曹敦，曾勇，陳錦蓉，傅明

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適應(yīng)新型城鎮(zhèn)化的車載自組網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究*

曹敦1,2，曾勇2，陳錦蓉2，傅明2

（1.長沙理工大學(xué) 汽車與機械工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2.長沙理工大學(xué) 計算機與通信工程學(xué)院，湖南 長沙 410114）

車載自組織網(wǎng)絡(luò)（VehicularAd HocNetwork, VANET），作為一種適用于道路環(huán)境下的新型通信技術(shù)，能有效避免汽車事故的發(fā)生，提高城鎮(zhèn)交通管理效率。文章以新型城鎮(zhèn)化中的車載自組織網(wǎng)絡(luò)管理為應(yīng)用背景，重點對VANET 中繼節(jié)點選擇方法進(jìn)行了研究，分析了中繼節(jié)點選擇方法的現(xiàn)狀，對多場景下中繼節(jié)點選擇的優(yōu)缺點進(jìn)行了概述，提出了不同場景下中繼節(jié)點選擇方法。

新型城鎮(zhèn)化；車載自組織網(wǎng)絡(luò)；中繼節(jié)點；多場景中繼節(jié)點選擇

前言

城鎮(zhèn)化的過程就是人口向城鎮(zhèn)集中的過程，我國在改革開放以來，城市空間不斷擴大，越來越多的農(nóng)村人口向城市遷移，對城市的基礎(chǔ)設(shè)備，公共服務(wù)等提出了更高的要求，最常見影響到人們生活的就是在汽車出行問題，比如每天都能出現(xiàn)的汽車堵塞與汽車安全等問題，為了緩解在上下班等高峰期出現(xiàn)的交通壓力，有關(guān)部門采取時間分流，增加交通工具的方式，便捷市民出行，但在出行高峰期時依然十分嚴(yán)峻，而車載自組織網(wǎng)絡(luò)(Vehicular Ad-hoc NETwork, VANET)，這種以汽車為節(jié)點的特殊的自組網(wǎng)技術(shù)的提出，能有效的緩解交通壓力，減少交通事故的出現(xiàn)。

VANET關(guān)鍵在于汽車信息在網(wǎng)絡(luò)中傳遞的有效性與及時性，而因為節(jié)點不固定導(dǎo)致的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化、網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定等問題，會影響到汽車信息在網(wǎng)絡(luò)中的傳遞，因此需要對VANET進(jìn)行技術(shù)管理，以保障其在車方載系統(tǒng)的應(yīng)用。VANET管理技術(shù)的研究主要包括史俊玲[1]等人提出了一種雙邊轉(zhuǎn)發(fā)器確定方法（BFD）來實現(xiàn)最優(yōu)消息轉(zhuǎn)發(fā)，該方案比其他現(xiàn)有方案具有更好的信息傳遞率和更低的網(wǎng)絡(luò)開銷。宋成等人[2]提出一種基于非線性對的VANET無證書批量匿名認(rèn)證方案，擺脫了系統(tǒng)安全對防篡改裝置的依賴。BesatZardosht等人[3]提出了一個決策模塊，能估計事故持續(xù)時間并為接下來的汽車重新提供路由。

總體來說，之前對于車載自組織網(wǎng)絡(luò)的安全性，通信過程中的數(shù)據(jù)傳輸以及路由過程的研究較多，而對于在包的傳遞過程中中繼節(jié)點的選擇則還需進(jìn)一步的研究。加強數(shù)據(jù)在VANET中的傳遞，減少數(shù)據(jù)在傳遞中產(chǎn)生的時延，能減少交通事故產(chǎn)生，促進(jìn)城鎮(zhèn)化發(fā)展。因此，本文針對VANET中繼節(jié)點選擇問題，研究VANET在中繼節(jié)點的關(guān)鍵技術(shù)。

