车载自组网（VANET）
——以先进的车间通信技术提供车辆协作式安全应用
【摘要】
随着机动车数量的增加，越来越多的交通事故给社会经济和生命安全带来严重威胁。交通安全问题不仅涉及车辆自身，更与交通环境密不可分。先进的车载自组网（VANET）技术为交通安全问题提供了一种新的解决途径。
目前，主动安全系统基于反应式机理，并依赖于自治传感器（雷达、激光雷达、摄像头等）在给定时间内的实时反馈。自治传感器的覆盖范围有限，缺乏协同性，并且存在盲区、适应性有限的问题。VANET将车间无线通信和高精度定位技术融合到车辆传感器组件中，可以提供超视距提前感知能力，在主动安全系统中引入预期或前馈行为，能够实现协作式驾驶应用。协作式安全系统使驾驶员有更长的反应时间避免进入危险驾驶情况，从而减少其它主动安全系统或被动安全系统的需求。
VANET所提供的超视距感知能力不仅有利于驾驶员和周围环境的安全，并且有利于节省油耗、增加舒适度以及减少环境（如路面结冰）带来的影响。同时，VANET具备与其它网络互连的能力，能够提供多种信息增值服务，为驾驶员提供娱乐型、舒适型应用。
【车载自组网】
图1 车载自组网（VANET）
车载自组网（VANET）是指在交通环境中车辆之间、车辆与固定接入点之间及车辆与行人之间相互通信组成的开放式移动Ad hoc网络，其目标是为了在道路上构建一个自组织的、部署方便、费用低廉、结构开放的车辆间通信网络，提供无中心、自组织、支持多跳转发的数据传输能力，以实现事故预警、辅助驾驶、道路交通信息查询、车间通信和Internet接入服务等应用。许多人将VANET视为无线自组织网络（Ad Hoc Network）的一种特殊的实际应用，不过，由于VANET 本身所具有的网络特点，例如拓扑高动态、时延要求严格、节点移动速度高、轨迹可预测、能量无限、定位准确等，还有其应用前景明朗且广阔，研究范围横跨智能交通系统领域、计算机网络领域以及无线通信领域三大传统研究领域，使得对VANET的研究吸引了许多学术界和工业界的注意。
车载自组网涉及到两个庞大的产业（汽车工业和通信产业），相关的主体很多，基本上可以分为：政府部门（如美国的交通部U.S.DOT和FCC，欧洲的EU），行业公司（通用、宝马、华为），标准化组织（美国的IEEE和机动工程协会SAE，欧洲的ETSI和跨行业的C2C-CC联盟），以及各研究机构。随着车载网络逐渐成为移动互联网的一部分，如Google等IT巨头也会参与进来，届时更多的商业公司将会借助互联网参与到VANET的市场中去。
网络架构
图2 VANET网络架构
VANET网络可能被通信运营商、内容服务商、政府机构部署，或者由他们联合部署，构成一个混合架构的无线通信网络。根据欧洲车载通信联盟（C2C-CC）的定义，VANET的架构已被拓展到更广泛的范畴，分为车内通信（In-vehicle domain）、车间通信（Ad-hoc domain）和车路通信（Infrastructure domain）三个域。车内通信（In-vehicle）是车载单元（OBU）与用户终端之间的通信，用户终端可以是某种具体设备，也可以是集成于OBU的虚拟模块，连接方式可以有线或无线的。车间通信（Ad-hoc domain）包括OBU之间的通信（V2V）以及OBU与RSU之间的通信（V2R），通信方式可以是单跳也可以是多跳的。车路通信（Infrastructure domain）是OBU、RSU与基础设施之间的通信，如Satellite、Hot Spot、3G、4G等，完成接入互联网的功能。对于RSU来说，连接可以是有线的。
这三个域中可能采用的无线接入方式包括IEEE 802.11p（Ad-hoc domian）、Cellular Networks (2G/3G/4G用于infrastructure domain)、WLAN (802.11 a/g/n/ac用于Infrastructure domain或in-vehicle domain)，Bluetooth (in-vehicle domain)等。VANET的应用可能用到不只一种通信方式，比如eCall，就用到了GPS定位和2G网络，当安全气囊打开等重大传感信号被eCall设备收到，就会自动启动通信模块，拨打当地112，报告车辆GPS坐标、事故时间、车牌号等信息，并与当地救援队第一时间建立语音通信。
参考协议栈
图3 VANET参考协议栈
车载通信的一个典型特点是，针对不同的应用，各层协议可以变化很大，而且往往是跨层的考虑，或者是简化层次的考虑。IEEE给出的WAVE协议栈是目前比较权威的协议架构：物理层和数据链路层由IEEE 802.11p、IEEE 1609.4和IEEE 802.2构成；网络层和传输层拥有两套协议，分别是传统的TCP/IP协议和专门为车载安全应用设计的IEEE 1609.3协议；应用层区分了安全应用和非安全应用，并对安全应用引入了SAE协议作为消息子层；最后还有跨层的IEEE 1609.2作为安全协议。
【车辆协作式安全】
协作式安全应用包括三个阶段：信息阶段、警告阶段和自动化控制阶段。信息阶段和警告阶段需要驾驶员参与控制反馈回路。信息阶段需提供当前驾驶情况的信息，同时还不能分散驾驶员的注意力；警告阶段必须提醒驾驶员即将发生的紧急情况。自动化控制阶段不需要驾驶员参与控制反馈回路，由系统直接控制车辆的执行器来避免紧急情况。
