車載移動異構(gòu)無線網(wǎng)絡架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

計算機技術(shù)、通信技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，以及三者之間的相互滲透和融合奠定了通信網(wǎng)絡技術(shù)的應用，推動了社會信息化的發(fā)展。近年來，車輛的爆發(fā)式增長和無處不在的信息需求也日益將通信網(wǎng)絡和車輛緊密結(jié)合起來。人們在車輛移動過程中的通信服務需求日益增大，車載移動網(wǎng)絡的研究已成為世界矚目的焦點，同時也促進了車輛向智能化、網(wǎng)絡化方向的發(fā)展。

傳統(tǒng)的車輛通信網(wǎng)絡通常只是針對于公路計費等用途設(shè)計的封閉式通信網(wǎng)絡，新近的發(fā)展使得車輛網(wǎng)絡支持車間自主通信從而互通安全信息。由于在網(wǎng)絡架構(gòu)方面的缺陷，現(xiàn)有的系統(tǒng)只能對高速行駛中的車輛提供局部區(qū)域內(nèi)的信息交互。新一代車載網(wǎng)絡將提供普適服務，包括：各種車輛安全消息傳輸、智能交通信息業(yè)務、多媒體數(shù)字業(yè)務等。因此在新一代車載移動網(wǎng)絡中如何在保證車輛間安全信息互通的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)車輛與智能交通控制中心進行實時數(shù)據(jù)服務(如提供路況信息，基于位置信息的地圖下載服務等)，以及車內(nèi)用戶寬帶無線接入互聯(lián)網(wǎng)從而獲取多媒體娛樂、資訊信息等成為車載移動網(wǎng)絡研究中一個非常重要和迫切的課題。針對此情況，文章提出了異構(gòu)無線網(wǎng)絡融合式的車載移動網(wǎng)絡架構(gòu)，主要是基于車輛環(huán)境下無線接入(WAVE)(IEEE802.11p)的車輛自組織通信技術(shù)和基于全球微波接入互操作性(WiMAX)(IEEE802.16e)的車載寬帶無線接入技術(shù)，并對其相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進行了探討和研究。

1車載網(wǎng)絡通信的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

近幾年來，車輛通信網(wǎng)絡逐漸成為智能交通系統(tǒng)(ITS)領(lǐng)域中的熱點問題。各國都致力于把先進的通信技術(shù)應用到車輛交通系統(tǒng)中，使其更加安全、智能和高效。車輛自組織網(wǎng)絡(VANET)可以實現(xiàn)移動過程中車輛之間(V2V)的通信，以及低速移動或者靜止時車輛與路邊基礎(chǔ)設(shè)施之間(V2I)的通信，能為車輛提供多種安全應用和非安全應用。2004年，IEEE成立了IEEE802.11p工作組以制定IEEE802.11在WAVE的版本，并以IEEE1609系列協(xié)議作為上層協(xié)議，從而形成車輛無線通信的基本協(xié)議構(gòu)架[1]。美國伊利諾伊大學UrbanaChampaign分校NitinVaidya教授為首的團隊開發(fā)了多信道測試的無線Mesh網(wǎng)絡測試臺。UCLA教授G.Pau提出了車輛間特殊路由協(xié)議(PVRP)，搭建了系統(tǒng)測試平臺進行了驗證。密歇根大學郭錦華和向衛(wèi)東教授開發(fā)了基于5.9GHz的WAVE系統(tǒng)信道測試平臺。

從車輛無線接入技術(shù)的角度，目前絕大多數(shù)的車輛移動通信網(wǎng)絡研究基于IEEE802.11的通信技術(shù)，但802.11具有覆蓋范圍小、車輛移動過程中需要頻繁切換連接路邊單元、服務質(zhì)量(QoS)支持弱、無法對多媒體信息提供高質(zhì)量支持的弱點[2-3]。為此，我們提出了基于IEEE802.16(它具有覆蓋范圍廣、QoS支持強的特點)的車輛通信網(wǎng)絡的研究。文獻[4-5]提出采用基于WiMAX(IEEE802.16)的技術(shù)來為車輛及其內(nèi)部所屬用戶的進行車載移動寬帶無線接入，首次將WiMAX技術(shù)應用于車輛通信網(wǎng)絡。該思想從本質(zhì)上打破了IEEE802.11一統(tǒng)車輛通信網(wǎng)絡的格局，為車輛通信網(wǎng)絡的發(fā)展和研究開辟了一個新方向。以IEEE802.16技術(shù)標準為基礎(chǔ)的寬帶無線接入系統(tǒng)近年來廣受市場關(guān)注，根據(jù)實際網(wǎng)絡規(guī)劃所得的結(jié)果，WiMAX基站在市區(qū)內(nèi)合理的覆蓋半徑大約為幾公里，可提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更廣的覆蓋范圍。為了解決車內(nèi)用戶終端在高速移動情況下的寬帶無線接入問題，IEEE802.16標準制定組2006年3月成立基于IEEE802.16j的移動中繼(MRS)工作小組，以研究采用MRS的可行性，想采用車載MRS站點為車內(nèi)的群體用戶終端提供寬帶無線接入服務[6]。

