车载自组网技术综述.docx
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车载自组网技术综述
摘要
车载自组织网络（VANET：
vehicularadhocnetworks）是由车载节点、路边通信基础设施和服务器组成的自组织无线多跳网络。
与传统的基础设施网络相比，车载自组织网络具有成本低、容易部署和操作的优势。
另外从技术角度来看，车载自组织网络能够方便地为临近车辆建立实时或者非实时的短距离通信。
车载自组网能够通过车辆信息〔如车速、位置和方向等〕以及路况信息〔如拥塞情况、交通指示灯信息和道路实时状态等〕的交互，提高车辆通行效率及安全性。
车载自组网主要应用于智能交通系统中的安全预警、协助驾驶、分布式交通信息发布、基于通信的车辆控制及办公与娱乐化等方面。
本文主要从车载自组织网络的背景、结构介绍、重难点和研究现状以及应用领域对VANET进行综述。
关键词：
VANET车载通信路由协议
一、背景及意义
一.1研究背景
随着机动车的广泛发展，车联网发展迅速。
其中，作为车联网的一个分支，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的密切关注。
1
一.1.1国际动态
2003年,美国的联邦通信委员会专门为车辆间通信划分了一个专用频段。
在该年的汽车通信标准化会议上，各国专家提出的车用自组织网络技术有望将交通事故带来的损失降低50％。
2004年~2006年，MobiCom专门召开了3次专题研讨会讨论VANET。
2005年,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标准。
具体的研究项目有欧洲多国合作开展的Fleenet项目、德国的“NetworkonWheels”、日本JSK领导的“AssociationofElectronicTechnologyforAutomobileTrafficandDriving”，“GroupCooperativeDriving”、美国的VII、美国马里兰州立大学的TrafficView项目、法国多个研究机构合作开展的CIVIC等。
一.1.2国内动态
在国内，一些研究机构和大学对车载自组网MAC协议进行了研究，不过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协议BR-TDMA,该协议采用分布式控制，支持分组突发业务和资源预留的实时业务，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的用于自组网车载通信系统的MAC协议CCR-ALOHA。
该协议采取竞争与预约相结合的分配方式，并将用于预约的控制时隙和业务时隙相别离，能够提供可靠的单跳广播信道和高效的多跳广播服务，平时分组时延较小，具有较好的可扩展性。
目前，VANET的研究主要涉及网络架构，物理层技术，媒体访问机制，路由协议，安全技术等。
一.2研究意义
一.2.1降低事故率
车载自组网通过提供车辆之间的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，使司机能够在超视距的范围捏获得其他车辆的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〔如交通拥塞情况、交通指示灯信息和道路实时状态等〕的交互，提高车辆通行效率及安全性[1]。
一.2.2提高交通系统效率
随着车载自组织网络的发展，越来越多的车辆会具备通信和信息处理的能力，这使分布式的交通控制成为可能。
车辆可以通过分布式的协调、同步等，实现对道路资源的合理分配，从而控制车辆安全、高效地行驶，大大推动智能交通系统的发展［2］。
一.2.3开发跨领域应用
目前,商业与娱乐是无线通信应用最多的领域,该领域的应用关注客户消息的传输、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、停车收费或道路不停车收费等。
二、网络结构与通信方式
二.1车载自组网络结构
车载自组网组成部分：
车、设施〔包括路边基站、信号灯等〕、卫星〔提供GPS定位服务〕、互联网〔实现部署功能〕等。
图1显示了车载自组网的模型示意[3]：
图1：
车载网络结构图
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能够通过多跳的方式进行自动互联，这好比车与车之间能够像人一样互相交谈，起到提高车辆运行的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的通信外，还可以通过路灯、加油站等作为接入点的网关（gateway），连接到其他的固定或移动通信网络上，提供更为丰富的娱乐、车内办公等服务。