图4 车辆协作式安全应用架构
相比纯自治安全系统，基于通信的协作式安全系统有四个优势：第一、通信提供了更远视角和更广范围的区域信息。根据传输频率和传输功率，电磁波可以绕过障碍物传输很远的距离，而在纯自治的安全系统中，驾驶员的时距达不到要
求；第二、通过车-车(V2V)通信，车辆之间可以共享信息，或者在拥有基础设施的情况下，通过车-基础设施(V2I)通信可以获取更多数量、更高质量的信息，并将这些信息共享给其它车辆，从而减少车辆轨迹估计的计算量；第三、定位设备和通信设备的花费明显少于布置在车辆周围的360°自治传感器的花费；第四、通信允许车辆之间相互协作来实现安全目标，如避免碰撞，这种协作可以大大降低车辆为避免碰撞所需操作的紧急程度。
典型的协作式安全应用包括：紧急制动警告、并线警告、交叉路口违规警告、前向碰撞预警和弯道速度警告等。
?紧急制动警告(EBW)
图5 紧急制动警告（EBW）
前方车辆紧急制动时，紧急制动警告(Emergency Brake Warning，EBW)将会提醒驾驶员。当制动车辆被其它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应用利用VANET系统的非视距优势来防止追尾事故。
?并线警告(LCW)
图6 并线警告（LCW）
当车辆换道可能存在危险时，并线警告(Lane Change Warning，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的时间内，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。
交叉路口违规警告(IVW)
图7 交叉路口违规警告
当驾驶员即将闯红灯时，交叉路口违规警告(Intersection Violation Warning，IVW)应用对他发出警告。IVW应用使用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边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应用将提醒驾驶员，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。
基于信道传播模型的车载网V2X通信协议研究随着汽车工业及人工智能的加速发展,汽车在给人们生活带来方便与快捷的同时,也带来一些交通拥堵的问题。车载自组网(Vehicles Ad-Hoc Networks,VANETs)的相关技术作为智能交通系统(Intelligent Transportation System,ITS)的最重要的部分,受到国内外研究者广泛关注。 VANETs主要任务是实现车辆与车辆之间(Vehicles to Vehicles,V2V)以及车辆与道路设施之间(Vehicles to Road Side Units,V2R)的信息交换。通过频繁的信息的交互,为实现道路上的无人驾驶提出了可靠的技术保障。 因此,在复杂的城市环境下设计性能良好的VANETs路由协议是本文的研究的核心问题。针对复杂多变的城市场景,本文提出一种改进的Nakagami-m信道传播模型来模拟环境的变化,将信息传输方式分为视距(Line of Sight,LOS)和非视距(Not Line of Sight,NLOS)两种传输方式。 在构建的城市信道模型的基础上,本文提出一种基于Nakagami-m中断概率的V2X通信协议(V2X Communication protocol based on Nakagami-m Outage Probability,VCNOP),其主要的工作优势有以下三点:(1)采用动态信标机制来进行车辆间信息的交互,其动态信标周期的大小与车辆的速度和车辆所在道路的密度两个因素有关,该机制有效的减少广播风暴的发生。(2)考虑基于路边基础单元(Road Side Units,RSU)辅助的路径选择机制,在传递信息时优先考虑RSU作为中继节点,借助RSU来提高车辆传递信息的准确性和实时性。 (3)在选择中继节点时考虑车辆与邻居节点的信道中断概率,相对速度,归一化的距离这三个因素,使用层次分析法来计算这三个影响因素的权重值,进而提高选出最优下一跳的概率。在仿真过程中,使用SUMO软件处理选择的真实场景的
摘要 车载自组织网络(VANET：vehicular ad hoc networks)是由车载节点、路边通信基础设施和服务器组成的自组织无线多跳网络。与传统的基础设施网络相比，车载自组织网络具有成本低、容易部署和操作的优势。另外从技术角度来看，车载自组织网络能够方便地为临近车辆建立实时或者非实时的短距离通信。车载自组网能够通过车辆信息（如车速、位置和方向等）以及路况信息（如拥塞情况、交通指示灯信息和道路实时状态等）的交互，提高车辆通行效率及安全性。车载自组网主要应用于智能交通系统中的安全预警、协助驾驶、分布式交通信息发布、基于通信的车辆控制及办公与娱乐化等方面。本文主要从车载自组织网络的背景、结构介绍、重难点和研究现状以及应用领域对VANET进行综述。 关键词：VANET 车载通信路由协议
