无线自组织(Adho)网络是一种不同于传统无线通信网络的技术,它是由组具有无线通信能力移动终端节点组成的、具有任意和临时性网络拓扑的动态自组织网络系统,其中每个终端节点即可作为主机也可作为路由器使用。作为主机,终端具有运行各种面向用户的应用程序的能力;作为路由器,终端可以运行相应的路由协议,根据路由策略和路由表完成数据的分组转发和路由维护工作。
一、车载自组织网络定义。
车载自组织网络( Vehicular Ad hoc Networks, VANET)是指在交通环境中、以车辆、路侧单元以及行人为节点而构成的开放式移动自组织网络,可以进行V2V、V2I、V2P之间的信息传输,以实现事故预警、辅助驾驶、道路交通信息查询、车间通信和互联网接入服务等应用。它是智能交通系统未来发展的通信基础,也是智能网联汽车安全行驶的保障。
二、车载自组织网络结构。
车载自组织网络在网络结构上主要分为三部分,即V2V通信、V2I通信、V2P通信,如图4-27所示。V2V通信是通过GPS定位辅助建立无线多跳连接,从而能够进行暂时的数据通信,提供行车信息、行车安全等服务;V2I通信能够通过接入互联网获得更丰富的信息与服务;V2P通信的研究刚刚起步,目前主要是通过智能手机中的特种芯片提供行人和交通状况,以后会有更多通信方式。
根据节点间通信是否需要借助路侧单元,可以将车载自组织网络的结构分为车间自组织型、无线局域网/蜂窝网络型和混合型。
(1)车间自组织型：车辆之间形成自组织网络,不需借助路侧单元,这种通信模式也称为V2V通信模式,也是传统移动自组织网络的通信模式。
(2)无线局域网/蜂窝网络型：在这种通信模式下,车辆节点间不能直接通信,必须通过接入路侧单元互相通信,这种通信模式也称为V21通信模式,相比车间自组织型,路侧单元建设成本较高。
(3)混合型：混合型是前两种通信模式的混合模式,车辆可以根据实际情况选择不同的通信方式。
三、车载自组织网络路由协议类型。
车载自组织网络路由协议根据接收数据包的节点数量可分为单播路由、广播路由、多播路由。单播路由是指数据包源节点向网络中一个节点转发数据;广播路由是指数据包源节点向网络中的所有其他节点转发数据;多播路由是指数据包源节点向网络中多个节点转发数据。
车载自组织网络路由协议还可以分为基于拓扑的路由、基于地理位置路由、基于移动预测路由、基于路侧单元路由和基于概率路由。
1.基于拓扑的路由。
初期的移动自组织网络的路由基本上都是基于拓扑结构的路由协议,网络中的节点通过周期性地广播路由信息得到其他节点的位置信息从而选择下一跳进行数据包转发。基于拓扑的路由协议主要可以分为先应式、反应式和混合式三类路由协议。
(1)先应式路由在先应式路由中,每一个节点不管当前是否要求进行通信都会周期性地广播路由信息从而交换路由信息和维护路由表。先应式路由协议进行路由选择时,主要根据标准的距离矢量路由策略或链路状态路由策略。典型的先应式路由协议包含目的节点序列距离矢量路由协议(DSDV)和优化的链路状况路由协议(OLSR)。在先应式路由协议中,每一个节点无论当前是否需要通信、都需要建立和维护到达网络其他节点的路由表。这种路由方式的最大缺陷就是当网络结构频繁变化时维护未使用路径将占用大部分的带宽,降低工作效率。
(2)反应式路由相对于先应式路由,按需路由协议根据源节点是否需要获得目的节点路由才进行洪泛广播请求分组,因此降低了路由开销。典型的反应式路由协议包含动态源路由协议(DSR)和自组织网按需距离矢量路由协议(AODV)。在这些路由协议中,节点根据需求维护和更新正在使用的路径,因此当网络中只有一部分路径在使用时,运用反应式路由可以减小网络负担。
(3)混合式路由混合式路由协议是将先应式和反应式的特点相结合而得到路由协议,该协议是在局部范围内采用先应式路由协议,而对局部范围外节点的路由查找采用反应式路由协议,进而减少全网广播带来的路由开销。
2.基于地理位置路由。
基于地理位置的路由协议通过位置服务方式实时准确地获取自身车辆和目的车辆的位置信息,同时通过路由广播的方式获得广播范围内邻居节点的位置信息,根据分组转发策略择优选择下一跳进行数据包转发。这种类型的路由协议对于拓扑随着车辆高速移动而动态快速变化的无线、多跳、无中心的车载自组织网络具有更好的可扩展性和适应性。基于地理位置路由协议主要有贪婪型周边无状态路由协议(GPSR)、地理源路由协议(GSR)、贪婪边界协调路由协议（GPCR）等。
