车载移动异构无线网络架构及关键技术

基金项目：国家高技术研究发展计划（“863”计划）资助项目（2007AA01Z239）；上海市科委重大科技攻关项目（No.07dz15006_2）

    计算机技术、通信技术和微电子技术的迅速发展，以及三者之间的相互渗透和融合奠定了通信网络技术的应用，推动了社会信息化的发展。近年来，车辆的爆发式增长和无处不在的信息需求也日益将通信网络和车辆紧密结合起来。人们在车辆移动过程中的通信服务需求日益增大，车载移动网络的研究已成为世界瞩目的焦点，同时也促进了车辆向智能化、网络化方向的发展。

    传统的车辆通信网络通常只是针对于公路计费等用途设计的封闭式通信网络，新近的发展使得车辆网络支持车间自主通信从而互通安全信息。由于在网络架构方面的缺陷，现有的系统只能对高速行驶中的车辆提供局部区域内的信息交互。新一代车载网络将提供普适服务，包括：各种车辆安全消息传输、智能交通信息业务、多媒体数字业务等。因此在新一代车载移动网络中如何在保证车辆间安全信息互通的基础上，实现车辆与智能交通控制中心进行实时数据服务（如提供路况信息，基于位置信息的地图下载服务等），以及车内用户宽带无线接入互联网从而获取多媒体娱乐、资讯信息等成为车载移动网络研究中一个非常重要和迫切的课题。针对此情况，文章提出了异构无线网络融合式的车载移动网络架构，主要是基于车辆环境下无线接入(WAVE) (IEEE 802.11p)的车辆自组织通信技术和基于全球微波接入互操作性（WiMAX）(IEEE 802.16e) 的车载宽带无线接入技术，并对其相关关键技术进行了探讨和研究。

1 车载网络通信的研究现状和发展趋势
    近几年来，车辆通信网络逐渐成为智能交通系统（ITS）领域中的热点问题。各国都致力于把先进的通信技术应用到车辆交通系统中，使其更加安全、智能和高效。车辆自组织网络（VANET）可以实现移动过程中车辆之间（V2V）的通信，以及低速移动或者静止时车辆与路边基础设施之间（V2I）的通信，能为车辆提供多种安全应用和非安全应用。2004年，IEEE成立了IEEE 802.11p工作组以制定IEEE 802.11在WAVE的版本，并以IEEE 1609系列协议作为上层协议，从而形成车辆无线通信的基本协议构架[1]。美国伊利诺伊大学Urbana Champaign 分校Nitin Vaidya教授为首的团队开发了多信道测试的无线Mesh网络测试台。UCLA教授G.Pau提出了车辆间特殊路由协议(PVRP)，搭建了系统测试平台进行了验证。密歇根大学郭锦华和向卫东教授开发了基于5.9 GHz的WAVE系统信道测试平台。

    从车辆无线接入技术的角度，目前绝大多数的车辆移动通信网络研究基于IEEE 802.11的通信技术，但802.11具有覆盖范围小、车辆移动过程中需要频繁切换连接路边单元、服务质量（QoS）支持弱、无法对多媒体信息提供高质量支持的弱点[2-3]。为此，我们提出了基于IEEE 802.16（它具有覆盖范围广、QoS支持强的特点）的车辆通信网络的研究。文献[4-5]提出采用基于WiMAX（IEEE 802.16）的技术来为车辆及其内部所属用户的进行车载移动宽带无线接入，首次将WiMAX技术应用于车辆通信网络。该思想从本质上打破了IEEE 802.11一统车辆通信网络的格局，为车辆通信网络的发展和研究开辟了一个新方向。以IEEE 802.16技术标准为基础的宽带无线接入系统近年来广受市场关注，根据实际网络规划所得的结果，WiMAX基站在市区内合理的覆盖半径大约为几公里，可提供更高的数据传输速率和更广的覆盖范围。为了解决车内用户终端在高速移动情况下的宽带无线接入问题，IEEE 802.16标准制定组2006年3月成立基于IEEE 802.16j 的移动中继（MRS）工作小组，以研究采用MRS的可行性，想采用车载MRS站点为车内的群体用户终端提供宽带无线接入服务[6]。

    现阶段，车载移动网络的研究热点主要集中在基于WAVE协议（IEEE 802.11p）的车辆通信多信道协调应用、组播路由管理，以及基于WiMAX协议（IEEE 802.16）的固定中继技术的切换、资源调度方面。
在基于WAVE协议的车辆与车辆之间自组织通信网络中，整个车辆网络的安全和非安全应用都在一个信道上完成，难以保证安全应用的QoS。因为大量的非安全信息可能导致网络拥塞，使安全消息无法有效传递，从而严重削弱VANET在主动安全方面的重要作用。采用多信道的媒体访问控制(MAC)机制是解决上述问题直接而有效的方法之一[7]。采用多个信道后，节点间可以使用不同的信道进行通信，接入手段更加灵活多变，可以获得优于单信道的网络吞吐量和时延特性。针对此情况，一般采用时隙间隔方法把时间交替分为控制间隔和数据交换间隔[8-9]。在控制间隔(CCH)所有节点跳到控制信道进行信道协商，在数据交换间隔(SCH)再跳到不同的信道进行数据传输。详细架构如图1所示。