現(xiàn)階段，車載移動網(wǎng)絡的研究熱點主要集中在基于WAVE協(xié)議(IEEE802.11p)的車輛通信多信道協(xié)調(diào)應用、組播路由管理，以及基于WiMAX協(xié)議(IEEE802.16)的固定中繼技術(shù)的切換、資源調(diào)度方面。

在基于WAVE協(xié)議的車輛與車輛之間自組織通信網(wǎng)絡中，整個車輛網(wǎng)絡的安全和非安全應用都在一個信道上完成，難以保證安全應用的QoS。因為大量的非安全信息可能導致網(wǎng)絡擁塞，使安全消息無法有效傳遞，從而嚴重削弱VANET在主動安全方面的重要作用。采用多信道的媒體訪問控制(MAC)機制是解決上述問題直接而有效的方法之一[7]。采用多個信道后，節(jié)點間可以使用不同的信道進行通信，接入手段更加靈活多變，可以獲得優(yōu)于單信道的網(wǎng)絡吞吐量和時延特性。針對此情況，一般采用時隙間隔方法把時間交替分為控制間隔和數(shù)據(jù)交換間隔[8-9]。在控制間隔(CCH)所有節(jié)點跳到控制信道進行信道協(xié)商，在數(shù)據(jù)交換間隔(SCH)再跳到不同的信道進行數(shù)據(jù)傳輸。詳細架構(gòu)如圖1所示。

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WAVE協(xié)議中原有路由機制也不完全適合拓撲動態(tài)變化的車載通信網(wǎng)絡。基于表驅(qū)動的先應式路由協(xié)議對于交通環(huán)境中事先不確定的節(jié)點無法協(xié)調(diào)，而拓撲結(jié)構(gòu)的頻繁改變嚴重影響了協(xié)議的性能;基于源驅(qū)動的反應式路由協(xié)議是需要發(fā)送報文時才建立路由，一段時間后將過期。這些路由協(xié)議隨著通信跳數(shù)增加和車輛移動速度加快，建立路由的延遲相應增大，難以滿足低延遲的安全應用，因此出現(xiàn)基于位置的組播路由[10-11]。組播路由的目標是將報文從源節(jié)點傳遞到位于關(guān)聯(lián)區(qū)域(ZOR)內(nèi)的所有節(jié)點。針對組播路由機制，提出了簇的概念，它將車輛網(wǎng)絡組織成多個對等的單元(簇)，從而提高移動環(huán)境下的可擴展性[12]。在VANET中采用分簇機制，簇內(nèi)通信可以用于快速有效地傳遞安全相關(guān)的緊急消息，而簇間通信則用于傳遞需要跨越多跳到達更遠區(qū)域的消息。這種基于分簇的路由方式既能提供消息的全覆蓋，又能保證低的傳輸延遲，適合于在行駛途中分發(fā)各類緊急消息。未來將在車載網(wǎng)絡的安全應用中利用分簇組播的路由概念，簇頭作為協(xié)調(diào)者，一方面在簇內(nèi)實時采集和分發(fā)安全警告消息;另一方面將處理過的安全消息轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居簇頭。

車輛與路邊基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信僅僅適應車輛在低速行駛或者相對靜止的環(huán)境下，車輛在高速行駛過程中無法提供與路邊單元的基礎(chǔ)設(shè)施進行長時間的信息交互。車載寬帶無線接入中，在車內(nèi)用戶終端和路邊基站之間引入車載MRS站點，以協(xié)調(diào)車內(nèi)用戶與基站之間的通信，基站和車內(nèi)用戶終端將通過MRS站點進行信令的交互，而不是兩者間的直接通信。

