原创 车载自组网的现状与发展

　　引言

　　交通事故因其极强的“杀伤力”被称为世界“头号杀手”。作为智能交通系统重要基础之一的车辆网络概念就是在这种需求背景下提出的。车载自组网是专门为车辆问通信而设计的自组织网络，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内获得其他车辆的状况信息（如车速、方向、位置、刹车板压力等）和实时路况信息。车载自组网的设计目标是建立一个车辆间通信的平台，不仅提高交通效率，还为司机的通行带来可靠安全和多重便利，使旅行者更加舒适。在2003年I1ru—T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（VANET，vehicle ad-hocnetworks）技术有望在2010年将交通事故带来的损失降低50％。

　　2 车载自组网简介

　　自组网是一种无线分布式结构，强调的是多跳、自组织、无中心的概念。因此可以把车载自组网（VANET，vehicle ad hoc networks）定义为一种快速移动户外通信网络（fast moving outdoor commu—nication network），也有人把车载自组网称为自组织交通信息系统（SOTIS，self-organizing traffic informationsystem）。车载自组网的基本思想是在一定通信范围内的车辆可以相互交换各自的车速、位置等信息和车载传感器感知的数据，并自动的连接建立起一个移动的网络。节点的单跳通信范围只有几百米到一千米，每一个节点（车辆）不仅是一个收发器，同时还是一个路由器，因此采用多跳的方式把数据转发给更远的车辆。

　　2.1 网络结构

　　整个车载自组网分为两部分：车与车（V2V，vehicle to vhicle）和车与设施（V2I，vehicle toinfrastructure）。图1显示了车载自组网在真实环境中应用的一个模型示意：

　　可以看到，卫星通信系统分别为车载自组网提供全球定位服务（GPS，global positioning system）和数字多媒体服务（DMB，digital multimedia broad—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。在本文中，针对车载自组网的特点和技术难点，主要讨论车与车之间通信的自组网方式。

　　2.2 主要特点

　　车载自组网是极其特殊的移动自组织网络，它同样存在一般无线自组网所固有的问题，如隐藏点问题、暴露点问题、信道捕获问题等，不过也带有自身独特的特性。车载自组网的主要特点包括：

　　① 由于节点高速移动性（速度大致在5-42m／s之间），导致网络拓扑结构变化快，路径寿命短，例如平均速度为lOOkm／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，受多种因素影响，其中包括路边建筑、道路情况、车辆类型和车辆相对速度等。

　　③ 节点通过发动机可以提供源源不断的电力支持，车辆的承载空间也可以确保天线的尺寸和其他额外的通信设备，同时还具有强大的计算能力和存储能力等。

　　④ 节点移动具有一定的规律性，只能沿着车道单／双向移动，具有一维性。

　　⑤ 道路的静态形状使得车辆移动是受限制的，车辆轨道一般可预测。

　　⑥ GPS能够为节点提供精确定位和精准时钟信息，利于获取自身位置信息和进行时钟同步。

　　⑦ GPS和电子地图相结合，利用路径规划功能，将使车载自组网路由策略的实现变得更为简单。

　　2.3 应用举例

　　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：

　　① 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。

　　② 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。

　　③ 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。

　　④ 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，避免更多的交通事故。

 　　3物理层参数

　　由于车载自组网独特的性质，决定了其对物理层的要求比较苛刻：要求在高速移动的环境下具有较强的顽健I生，减少因高速移动引起的信号突变所带来的影响，尤其是在高速下产生的多普勒效应等的影响；支持高速率传输，提供多跳连接（甚至是在节点密度比较小的情况下），保证足够的信息交互；而且对于安全报警信息延迟要非常小，支持突发性数据流，保证其实时性；与MAC层协议接口相匹配；另外，需要工作在无需授权的频段内，以保证其应用普及。

　　目前国外所应用的车载自组网系统所采用的物理层技术主要是基于802.1l（Wi—Fi） 标准和UTRA—TDD（TD—CDMA）技术，例如CarTalk与FleetNet项目都采用了UTRA—TDD技术，C2C联盟则主张使用改进后的802.1lb技术。通过表1，可以对802.1lb和UTRA—TDD在物理层中所采用的一些不同参数进行简单比较。

