應(yīng)用智能交通和車載娛領(lǐng)域的車載自組織網(wǎng)絡(luò)研究

汽車工業(yè)的發(fā)展和私家車的普及，行車安全和道路交通事故已經(jīng)成為全球性的公共安全問題。同時，車輛越來越多地介入人們的日常生活，人們對車輛的娛樂功能也提出了更多更高的需求。隨著信息通信技術(shù)的進一步發(fā)展，如何通過日益發(fā)達(dá)的無線通信網(wǎng)絡(luò)來提高汽車道路安全就成為業(yè)界所關(guān)注和產(chǎn)生濃厚興趣的問題。基于此，車載自組織網(wǎng)絡(luò)（VANET）的概念應(yīng)運而生。車輛自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)合全球定位系統(tǒng)（GPS）和無線通信網(wǎng)絡(luò)，如無線局域網(wǎng)（WLAN）等，為處于高速運動中的車輛提供一種高速率的數(shù)據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)，進而可為車輛的安全行駛、計費管理、交通管理、數(shù)據(jù)通信和車載娛樂等提供一種可能的解決方案。

早前提出的移動自組織網(wǎng)絡(luò)（MANET）是一種自治的網(wǎng)絡(luò)，移動節(jié)點可以在飛機、船舶上，也可在卡車、小汽車上。從這一意義上來說，車載自組織網(wǎng)絡(luò)（VANET）完全可以看作是移動自組織網(wǎng)絡(luò)MANET的一個重要分支。車輛自組網(wǎng)與傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)相比較，具有車輛高速行駛、信道快速衰落、多普勒效應(yīng)嚴(yán)重、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓斓忍卣?，這些也都是當(dāng)前無線移動通信面臨的主要難題。

1 VANET概述

最早關(guān)于車輛無線移動通信的研究可以追溯到1992年，美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）首先提出的專用短距離通信（DSRC）技術(shù)，該技術(shù)采用915 MHz頻段，主要針對電子不停車收費（ETC）業(yè)務(wù)而開發(fā)。2002和2003年ASTM分別通過了DSRC標(biāo)準(zhǔn)E2213-02及其改進版本E2213-03，工作頻率為5.9 GHz。E2213-03以IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，主要針對車載環(huán)境下的通信進行了一系列的改進。從2004年開始，DSRC標(biāo)準(zhǔn)化工作轉(zhuǎn)入IEEE 802.11p與IEEE 1609工作組進行，主要還是針對高速移動環(huán)境中的通信對IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)內(nèi)容進行一些修改。IEEE 802.11p是美國交通部針對歐洲的車輛通信網(wǎng)絡(luò)，特別是電子道路收費系統(tǒng)、車輛安全服務(wù)與車上的商業(yè)交易系統(tǒng)等應(yīng)用而設(shè)計的一種中長距離通信的空中接口標(biāo)準(zhǔn)，它計劃將被用在車載通信系統(tǒng)中。日本的DSRC標(biāo)準(zhǔn)由TC204委員會承擔(dān)，已經(jīng)完成標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作，同樣也支持IEEE802.11p協(xié)議。歐洲早在1994年就由CEN/TC278開始了DSRC標(biāo)準(zhǔn)的起草，1997年“5.8 GHz DSRC物理層和數(shù)據(jù)鏈路層”標(biāo)準(zhǔn)獲準(zhǔn)通過。英特爾公司已經(jīng)開發(fā)出應(yīng)用于車內(nèi)環(huán)境的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計平臺，可用于建立車內(nèi)系統(tǒng)模型機，裝載目前最先進的PC軟件和開發(fā)車內(nèi)新的應(yīng)用項目。中國政府在繼續(xù)加快基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的同時，已提出將智能交通（ITS）作為中國未來交通運輸領(lǐng)域發(fā)展的重要方向和優(yōu)先領(lǐng)域予以重點支持。

車載環(huán)境無線接入（WAVE）是下一代專用短距通信（DSRC）技術(shù)，能夠提供高速的車到車（V2V）和車到中心臺（V2I）數(shù)據(jù)傳輸，主要可以用于智能交通系統(tǒng)（ITS），車輛安全服務(wù)以及車上因特網(wǎng)接入。WAVE系統(tǒng)工作于5.850～5.925 GHz，采用OFDM傳輸技術(shù)，能夠達(dá)到6～27 Mbit/s的信息傳輸速率。在WAVE系統(tǒng)中，一個路側(cè)單元（RSU）可以覆蓋方圓1 000英尺。WAVE系統(tǒng)基于IEEE 802.11p協(xié)議，此協(xié)議目前仍在積極開發(fā)之中。圖1給出了IEEE P1609的整體結(jié)構(gòu)以及IEEE802.11p在其中的具體位置。在圖中，可以看到802.11p協(xié)議在幾個管理協(xié)議的下層操作，歸它負(fù)責(zé)的有資源管理、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、信道選擇以及安全性能。

