车载Ad Hoc网络数据收集方法研究

赵文强,杨百龙,王正辉

(1.第二炮兵工程大学 4系,陕西 西安 710025;2.中国人民解放军73111部队,福建 厦门 361025)

车载Ad Hoc网络数据收集方法研究

赵文强1,杨百龙1,王正辉2

(1.第二炮兵工程大学 4系,陕西 西安 710025;2.中国人民解放军73111部队,福建 厦门 361025)

车载Ad Hoc网络(VANET)是基于车辆-车辆(V2V)、车辆-基础设施(V2I)和混合架构的快速移动且自组织的网络,由于VANET中具有节点快速移动和拓扑结构动态变化等特点,文中针对如何在安全应用中收集到安全、可靠和实时的数据进行了研究,归纳论述了基于随车/随身设备的数据收集方法、基于路由协议的数据收集方法、提取式数据收集方法的技术进展,分析了各方法特点,指出了各方法主要研究方向,并对各方法应用和性能进行了对比分析。

智能交通;Ad Hoc网络;数据收集

近年来,车载Ad Hoc网络(VANET)[1-3]得到各行业和学术界的关注,其主要应用包括行车安全、驾驶方便、娱乐和信息服务。在VANET中,数据可以分为安全数据和非安全数据。VANET具有的特性是:受地形限制、拓扑结构动态变化、车辆流向和密度不可预测、道路的容量差异性大等[4-6]。目前,大部分车辆使用不同类型的传感装置来收集与交通有关的数据,如何安全高效地收集数据成为需要解决的问题[7]。

数据收集方法需满足以下要求:(1)数据收集自动进行。(2)兼容各类车载设备。(3)车辆高速移动时能安全连接。(4)数据收集算法有一定的容错性。(5)数据有距离/时间约束。(6)某些车辆离开网络不影响数据的收集。数据收集方法主要分为以下几类:基于随车/随身设备、基于路由协议、提取式等。

1 数据收集方法综述

1.1 基于随车/随身设备数据收集方法

基于随车/随身设备的数据收集方法,是在车辆或乘客/行人身上安装便携式传感器装置,利用这些装置进行数据的采集和发送。此类方式的数据收集方法主要有:差分全球定位系统(DGPS)、基于模型的数据收集(MDC)和应急电子刹车灯(EEBL)。

VANET的安全类应用对车辆定位精度要求高。射频识别技术(RFID)利用差分全球定位系统(DGPS)的概念以提高GPS精度[8]。在RFID辅助的VANET系统中,车辆获得两种类型的定位数据:GPS坐标和通过RFID通信获得物理位置。在计算GPS误差后,将误差信息传输到其他相邻车辆中,以帮助其自主修正数据。

2010年,Hung等[9]提出基于模型的数据收集(Model-based Data Collection,MDC)框架,以降低数据传输量和上报GPS数据的车辆数量。MDC安装在服务器和车辆上,协作完成任务。在车辆端,给定一组GPS数据点后,可以得到代表原始GPS数据点的模型函数。这样车辆只需上传一些参数而不是所有的位置信息。由于车辆的移动通常是线段状的,可利用Liner Regression(LR)算法得到的一组线性函数来表示车辆的运动。Kernel Regression(KR)算法通过分析道路交通数据时空位置,得到表示速度读数的内核函数模型。网聚集机制对车辆节点进行分组,每组只需确定一个车辆节点上报交通数据,从而进一步降低同时连接的节点数。

Rashid等[10]提出用于获取实时资源信息的紧急车辆通道清除技术。应急电子刹车灯(Emergency Electronic Brake Lights,EEBL)安全程序在车辆紧急制动的情况下发送警告消息。其他车辆驾驶员如果对警告消息没有做出反应,协同自适应巡航控制(Collaborative Adaptive Cruise Control,CACC)程序将对车辆自动制动。

