车载自组织网络 VANET 研究概述 刘大勇 报告提纲 1 研究背景 个人研究基础 农田环境下WSN应用需求环境渐变 适应环境动态变化的传播信道建模需求监测面积大 节点数量多 大规模部署需求监测周期长 节能路由协议设计 太阳能电池供电 异构部署需求农业机械作业 节点地下部署 移动Sink数据收集需求野外环境复杂多变 部署节点连通性 路由稳定等服务质量需求研究角度 系统研究渐变环境信道建模异构节点部署异构WSN路由算法有效的移动Sink数据收集 异构WSN结构图 农田监测采集 1 研究背景 研究VANET依据 智能交通系统 ITS 将通信 电子 计算机 控制等各种信息技术应用于交通运输行业 形成的信息化 智能化 社会化的新型运输系统 对交通信息的实时采集 传输和处理 借助各种科技手段和设备 协调处理各种交通情况 建立实时 准确 高效的综合运输管理体系 从而充分利用交通设施 提高交通效率和安全 实现智能化的交通运输服务管理 车载网络 VehicleNetworking 车载网络是早期的汽车内部传感器 控制和执行器之间的通讯用点对点的连线方式连成复杂的网状结构 强调电子 控制技术随着电控系统的日益复杂 以及对汽车内部控制功能电控单元相互之间通信能力要求的日益增长采用点对点的链接会使得车内线束增多 这样在考虑内部通讯的可靠性安全性以及重量方面都给汽车设计和制造带来了很大的困扰 因此为了减少车内连线实现数据的共享和快速交换 同时提高可靠性等方面在快速发展的计算机网络上 实现CAN LAN LIN MOST等基础构造的汽车电子网络系统 即车载网络 摘自互动百科 1 研究背景 高德地图是怎么知道道路拥挤情况的 1 研究背景 实时收集所有浮动车 开高德导航 大客车 大货车等需要实时发送GPS信息的车 的GPS实时数据 结合历史同时段大数据进行分析 有一套算法能计算出当前路段的平均车速 通过车速区间划分是拥堵还是畅通 同路段开导航的分析实时速度判断拥堵根据以往数据某时间段XX路必拥堵和交管局合作获得以外数据分析或者实时数据数据来源所有装高德的车子的大数据分析公交大客车载gps数据出租车车载gps数据大货gps数据等优点 现有车辆通信网络主要是GPRS网络和CDMA网络 车辆向控制中心报告自己的车辆信息 实施 应用方便 局限 车辆使用GPS网络通信只能是车辆与此网络通信 而车辆和车辆之间并不能通信 这就降低了各车辆之间的信息交流 减低了信息的实时性的传输 1 研究背景 研究VANET依据 车载自组织网络 VehicleAdhocNetworks VANET 利用无线网络技术 通过车辆与车辆 V2V 和道路设施 V2I 之间实现自组无线多跳通信的开放移动自组织网络 其车载网络出现的目标是为了在道路建立一个自组织 方便 费用低廉 结构开放的车辆通信网络 以实现交通预警 车辆的自动化驾驶 提升驾驶舒服度和道路交通信息查询等应用 无线车载网络为车辆提供多种安全应用 如事故预警 交通管理 和非安全应用 如路况指示 因特网接入及车辆间多媒体数据传输 1 研究背景 研究VANET依据 主动道路交通安全应用为司机提供信息和帮助 避免各类碰撞 预测碰撞的路边单元与车辆间共享信息 可提供车辆位置 交叉位置 速度和距离导航等信息 车辆与路边单元的信息交换可提示湿滑地段或沆洼地带等危险区域 交通效率和管理应用改善流量 交通协调和交通援助 提供最新位置如地图 相关空间或时间信息 速度管理帮助驾车人管理车速 顺利驾车 避免不必要停车 常见如监控速度限制通知和绿灯最优速度咨询等 导航合作通过车辆间合作和车辆与路边单元协作 提供导航以提高交通效率 常见如交通信息和建议行程 合作自适应巡航控制 1 研究背景 研究意义 奔驰汽车公司通过大量的实验数据分析指出 在交通事故中 如果驾驶员能在事故发生前提前两秒的时间采取制止危险的措施 这样交通事故大都不会发生 公路中的突发事故是造成道路拥堵和引发二次事故的重要原因 