目前，關(guān)于WAVE演示系統(tǒng)的研究，美國的加州大學(xué)洛杉磯分校、俄亥俄州立大學(xué)、喬治亞理工大學(xué)等也都有系統(tǒng)原型發(fā)布，但大都還仍然處在開發(fā)的原始階段。

VANET的應(yīng)用可以分為兩大類：一類主要解決行車安全，稱之為安全應(yīng)用；另一類主要提供增值業(yè)務(wù)，如滿足乘客在車環(huán)境中的娛樂等功能，稱之為用戶應(yīng)用。

1.1 安全應(yīng)用

安全應(yīng)用能夠顯著地降低交通事故的數(shù)量。據(jù)研究，如果司機在碰撞發(fā)生的前半秒鐘被予以示警，則60%的交通事故不會發(fā)生。安全應(yīng)用主要在3類場景中發(fā)揮作用。

（1）事故現(xiàn)場預(yù)警

車輛在公路上高速行駛時司機們只有極少的時間對他們前方的車輛做出反應(yīng)。如果前方發(fā)生了交通事故，正在朝事故發(fā)生點行駛的車輛常常在司機們剎住車之前就撞上了。而安全應(yīng)用能夠用于提醒司機們沿著某條道路的前方有交通事故，從而避免連續(xù)相撞的發(fā)生。同時，安全應(yīng)用也能夠用于及時提醒司機們前方距離較近的車輛從而事先避免事故的發(fā)生。

（2）十字路口

行駛在十字路口附近或者穿過十字路口是司機們所面臨的最復(fù)雜的挑戰(zhàn)之一，因為此時會有更多的車輛交叉行駛，這使得發(fā)生車輛相撞的概率很高。根據(jù)美國交通部門的調(diào)查，2003年，在十字路口發(fā)生的車輛相撞事件數(shù)量占所有登記的車輛相撞事件的45%，占所有事故的21%。如果有一個安全應(yīng)用能夠在撞擊發(fā)生之前提醒駕駛員，從而駕駛員能夠采取措施預(yù)防相撞，那么事故的發(fā)生將會大大減少。

（3）擁塞的道路

安全應(yīng)用還能夠用于提供給駕駛員到達(dá)目的地的最佳道路選擇。這樣就能降低道路的擁塞，保持交通的順暢，從而提高道路的容量，避免交通堵塞；在通暢的道路上駕駛員能夠不那么煩躁從而更傾向于遵守交通規(guī)則，這對減少交通事故的發(fā)生也有直接影響。

1.2 用戶應(yīng)用

用戶應(yīng)用可以在旅程中給乘客提供廣告、娛樂等信息。有兩種最基本用戶應(yīng)用。

（1）因特網(wǎng)連接

對因特網(wǎng)的持續(xù)訪問能力日益成為大多數(shù)人的需求，再加上許多用戶應(yīng)用本身就要求對因特網(wǎng)的連接，因此，向車輛使用者以及其他的VANET網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序提供因特網(wǎng)連接服務(wù)是必要的。這也意味著通常的因特網(wǎng)業(yè)務(wù)能夠在車輛中無縫地被實現(xiàn)（如連續(xù)下載大文件），而不需要重建。

（2）P2P應(yīng)用

在VANET網(wǎng)絡(luò)中，使用P2P應(yīng)用也是打發(fā)無聊時間的一個有趣的方法。車?yán)锏某丝蛡儯ǚ邱{駛員）能夠分享音樂、電影等并且能夠彼此聊天、玩游戲。在長途旅行時，他們還能夠從專門的服務(wù)器中上傳或者下載音樂和電影。

2 VANET相關(guān)技術(shù)

2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

VANET網(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu)主要有兩大類：一大類是節(jié)點（車輛）和中心的V2I結(jié)構(gòu)，另一類是節(jié)點（車輛）和節(jié)點（車輛）間的Ad Hoc結(jié)構(gòu)。