VANET网络可能被通信运营商、内容服务商、政府机构部署，或者由他们联合部署，构成一个混合架构的无线通信网络。
根据欧洲车载通信联盟〔C2C-CC〕的定义，VANET的架构已被拓展到更广泛的范畴，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〕与用户终端之间的通信，用户终端可以是某种具体设备，也可以是集成于OBU的虚拟模块，连接方式可以有线或无线的。
车间通信〔Ad-hocdomain〕包括OBU之间的通信〔V2V〕以及OBU与RSU之间的通信〔V2R〕，通信方式可以是单跳也可以是多跳的。
车路通信〔Infrastructuredomain〕是OBU、RSU与基础设施之间的通信，如Satellite、HotSpot、3G、4G等，完成接入互联网的功能。
对于RSU来说，连接可以是有线的。
二.2车载自组网通信方式
车载自组网是运行于道路上的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〕间的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的通信范围内的信息交互。
如图2所示，车辆在建立连接后，会自组织的建立起一个临时移动通信网络。
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，将其他车辆传输过来的信息以多跳的方式传输至后续车辆节点或者路边信息设备。
通常,由于采用802.11系列协议，单个车辆节点的单跳范围只有几百米，可以看作一个移动的WLAN网络[4]。
图2：
两种通信方式
三、路由协议[5]
车载自组网的路由协议研究是个热门课题。
由于车载自组网的网络拓扑变化频繁、链路不稳定，路由技术是车载自组网技术的重大挑战之一。
很多研究机构和公司对车载自组网的路由算法进行了研究，并提出了许多车载自组网路由协议算法。
这些算法大部分来自于移动自组网路由算法，但是又很好地解决了移动自组网路由算法无法适用于车载环境下的缺陷。
路由协议是两个通信实体间进行通信和信息交流的标准。
它分为路由建立、路由选择和路由维护三个部分。
路由建立是指根据网络和节点信息而生成的路由路径；路由选择是根据需求和算法对已建立的路由进行选择；路由维护是指对选定的路由路径进行维护，在发生路径断裂的情况下，采取一定的恢复策略进行路由恢复。
路由选择算法是为转发节点寻找下一转发路径，成功将消息发送到目的节点。
它分为两个步骤：
第一，为源节点选择到达目的节点的路径，在不同节点运行路由选择算法并在节点间交换信息；第二，将消息发送到目的节点，消息包括每个节点存储的路由表和路由表动态更新。
理想的路由算法应该具备准确、简单、自适应和最优的特点。
总的来说，车载自组网路由协议算法一般分为三种：
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协议算法中重要组成部分，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的节点为目的。
本文着重介绍单播路由算法，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，源节点周围都是目的节点，源节点需要把数据包传播到周边的所有节点。
地理组播路由算法是将一定区域的所有节点作为目的节点，源节点需要将信息传播到一定区域内的所有节点，这个区域称之为相关区域。
三.1单播路由协议
单播路由协议可分为基于拓扑的路由协议、基于地理位置的路由协议和基于分簇的路由协议三种。
如果单播路由协议根据是否分级来分，可以分为平面路由协议和基于分簇的路由协议。
平面路由协议的主要思想是车载自组网中的节点没有进行分级，节点间是平等的，任何节点之间都可以直接互相通信。
平面路由协议根据是否需要节点的位置信息来选择路由路径来分，可以分为基于拓扑的路由协议和基于地理位置的路由协议两种。
基于拓扑的路由协议的主要思想是根据网络的拓扑结构和链路信息来做出路由规划，并不需要节点自身的位置信息和移动速度信息。
而基于地理位置的路由协议则不需要路由表或存储路径，而是充分利用定位服务获得的位置信息和速度信息，为数据转发选出更好更有效的路由路径。
这种路由协议能够更好的适应网络大小和拓扑结构的变化。
基于分簇的路由协议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的。
基于分簇的路由协议的出现主要是为了充分利用网络带宽，并且能够适应网络的大规模化。
三.1.1平面路由协议
平面路由协议分为基于拓扑的路由算法和基于地理位置的路由算法。
