車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與媒質(zhì)接入機(jī)制研究

車聯(lián)網(wǎng)旨在實(shí)現(xiàn)一體化智能交通體系和無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò)，其關(guān)鍵技術(shù)在于全網(wǎng)數(shù)據(jù)共享和車輛寬帶接入?，F(xiàn)有車輛網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)因其不同設(shè)計(jì)目標(biāo)而缺少統(tǒng)一的協(xié)議棧和數(shù)據(jù)接口，難以有效進(jìn)行全網(wǎng)數(shù)據(jù)共享或協(xié)同通信；其多信道機(jī)制缺少靈活性，整體網(wǎng)絡(luò)性能受網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度影響較大。文章提出面向安全應(yīng)用的車聯(lián)網(wǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其協(xié)同通信協(xié)議棧，并對(duì)車聯(lián)網(wǎng)自適應(yīng)多信道媒質(zhì)接入?yún)f(xié)議進(jìn)行研究。

車聯(lián)網(wǎng)以車輛為基本信息單元，通過(guò)傳感器技術(shù)、信息采集技術(shù)、接入技術(shù)、傳輸技術(shù)、組網(wǎng)技術(shù)，將行人、車輛、路邊設(shè)施等道路實(shí)體與交通管理網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與后備網(wǎng)絡(luò)連接；服務(wù)于車輛安全、交通控制、信息服務(wù)、用戶網(wǎng)絡(luò)接入等應(yīng)用；旨在建立改善交通狀況、提高出行效率、拓展信息交互形式的智能綜合網(wǎng)絡(luò)體系。

車聯(lián)網(wǎng)具有廣泛性、移動(dòng)性和智能性3個(gè)特點(diǎn)。廣泛性指車聯(lián)網(wǎng)所的對(duì)象是廣義概念，包括車輛、飛機(jī)、船舶、鐵路等交通工具以及為車輛提供服務(wù)的路邊單元、車載傳感器、數(shù)據(jù)服務(wù)器等相關(guān)設(shè)施。對(duì)于不同通信設(shè)備與入網(wǎng)方式，車聯(lián)網(wǎng)都提供相應(yīng)的接口。移動(dòng)性是由車輛不斷運(yùn)動(dòng)、車輛間高動(dòng)態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所決定的，保證車輛高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景下實(shí)時(shí)安全信息傳輸，并在此基礎(chǔ)上支持非安全應(yīng)用的數(shù)據(jù)服務(wù)(如提供路況信息、基于位置信息的地圖下載服務(wù)等)，是現(xiàn)有車輛自組織網(wǎng)信道協(xié)調(diào)機(jī)制，如車輛通信環(huán)境下的無(wú)線接入(WAVE)媒體訪問(wèn)控制(MAC)、車輛網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)(VMESH)[1]、基于TDMA的多信道MAC協(xié)議(TMMAC)等無(wú)法完全適用的。智能性指車聯(lián)網(wǎng)通過(guò)各種方式獲取車輛和路況信息，主動(dòng)對(duì)潛在交通隱患做出反應(yīng)，是交通一體化、協(xié)同化、智能化體現(xiàn)。

車聯(lián)網(wǎng)采用多信道MAC機(jī)制可以獲得優(yōu)于單信道的網(wǎng)絡(luò)吞吐量和時(shí)延特性，實(shí)現(xiàn)安全消息和非安全消息非沖突傳輸。多信道MAC在保證安全應(yīng)用服務(wù)質(zhì)量(QoS)基礎(chǔ)上，盡可能多地為車輛提供寬帶接入服務(wù)，使得車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享、主動(dòng)安全、交通管理、信息服務(wù)等成為可能。