目录 一、背景及意义 (4) 1.1 研究背景 (4) 1.1.1 国际动态 (4) 1.1.2 国动态 (4) 1.2 研究意义 (4) 1.2.1 降低事故率 (4) 1.2.2 提高交通系统效率 (4) 1.2.3 开发跨领域应用 (4) 二、网络结构与通信方式 (5) 2.1 车载自组网络结构 (5) 2.2 车载自组网通信方式 (5) 三、路由协议[5] (6) 3.1 单播路由协议 (7) 3.1.1 平面路由协议 (7) 3.1.2 基于分簇的路由协议 (7) 3.2 广播路由协议 (8) 3.3 地理组播路由协议 (8) 3.4 路由协议小结 (8) 四、车载自组织网络相关技术[7] (8) 4.1 物理层标准 (8) 4.2 MAC层[9] (9)
五、车载自组网络特点及研究难点 (10) 5.1 车载自组网特点 (10) 5.1.1 优点 (10) 5.1.2 缺点 (10) 5.2 研究难点 (11) 六、应用领域[10] (11) 6.1 主动安全应用 (12) 6.2 公共安全应用 (12) 6.3 改善驾驶应用 (12) 6.4 电子商务与移动娱乐应用 (12) 七、结语 (13) 八、参考文献 (13) 一、背景及意义 1.1研究背景 随着机动车的广泛发展，车联网发展迅速。其中，作为车联网的一个分支，车载自组织网络技术已经引起世界各国研究机构和科研人员的密切关注。 1.1.1国际动态 2003年,美国的联邦通信委员会专门为车辆间通信划分了一个专用频段。在该年的汽车通信标准化会议上，各国专家提出的车用自组织网络技术有望将交通事故带来的损失降低50％。2004年~2006年，MobiCom专门召开了3次专题研讨会讨论VANET。2005年,欧洲成立了车辆间通信联盟(Car2Car communication consortium)。日本也通过了两个车辆间通信标准。具体的研究项目有欧洲多国合作开展的Fleenet项目、德国的“Network on Wheels”、日本JSK领导的“Association of Electronic Technology for Automobile Traffic and Driving”，“Group Cooperative Driving”、美国的VII、美国马里立大学的TrafficView项目、法国多个研究机构合作开展的CIVIC等。 1.1.2国动态
基于DSRC的车载自组网终端设计及性能测试 【摘要】利用低功耗X86平台和嵌入式Linux平台，设计了一种基于DSRC的车载自组网通信系统方案。介绍了系统的软硬件架构，并进行了软硬件的设计与实现，最后在城市视距场景和跨江大桥场景下对该系统进行了丢包率、吞吐量以及延时抖动的测试分析。 【关键词】车载自组网专用短距离通信IEEE802.11p 车载单元 doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2015.03.000 中图分类号：TN914.3 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2015）03- 引用格式：张东亮，李晓欢，叶进，等. 基于DSRC的车载自组网终端设计及性能测试[J]. 移动通信，2015，39（3）： Design and Performance Test of V ANET Terminal Based on Dedicated Short Range Communication ZHANG Dong-liang1，LI Xiao-huan1，YE Jin1，ZHAN Yi-wang2 （1.Guilin University of Electronic and Technology，Guilin 541004，China； 2.Guangzhou GCI Science Technology Co.，Ltd.，Guangzhou 510641，China）
[Abstract] A scheme of V ANET communication system based on dedicated short range communication （DSRC）on low-power X86 and embedded Linux platforms is designed in this paper. The software and hardware structures are introduced，and then software and hardware are designed and implemented. Finally，packet loss ratio，throughput，delay and jitter are tested and analyzed in the scenes of urban line-of-sight and river-spanning bridge. [Key words] V ANET DSRC IEEE 802.11p OBU 1 引言 随着无线通信技术和智能交通系统（Intelligent Transport System，ITS）的发展，以汽车为载体的通过无线网络连接的车载自组网应运而生。