由于车载自组网可以看作是一种极其特殊的移动自组网，因此移动自组网的路由算法也可以应用到车载自组网上。
而基于拓扑的路由算法恰恰是从移动自组网的基于拓扑的路由算法中演变过来的。
具体有PRAODV算法、DAODV算法、PAODV算法、VPRP算法、ROMSGP算法。
目前，基于拓扑的路由算法主要是根据经典的基于拓扑的路由算法和进行改良。
由于定位系统的普及，每个车辆节点都装有，能够获得节点的位置和速度方向信息。
在车载自组网中，车辆节点根据获得的地理位置信息进行路由规划。
由于基于地理位置的路由算法在无线传感网络和移动自组网中都表现的很好，研究机构开始将它应用到车载自组网中，渐渐地成为了车载自组网的主流路由算法，甚至于在基于拓扑的路由算法中都引入了位置和速度方向信息。
具体有基于地理位置的贪婪路由算法GPSR、延时容忍路由算法、服务质量路由算法。
三.1.2基于分簇的路由协议
与平面路由算法不同，基于分簇的路由算法能适应网络的大规模性，能够减少车载自组网的控制开销，具有很好的发展前景。
但是车载自组网中的节点移动速度快，对簇的形成和维护提出更高的要求。
因此如何将一群节点组成一个个的簇，设计出能适应车载自组网的高移动性的分簇算法是关键。
如图3所示，它显示了基于分簇的路由协议的基本结构。
其中，较大的车作为簇头节点，其他车辆为普通节点。
图3：
基于分簇的路由协议的基本结构
三.2广播路由协议
在车载自组网中，有时候必须要用到广播路由协议。
它是车载自组网中的基本操作，通过广播的形式将信息传播到其他所有节点，例如交通状况，天气状况和广告等信息。
在单播路由协议中，有的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的信息最重要的是目的节点位置信息的传递。
最简单的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的所有邻居节点，除了发送给它广播信息的那个节点。
洪泛方式能保证每个节点都收到广播信息，但是不可防止地会带来信道冲突、广播风暴和很高的开销，故而泛洪方式只适合于小规模的车载自组网。
三.3地理组播路由协议
Geocast路由协议[6]是一种基于位置的组播路由协议，它把数据包从源节点传送到某个特定地理区域内的节点集。
在车载自组网中，很多应用都需要这种位置辅助组播路由，尤其是在交通安全领域，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，提示该区域的车辆节点不要靠近事故发生地，以免造成连环事故和交通堵塞。
而不必要告知区域之外的车辆节点，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，则表示它退出了组播组。
多数的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的泛洪传播，用来降低由于泛洪引起的控制开销和信道冲突。
还有一种解决方法是通过单播路由把数据包传送到目标区域，而在目标区域内再使用泛洪方式。
三.4路由协议小结
在车载自组网中，路由协议是关键技术之一。
通过对各种路由协议的分析，发现设计出一种万能的路由协议是不实际的。
在不同的应用环境下，需要不同的车载自组网路由协议。
对于大规模性的车载自组网，网络动态变化频繁，它的协议要能够对拓扑变化具有高度的适应性，并且具有良好的可扩展性。
对于节点移动速度快，对时延要求较高的车载自组网，它的协议必须要保证低时延。
所以，根据具体的应用环境，构造出适合的路由协议才是车载自组网路由协议设计的关键，也是难点。
随着设备的普及，车辆节点都可以获得自己的位置信息和移动速度信息，所以现在的协议都将位置信息和移动速度信息作为下一跳选择的度量因素，基于地理位置的路由算法成为了车载自组网路由协议的主流。
车载自组网路由协议的研究还在发展中，随着研究的深入，更多的路由算法被提出，更多的解决方案被实现。
四、车载自组织网络相关技术[7]
四.1物理层标准
车载自组网络节点在高速移动中进行通信,所以需要一个稳健的频道以及良好的信号,以适应车载自组网的需求可以支持高速率的传输以及多跳传输,保证实时信息、地传送对于信号的延迟要降低到最小,并且要保证信息传送的实时性必须与链路层一协议接口匹配。
目前世界上应用于车载网的物理技术主要有:
〔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应用比较简单、价格廉价,但是性能上要远逊于UTRA-TDD。
参数比较如表1[8]。
表1
国内一般使用GSM移动通信技术,A-GSM是公司资助研究的支持自组织技术的移动通信技术,主要针对GSM系统中移动台的中继技术进行研究,以此来增大GSM网络覆盖半径。