圖2給出了這兩類的綜合架構(gòu)示意。通信系統(tǒng)由3部分組成，包括車載單元（OBU）、RSU以及專用短距離無線通信協(xié)議。OBU是放在移動的汽車上，相當(dāng)于通信系統(tǒng)中的移動終端，不同點是通信方式和頻率的差異。另外OBU是基于嵌入式處理單元，處理能力比較強。RSU又稱路旁單元、車道單元、車道設(shè)備，主要是指車道通信設(shè)備，負(fù)責(zé)車載單元的接入。DSRC協(xié)議采用簡化的3層協(xié)議結(jié)構(gòu)，包括物理層（PHY）、數(shù)據(jù)鏈路層（LLC）和應(yīng)用層。

2.2 物理層技術(shù)

目前大部分的V2V或V2I實驗系統(tǒng)使用的均是IEEE802.11a、802.11b、802.11g技術(shù)。即將出臺的IEEE802.11p標(biāo)準(zhǔn)使用基于正交頻分復(fù)用（OFDM）的物理層，與IEEE802.11a協(xié)議中的物理層類似。二者主要區(qū)別是物理層參數(shù)取值的不同，IEEE802.11p中OFDM的參數(shù)在時域中的值被翻倍，目的是降低由多徑傳播延時以及多普勒頻移效應(yīng)引起的符號間干擾。其傳輸范圍是從300 m到1 km，相應(yīng)的信號帶寬從20 MHz降為10 MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率的范圍從6~54 Mbit/s變成3~27 Mbit/s。

也有極少數(shù)提出的解決方案不是基于802.11技術(shù)。如歐洲的車隊網(wǎng)（FleetNet）[1]項目中建議的物理層技術(shù)是基于通用移動通信系統(tǒng)（UMTS）中的地面無線接入時分雙工（UTRA-TDD）方式。文獻(xiàn)[2]中介紹了此方案，并指出：無論是在相對速度高的情況下還是在多徑延時導(dǎo)致的信號大幅度變化的情況下，都能在誤比特率方面獲得比基于IEEE802.11b協(xié)議的解決方案更好的性能。

2.3 媒體訪問機制

媒體訪問機制（MAC）層的關(guān)鍵技術(shù)主要是對MAC的資源進行管理，包括呼叫接納和切換技術(shù)、調(diào)度技術(shù)、QoS架構(gòu)、鏈路預(yù)測及自適應(yīng)技術(shù)等。車載通信是在高速行駛的汽車上實現(xiàn)通信，要求移動和漫游的能力，以及高效、安全的切換技術(shù)。無線環(huán)境下MAC層的接入方式主要可劃分為基于競爭的共享介質(zhì)方式和基于調(diào)度的獨享介質(zhì)方式兩大類?；诟偁幍姆绞街?，典型的有CSMA/CA協(xié)議，比較適用于分布式的網(wǎng)絡(luò)。基于調(diào)度的獨享介質(zhì)方式需要有中心控制節(jié)點參與信道的劃分，比如FDMA、TDMA、CDMA等方式?，F(xiàn)階段，VANET的MAC協(xié)議主要有基于CSMA/CA的MAC協(xié)議和基于TDMA的MAC協(xié)議以及混合模型幾大類。CSMA/CA是IEEE 802.11采用的MAC層協(xié)議，成本低、易于實現(xiàn)。因此，目前的VANET的MAC協(xié)議大多都是在CSMA/CA協(xié)議的基礎(chǔ)上進行一些修訂和擴展，如將帶寬修改為10～20 MHz，引入任意幀間隔（AIFS）等參數(shù)?，F(xiàn)有的IEEE 802.11p就是802.11a協(xié)議的擴展。CSMA/CA是一種基于載波偵聽競爭機制的共享介質(zhì)方式。因此，以其為基礎(chǔ)的改進MAC協(xié)議在密度大的車輛環(huán)境中很容易引起沖突，從而導(dǎo)致大的時延，甚至造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。而在WAVE系統(tǒng)中安全數(shù)據(jù)包則對延遲非常敏感?；赥DMA的MAC協(xié)議雖可以保證安全數(shù)據(jù)包的及時送達(dá)，但由于它是一種基于調(diào)度的獨享介質(zhì)方式，所以需要有中心控制節(jié)點參與，比較適合于V2I通信，而對于V2V時的碰撞告警等安全信息也不適用，且當(dāng)處于密度小的車輛環(huán)境時又會造成網(wǎng)絡(luò)資源的浪費。文獻(xiàn)[5]嘗試將CSMA/CA和TDMA相結(jié)合，提出一種V2V和V2I間相互協(xié)作的MAC協(xié)議（VRCP）。VRCP協(xié)議可降低系統(tǒng)的丟包率，但卻沒有考慮物理層多普勒頻域?qū)π阅艿挠绊懠吧蠈訕I(yè)務(wù)的QoS要求。文獻(xiàn)[6]提出一種可以提高吞吐量的基于無線網(wǎng)狀網(wǎng)（MESH）技術(shù)的MAC層協(xié)議，它雖可以提高信道利用率，但也只能應(yīng)用于非安全應(yīng)用數(shù)據(jù)包的傳輸。基于定向天線的MAC協(xié)議（D-MAC）可以降低干擾，但由于復(fù)雜性而使得實施變得困難?？傊?，在VANET網(wǎng)絡(luò)中，單純的基于競爭或者基于調(diào)度的MAC協(xié)議，或者僅僅是簡單地把兩種方式進行復(fù)合使用，都不一定能獲得好的效果。

