-
车载
Ad
Hoc
网络
VANET
Vehicle Ad hoc Network
郝建军
/HAO Jianjun
罗涛
/LUO Tao
乐光新
/YUE Guangxin
（北京邮电大学信息与通信工程学院，北京
100876
）
(School
of
information
and
communications
Engineering,
Beijing
University
of
Posts
and
Telecommunications, Beijing 100876,
China)
中图分类号：
TP393
文献标识码：
A
文章编号：
1009-6868 (2009)
06-0000-00
摘要：
V<
/p>
ANET
作为移动自组织网络
MANET
的特殊子类，因其在智能交通和车载娱乐方面的广阔应用前景，
目前受到业界的普遍关注。它的主要特点是车辆高速行驶，信道快速衰落，多普勒效应严重，网络拓
扑变化快，由此将带来许多传输和组网的问题。本文对其相关技术进行了概括的阐述。
关键词：
车载自组织网络；
802.11p
标准；专用短距离
通信；车载无线接入
Abstract:
As a special subclass of
Mobile ad hoc Network, Vehicle ad hoc network has
attracted more attention from the
whole
industry because of its
bright future for wide applications in ITS and
vehicle entertainment. Its main
features are the high-speed nodes
(vehicle), the fast fading of channel, more
Doppler shift and rapid change of
network topology. The article describes
the relevant technology of VANET..
Key
words:
V
ANET;
802.11p Standard; DSRC; W
A
VE
汽车工业的发展和私家车的普及，
行
车安全和道路交通事故已经成为全球性的公共安
全问题。同时，车辆越来越多地介入人们
的日常生活，人们对车辆的娱乐功能也提出了更
多更高的需求。
随着信息通信技术的进一步发展，
如何通过日愈发达的无线通信网络来提
高汽车道路安全就成为业界所关注和产生浓厚兴趣的问题。基于此，车辆自组织网络
（
Vehicle Ad Hoc Network
：
V
ANET
）的概念应运而生。车辆自组织
网络结合全球定位系
统（
GPS
：
Global positioning system
）和无线通
信网络，如无线局域网（
WLAN
：
W
ireless
local
area
network
）等，为处于高速运动中的车辆提供一种高速率的数据接入网络，进
而
可为车辆的安全行驶、计费管理、交通管理、数据通信和车载娱乐等提供一种可能的解
决
方案。
早前提出的移动自组织网络（
Mobile
Ad
Hoc
Network-MA
NET
）是一种自治的网络
,
移动节点
可以在飞机
,
船舶上，也可在卡车、小汽车上。从这一意义上
来说，车载自组织
网络（
V
ANET<
/p>
）完全可以看作是移动自组织网络
MANET
的一个重要分支。车辆自组网
(V
ANETS)
与传统无线通信系统相比较，具有车辆高速行驶，信道快速衰落，多普勒效应
严重，网络拓扑变化快等特征，这些也都是当前无线移动通信面临的主要难题。
1 VANET
概述
最早关于车辆无线移动通信的研究可以追溯到
1992
年，
美国材料与试验协会
（
ASTM<
/p>
：
1
American Society for
Testing and Materials
）
首先提出的专
用短距离通信
（
DSRC
：
Dedicated
Short Range Communicati
ons
）
技术，
它采用
915MHz
频段，
主要针对电子不停车收费
（
ETC
：
Elect
ronic
Toll
Collection
）业务而开发。
2002
和
2
003
年
ASTM
分别通过了
DSRC
标准
E2213-02
及其改进版本
E2213-03
，工作频率为
5.9GHz
。
E2213-03
以
IEEE
802
标准为
基
础，主要针对车载环境下的通信进行了一系列的改进。从
20
04
年开始，
DSRC
标准化工
作转入
IEEE
802.11p
与
IEEE
1609