現(xiàn)有車輛自組網(wǎng)因其本身網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)約束，存在全網(wǎng)數(shù)據(jù)采集缺乏、信息共享不充分和數(shù)據(jù)交互實(shí)時(shí)性不足等影響車輛安全的問(wèn)題[2]。中國(guó)車聯(lián)網(wǎng)的研究集中于車輛網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的理論和傳感器硬件開(kāi)發(fā)，對(duì)于車聯(lián)網(wǎng)整體性網(wǎng)絡(luò)框架和協(xié)議棧研究較少。就無(wú)線通信技術(shù)而言，為保證車輛安全消息的準(zhǔn)確傳輸，已有多信道MAC協(xié)議缺乏靈活的信道協(xié)調(diào)機(jī)制和有效的分配策略，不能完全適用于復(fù)雜的車輛通信環(huán)境，或者以犧牲非安全業(yè)務(wù)的帶寬來(lái)保證安全消息的傳輸。為此，本文設(shè)計(jì)車聯(lián)網(wǎng)整體框架和相應(yīng)通信協(xié)議棧，解決車路一體化控制和全網(wǎng)數(shù)據(jù)共享，在此基礎(chǔ)上研究多信道自適應(yīng)MAC機(jī)制，在保證安全消息準(zhǔn)確傳輸?shù)那疤嵯?，提高非安全業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，構(gòu)成一種高效的、面向交通安全應(yīng)用的車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系。

1車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和通信協(xié)議棧

典型的車聯(lián)網(wǎng)框架如圖1所示。車聯(lián)網(wǎng)為車輛提供無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò)接入、實(shí)時(shí)安全消息、多媒體業(yè)務(wù)、輔助控制等。隨傳感器網(wǎng)絡(luò)加入，傳感器、路邊設(shè)施和車輛3個(gè)獨(dú)立要素構(gòu)成了車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)：傳感器(埋地線圈、交叉路口視頻檢測(cè)系統(tǒng)、車載傳感器等)實(shí)現(xiàn)車輛周邊信息以及路況信息采集；路邊設(shè)施(WiMAX基站、3G基站W(wǎng)i-Fi接入點(diǎn)、衛(wèi)星等)發(fā)布路況信息，為車輛提供接入服務(wù)。這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)要求一種專有的協(xié)同通信架構(gòu)和協(xié)議棧，可將不同底層數(shù)據(jù)整合，并對(duì)應(yīng)用層隱藏不同接入方式間差別，實(shí)現(xiàn)信息交互。

1.1車聯(lián)網(wǎng)協(xié)同通信架構(gòu)的設(shè)計(jì)

車聯(lián)網(wǎng)協(xié)同架構(gòu)如圖2所示。圖2包括6個(gè)模塊：車聯(lián)網(wǎng)管理模塊、車聯(lián)網(wǎng)安全模塊、車聯(lián)網(wǎng)基站、車聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議、車輛接入模塊和車聯(lián)網(wǎng)上層應(yīng)用。

(1)車聯(lián)網(wǎng)管理模塊

作為車聯(lián)網(wǎng)的控制中心，分別管理和維護(hù)入網(wǎng)車輛信息、路況信息；實(shí)現(xiàn)車輛在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中垂直切換和跨層資源管理機(jī)制；協(xié)調(diào)車聯(lián)網(wǎng)中所有為車輛提供服務(wù)的基站，實(shí)現(xiàn)車輛在不同基站間水平的無(wú)縫切換；實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)通信的QoS機(jī)制，根據(jù)入網(wǎng)車輛的信息和業(yè)務(wù)種類，提供不同優(yōu)先級(jí)的服務(wù)等。

(2)車聯(lián)網(wǎng)信息安全模塊

車聯(lián)網(wǎng)高速拓?fù)渥兓?、頻繁的網(wǎng)絡(luò)分割和有限的冗余性，制約著車聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全和傳輸能力。車聯(lián)網(wǎng)安全模塊為車聯(lián)網(wǎng)通信提供密鑰管理、身份認(rèn)證確保車聯(lián)網(wǎng)傳感器、車輛、基站等交通試題間傳輸?shù)谋Ｃ躘3]；提供安全路由、數(shù)據(jù)傳播，保證數(shù)據(jù)在傳播過(guò)程中不被篡改、丟棄或者插入虛假數(shù)據(jù)；提供定位和位置驗(yàn)證，車聯(lián)網(wǎng)大部分應(yīng)用依賴準(zhǔn)確的位置信息，位置信息的準(zhǔn)確性對(duì)車聯(lián)網(wǎng)有著重要意義；提供安全的時(shí)間同步，車聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，尤其是安全應(yīng)用要求高度精確的整網(wǎng)同步。