2.4 路由技術(shù)

VANET中的路由技術(shù)是為了解決如何在發(fā)送端車輛和接收端車輛之間尋找一條路徑從而確保通信的進行。目前針對MANET網(wǎng)絡(luò)，研究者提出了許多單播協(xié)議，如優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由協(xié)議（OLSR）、無線自組網(wǎng)按需平面距離矢量路由協(xié)議（AODV）、動態(tài)源路由協(xié)議（DSR）等等。這些協(xié)議主要分為兩大基本類型：被動型和主動型。被動型的路由協(xié)議是當(dāng)有數(shù)據(jù)包需要傳輸時才尋找并發(fā)現(xiàn)路徑。主動型的路由協(xié)議的節(jié)點則是通過定時發(fā)送包含拓?fù)湫畔⒌目刂菩畔頃r刻保持一個正確的路由表。

針對VANET網(wǎng)絡(luò)的特點，文獻(xiàn)[11]提出了地理位置路由算法用以減少節(jié)點的路由數(shù)目。實際上，在地理位置路由協(xié)議中，協(xié)議根據(jù)被傳送包的目的節(jié)點的地理位置決定轉(zhuǎn)發(fā)的路徑。一個中繼節(jié)點只需知道它自己的位置、目的節(jié)點的位置以及它的下一跳節(jié)點的位置。地理位置路由協(xié)議不要求保持整個顯式路由，而只需知道前一跳、自己及后一跳的位置，即使是動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，它也具有良好的傳輸范圍。由于能夠通過全球定位系統(tǒng)（GPS）知道車輛的位置，因此地理位置路由在VANET網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用具有很大潛力。地理位置路由協(xié)議還能優(yōu)化從源節(jié)點到目的節(jié)點的路由選擇通路。

同樣，在VANET網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點的高速移動使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l率很高。這將直接導(dǎo)致所選路徑的不可使用，繼而引起包的高丟失率。而預(yù)知車輛的移動以及讓報文排隊直至出現(xiàn)可利用的路徑能夠最大程度地減小由于網(wǎng)絡(luò)割裂帶來的影響。文獻(xiàn)[12]提出了主動流切換的方案。其主要思想是：在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，路徑上每一個使用到的節(jié)點都要監(jiān)測它到它前一個節(jié)點以及下一個節(jié)點的連通性，并預(yù)測它到它下一個節(jié)點的連接的持續(xù)時間。如果所預(yù)測的連接時間過短，它將在附近尋找能夠持續(xù)更長時間的另一條路徑并把信息流交付給這條新建立的路徑。如果這個辦法不可行，那么它將發(fā)送一條信息給源節(jié)點，讓它開始尋找新的路徑。然而，使用這種辦法要求每個節(jié)點都必須知道其自己所在的位置、速度以及全球時間，還應(yīng)該知道其他節(jié)點的大致位置及速度。再者，對節(jié)點移動的預(yù)計在復(fù)雜的環(huán)境比如城市中會變得很困難。文獻(xiàn)[13]提出了運動預(yù)測技術(shù)，其能夠和優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由協(xié)議一起改善網(wǎng)絡(luò)的連通性。

