車聯(lián)網(wǎng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展

奎麗萍 羅桂蘭

車聯(lián)網(wǎng)作為智能交通的重要基礎(chǔ)，是構(gòu)建未來(lái)智慧城市的重要組成部分，是目前無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。本文分別介紹了車聯(lián)網(wǎng)的研究背景、基本概念、體系結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，對(duì)其物理層和MAC 層作了簡(jiǎn)要介紹，重點(diǎn)分析了路由層的相關(guān)協(xié)議。此外，還闡述了將網(wǎng)絡(luò)仿真軟件ns-3 與VanetMobiSim 結(jié)合的過(guò)程，將其作為研究車聯(lián)網(wǎng)的仿真平臺(tái)。最后，對(duì)車聯(lián)網(wǎng)的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展做了總結(jié)與展望。

據(jù)官方統(tǒng)計(jì)，中國(guó)每年交通事故50 萬(wàn)起，因交通事故死亡人數(shù)均超過(guò)10 萬(wàn)人，穩(wěn)居世界第一，且?guī)?lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。發(fā)展智能交通的目的就是要從根本上改善目前的交通狀況，確保我國(guó)道路的交通安全。車聯(lián)網(wǎng)（Internet of Vehicles，IoV）是智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation System，ITS）的重要基礎(chǔ)。車聯(lián)網(wǎng)中的車輛集成了信息和通信技術(shù)，可以提供車與車之間的通信，及時(shí)將道路上的交通信息傳遞給其他車輛，從而為正在道路上行駛的汽車提供安全和舒適的交通環(huán)境。車聯(lián)網(wǎng)作為我國(guó)“十二五”規(guī)劃重點(diǎn)項(xiàng)目，政府給予了重點(diǎn)支持，為未來(lái)的交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。近幾年，車聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的相關(guān)項(xiàng)目也成為不少高校和科研機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)，并取得了許多有價(jià)值的研究成果。

車聯(lián)網(wǎng)定義、結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

定義

圖1 車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

車聯(lián)網(wǎng)的定義有多種，但它們共有的特性是車輛安裝有GPS、RFID、傳感器等裝置，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)和通信等技術(shù)將行駛車輛以及車輛與路邊基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)合成一個(gè)車輛通信網(wǎng)絡(luò)，在車輛間及時(shí)傳遞交通信息，實(shí)現(xiàn)交通管控的智能化。車聯(lián)網(wǎng)的通信方式有多種，包括車輛與車輛（V2V）、車輛與基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）、車輛與傳感器（V2S）以及車輛與電網(wǎng)（V2G）等通信。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示，主要由車輛和路邊單元構(gòu)成，包括V2V 通信和車輛與路邊單元（V2R）通信，車聯(lián)網(wǎng)中的車輛會(huì)安裝有車載單元（OBU）和全球定位系統(tǒng)（GPS）。GPS 用于定位車輛的位置，以及跟蹤車輛的速度和方向。OBU 是無(wú)線通信設(shè)備，可將道路上安裝有該設(shè)備的車輛變成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。

主要特點(diǎn)

車聯(lián)網(wǎng)有自身的一些特點(diǎn)，主要包括：

1）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓欤很囕v運(yùn)行速度快，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟妆淮騺y；

2）移動(dòng)模型較穩(wěn)定：車輛只會(huì)沿著道路的車道行駛，具有一定的規(guī)律性；

3）能源充足：車輛發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)提供充足的電力；

4）生命時(shí)間長(zhǎng)：車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)生命取決于車輛本身；

5）傳輸帶寬較大：車聯(lián)網(wǎng)通信傳輸帶寬為幾十Mbit/s；

6）無(wú)線信道不穩(wěn)定：車輛通信會(huì)受車輛相對(duì)速度、路邊建筑和道路情況等影響。

車聯(lián)網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

DSRC

專用短程通信（DSRC）作為一種應(yīng)用在短距離上高效的無(wú)線通信技術(shù)，它可以在小范圍內(nèi)將圖像、語(yǔ)音等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確和可靠地傳輸，車輛和道路也可以被有機(jī)地連接。

IEEE802.11P

IEEE 802.11p 協(xié)議主要用于車載電子無(wú)線通信，解決車聯(lián)網(wǎng)中快速連接、高頻率切換和新的安全等問題。在物理層上，IEEE802.11p 是基于正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)，可以提高抗干擾性能。

圖2 IEEE 1609 與IEEE802.11P 的關(guān)系圖

圖3 IEEE802.11P 物理層頻譜分配圖

IEEE1609

IEEE1609 是IEEE802.11P 的補(bǔ)充，二者的關(guān)系如圖2 所示。IEEE1609.1 標(biāo)準(zhǔn)用于車載環(huán)境中的資源管理，為采用DSRC 技術(shù)通信的設(shè)備提供管理機(jī)制；IEEE1609.2 標(biāo)準(zhǔn)用于應(yīng)用和管理信息的安全服務(wù)；IEEE1609.3 標(biāo)準(zhǔn)提供WAVE/DSRC 的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)，即提供V2V 和V2I 之間的通信；IEEE1609.4 是多信道操作標(biāo)準(zhǔn)，提供信道協(xié)調(diào)及MAC 子層管理功能。

車聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

物理層

在物理層，車聯(lián)網(wǎng)采用IEEE 802.1lp 標(biāo)準(zhǔn)，其工作頻率為5.850～5.925GHz，頻譜分配如圖3 所示。由于在IoV 通信中存在多徑傳播、多普勒效應(yīng)，為了提高通信質(zhì)量，IEEE 802.1lp 使用64 點(diǎn)OFDM 技術(shù)，其傳輸范圍是300m～1km，信息傳輸速率為3～27Mbit/s。

MAC 層

與傳統(tǒng)自組織網(wǎng)絡(luò)相比，IoV 的MAC 層有很多自身的特點(diǎn)，如：信道質(zhì)量不穩(wěn)定，易受交通狀況影響，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?，鏈路穩(wěn)定性差等。因此，車聯(lián)網(wǎng)的MAC 層在高速移動(dòng)狀況下應(yīng)具備較好的通信實(shí)時(shí)性和可靠性。此外，還要有較高的帶寬利用率，以避免網(wǎng)絡(luò)擁塞。

路由層

車聯(lián)網(wǎng)的路由協(xié)議有部分是源于傳統(tǒng)Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)，但是由于IoV 具有獨(dú)特性，這部分協(xié)議并不具有很好的適應(yīng)性。目前IoV 的路由協(xié)議已有多種形式，其路由協(xié)議關(guān)系如圖4 所示。

單播路由

基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞穆酚?/p>

按需路由和表驅(qū)動(dòng)路由是極為重要的兩種基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞穆酚梢詤f(xié)議，其中典型的按需路由有AODV、DSR等。由于車聯(lián)網(wǎng)規(guī)模龐大、拓?fù)渥兓^快，要實(shí)時(shí)地維護(hù)其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⑹呛芾щy的，路由表很容易失效。這使得AODV 和DSR 不能有效地適用于車聯(lián)網(wǎng)中，尤其在遠(yuǎn)距離的通信時(shí)，丟包等問題更嚴(yán)重。

基于地理位置路由協(xié)議

2000 年，美國(guó)哈佛大學(xué)的兩位學(xué)者Brad Karp 和H.T.Kung 提出了貪婪周邊無(wú)狀態(tài)路由協(xié)議（GPSR）。在車聯(lián)網(wǎng)中，完全采用GPSR 容易出現(xiàn)局部最優(yōu)問題，車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境復(fù)雜，尤其是在城市環(huán)境中。因此，在車聯(lián)網(wǎng)中，許多基于地理位置路由協(xié)議會(huì)對(duì)GPSR進(jìn)行改進(jìn)，如：GPCR協(xié)議、GPSR-DTN路由算法、DTN路由協(xié)議等。

基于地圖的路由協(xié)議

較早的基于地圖路由算法有A-star 路由算法和Dijkstra 算法，A-star 路由算法是建立在交通流量統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上的，但就目前的技術(shù)條件來(lái)講要提供與真實(shí)交通狀況完全一致的數(shù)據(jù)仍有一定的難度。Louvre 協(xié)議提出了節(jié)點(diǎn)自主統(tǒng)計(jì)車輛密度，周期性廣播以與周圍節(jié)點(diǎn)交換密度信息。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛密度的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)，且減少額外的帶寬消耗，AGLOR 算法設(shè)計(jì)在路邊均勻鋪設(shè)AP 來(lái)統(tǒng)計(jì)車輛密度 。

廣播路由

基于概率的廣播路由

基于概率的廣播路由中，車輛節(jié)點(diǎn)是以p 概率進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)操作，但該算法存在不足，如不能均勻的對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行全覆蓋，且當(dāng)車輛節(jié)點(diǎn)密度較低時(shí)，可能出現(xiàn)所有節(jié)點(diǎn)都不轉(zhuǎn)發(fā)的情況。N.Wisitpongphan 提出了一種加權(quán)式p-堅(jiān)持方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：這種轉(zhuǎn)發(fā)概率機(jī)制可以很大程度地降低數(shù)據(jù)冗余度和丟包率。

基于地理位置的廣播路由

隨著汽車電子工業(yè)的發(fā)展，汽車上都配置了GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)，車輛的地理位置信息就很容易獲取。把基于地理位置算法與GPSR 算法相結(jié)合，這種結(jié)合算法假設(shè)每輛車都安裝了GPS，并能準(zhǔn)確定位車輛位置。實(shí)驗(yàn)表明：該方法能減少數(shù)據(jù)包的丟失率，提高數(shù)據(jù)包到達(dá)率。