(3)車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模塊

車聯(lián)網(wǎng)為服務(wù)于車輛安全、交通效率，在此基礎(chǔ)上，提供車聯(lián)網(wǎng)用戶其他非安全或非實(shí)時(shí)的接入后備網(wǎng)的接口。模塊有前后向兼容性，能夠兼容現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)體系和未來(lái)可能的新應(yīng)用。

(4)車聯(lián)網(wǎng)基站設(shè)備

為上層應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)的會(huì)話支持、信息支持和統(tǒng)一的應(yīng)用層接口。車聯(lián)網(wǎng)基站可以是WiMAX、Wi-Fi、2G/3G及其他能夠?yàn)檐囕v提供接入和信息服務(wù)的基站。

(5)車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和傳輸模塊

車聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部協(xié)議眾多，對(duì)于底層不同的車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)、路由策略，提供與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)相似或可以完全兼容的網(wǎng)絡(luò)傳輸體系?；镜膫鬏斂刂茀f(xié)議/數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(TCP/UDP)、智能交通信息等，在這里被融合成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。

(6)車聯(lián)網(wǎng)接入模塊

對(duì)于底層傳感器網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)，提供統(tǒng)一的接入。

1.2車聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議棧的設(shè)計(jì)

車聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議棧如圖3所示。圖3分別在物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層定義統(tǒng)一的功能、結(jié)構(gòu)和接口。車聯(lián)網(wǎng)管理接口負(fù)責(zé)車聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部各層間，多種通信協(xié)議的融合，提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的差錯(cuò)控制、資源調(diào)度和路由機(jī)制等；物理層和MAC層負(fù)責(zé)車聯(lián)網(wǎng)底層通信的工作。車輛間通信使用802.11p[4]協(xié)議。車路通信使用2G/3G、WiMAX等技術(shù)來(lái)滿足長(zhǎng)距離車輛與路邊設(shè)施間的通信。車內(nèi)傳感器使用藍(lán)牙、紅外等技術(shù)連接；網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議融合底層不同車輛接入方式的數(shù)據(jù)，把有效負(fù)載上傳給應(yīng)用層接口，傳輸層負(fù)責(zé)輔助車載GPS同步車聯(lián)網(wǎng)全局時(shí)鐘和提供高效的路由機(jī)制、移動(dòng)性管理等。協(xié)議棧上層為交通安全、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、控制信息提供統(tǒng)一的接口，并支持用戶自定義的協(xié)議實(shí)現(xiàn)后向兼容。

1.3媒介獨(dú)立切換功能模塊

車聯(lián)網(wǎng)第二層和第三層協(xié)議之間采用媒介無(wú)關(guān)的切換模塊(MIHF)，屏蔽車聯(lián)網(wǎng)底層不同接入方式差異。MIHF處理從傳感器網(wǎng)絡(luò)、802.11、3G等不同無(wú)線接入方式的數(shù)據(jù)，由資源管理子層分配信道資源。移動(dòng)管理子層根據(jù)車輛位置信息和周圍網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，選擇車輛接入點(diǎn)或下一跳數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。采用MIHF模塊的車聯(lián)網(wǎng)能最大程度保證安全信息的連續(xù)性和服務(wù)質(zhì)量，減少切換時(shí)延和丟包率。媒介獨(dú)立切換功能模塊如圖4所示。

2車聯(lián)網(wǎng)多信道MAC協(xié)議

現(xiàn)有車輛網(wǎng)絡(luò)采用的多信道協(xié)調(diào)機(jī)制具體為：在控制信道(CCH)間隔，所有車輛節(jié)點(diǎn)跳頻到控制信道，采用競(jìng)爭(zhēng)方式進(jìn)行安全消息的傳遞和信道協(xié)商，并在服務(wù)信道(SCH)間隔跳頻到預(yù)約好的服務(wù)信道傳遞非安全信息。這樣雖然能確保車輛節(jié)點(diǎn)接受服務(wù)信道上的非安全應(yīng)用又不錯(cuò)過(guò)在控制信道上的安全消息，但固定間隔的時(shí)隙分割模式的協(xié)調(diào)機(jī)制對(duì)網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性較差。在信道的接入機(jī)制方面，競(jìng)爭(zhēng)接入很難保證安全消息和實(shí)時(shí)的非安全應(yīng)用的QoS，并且安全消息缺乏可靠而有效的廣播服務(wù)。根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)本文設(shè)計(jì)兩種自適應(yīng)MAC，分別在有車載單元(RSU)和車輛自組織情況下，提高車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)多信道協(xié)調(diào)機(jī)制的靈活性、有效性和安全性。

