解析車載自組網(wǎng)的發(fā)展與應(yīng)用情況

　引言

　　交通事故因其極強(qiáng)的“殺傷力”被稱為世界“頭號(hào)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(jì)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(shí)時(shí)路況信息。車載自組網(wǎng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是建立一個(gè)車輛間通信的平臺(tái)，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(huì)議上，各國(guó)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(jiǎn)介

　　自組網(wǎng)是一種無線分布式結(jié)構(gòu)，強(qiáng)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(dòng)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(dòng)的連接建立起一個(gè)移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)的單跳通信范圍只有幾百米到一千米，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)（車輛）不僅是一個(gè)收發(fā)器，同時(shí)還是一個(gè)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(gè)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(shí)環(huán)境中應(yīng)用的一個(gè)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(dòng)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(yùn)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(dú)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)局部的通信外，還可以通過路燈、加油站等作為接入點(diǎn)的網(wǎng)關(guān)（gateway），連接到其他的固定或移動(dòng)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(duì)車載自組網(wǎng)的特點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)，主要討論車與車之間通信的自組網(wǎng)方式。

　　2.2 主要特點(diǎn)

　　車載自組網(wǎng)是極其特殊的移動(dòng)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(diǎn)問題、暴露點(diǎn)問題、信道捕獲問題等，不過也帶有自身獨(dú)特的特性。車載自組網(wǎng)的主要特點(diǎn)包括：

　　① 由于節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)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(diǎn)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(duì)速度等。

　?、?節(jié)點(diǎn)通過發(fā)動(dòng)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(shí)還具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力等。

　?、?節(jié)點(diǎn)移動(dòng)具有一定的規(guī)律性，只能沿著車道單／雙向移動(dòng)，具有一維性。

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

　　⑥ GPS能夠?yàn)楣?jié)點(diǎn)提供精確定位和精準(zhǔn)時(shí)鐘信息，利于獲取自身位置信息和進(jìn)行時(shí)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(shí)現(xiàn)變得更為簡(jiǎn)單。

　　2.3 應(yīng)用舉例

　　車載自組網(wǎng)在交通運(yùn)輸中出現(xiàn)，將會(huì)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(shí)、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(shí)時(shí)交通信息，提高路況信息的實(shí)時(shí)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(dòng)形成一個(gè)更為和諧的車輛行駛隊(duì)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(dú)特的性質(zhì)，決定了其對(duì)物理層的要求比較苛刻：要求在高速移動(dòng)的環(huán)境下具有較強(qiáng)的頑健I生，減少因高速移動(dòng)引起的信號(hào)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(diǎn)密度比較小的情況下），保證足夠的信息交互；而且對(duì)于安全報(bào)警信息延遲要非常小，支持突發(fā)性數(shù)據(jù)流，保證其實(shí)時(shí)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(guó)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(xiàng)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(duì)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(jiǎn)單比較。