趙文強,楊百龍,王正輝

(1.第二炮兵工程大學 4系,陜西 西安 710025;2.中國人民解放軍73111部隊,福建 廈門 361025)

車載Ad Hoc網絡數(shù)據收集方法研究

趙文強1,楊百龍1,王正輝2

(1.第二炮兵工程大學 4系,陜西 西安 710025;2.中國人民解放軍73111部隊,福建 廈門 361025)

車載Ad Hoc網絡(VANET)是基于車輛-車輛(V2V)、車輛-基礎設施(V2I)和混合架構的快速移動且自組織的網絡,由于VANET中具有節(jié)點快速移動和拓撲結構動態(tài)變化等特點,文中針對如何在安全應用中收集到安全、可靠和實時的數(shù)據進行了研究,歸納論述了基于隨車/隨身設備的數(shù)據收集方法、基于路由協(xié)議的數(shù)據收集方法、提取式數(shù)據收集方法的技術進展,分析了各方法特點,指出了各方法主要研究方向,并對各方法應用和性能進行了對比分析。

智能交通;Ad Hoc網絡;數(shù)據收集

近年來,車載Ad Hoc網絡(VANET)[1-3]得到各行業(yè)和學術界的關注,其主要應用包括行車安全、駕駛方便、娛樂和信息服務。在VANET中,數(shù)據可以分為安全數(shù)據和非安全數(shù)據。VANET具有的特性是:受地形限制、拓撲結構動態(tài)變化、車輛流向和密度不可預測、道路的容量差異性大等[4-6]。目前,大部分車輛使用不同類型的傳感裝置來收集與交通有關的數(shù)據,如何安全高效地收集數(shù)據成為需要解決的問題[7]。

數(shù)據收集方法需滿足以下要求:(1)數(shù)據收集自動進行。(2)兼容各類車載設備。(3)車輛高速移動時能安全連接。(4)數(shù)據收集算法有一定的容錯性。(5)數(shù)據有距離/時間約束。(6)某些車輛離開網絡不影響數(shù)據的收集。數(shù)據收集方法主要分為以下幾類:基于隨車/隨身設備、基于路由協(xié)議、提取式等。

1 數(shù)據收集方法綜述

1.1 基于隨車/隨身設備數(shù)據收集方法

基于隨車/隨身設備的數(shù)據收集方法,是在車輛或乘客/行人身上安裝便攜式傳感器裝置,利用這些裝置進行數(shù)據的采集和發(fā)送。此類方式的數(shù)據收集方法主要有:差分全球定位系統(tǒng)(DGPS)、基于模型的數(shù)據收集(MDC)和應急電子剎車燈(EEBL)。

VANET的安全類應用對車輛定位精度要求高。射頻識別技術(RFID)利用差分全球定位系統(tǒng)(DGPS)的概念以提高GPS精度[8]。在RFID輔助的VANET系統(tǒng)中,車輛獲得兩種類型的定位數(shù)據:GPS坐標和通過RFID通信獲得物理位置。在計算GPS誤差后,將誤差信息傳輸?shù)狡渌噜徿囕v中,以幫助其自主修正數(shù)據。

2010年,Hung等[9]提出基于模型的數(shù)據收集(Model-based Data Collection,MDC)框架,以降低數(shù)據傳輸量和上報GPS數(shù)據的車輛數(shù)量。MDC安裝在服務器和車輛上,協(xié)作完成任務。在車輛端,給定一組GPS數(shù)據點后,可以得到代表原始GPS數(shù)據點的模型函數(shù)。這樣車輛只需上傳一些參數(shù)而不是所有的位置信息。由于車輛的移動通常是線段狀的,可利用Liner Regression(LR)算法得到的一組線性函數(shù)來表示車輛的運動。Kernel Regression(KR)算法通過分析道路交通數(shù)據時空位置,得到表示速度讀數(shù)的內核函數(shù)模型。網聚集機制對車輛節(jié)點進行分組,每組只需確定一個車輛節(jié)點上報交通數(shù)據,從而進一步降低同時連接的節(jié)點數(shù)。

Rashid等[10]提出用于獲取實時資源信息的緊急車輛通道清除技術。應急電子剎車燈(Emergency Electronic Brake Lights,EEBL)安全程序在車輛緊急制動的情況下發(fā)送警告消息。其他車輛駕駛員如果對警告消息沒有做出反應,協(xié)同自適應巡航控制(Collaborative Adaptive Cruise Control,CACC)程序將對車輛自動制動。