与传统无线网络不同,基于随车/随身设备的数据采集方法,不受内存、处理速度、存储空间和电量的限制。然而,网络密度变化、车辆的流动性等不确定性因素,使得它不能直接使用传统的无线网络技术。因此,还需更好、更适合的方法去解决车载网中存在的问题:(1)消除由于邻近车辆在某些属性方面的相似而产生的数据冗余,巧妙设计数据结构提高信息质量。(2)当可用信道较低时,要保证安全类信息有足够高的优先权抢占到可用的信道。(3)当车辆密度较低时,网络也要保持较好的连通性。(4)路边单元(RSU)传感器应该对数据进行缓冲,并实时地将数据传输给过往车辆。

1.2 基于路由协议的数据收集方法

基于路由协议的收集方法,可以在进行路由的同时收集车辆安全数据,但这需要考虑VANET的机动性和短寿命等特性。学界已经确定了许多用于VANET收集数据的路由策略。Nzouonta等[11]提出用于城市VANET上的、基于道路交通信息的路由协议(Road-Based protocols using Vehicular Traffic information routing,RBVT)。RBVT协议分为反应式协议(Reactive Protocol,RBVT-R)和前馈式协议(Proactive Protocol,RBVT-P)。该协议针对实时交通中有可能连网的车辆,创建基于包含道路交叉口连续性的路径信息。地理转发机制用于传送路径上交叉口之间的数据包信息,减少了路径对单节点移动的敏感度。在竞争激烈的密集网络中,使用基于分布式接收器的下一跳选择方法来对地理转发机制进行优化。这用到了解决非均匀无线电波传播问题的多准则排序函数。

对车载网中的RBVT-R和RBVT-P协议和移动Ad hoc网络中的自组织按需距离矢量协议(Ad hoc On-Demand Distance Vector,AODV),优化链路状态路由协议(Optimized Link State Routing Protocol,OLSR),贪婪周边无状态路由协议(Greedy Perimeter Stateless Routing,GPSR)及VANET中的地理源路由协议(Geographic Source Routing,GSR)进行比较,并使用有障碍城市环境和无障碍城市环境两种环境对这些协议的性能进行分析和评价。分析结果表明,在数据传输效率和平均延迟上,RBVT协议优于其他协议。此外,当吞吐量为系统主要要求时,RBVT-R性能较好;当VANET对延迟很敏感时,RBVT-P性能较好。

Manvi等[12]对AODV、DSR和VANET中的群智能路由协议的性能进行了讨论。由Delot等提出的GeoVanet协议,以分布式哈希表(Distributed Hash Table,DHT)为基础以确保发送查询请求者可得到一致的回答。查询请求在有限的时间内在网络中传播。VANET中的远程车辆计算后,将结果返回给发送查询请求的车辆。GeoVanet解决了驾驶员与VANET中其他车辆共享数据的问题[13]。对GeoVanet的实验结果表明,80%的结果被反馈给发送查询请求的用户。Oliveira等[14]研究了高速公路中车辆高流动性情况下基于XOR的扁平路由协议(XOR-based Flat Routing Protocols)的性能。XORi是XOR的改良版本,其修改了信息收集过程中的一些协议,以此来适应动态自然的VANET拓扑结构。

Shibata等[15]提出自动协同收集堵车信息的方法,用于估计车辆到达目的地的时间。高速公路上两车之间的最优下一跳路由方法提高了路由的生命周期。约翰逊等指出可采用高效多跳V2V协作方法降低从路边信息站向密集的公路车辆分发内容时的时间延迟。

基于VANET路由协议的数据收集方法,还需具体研究的问题有:(1)由于协议是基于地理信息的,因此,收集的数据必须准确。(2)对接近目标地址的车辆信息必须收集,便于转发数据包。(3)城市中的障碍物可能中断通信,必须研究不受中断影响的路由协议。(4)需要考虑安全性数据的优先级问题,数据发送车辆应沿最短路径向所有目标车辆传输安全信息。但是,由于车辆的动态因素,使得利用传统方法确定数据发送车辆和目标车辆间的最短距离比较困难。(5)在密集的VANET中,需要考虑过多数据发送会产生过载问题。

