淺析車載自組織網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王萬停

（北方聯(lián)創(chuàng)通信有限公司，江西 南昌 330096）

淺析車載自組織網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王萬停

（北方聯(lián)創(chuàng)通信有限公司，江西 南昌 330096）

車載自組織是構(gòu)成職能交通的重要組成部分，能夠?qū)崿F(xiàn)道路上的車輛之間、車輛與道路之間狀況的互相通信。其通過車載自組織網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)能夠顯著降低交通事故，為交通部分提供辦案依據(jù)。文章主要對(duì)車載自組織網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，并進(jìn)一步探討了車載應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)用化。

車載自組織；網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

在交通事故頻發(fā)的今天，車載自組織網(wǎng)絡(luò)通信的作用越加明顯，車載自組織網(wǎng)絡(luò)過程中產(chǎn)生的移動(dòng)數(shù)據(jù)以及移動(dòng)數(shù)據(jù)的處理作用越加重要?，F(xiàn)有移動(dòng)數(shù)據(jù)庫的功能還不完善，大多機(jī)制和計(jì)算方法存在過多假設(shè)[1]，同時(shí)受到很大的限制，導(dǎo)致很多關(guān)鍵功能由于缺乏支持而無法運(yùn)用。因此對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)一致性進(jìn)行研究有著重要作用。

1 車載自組織網(wǎng)絡(luò)新需求

要對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先需要了解車載自組織的網(wǎng)絡(luò)需求。（1）功能性需求，社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步使得汽車這一交通工具在人們生活中扮演著越來越重要的角色，然而交通事故、空氣污染、交通擁塞等日益增加的社會(huì)問題嚴(yán)重干擾了人們的生活，因此要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代智能交通系統(tǒng)的運(yùn)用，首先要解決上述問題來提高整體的交通運(yùn)輸效率[2]。一些城市為了提高交通效率，開始在路邊固定乘車點(diǎn)設(shè)置無線網(wǎng)絡(luò)、鼓勵(lì)車輛安裝無線車載電臺(tái)，然而這一方法可實(shí)施范圍小，同時(shí)實(shí)用性和普適性較差，難以推廣。V2I通信系統(tǒng)是目前車載自組織網(wǎng)絡(luò)的主要通信方式，由于所需投入的財(cái)力、人力、物力較大，造成了很大浪費(fèi)。（2）數(shù)據(jù)可靠性與準(zhǔn)確度，這是車載自組織網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的最基本要求，比如正在行駛車輛與路邊乘客之間的通信，若路邊乘客在向行駛車輛發(fā)送乘車請(qǐng)求時(shí)，數(shù)據(jù)包丟失或者出現(xiàn)失誤，就會(huì)導(dǎo)致行駛車輛、乘客之間供求關(guān)系無法實(shí)現(xiàn)，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要選擇適合的路由協(xié)議來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與傳輸?shù)目煽啃?。?）適應(yīng)性，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失、車輛節(jié)點(diǎn)通信失效、路由信息失效等情況時(shí)，系統(tǒng)必須能夠自我辨認(rèn)、自我修復(fù)從而應(yīng)對(duì)特殊情況。（4）實(shí)時(shí)性。為了滿足乘客與車主的要求，必須在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)更新存儲(chǔ)等，以保證需求達(dá)成。（5）運(yùn)行需求。系統(tǒng)要在車輛上搭載無線通信設(shè)備，在具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力、處理能力的同時(shí)必須要能夠在不同車輛之間使用。乘客需要具備特殊的無線通信設(shè)備，能夠與250米內(nèi)的行駛車輛進(jìn)行通信。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主模塊

近年來關(guān)于車載自主網(wǎng)絡(luò)信息與內(nèi)容分發(fā)的研究較多，如Code Torrent，Caberne等項(xiàng)目，然而研究均是在路邊設(shè)施信息運(yùn)輸方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行，有著一定的制約性。首先從駕駛員角度看，信息傳遞的時(shí)延受到AP疏密情況的限制，當(dāng)AP稀疏時(shí)，這種相遇機(jī)會(huì)就少，信息傳遞的質(zhì)量就低，且AP安裝需要大量的資金和有線連接資源，而在城市中這種浪費(fèi)更加明顯。