1 VANET技術(shù)分析

1.1 VANET發(fā)展

現(xiàn)今對于汽車間的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究主要集中在三個方面：VANET技術(shù)，蜂窩網(wǎng)的LTE[4-5]中可應(yīng)用于汽車通信的低時延通信技術(shù)和上述二者的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[4][6]。VANET設(shè)計V2V、車-路（Vehicle-to-Infrastructure，V2I) 間的通信技術(shù)來實現(xiàn)信息的交互。而LTE是由3GPP組織制定的UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移動通信系統(tǒng)）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的長期演進(jìn)方案，其汽車協(xié)同項目 (Project Cooperative Cars，Co- Cars)[7]致力于汽車安全的應(yīng)用。尤其是其近兩年以萬物互聯(lián)為目標(biāo)的5G的提出及研究為車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來新的動力。其能有效解決VANET的V2V在汽車稀疏時的網(wǎng)絡(luò)不可連接問題，以及V2I通信中路側(cè)設(shè)備的附加工程花費巨大的問題。而VANET的V2V通信，因為是在車-車間實現(xiàn)直接通信，其延時小、網(wǎng)絡(luò)使用經(jīng)濟性高、具有鄰近發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢，且能分擔(dān)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的特點使得基于 VANET與LTE的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)[8]成為現(xiàn)在的研究應(yīng)用的熱點，也為建立車-車之間直接通信的車際網(wǎng)（Inter-Vehicle Network）技術(shù)的研究和應(yīng)用帶來新的生機。

VANET的基本思想是在一定的范圍內(nèi)，通過通信的方式獲取范圍內(nèi)其他汽車的行駛信息并給出自己的行駛信息，如車速與位置等可通過車載傳感器獲取的信息。VANET在汽車道路使用能有效降低交通事故，保障汽車的行車安全。VANET以汽車作為節(jié)點，由于汽車處于移動過程中，因此節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時常發(fā)生變化，而每個節(jié)點的單跳通信范圍是有一定限制的，因此每個節(jié)點不僅是一個收發(fā)器，還是一個路由器，使用多跳的方式將小范圍汽車的行駛信息轉(zhuǎn)發(fā)至更大范圍。

1.2 VANET中繼節(jié)點

VANET是一種特殊的移動自組網(wǎng)技術(shù)，也擁有移動自組網(wǎng)技術(shù)的特點。VANET主要適用于道路交通，以汽車作為其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，但單位時間內(nèi)一定道路范圍內(nèi)的節(jié)點數(shù)量不具有穩(wěn)定性，在車流量高峰期時，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷將因為汽車量的增大而變化，節(jié)點需要適應(yīng)這種變化。VANET中的節(jié)點一直處于移動狀態(tài)中，導(dǎo)致由節(jié)點構(gòu)成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化，構(gòu)成的通信鏈路存在時間短，這對通信延時提出了較高的要求。同時新型城鎮(zhèn)化的發(fā)展帶來的汽車數(shù)量增加、高層建筑的存在以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定將會影響VANET無線信道的穩(wěn)定性。由于道路的和汽車行駛方向的限制，節(jié)點的運動軌跡具有可預(yù)測性。

正因為VANET是將汽車作為節(jié)點，因此該節(jié)點可以獲得汽車上的電力支撐，不會因為節(jié)點缺乏能量而產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定或不可持續(xù)等的問題，擁有強大的計算能力與存儲能力。GPS提供的精準(zhǔn)定位以及詳細(xì)電子地圖等輔助信息，能輔助VANET進(jìn)行更快更好的路由選擇。由于道路和汽車行駛方向的限制使得VANET的節(jié)點運動比起其他的移動自組網(wǎng)更有規(guī)律，同方向行駛的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比反方向行駛的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。

