車聯網研究現狀及發展

奎麗萍 羅桂蘭

車聯網作為智能交通的重要基礎，是構建未來智慧城市的重要組成部分，是目前無線通信網絡研究的一個熱點。本文分別介紹了車聯網的研究背景、基本概念、體系結構及特點，對其物理層和MAC 層作了簡要介紹，重點分析了路由層的相關協議。此外，還闡述了將網絡仿真軟件ns-3 與VanetMobiSim 結合的過程，將其作為研究車聯網的仿真平臺。最后，對車聯網的研究現狀和進展做了總結與展望。

據官方統計，中國每年交通事故50 萬起，因交通事故死亡人數均超過10 萬人，穩居世界第一，且帶來了巨大的經濟損失。發展智能交通的目的就是要從根本上改善目前的交通狀況，確保我國道路的交通安全。車聯網（Internet of Vehicles，IoV）是智能交通系統（Intelligent Transportation System，ITS）的重要基礎。車聯網中的車輛集成了信息和通信技術，可以提供車與車之間的通信，及時將道路上的交通信息傳遞給其他車輛，從而為正在道路上行駛的汽車提供安全和舒適的交通環境。車聯網作為我國“十二五”規劃重點項目，政府給予了重點支持，為未來的交通運輸等領域的發展奠定堅實的技術基礎。近幾年，車聯網關鍵技術的相關項目也成為不少高校和科研機構的研究熱點，并取得了許多有價值的研究成果。

車聯網定義、結構和特點

定義

圖1 車聯網網絡架構圖

車聯網的定義有多種，但它們共有的特性是車輛安裝有GPS、RFID、傳感器等裝置，通過互聯網、計算機和通信等技術將行駛車輛以及車輛與路邊基礎設施結合成一個車輛通信網絡，在車輛間及時傳遞交通信息，實現交通管控的智能化。車聯網的通信方式有多種，包括車輛與車輛（V2V）、車輛與基礎設施（V2I）、車輛與傳感器（V2S）以及車輛與電網（V2G）等通信。

網絡架構

車聯網網絡架構如圖1 所示，主要由車輛和路邊單元構成，包括V2V 通信和車輛與路邊單元（V2R）通信，車聯網中的車輛會安裝有車載單元（OBU）和全球定位系統（GPS）。GPS 用于定位車輛的位置，以及跟蹤車輛的速度和方向。OBU 是無線通信設備，可將道路上安裝有該設備的車輛變成無線網絡節點，以實現網絡通信。

主要特點

車聯網有自身的一些特點，主要包括：

1）網絡拓撲變化快：車輛運行速度快，網絡拓撲易被打亂；

2）移動模型較穩定：車輛只會沿著道路的車道行駛，具有一定的規律性；

3）能源充足：車輛發動機會提供充足的電力；

4）生命時間長：車聯網節點生命取決于車輛本身；

5）傳輸帶寬較大：車聯網通信傳輸帶寬為幾十Mbit/s；

6）無線信道不穩定：車輛通信會受車輛相對速度、路邊建筑和道路情況等影響。

車聯網協議標準

DSRC

專用短程通信（DSRC）作為一種應用在短距離上高效的無線通信技術，它可以在小范圍內將圖像、語音等數據信息進行實時、準確和可靠地傳輸，車輛和道路也可以被有機地連接。

IEEE802.11P

IEEE 802.11p 協議主要用于車載電子無線通信，解決車聯網中快速連接、高頻率切換和新的安全等問題。在物理層上，IEEE802.11p 是基于正交頻分復用（OFDM）技術，可以提高抗干擾性能。

圖2 IEEE 1609 與IEEE802.11P 的關系圖

圖3 IEEE802.11P 物理層頻譜分配圖

IEEE1609

IEEE1609 是IEEE802.11P 的補充，二者的關系如圖2 所示。IEEE1609.1 標準用于車載環境中的資源管理，為采用DSRC 技術通信的設備提供管理機制；IEEE1609.2 標準用于應用和管理信息的安全服務；IEEE1609.3 標準提供WAVE/DSRC 的網絡通信服務，即提供V2V 和V2I 之間的通信；IEEE1609.4 是多信道操作標準，提供信道協調及MAC 子層管理功能。

車聯網關鍵技術

物理層

在物理層，車聯網采用IEEE 802.1lp 標準，其工作頻率為5.850～5.925GHz，頻譜分配如圖3 所示。由于在IoV 通信中存在多徑傳播、多普勒效應，為了提高通信質量，IEEE 802.1lp 使用64 點OFDM 技術，其傳輸范圍是300m～1km，信息傳輸速率為3～27Mbit/s。

MAC 層

與傳統自組織網絡相比，IoV 的MAC 層有很多自身的特點，如：信道質量不穩定，易受交通狀況影響，網絡拓撲變化快，鏈路穩定性差等。因此，車聯網的MAC 層在高速移動狀況下應具備較好的通信實時性和可靠性。此外，還要有較高的帶寬利用率，以避免網絡擁塞。

路由層

車聯網的路由協議有部分是源于傳統Ad hoc 網絡，但是由于IoV 具有獨特性，這部分協議并不具有很好的適應性。目前IoV 的路由協議已有多種形式，其路由協議關系如圖4 所示。

單播路由

基于網絡拓撲的路由

按需路由和表驅動路由是極為重要的兩種基于網絡拓撲的路由以協議，其中典型的按需路由有AODV、DSR等。由于車聯網規模龐大、拓撲變化較快，要實時地維護其網絡拓撲信息是很困難的，路由表很容易失效。這使得AODV 和DSR 不能有效地適用于車聯網中，尤其在遠距離的通信時，丟包等問題更嚴重。

