車載Ad Hoc網絡

郝建軍 羅 濤 樂光新

摘要:車載自組織網絡(VANET)作為移動自組織網絡(MANET)的特殊子類,因其在智能交通和車載娛樂方面的廣闊應用前景,目前受到業界的普遍關注。VANET的主要特點是車輛高速行駛、信道快速衰落、多普勒效應嚴重、網絡拓撲變化快,由此將帶來許多傳輸和組網的問題。

關鍵詞:車載自組織網絡;802.11p標準;專用短距離通信;車載環境無線接入

Abstract: As a special subclass of Mobile Ad hoc Network, Vehicle Ad Hoc Network (VANET) has attracted much attention from the whole industry because of its bright future for wide applications in Intelligent Transportation Systems (ITS) and vehicle entertainment. Its main features include high-speed nodes (vehicle), fast fading of channels, more Doppler shift and rapid change of network topology, which will bring many transmission and networking issues.

Key words: vehicle Ad Hoc network; 802.11p standard; dedicated short range communications; wireless access in vehicular environments

汽車工業的發展和私家車的普及,行車安全和道路交通事故已經成為全球性的公共安全問題。同時,車輛越來越多地介入人們的日常生活,人們對車輛的娛樂功能也提出了更多更高的需求。隨著信息通信技術的進一步發展,如何通過日益發達的無線通信網絡來提高汽車道路安全就成為業界所關注和產生濃厚興趣的問題。基于此,車載自組織網絡(VANET)的概念應運而生。車輛自組織網絡結合全球定位系統(GPS)和無線通信網絡,如無線局域網(WLAN)等,為處于高速運動中的車輛提供一種高速率的數據接入網絡,進而可為車輛的安全行駛、計費管理、交通管理、數據通信和車載娛樂等提供一種可能的解決方案。

早前提出的移動自組織網絡(MANET)是一種自治的網絡,移動節點可以在飛機、船舶上,也可在卡車、小汽車上。從這一意義上來說,車載自組織網絡(VANET)完全可以看作是移動自組織網絡MANET的一個重要分支。車輛自組網與傳統無線通信系統相比較,具有車輛高速行駛、信道快速衰落、多普勒效應嚴重、網絡拓撲變化快等特征,這些也都是當前無線移動通信面臨的主要難題。

1 VANET概述

最早關于車輛無線移動通信的研究可以追溯到1992年,美國材料與試驗協會(ASTM)首先提出的專用短距離通信(DSRC)技術,該技術采用915 MHz頻段,主要針對電子不停車收費(ETC)業務而開發。2002和2003年ASTM分別通過了DSRC標準E2213-02及其改進版本E2213-03,工作頻率為5.9 GHz。E2213-03以IEEE 802標準為基礎,主要針對車載環境下的通信進行了一系列的改進。從2004年開始,DSRC標準化工作轉入IEEE 802.11p與IEEE 1609工作組進行,主要還是針對高速移動環境中的通信對IEEE 802.11標準的相關內容進行一些修改。IEEE 802.11p是美國交通部針對歐洲的車輛通信網絡,特別是電子道路收費系統、車輛安全服務與車上的商業交易系統等應用而設計的一種中長距離通信的空中接口標準,它計劃將被用在車載通信系統中。日本的DSRC標準由TC204委員會承擔,已經完成標準的制訂工作,同樣也支持IEEE802.11p協議。歐洲早在1994年就由CEN/TC278開始了DSRC標準的起草,1997年“5.8 GHz DSRC物理層和數據鏈路層”標準獲準通過。英特爾公司已經開發出應用于車內環境的軟硬件系統設計平臺,可用于建立車內系統模型機,裝載目前最先進的PC軟件和開發車內新的應用項目。中國政府在繼續加快基礎設施建設的同時,已提出將智能交通(ITS)作為中國未來交通運輸領域發展的重要方向和優先領域予以重點支持。

