[ 導讀 ] 摘要:傳統的車輛通信網絡通常只是針對于公路計費等用途設計的封閉式通信網絡，新近的發展使得車輛支持車間自主通信從而互通安全信息。但是由于在網絡架構方面的缺陷，現有的系統只能對高速行駛中的車輛提供局部區域內的信息交互，無法實現車輛與智能交通控制中心進行實

    英文摘要:Traditional vehicular networks have been mainly designed for use in specialized local scenarios, such as Electronic Toll Collection (ETC). New vehicular networks, however, can support safe message communication using self-organized ad-hoc technology. Currently, vehicular networks only provide communication for mobile terminals in a vehicle cluster because of the limitations of network architecture. The vehicle cannot carry out information exchange with an Intelligent Traffic System (ITS) controlling center, nor can it access broadband wireless. This paper proposes a novel heterogeneous vehicular wireless architecture based on WAVE（IEEE 802.11p） and WiMAX（IEEE 802.16e）technology, and constructs a new network infrastructure and system model. Finally, some key technologies are discussed: adaptive multi-channel coordination mechanism and scheduling algorithm for WAVE, and group handover scheme and two-level resource allocation algorithm for WiMAX networks.

英文關鍵字:vehicular networks; multi-channel scheduling; group handover; resource allocation

    計算機技術、通信技術和微電子技術的迅速發展，以及三者之間的相互滲透和融合奠定了通信網絡技術的應用，推動了社會信息化的發展。近年來，車輛的爆發式增長和無處不在的信息需求也日益將通信網絡和車輛緊密結合起來。人們在車輛移動過程中的通信服務需求日益增大，車載移動網絡的研究已成為世界矚目的焦點，同時也促進了車輛向智能化、網絡化方向的發展。

    傳統的車輛通信網絡通常只是針對于公路計費等用途設計的封閉式通信網絡，新近的發展使得車輛網絡支持車間自主通信從而互通安全信息。由于在網絡架構方面的缺陷，現有的系統只能對高速行駛中的車輛提供局部區域內的信息交互。新一代車載網絡將提供普適服務，包括：各種車輛安全消息傳輸、智能交通信息業務、多媒體數字業務等。因此在新一代車載移動網絡中如何在保證車輛間安全信息互通的基礎上，實現車輛與智能交通控制中心進行實時數據服務（如提供路況信息，基于位置信息的地圖下載服務等），以及車內用戶寬帶無線接入互聯網從而獲取多媒體娛樂、資訊信息等成為車載移動網絡研[FS:PAGE]究中一個非常重要和迫切的課題。針對此情況，文章提出了異構無線網絡融合式的車載移動網絡架構，主要是基于車輛環境下無線接入(WAVE) (IEEE 802.11p)的車輛自組織通信技術和基于全球微波接入互操作性（WiMAX）(IEEE 802.16e) 的車載寬帶無線接入技術，并對其相關關鍵技術進行了探討和研究。

1 車載網絡通信的研究現狀和發展趨勢

    近幾年來，車輛通信網絡逐漸成為智能交通系統（ITS）領域中的熱點問題。各國都致力于把先進的通信技術應用到車輛交通系統中，使其更加安全、智能和高效。車輛自組織網絡（VANET）可以實現移動過程中車輛之間（V2V）的通信，以及低速移動或者靜止時車輛與路邊基礎設施之間（V2I）的通信，能為車輛提供多種安全應用和非安全應用。2004年，IEEE成立了IEEE 802.11p工作組以制定IEEE 802.11在WAVE的版本，并以IEEE 1609系列協議作為上層協議，從而形成車輛無線通信的基本協議構架[1]。美國伊利諾伊大學Urbana Champaign 分校Nitin Vaidya教授為首的團隊開發了多信道測試的無線Mesh網絡測試臺。UCLA教授G.Pau提出了車輛間特殊路由協議(PVRP)，搭建了系統測試平臺進行了驗證。密歇根大學郭錦華和向衛東教授開發了基于5.9 GHz的WAVE系統信道測試平臺。

     從車輛無線接入技術的角度，目前絕大多數的車輛移動通信網絡研究基于IEEE 802.11的通信技術，但802.11具有覆蓋范圍小、車輛移動過程中需要頻繁切換連接路邊單元、服務質量（QoS）支持弱、無法對多媒體信息提供高質量支持的弱點[2-3]。為此，我們提出了基于IEEE 802.16（它具有覆蓋范圍廣、QoS支持強的特點）的車輛通信網絡的研究。文獻[4-5]提出采用基于WiMAX（IEEE 802.16）的技術來為車輛及其內部所屬用戶的進行車載移動寬帶無線接入，首次將WiMAX技術應用于車輛通信網絡。該思想從本質上打破了IEEE 802.11一統車輛通信網絡的格局，為車輛通信網絡的發展和研究開辟了一個新方向。以IEEE 802.16技術標準為基礎的寬帶無線接入系統近年來廣受市場關注，根據實際網絡規劃所得的結果，WiMAX基站在市區內合理的覆蓋半徑大約為幾公里，可提供更高的數據傳輸速率和更廣的覆蓋范圍。為了解決車內用戶終端在高速移動情況下的寬帶無線接入問題，IEEE 802.16標準制定組2006年3月成立基于IEEE 802.16j 的移動中繼（MRS）工作小組，以研究采用MRS的可行性，想采用車載MRS站點為車內的群體用戶終端提供寬帶無線接入服務[6]。

