车载自组织网络（VANET）综述

朱存智

（1.工程兵指挥学院，江苏 徐州 221116；2.四川大学，四川 成都 610065）

车载自组织网络（VANET）综述

1、2朱存智

（1.工程兵指挥学院，江苏 徐州 221116；2.四川大学，四川 成都 610065）

车载自组织网络是未来智能交通系统的重中之重。车载自组织网络具有节点数量大、高速运动、沿路径移动以及受通信质量受环境影响大等特性。因此其网络体系结构与通用的无线自组织网络有很大区别。

VANET；车载网络

1.研究背景及目的

目前国内外对VANET的研究也大都是基于经典的网络体系结构来进行的。下面介绍车载网络相关技术的研究现状：

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：基于拓扑的路由（TBR，topology-based routing）协议；基于位置的路由（PBR，position-based routing，）协议；基于地图的路由（MBR，map-based routing）协议，DSDV（Destination-Swquenced Distance-Vector）协议时一种距离矢量路由协议，是由传统的 Bellman-Ford路由协议改进得到的，它利用目的节点序列号来解决DBF算法的路由环路和无穷技术问题。

GSR（Geographic Source Routing）是基于地理位置和拓扑结构的路由协议。GSR通过位置服务获取目的节点的位置信息之后，需要额外利用电子地图的信息计算从本节点到目的节点的最佳路由，路由计算的算法选择Dijkstra最短路径算法。协议非常简单，并且容易实现，但在应付快速变化的拓扑结构方面效率非常的差，并且很容易因为车辆移动的方向不同而产生很频繁的网络分割问题。

GPCR（Greedy Perimeter Coordinator Routing）提出了专门解决城市环境中的路由问题的方法，它采用了受限的基于预选路径的贪婪转发策略，为了提高路由的可靠性，协议在所有的边缘结点中选择最接近于目标地址的结点进行数据路由，协议引入了协调结点的概念，协调结点是指处在路口的结点，当选择下一跳时，协议会优先选择处在交叉路口的结点来进行路由。

GPSR（Geographical Perimeter Stateless Routing）是比较有名的利用地理位置来优化路由的协议。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。网络中相邻节点间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。

2.体系结构

车载网络是一种特殊的移动自组织网络，以配备了无线互连接口设备的车辆为节点。车载网络是一种融合了车辆与车辆之间直接互连、间接互连以及车辆与路边固定设施互连的混合体系结构的网络。车载网络的整体框图如图1所示。

图1 体系结构图

3.车载网络通信

为了解决交通的安全与高效问题，配备了无线互连接口装置的车辆与车辆之间需要在一个暂时的、快速变化的Ad hoc网络中进行数据的交换；此外，这些车辆还应能访问路边的网络固定设施，以便满足多方面的数据共享与通信需求。所以由应用需求决定了车载网络不仅要包括由车辆为节点的无线自组网，而且要包括车辆为移动节点与路边设施互连的无线移动网。因此，车载网络通信包括车辆之间的通信和车辆与路边固定设施之间的通信。

典型的IVC通信如图2所示，圆形虚线表示车辆节点的通信范围。节点A可以通过B或者C与D通信。此外本文所给出的图示是在某一刻的静止影像，而实际上各节点是沿着相对规则的轨迹高速移动的。

图2 车辆节点之间通信

车辆与路边设施的互连允许车辆与路边的基础设施进行无线通信，来实现更大范围信息的共享和Internet接入，例如，路况信息的查询，过桥、停车系统的自动收费等；这种网络相当于WLAN的一种特殊应用，或者是蜂窝移动通信技术的一种技术延伸。虽然这两种技术都可用于无线移动节点访问基础设施，但是原理相差很大。所以路边固定设施可以是无线网关或者基站。每个固定设施有一定的通信范围，所以车辆在行驶过程中访问路边设施时，会在多个固定设施的通信区域中切换。典型的切换如图3所示。

图3 通信切换

车辆首先通过左边的基站访问有线网络，一段时间后，驶出了左边基站的覆盖范围，进入了右边的基站范围，此时，就涉及到一系列跨区切换问题。

由于车载网络是由两种类型的网络混合而成，从而其网络协议既包括无线自组织网络协议，同时也包括无线局域网或蜂窝网的协议；而这些协议不可能是将已有的协议直接照搬到这里使用，而是要考虑车载网络的特点对这些协议进行改进或重新设计才能符合车载网络的要求。