VANET網(wǎng)絡(luò)中的V2V網(wǎng)絡(luò)還存在另一個可預(yù)見到的關(guān)于連通性的問題。公路上可能只有很少的車輛，這將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)稀疏以及網(wǎng)絡(luò)割裂。為了解決這個問題，研究者們提出利用車輛的移動性來抵消網(wǎng)絡(luò)的稀疏性。針對稀疏MANET網(wǎng)絡(luò)，人們提出了幾種消息運送技術(shù)。在文獻(xiàn)[16]中，塔里克等人提出了一個有趣的計劃，計劃中有一個被稱為渡輪的特殊節(jié)點，通過替其他節(jié)點運送信息，它能夠使得MANET網(wǎng)絡(luò)中的連接更加便利。曾經(jīng)做過的多次仿真表明，這項計劃是合理的并能夠使網(wǎng)絡(luò)獲得良好的性能。對稀疏VANET這個把網(wǎng)絡(luò)分區(qū)作為一個特殊問題的網(wǎng)絡(luò)來說，這樣的系統(tǒng)將會很令人感興趣。

2.5 安全技術(shù)

如何保證VANET網(wǎng)絡(luò)的安全是非常重要的一個問題。如果攻擊者通過VANET網(wǎng)絡(luò)發(fā)布并不存在的交通堵塞或虛假的事故報告。錯誤的交通堵塞通告有可能導(dǎo)致車流從一條道路移動到另一條道路，從而真的引起一次交通堵塞。虛假的事故通告可能會引起緊急制動的啟動，從而可能導(dǎo)致一次真正的事故。相似地，拒絕服務(wù)攻擊以及偽裝攻擊的情況也會導(dǎo)致事故的發(fā)生。

另一方面，在VAENT網(wǎng)絡(luò)中隱私性也是一個重要的問題，這是因為除非采取適當(dāng)?shù)拇胧?，否則攻擊者能通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中使用的標(biāo)志符來窺探人們的隱私，如果這些標(biāo)志符（如MAC地址和IP地址等）從來不改變的話，那么攻擊者們就能通過它們連接到車輛上。通常，VANET網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用還要求信息的精確度，比如說，在安全應(yīng)用中的定位信息。而這些信息就能夠被攻擊者們用于搜集用戶的個人信息，如地理位置和運動模式。

目前，VANET網(wǎng)絡(luò)為了確保鑒權(quán)，可以使用認(rèn)證機構(gòu)（CAS）。所有對用戶及車輛的身份認(rèn)證、信任管理都是在一定區(qū)域內(nèi)進行的。每個車輛及RSU都有其獨特的身份、公用密鑰、專用密鑰和執(zhí)照。在CAS之間也設(shè)立了認(rèn)證機關(guān)，這將在確保全局安全通信的同時允許本地管理。DSRC/802.11p協(xié)議中提出使用非對稱密碼來標(biāo)記安全信息。也有研究者建議使用能夠用于匿名通信的假名機制來提升VANET網(wǎng)絡(luò)的隱私性。節(jié)點使用假名的專用密鑰來標(biāo)記要發(fā)出的信息，并將這個假名貼到信息上。假名提供者可以是CAS，也可以是其他能夠?qū)⒓倜l(fā)布到節(jié)點的實體。更換假名的同時也必須對基礎(chǔ)標(biāo)志符進行更換，如MAC地址及網(wǎng)絡(luò)地址，否則車輛仍然能夠被跟蹤。更改假名時最好是在一個不受監(jiān)控的區(qū)域或至少是一個難以持續(xù)跟蹤車輛的區(qū)域。該協(xié)議要求在交叉路口處設(shè)定一個RSU。當(dāng)車輛接近交叉路口時該RSU與車輛交換一個對稱密鑰，車輛能夠使用該密鑰通過與RSU的加密通信來獲得新的假名。因此，監(jiān)聽這個交叉路口的攻擊者將不知道下一個假名的信息。每通過一個十字路口，車輛的匿名能力都會增強。同時，基于假名機制的安全結(jié)構(gòu)還能夠滿足責(zé)任歸屬的需求。Raya等人在文獻(xiàn)[18]中提出了把異常行為車輛（攻擊者）從VANET網(wǎng)絡(luò)中移除的技術(shù)。

為了防止可能會作出錯誤通告的虛假信息的攻擊，置信元件（TC）和防篡改設(shè)備（TPD）是必需的。利用預(yù)防篡改的硬件以及固件來儲存敏感的加密材料以及執(zhí)行加密操作。

3 結(jié)束語

綜上所述，VANET網(wǎng)絡(luò)的研究才剛剛開始，其應(yīng)用前景廣闊。車輛通信標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11p即將發(fā)布。美國ABI市場咨詢公司日前預(yù)測，車載通信每年的市場規(guī)模高達(dá)10億美元。發(fā)展VANET技術(shù)，有利于提升中國在車載通信領(lǐng)域的地位，為中國經(jīng)濟發(fā)展作出貢獻(xiàn)。