3.基于移动预测路由。
在车载自组织网络中,车辆每个节点都具有移动性,并且车辆节点移动速度快,节点的高速移动导致网络拓扑结构变化频繁,网络链路的稳定性差,而传统的自组织网络中节点移动速度较慢,导致传统的自组织网络路由协议不适于车载自组织网络。基于移动预测的路由协议主要有PBR、 Taleb、 Wedde、 Abedi等路由协议。基于移动预测路由协议的主要思想是,由于节点的移动性,通过节点速度、加速度、距离和时间等参数,预测通信链路的生命周期,即可预测该路由路径的有效期。根据车辆的移动特点来发掘链路的潜在信息,比如节点的移动速度和移动方向等数据,预测链路的生命周期,有效地避开即将失效的链路,并建立可靠的链接。基于移动预测的路由特点是可靠性高,延迟低,但当车辆数量较多时,所建立的可靠路径需要该车辆节点具有快速的实时计算能力,信息开销较大。
4.基于路侧单元路由。
借助于道路的路侧单元(RSU),可以解决车辆在稀疏情况下,导致节点链路中断的问题。RSU为路边可靠的固定节点,具有高带宽、低误码率和低延迟传输特点,并作为主干链路。当车辆节点出现链路中断时,RSU将采用存储转发策略来发送数据包。该思路在实际运用中最为可靠、丢包率最低,但其主要缺点是部署费用非常昂贵,并且如果发生一些自然灾害,比如台风、地震,也将导致RSU损耗,从而导致网络面临瘫痪的可能,维护成本较高。
5.基于概率的路由。
由于车辆运行有一定的规律性,相关的学者根据概率统计理论提出了基于概率的路由协议。其核心理论是,用概率描述车辆节点在某一段时间内该链路还未断开或存在的可能性。在该路由协议中,需要建立相关的模型,并且这些模型的建立是基于某些网络特性的前提下,这样才能统计相关的变量的分布信息。该类路由协议主要优点是在某特性的环境下比较有效,可靠性较高。基于概率的路由协议使用于某特定条件下的交通,如果不满足该条件,将导致该路由协议性能直线下降甚至出现数据包大量丢失的情况。另外,由于该路由协议的判断标准是基于某时间的发生概率,与真实情况存在一定的误差,从而导致的选择车辆节点之间的路径时,该路径可能不是最佳的。
四、车载自组织网络特点。
车载自组织网络特点主要包括节点速度、运动模式、节点密度、节点异构性和可预测的运动性等。
1.节点速度。
在移动的车载自组织网络中最重要的特征就是节点的速度,车辆和道路两侧的路侧单元都可能成为节点。节点的可能速度在0~200km/h之间。对于静态的路侧单元或者车辆处于堵车路段时,其车速为零。在高速公路上,车辆的最高速度可能会达到200km/h左右,这两种极端情况对于车载自组织网络中的通信系统构成了特殊的挑战,当节点速度非常高时,由于几百米的通信半径相对较小,会造成共同的无线通信窗口非常短暂,例如如果两辆车以90km/h的速度朝相反的方向行驶,假定理论上无线通信范围为300m,通信只能持续12s,不过,同方向行驶的车辆,如果相对速度较小或者中等,则这些同向车辆间的拓扑变化相对较少,如果同向行驶车辆的相对速度很大,那么收发机就得考虑诸如多普勒效应等物理现象,链路层难以预测连接的中断,容易导致频繁的链路故障,对于路由或者多跳信息传播,车辆问短暂的相遇以及一般的车辆运动导致拓扑高度不稳定，使得基于拓扑的路由在实际中毫无用处。节点速度很大时对应用程序的影响也很大,比如由于速度太快,导致即时环境变化太快,使得对环境感知的应用也变得困难,在另外一种极端情况下,即节点几乎不移动,网络拓扑相对稳定。然而，车辆的缓慢移动意味着车辆密度很大,这会导致高干扰、介质接入等诸多问题。
2.运动模式。
车辆是在预定义的道路上行驶的,一般情况下有两个行驶方向,只有在十字路口时,车辆的行驶方向才具有不确定性。将道路分为高密度城市道路、高速公路和乡村道路三种类型。
(1)高密度城市道路：在城市中,道路密度相对较高,有大街也有小巷,许多十字路口将道路分割成段,道路两边的建筑物也会影响到无线通信,车辆的运动速度较快。
(2)高速公路：高速公路一般是多车道的,路段也很长,并且存在出口和匝道。车辆的运动速度较快,行驶方向能够较长时间保持不变。
(3)乡村道路：乡村道路通常很长,十字路口比城市环境要少得多。在这种环境下,由于路面车辆过少,一般很难形成连通的网络。道路的方向变化频率明显高于高速公路。
