車載自組網(wǎng)的現(xiàn)狀與發(fā)展

　　引言

　　交通事故因其極強的“殺傷力”被稱為世界“頭號殺手”。作為智能交通系統(tǒng)重要基礎(chǔ)之一的車輛網(wǎng)絡(luò)概念就是在這種需求背景下提出的。車載自組網(wǎng)是專門為車輛問通信而設(shè)計的自組織網(wǎng)絡(luò)，它創(chuàng)造性地將自組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于車輛間通信，使司機(jī)能夠在超視距的范圍內(nèi)獲得其他車輛的狀況信息（如車速、方向、位置、剎車板壓力等）和實時路況信息。車載自組網(wǎng)的設(shè)計目標(biāo)是建立一個車輛間通信的平臺，不僅提高交通效率，還為司機(jī)的通行帶來可靠安全和多重便利，使旅行者更加舒適。在2003年I1ru—T的汽車通信標(biāo)準(zhǔn)化會議上，各國專家提出的車用自組織網(wǎng)絡(luò)（VANET，vehicle ad-hocnetworks）技術(shù)有望在2010年將交通事故帶來的損失降低50％。

　　2 車載自組網(wǎng)簡介

　　自組網(wǎng)是一種無線分布式結(jié)構(gòu)，強調(diào)的是多跳、自組織、無中心的概念。因此可以把車載自組網(wǎng)（VANET，vehicle ad hoc networks）定義為一種快速移動戶外通信網(wǎng)絡(luò)（fast moving outdoor commu—nication network），也有人把車載自組網(wǎng)稱為自組織交通信息系統(tǒng)（SOTIS，self-organizing traffic informationsystem）。車載自組網(wǎng)的基本思想是在一定通信范圍內(nèi)的車輛可以相互交換各自的車速、位置等信息和車載傳感器感知的數(shù)據(jù)，并自動的連接建立起一個移動的網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點的單跳通信范圍只有幾百米到一千米，每一個節(jié)點（車輛）不僅是一個收發(fā)器，同時還是一個路由器，因此采用多跳的方式把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給更遠(yuǎn)的車輛。

　　2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　整個車載自組網(wǎng)分為兩部分：車與車（V2V，vehicle to vhicle）和車與設(shè)施（V2I，vehicle toinfrastructure）。圖1顯示了車載自組網(wǎng)在真實環(huán)境中應(yīng)用的一個模型示意：

　　可以看到，衛(wèi)星通信系統(tǒng)分別為車載自組網(wǎng)提供全球定位服務(wù)（GPS，global positioning system）和數(shù)字多媒體服務(wù)（DMB，digital multimedia broad—casting）。車與車通信使車輛之間能夠通過多跳的方式進(jìn)行自動互聯(lián)，這好比車與車之間能夠像人一樣互相交談，起到提高車輛運行的安全和疏導(dǎo)交通流量等作用。車載自組網(wǎng)除了可以單獨組網(wǎng)實現(xiàn)局部的通信外，還可以通過路燈、加油站等作為接入點的網(wǎng)關(guān)（gateway），連接到其他的固定或移動通信網(wǎng)絡(luò)上，提供更為豐富的娛樂、車內(nèi)辦公等服務(wù)。在本文中，針對車載自組網(wǎng)的特點和技術(shù)難點，主要討論車與車之間通信的自組網(wǎng)方式。

　　2.2 主要特點

　　車載自組網(wǎng)是極其特殊的移動自組織網(wǎng)絡(luò)，它同樣存在一般無線自組網(wǎng)所固有的問題，如隱藏點問題、暴露點問題、信道捕獲問題等，不過也帶有自身獨特的特性。車載自組網(wǎng)的主要特點包括：

　?、?由于節(jié)點高速移動性（速度大致在5-42m／s之間），導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快，路徑壽命短，例如平均速度為lOOkm／h的道路上，如果節(jié)點的覆蓋半徑為250m，則鏈路存在15s的概率僅為57％。

　?、?無線信道質(zhì)量不穩(wěn)定，受多種因素影響，其中包括路邊建筑、道路情況、車輛類型和車輛相對速度等。

　　③ 節(jié)點通過發(fā)動機(jī)可以提供源源不斷的電力支持，車輛的承載空間也可以確保天線的尺寸和其他額外的通信設(shè)備，同時還具有強大的計算能力和存儲能力等。

　　④ 節(jié)點移動具有一定的規(guī)律性，只能沿著車道單／雙向移動，具有一維性。

　　⑤ 道路的靜態(tài)形狀使得車輛移動是受限制的，車輛軌道一般可預(yù)測。

　?、?GPS能夠為節(jié)點提供精確定位和精準(zhǔn)時鐘信息，利于獲取自身位置信息和進(jìn)行時鐘同步。

　?、?GPS和電子地圖相結(jié)合，利用路徑規(guī)劃功能，將使車載自組網(wǎng)路由策略的實現(xiàn)變得更為簡單。

　　2.3 應(yīng)用舉例

　　車載自組網(wǎng)在交通運輸中出現(xiàn)，將會擴(kuò)展司機(jī)的視野與車載部件的功能，從而提高道路交通的安全與高效。典型的應(yīng)用包括：

　　① 行駛安全預(yù)警。利用車輛間相互交換狀態(tài)信息，通過車載自組網(wǎng)提前通告給司機(jī)，建議司機(jī)根據(jù)情況作出及時、適當(dāng)?shù)鸟{駛行為，這便有效的提升了司機(jī)的注意力，提高駕駛的安全性。

　　② 協(xié)助駕駛。幫助駕駛員快速、安全的通過“盲區(qū)”，例如在高速路出／入口或交通十字路口處的車輛協(xié)調(diào)通行。

　　③ 分布式交通信息發(fā)布。改變傳統(tǒng)的基于中心式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的交通信息發(fā)布形式，車輛從車載自組網(wǎng)中獲取實時交通信息，提高路況信息的實時性，例如，綜合出與自身相關(guān)的車流量狀況，更新電子地圖以便更高效地決定路徑規(guī)劃。

　?、?基于通信的縱向車輛控制。通過車載自組網(wǎng)，車輛能根據(jù)尾隨車輛和更多前邊視線范圍外的車輛相互協(xié)同行駛，這樣能夠自動形成一個更為和諧的車輛行駛隊列，避免更多的交通事故。

3物理層參數(shù)

　　由于車載自組網(wǎng)獨特的性質(zhì)，決定了其對物理層的要求比較苛刻：要求在高速移動的環(huán)境下具有較強的頑健I生，減少因高速移動引起的信號突變所帶來的影響，尤其是在高速下產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)等的影響；支持高速率傳輸，提供多跳連接（甚至是在節(jié)點密度比較小的情況下），保證足夠的信息交互；而且對于安全報警信息延遲要非常小，支持突發(fā)性數(shù)據(jù)流，保證其實時性；與MAC層協(xié)議接口相匹配；另外，需要工作在無需授權(quán)的頻段內(nèi)，以保證其應(yīng)用普及。

　　目前國外所應(yīng)用的車載自組網(wǎng)系統(tǒng)所采用的物理層技術(shù)主要是基于802.1l（Wi—Fi）標(biāo)準(zhǔn)和UTRA—TDD（TD—CDMA）技術(shù)，例如CarTalk與FleetNet項目都采用了UTRA—TDD技術(shù)，C2C聯(lián)盟則主張使用改進(jìn)后的802.1lb技術(shù)。通過表1，可以對802.1lb和UTRA—TDD在物理層中所采用的一些不同參數(shù)進(jìn)行簡單比較。