網(wǎng)絡性能起著至關重要的作用。(3)車載自組網(wǎng)中的多跳路由是由普通節(jié)點(車輛)協(xié)作完成,不存在專用的路由設備,此外還需適應網(wǎng)絡拓撲頻繁變化等特殊性,因此必須設計專用、高效的多跳路由協(xié)議。(4)QoS保證。自組網(wǎng)出現(xiàn)初期主要用于傳輸少量的數(shù)據(jù)信息,車載自組網(wǎng)中則需要傳輸實時性很高的安全信息,這對帶寬、時延和時延抖動等都提出了很高要求。(5)廣播和組播。由于車載自組網(wǎng)的特殊性(如交通事故發(fā)生時發(fā)送的廣播會導致突然增大的通訊負載),廣播和組播問題變得非常復雜,需要鏈路層和網(wǎng)絡層的支持,因此需要跨層研究。(6)安全問題。移動自組網(wǎng)的特點之一就是安全性較差,易受竊聽和攻擊,車輛節(jié)點不能保證可靠性,因此需要研究適用于車載自組網(wǎng)的安全體系結構和專用安全技術。(7)網(wǎng)絡管理。車載自組網(wǎng)網(wǎng)絡管理涉及面較廣,包括移動性管理、地址管理和服務管理等,需要相應的機制來解決節(jié)點定位和地址自動配置等問題。2.5invent的項目最早關于車輛間通信的研究始于20世紀80年代初的日本;在隨后的90年代和21世紀初,日本的協(xié)同駕駛系統(tǒng)DEMO2000展示了車間通信的另外一個重要應用。目前,歐美也啟動了相關的大型科研項目,在車載自組網(wǎng)方面研究較為活躍的幾個研究機構有:(1)CarTalk2000是一個從2001年開始,為期3年的項目。致力于開發(fā)一種新的基于車間通信的駕駛員輔助駕駛系統(tǒng),用于駕駛的安全性和舒適性。這項研究由INVENT發(fā)起,由八個項目組成,分別處理不同的駕駛輔助系統(tǒng)的問題,這些問題包括安全駕駛、用于緩解交通堵塞的交通管理等。(2)FleetNet,“InternetontheRoad”項目是由6家公司和3所大學為了推動車間通信發(fā)展而建立的項目。FleetNet項目在2000年9月啟動,2003年12月結束,最終展示了一套成品,通過一系列測試獲得了寶貴數(shù)據(jù)。而緊接著該項目的后續(xù)工程NOW,“NetworkonWheels”從2004年開始啟動,同時BMV和Volkswagen這兩大世界級的汽車制造商也被吸引到了這一后續(xù)項目中來,NOW主要目標是解決在車間通信中的通信協(xié)議和如何保證數(shù)據(jù)安全性,最終項目結果提交給C2CCC標準化組織。(8)CHAUFFEUR2是CHAUFFEUR1的一個后續(xù)項目。這一項目主要研究的是“PatooningofVhicles”,在前邊的車輛可以發(fā)送信息給它后邊的車輛,進而可以對后邊車輛的行駛產(chǎn)生影響。此外還有日本JSK領導的“AssociationofElectronicTechnologyforAutomobileTrafficandDriving”,“GroupCooperativeDriving”、美國的VII、美國馬里蘭州立大學的TrafficView項目、法國多個研究機構合作開展的CIVIC等。3utor-tdd、u既由于車載自組網(wǎng)獨特的性質,決定了其對物理層的要求比較苛刻:要求在高速移動的環(huán)境下具有較強的頑健性,減少因高速移動引起的信號突變所帶來的影響,尤其是在高速下產(chǎn)生的多普勒效應等的影響;支持高速率傳輸,提供多跳連接(甚至是在節(jié)點密度比較小的情況下),保證足夠的信息交互;而且對于安全報警信息延遲要非常小,支持突發(fā)性數(shù)據(jù)流,保證其實時性;與MAC層協(xié)議接口相匹配;另外,需要工作在無需授權的頻段內(nèi),以保證其應用普及。