與傳統(tǒng)無線網絡不同,基于隨車/隨身設備的數(shù)據采集方法,不受內存、處理速度、存儲空間和電量的限制。然而,網絡密度變化、車輛的流動性等不確定性因素,使得它不能直接使用傳統(tǒng)的無線網絡技術。因此,還需更好、更適合的方法去解決車載網中存在的問題:(1)消除由于鄰近車輛在某些屬性方面的相似而產生的數(shù)據冗余,巧妙設計數(shù)據結構提高信息質量。(2)當可用信道較低時,要保證安全類信息有足夠高的優(yōu)先權搶占到可用的信道。(3)當車輛密度較低時,網絡也要保持較好的連通性。(4)路邊單元(RSU)傳感器應該對數(shù)據進行緩沖,并實時地將數(shù)據傳輸給過往車輛。

1.2 基于路由協(xié)議的數(shù)據收集方法

基于路由協(xié)議的收集方法,可以在進行路由的同時收集車輛安全數(shù)據,但這需要考慮VANET的機動性和短壽命等特性。學界已經確定了許多用于VANET收集數(shù)據的路由策略。Nzouonta等[11]提出用于城市VANET上的、基于道路交通信息的路由協(xié)議(Road-Based protocols using Vehicular Traffic information routing,RBVT)。RBVT協(xié)議分為反應式協(xié)議(Reactive Protocol,RBVT-R)和前饋式協(xié)議(Proactive Protocol,RBVT-P)。該協(xié)議針對實時交通中有可能連網的車輛,創(chuàng)建基于包含道路交叉口連續(xù)性的路徑信息。地理轉發(fā)機制用于傳送路徑上交叉口之間的數(shù)據包信息,減少了路徑對單節(jié)點移動的敏感度。在競爭激烈的密集網絡中,使用基于分布式接收器的下一跳選擇方法來對地理轉發(fā)機制進行優(yōu)化。這用到了解決非均勻無線電波傳播問題的多準則排序函數(shù)。

對車載網中的RBVT-R和RBVT-P協(xié)議和移動Ad hoc網絡中的自組織按需距離矢量協(xié)議(Ad hoc On-Demand Distance Vector,AODV),優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由協(xié)議(Optimized Link State Routing Protocol,OLSR),貪婪周邊無狀態(tài)路由協(xié)議(Greedy Perimeter Stateless Routing,GPSR)及VANET中的地理源路由協(xié)議(Geographic Source Routing,GSR)進行比較,并使用有障礙城市環(huán)境和無障礙城市環(huán)境兩種環(huán)境對這些協(xié)議的性能進行分析和評價。分析結果表明,在數(shù)據傳輸效率和平均延遲上,RBVT協(xié)議優(yōu)于其他協(xié)議。此外,當吞吐量為系統(tǒng)主要要求時,RBVT-R性能較好;當VANET對延遲很敏感時,RBVT-P性能較好。

Manvi等[12]對AODV、DSR和VANET中的群智能路由協(xié)議的性能進行了討論。由Delot等提出的GeoVanet協(xié)議,以分布式哈希表(Distributed Hash Table,DHT)為基礎以確保發(fā)送查詢請求者可得到一致的回答。查詢請求在有限的時間內在網絡中傳播。VANET中的遠程車輛計算后,將結果返回給發(fā)送查詢請求的車輛。GeoVanet解決了駕駛員與VANET中其他車輛共享數(shù)據的問題[13]。對GeoVanet的實驗結果表明,80%的結果被反饋給發(fā)送查詢請求的用戶。Oliveira等[14]研究了高速公路中車輛高流動性情況下基于XOR的扁平路由協(xié)議(XOR-based Flat Routing Protocols)的性能。XORi是XOR的改良版本,其修改了信息收集過程中的一些協(xié)議,以此來適應動態(tài)自然的VANET拓撲結構。

Shibata等[15]提出自動協(xié)同收集堵車信息的方法,用于估計車輛到達目的地的時間。高速公路上兩車之間的最優(yōu)下一跳路由方法提高了路由的生命周期。約翰遜等指出可采用高效多跳V2V協(xié)作方法降低從路邊信息站向密集的公路車輛分發(fā)內容時的時間延遲。