V2C模塊是將路邊停放車輛作為載體，以實(shí)現(xiàn)車載自組織網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)布與傳遞，安裝無線傳輸設(shè)備在車輛上，這樣即使車輛停放，穿越他們的行駛車輛也能夠與他們進(jìn)行通信。在城市中，停車場(chǎng)、路邊停車道較多，這種大范圍的停放就為信息的傳遞提供了更多機(jī)會(huì)和豐富的資源。停靠在路邊的車輛形成線性簇結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)從邏輯上看更加適用于數(shù)據(jù)的傳遞與節(jié)點(diǎn)選擇。這種合作式結(jié)構(gòu)減少了不必要的信息沖突與信息傳遞，使得信息發(fā)布與傳遞的效率大大提高。車輛停放呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，研究發(fā)現(xiàn)車輛每天大約有95%的概率是停放狀態(tài)，將路邊或停車場(chǎng)停放的車輛作為路邊單元，這樣路邊停放車輛與行駛車輛之間的通信就與車輛與AP的通信類似。與AP比較，停靠車輛的傳輸內(nèi)容、信息傳遞速度均有著一定的缺陷，然而在城市中，分布率較高，因此C2V通信方式與AP通信方式明顯不同，這對(duì)更有效地分發(fā)信息提出了更大挑戰(zhàn)。

交通運(yùn)輸?shù)闹饕康氖菍⑷嘶蜇浳镞\(yùn)送到目的地，因此交通運(yùn)輸行業(yè)首要考慮的問題是保證運(yùn)輸安全和提高貨物運(yùn)送效率。近年來，GPS、車載傳感器等車載無線通信網(wǎng)絡(luò)被廣泛使用，而與車載自組織網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷涌現(xiàn)，如事故報(bào)告、安全預(yù)警等關(guān)注車輛安全駕駛等應(yīng)用[3]。然而受到通信方式的限制，路邊乘客無法與車輛進(jìn)行有效通信，導(dǎo)致信息傳遞缺失，交通運(yùn)輸效率較低。為解決上述問題VAP模式營運(yùn)而生。若路邊乘客持有具備信息發(fā)送接收和儲(chǔ)存功能、裝有電子地圖的車輛呼叫器，在通信網(wǎng)內(nèi)發(fā)布“車輛呼叫”的需求信息，經(jīng)V2P模塊處理并擴(kuò)散出去后，若有匹配需要的車輛，則該車輛可直接通過V2P反饋信息，最后經(jīng)處理后發(fā)送給乘客，這樣既能夠滿足乘客的具體要求，同時(shí)可合理利用有限的運(yùn)輸資源。

2.2 V2C和V2P模塊的業(yè)務(wù)流程圖

2.2.1 V2C模塊

V2C模塊開始后，首先路邊停放車輛需要經(jīng)一定方式形成線性的車輛停放簇結(jié)構(gòu)，之后，行駛車輛駛?cè)朐撀范魏螅咧g實(shí)現(xiàn)信息分發(fā)與傳遞，通信方式為Line-to-one communication和 One-to-line communication。除了實(shí)現(xiàn)路邊車輛與行駛車輛之間的信息傳遞，簇內(nèi)部車輛之間也能夠進(jìn)行信息傳遞，傳遞方式為Internal communication。一旦簇結(jié)構(gòu)失效或車輛離開，則通信結(jié)束?？傊?，路邊?？寇囕v在信息傳遞中主要是作為基礎(chǔ)設(shè)施的作用，要解決好停放車輛與行駛車輛傳輸質(zhì)量，就必須要保證傳輸信息的可靠與高效性。

2.2.2 V2P模塊

V2P業(yè)務(wù)流程開始后，首先需要通過V2V和V2I完成車載自組織網(wǎng)絡(luò)，之后需要將車輛地理位置信息和歷史形成信息在網(wǎng)內(nèi)擴(kuò)散，進(jìn)而查詢是否匹配，當(dāng)這一步驟完成后，乘客可經(jīng)無線通信設(shè)備呼叫車輛，當(dāng)車輛接收到信息后會(huì)主動(dòng)查詢匹配，查詢成功后，車輛可將信息反饋給乘客，由乘客決定是否選擇服務(wù)。

2.3 停放車輛與行駛車輛的通信模塊

2.3.1 條件假設(shè)

與傳統(tǒng)AP通信方式不同，行駛車輛與路邊停放車輛的通信方式是不需要基礎(chǔ)通信設(shè)施這一媒介的；當(dāng)路邊?？寇囕v形成車簇的時(shí)候，行駛車輛經(jīng)過各個(gè)?？寇囕v，可以選擇與合作車輛進(jìn)行信息傳遞。為了對(duì)新技術(shù)使用時(shí)可能存在的問題進(jìn)行避免與處理，進(jìn)行3種假設(shè)：①假設(shè)?？谲囕v與行駛車輛上的無線傳輸通信設(shè)備均有一個(gè)小容量可充電式電池，為了簡化能量討論，假設(shè)安裝的電池?zé)o重量、尺寸限制，不考慮電池使用時(shí)間和使用壽命的問題。②假設(shè)參與通信網(wǎng)絡(luò)的車輛均配備電子地圖、GPS，假設(shè)?？寇囕v能夠自身或者依靠行駛過的車輛來獲得準(zhǔn)確的時(shí)間與地理位置。③假設(shè)所有駕駛者無論是停放還是行駛都會(huì)與其他車輛分享信息與設(shè)備。