工作组进行，主要还是针对高速移动环境中的通信对
IEEE
802.11
标准的相关内容进行一些
修改。
IEEE
802.11p
是美
国交通部针对欧洲的车辆
通信网络，
特别是电子道路收费系统、
车辆安全服务与车上的商业交易系统等应用而设计
的一种中长距
离通信的空中接口标准，
它计划将被用在车载通信系统中。
日本
的
DSRC
标
准由
TC204
委员会承担，
已经完成标准的制定工作，
同样也支持
IEEE802.11p
协议。<
/p>
欧洲
早在
1994
年就由
CEN/TC278
开始了
D
SRC
标准的起草，
1997
年
“5.8GHz DSRC
物理层和
数据链路
层
”
标准获准通过。英特尔公司已经开发出应用于车内环境的软
硬件系统设计平
台，可用于建立车内系统模型机，装载目前最先进的
PC
软件和开发车内新的应用项目。
我国政府在继续加快基
础设施建设的同时，已提出将智能交通（
ITS
）作为我国未来
交通
运输领域发展的重要方向和优先领域予以重点支持。
WA
VE(Wireless
Access
in
Vehicular
Environments
，车载环境无线接入
)
是下一代
DSRC(dedicated
short-range
communications
，专用短
距通信
)
技
术，能够
提供高
速的
V2V(vehicle-to-vehicle
，车到车
)
和
V2I(vehicle-to-infrastru
cture
，车到中心台
)
数据传输，
主
要可以用于
ITS(intelligent
transportation systems
，智能交通系统
)
，车辆安全服务以及车上
因特网接入。
WA
VE
系统工作于
5.850-
5.925GHz
，
采用
OFDM
传输技术，
能够达到
6-27Mb/s
的信息传输速率。
在
WA
< br>VE
系统中，
一个
RSU(ro
adside unit)
可以覆盖方圆
1000
英尺。
WA
VE
系统基于<
/p>
IEEE
802.11p
协议，此协议
目前仍在积极开发之中。图
1
给出了
I
EEE
P1609
的整体结构以及
I
EEE802.11p
在其中的具体位置。在图中，可以看到
8
02.11p
协议
在几个管理协议的下层操作，归它负责的有资
源管理，网络服务，信道选择以及安
全性能。
IEEE P1609.1
WAVE
资
源管理
IEEE P1609.2
应用加密服务
和管理消息
W
A
V
E
管
理
IEEE
P1609.3
网络服务
IEEE P1609.4
多信道操作
（
MAC
扩展
）
IEEE 802.11p
WAVE
MAC
IEEE 802.11p
WAVE
物理层
图
1
IEEE
P1609
协议栈参考模型
目前，关于
WA
VE
演示系统的研究，美国的加州大学洛杉矶分校、俄亥俄州立大学、
乔治亚理工大学等也都有系统原型发布，但大都还仍然处在开发的原始阶段。
2
<
/p>
V
ANET
的应用可以分为两大类：一类
主要解决行车安全，称之为安全应用；另一类
主要提供增值业务，如满足乘客在车环境中
的娱乐等功能，称之为用户应用。
（
1
）安全应用
安全应用能够显著地降
低交通事故的数量。
据研究，
如果司机在碰撞发生的前半秒钟<
/p>
被予以示警，则
60%
的交通事故不会发
生。安全应用主要在以下三类场景中发挥作用：
·
事故现场预警：
车辆在公路上高速行驶时司机们只有极少的时间对他们前方
的车辆
做出反应。
如果前方发生了交通事故，
< br>正在朝事故发生点行驶的车辆常常在司机们刹住车
之前就撞上了。
而安全应用能够用于提醒司机们沿着某条道路的前方有交通事故，
从而避
免连续相撞的发生。
同时，
安全应用也能够用
于及时提醒司机们前方距离较近的车辆从而
事先避免事故的发生。
·
十字路口：
行驶在十字路口附近
或者穿过十字路口是司机们所面临的最复杂的挑战
之一，因为此时会有更多的车辆交叉行
驶，这使得发生车辆相撞的概率很高。根据美国交
通部门的调查，
2003
年，在十字路口发生的车辆相撞事件数量占所有登记的车辆相撞事
件的
45%
，
占所有事故
的
21%
。
如果有一个安全应用能够在
撞击发生之前提醒驾驶员，
从
而驾驶员能够采取措施预防相撞，
那么事故的发生将会大大减少。
·拥塞的道路：安全应用还能
够用于提供给驾驶员到达目的地的最佳道路选择。这样
就能降低道路的拥塞，保持交通的
顺畅，从而提高道路的容量，避免交通堵塞；在通畅的
道路上驾驶员能够不那么烦躁从而
更倾向于遵守交通规则，
这对减少交通事故的发生也有
直接影响
。
（
2
）用
户应用
用户应用可以在旅程中给乘客提供广告、娱乐等信息。
最基本的两种用户应用为：