2.1基于RSU多信道協(xié)作MAC機(jī)制

基于路邊單元協(xié)調(diào)的媒體訪問(wèn)控制(RAMC)協(xié)議借由路邊單元對(duì)所有信道資源統(tǒng)一分配，同時(shí)滿足車輛安全和非安全應(yīng)用。位于服務(wù)范圍內(nèi)的車輛可自由選擇服務(wù)信道。RSU監(jiān)聽(tīng)服務(wù)信道和控制信道內(nèi)全部安全消息，周期性在所有信道內(nèi)向附近車輛廣播整合后安全信息簡(jiǎn)報(bào)，實(shí)現(xiàn)安全消息的可靠傳輸前提下非安全應(yīng)用的高吞吐量。由于多頻段設(shè)備成本及信道間干擾，一般車載設(shè)備使用單頻天線，車輛因處于服務(wù)信道而沒(méi)有接收到鄰節(jié)點(diǎn)安全消息，將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)整體安全應(yīng)用QoS下降。傳統(tǒng)多信道協(xié)調(diào)機(jī)制將CCH分割為安全信息交換間隔和控制間隔。車輛須維持在CCH等待周圍車輛完成安全信息交換，在此期間SCH完全空閑，通過(guò)犧牲整體信道帶寬效率保證安全信息可靠傳輸。非安全服務(wù)若需要一整個(gè)間隔傳輸，則這種MAC機(jī)制在交通密集情況時(shí)，將無(wú)法保障非安全應(yīng)用QoS[5]。

RAMC屬于集中式多信道協(xié)議，依靠多射頻RSU協(xié)調(diào)控制信道和服務(wù)信道資源，將時(shí)間劃分為一個(gè)個(gè)同步間隔，其長(zhǎng)度取決于安全消息最大時(shí)延。RAMC進(jìn)一步將CCH分成非競(jìng)爭(zhēng)(CFP)和競(jìng)爭(zhēng)(CP)兩個(gè)子時(shí)隙。在CFP時(shí)隙車輛使用輪詢方式發(fā)送安全消息，最大程度確保安全消息傳輸；在CP時(shí)隙傳輸諸如服務(wù)信息聲明、附加的安全消息等。SCH同樣分成安全服務(wù)(非競(jìng)爭(zhēng))和非安全服務(wù)(競(jìng)爭(zhēng))兩個(gè)子時(shí)隙。出現(xiàn)緊急安全消息時(shí)，RSU可以中止SCH正在提供的服務(wù)轉(zhuǎn)而廣播安全消息。在一個(gè)同步時(shí)隙內(nèi)，RSU監(jiān)控所有在CCH和SCH傳輸?shù)陌踩?；整合、處理收到的信息，在所有信道廣播綜合安全消息(CSM)；向服務(wù)范圍車輛重播任何緊急預(yù)警信息。車輛在服務(wù)區(qū)內(nèi)可以自由選擇服務(wù)信道或控制信道，被RSU輪詢時(shí)須在當(dāng)前信道廣播狀態(tài)安全信息；任何時(shí)候收到安全應(yīng)用請(qǐng)求，車輛必須返回CCH信道。RAMC不要求車輛周期性切換到CCH完成安全消息交互。RSU在全信道廣播，使車輛在SCH也能接收到安全信息報(bào)告，最終減少車輛在CCH和SCH間的切換次數(shù)并提高整體信道利用率。

為減少干擾和提高安全消息傳輸可靠性，RAMC將以RSU為中心按距離分為3個(gè)區(qū)域：服務(wù)區(qū)、輪詢區(qū)和信號(hào)區(qū)。如圖5所示。服務(wù)區(qū)內(nèi)車輛既可以在CCH也可以在SCH。同步間隔內(nèi)車輛發(fā)送完安全信息后，可自由選擇信道。在輪詢區(qū)內(nèi)服務(wù)區(qū)外車輛只允許在CCH信道與周圍車輛交換安全信息。RSU將進(jìn)入該區(qū)域的車輛添加到輪詢列表中，此后他們能使用CFP時(shí)隙傳遞安全信息。在信號(hào)區(qū)內(nèi)輪詢區(qū)外車輛只能使用CP時(shí)隙發(fā)送安全和控制信息，在CFP時(shí)隙必須保持靜默，以此減少干擾。