1.3 VANET中繼節(jié)點選擇問題

在VANET中，最重要的是汽車信息在自組網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳遞，數(shù)據(jù)傳遞的及時有效才能能加有效的解決行車過程的可能的安全問題。由于VANET的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時常變化，要實現(xiàn)數(shù)據(jù)全面的傳遞，需要采用多跳的形式并選擇一個合適的中繼節(jié)點使包含汽車信息的數(shù)據(jù)包能從一個節(jié)點傳到另一個節(jié)點，實現(xiàn)信息的覆蓋，但是由于節(jié)點的移動性等原因?qū)е戮W(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，可能影響數(shù)據(jù)的傳遞，在這種情況下，中繼節(jié)點的選擇的好壞關(guān)系著數(shù)據(jù)傳遞是否及時以及是否有效。目前中繼節(jié)點只能適用于一些簡單的一維場景，對于其他維數(shù)的場景，構(gòu)建中繼節(jié)點不能完全的實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，除此之外，中繼節(jié)點存在隱藏部分節(jié)點后采用泛洪廣播的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，可能會造成大量帶寬的消耗以及網(wǎng)絡(luò)的擁堵。

2 VANET中繼節(jié)點關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 多場景下中繼節(jié)點選擇方法

VANET 不同于一般的移動自組織網(wǎng)絡(luò)，其通信的節(jié)點是運行在道路上或靜止在停車位的汽車，其網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)受道路場景約束，更準(zhǔn)確地說在路由規(guī)劃或中繼節(jié)點選擇時，汽車所處道路結(jié)構(gòu)的先驗信息可以提高消息傳遞的性能。且在不同場景下，道路的汽車密度特征是不同的。研究表明汽車密度的變化會影響到消息的傳播速度、信道的負(fù)荷和消息傳輸?shù)目煽啃訹9]。

高速公路、城區(qū)道路及山區(qū)道路是典型的三種道路場景。高速公路主要是直道，岔道只出現(xiàn)在少數(shù)情況，如高速的出入口，且為保證安全距離，汽車密度在一般情況下相對不大。且汽車密度較小，高速公路場景是中繼節(jié)點選擇研究場景中相對簡單的一種場景。在城區(qū)中，由于道路存在多分叉路口，因此車際網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，且城區(qū)汽車流量在不同時段和不同區(qū)域變化區(qū)間大，是所研究的三種場景中較復(fù)雜的場景。文獻(xiàn)[10]研究了直道場景下中繼節(jié)點的選擇，文獻(xiàn)[11]研究了十字路口場景下中繼節(jié)點的選擇，文獻(xiàn)[10]研究了一種既適用于直道又適用于十字路口場景下中繼節(jié)點的選擇方法。但對于山區(qū)彎道，由于其道路的不規(guī)則而無法確切描述，其場景下中繼節(jié)點選擇方法的研究很少。但，由于山區(qū)中可視條件差的急彎較多，保證消息實時性傳播尤為重要。且由于山區(qū)架設(shè)路側(cè)通信設(shè)備成本較高，蜂窩通用網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量較差。文獻(xiàn)[12]雖提及在彎道下如何通過已知的位置信息選擇中繼節(jié)點，但對具體選擇方法卻沒有論及。因此如何在山區(qū)彎道場景中進(jìn)行中繼節(jié)點選擇，有效地保證消息快速的傳播，且避免存在消息未傳播的區(qū)域是一值得被研究的問題。

2.2 直道場景中繼節(jié)點選擇方法

在這節(jié)中，提出了一種基于指數(shù)分割的中繼節(jié)點選擇算法(Exponent-based Partition Relay Selection，EPRS)[9]來提高消息傳播的實時性。EPRS迭代分割發(fā)送節(jié)點覆蓋區(qū)域，選取最遠(yuǎn)非空區(qū)域塊中的一個節(jié)點作為唯一中繼節(jié)點。

2.2.1 直道場景描述

高速公路中的道路基本是直道，以長韶婁高速的一段路段為例，如圖1所示。在VANET通信中，汽車的通信覆蓋范圍可根據(jù)汽車所在的道路情況及汽車密度設(shè)置在200~1000米內(nèi)的值。因為在高速公路上道路基本為直路這一簡單的1維結(jié)構(gòu)，且汽車密度較小，可設(shè)置其通信范圍為較大值900米。圈定圖1中一段900米的道路，可看到其基本是一矩形區(qū)域。因此，在此后節(jié)的研究中，直道場景下汽車通信區(qū)域覆蓋的區(qū)域都近似為一矩形區(qū)域。