車載環境無線接入(WAVE)是下一代專用短距通信(DSRC)技術,能夠提供高速的車到車(V2V)和車到中心臺(V2I)數據傳輸,主要可以用于智能交通系統(ITS),車輛安全服務以及車上因特網接入。WAVE系統工作于5.850～5.925 GHz,采用OFDM傳輸技術,能夠達到6～27 Mbit/s的信息傳輸速率。在WAVE系統中,一個路側單元(RSU)可以覆蓋方圓1 000英尺。WAVE系統基于IEEE 802.11p協議,此協議目前仍在積極開發之中。圖1給出了IEEE P1609的整體結構以及IEEE802.11p在其中的具體位置。在圖中,可以看到802.11p協議在幾個管理協議的下層操作,歸它負責的有資源管理、網絡服務、信道選擇以及安全性能。

目前,關于WAVE演示系統的研究,美國的加州大學洛杉磯分校、俄亥俄州立大學、喬治亞理工大學等也都有系統原型發布,但大都還仍然處在開發的原始階段。

VANET的應用可以分為兩大類:一類主要解決行車安全,稱之為安全應用;另一類主要提供增值業務,如滿足乘客在車環境中的娛樂等功能,稱之為用戶應用。

1.1 安全應用

安全應用能夠顯著地降低交通事故的數量。據研究,如果司機在碰撞發生的前半秒鐘被予以示警,則60%的交通事故不會發生。安全應用主要在3類場景中發揮作用。

(1)事故現場預警

車輛在公路上高速行駛時司機們只有極少的時間對他們前方的車輛做出反應。如果前方發生了交通事故,正在朝事故發生點行駛的車輛常常在司機們剎住車之前就撞上了。而安全應用能夠用于提醒司機們沿著某條道路的前方有交通事故,從而避免連續相撞的發生。同時,安全應用也能夠用于及時提醒司機們前方距離較近的車輛從而事先避免事故的發生。

(2)十字路口

行駛在十字路口附近或者穿過十字路口是司機們所面臨的最復雜的挑戰之一,因為此時會有更多的車輛交叉行駛,這使得發生車輛相撞的概率很高。根據美國交通部門的調查,2003年,在十字路口發生的車輛相撞事件數量占所有登記的車輛相撞事件的45%,占所有事故的21%。如果有一個安全應用能夠在撞擊發生之前提醒駕駛員,從而駕駛員能夠采取措施預防相撞,那么事故的發生將會大大減少。

(3)擁塞的道路

安全應用還能夠用于提供給駕駛員到達目的地的最佳道路選擇。這樣就能降低道路的擁塞,保持交通的順暢,從而提高道路的容量,避免交通堵塞;在通暢的道路上駕駛員能夠不那么煩躁從而更傾向于遵守交通規則,這對減少交通事故的發生也有直接影響。

1.2 用戶應用

用戶應用可以在旅程中給乘客提供廣告、娛樂等信息。有兩種最基本用戶應用。

(1)因特網連接

對因特網的持續訪問能力日益成為大多數人的需求,再加上許多用戶應用本身就要求對因特網的連接,因此,向車輛使用者以及其他的VANET網絡應用程序提供因特網連接服務是必要的。這也意味著通常的因特網業務能夠在車輛中無縫地被實現(如連續下載大文件),而不需要重建。

(2)P2P應用

在VANET網絡中,使用P2P應用也是打發無聊時間的一個有趣的方法。車里的乘客們(非駕駛員)能夠分享音樂、電影等并且能夠彼此聊天、玩游戲。在長途旅行時,他們還能夠從專門的服務器中上傳或者下載音樂和電影。

2 VANET相關技術

2.1 網絡架構

VANET網絡的基本架構主要有兩大類:一大類是節點(車輛)和中心的V2I結構,另一類是節點(車輛)和節點(車輛)間的Ad Hoc結構。

圖2給出了這兩類的綜合架構示意。通信系統由3部分組成,包括車載單元(OBU)、RSU以及專用短距離無線通信協議。OBU是放在移動的汽車上,相當于通信系統中的移動終端,不同點是通信方式和頻率的差異。另外OBU是基于嵌入式處理單元,處理能力比較強。RSU又稱路旁單元、車道單元、車道設備,主要是指車道通信設備,負責車載單元的接入。DSRC協議采用簡化的3層協議結構,包括物理層(PHY)、數據鏈路層(LLC)和應用層。