这些运动场景造成了很多挑战,尤其是路由问题。城市场景下,交通流非常的无序,与此相反,高速公路上的车流却形成了另外一个极端,几乎整个运动都是处于一维情况。
3.节点密度。
除了速度和运动模式外,节点密度是车载自组织网络节点移动性的第三个关键属性,在共同的无线通信范围内,可能存在零到儿十、甚至上百的车辆。假设在某四车道的高速公路上遇到交通阻塞,并且每20m存在一辆装备车辆,通信半径假定为300m,则在理论上其通信范围内有120辆车辆。当节点密度非常小时，几乎不可能完成瞬时消息转发,在这种情况下,需要更复杂的消息传播机制,可以先存储信息,并在车辆相遇时转发信息,这样可能导致一些信息被同一车辆重复多次,当节点密度很大时,情况则不同,消息只可能被选定的节点重复,否则会导致重载信道。节点密度与时间也相关。在白天,高速公路和城市中节点密度较高,足以实现瞬时转发,有足够的时间使路由处理分段网络。但在夜间,无论哪种类型的道路,车辆都很少。
4.节点异构性。
在车载自组织网络中,节点有许多不同种类。首先是车辆和路侧单元的区别。而车辆可以进一步分为城市公交、私家车、出租车、救护车、道路建设和维修车辆等,并不是每辆车都要安装所有的应用。例如只有救护车需要安装能够在其行驶路线上发出警告的应用。对于路侧单元也类似,基于自身的能力,路侧单元节点可以简单地向网络发送数据,或者拥有自组织网络的完整功能。此外,路侧单元节点可以提供对背景网络的访问,如向交通管理中心报告道路状况。路侧单元与车辆节点不同,其性能较强。对于各种应用,它们不像车辆节点拥有相同的传感器,也不处理传递给驾驶员的消息,或者对车辆采取措施。路侧单元节点是静态的,与个人或者公司无关,不需要太多的信息保护。
5.可预测的运动性。
尽管车辆节点的运行规律比较复杂,但车辆的运动趋势在一定程度上仍然是可以预测的。在高速公路场景,根据车辆所处的车道、实时的道路状况以及汽车自身的速度和方向就可以推测汽车在随后短时间内的运动趋势。在城市场景中,不同类型的车辆具有不同的运动趋势。公交车的行驶平均速度缓慢且具有间隔性静止状态,因此根据公交节点的速度大小和道路特点就可以推测出短时间内的运动趋势。
五、车载自组织网络的应用场景。
1.碰撞预警。
如图4-28所示,车辆0与车辆4相撞,车辆0因此发送一个协作转发碰撞预警信息。车辆1能够通过直接连接接收到碰撞预警信息,从而车辆1可以及时地刹车避免碰撞。但是,如果没有间接连接,即不能多跳转发信息,若车辆2、车辆3与它们前面车辆的距离小于安全距离时,则车辆2和车辆3的碰撞是不可避免的。如果有间接连接,车辆2和3也能收到碰撞预警信息,则可以避免碰撞。
2.避免交通拥堵。
如图4-29所示,车辆1收到了车辆0发送节点发送出的前方交通拥堵消息，然后车辆1存储该消息,直到车辆2~车辆5能够与车辆1通信时,车辆1将消息转发给车辆2~车辆5,这样,车辆2~车辆5也同样知道了前方拥堵的情况,这些车辆可以选择辅助道路行驶,从而避免交通堵塞,节省了时间。
3.紧急制动警告。
如图4-30所示,当前方车辆紧急制动时,紧急制动警告(EBW)将会提醒驾驶员。当制动车辆被其他车辆遮挡而不能被本车辆觉察时,EBW将会非常有用。通过系统开启车辆的后制动灯,EBW利用车载自组织网络系统的非视距特点来防止追尾事故。
4.并线警告。
如图4-31所示,当车辆换道可能存在危险时,并线警告(LCW)将提醒有意换道的驾驶员。LCW使用V2V通信和周边车辆的路径预测,利用链路的通信范围来预测驾驶员完成换道可能产生的碰撞。路径预测用于确定3~5s内,驾驶员要到达的车道区域是否被占用。如果该车道已被占用,则LCW将会提醒驾驶员潜在的危险。
5.交叉路口违规警告。
如图432所示,当驾驶员即将闯红灯时,交叉路口违规警告(IVW)系统对其发出警告。IVW系统使用V2I通信方式,主车辆进行预测,其通信链路的主要优势是获取动态信息,如红绿灯阶段和红绿灯时间。部署了交通信号灯控制器的路侧单元会广播交通信号灯信息,包括位置、红绿灯阶段、红绿灯时间、交叉路口几何形状等。靠近交叉路口的车辆将车辆的预期路径与交通信号灯信息进行比较,以确定是否会发生交通信号违规。如果车辆将要发生违规行为,则IVW系统将提醒驾驶员,同时车辆也会发送消息至红绿灯和周围车辆,以表明警告已经发出。
随着车载自组织网络技术的发展,其应用范围越来越广泛,主要涉及安全、驾驶、公共服务、商用、娱乐等。