在這種系統(tǒng)中，出現(xiàn)了分級調(diào)度和群組移動的概念?；竞蛙噧?nèi)用戶終端間通過MRS進行信息交互，并且MRS從服務基站、車內(nèi)用戶從車載中繼獲取分配的資源，即為兩級資源調(diào)度。同時，在引入MRS節(jié)點后對移動性管理提高了很多，中繼節(jié)點可以將來自車內(nèi)用戶終端的具有相似QoS需求的同類型業(yè)務的通信鏈路進行捆綁，集中處理進行群組切換，減少了以往切換過程中每個終端用戶和基站之間單獨進行信令交互的過程。文獻[13]提出了一種基于固定中繼的兩級資源調(diào)度機制，提高了系統(tǒng)吞吐量，降低了業(yè)務的丟包率和延時時間。文獻[14]提出了多跳蜂窩網(wǎng)絡中繼輔助切換的技術(shù)，移動終端通過中繼節(jié)點進行信息的傳輸，利用這種技術(shù)保證了信道的QoS參數(shù)，降低了掉話率。文獻[15]首次提出了基于MRS的群組切換，移動中繼站輔助車內(nèi)用戶終端完成接入目標基站的切換，并通過切換過程中資源的重新分配來提高切換成功率，降低切換阻塞和延時。

綜上所述，WAVE協(xié)議可以在數(shù)百米的半徑范圍內(nèi)憑借每秒數(shù)十兆比特的通信速度，對道路交叉點、加油站、停車場等提供實時文字和圖像信息，同時該通信技術(shù)也可以用于車車間通信，為行駛中的車輛提供應急安全消息通信，防止車輛碰撞。WiMAX的最大通信半徑可達幾千米，可在時速超過120km的高速移動車輛上使用，同時其MRS站出眾的系統(tǒng)增益也可為車內(nèi)用戶終端提供更高速率的通信服務。因此我們提出的WiMAX與WAVE新型異構(gòu)網(wǎng)絡融合的車載移動網(wǎng)絡架構(gòu)，從而構(gòu)成一個用于車輛安全通信、交通信息傳遞、寬帶無線多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)能囕v移動通信網(wǎng)絡。

2新型車載移動通信網(wǎng)絡架構(gòu)及參考模型

2.1網(wǎng)絡系統(tǒng)架構(gòu)

文章提出的異構(gòu)融合車載移動網(wǎng)絡架構(gòu)中，車車之間的通信是通過基于WAVE來實現(xiàn)，車輛與路邊基站的通信通過WiMAX實現(xiàn)。在車內(nèi)用戶終端與路邊基站的兩層結(jié)構(gòu)中還引入了MRS概念，車內(nèi)用戶通過MRS站進行網(wǎng)絡通信，詳細的車輛通信系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)如圖2所示。新型車輛通信網(wǎng)絡體系架構(gòu)支持車輛之間的應急通信，保障車輛行駛的主動安全性;支持通過MRS站為車輛及車內(nèi)用戶終端提供寬帶無線接入，從而與智能交通控制中心之間實現(xiàn)實時、可靠的信息交互，并能為車內(nèi)用戶終端提供寬帶無線網(wǎng)絡接入互聯(lián)網(wǎng)，進行多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務的傳輸。新型車載移動異構(gòu)無線通信協(xié)議架構(gòu)如圖3所示，車輛間通信是基于IEEE802.11p的局域聯(lián)網(wǎng)，是通過自組織的方式實現(xiàn)，為車間通信提供了可靠性的連接和緊急安全消息的傳輸，實現(xiàn)車輛之間安全報警和資源共享等;車載寬帶無線接入是基于IEEE802.16的城域聯(lián)網(wǎng)，可以通過MRS站接入當前接入基站，車內(nèi)用戶終端通過車載MRS站就可以進行高速的上傳、下載，并且車內(nèi)的用戶通過MRS站，形成一個群組，使得在小區(qū)邊緣可以實現(xiàn)整體越區(qū)切換。