2.2 物理層技術

目前大部分的V2V或V2I實驗系統使用的均是IEEE802.11a、802.11b、802.11g技術。即將出臺的IEEE802.11p標準使用基于正交頻分復用(OFDM)的物理層,與IEEE802.11a協議中的物理層類似。二者主要區別是物理層參數取值的不同,IEEE802.11p中OFDM的參數在時域中的值被翻倍,目的是降低由多徑傳播延時以及多普勒頻移效應引起的符號間干擾。其傳輸范圍是從300 m到1 km,相應的信號帶寬從20 MHz降為10 MHz,數據傳輸速率的范圍從6~54 Mbit/s變成3~27 Mbit/s。

也有極少數提出的解決方案不是基于802.11技術。如歐洲的車隊網(FleetNet)[1]項目中建議的物理層技術是基于通用移動通信系統(UMTS)中的地面無線接入時分雙工(UTRA-TDD)方式。文獻[2]中介紹了此方案,并指出:無論是在相對速度高的情況下還是在多徑延時導致的信號大幅度變化的情況下,都能在誤比特率方面獲得比基于IEEE802.11b協議的解決方案更好的性能。

2.3 媒體訪問機制

媒體訪問機制(MAC)層的關鍵技術主要是對MAC的資源進行管理,包括呼叫接納和切換技術、調度技術、QoS架構、鏈路預測及自適應技術等。車載通信是在高速行駛的汽車上實現通信,要求移動和漫游的能力,以及高效、安全的切換技術。無線環境下MAC層的接入方式主要可劃分為基于競爭的共享介質方式和基于調度的獨享介質方式兩大類。基于競爭的方式中,典型的有CSMA/CA協議,比較適用于分布式的網絡。基于調度的獨享介質方式需要有中心控制節點參與信道的劃分,比如FDMA、TDMA、CDMA等方式。現階段,VANET的MAC協議主要有基于CSMA/CA的MAC協議和基于TDMA的MAC協議以及混合模型幾大類。CSMA/CA是IEEE 802.11采用的MAC層協議,成本低、易于實現。因此,目前的VANET的MAC協議大多都是在CSMA/CA協議的基礎上進行一些修訂和擴展,如將帶寬修改為10～20 MHz,引入任意幀間隔(AIFS)等參數。現有的IEEE 802.11p就是802.11a協議的擴展。CSMA/CA是一種基于載波偵聽競爭機制的共享介質方式。因此,以其為基礎的改進MAC協議在密度大的車輛環境中很容易引起沖突,從而導致大的時延,甚至造成網絡擁塞。而在WAVE系統中安全數據包則對延遲非常敏感。基于TDMA的MAC協議雖可以保證安全數據包的及時送達,但由于它是一種基于調度的獨享介質方式,所以需要有中心控制節點參與,比較適合于V2I通信,而對于V2V時的碰撞告警等安全信息也不適用,且當處于密度小的車輛環境時又會造成網絡資源的浪費[3-4]。文獻[5]嘗試將CSMA/CA和TDMA相結合,提出一種V2V和V2I間相互協作的MAC協議(VRCP)。VRCP協議可降低系統的丟包率,但卻沒有考慮物理層多普勒頻域對性能的影響及上層業務的QoS要求。文獻[6]提出一種可以提高吞吐量的基于無線網狀網(MESH)技術的MAC層協議,它雖可以提高信道利用率,但也只能應用于非安全應用數據包的傳輸。基于定向天線的MAC協議(D-MAC)可以降低干擾[7],但由于復雜性而使得實施變得困難。總之,在VANET網絡中,單純的基于競爭或者基于調度的MAC協議,或者僅僅是簡單地把兩種方式進行復合使用,都不一定能獲得好的效果。