1.3 提取式数据收集方法

提取式数据收集指一个车辆发送查询请求,并从一系列其他车辆“拖下”所需信息的方法[16]。这些多是基于多Agent系统模型开发的,提取式数据收集的关键问题是如何将安全信息传送给VANET中快速移动的车辆。Martinez等[17]发明的驾驶员警示系统可使用802.11p协议将受损车辆的警告消息扩散给其他在网车辆。该系统具有高可靠性和低延迟。

实现这样的提取式数据收集需要解决以下方面问题:(1)请求-响应模式中节点快速移动情况下,在受限时间内,请求方能始终得到一致性的回答。(2)节点密度过大时的智能搜索机制或查询语言设计。(3)对所有车辆的智能化水平要求较高。(4)节点稀少情况下正确收集数据。(5)查询请求的验伪及隐私保护。(6)提取式数据收集带宽资源受限。

1.4 其他数据收集方法

VANET中的车辆,有时需要使用的无线接入点(AP)短时间连接到互联网上。此时主要通过动态主机配置协议(DHCP)来获取IP地址[18]。IP通行协议可用来减少获取IP地址的时间开销,从而增加车辆的联网时间。

集群收集协议(Clustered Gathering Protocol,CGP)[19]是一个基于分层和地理数据采集的跨层协议。CGP在VANET节点中收集数据并提供以下服务:(1)通过收集所有节点的位置和速度以提供实时交通信息服务。(2)为用户提供定位服务。(3)停车场停车位的使用情况。(4)特定区域的警告信息,如一些车辆突然减速。(5)实时燃油消耗和污染指标。(6)监控服务。

Caliskan等[20]提出基于车辆间信息交换的停车位使用情况预测模型。Adler和Strassberger[21]对各种应用环境VANET局部危险警告方面的问题进行了综合分析。

2 数据收集方法分析对比

表1从适用对象,特性和假定条件3个方面总结了数据收集协议的功能。表2给出了不同收集方法在数据质量、优先级、成功率、延迟、流动性和响应时间方面的比较。

表1 数据收集应用情况

表2 数据收集方法性能对比

3 结束语

与传统无线网络不同,VANET具有高机动、拓扑结构动态变化、交流模式差异大等特性。这使得利用VANET收集与交通安全相关的信息比较困难。文中讨论了当前VANET中安全类数据收集的一些研究成果,对几种方法的应用作了描述,分析对比了几种方法的性能和存在的问题,为以后的VANET研究提供了参考。

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Information Gathering in Vehicular Ad Hoc Network

ZHAO Wenqiang1,YANG Bailong1,WANG Zhenghui2

(1.Fourth Department,Second Artillery Engineering University,Xi’an 710025,China; 2.Unit 73111 of PLA,Xiamen 361025,China)

Vehicular Ad hoc Network(VANET) is a highly mobile self-organizing network,and it has three architectures:Vehicle-to-Vehicle (V2V),Vehicle-to-Infrastructure (V2I),and hybrid architecture.Due to the fast-moving and dynamic change in the topology of the VANET nodes,the collection of reliability,secure,and real-time data is a research hotspot.This paper discusses the data collection based on the on-board devices/sensor,the routing protocol,and extraction;analyses the characteristic of those methods and their future development;and finally compares the applications and performance the methods.

ITS;Ad Hoc network;data collection

2015- 03- 13

赵文强(1985—),男,博士研究生。研究方向:计算机网络。E-mail:qqingnine@163.com。杨百龙(1968—),男,教授,博士生导师。研究方向:网络通信与安全技术等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.11.042

TP393

A

1007-7820(2015)11-157-04