目前國外所應用的車載自組網(wǎng)系統(tǒng)所采用的物理層技術主要是基于802.11(Wi-Fi)標準和UTRA-TDD(TD-CDMA)技術,例如CarTalk與F1eetNet項目都采用了UTRA-TDD技術,C2C聯(lián)盟則主張使用改進后的802.11b技術。通過表1,可以對802.11b和UTRA-TDD在物理層中所采用的一些不同參數(shù)進行簡單比較。由上表可以看出802.11b的性能要差很多,但是由于802.11b無線模塊目前應用普及、價格便宜、實現(xiàn)簡單,而且工作在2.4GHz的免費頻段等特點,廣泛被科研實驗所采用;而UTRA-TDD技術實現(xiàn)復雜,造價較高,還有一些非技術因素阻礙其應用。所以說這2種技術各有長短。此外,目前在我國最為普及的GSM移動通信技術,其穩(wěn)定的性能被大家所接受,而支持自組織方式的GSM網(wǎng)絡(A-GSM)是受Lucent技術公司資助,對下一代GSM蜂窩網(wǎng)中繼能力進行研究的課題:該課題研究人員試圖在盡可能減少對現(xiàn)有GSM系統(tǒng)改動的基礎上,使移動臺具有中繼功能,由此來增強GSM網(wǎng)絡的覆蓋能力。由此可見GSM技術應用在自組網(wǎng)中是可行的,其性能也完全符合車載自組網(wǎng)的要求,所以車載自組網(wǎng)物理層也可以嘗試采用GSM技術。無論802.11b、UTRA-TDD還是GSM技術都是一種中心式結構的網(wǎng)絡,將其應用于分布式網(wǎng)絡在很多方面需要進行改進。首先,空中接口需要適應高速動態(tài)變化的網(wǎng)絡拓撲;將中心控制的無線媒介訪問機制修改成分布式的媒介訪問機制;修改由基站控制的無線資源管理機制為節(jié)點自行管理協(xié)同合作的機制;面對更為惡劣的多徑效應、能量控制算法和時隙同步等問題。以時隙同步為例,它既不像在UTRA-TDD、GSM終端設備接入基站時由基站負責進行同步,也不像在802.11b中AP定期地發(fā)送信標(beacon)幀保持相同物理網(wǎng)中的工作站同步。在車載自組網(wǎng)中時隙同步問題可以通過引入GPS進行粗略同步,再加上一些特定機制進行精確同步,比如在幀中設計特定的同步時隙。文獻指出,無論是理論分析還是在實際的高速公路或城市道路中進行的仿真測試,都能得出一個結論:UTRA-TDD比IEEE802.11b具有更大的優(yōu)勢。對于物理層除了技術因素外,還有一些非技術因素阻礙其選取,比如說占用的頻段。在國外,2003年,美國的聯(lián)邦通信委員會專門為車輛間通信劃分了一個75MHz(5.85~5.925GHz)的免費頻帶帶寬用于專用短距離通信(DSRC,dedicatedshortrangcommunication),而歐洲的郵政電信組織(CEPT)也已經(jīng)為UTRA-TDD技術提供了免除執(zhí)照發(fā)放的2010到2020MHz頻段,日本的DEM02000項目采用的專用短程通信技術(DSRC)也有專門的免費頻段。可見,在車載自組網(wǎng)技術發(fā)展比較好的國家都有一個免費頻段供其使用,因此,在我國劃分一個供車載自組網(wǎng)使用的免費頻段勢在必行,以利于其更好的在國內(nèi)推廣。綜合以上物理層的特性,對于車載自組網(wǎng)物理層的選擇標準初步總結如下:(1)適合節(jié)點高速移動,初步設計移動速度上限為150km/h;(2)通訊距離在1km左右;(3)帶寬在1Mbit/s左右;(4)實時性強,支持同步,傳輸延時足夠小;(5)頻率最好是免費頻段(可以考慮2.4GHz的ISM免費頻段)。