这主要是由于现有的事故消息发布方式 电子情报板以及调频广播 具有较大的延迟 事故消息传输速度慢 无法实现事故后方车辆的快速疏散 因此 建立一种高效的事故信息发布机制 显得尤为重要 报告提纲 2 研究现状 车载自组网的现状与发展 2007年11月 通信学报 常促宇 向勇 史美林 清华大学计算机系 在2003年ITU T的汽车通信标准化会议上 各国专家提出的车用自组织网络 VANET vehiclead hocnetworks 技术有望在2010年将交通事故带来的损失降低50 美国的智能交通系统架构和标准 IntelliDrive系统架构 2010年 美国交通部下设部门 研究与特殊项目管理局 ResearchandInnovativeTechnologyAdministration 简称RITA 发布了一项 智能交通战略研究计划 2010 2014 对美国车联网技术的发展目标 实现途径以及智能交通系统建设等问题进行了详细规划部署 车载环境无线接入 WAVE 协议栈 车载环境无线接入 WAVE IEEE802 11p 使IEEE802 11在车辆环境中工作 定义物理层管理实体 PLME 和MAC层管理实体 MLME IEEE802 2 规定逻辑链路控制层 LLC IEEE1609 4 提供IEEE802 11p的多信道操作 IEEE1609 3 提供WAVE网络层要求的路由和寻址服务 WAVE短报文协议为交通安全和效率应用提供路由和组寻址 用于控制和服务信道 支持广播通信类型 IEEE1609 2 规定WAVE安全信息格式和处理 IEEE1609 1 描述应用允许携带有限计算资源的OBE上和OBE外复杂处理进程交互 日本的智能交通系统架构和标准 针对车载网络 FCC为车辆间 车辆与路边单元间规定了专用短距离通信 DedicatedShortRangeCommunications DSRC 使用5 9GHz的75MHz频段 传输距离一般为几十到几百米 传输速率为250 500kbps 可满足主要的车载应用 欧洲的智能交通系统架构和标准 欧洲ITS系统架构 2 研究现状 基于HLA的VANET仿真平台构建与性能分析作者姓名 袁嘉璐硕士导师姓名 王化深学科专业 智能交通工程本文依照国家 863计划 重点项目 智能车路协同关键技术 廊坊试验场地的规格搭建了相应的仿真场景 然后 论文针对目前VANET网络存在的高时延和高丢包率问题在不同的仿真条件下进行了大量的仿真工作 发现车辆之间路由频繁中断是造成的VANET网络延迟偏高的重要原因 得出在此种情况下基于地理位置的路由协议在VANET网络中的表现优于基于拓扑的路由协议 最后 论文采用了增加路侧设备 RSU RoadSideUnit 的VANET通信质量改善方案 对不同RSU密度 RSU分布规律下的VANET网络性能进行了大量的仿真及分析工作 结果表明当RSU密度增加到一个阈值 即可以确保车辆节点之间可以建立完全由RSU节点组成的路由的情况下 VANET网络才有着最低的端到端时延与最高的分组送达率 而在此阈值的基础上提高RSU密度将无法起到提升网络性能的作用 2 研究现状 基于VANET的高速公路事故消息快速广播机制马佳荣等 长安大学信息工程学院 西安710064 2015年11月VANET中安全信息的快速可靠广播路由算法罗涛等 北京邮电大学网络体系构建与融合北京市重点实验 计算机学报2105年3月基于分布式社区学习的VANET数据转发机制边贵云 田锐 黄志清 北京工业大学北京市物联网软件与系统工程技术研究中心 计算机工程2016年3月 报告提纲 3 研究内容 无线车载网络的系统功能要求无线通信能力 单跳通信范围 无线信道 可用带宽和比特率 信道鲁棒性 无线信号传播遇阻补偿如使用路边单元等 网络通信能力 传播模式如单播 广播 组播 地理广播 面向特定区域 数据汇集 拥塞控制 信息优先权 信道管理方式和连接实现 IPv6或IPv4寻址支持 互联网接入点变化的相关移动管理 