4.特点及研究难点

车载Ad Hoc网络作为一种特殊的移动Ad Hoc网络，除了具有一般Ad Hoc网络的一些共性外，还具备一般Ad Hoc网络所不具备的特征。正是这些特性给设计车载Ad Hoc网络的路由层提出了新的挑战。下面将从六个方面简单介绍车载Ad Hoc网络的一些特点。

（1）地形的限制影响

在车载Ad Hoc网络中汽车节点的运动会受到不同场景中地形的限制。道路的静态形状使得车辆移动是受限制的，只能沿着车道单、双向移动，具有一维性。车辆行驶轨道一般是可以预测的，显著区别于普通的Ad Hoc网络节点的随机运动。因此在车载Ad Hoc网络的模拟实验中需要一个能够反应现实场景特征的汽车节点移动模型，从而提高汽车Ad Hoc网络模拟实验的真实性。

（2）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达到 120km/h的时候。汽车节点的高度动态性使得汽车Ad Hoc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Ad Hoc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Ad Hoc网络的规模在车流高峰期时会迅速增大。因此对车载Ad Hoc网络路由算法的扩展性提出了很高的要求。

在车载 Ad Hoc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%。

（3）无线信道质量不稳定

由于在城市环境下，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。限制了节点无线传输的范围，使得在物理位置上处于无线覆盖范围内的节点并不一定能够直接通信。这就使得现有的Ad Hoc路由协议直接应用于车载Ad Hoc网络中性能严重下降。因此，对传统路由协议进行改进，以便适合于车辆间通信也是研究车载Ad Hoc网络的难点所在。

（4）无能量约束

节点通过发动机可以提供电力支持，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空间等。

（5）GPS（全球定位系统）和电子地图的应用

通过获得有比较丰富的外部辅助信息，使得车载 Ad Hoc网络能够获取周围环境特征。车载Ad Hoc网络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，比如路口分布、道路方向等。

（6）信道带宽严重低于理论值

在城市环境下，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Ad Hoc网络更严重。

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，比如时延和带宽要求；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，而车载网络中高效、可靠的路由协议是一个亟待解决的关键问题。

5.未来前景

VANET具有极高的应用前景和研究价值。在 VANET上开发的应用和服务，根据它们不同的用途可以分为以下4类：

（1）安全告警类应用。这类应用是在有事故发生或者存在事故隐患时，通过在车辆间及时的交互信息，使驾驶者可以及时的对突发的事故做出反应，避免造成更严重的事故。

（2）协同驾驶。这类应用的目的是帮助驾驶员快速、安全的通过十字路口、高速公路入口及出口等敏感地段。

（3）分布式交通信息发布。这类应用是为了给驾驶者提供交通状况查询，如道路拥堵、车辆密度等信息，从而可以提高道路交通效率，改善车辆驾驶条件。这类应用对时延要求不高。

（4）信息服务类应用。这类应用是为用户提供 Internet服务，如多媒体信息、移动办公和联网游戏等。

6.结语

考虑到汽车化社会带来的车辆的通信需求和庞大数量，车辆通信必将成为最直接有效的MANET的实现。车载计算机和定位设备，如GPS接收器和通信设备，必将成为未来的交通工具基本配件，也对车载自组织网络研究提出了严峻的挑战。

[1] 常促宇，向勇，史美林. 车载自组网的现状与发展[J]. 通信学报，2007，11.

[2] 孔驰. 智能交通系统中基于 DSR协议的无线通信[D]. 武汉理工大学，2007.

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[4] Internet ITS consortium[EB/OL]. http://www.internetits.org. 2006.

Vehicle self-organizing network (VANET) Review

ZHU Cun-zhi

Vehicle self-organizing network is the core of the Intelligent Transportation System .VANET has some characteristics .For example ,VANET has a great quantity of nodes ,the nodes are high-speed mobiles ,the nodes move along with the road and the quantity of the communication dependents on the environment of the nodes .The network architecture and the channel access technology have great differences between VANET and MANET.

VANET; Vehicle self-organizing network

U495

A

1008-7427（2011）11-0157-02

2011-08-31

作者系中国人民解放军工程兵指挥学院讲师，四川大学在读研究生。