4mac協(xié)議的特征MAC協(xié)議是報文在信道上發(fā)送和接收的直接控制者,它的優(yōu)劣直接影響到極為有限的無線資源的使用效率,對車載自組網(wǎng)的性能起著決定性的作用。MAC層除了需要解決隱藏終端,暴露終端和資源分配的公平性等普遍問題外,車載自組網(wǎng)特定的應用環(huán)境和業(yè)務需求是其要面臨的特殊問題:如車載終端移動速度快,網(wǎng)絡的拓撲結構高度動態(tài)變化,需要支持突發(fā)的優(yōu)先級高,實時性強的交通安全類業(yè)務應用,許多實時業(yè)務需要以廣播形式發(fā)送等。因此,基于自組網(wǎng)的車載通信系統(tǒng)MAC協(xié)議需要具備以下特征:(1)支持車輛高速移動性;(2)保證通信的實時性和可靠性;(3)具有較好的可擴展性;(4)具有較高的帶寬利用率;(5)采用全分布式自組網(wǎng)方式;(6)為每個用戶提供公平的通信機會;(7)提供高效、及時的廣播機制。4.1關于dd在分布式系統(tǒng)中的應用由于目前所應用的車載自組網(wǎng)物理層一般是基于802.11標準和UTRA-TDD技術的,因此建立在物理層之上的MAC層的幀結構一般也是有兩類的。文獻的物理層選用了UTRA-TDD通信模塊,由于需要將中心式結構的UTRA-TDD應用到分布式系統(tǒng)中,所以要在很多方面做出調(diào)整和改進。首先對MAC層的幀結構進行重新設計,每一幀的時長為10ms,每一幀由15個時隙構成,每4幀又構成一個超級幀,如圖2所示。文獻通過對幀結構的進一步改進,提供不同優(yōu)先級服務。為了避免在隨機信道接入機制下的保留請求沖突,一種電路交換廣播連接(CSBC,circuit-switchedbroadcastchanne1)被引入,它主要用來作為信令目的。如果在幀中沒有足夠的容量來支撐數(shù)據(jù)的發(fā)送,節(jié)點就可以利用CSBC來發(fā)送額外容量保留請求,如圖3所示。文獻的物理層選用了802.11b無線通信模塊,通過設置不同時間長度的幀間間隔(IFS)來實現(xiàn)不同優(yōu)先級別的信道接入機制,為優(yōu)先級高的節(jié)點使用短幀間隔。4.2基于自組網(wǎng)的rr-alhsa協(xié)議MAC層主要是完成無線資源分布式仲裁和管理的工作,其接入方式首先需要考慮的是一個公平性的問題,可以從兩個角度進行考慮:(1)從節(jié)點的角度出發(fā),力圖保證節(jié)點之間占用的信道帶寬相等。(2)從業(yè)務流的角度考慮,力圖保證業(yè)務流之間占用的信道帶寬相等。但是,不論從哪個角度考慮該問題,最終都歸結為如何在MAC協(xié)議中確保每個網(wǎng)絡節(jié)點的公平接入。目前,應用較為廣泛的自組網(wǎng)MAC協(xié)議是IEEE802.11DCF協(xié)議。該協(xié)議基于CSMA/CA,節(jié)點首先通過競爭進行RTS/CTS信息的交互,在此基礎上實現(xiàn)信道的分配,過程如圖4所示。802.11DCF協(xié)議在本質上是以較小的RTS/CTS分組的交互,分配較大的無線資源,從而提高無線資源的利用率。圖中發(fā)送方在發(fā)送數(shù)據(jù)之前應先發(fā)控制幀RTS;如果接收方收到RTS,在SIFS時間后用控制幀CTS對RTS進行確認;發(fā)送方收到確認的CTS,在等待SIFS時間后發(fā)數(shù)據(jù)包;接收方收到數(shù)據(jù)包,在等待SIFS時間后用ACK確認;發(fā)送方收到ACK后,數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢。然而,802.11DCF協(xié)議是為支持分組突發(fā)業(yè)務而設計的,它不支持實時業(yè)務。另外,802.11DCF協(xié)議采用的時間隨機退避機制不適用于同步網(wǎng)絡。而車載自組網(wǎng)對數(shù)據(jù)的實時性要求很高,適合采用基于預約方式的同步MAC協(xié)議,因此基于競爭方式的802.11DCF不太適合在車載自組網(wǎng)中應用。在車間通信中要求具備較多的是廣播特性,因此對MAC層的可靠性要求非常嚴格。目前,對無連接業(yè)務的可靠性保證研究不多,針對車載自組網(wǎng)的可靠廣播研究也很少,目前提出的方法有:在廣播中增加控制幀、劃分路段轉發(fā)數(shù)據(jù)包等。為了實現(xiàn)上述的分布式接入策略,根據(jù)車載自組網(wǎng)的特點提出了一種新的隨機接入方式RR-ALOHA(reliablereservationALOHA),該協(xié)議在R-ALOHA基礎上改進:(1)解決了隱藏終端和暴露終端的問題;(2)通過每幀周期廣播幀信息(FI,frameinformation),使所有的鄰節(jié)點都知道每一個時隙的信道使用狀況,從而使RR-ALOHA協(xié)議能夠在車載自組網(wǎng)中正確運行。FI是發(fā)送節(jié)點感知的前一幀的時隙狀態(tài)信息。RR-ALOHA可以在不同的物理層標準下使用,尤其適合采用時隙結構的物理層。該協(xié)議基本思想是假設一幀由N個時隙組成。當有節(jié)點加入時,先偵聽一幀的時間,然后選擇一個空閑時隙發(fā)送一個分組,來預約這個時隙。如果鄰節(jié)點正確接收到了該分組,則在它的FI中標示出來。當新加入的節(jié)點從一幀時間內(nèi)收到的所有FI中知道鄰節(jié)點都正確接受到分組時,即認為預約成功,從而將每幀的該時隙作為它的基本信道(BC,basechannel),直到節(jié)點離開網(wǎng)絡,在這期間其他節(jié)點不能訪問該時隙。其中,BC信道用于傳送FI、其他信令信息和承載有效載荷。在每一幀中,節(jié)點都必須在自己的BC中發(fā)送FI信息,并根據(jù)鄰節(jié)點的FI和自己的信道使用情況及時更新FI信息。當BC信道提供的帶寬不能滿足業(yè)務的要求時,節(jié)點可以通過預約附加信道的方式占用其他空閑信道,以滿足業(yè)務要求。如果是點對點通信,節(jié)點還可以預約點對點(P2P,point-to-point)信道進行傳送,以實現(xiàn)相鄰一跳群中的時隙復用,提高信道的利用率。圖5顯示了節(jié)點交換FI信息的示例。圖中1~7表示節(jié)點,橢圓區(qū)域A、B、C表示一跳(OH)簇,在每個OH簇內(nèi)的所有節(jié)點在簇內(nèi)享有全連通,在不同簇內(nèi)的節(jié)點如果不屬于所有簇共同子集將不能直接通信,屬于A、B、C簇共同子集的節(jié)點可以和其他簇內(nèi)所有節(jié)點進行通信,所有的OH簇可以認為是一個兩跳(TH)簇。從FI-4和FI-5可以知道3個簇中所有節(jié)點時隙占用情況;以FI-3為例,如果其OH簇內(nèi)所有節(jié)點(2,3,4,5,6)的k-N時隙都是AVAILABLE,則k時隙為AVAILABLE;如果其OH簇內(nèi)有至少一個節(jié)點(如圖中綠色和黃色表示的時隙)的k-N時隙被標識為BUSY,則節(jié)點3在k時隙標識為RESERVED。4.2.3預約式mac協(xié)議對比對于常見自組網(wǎng)一般采用兩種類型的MAC協(xié)議:一種是基于CSMA/CA的異步競爭式MAC協(xié)議,另一種是基于時隙的同步預約式MAC協(xié)議。