所以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的DSRC标准〔DedicatedShortRangeCommunication：
专用短距离通信技术〕，2003年，美国的FCC专门为车载网系统通信分配了75MHz的信道。
四.2MAC层[9]
MAC层向网络中的节点提供了物理寻址和信道接入控制，为上层提供快速、可靠的报文传输支持。
特别在无线网络中，MAC协议能否有效地利用无线信道的有限带宽，将对无线网络的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网络的普遍问题外，还需考虑以下特殊因素：
移动自适应拓扑变化、不同类别应用优先级、低传输延时、可靠传输等。
早期关于VANET的MAC层协议研究主要基于对传统AdHoc网络MAC协议的改良，以适用于高速移动的VANET。
例如，IEEE802.11DCF[17]协议，基于CSMA/CA，以较小的RTS/CTS分组的交互，分配较大的无线资源，从而提高无线资源的利用率，但IEEE802.11DCF不能很好支持实时业务；AdHocMAC[18]协议，通过TDMA机制为每个终端预留时隙，为VANET提供了较好的QoS保证，但AdHocMAC协议不能有效地利用信道，且通信范围内的节点数目受限制；D-MAC协议（directionalMAC，定向天线MAC协议）[19]是基于IEEE802.11提出的，每个终端通过GPS知道自己和邻终端的地理位置，在相邻的平行运行的车辆中，定向天线有利于减少传输干扰和冲突，但其复杂性以及其昂贵的设施给实现带来了困难。
近几年，关于VANET的MAC层协议研究较多，且提出了一些专门为车载环境下的无线接入设计的MAC层新协议，大大改良了VANET无线接入控制的性能，提高了通信可靠性，降低了传输延时。
五、车载自组网络特点及研究难点
车载AdHoc网络作为一种特殊的移动AdHoc网络，除了具有一般AdHoc网络的一些共性外，还具备一般AdHoc网络所不具备的特征。
正是这些特性给设计车载AdHoc网络的路由层提出了新的挑战。
五.1车载自组网特点
五.1.1优点
1）拥有丰富的外部辅助信息
随着GPS〔全球定位系统，GlobalPositioningSystem〕和GIS〔地理信息系统，GeographicInformationSystem〕的普及,车载自组网中网络节点不仅可以获得自身的位置信息,还可以得到所在区域的地理信息。
GPS可以为节点提供精确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，利用路径规划功能，将使车载自组网络由策略的实现变得更为简单。
2）无能量约束
网络中节点可以使用车辆电池作为电源,所以,车载自组网不像其他移动自组织网络和传感器网络那样存在严格的能量约束。
3）优质高效的硬件设施保证
车辆的承载空间较大，可以确保各类通信设备的尺寸和规模，如天线、路由器等，同时具有强大的计算能力和存储能力。
4）车辆节点运动有规律性
道路的静态形状使得车辆移动是受限制的，车辆轨道一般可以预测。
车辆同向行驶,拓扑相比照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,可以预测路径状态。
因此,不同运动场景对车辆运动的规律性有着较大的影响。
然而大多数场合,具有相同或类似运动规律的车辆可看作一个整体,可防止个体的特殊运动行为带来的分析误差,有利于分析结果的准确性。
五.1.2缺点
1）网络拓扑结构变化快
在城市场景下汽车的移动速度都比较快速。
汽车快速的移动使得无线覆盖半径变得相对较小，尤其是在高速公路上当无线覆盖半径是250米而汽车的行驶速度到达120km/h的时候。
汽车节点的高度动态性使得汽车AdHoc网络的拓扑结构变化快速，这个特征给路由的管理带来了很大的不便。
另外在车载AdHoc网络中，汽车节点会频繁的加入和退出，特别是在城市场景中，车载AdHoc网络的规模在车流高峰期时会迅速增大。
因此对车载AdHoc网络路由算法的扩展性提出了很高的要求。
在车载AdHoc网络中，由于节点的速度大致在5～42m/s之间，这种高速移动性导致网络拓扑结构变化快，路径寿命短，例如平均速度为100km/h的道路上，如果节点的覆盖半径为250m，则链路存在15s的概率仅为57%。
2）无线信道质量不稳定
由于车辆节点具有高速移动性，道路周围又有建筑物的影响，导致无线信道质量不稳定。
受多种其他因素影响，包括道路情况、车辆类型和车辆相对速度等，数据传输过程中，受到多普勒效应的严重干扰，信道质量不稳定。
3）信道带宽严重低于理论值
由于车辆分布集中，导致了对无线信道的频繁竞争，负载过于集中，使得车辆终端得到的实际带宽远远小于理论值，比普通的AdHoc网络更严重。