  [FS:PAGE];  現階段，車載移動網絡的研究熱點主要集中在基于WAVE協議（IEEE 802.11p）的車輛通信多信道協調應用、組播路由管理，以及基于WiMAX協議（IEEE 802.16）的固定中繼技術的切換、資源調度方面。

    在基于WAVE協議的車輛與車輛之間自組織通信網絡中，整個車輛網絡的安全和非安全應用都在一個信道上完成，難以保證安全應用的QoS。因為大量的非安全信息可能導致網絡擁塞，使安全消息無法有效傳遞，從而嚴重削弱VANET在主動安全方面的重要作用。采用多信道的媒體訪問控制(MAC)機制是解決上述問題直接而有效的方法之一[7]。采用多個信道后，節點間可以使用不同的信道進行通信，接入手段更加靈活多變，可以獲得優于單信道的網絡吞吐量和時延特性。針對此情況，一般采用時隙間隔方法把時間交替分為控制間隔和數據交換間隔[8-9]。在控制間隔(CCH)所有節點跳到控制信道進行信道協商，在數據交換間隔(SCH)再跳到不同的信道進行數據傳輸。詳細架構如圖1所示。

    WAVE協議中原有路由機制也不完全適合拓撲動態變化的車載通信網絡。基于表驅動的先應式路由協議對于交通環境中事先不確定的節點無法協調，而拓撲結構的頻繁改變嚴重影響了協議的性能；基于源驅動的反應式路由協議是需要發送報文時才建立路由，一段時間后將過期。這些路由協議隨著通信跳數增加和車輛移動速度加快，建立路由的延遲相應增大，難以滿足低延遲的安全應用，因此出現基于位置的組播路由[10-11]。組播路由的目標是將報文從源節點傳遞到位于關聯區域（ZOR）內的所有節點。針對組播路由機制，提出了簇的概念，它將車輛網絡組織成多個對等的單元（簇），從而提高移動環境下的可擴展性[12]。在VANET中采用分簇機制，簇內通信可以用于快速有效地傳遞安全相關的緊急消息，而簇間通信則用于傳遞需要跨越多跳到達更遠區域的消息。這種基于分簇的路由方式既能提供消息的全覆蓋，又能保證低的傳輸延遲，適合于在行駛途中分發各類緊急消息。未來將在車載網絡的安全應用中利用分簇組播的路由概念，簇頭作為協調者，一方面在簇內實時采集和分發安全警告消息；另一方面將處理過的安全消息轉發給鄰居簇頭。

    車輛與路邊基礎設施之間的通信僅僅適應車輛在低速行駛或者相對靜止的環境下，車輛在高速行駛過程中無法提供與路邊單元的基礎設施進行長時間的信息交互。車載寬帶無線接入中，在車內用戶終端和路邊基站之間引入車載MRS站點，以協調車內用戶[FS:PAGE]與基站之間的通信，基站和車內用戶終端將通過MRS站點進行信令的交互，而不是兩者間的直接通信。

    在這種系統中，出現了分級調度和群組移動的概念。基站和車內用戶終端間通過MRS進行信息交互，并且MRS從服務基站、車內用戶從車載中繼獲取分配的資源，即為兩級資源調度。同時，在引入MRS節點后對移動性管理提高了很多，中繼節點可以將來自車內用戶終端的具有相似QoS需求的同類型業務的通信鏈路進行捆綁，集中處理進行群組切換，減少了以往切換過程中每個終端用戶和基站之間單獨進行信令交互的過程。文獻[13]提出了一種基于固定中繼的兩級資源調度機制，提高了系統吞吐量，降低了業務的丟包率和延時時間。文獻[14]提出了多跳蜂窩網絡中繼輔助切換的技術，移動終端通過中繼節點進行信息的傳輸，利用這種技術保證了信道的QoS參數，降低了掉話率。文獻[15]首次提出了基于MRS的群組切換，移動中繼站輔助車內用戶終端完成接入目標基站的切換，并通過切換過程中資源的重新分配來提高切換成功率，降低切換阻塞和延時。

    綜上所述，WAVE協議可以在數百米的半徑范圍內憑借每秒數十兆比特的通信速度，對道路交叉點、加油站、停車場等提供實時文字和圖像信息，同時該通信技術也可以用于車車間通信，為行駛中的車輛提供應急安全消息通信，防止車輛碰撞。WiMAX的最大通信半徑可達幾千米，可在時速超過120 km的高速移動車輛上使用，同時其MRS站出眾的系統增益也可為車內用戶終端提供更高速率的通信服務。因此我們提出的WiMAX與WAVE新型異構網絡融合的車載移動網絡架構，從而構成一個用于車輛安全通信、交通信息傳遞、寬帶無線多媒體數據傳輸的車輛移動通信網絡。

 

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