不過對于車載自組網(wǎng)的特殊性,預約式的同步MAC協(xié)議效果可能更好些。表2對CSMA/CA和RR-ALOHA這兩種MAC協(xié)議進行了簡單的比較。這兩種MAC協(xié)議各有利弊,通過進一步分析,似乎RR-ALOHA更適合于在車載自組網(wǎng)中使用,但是在RR-ALOHA中不能忽視的一點是,節(jié)點通信范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點數(shù)不能超過1幀中的時隙數(shù)。4.2.4載自組網(wǎng)intrapation-revilus除了基于CSMA/CA和時隙類的MAC協(xié)議外,還有一些其他類型的MAC協(xié)議,如令牌環(huán)。在具備GPS系統(tǒng)的車輛間可以使用基于非競爭性的令牌環(huán)接入方式(如WTRP協(xié)議),以提高信道利用率,避免信道沖突,更能滿足車輛間安全預警通信的時延要求。在車載自組網(wǎng)中應用令牌環(huán)的主要思想:在廣播信道上通過令牌組成邏輯環(huán)來控制信道的接入,為表述方便,稱本車輛(對應通信網(wǎng)絡中的本地節(jié)點)為TS(thisstation);前一車輛(對應通信網(wǎng)絡中的上一節(jié)點)為PS(previousstation);后續(xù)車輛(對應通信網(wǎng)絡中的后續(xù)節(jié)點)稱為NS(nextstation)?？紤]實際車輛隊列中,設車輛A,B,C構成隊列,隊列內(nèi)采用無線令牌環(huán)協(xié)議,三輛車組成邏輯令牌環(huán),令牌傳遞順序為A-B―C―A。設某一時刻B為令牌擁有者,令B為TS,相應的A為PS,C為NS。網(wǎng)絡結構示意如圖6所示,圖中箭頭方向表示令牌傳遞方向,當車輛持有令牌后才能開始進行數(shù)據(jù)的發(fā)送,而那些沒有持有令牌的車輛只能進行數(shù)據(jù)的接受。當傳送完一定的數(shù)據(jù)后,令牌擁有者把令牌傳遞給后續(xù)車輛,開始下一輛車的數(shù)據(jù)傳送。4.3mac協(xié)議在國內(nèi),也有一些研究機構和大學對車載自組網(wǎng)MAC協(xié)議進行研究,不過更多的是在軍事領域進行研究。解放軍信息工程大學提出了一種移動自組織網(wǎng)絡新型MAC協(xié)議BR-TDMA,該協(xié)議采用分布式控制,支持分組突發(fā)業(yè)務和資源預留的實時業(yè)務,對網(wǎng)絡規(guī)模不敏感,較好地解決了隱藏、暴露終端等問題。鄭州解放軍信息工程大學提出了一種新型的用于自組網(wǎng)車載通信系統(tǒng)的MAC協(xié)議CCR-ALOHA。該協(xié)議采取競爭與預約相結合的分配方式,并將用于預約的控制時隙和業(yè)務時隙相分離,能夠提供可靠的單跳廣播信道和高效的多跳廣播服務,平均分組時延較小,具有較好的可擴展性。5車載自組網(wǎng)路由協(xié)議由于車載網(wǎng)絡拓撲的頻繁變化,節(jié)點移動速度很快,路由技術成為了車載自組網(wǎng)中的重大挑戰(zhàn)之一。在早期實驗平臺中使用的是一些簡單洪泛路由技術。目前,在車載自組網(wǎng)中使用的路由協(xié)議大致可以分為3類:(1)基于拓撲的路由(TBR,topology-basedrouting)協(xié)議;(2)基于位置的路由(PBR,position-basedrouting,)協(xié)議;(3)基于地圖的路由(MBR,map-basedrouting)協(xié)議,如圖7所示?