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2.2通信協(xié)議模塊模型

在基于WAVE的車輛自組織通信技術(shù)和基于WiMAX的車載寬帶無線接入技術(shù)的異構(gòu)融合下，車載移動網(wǎng)絡能確保車輛在移動過程中通過IEEE802.11和IEEE802.16的多模終端下進行不同種類的信息傳遞服務。因為不同類型的網(wǎng)絡有不同的MAC、高層移動性管理協(xié)議，所以有必要在二層協(xié)議和三層協(xié)議之間開發(fā)一套與媒質(zhì)無關(guān)的切換技術(shù)來提供異構(gòu)網(wǎng)絡切換服務。我們使用的是基于IEEE802.21的媒介獨立切換功能模塊(MIHF)[16]。這種根據(jù)3G、WiMAX、無線保真(Wi-Fi)等協(xié)議建立的異構(gòu)網(wǎng)絡融合技術(shù)極具發(fā)展前景，其中不同種類網(wǎng)絡下的接入網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)和選擇、切換發(fā)起及功耗優(yōu)化等方面的性能都在MIHF模塊的協(xié)助下完成。采用MIHF模塊后，車輛在移動過程中的不同寬帶無線接入網(wǎng)絡間切換時延和切換丟包率能夠大幅改善，整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構(gòu)層次和模塊模型如圖4所示。

2.3通信外場測試平臺

車載移動異構(gòu)無線網(wǎng)絡通信外場測試平臺，在實驗室已有的車載網(wǎng)絡系統(tǒng)仿真測試平臺基礎(chǔ)上，通過建立車路通信和車車通信這兩種不同場景下的外場測試方案，可以實現(xiàn)基于IEEE802.16j移動WiMAX的車載寬帶接入網(wǎng)絡不同業(yè)務傳輸和基于IEEE802.11pWAVE的車輛自組織網(wǎng)絡通信，并在此基礎(chǔ)上對其性能進行分析。本實驗室的車載網(wǎng)絡測試外場位于同濟大學嘉定校區(qū)校園和曹安路口。如圖5所示，本測試平臺是通過車輛間安全信息高速傳輸，實現(xiàn)與智能交通信息中心的信息交互(如：路況指示)，也實現(xiàn)與公網(wǎng)進行數(shù)字多媒體業(yè)務交互(如：互聯(lián)網(wǎng)接入)。

3新型車載移動通信網(wǎng)絡的關(guān)鍵技術(shù)研究

文章的主要目的是對新型車載移動通信網(wǎng)絡進行一次全新的探索。從基于WAVE和WiMAX技術(shù)融合的角度對車輛通信網(wǎng)絡的整體構(gòu)架給出一種可行的解決方案，并使用跨層融合的設(shè)計準則和優(yōu)化方法提高新型車輛通信網(wǎng)絡的性能。下面將從多信道協(xié)調(diào)和調(diào)度、路由機制改進、群組切換和兩級資源調(diào)度方面對新型車載移動通信網(wǎng)絡的關(guān)鍵研究技術(shù)作簡單介紹。

3.1基于鏈路狀態(tài)的分布式信道調(diào)度和信道自適應協(xié)調(diào)機制

在多信道的研究中，文章采用了基于時隙間隔的信道協(xié)調(diào)機制和時分多址(TDMA)的信道接入機制，以確定協(xié)議的基本架構(gòu)。在協(xié)議基礎(chǔ)架構(gòu)中一個同步間隔包含一個控制窗口和一個數(shù)據(jù)交換窗口，每個窗口進一步按時隙劃分。控制窗口用來進行安全消息和控制消息的廣播，數(shù)據(jù)交換窗口用來進行非安全信息的單播或區(qū)域廣播，設(shè)計的VANET多信道MAC協(xié)議的框架如圖6所示?；诮煌芏鹊男诺雷赃m應協(xié)調(diào)機制主要是根據(jù)交通密度信息，動態(tài)調(diào)整控制窗口間隔和數(shù)據(jù)交換窗口間隔。并在已提出的協(xié)議框架基礎(chǔ)上，研究采用分布式的多信道調(diào)度算法，在局部范圍內(nèi)從頻率和時間的兩維角度為節(jié)點分配最優(yōu)資源;提高信道利用率和吞吐量;并在此基礎(chǔ)上基于全網(wǎng)對算法性能進行分析。