2.4 路由技術

VANET中的路由技術是為了解決如何在發送端車輛和接收端車輛之間尋找一條路徑從而確保通信的進行。目前針對MANET網絡,研究者提出了許多單播協議,如優化鏈路狀態路由協議(OLSR)[8]、無線自組網按需平面距離矢量路由協議(AODV)[9]、動態源路由協議(DSR)[10]等等。這些協議主要分為兩大基本類型:被動型和主動型。被動型的路由協議是當有數據包需要傳輸時才尋找并發現路徑。主動型的路由協議的節點則是通過定時發送包含拓撲信息的控制信息來時刻保持一個正確的路由表。

針對VANET網絡的特點,文獻[11]提出了地理位置路由算法用以減少節點的路由數目。實際上,在地理位置路由協議中,協議根據被傳送包的目的節點的地理位置決定轉發的路徑。一個中繼節點只需知道它自己的位置、目的節點的位置以及它的下一跳節點的位置。地理位置路由協議不要求保持整個顯式路由,而只需知道前一跳、自己及后一跳的位置,即使是動態網絡,它也具有良好的傳輸范圍。由于能夠通過全球定位系統(GPS)知道車輛的位置,因此地理位置路由在VANET網絡中的應用具有很大潛力。地理位置路由協議還能優化從源節點到目的節點的路由選擇通路。

同樣,在VANET網絡中,由于節點的高速移動使得網絡拓撲變化頻率很高。這將直接導致所選路徑的不可使用,繼而引起包的高丟失率。而預知車輛的移動以及讓報文排隊直至出現可利用的路徑能夠最大程度地減小由于網絡割裂帶來的影響。文獻[12]提出了主動流切換的方案。其主要思想是:在數據傳輸的過程中,路徑上每一個使用到的節點都要監測它到它前一個節點以及下一個節點的連通性,并預測它到它下一個節點的連接的持續時間。如果所預測的連接時間過短,它將在附近尋找能夠持續更長時間的另一條路徑并把信息流交付給這條新建立的路徑。如果這個辦法不可行,那么它將發送一條信息給源節點,讓它開始尋找新的路徑。然而,使用這種辦法要求每個節點都必須知道其自己所在的位置、速度以及全球時間,還應該知道其他節點的大致位置及速度。再者,對節點移動的預計在復雜的環境比如城市中會變得很困難。文獻[13]提出了運動預測技術,其能夠和優化鏈路狀態路由協議一起改善網絡的連通性。

VANET網絡中的V2V網絡還存在另一個可預見到的關于連通性的問題。公路上可能只有很少的車輛,這將導致網絡稀疏以及網絡割裂。為了解決這個問題,研究者們提出利用車輛的移動性來抵消網絡的稀疏性[14-15]。針對稀疏MANET網絡,人們提出了幾種消息運送技術。在文獻[16]中,塔里克等人提出了一個有趣的計劃,計劃中有一個被稱為渡輪的特殊節點,通過替其他節點運送信息,它能夠使得MANET網絡中的連接更加便利。曾經做過的多次仿真表明,這項計劃是合理的并能夠使網絡獲得良好的性能。對稀疏VANET這個把網絡分區作為一個特殊問題的網絡來說,這樣的系統將會很令人感興趣。

2.5 安全技術

如何保證VANET網絡的安全是非常重要的一個問題。如果攻擊者通過VANET網絡發布并不存在的交通堵塞或虛假的事故報告。錯誤的交通堵塞通告有可能導致車流從一條道路移動到另一條道路,從而真的引起一次交通堵塞。虛假的事故通告可能會引起緊急制動的啟動,從而可能導致一次真正的事故。相似地,拒絕服務攻擊以及偽裝攻擊的情況也會導致事故的發生。