；谕負涞穆酚蓞f(xié)議根據(jù)是否持續(xù)維持一條源到目的節(jié)點的路徑,采用先應(proactive)式或反應(reactive)式的方法建立路由,主要代表有AODV,DSR和OLSR等。這一類協(xié)議的致命缺陷在于路由建立控制開銷大,時間延遲無法忍受,例如尋找/維護鄰居節(jié)點的Hello信息平均時間間隔是1s,而在交安全通領域要求是反應時間是100ms?；谖恢玫穆酚蓞f(xié)議并不需要路由表或存儲路徑,每個節(jié)點僅需要獲知鄰居節(jié)點和目的節(jié)點的位置信息來決定它自己的下一條節(jié)點,這一類路由協(xié)議能更好的適應網(wǎng)絡大小和拓撲結構的變化,因此在車載網(wǎng)絡中主要使用更多的是基于位置信息的路由協(xié)議,主要代表協(xié)議有GSR和GPSR等。基于地圖的路由協(xié)議目前位置還沒有人提出具體的協(xié)議來,然而從車載自組網(wǎng)的特點來看,應用于車間通信的路由協(xié)議可以利用車輛的特性,例如車載GPS系統(tǒng)和電子地圖,這些都可以幫助節(jié)點獲知自己的位置、鄰居階段和道路拓撲信息,更能利用導航系統(tǒng)中具備的路徑規(guī)劃等功能,未來的車載自組網(wǎng)路由協(xié)議的發(fā)展方向應該是位置與電子地圖相結合的基于地圖路由協(xié)議,由節(jié)點集、道路集和轉彎限制集等幾個有限集合來描述和預知整個網(wǎng)絡的全局拓撲情況,這都對路由的建立提供了有力支持,更快、更準地計算出從原到目的節(jié)點的最佳路徑。車載自組網(wǎng)中路由策略的基本思想是:應用基于地理位置的路由協(xié)議,不需要全局的網(wǎng)絡拓撲結構信息,僅僅需要知道1-hop范圍節(jié)點和目的節(jié)點的地理位置信息,同時還必須有關于目標節(jié)點地理位置注冊與查詢的相關服務。目前在車載自組網(wǎng)中采用的路由策略有:地理源路由協(xié)議GSR,限制洪泛區(qū)域的Geocast,貪婪轉發(fā)與周邊轉發(fā)相結合的GPSR,以及對GPSR改進的空間感知路由協(xié)議SAR等。這些路由協(xié)議都能在某一種道路環(huán)境中獲得不錯的效果。文獻提出的GSR(geographicsourcerouting,地理源路由協(xié)議)應用于城市場景?；舅枷胧?通過位置服務獲取目的節(jié)點的位置信息之后,需要額外利用電子地圖的信息計算從本節(jié)點到目的節(jié)點的最佳路由,路由計算的算法選擇Dijkstra最短路徑算法。信息在節(jié)點間的傳遞仍使用貪婪轉發(fā)。為了增大路由策略的靈活性,中間節(jié)點在數(shù)據(jù)包到達后可以利用Dijkstra最短路徑算法重新計算最佳路由,以獲得性能的提高。節(jié)點傳輸范圍是500m以上。優(yōu)點是與傳統(tǒng)的自組網(wǎng)路由協(xié)議DSR和AODV相比,具有較好的包傳送率、低帶寬利用率等,缺點是沒有考慮在兩個連續(xù)的交叉點之間是否有足夠的車輛來保持連通性。文獻提出的Geocast協(xié)議是應用于移動自組網(wǎng)中的一種特殊組播協(xié)議,基本思想是:將數(shù)據(jù)傳送到某個特定地理區(qū)域內(nèi)的節(jié)點集,在該區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點通過洪泛的方式獲得信息。Geocast的重點在于定義受限洪泛區(qū)(forwardingzone),限制洪泛開銷。