　　由上表可以看出802.1lb的性能要差很多，但是由于802.1lb无线模块目前应用普及、价格便宜、实现简单，而且工作在2.4GHz的免费频段等特点，广泛被科研实验所采用：而UTRA—TDD技术实现复杂，造价较高，还有一些非技术因素阻碍其应用。

　　所以说这2种技术各有长短。此外，目前在我国最为普及的GSM 移动通信技术，其稳定的性能被大家所接受， 而支持自组织方式的GSM 网络（A—GSM[301）是受Lucent技术公司资助，对下一代GSM蜂窝网中继能力进行研究的课题：该课题研究人员试图在尽可能减少对现有GSM 系统改动的基础上，使移动台具有中继功能，由此来增强GSM网络的覆盖能力。由此可见GSM 技术应用在自组网中是可行的，其性能也完全符合车载自组网的要求，所以车载自组网物理层也可以尝试采用GSM技术。

　　无论802.1 lb、UTRA—TDD还是GSM 技术都是一种中心式结构的网络，将其应用于分布式网络在很多方面需要进行改进。首先，空中接口需要适应高速动态变化的网络拓扑；将中心控制的无线媒介访问机制修改成分布式的媒介访问机制；修改由基站控制的无线资源管理机制为节点自行管理协同合作的机制；面对更为恶劣的多径效应、能量控制算法和时隙同步等问题。以时隙同步为例，它既不像在UTRA—TDD、GSM 终端设备接入基站时由基站负责进行同步，也不像在802.1lb中AP定期地发送信标（beacon）帧保持相同物理网中的工作站同步。在车载自组网中时隙同步问 可以通过引入GPS进行粗略同步，再加上一些特定机制进行精确同步，比如在帧中设计特定的同步时隙。无论是理论分析还是在实际的高速公路或城市道路中进行的仿真测试，都能得出一个结论：

　　UTRA-TDD比IEEE 802.1lb具有更大的优势。

　　对于物理层除了技术因素外，还有一些非技术因素阻碍其选取，比如说占用的频段。在国外，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75MHz（5.85—5.925GHz）的免费频带带宽用于专用短距离通信（DSRC，dedicated short rangcommunication），而欧洲的邮政电信组织（CEPT）也已经为UTRA.TDD技术提供了免除执照发放的2010到2020MHz频段，日本的DEM02000项目采用的专用短程通信技术（DSRC）也有专门的免费频段。可见，在车载自组网技术发展比较好的国家都有一个免费频段供其使用，因此，在我国划分一个供车载自组网使用的免费频段势在必行，以利于其更好的在国内推广。

　　综合以上物理层的特性，对于车载自组网物理层的选择标准初步总结如下：

　　①适合节点高速移动，初步设计移动速度上限为150km／h；

　　②通讯距离在lkm左右；

　　③带宽在1Mbit／s左右；

　　④实时性强，支持同步，传输延时足够小；

　　⑤频率最好是免费频段（可以考虑2.4GHz的ISM免费频段）。

　　4 MAC层协议

　　MAC协议是报文在信道上发送和接收的直接控制者，它的优劣直接影响到极为有限的无线资源的使用效率，对车载自组网的性能起着决定性的作用。MAC层除了需要解决隐藏终端，暴露终端和资源分配的公平性等普遍问题外，车载自组网特定的应用环境和业务需求是其要面临的特殊问题：如车载终端移动速度快，网络的拓扑结构高度动态变化，需要支持突发的优先级高，实时性强的交通安全类业务应用，许多实时业务需要以广播形式发送等。因此，基于自组网的车载通信系统MAC协议需要具备以下特征：

　　①支持车辆高速移动性；

　　②保证通信的实时性和可靠性；

　　③具有较好的可扩展性；

　　④具有较高的带宽利用率；

　　⑤采用全分布式自组网方式；

　　⑥为每个用户提供公平的通信机会；

　　⑦提供高效、及时的广播机制。

 　　4.1 帧结构

　　由于目前所应用的车载自组网物理层一般是基于802.11标准和UTRA.TDD技术的，因此建立在物理层之上的MAC层的帧结构一般也是有两类的。

　　由于需要将中心式结构的UTRA.TDD应用到分布式系统中，所以要在很多方面做出调整和改进。首先对MAC层的帧结构进行重新设计，每一帧的时长为10ms，每一帧由15个时隙构成，每4帧又构成一个超级帧，如图2所示。

