適用于VANET仿真的移動(dòng)模型研究綜述

鄧媛媛+周鵬+王曉品+趙鵬

摘要：車載網(wǎng)絡(luò)（VANET）在解決行車安全和提升交通效率方面有著良好的前景，但是由于構(gòu)建真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行性能測(cè)試將面臨成本高昂、復(fù)雜的技術(shù)問題以及眾多外界因素影響等問題，所以對(duì)VANET性能進(jìn)行研究分析嚴(yán)重依賴于仿真測(cè)試。車輛作為車載網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，其移動(dòng)性對(duì)VANET的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有著顯著的影響，在仿真測(cè)試中根據(jù)場(chǎng)景需求構(gòu)建能恰當(dāng)反映車輛移動(dòng)特征的移動(dòng)模型尤為重要。該文對(duì)現(xiàn)有的VANET移動(dòng)模型進(jìn)行分類分析，并探討了真實(shí)車輛運(yùn)動(dòng)模式所遵循的架構(gòu)。

關(guān)鍵詞：車載網(wǎng)絡(luò)；移動(dòng)模型；交通模擬

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）16-0044-02

Abstract： Vehicular Ad Hoc Networks （VANET） have broad prospect with two types of application in mind： driving safety and improve the efficiency of traffic. To date， the majority of VANET research efforts have relied heavily on simulations， due to prohibitive costs、complex technical problems and external factors influence of employing real world tested . The vehicles mobility has serious effects on the VANET topology， build the scene of can properly reflect the characteristic of the vehicle movement is particularly important. In this paper， we first present the classification of VANET mobile model， then， we discuss the architecture of real vehicle movement pattern.

Key words：VANET； Mobility Model； Traffic Simulator

1 概述

車載網(wǎng)絡(luò)（Vehicular Ad Hoc Networks， VANETs）[1] 是移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（MANET， Mobile Ad Hoc Networks）的一種，由兼具終端和路由功能的車輛節(jié)點(diǎn)，通過無(wú)線鏈路形成無(wú)中心、多跳、臨時(shí)性自制系統(tǒng)，不僅突破了傳統(tǒng)無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的地理局限性，而且能更加快速、高效、便捷的靈活部署，同時(shí)可以提供強(qiáng)大的實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)信息，改善駕駛員的安全駕駛環(huán)境，減少交通事故傷亡人數(shù)以及緩解交通擁塞。

由于在現(xiàn)實(shí)世界中評(píng)測(cè)VANET的性能面臨耗資巨大等因素的影響，所以目前對(duì)于VANET的研究工作主要依賴于仿真。雖然，隨著研究的不斷深入，現(xiàn)今的車載網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境相比早期的隨機(jī)移動(dòng)、圓形通信區(qū)域以及無(wú)干擾環(huán)境已經(jīng)有了非常顯著的進(jìn)步，但是面臨的主要問題依然是如何更準(zhǔn)確的反映現(xiàn)實(shí)世界中車輛的移動(dòng)特性以及外界環(huán)境的影響。

現(xiàn)今的車載網(wǎng)絡(luò)仿真，主要包含三大模塊：移動(dòng)模型、網(wǎng)絡(luò)模型以及信號(hào)傳播模型。移動(dòng)模型作為車載網(wǎng)絡(luò)仿真的關(guān)鍵組成部分之一，是真實(shí)車輛的運(yùn)動(dòng)描述，用以反映車輛節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)方式。本文論述了車載網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)模型的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀，對(duì)VANET移動(dòng)模型分類進(jìn)行分析，探討了VANET移動(dòng)模型存在的問題以及未來(lái)的發(fā)展前景。

2 移動(dòng)模型概述

由于車輛的移動(dòng)性對(duì)VANET的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有著顯著的影響，所以在車載網(wǎng)絡(luò)仿真研究中特別需要能夠反映車輛交通真實(shí)行為的移動(dòng)模型。