基于地理位置路由協議

2000 年，美國哈佛大學的兩位學者Brad Karp 和H.T.Kung 提出了貪婪周邊無狀態路由協議（GPSR）。在車聯網中，完全采用GPSR 容易出現局部最優問題，車聯網環境復雜，尤其是在城市環境中。因此，在車聯網中，許多基于地理位置路由協議會對GPSR進行改進，如：GPCR協議、GPSR-DTN路由算法、DTN路由協議等。

基于地圖的路由協議

較早的基于地圖路由算法有A-star 路由算法和Dijkstra 算法，A-star 路由算法是建立在交通流量統計基礎上的，但就目前的技術條件來講要提供與真實交通狀況完全一致的數據仍有一定的難度。Louvre 協議提出了節點自主統計車輛密度，周期性廣播以與周圍節點交換密度信息。為了實現對車輛密度的實時準確的統計，且減少額外的帶寬消耗，AGLOR 算法設計在路邊均勻鋪設AP 來統計車輛密度 。

廣播路由

基于概率的廣播路由

基于概率的廣播路由中，車輛節點是以p 概率進行轉發操作，但該算法存在不足，如不能均勻的對目標區域進行全覆蓋，且當車輛節點密度較低時，可能出現所有節點都不轉發的情況。N.Wisitpongphan 提出了一種加權式p-堅持方法，實驗結果表明：這種轉發概率機制可以很大程度地降低數據冗余度和丟包率。

基于地理位置的廣播路由

隨著汽車電子工業的發展，汽車上都配置了GPS 導航系統，車輛的地理位置信息就很容易獲取。把基于地理位置算法與GPSR 算法相結合，這種結合算法假設每輛車都安裝了GPS，并能準確定位車輛位置。實驗表明：該方法能減少數據包的丟失率，提高數據包到達率。

基于車輛到基礎設施的路由協議

V2V 路由協議雖然可以在一定程度上提高性能，但是會因為車輛的高度移動性而遭遇網絡分割的問題。當前的研究趨向于將V2V 和V2I 合并起來以獲得預期的效果，其方案就是在沿著道路布設接入點以使通信變得更加可靠并減少傳遞延遲。

靜態基礎設施路由協議

基于頂點預測貪婪路由（VPGR）協議是一種適用于城市的多跳V2R 路由協議，它估計從源車輛節點到固定基礎設施的一個序列連接，然后將消息沿著這些連接傳遞給固定的基礎實施。提出基礎設施輔助地理路由（IAGR），通過利用可靠的RSU 連接性，這種路由可以提高多跳地理路由協議的操作性、可靠性。

圖4 車聯網路由協議關系圖

圖5 ns3 編譯成功結果圖

移動基礎設施路由協議

基于移動基礎設施車輛自組網路由（MIBR）是一種基于位置反應式路由協議，該協議規定，在公共汽車分布較密集的道路區域，會由公共汽車將數據包從一個十字路口轉發到另一個十字路口，而在車輛稀疏的道路區域，會由公共汽車和汽車共同協作執行數據包轉發。類似的協議還有移動網關路由協議（MGRP），它旨在提高數據包到達率，減少平均跳數。

總的說來，相比于其他路由協議，基于位置的路由協議更適用于車聯網環境。而基于基礎設施的路由協議是車聯網路由技術中最有前景的研究領域。

搭建VanetMobisim 與ns-3 實驗仿真平臺

VanetMobisim 是一種能提供真實交通流信息的車聯網仿真工具，它采用不同的宏移動、微移動模型以及二者聯合使用的車輛移動跟蹤Trace 文件。其中Trace文件可以直接導入不同的網絡仿真軟件，如ns-2、QualNet 和GloMoSim 等，下面描述如何將二者結合以用于車聯網仿真。

將由VanetMobiSim 中的IDM_LC.xml 文件生成的trace 文件導入到ns-3 中。首先將IDM_LC.xml 重命名變為IDM_LC.txt 文本文件，接著對該文本文件中的擴展類注釋語句＜！--extension class=”de.uni_stuttgart .informatik.canu.mobisim.extensions。NS Output”output=”ns_ trace.txt”/--＞去注釋化，修改后，再重命名成IDM_LC.xml 文件。此時對IDM_LC.xml運行就可以生成能到導入到ns-3的trace文件，trace 文件會自動被保存到jar 文件夾中。為了能夠成功導入，需要將ns_trace.txt 文件拷貝到ns-3 的某個文件夾內。最后，在ns-3 的腳本文件內給出ns_trace.txt所在的文件目錄，代碼是std：：string traceFile=“src/mobility/examples/ns_trace.txt”，這條語句要放在主函數main 內。如果編譯結果如圖5 所示，表示結合成功。

總結與展望

隨著信息通信和電子技術的快速發展，車輛日趨于網絡化、智能化。本文主要介紹了車聯網的路由協議，對如何將ns-3 于與VanetMobiSim 結合進行了描述。目前已經提出了較多的車聯網路由層協議，但這些協議離實際應用還存在很大的差距，對路由協議開展更深入的研究是必然趨勢。作為構建智慧城市重要基礎的車聯網，已經得到西方發達國家高度重視，我們國家也開始注意到發展車聯網對促進我國智慧城市及國民經濟發展的重要意義。基于傳統理論與技術而設計的方案，不能有效地解決車聯網中的關鍵問題。因此，要根據車聯網的特性，探索研究更加有效的方法來實現車聯網的實際應用。