车载自组网（Vehicular Ad-hoc Network，V ANET）主要由车载单元（On board Unit ，OBU）和路边单元（Road Side Unit，RSU）基础设施构成，其架构如图1所示。目前对车载自组网技术的研究主要基于如下一些无线通信技术：专用短距通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）、LTE、3G/4G等。美国、日本、欧洲等国家和地区各自发布了适用于智能交通领域的DSRC通信标准[1]，1999年，美国联邦通信委员会（FCC）分配了5.9GHz频段作为DSRC的通信频段，将该频段划分为7个信道，包括6个服务信道和1个控制信道，分别用于安全和
车载通信系统 1 Frontier topics 2 Typical problems 3 Related algorithms or protocols
车载自组网 ?出现的背景： 道路交通事故成为全球性公共安全问题，交通事故因其极强的“杀伤力”成为世界“头号杀手”，在2003年ITU-T的汽车通信标准化会议上，各国专家正式提出车载网络VANET(vehicle ad hoc networks)车载自组网是专门为车辆间通信而设计的自助式网络。
VENET 网络 特点： 具有ad hoc的基本特点：无中心和自组织性，动态的拓扑网络，多跳路由，无线传播，移动终端便携，安全性差 具有自身的特点： 1 节点高速移动，拓扑结构变化快，路径寿命短 2 节点移动具有一定的规律性 3 无线信道质量不稳定，受到多种因素的影响 4 GPS和电子地图相结合，利用路径规划功能，使路由策略的实现变得更为简单
车载网络通信系统结构： 车间通信（IVC iner vehicle communication ）车与车通信系统（V2V,vehicle-to-vehicle communication） 车与路边基础设施通信系统（V2I vehicle -to-infrastucture communication ）
?V2V 通信使车辆能够通过多跳的方式进行自动互联，起到车辆运行的安全和疏导交通流量的作用。 ?V2I 通过路灯、加油站等作为接入点的网关，连接到其他固定或移动通信网络上，如根据车辆运行情况在交叉路口调度信号灯，路边加油站及服务区向车辆提供服务等，应用开展有赖于路边设施，投资比较大
车载自组网（VANET） ——以先进的车间通信技术提供车辆协作式安全应用 【摘要】 随着机动车数量的增加，越来越多的交通事故给社会经济和生命安全带来严重威胁。交通安全问题不仅涉及车辆自身，更与交通环境密不可分。先进的车载自组网（VANET）技术为交通安全问题提供了一种新的解决途径。 目前，主动安全系统基于反应式机理，并依赖于自治传感器（雷达、激光雷达、摄像头等）在给定时间内的实时反馈。自治传感器的覆盖范围有限，缺乏协同性，并且存在盲区、适应性有限的问题。VANET将车间无线通信和高精度定位技术融合到车辆传感器组件中，可以提供超视距提前感知能力，在主动安全系统中引入预期或前馈行为，能够实现协作式驾驶应用。协作式安全系统使驾驶员有更长的反应时间避免进入危险驾驶情况，从而减少其它主动安全系统或被动安全系统的需求。 VANET所提供的超视距感知能力不仅有利于驾驶员和周围环境的安全，并且有利于节省油耗、增加舒适度以及减少环境（如路面结冰）带来的影响。同时，VANET具备与其它网络互连的能力，能够提供多种信息增值服务，为驾驶员提供娱乐型、舒适型应用。 【车载自组网】 图1 车载自组网（VANET）
车载自组网（VANET）是指在交通环境中车辆之间、车辆与固定接入点之间及车辆与行人之间相互通信组成的开放式移动Ad hoc网络，其目标是为了在道路上构建一个自组织的、部署方便、费用低廉、结构开放的车辆间通信网络，提供无中心、自组织、支持多跳转发的数据传输能力，以实现事故预警、辅助驾驶、道路交通信息查询、车间通信和Internet接入服务等应用。许多人将VANET视为无线自组织网络（Ad Hoc Network）的一种特殊的实际应用，不过，由于VANET 本身所具有的网络特点，例如拓扑高动态、时延要求严格、节点移动速度高、轨迹可预测、能量无限、定位准确等，还有其应用前景明朗且广阔，研究范围横跨智能交通系统领域、计算机网络领域以及无线通信领域三大传统研究领域，使得对VANET的研究吸引了许多学术界和工业界的注意。 车载自组网涉及到两个庞大的产业（汽车工业和通信产业），相关的主体很多，基本上可以分为：政府部门（如美国的交通部U.S.DOT和FCC，欧洲的EU），行业公司（通用、宝马、华为），标准化组织（美国的IEEE和机动工程协会SAE，欧洲的ETSI和跨行业的C2C-CC联盟），以及各研究机构。随着车载网络逐渐成为移动互联网的一部分，如Google等IT巨头也会参与进来，届时更多的商业公司将会借助互联网参与到VANET的市场中去。 网络架构 图2 VANET网络架构