基于VANET路由協(xié)議的數(shù)據收集方法,還需具體研究的問題有:(1)由于協(xié)議是基于地理信息的,因此,收集的數(shù)據必須準確。(2)對接近目標地址的車輛信息必須收集,便于轉發(fā)數(shù)據包。(3)城市中的障礙物可能中斷通信,必須研究不受中斷影響的路由協(xié)議。(4)需要考慮安全性數(shù)據的優(yōu)先級問題,數(shù)據發(fā)送車輛應沿最短路徑向所有目標車輛傳輸安全信息。但是,由于車輛的動態(tài)因素,使得利用傳統(tǒng)方法確定數(shù)據發(fā)送車輛和目標車輛間的最短距離比較困難。(5)在密集的VANET中,需要考慮過多數(shù)據發(fā)送會產生過載問題。

1.3 提取式數(shù)據收集方法

提取式數(shù)據收集指一個車輛發(fā)送查詢請求,并從一系列其他車輛“拖下”所需信息的方法[16]。這些多是基于多Agent系統(tǒng)模型開發(fā)的,提取式數(shù)據收集的關鍵問題是如何將安全信息傳送給VANET中快速移動的車輛。Martinez等[17]發(fā)明的駕駛員警示系統(tǒng)可使用802.11p協(xié)議將受損車輛的警告消息擴散給其他在網車輛。該系統(tǒng)具有高可靠性和低延遲。

實現(xiàn)這樣的提取式數(shù)據收集需要解決以下方面問題:(1)請求-響應模式中節(jié)點快速移動情況下,在受限時間內,請求方能始終得到一致性的回答。(2)節(jié)點密度過大時的智能搜索機制或查詢語言設計。(3)對所有車輛的智能化水平要求較高。(4)節(jié)點稀少情況下正確收集數(shù)據。(5)查詢請求的驗偽及隱私保護。(6)提取式數(shù)據收集帶寬資源受限。

1.4 其他數(shù)據收集方法

VANET中的車輛,有時需要使用的無線接入點(AP)短時間連接到互聯(lián)網上。此時主要通過動態(tài)主機配置協(xié)議(DHCP)來獲取IP地址[18]。IP通行協(xié)議可用來減少獲取IP地址的時間開銷,從而增加車輛的聯(lián)網時間。

集群收集協(xié)議(Clustered Gathering Protocol,CGP)[19]是一個基于分層和地理數(shù)據采集的跨層協(xié)議。CGP在VANET節(jié)點中收集數(shù)據并提供以下服務:(1)通過收集所有節(jié)點的位置和速度以提供實時交通信息服務。(2)為用戶提供定位服務。(3)停車場停車位的使用情況。(4)特定區(qū)域的警告信息,如一些車輛突然減速。(5)實時燃油消耗和污染指標。(6)監(jiān)控服務。

Caliskan等[20]提出基于車輛間信息交換的停車位使用情況預測模型。Adler和Strassberger[21]對各種應用環(huán)境VANET局部危險警告方面的問題進行了綜合分析。

2 數(shù)據收集方法分析對比

表1從適用對象,特性和假定條件3個方面總結了數(shù)據收集協(xié)議的功能。表2給出了不同收集方法在數(shù)據質量、優(yōu)先級、成功率、延遲、流動性和響應時間方面的比較。

表1 數(shù)據收集應用情況

表2 數(shù)據收集方法性能對比

3 結束語

與傳統(tǒng)無線網絡不同,VANET具有高機動、拓撲結構動態(tài)變化、交流模式差異大等特性。這使得利用VANET收集與交通安全相關的信息比較困難。文中討論了當前VANET中安全類數(shù)據收集的一些研究成果,對幾種方法的應用作了描述,分析對比了幾種方法的性能和存在的問題,為以后的VANET研究提供了參考。

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Information Gathering in Vehicular Ad Hoc Network

ZHAO Wenqiang1,YANG Bailong1,WANG Zhenghui2

(1.Fourth Department,Second Artillery Engineering University,Xi’an 710025,China; 2.Unit 73111 of PLA,Xiamen 361025,China)

Vehicular Ad hoc Network(VANET) is a highly mobile self-organizing network,and it has three architectures:Vehicle-to-Vehicle (V2V),Vehicle-to-Infrastructure (V2I),and hybrid architecture.Due to the fast-moving and dynamic change in the topology of the VANET nodes,the collection of reliability,secure,and real-time data is a research hotspot.This paper discusses the data collection based on the on-board devices/sensor,the routing protocol,and extraction;analyses the characteristic of those methods and their future development;and finally compares the applications and performance the methods.

ITS;Ad Hoc network;data collection

2015- 03- 13

趙文強(1985—),男,博士研究生。研究方向:計算機網絡。E-mail:qqingnine@163.com。楊百龍(1968—),男,教授,博士生導師。研究方向:網絡通信與安全技術等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.11.042

TP393

A

1007-7820(2015)11-157-04