綜上，RAMC利用多頻段RSU監(jiān)控所有信道的安全信息并廣播安全信息簡(jiǎn)報(bào)，在保證安全消息傳輸前提下，充分利用多信道提高區(qū)域內(nèi)非安全應(yīng)用吞吐量。對(duì)車輛在RSU不同區(qū)域行為的劃分能有效減少車輛間干擾。相對(duì)現(xiàn)有多信道機(jī)制，RAMC在高密度城市環(huán)境下，對(duì)車輛網(wǎng)絡(luò)性能提升尤為顯著。

2.2基于自適應(yīng)廣播的多信道MAC機(jī)制

基于自適應(yīng)廣播的多信道MAC如圖6所示。在沒(méi)有路邊單元的情況下，這種MAC機(jī)制提供了更安全，靈活性更好的資源非配策略。信道接入時(shí)間被分割為相等同步間隙，每個(gè)同步間隔包括等長(zhǎng)CCH間隔和SCH間隔。CCH間隔又進(jìn)一步分為一個(gè)自適應(yīng)廣播幀(ABF)和一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)預(yù)約期(CRP)。車輛動(dòng)態(tài)地預(yù)約ABF中的一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行安全消息或其他控制消息的無(wú)沖突傳遞。

為了進(jìn)行非安全應(yīng)用，車輛之間在CRP中通過(guò)信道協(xié)商過(guò)程預(yù)約下一個(gè)SCH間隔的信道資源。在CRP中采用CSMA/CA作為信道接入控制機(jī)制。由于CCH間隔長(zhǎng)度固定，而ABF長(zhǎng)度動(dòng)態(tài)變化，因而CRP的長(zhǎng)度依賴于ABF的長(zhǎng)度。從全局來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)中的車輛并非同步地進(jìn)入CRP，而這個(gè)異步行為可能導(dǎo)致沖突產(chǎn)生。我們?cè)贑RP中引入虛擬時(shí)隙以避免潛在的沖突，作為自適應(yīng)廣播機(jī)制來(lái)滿足高動(dòng)態(tài)車載環(huán)境下不同業(yè)務(wù)的QoS。CRIP規(guī)定了車輛進(jìn)行信道協(xié)商和信道選擇的過(guò)程。車輛專用多信道(DMMAC)中采用的信道協(xié)商機(jī)制類似于TMMAC在AdHoc交通指示信息(ATIM)窗口中的3次握手過(guò)程，盡管兩種協(xié)議有著不同的信道選擇算法。一對(duì)車輛節(jié)點(diǎn)需要交換3種數(shù)據(jù)包，即競(jìng)爭(zhēng)預(yù)約期請(qǐng)求(CRP-REQ)、競(jìng)爭(zhēng)預(yù)約期相應(yīng)(CRP-RES)和競(jìng)爭(zhēng)預(yù)約期確認(rèn)(CRP-ACK)，以完成一次協(xié)商。除此之外，車輛節(jié)點(diǎn)還可以利用CRP-BRD消息在CRP中進(jìn)行緊急安全消息的廣播。車輛傳輸安全消息、控制消息的廣播需在ABF中預(yù)約一個(gè)空閑的時(shí)隙作為其專用基本信道(BCH)。自適應(yīng)廣播機(jī)制在沒(méi)有中心節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)情況下，使用基于預(yù)約的可靠ALOHA(RR-ALOHA)[6]的一些思想完成動(dòng)態(tài)預(yù)約，從而避免由于隱藏終端等問(wèn)題造成的傳輸沖突。

自適應(yīng)廣播機(jī)制根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度調(diào)整自己的自適應(yīng)廣播幀長(zhǎng)，兩跳廣播利用車輛的拓?fù)鋵⒕o急安全消息可靠并且有效地廣播到兩跳范圍內(nèi)，為安全消息提供無(wú)沖突、非時(shí)延受限的傳輸，增強(qiáng)MAC協(xié)議對(duì)不同交通密度環(huán)境的適應(yīng)能力，完成安全消息無(wú)沖突傳遞，并一定程度解決交通密度變化