汽车绝对定位能力 全球导航定位如GPS 组合导航如GPS与本地GIS系统结合 其它车辆能力 传感器和雷达接口 车辆导航功能 车辆通信安全能力 隐私和匿名 完整性和保密性 抵抗外部攻击 接收数据真实性 数据和系统完整性 无线车载网络的系统性能要求系统性能要求 最大延迟时间 错码率 更新和重发信息频率 车辆定位精度 无线电覆盖 无覆盖盲区 签署和验证信息和证书 标准化和认证要求 系统和ITS站点标准化 产品和服务一致性 系统互操作性测试 系统风险管理 3 研究内容 无线车载网络的技术挑战 通信方面路由转发 路由是选择到达目标的最优路径 而转发是在路由被选定后如何将包从某个节点传输到另一个节点 时延限制 数据包通常有时间和位置意义 在车速 不可靠连接和快速拓扑变化等约束下提供良好的时延性能 数据包优先级和拥塞控制 交通安全和效率信息数据更重要 应更快转发 大部分研究关注如何为紧急包提供最高优先 紧急包出现时 大量广播可导致信道利用率降低 寻址与地理寻址 地址被纳入到车辆物理位置或地理区域 移动性使追踪管理地理地址极具挑战性 传输层和网络层间可靠性和跨层 无线网络路由可能中断 本身不可靠的网络上提供尽量可靠的传输服务至关重要 设计跨层协议 对车载网络支持实时和多媒体应用非常有益 3 研究内容 VANET路由协议 单播路由转发 地理协议大部分算法源自贪心周边无状态路由 GPSR 转发决策主要依据邻居位置信息 适合高移动VANET 车辆只维护本地信息 方案可扩展到有较多车辆网络中 假定车辆配备GPS或其它定位服务 不用承担任何开销就可确定自身位置 相邻节点通过交换周期性信标 可发现所有邻居和位置 然后 所有转发决策遵循贪心方法 即地理上更接近目标的邻居被选为下一转发节点 因为车辆无网络拓扑全局知识 转发决策常为局部最优而非全局最优 可能出现车辆找不到下个转发节点 无路和断路 对策建议使用周边转发算法或右手准则 但不适合道路网络 尤其有多个路口和路径的城市环境 已有一些地理路由协议通过引入新的路径恢复机制解决该问题 如GSR GPCR和GPSRJ 等协议 3 研究内容 VANET路由协议 单播路由转发 基于链路稳定性协议基于拓扑的路由协议 如被动和主动路由 在MANET中非常流行 VANET主要问题是路径恢复和维持中的过高开销 源于高移动性 协议主要布署于高速公路环境 及源与目标间跳数较少的小规模网络中 为改进链路稳定性 减少路径恢复开销 可挖掘移动信息来预测一个给定路径持续多长时间 并在链路中断前找到一个新路径 单播路由转发 基于轨迹的协议基于轨迹的转发 TBF 算法Adhoc网络的源路由和笛卡尔坐标位置转发的新组合 源节点选择去往目标的路由或轨迹 不像传统源路由 TBF的转发决策基于轨迹 而非中间节点ID 实质上是从实际路径中解耦路径名称 TBF框架可用于任何类型服务 包括单播 广播 多播和多径路由等 下一跳或中继节点通过基于候选中继节点与轨迹间距离来选择 3 研究内容 VANET路由协议 广播路由转发驾驶员安全应用是VANET主要研究目之一 信息 如绕行路由 事故警报和施工警告 需告知所有周围车辆 即需广播转发 传统洪泛法会导致严重广播风暴 大量带宽被过多转发所消耗 如节点密度较高 导致大量冲突和信道竞争开销 解决思路是控制包生成率以适应包负载 主要方案包括 概率 基于计数器 基于距离 基于位置和基于簇 3 研究内容 VANET路由协议 广播路由转发 概率技术3个概率洪泛方案 权重p坚持 时隙1坚持 时隙p坚持 关键是概率转发和计时器转发相结合 权重p坚持方案 根据概率p重播包 较远节点得到较高概率 时隙1坚持和时隙p坚持方案与1个时隙内重播包概率相关 前者在1个时隙内以概率1来重播包 后者在1个时隙内使用概率p重播包 VANET中广播风暴的影响除信息可达性 开销外 还有时延和丢包率等 另一个微时隙1坚持洪泛方案将时隙分为许多微时隙 在一个时隙内多个节点可重播 区域内最