在建立移動(dòng)模型的早期，人們更偏好隨機(jī)移動(dòng)模型[2]，但是由于其隨機(jī)性（比如方向）使隨機(jī)移動(dòng)模型難以模擬比較真實(shí)的車輛運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景。后來(lái)研究人員引入地理空間約束，構(gòu)建基于圖的移動(dòng)模型GBMM[3]（Graph-Based Mobility Model）。但是，GBMM中車輛節(jié)點(diǎn)的速度產(chǎn)生后恒定不變，無(wú)法體現(xiàn)車輛之間的對(duì)于速度的相互影響，基于此問題，Seakar等人提出移動(dòng)模型FTM[4]（Fluid Traffic Model），控制車輛行駛速度隨車流密度的增減做相應(yīng)的變化。Bettstetter等人考慮到車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有連貫性，提出了平滑移動(dòng)模型SMM[5]（smooth mobility）。Trieber等人則綜合考慮了車輛行駛狀態(tài)以及車輛之間的交互影響，提出智能駕駛員模型IDM[6]（Intelligent Driver Model）。

現(xiàn)今，對(duì)VANET移動(dòng)模型的構(gòu)建主要基于IDM模型進(jìn)行拓展。如交通仿真器VanetMobiSim，為了在岔路口附近獲取更貼近真實(shí)的車輛駕駛行為描述，VanetMobiSim在IDM模型的基礎(chǔ)上對(duì)達(dá)到岔路口的車輛進(jìn)行交通規(guī)則約束，通過交通標(biāo)志以及其他車輛狀態(tài)控制車輛的行駛行為。

3 VANET移動(dòng)模型分類

根據(jù)范圍和特性功能，通常將VANET移動(dòng)模型分為5類[7]：隨機(jī)模型、車流模型、交通模型、行為模型以及基于蹤跡（trace）的模型。

隨機(jī)模型：車輛的移動(dòng)是隨機(jī)的，車輛節(jié)點(diǎn)的方向、速率等參數(shù)從隨機(jī)過程中采樣。因?yàn)閷?shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且容易再現(xiàn)結(jié)果，所以在車載網(wǎng)絡(luò)發(fā)展初期作為仿真測(cè)試的主要選擇。但是由于車輛的移動(dòng)具有其固有特性，且受到道路約束以及交通規(guī)則的約束，所以目前已經(jīng)很少采用隨機(jī)移動(dòng)模型對(duì)車載網(wǎng)進(jìn)行車輛移動(dòng)的建模。

車流模型：現(xiàn)實(shí)中的車輛移動(dòng)受到多方面因素的影響，車流移動(dòng)模型通過模仿自然現(xiàn)象，把車輛的移動(dòng)性建模成車流，其研究方向主要從微觀、宏觀、介觀三個(gè)方面進(jìn)行考慮。微觀建模主要反映車輛間交互影響（比如與前車需保持安全車距），典型的微觀車流模型是車輛跟隨模型（car following models， CFM）。宏觀車流模型借鑒流體動(dòng)力學(xué)的理論，可以反映車輛移動(dòng)的總體特征，并極大地減少計(jì)算量。介觀模型是對(duì)微觀模型和宏觀模型的折中。目前的車載網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議仿真普遍選取微觀車流模型。

交通模型：交通模型主要針對(duì)行駛至岔路口的車輛的交通規(guī)則執(zhí)行。其運(yùn)動(dòng)模型主要分為旅途模型和路徑模型。路途模型對(duì)當(dāng)前位置與目的點(diǎn)位置的移動(dòng)進(jìn)行建模，而路徑規(guī)劃通?；谧顑?yōu)化函數(shù)，比如最短行駛距離，所需的行駛時(shí)間最短，或者相對(duì)而言最暢通的道路等，根據(jù)行駛狀況建立可拓展的動(dòng)態(tài)算法。目前對(duì)于路徑選擇，大多采用Dijkstra圖算法。

行為模型：人類行為具有極大的復(fù)雜性，不會(huì)在所有情況下都遵循理想化的特定行為反應(yīng)。根據(jù)人類行為理論構(gòu)建的行為移動(dòng)模型，除了考慮對(duì)刺激的響應(yīng)模式和物理影響，也會(huì)考慮社會(huì)關(guān)聯(lián)關(guān)系甚至人工智能的學(xué)習(xí)過程，以便更好的近似模擬人類的運(yùn)動(dòng)模式。缺點(diǎn)的計(jì)算量過大。

基于蹤跡（trace）的模型：通過收集車輛運(yùn)動(dòng)軌跡信息，提取通用的運(yùn)動(dòng)模式。但是推測(cè)通用運(yùn)動(dòng)模式過程極為復(fù)雜，推測(cè)所基于的數(shù)據(jù)并不全面，且僅能提供粗粒度的移動(dòng)性描述，這導(dǎo)致其結(jié)果應(yīng)用范圍并不廣泛。