另一方面,在VAENT網絡中隱私性也是一個重要的問題,這是因為除非采取適當的措施,否則攻擊者能通過網絡協議棧中使用的標志符來窺探人們的隱私,如果這些標志符(如MAC地址和IP地址等)從來不改變的話,那么攻擊者們就能通過它們連接到車輛上。通常,VANET網絡中的應用還要求信息的精確度,比如說,在安全應用中的定位信息。而這些信息就能夠被攻擊者們用于搜集用戶的個人信息,如地理位置和運動模式。

目前,VANET網絡為了確保鑒權,可以使用認證機構(CAS)。所有對用戶及車輛的身份認證、信任管理都是在一定區域內進行的。每個車輛及RSU都有其獨特的身份、公用密鑰、專用密鑰和執照。在CAS之間也設立了認證機關,這將在確保全局安全通信的同時允許本地管理。DSRC/802.11p協議中提出使用非對稱密碼來標記安全信息。也有研究者建議使用能夠用于匿名通信的假名機制來提升VANET網絡的隱私性[17]。節點使用假名的專用密鑰來標記要發出的信息,并將這個假名貼到信息上。假名提供者可以是CAS,也可以是其他能夠將假名發布到節點的實體。更換假名的同時也必須對基礎標志符進行更換,如MAC地址及網絡地址,否則車輛仍然能夠被跟蹤。更改假名時最好是在一個不受監控的區域或至少是一個難以持續跟蹤車輛的區域。該協議要求在交叉路口處設定一個RSU。當車輛接近交叉路口時該RSU與車輛交換一個對稱密鑰,車輛能夠使用該密鑰通過與RSU的加密通信來獲得新的假名。因此,監聽這個交叉路口的攻擊者將不知道下一個假名的信息。每通過一個十字路口,車輛的匿名能力都會增強。同時,基于假名機制的安全結構還能夠滿足責任歸屬的需求。Raya等人在文獻[18]中提出了把異常行為車輛(攻擊者)從VANET網絡中移除的技術。

為了防止可能會作出錯誤通告的虛假信息的攻擊,置信元件(TC)和防篡改設備(TPD)是必需的。利用預防篡改的硬件以及固件來儲存敏感的加密材料以及執行加密操作。

3 結束語

綜上所述,VANET網絡的研究才剛剛開始,其應用前景廣闊。車輛通信標準IEEE 802.11p即將發布。美國ABI市場咨詢公司日前預測,車載通信每年的市場規模高達10億美元。發展VANET技術,有利于提升中國在車載通信領域的地位,為中國經濟發展作出貢獻。

4 參考文獻

[1] HARTENSTEIN B, BOCKOW B, EBNER A, et al. Position-aware ad hoc wireless networks for inter-vehicle communications: The FleetNet project[C]// Proceedings of 2nd ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computingin(MOBIHOC01), Oct 4-5, 2001, Long Beach, CA, USA. New York, NY,USA:ACM, 2001:259-62.

[2] EBNER A, ROHLING H, WISCHHOF L, et al. Performance of UTRA TDD ad hoc and IEEE 802.11b in vehicular environments[C]// Proceedings of the 57th Vehicular Technology Conference (VTC-Spring03):Vol 2,Apr 22-25,2003, Jeju,Korea.Piscataway, NJ,USA:IEEE, 2003: 960-964.

[3] BILSTRUP K, UHLEMANN E, STROM E G, et al. Evaluation of the IEEE 802.11p MAC method for vehicle-to-vehicle communication[C]// Proceedings of the 68th Vehicular Technology Conference (VTC-Fall08) ,Sep 21-24,2008, Calgary, Canada. Piscataway, NJ,USA:IEEE, 2008: 1-5.

[4] RABADI N M, MAHMUD S M. On finding the optimal settings of the IEEE 802.11 DCF for the vehicle intersection collision avoidance application[C]// Proceedings of the 1st International Conference on Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE08), Dec 8-9, 2008, Detroit, MI,USA.2008.

[5] FUJIMURA K. HASEGAWA T. A collaborative MAC protocol for inter-vehicle and road to vehicle communications[C]//Proceedings of the 4st International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems Telecommunications(ITSC04),Oct 3-6,2004, Washington, DC, USA. Piscataway, NJ,USA:IEEE, 2004: 816-821.