3.2基于相對位置的路由算法

在目前的車載網(wǎng)絡中，可以通過鏈路預測來獲得節(jié)點間的相對位置，以此進行路由的選擇。為了減輕數(shù)據(jù)鏈路層的負擔，讓目前的路由算法能獨立于MAC進行，在研究中可選用全球定位系統(tǒng)(GPS)設(shè)備提供位置信息的方法。通過對行駛中的車輛節(jié)點進行移動預測和對現(xiàn)有的分簇算法進行改進，使用緊急消息廣播機制，保證了車輛發(fā)生事故后，緊急消息快速穩(wěn)定地發(fā)送。在這個基礎(chǔ)上，設(shè)計基于移動預測的分簇廣播路由算法就顯得非常重要。同時，由于車載網(wǎng)絡中車輛節(jié)點的高速移動，網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)頻繁變化，為了提高車載網(wǎng)絡的服務質(zhì)量，減輕節(jié)點在網(wǎng)絡傳輸過程中頻繁中斷引起的延時，需要通過對節(jié)點的位置和速度、加速度信息進行預測，估計連接保持時間，在路由斷裂前啟動路由發(fā)現(xiàn)過程，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)腝oS。

3.3基于移動中繼技術(shù)的群組切換機制

群組切換(GHO)是在移動車輛上的多個用戶終端同時到下一個基站的切換，在切換過程中需要根據(jù)不同業(yè)務級別進行資源重新分配以保證業(yè)務的QoS;對于切換過程資源預留問題可以利用移動用戶預測的技術(shù)來進行初步估計，以降低切換掉話率、減少切換時延。基于中繼技術(shù)的群組切換研究內(nèi)容包括：基于移動預測的群組切換過程設(shè)計、基于子信道重新分配策略的切換接納控制策略、及速度自適應切換算法研究等。

3.4基于中繼的兩級調(diào)度算法

在車載網(wǎng)絡引入中繼技術(shù)后，寬帶無線接入系統(tǒng)內(nèi)將增加中繼節(jié)點。基站和用戶終端將通過中繼站點進行信令的交互，而不是兩者間的直接通信。由此在這種系統(tǒng)中，出現(xiàn)了分級調(diào)度的概念，主要是基站端的資源調(diào)度和中繼節(jié)點端的資源調(diào)度，即采用了分布式調(diào)度機制。由于中繼站點自身有很強的處理能力，包括具有部分的基站判決能力，能通過中繼節(jié)點輔助基站對用戶終端做出資源分配優(yōu)化的相應判決，減輕對基站的負擔，提高系統(tǒng)的吞吐量和數(shù)據(jù)傳輸速度。兩級資源調(diào)度算法主要在“車輛-MRS節(jié)點-路邊基站”三層結(jié)構(gòu)下，根據(jù)網(wǎng)絡環(huán)境變化而進行兩級動態(tài)帶寬資源分配(DBA)，提供頻譜資源利用率，為不同類型的業(yè)務提供不同的服務質(zhì)量保障。

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4結(jié)束語

在國家“十一五”科學技術(shù)發(fā)展規(guī)劃中指定的重大專項——“新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)”中，車輛自組織通信網(wǎng)絡及寬帶無線接入網(wǎng)絡的融合將是其中重要的組成部分。新型車載網(wǎng)絡可以提高城市智能交通系統(tǒng)服務水平，促進城市寬帶無線信息系統(tǒng)建設(shè)，為無線城市發(fā)展和建設(shè)數(shù)字化網(wǎng)絡城市提供有力的支持。針對此種情況，文章提出了基于WAVE的車輛自組織通信網(wǎng)絡和基于WiMAX的車載寬帶無線接入技術(shù)的混合式車載移動網(wǎng)絡架構(gòu)，并給出了新型車載移動網(wǎng)絡的協(xié)議模塊模型。在設(shè)計新型車載移動網(wǎng)絡協(xié)議框架過程中，我們對車輛自組織通信中的多信道協(xié)調(diào)、調(diào)度、組播路由機制和車載寬帶無線接入中的群組切換、多級資源調(diào)度分配機制等關(guān)鍵技術(shù)進行了理論研究分析。未來新型車載移動網(wǎng)絡的系統(tǒng)設(shè)計中，高速移動場景下的通信業(yè)務QoS保證和在移動過程中異構(gòu)網(wǎng)絡覆蓋下的快速無縫切換等一系列技術(shù)還有待于進一步的研究。

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