4 實(shí)際車輛移動(dòng)模型架構(gòu)

移動(dòng)模型的性能主要取決于三個(gè)方面：車輛的移動(dòng)模式、車輛間的相互影響以及對(duì)交通規(guī)則的執(zhí)行。車輛的移動(dòng)模式包括道路對(duì)車輛的約束，車輛的基本行駛速度、加速度，對(duì)到達(dá)目的地的路徑選擇等；車輛間的相互影響主要體現(xiàn)在前車對(duì)當(dāng)前車輛速度影響，例如在車輛擁擠狀態(tài)下，保持安全車距跟隨前車行駛。而交通規(guī)則的執(zhí)行主要是根據(jù)車輛所通過的岔路口交通燈信號(hào)或路標(biāo)進(jìn)行車輛行駛控制。為了創(chuàng)建更貼近真實(shí)車輛運(yùn)動(dòng)模擬器以適應(yīng)特定的應(yīng)用場(chǎng)景，研究者們提出了真實(shí)車輛移動(dòng)模型的全功能概念視圖，如圖1所示。

在圖1中，移動(dòng)模型分為了兩大主要模塊：運(yùn)動(dòng)約束和交通生成器。運(yùn)動(dòng)約束由拓?fù)涞貓D和交叉路口管理構(gòu)成，體現(xiàn)了多車道車流、吸引點(diǎn)/排斥點(diǎn)以及道路障礙對(duì)車輛行駛速度的影響。其中吸引點(diǎn)指的是車輛移動(dòng)至相似的目的點(diǎn)所在地，排斥點(diǎn)指的是車輛出發(fā)以相似的起點(diǎn)所在地。而交叉路口管理是對(duì)交叉路口的交通規(guī)則執(zhí)行進(jìn)行建模。交通生成器由車輛生成器和駕駛員生成器構(gòu)成。車輛生成器定義了車輛的類型以及車輛生成的初始位置。駕駛員生成器主要體現(xiàn)駕駛員與環(huán)境之間的交互。時(shí)間模式主要用以描述不同時(shí)間段的車流密度，比如上下班高峰期道路擁擠狀態(tài)或者凌晨道路車輛稀疏等狀態(tài)。外部影響用以主動(dòng)建模一些運(yùn)動(dòng)模式，比如交通事故，臨時(shí)道路施工等。

5 探討與展望

VANET作為一種新興的技術(shù)，近年來(lái)廣泛受到研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的關(guān)注。目前，車載網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展還處于萌芽階段，并沒有形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈條和業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)論是軟件還是硬件，各大汽車廠商各自為戰(zhàn)，其技術(shù)研究成果僅加載在自家品牌的高級(jí)車輛，各品牌車輛之間的車載通信并不兼容，很難構(gòu)建大規(guī)模，可多次重復(fù)的現(xiàn)實(shí)評(píng)測(cè)場(chǎng)景。VANET的性能評(píng)測(cè)依舊嚴(yán)重依賴于仿真測(cè)試。

對(duì)車輛移動(dòng)模型的建模，其直接目標(biāo)是對(duì)車輛移動(dòng)性對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用協(xié)議的評(píng)估。在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，高速行駛中的車輛的精確定位、對(duì)信號(hào)傳輸造成衰弱或阻斷的無(wú)線通信障礙都是需要考慮的問題。對(duì)于車載網(wǎng)絡(luò)仿真來(lái)說，移動(dòng)模型是其關(guān)鍵組成部分之一，網(wǎng)絡(luò)模擬以及信號(hào)傳播控制之間的相互融合達(dá)到每個(gè)參數(shù)都能有效的影響其他組成模塊的效果是車輛移動(dòng)建模未來(lái)發(fā)展的方向。

6 總結(jié)

VANET的運(yùn)動(dòng)模式具有高移動(dòng)性和自由度受道路約束等特點(diǎn)。對(duì)于車載網(wǎng)絡(luò)的仿真測(cè)試，要求所使用的移動(dòng)模型能夠盡可能的反映真實(shí)情況的車輛運(yùn)動(dòng)模式。本文根據(jù)范圍和特性功能，探討了VANET不同分類的移動(dòng)模型特點(diǎn)，介紹了真實(shí)車輛運(yùn)動(dòng)模式應(yīng)該遵循的架構(gòu)，并簡(jiǎn)要討論了目前VANET的發(fā)展?fàn)顩r以及未來(lái)可能的發(fā)展趨勢(shì)。

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