·因特网连接：对因特网的持续访
问能力日益成为大多数人的需求，再加上许多用户
应用本身就要求对因特网的连接，因此
，向车辆使用者以及其他的
V
ANET
网络应用程序
提供因特网连接服务是必要的。
这也意味着通常的
因特网业务能够在车辆中无缝地被实现
（如连续下载大文件）
，
而不需要重建。
·
对等
(P2P)
应用：
在
V
ANET
网络中，
使用
P2P
应用也是打发无聊时间的一个有趣的
方法。车里的乘
客们（非驾驶员）能够分享音乐、电影等并且能够彼此聊天、玩游戏。在
长途旅行时，他
们还能够从专门的服务器中上传或者下载音乐和电影。
2
VANET
相关技术
2.1
网络架构
V
ANET
网络的基本架构主要有两大类：一大类是节点（车辆）和中心的
V2I
结构，
另一类是节点（车辆）和节点（车辆）间
的
Ad-Hoc
结构。
图
2
给出了这两类的综合架构示意。通信系统由
3
部分组成，包括车载单元
(OBU)
、
路侧单元
(RSU)
以及专用短距离无线通信协议。
OBU
是放在移动的汽车上
，相当于通信系
统中的移动终端，不同点是通信方式和频率的差异。另外
OBU
是基于嵌入式处理单元，
处理能力比较强。
RSU
又称路旁单元、车道单元、车道设备，主要是指车道通信设备
，负
责车载单元的接入。
DSRC
协议
采用简化的
3
层协议结构，包括物理层
(PHY)
、数据链路
层
(LLC)<
/p>
和应用层
(Application)
。
3
互联网
网关
互联网
路侧单元
路侧单元
V2I
OBU
OBU
V2V
图
2
V<
/p>
ANET
综合架构示意图
2.2
物理层技术
OBU
< br>目前大部分的
V2V
或
V2I<
/p>
实验系统使用的均是
IEEE802.11a
、
802.11b
、
802.11
g
技
术。即将出台的
IEEE802.
11p
标准使用基于正交频分复用（
OFDM
< br>）的物理层，与
IEEE802.11a
协
议
中
的
物
< br>理
层
类
似
。
二
者
主
要
区
别
是
物
理
层
参
数
取
值
的
不
同
，
IEEE802.11p
中
OFDM
的参数在时域中的值被翻倍，目的是降低由多径传
播延时以及
多普勒频移效应引起的符号间干扰。
其传输范围是从
300m
到
1km
，
相应的信号带宽从
20MHz
降
为
10MHz
，数据传输速率的范围从
6~54Mb/s
变成
3~27Mb/s
。
也有极少数提出的解决方案不是基于
802.11
技术。
如欧洲的车队网
（
FleetNet
）
[13]
项目中建议的物理层技术是基于通用移动通信系统
（
UMTS
）
中的地面无线接入时分双
< br>工（
UTRA-TDD
）方式。文献
[14]
中介绍了此方案，并指出：无论是在相对速度高的情
况下还是在多径延时导致的信号大幅度变化的情况下，都能在误比特率方面获得比基
于
IEEE802.11b
协议的解决方案更好的性能。
2.3
媒体访问
机制（
MAC
）
MAC
层的关键技术主要是对
MA
C
的资源进行管理，
包括呼叫接纳和切换技术、
调度
技术、
QoS
架构、
链路预测及自适应技术等。
车载通信是在高速行驶的汽车上实现通信
，
要求移动和漫游的能力，
以及高效、
安全的切换技术。
无线环境下
MAC
层
的接入方式主
要可划分为基于竞争的共享介质方式和基于调度的独享介质方式两大类。<
/p>
基于竞争的方
式中，
典型的有
CSMA/CA
协议，
比较适用于分布式的网络。
基于调度的独享介质方式需
要有中心控制节点参与信道的划分，
比如
FDMA
、
TDMA
、
CDMA
等方式。现阶段，
VANET
的
MAC
协议主要有基于
CSMA/CA
的
MAC
协议和基于
TDMA
的
MA
C
协议以及混合模型几大
类。
CSMA
/CA
是
IEEE
802.11
采用的
MAC
层协议
，成本低、易于实现。因此，目前的
VANET
的
MAC
协议大多都是在
CSMA/CA
协议的基础上进行一些修订和扩展
[15]
，
如将带
宽修改为
10-20MHz
，引入任意帧间隔（
AIFS: arbitration
interframe
space
）等参
数。现有的
IEEE
802.11p
就是
802.11a
协
议的扩展。
CSMA/CA
是一种基于载波侦听竞
争机制的共享介质方式。
因此，
以其为基础的改进<
/p>
MAC
协议在密度大的车辆环境中很容
易
引起冲突，从而导致大的时延，甚至造成网络拥塞。而在
WAVE
系统中安全数据包则
4
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