其中的代表算法有LBM算法、VoronoiDiagrams算法、GeoGRID算法以及OFGP算法等。這些算法雖然數(shù)據(jù)傳輸率高,但洪泛會導致廣播風暴,引起嚴重的冗余、爭用和沖突等問題。新的方法通過建立路由將數(shù)據(jù)傳送到GEOCAST區(qū),以達到提高傳輸率,降低傳輸開銷的目的,主要算法有GeoTORA算法、Mesh算法和GAMER算法等。Geocast路由協(xié)議采用在目的地區(qū)域存儲和重發(fā)信息的策略,在節(jié)點稀疏并且涉及到多跳方式的大型網(wǎng)絡環(huán)境中,仍然可以獲得比較高的數(shù)據(jù)包轉發(fā)率和較低的信息開銷。文獻提出的GPSR(greedyperimeterstatelessRouting)是比較有名的利用地理位置來優(yōu)化路由協(xié)議,基本思想是:節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)前不尋找路由,不保存路由表。移動節(jié)點直接根據(jù)位置信息(包括自己的、鄰節(jié)點的以及目的節(jié)點的位置信息)制定數(shù)據(jù)轉發(fā)決策。數(shù)據(jù)分組中通常攜帶目的節(jié)點的地理位置信息。網(wǎng)絡中相鄰節(jié)點間通過周期性廣播分組獲得其他節(jié)點的位置信息。源節(jié)點或中間節(jié)點根據(jù)這些位置信息,將數(shù)據(jù)分組傳送給一個或多個相對自己而言距離目的節(jié)點更近的鄰節(jié)點,如圖8所示。GPSR在高速公路上性能不錯,但是在城市環(huán)境中存在著缺陷。文獻提出的空間感知路由協(xié)議SAR(spatialawarerouting)是針對路由空洞障礙的進一步改進,也可以說是在GPSR路由協(xié)議的基礎上的進一步改進,基本思想是:建立一個網(wǎng)路節(jié)點組成的空間模型圖,模型圖中的點表示車輛網(wǎng)絡中的一些重要連接點(車輛、路邊設施等),邊表示連接點之間的連接。圖中的點是根據(jù)GIS中有用信息中提取出來,最后通過編寫一個地理數(shù)據(jù)文件(geographicdatafiles)語法分析器,從空間模型圖中提取道路的相關信息。把源節(jié)點和目的節(jié)點的位置映射到空間模型中,然后利用圖論中的最短路經(jīng)算法來計算源到目的節(jié)點的路徑。但是空間感知路由協(xié)議SAR存在一個缺點,空間模型建立是否準確,決定了路徑上是否有合適的轉發(fā)節(jié)點。因此文獻提出了恢復策略的解決辦法。通過表3,對車載自組網(wǎng)中使用的路由技術進行一個橫向比較:在國內(nèi),也有一些大學和研究機構進行了車間通信路由的研究。南京郵電學院分析了4種目前用于車輛間通信與位置有關的路由協(xié)議,并指出目前的車在自組網(wǎng)路由協(xié)議的轉發(fā)決定大都是由轉發(fā)節(jié)點決策,一種新的基于鄰居節(jié)點競爭的轉發(fā)策略被提出,如何將它運用于車輛間通信也是一個需要研究的方向。北京航空航天大學軟件開發(fā)環(huán)境國家重點實驗室針對大城市環(huán)境下面向車輛通信的移動自組網(wǎng)通信技術進行了分析與研究總結出車輛運動的規(guī)律性,結合該規(guī)律,在DSR路由協(xié)議的基礎上進行路由算法改進,采用分層次的結構,由特殊群體的車輛,如出租車、公車等作為簇頭節(jié)點負責某一區(qū)域的車輛通信,提出了改進的自組網(wǎng)路由協(xié)議以及適用該協(xié)議的網(wǎng)絡