基于車輛到基礎(chǔ)設(shè)施的路由協(xié)議

V2V 路由協(xié)議雖然可以在一定程度上提高性能，但是會(huì)因?yàn)檐囕v的高度移動(dòng)性而遭遇網(wǎng)絡(luò)分割的問題。當(dāng)前的研究趨向于將V2V 和V2I 合并起來(lái)以獲得預(yù)期的效果，其方案就是在沿著道路布設(shè)接入點(diǎn)以使通信變得更加可靠并減少傳遞延遲。

靜態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施路由協(xié)議

基于頂點(diǎn)預(yù)測(cè)貪婪路由（VPGR）協(xié)議是一種適用于城市的多跳V2R 路由協(xié)議，它估計(jì)從源車輛節(jié)點(diǎn)到固定基礎(chǔ)設(shè)施的一個(gè)序列連接，然后將消息沿著這些連接傳遞給固定的基礎(chǔ)實(shí)施。提出基礎(chǔ)設(shè)施輔助地理路由（IAGR），通過(guò)利用可靠的RSU 連接性，這種路由可以提高多跳地理路由協(xié)議的操作性、可靠性。

圖4 車聯(lián)網(wǎng)路由協(xié)議關(guān)系圖

圖5 ns3 編譯成功結(jié)果圖

移動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施路由協(xié)議

基于移動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施車輛自組網(wǎng)路由（MIBR）是一種基于位置反應(yīng)式路由協(xié)議，該協(xié)議規(guī)定，在公共汽車分布較密集的道路區(qū)域，會(huì)由公共汽車將數(shù)據(jù)包從一個(gè)十字路口轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)十字路口，而在車輛稀疏的道路區(qū)域，會(huì)由公共汽車和汽車共同協(xié)作執(zhí)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。類似的協(xié)議還有移動(dòng)網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議（MGRP），它旨在提高數(shù)據(jù)包到達(dá)率，減少平均跳數(shù)。

總的說(shuō)來(lái)，相比于其他路由協(xié)議，基于位置的路由協(xié)議更適用于車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境。而基于基礎(chǔ)設(shè)施的路由協(xié)議是車聯(lián)網(wǎng)路由技術(shù)中最有前景的研究領(lǐng)域。

搭建VanetMobisim 與ns-3 實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)

VanetMobisim 是一種能提供真實(shí)交通流信息的車聯(lián)網(wǎng)仿真工具，它采用不同的宏移動(dòng)、微移動(dòng)模型以及二者聯(lián)合使用的車輛移動(dòng)跟蹤Trace 文件。其中Trace文件可以直接導(dǎo)入不同的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，如ns-2、QualNet 和GloMoSim 等，下面描述如何將二者結(jié)合以用于車聯(lián)網(wǎng)仿真。

將由VanetMobiSim 中的IDM_LC.xml 文件生成的trace 文件導(dǎo)入到ns-3 中。首先將IDM_LC.xml 重命名變?yōu)镮DM_LC.txt 文本文件，接著對(duì)該文本文件中的擴(kuò)展類注釋語(yǔ)句＜！--extension class=”de.uni_stuttgart .informatik.canu.mobisim.extensions。NS Output”output=”ns_ trace.txt”/--＞去注釋化，修改后，再重命名成IDM_LC.xml 文件。此時(shí)對(duì)IDM_LC.xml運(yùn)行就可以生成能到導(dǎo)入到ns-3的trace文件，trace 文件會(huì)自動(dòng)被保存到j(luò)ar 文件夾中。為了能夠成功導(dǎo)入，需要將ns_trace.txt 文件拷貝到ns-3 的某個(gè)文件夾內(nèi)。最后，在ns-3 的腳本文件內(nèi)給出ns_trace.txt所在的文件目錄，代碼是std：：string traceFile=“src/mobility/examples/ns_trace.txt”，這條語(yǔ)句要放在主函數(shù)main 內(nèi)。如果編譯結(jié)果如圖5 所示，表示結(jié)合成功。

總結(jié)與展望

隨著信息通信和電子技術(shù)的快速發(fā)展，車輛日趨于網(wǎng)絡(luò)化、智能化。本文主要介紹了車聯(lián)網(wǎng)的路由協(xié)議，對(duì)如何將ns-3 于與VanetMobiSim 結(jié)合進(jìn)行了描述。目前已經(jīng)提出了較多的車聯(lián)網(wǎng)路由層協(xié)議，但這些協(xié)議離實(shí)際應(yīng)用還存在很大的差距，對(duì)路由協(xié)議開展更深入的研究是必然趨勢(shì)。作為構(gòu)建智慧城市重要基礎(chǔ)的車聯(lián)網(wǎng)，已經(jīng)得到西方發(fā)達(dá)國(guó)家高度重視，我們國(guó)家也開始注意到發(fā)展車聯(lián)網(wǎng)對(duì)促進(jìn)我國(guó)智慧城市及國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要意義?；趥鹘y(tǒng)理論與技術(shù)而設(shè)計(jì)的方案，不能有效地解決車聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵問題。因此，要根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)的特性，探索研究更加有效的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用。