[6] ZANG Yunpeng, STIBOR L, WALKE B, et al. A novel MAC protocol for throughput sensitive applications in vehicular environments[C]// Proceedings of the 65rd Vehicular Technology Conference (VTC-Spring07),Apr 22-25,2007,Dublin,Iseland, Piscataway, NJ,USA:IEEE, 2007:2580-2584

[7] MENOUAR H, FILALI F, LENALI M H. A survey and qualitative analysis of MAC protocols for vehicular ad hoc networks[J]. IEEE Wireless Communications,2006,13(5): 30-35.

[8] CLAUSEN T, JACQUET P. Optimized Link State Routing protocol (OLSR) [R]. IETF 3626.2003.

[9] PERKINS C, BELDING-ROYER E, DAS S. Ad hoc On-demand Distance Vector (AODV) routing[R]. IETF 3561. 2003.

[10] JOHNSON D B, MALTZ D A, HU Y C. The dynamic source routing protocol for mobile Ad Hoc networks(DSR)[R/OL]. [2004-07-19]. http://www.ietf.org/internet-drafts/draft-ietf-manet- dsr- 10.txt.

[11] KARP B. Geographic routing for wireless networks[D].Cambridge,MA,USA:Harvard University, 2000.

[12] WU K, HARMS J. Performance study of proactive flow handoff for mobile ad hoc networks[J]. Wireless Networks,2006,12(1): 119-35.

[13] MENOUAR H, LENARDI M, FILALI F. Improving proactive routing in VANETs with the MOPR movement prediction framework[C]// Proceedings of the 7th International Conference on Intelligent Transportation Systems Telecommunications(ITST07), Jun 6-8,2007, Sophia Antipolis, France. Piscataway, NJ,USA:IEEE, 2007:6.

[14] WU H, FUJIMOTO R, GUENSLER R, et al. MDDV: A mobility-centric data dissemination algorithm for vehicular networks[C]// Proceedings of the 1st ACM International Workshop on Vehicular Ad Hoc Networks (VANET'04), Oct 1,2004, Philadelphia, PA, USA. New York, NY, USA:ACM, 2004: 47-56.

[15] NADEEM T, SHANKAR P, IFTODE L. A comparative study of data dissemination models for VANETs[C]// Proceedings of the 3rd ACM/IEEE Annual International Conference on Mobile and Ubiquitous Systems: Networks and Services (MOBIQUITOUS06), Jul 17-21, 2006, San Jose, CA,USA. New York, NY, USA:ACM, 2004:1-10.

[16] TARIQ M M B, AMMAR M H, ZEGURA E W. Message ferry route design for sparse ad hoc networks with mobile nodes[C]// Proceedings of 7th ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing(MobIHoc06), May 22-25, 2006, Florence, Italy. New York, NY,USA:ACM,2006: 37-48.

[17] PAPADIMITRATOS P, BUTTYAN L, HUBAUX J P, et al. Architecture for secure and private vehicular communications[C]// Proceedings of the 7th international conference on Intelligent Transportation Systems Telecommunications(ITST07), Jun 6-8,2007, Sophia Antipolis, France. Piscataway, NJ,USA:IEEE, 2007:6.

[18] RAYA M, PAPADIMITRATOS P, AAD L, et al. Eviction of misbehaving and faulty nodes in vehicular networks[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2007,25(8): 1557-1568.

收稿日期:2009-07-28

羅濤,北京郵電大學副教授、博士,主要研究方向包括感知無線電、協同通信、MIMO、OFDM、高速無線網絡體系結構等。已發表論文30余篇。

郝建軍,北京郵電大學副教授、博士,主要研究方向包括感知無線電技術、網絡編碼及協同通信技術等,已發表論文10余篇。

樂光新,北京郵電大學教授、博士生導師,主要研究方向包括數字通信與信息處理、寬帶無線通信與無線IP網等。已發表論文100余篇。