　　为了避免在随机信道接入机制下的保留请求冲突，一种电路交换广播连接（CSBC，circuit.switched broadcast channe1）被引入，它主要用来作为信令目的。如果在帧中没有足够的容量来支撑数据的发送，节点就可以利用CSBC来发送额外容量保留请求，如图3所示。

　　4.2 接入方式

　　MAC层主要是完成无线资源分布式仲裁和管理的工作，其接入方式首先需要考虑的是一个公平性的问题，可以从两个角度进行考虑：①从节点的角度出发，力图保证节点之间占用的信道带宽相等。②从业务流的角度考虑，力图保证业务流之间占用的信道带宽相等。但是，不论从哪个角度考虑该问题，最终都归结为如何在MAC协议中确保每个网络节点的公平接入。

　　4.2.1 802.11DCF

　　目前，应用较为广泛的自组网MA C 协议是IEEE 802.11DCFt2sl协议。该协议基于CSMA／CA，节点首先通过竞争进行 rS，CTS信息的交互，在此基础上实现信道的分配，过程如图4 所示。

　　802.11DCF协议在本质上是以较小的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。

　　图中发送方在发送数据之前应先发控制帧RTS；如果接收方收到RTS，在SIFS时间后用控制帧CTS对RTS进行确认；发送方收到确认的CTS，在等待SIFS时间后发数据包；接收方收到数据包，在等待SIFS时间后用ACK确认；发送方收到ACK后，数据包发送完毕。

　　然而，802.11DCF协议是为支持分组突发业务而设计的，它不支持实时业务。另外，802.11DCF协议采用的时间随机退避机制不适用于同步网络。

　　而车载自组网对数据的实时性要求很高，适合采用基于预约方式的同步MAC协议，因此基于竞争方式的802.11DCF不太适合在车载自组网中应用。

　　4.2.2 RR—ALOHA

　　在车间通信中要求具备较多的是广播特性，因此对MAC层的可靠性要求非常严格。目前，对无连接业务的可靠性保证研究不多，针对车载自组网的可靠广播研究也很少，目前提出的方法有：在广播中增加控制帧划分路段转发数据包等。为了实现上述的分布式接入策略，根据车载自组网的特点提出了一种新的随机接入方式RR—ALOHA [ （reliable reservation AL OHA），该协议在R—ALOHA基础上改进：

　　①解决了隐藏终端和暴露终端的问题；

　　② 通过每帧周期广播帧信息（FI，frame information），使所有的邻节点都知道每一个时隙的信道使用状况，从而使RR—AL OHA协议能够在车载自组网中正确运行。FI是发送节点感知的前一帧的时隙状态信息。RR—AL OHA 可以在不同的物理层标准下使用，尤其适合采用时隙结构的物理层。当有节点加入时，先侦听一帧的时间，然后选择一个空闲时隙发送一个分组，来预约这个时隙。如果邻节点正确接收到了该分组，则在它的FI中标示出来。当新加入的节点从一帧时间内收到的所有FI中知道邻节点都正确接受到分组时，即认为预约成功，从而将每帧的该时隙作为它的基本信道（BC，base channe1），直到节点离开网络，在这期间其他节点不能访问该时隙。其中，BC 信道用于传送FI、其他信令信息和承载有效载荷。在每一帧中，节点都必须在自己的BC中发送FI信息，并根据邻节点的FI和自己的信道使用情况及时更新FI信息。当BC信道提供的带宽不能满足业务的要求时，节点可以通过预约附加信道的方式占用其他空闲信道，以满足业务要求。如果是点对点通信，节点还可以预约点对点（P2P，point—to—point）信道进行传送，以实现相邻一跳群中的时隙复用，提高信道的利用率。图5显示了节点交换FI信息的示例。

　　4.2.3 CSM CA和RR—AL OHA 的比较

　　对于常见自组网一般采用两种类型的MAC协议：一种是基于CSMMCA的异步竞争式MAC协议，另一种是基于时隙的同步预约式MAC协议。

　　不过对于车载自组网的特殊性，预约式的同步MAC协议效果可能更好些。表2对CSMA／CA 和RR—ALOHA 这两种MAC协议进行了简单的比较。

 　　这两种MAC协议各有利弊，通过进一步分析，似乎RR—AL OHA更适合于在车载自组网中使用，但是在RR—ALOHA中不能忽视的一点是，节点通信范围内的邻居节点数不能超过1帧中的时隙数。