2.2.2 基于指數(shù)的分割算法

借助帶寬外信道阻塞信號（black burst），標(biāo)記為B，設(shè)計一種基于指數(shù)分割的中繼節(jié)點選擇（Exponent-Based Par -titioning Relay-node Selection，EPRS）算法，以最少的時延選擇單跳范圍內(nèi)最遠(yuǎn)節(jié)點為中繼節(jié)點。

如圖2所示，在發(fā)送節(jié)點通信覆蓋范圍內(nèi)的所有節(jié)點（汽車）在中繼節(jié)點選擇過程開始后，因為有GPS的支持，會以一相同時刻1標(biāo)示中繼節(jié)點選擇過程的開始，廣播一信道阻塞信號B。發(fā)送節(jié)點偵聽到B，從而判斷出在其通信覆蓋區(qū)域內(nèi)有可選擇的中繼節(jié)點存在。

基于指數(shù)的分割方法對通信區(qū)域進(jìn)行iter次迭代分割，每次分割成part區(qū)域塊。在前iter-1次迭代中，最遠(yuǎn)的非空區(qū)域塊會被選中作為下一次迭代的被分割的區(qū)域。在最后一次分割時，最遠(yuǎn)非空的區(qū)域塊會被選中為最終區(qū)域塊。

△x為相對于每次被用來分割的區(qū)間寬度的相對值，能由下式得到：

因為(A+1)＞1，從式（1）可判斷，△x隨著的增加而指數(shù)增加，也意味著區(qū)域塊的寬度隨消息傳播方向指數(shù)減少。

圖2展示了當(dāng)part=3，iter=3時，EPSR的分割過程。為了使每個節(jié)點更易計算區(qū)域塊的寬度，取=2.3。此時，每次分割的第1，2，3塊的寬度會近似為所在迭代分割區(qū)間寬度的1/4，1/4，1/2。

在每次迭代中，所有的節(jié)點根據(jù)RTB包中發(fā)送節(jié)點的位置信息，及GPS所提供的自身位置信息，通過公式（1）計算，判斷自己所在的區(qū)域塊，在對應(yīng)的時隙中發(fā)送一個black burst，B。

圖2例中的第1次迭代，因為在第1個區(qū)域塊中有節(jié)點，所以這些節(jié)點會同時在第1個時隙發(fā)送一個B。其他區(qū)域塊的節(jié)點在自己對應(yīng)時隙來到前會一直偵聽信道，因此會偵聽到此B，從而判斷出相比較于自己，有更靠近邊界的節(jié)點存在。于是，第2、3個區(qū)域塊內(nèi)的節(jié)點退出區(qū)域分割。這一過程會反復(fù)進(jìn)行到第iter-1=2次迭代。

在第2次迭代中，因為在第1區(qū)域塊中沒有節(jié)點，寬度為/16的第2個區(qū)域塊被選中，此次迭代耗時2個時隙。

圖2 EPSR分割示例（Npart=3，Niter=3）

在最后一次迭代中，前2個時隙都沒有B傳送，因此，第3個區(qū)域塊的節(jié)點判斷出自己是潛在的中繼節(jié)點。為節(jié)約時間，這些節(jié)點不會發(fā)送B，而是直接參與競爭成為中繼節(jié)點。

2.3 十字路口場景的中繼節(jié)點選擇

在十字路口場景中，希望消息能通過中繼盡快傳播到所有支路。而通過選擇最靠近路口中心的節(jié)點進(jìn)行中繼，能保證消息覆蓋到支路最大的區(qū)域。因此可以在十字路口場景中，通過二次中繼節(jié)點選擇，實現(xiàn)消息的傳播。