2.3.2 停放車輛線性停放簇的組成

有研究者對(duì)城市路邊車輛的停放狀況進(jìn)行了為期6天的調(diào)查，結(jié)果顯示，一天內(nèi)車輛的平均行駛時(shí)間為（41.0±27.17）分鐘，高峰期空地占有率為93%，而非高峰期的車輛占有率為80%，大部分車輛在一天中處于停放狀態(tài)，因此在城市中形成車輛簇難度不大且比較靈活。假設(shè)路邊車輛盡量為線性排放，而這一線性車輛簇需要具備3個(gè)功能：資源管理功能、簇管理功能和信息的發(fā)布功能。

假設(shè)左側(cè)道路首輛車和右側(cè)道路相反方向的頭輛車分別為兩個(gè)頭節(jié)點(diǎn)A1和A2，該簇其他車輛分別為B1，B2，B3，B4，當(dāng)車輛行駛進(jìn)來時(shí)必然會(huì)接近兩個(gè)頭節(jié)點(diǎn)中的任何一個(gè)，在這條道路上，頭節(jié)點(diǎn)會(huì)各自向鄰近岔路口的行駛車輛提供服務(wù)，成員節(jié)點(diǎn)則會(huì)在固定時(shí)間內(nèi)向頭節(jié)點(diǎn)廣播自己緩存大小、消息內(nèi)容和位置等，接受頭節(jié)點(diǎn)的管理，并為本地服務(wù)的接入點(diǎn)提供共享內(nèi)容。然而一旦頭節(jié)點(diǎn)失效或離開，則整個(gè)車輛簇會(huì)失效。為了避免這一問題，可安排兩個(gè)副頭節(jié)點(diǎn)，它們位置一般會(huì)在頭節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)位置，副頭節(jié)點(diǎn)主要是為了儲(chǔ)存頭節(jié)點(diǎn)的信息。

停車—車輛停放后，將自己位置、緩存空間信息、信息和自身信息請(qǐng)求向道路上?？寇囕v周期廣播；加入車輛簇：當(dāng)任何車輛接收到頭節(jié)點(diǎn)反饋的信息后可選擇加入或不加入；選擇頭節(jié)點(diǎn)：若一個(gè)方向上午簇頭節(jié)點(diǎn)，則可選擇距離岔路口最近的節(jié)點(diǎn)；選擇副頭節(jié)點(diǎn)：一般在選擇頭節(jié)點(diǎn)后的一輛車；重選頭節(jié)點(diǎn)：一旦頭節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)距離停車輛有更近的停放節(jié)點(diǎn)，會(huì)將自己的任務(wù)分配給這個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3 結(jié)語

車載自組織網(wǎng)絡(luò)在最近幾年蓬勃發(fā)展，然而仍然存在著許多問題。當(dāng)今無線通信網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展，大批相關(guān)的科研與應(yīng)用層出不窮，無線自組織網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)有著顯著的區(qū)別，具有無組織中心、可移動(dòng)性、靈活性和獨(dú)立組網(wǎng)等特點(diǎn)，因此無線自組織網(wǎng)絡(luò)信息傳遞中可能出現(xiàn)的問題也就不可預(yù)測(cè)。本文主要對(duì)車載自組織網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型進(jìn)行分析，并進(jìn)一步提出了停放車輛與行駛車輛的通信方案，以期為車載自組織網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供參考。

[1]EMMELMANN M, BOCHOW B, KELLUM C. Vehicular Networking：Automotive Applications and Beyond[M].New York：John Wiley&Sons Ltd，2010.

[2]王珂，林敏，王春清.車載自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)原型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子質(zhì)量，2014（7）：6-9.

Analysis on design and implementation of vehicular ad hoc network communication system

Wang Wanting
（North United Founding Communications Co., Ltd., Nanchang 330096, China）

Vehicle ad hoc is an important part of the functional traffic, which can be able to achieve the mutual communication between vehicles and vehicles on the road and the mutual communication between the vehicle and the road conditions. Through vehicle ad hoc network communication system, it can significantly reduce traffic accidents and provide basis for handling traffic cases. This article carries on the analysis of the main design of vehicular ad hoc network communication in the system, and further discusses the practical application system of vehicle.

vehicular ad hoc; network communication system; design

王萬停（1978— ），男，河南開封，本科，工程師；研究方向：指揮通信系統(tǒng)。