4）受地理位置影响
ＶＡＮＥＴ的数据通信往往与地理位置有关，有一定的方向性。
譬如，ＶＡＮＥＴ中安全消息具有后向传递性，在事故预警时，消息总是向来车的方向进行传播。
5）受洪泛影响大
移动自组织网络中常用的路由协议需要使用泛洪广播机制来搜索路径,频繁的拓扑变化必然导致频繁的泛洪广播。
而车载自组网路由呈现“桶状”形式,泛洪广播更会带来严重的阻塞。
6）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的技术和设备，主流使用IEEE802.11标准。
但标准应用在车载自组网方面存在一些问题，如在狭窄的道路空间内可能存在更多的冲突,原有的防止策略可能效果并不十分理想同时，802.11标准自身退避机制的不公平性可能会加剧这种冲突，这对车载自组网中需要紧急传输的事故告警信息非常不利。
五.2研究难点
基于以上特点，由两种网络结构组成的车载网络，将需要克服一些难题。
首先，有必要实现对两种网络下的协议和应用的兼容〔两种路由协议的切换和互操作〕；其次，考虑用户局部管理问题，要汇总局部数据到一个整体，以实现全局搜索和访问；再次，满足一定的QoS，比方时延和带宽要求；此外，由于异构的存在，数据传输时，必然要大量的连接、切换，因此要提供透明的传输以及提供RVC网络频繁无缝切换的机制。
这些问题都将是未来车载网络中的研究方向和热点。
主要挑战有〔1〕网络的连通性问题,车载自组网网络规模较大,会频繁出现网络通信的分割断线的现象〔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〕路由协议的设计问题,车辆节点可以作为路由设备来使用,并且网络的拓扑变化较快,所以必须设计一个高效的标准协议〔4〕通信质量问题,网络传输的信息安全问题,需要对带宽可能存在拥堵、过高的时延等问题进行处理〔5〕网络管理的问题,车载网的管理包括节点移动性、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的自动分配地址的一些问题。
六、应用领域[10]
车载自组网的四类主要应用有主动安全,如VSC〔VehicleSafetyCommunications〕项目中对车辆主动进行刹车、变道、绕行等行为进行的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的文献中也包含了应用实例。
总之,车载自组网的分类方式需要根据具体网络的使用情况与目的,具有相同特征的应用可归为同类别加以划分。
车载自组网在交通运输中出现，将会扩展司机的视野与车载部件的功能，从而提高道路交通的安全与高效。
典型的应用包括：
行驶安全预警，利用车辆间相互交换状态信息，通过车载自组网提前通告给司机，建议司机根据情况作出及时、适当的驾驶行为，这便有效的提升了司机的注意力，提高驾驶的安全性；协助驾驶，帮助驾驶员快速、安全的通过“盲区”，例如在高速路出／入口或交通十字路口处的车辆协调通行；分布式交通信息发布，改变传统的基于中心式网络结构的交通信息发布形式，车辆从车载自组网中获取实时交通信息，提高路况信息的实时性，例如，综合出与自身相关的车流量状况，更新电子地图以便更高效地决定路径规划；基于通信的纵向车辆控制，通过车载自组网，车辆能根据尾随车辆和更多前边视线范围外的车辆相互协同行驶，这样能够自动形成一个更为和谐的车辆行驶队列，防止更多的交通事故。
六.1主动安全应用
主动安全应用被视为是与道路安全有最直接影响的车载自组网的典型应用。
其基本目的是通过消息的传输使驾驶更安全,这意味着当驾驶员面临一个危险的境地,交通事故将无法防止的发生时,车辆可以主动尝试防止意外发生或做出适当的安全措施。
将主动安全应用场景按危险程度分类。
如危险的道路曲线特征是静态的,可以预见的。
因此，危险性低当交通异常,而道路状况仍然没有改变时,可视为是一个动态的情况。
如,驾驶员按照常规方式驶过发生事故的区域。
在这些情况下,危险度会逐渐升高。
当出现高危险时,应用会尽量防止车辆的碰撞例如,如果大量密集的交通车辆同时制动。
如果刹车行为仍然无法阻止碰撞的产生,就需要借助碰撞预警感应器,尽量减少对即将发生的碰撞进行防止或降低危害。
如,可通过关闭窗户或提高减震器的功能降低影响。
最后,当危险已经发生后,预警系统将开启告警功能,警告接近车辆或拨打求助。
六.2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的公共服务功能。
这一类典型的例子对具备虚拟警报或发送高优先级信号的紧急车辆的支持。
在这类应用场景下,紧急救援车辆可以更快到达其目的现场。
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