2.4 彎道場景的中繼節(jié)點選擇

彎道具有不規(guī)則的形狀，無法用規(guī)范的形狀描述。此時可以通過坐標(biāo)映射，將彎道上節(jié)點坐標(biāo)投影到直線坐標(biāo)上，再采用指數(shù)分割方法，完成中繼節(jié)點的選擇，從而實現(xiàn)消息在彎道中的傳播。

3 VANET在汽車管理中的應(yīng)用

VANET關(guān)鍵技術(shù)除了上述的中繼節(jié)點選擇外，還包括VANET的網(wǎng)絡(luò)通信及應(yīng)用技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)、智能移動終端平臺、語義識別技術(shù)等。其中，中繼節(jié)點的選：擇可運用到汽車領(lǐng)域，比如，汽車管理交通、秩序、提前預(yù)警等方面，通過中繼節(jié)點的選擇，選擇最優(yōu)繼節(jié)點，促使消息及時擴散，以便搭建更好的VANET網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)車主開車到事故多發(fā)地、交通擁擠路段等，可由VANET信息，提前了解情況，做出相應(yīng)的措施，減少交通事故、堵車等風(fēng)險。VANET的網(wǎng)絡(luò)通信及應(yīng)用：可以結(jié)合3G、4G、5G網(wǎng)絡(luò)，利用GPS定位技術(shù)發(fā)展多種模式的網(wǎng)絡(luò)通信，適用不同汽車、不同地形及網(wǎng)絡(luò)通信盲區(qū)等情況。傳感網(wǎng)絡(luò)：則包含各種傳感器組件、車內(nèi)傳感網(wǎng)絡(luò)、車外傳感網(wǎng)絡(luò)，通過該類技術(shù)可運用到汽車的信息安全防碰撞、無人駕駛等領(lǐng)域。智能移動終端平臺：不僅僅是PC終端、手機終端、車載終端也成為汽車管理信息的有效手段，有了這些平臺，在汽車管理上方便、高效，同時也帶來了休閑和娛樂。語音識別技術(shù)：也是VANET關(guān)鍵技術(shù)體系的一種，該技術(shù)運用到汽車管理可以提高人機互動，避免手寫輸入信息的麻煩，在一定程度也能防止因為開車打電話而導(dǎo)致的交通事故。

4 結(jié)論

本文主要對車載自組織網(wǎng)絡(luò)的中繼節(jié)點選擇進(jìn)行研究，提出了不同場景下中繼節(jié)點的選擇方法，同時概述了VANET各關(guān)鍵技術(shù)在汽車方面的運用。

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Research on Key Technologies of Vehicle-mounted Ad hoc Network Adaptedto New Urbanization

Cao Dun1,2, Zeng Yong2, Chen Jinrong2, Fu Ming2

（1.School of Automotive and Mechanical Engineering, Changsha University of Science and Technology,Hunan Changsha 410114; 2. School of Computer and Communication Engineering, Changsha University of Science and Technology, Hunan Changsha 410114）

Vehicular Ad HocNetwork (VANET), as a new communication technology suitable for road environment, can effectively avoid the occurrence of automobile accidents and improve the efficiency of urban traffic management. This paper takes the vehicle self-organizing network management in the new urbanization as the application background, focuses on the selection method of VANET relay nodes, analyzes the current status of the relay node selection method, and discusses the advantages and disadvantages of relay node selection in multiple scenarios. In summary, the selection method of relay nodes in different scenarios is proposed.

New urbanization; vehicle self-organizing network; relay node; multi-scene relay node selection

U471.5

B

1671-7988(2018)21-29-04

U471.5

B

1671-7988(2018)21-29-04

曹敦，長沙理工大學(xué)博士，講師，研究方向：車載自組網(wǎng)；曾勇，長沙理工大學(xué)，碩士研究生。研究方向：數(shù)據(jù)挖掘，計算應(yīng)用；陳錦蓉，長沙理工大學(xué)碩士研究生，研究方向：網(wǎng)絡(luò)安全；傅明，長沙理工大學(xué)教授，研究方向：網(wǎng)絡(luò)工程。

國家自然科學(xué)基金項目（61772454）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.011