　　4.2.4 令牌环

　　除了基于CSMA／CA和时隙类的MAC协议外，还有一些其他类型的MAC协议，如令牌环。在具备GPS系统的车辆问可以使用基于非竞争性的令牌环接入方式（如WTRP协议），以提高信道利用率，避免信道冲突，更能满足车辆间安全预警通信的时延要求。在车载自组网中应用令牌环的主要思想：在广播信道上通过令牌组成逻辑环来控制信道的接入，为表述方便，称本车辆（对应通信网络中的本地节点）为TS（this station）；前一车辆（对应通信网络中的上一节点）为PS（previous station）；后续车辆（对应通信网络中的后续节点）称为NS（next smtion）。考虑实际车辆队列中，设车辆A，B，C构成队列，队列内采用无线令牌环协议，三辆车组成逻辑令牌环，令牌传递顺序为A—B—C—A。设某一时刻B为令牌拥有者，令B为TS，相应的A为PS，C为NS。网络结构示意如图6所示，图中箭头方向表示令牌传递方向，当车辆持有令牌后才能开始进行数据的发送，而那些没有持有令牌的车辆只能进行数据的接受。当传送完一定的数据后，令牌拥有者把令牌传递给后续车辆，开始下一辆车的数据传送。

　　5 路由协议

　　由于车载网络拓扑的频繁变化，节点移动速度很快，路由技术成为了车载自组网中的重大挑战之一。在早期实验平台中使用的是一些简单洪泛路由技术。目前，在车载自组网中使用的路由协议大致可以分为3 类：

　　① 基于拓扑的路由（TBR，topology—based routing）协议；

　　②基于位置的路（PBR，position—based routing，）协议；

　　③基于地图的路（MBR，map—based routing）协议，如图7所示。

　　GPSR（greedy perimeter state—less Routing）是比较有名的利用地理位置来优化路由协议，基本思想是：节点在发送数据前不寻找路由，不保存路由表。移动节点直接根据位置信息（包括自己的、邻节点的以及目的节点的位置信息）制定数据转发决策。数据分组中通常携带目的节点的地理位置信息。网络中相邻节点问通过周期性广播分组获得其他节点的位置信息。源节点或中间节点根据这些位置信息，将数据分组传送给一个或多个相对自己而言距离目的节点更近的邻节点，如图8所示。GPSR在高速公路上性能不错，但是在城市环境中存在着缺陷。

　　空间感知路由协议SAR（spatialaware routing）是针对路由空洞障碍的进一步改进，也可以说是在GPSR路由协议的基础上的进一步改进，基本思想是：建立一个网路节点组成的空问模型图，模型图中的点表示车辆网络中的一些重要连接点（车辆、路边设施等），边表示连接点之问的连接。图中的点是根据GIS中有用信息午提取出来，最后通过编写一个地理数据文件（geographic data files）语法分析器，从空间模型图中提取道路的相关信息。把源节点和目的节点的位置映射到空问模型中，然后利用图论中的最短路经算法来计算源到目的节点的路径。但是空间感知路由协议SAR存在一个缺点，空间模型建立是否准确，决定了路径上是否有合适的转发节点。

　　通过表3，对车载自组网中使用的路由技术进行一个横向比较：

　　6 结语

　　随着人们对个人通信要求的提高，人们越来越希望有一种更安全、高效率的方式移动到目的地，车载自组网将会是未来的重点发展方向，其中MAC层和路由层的设计将是车载自组网所面临的最重大挑战，MAC层需要解决的问题有无线信道划分、分配和能力控制，向网络层提供统一的服务，屏蔽物理层不同的信道控制方式，实现拥塞控制、优先级排队、分组发送、确认、差错控制和流量控制等；路由层的侧重点在于如何建立完全分布式的、适合高速拓扑变化车载网络的路由协议。最终整个车载自组网的目标是制定一个通信标准协议，使不同厂商的车辆之间都能实现自由通信。