解析車(chē)載自組網(wǎng)的發(fā)展與應用情況

　引言

　　交通事故因其極強的“殺傷力”被稱(chēng)為世界“頭號殺手”。作為智能交通系統重要基礎之一的車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )概念就是在這種需求背景下提出的。車(chē)載自組網(wǎng)是專(zhuān)門(mén)為車(chē)輛問(wèn)通信而設計的自組織網(wǎng)絡(luò )，它創(chuàng )造性地將自組網(wǎng)技術(shù)應用于車(chē)輛間通信，使司機能夠在超視距的范圍內獲得其他車(chē)輛的狀況信息（如車(chē)速、方向、位置、剎車(chē)板壓力等）和實(shí)時(shí)路況信息。車(chē)載自組網(wǎng)的設計目標是建立一個(gè)車(chē)輛間通信的平臺，不僅提高交通效率，還為司機的通行帶來(lái)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(chē)通信標準化會(huì )議上，各國專(zhuān)家提出的車(chē)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(lái)的損失降低50％。

　　2 車(chē)載自組網(wǎng)簡(jiǎn)介

　　自組網(wǎng)是一種無(wú)線(xiàn)分布式結構，強調的是多跳、自組織、無(wú)中心的概念。因此可以把車(chē)載自組網(wǎng)（VANET，vehicle ad hoc networks）定義為一種快速移動(dòng)戶(hù)外通信網(wǎng)絡(luò )（fast moving outdoor commu—nication network），也有人把車(chē)載自組網(wǎng)稱(chēng)為自組織交通信息系統（SOTIS，self-organizing traffic informationsystem）。車(chē)載自組網(wǎng)的基本思想是在一定通信范圍內的車(chē)輛可以相互交換各自的車(chē)速、位置等信息和車(chē)載傳感器感知的數據，并自動(dòng)的連接建立起一個(gè)移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò )。節點(diǎn)的單跳通信范圍只有幾百米到一千米，每一個(gè)節點(diǎn)（車(chē)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據轉發(fā)給更遠的車(chē)輛。

　　2.1 網(wǎng)絡(luò )結構

　　整個(gè)車(chē)載自組網(wǎng)分為兩部分：車(chē)與車(chē)（V2V，vehicle to vhicle）和車(chē)與設施（V2I，vehicle toinfrastructure）。圖1顯示了車(chē)載自組網(wǎng)在真實(shí)環(huán)境中應用的一個(gè)模型示意：

　　可以看到，衛星通信系統分別為車(chē)載自組網(wǎng)提供全球定位服務(wù)（GPS，global positioning system）和數字多媒體服務(wù)（DMB，digital multimedia broad—casting）。車(chē)與車(chē)通信使車(chē)輛之間能夠通過(guò)多跳的方式進(jìn)行自動(dòng)互聯(lián)，這好比車(chē)與車(chē)之間能夠像人一樣互相交談，起到提高車(chē)輛運行的安全和疏導交通流量等作用。車(chē)載自組網(wǎng)除了可以單獨組網(wǎng)實(shí)現局部的通信外，還可以通過(guò)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(lè )、車(chē)內辦公等服務(wù)。在本文中，針對車(chē)載自組網(wǎng)的特點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)，主要討論車(chē)與車(chē)之間通信的自組網(wǎng)方式。

　　2.2 主要特點(diǎn)

　　車(chē)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(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)所固有的問(wèn)題，如隱藏點(diǎn)問(wèn)題、暴露點(diǎn)問(wèn)題、信道捕獲問(wèn)題等，不過(guò)也帶有自身獨特的特性。車(chē)載自組網(wǎng)的主要特點(diǎn)包括：

　?、?由于節點(diǎn)高速移動(dòng)性（速度大致在5-42m／s之間），導致網(wǎng)絡(luò )拓撲結構變化快，路徑壽命短，例如平均速度為lOOkm／h的道路上，如果節點(diǎn)的覆蓋半徑為250m，則鏈路存在15s的概率僅為57％。

　?、?無(wú)線(xiàn)信道質(zhì)量不穩定，受多種因素影響，其中包括路邊建筑、道路情況、車(chē)輛類(lèi)型和車(chē)輛相對速度等。

　?、?節點(diǎn)通過(guò)發(fā)動(dòng)機可以提供源源不斷的電力支持，車(chē)輛的承載空間也可以確保天線(xiàn)的尺寸和其他額外的通信設備，同時(shí)還具有強大的計算能力和存儲能力等。

　?、?節點(diǎn)移動(dòng)具有一定的規律性，只能沿著(zhù)車(chē)道單／雙向移動(dòng)，具有一維性。

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

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

　?、?GPS和電子地圖相結合，利用路徑規劃功能，將使車(chē)載自組網(wǎng)路由策略的實(shí)現變得更為簡(jiǎn)單。

　　2.3 應用舉例

　　車(chē)載自組網(wǎng)在交通運輸中出現，將會(huì )擴展司機的視野與車(chē)載部件的功能，從而提高道路交通的安全與高效。典型的應用包括：

　?、?行駛安全預警。利用車(chē)輛間相互交換狀態(tài)信息，通過(guò)車(chē)載自組網(wǎng)提前通告給司機，建議司機根據情況作出及時(shí)、適當的駕駛行為，這便有效的提升了司機的注意力，提高駕駛的安全性。

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

　?、?分布式交通信息發(fā)布。改變傳統的基于中心式網(wǎng)絡(luò )結構的交通信息發(fā)布形式，車(chē)輛從車(chē)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(chē)流量狀況，更新電子地圖以便更高效地決定路徑規劃。

　?、?基于通信的縱向車(chē)輛控制。通過(guò)車(chē)載自組網(wǎng)，車(chē)輛能根據尾隨車(chē)輛和更多前邊視線(xiàn)范圍外的車(chē)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(chē)輛行駛隊列，避免更多的交通事故。

　　3 物理層參數

　　由于車(chē)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(dòng)的環(huán)境下具有較強的頑健I生，減少因高速移動(dòng)引起的信號突變所帶來(lái)的影響，尤其是在高速下產(chǎn)生的多普勒效應等的影響；支持高速率傳輸，提供多跳連接（甚至是在節點(diǎn)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)性數據流，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(wú)需授權的頻段內，以保證其應用普及。

　　目前國外所應用的車(chē)載自組網(wǎng)系統所采用的物理層技術(shù)主要是基于802.1l（Wi—Fi） 標準和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(guò)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進(jìn)行簡(jiǎn)單比較。