    WAVE协议中原有路由机制也不完全适合拓扑动态变化的车载通信网络。基于表驱动的先应式路由协议对于交通环境中事先不确定的节点无法协调，而拓扑结构的频繁改变严重影响了协议的性能；基于源驱动的反应式路由协议是需要发送报文时才建立路由，一段时间后将过期。这些路由协议随着通信跳数增加和车辆移动速度加快，建立路由的延迟相应增大，难以满足低延迟的安全应用，因此出现基于位置的组播路由[10-11]。组播路由的目标是将报文从源节点传递到位于关联区域（ZOR）内的所有节点。针对组播路由机制，提出了簇的概念，它将车辆网络组织成多个对等的单元（簇），从而提高移动环境下的可扩展性[12]。在VANET中采用分簇机制，簇内通信可以用于快速有效地传递安全相关的紧急消息，而簇间通信则用于传递需要跨越多跳到达更远区域的消息。这种基于分簇的路由方式既能提供消息的全覆盖，又能保证低的传输延迟，适合于在行驶途中分发各类紧急消息。未来将在车载网络的安全应用中利用分簇组播的路由概念，簇头作为协调者，一方面在簇内实时采集和分发安全警告消息；另一方面将处理过的安全消息转发给邻居簇头。
车辆与路边基础设施之间的通信仅仅适应车辆在低速行驶或者相对静止的环境下，车辆在高速行驶过程中无法提供与路边单元的基础设施进行长时间的信息交互。车载宽带无线接入中，在车内用户终端和路边基站之间引入车载MRS站点，以协调车内用户与基站之间的通信，基站和车内用户终端将通过MRS站点进行信令的交互，而不是两者间的直接通信。

    在这种系统中，出现了分级调度和群组移动的概念。基站和车内用户终端间通过MRS进行信息交互，并且MRS从服务基站、车内用户从车载中继获取分配的资源，即为两级资源调度。同时，在引入MRS节点后对移动性管理提高了很多，中继节点可以将来自车内用户终端的具有相似QoS需求的同类型业务的通信链路进行捆绑，集中处理进行群组切换，减少了以往切换过程中每个终端用户和基站之间单独进行信令交互的过程。文献[13]提出了一种基于固定中继的两级资源调度机制，提高了系统吞吐量，降低了业务的丢包率和延时时间。文献[14]提出了多跳蜂窝网络中继辅助切换的技术，移动终端通过中继节点进行信息的传输，利用这种技术保证了信道的QoS参数，降低了掉话率。文献[15]首次提出了基于MRS的群组切换，移动中继站辅助车内用户终端完成接入目标基站的切换，并通过切换过程中资源的重新分配来提高切换成功率，降低切换阻塞和延时。

    综上所述，WAVE协议可以在数百米的半径范围内凭借每秒数十兆比特的通信速度，对道路交叉点、加油站、停车场等提供实时文字和图像信息，同时该通信技术也可以用于车车间通信，为行驶中的车辆提供应急安全消息通信，防止车辆碰撞。WiMAX的最大通信半径可达几千米，可在时速超过120 km的高速移动车辆上使用，同时其MRS站出众的系统增益也可为车内用户终端提供更高速率的通信服务。因此我们提出的WiMAX与WAVE新型异构网络融合的车载移动网络架构，从而构成一个用于车辆安全通信、交通信息传递、宽带无线多媒体数据传输的车辆移动通信网络。

2 新型车载移动通信网络架构及参考模型

2.1 网络系统架构
    文章提出的异构融合车载移动网络架构中，车车之间的通信是通过基于WAVE来实现，车辆与路边基站的通信通过WiMAX实现。在车内用户终端与路边基站的两层结构中还引入了MRS概念，车内用户通过MRS站进行网络通信，详细的车辆通信系统网络架构如图2所示。新型车辆通信网络体系架构支持车辆之间的应急通信，保障车辆行驶的主动安全性；支持通过MRS站为车辆及车内用户终端提供宽带无线接入，从而与智能交通控制中心之间实现实时、可靠的信息交互，并能为车内用户终端提供宽带无线网络接入互联网，进行多媒体数据业务的传输。新型车载移动异构无线通信协议架构如图3所示，车辆间通信是基于IEEE 802.11p的局域联网，是通过自组织的方式实现，为车间通信提供了可靠性的连接和紧急安全消息的传输，实现车辆之间安全报警和资源共享等；车载宽带无线接入是基于IEEE 802.16的城域联网，可以通过MRS站接入当前接入基站，车内用户终端通过车载MRS站就可以进行高速的上传、下载，并且车内的用户通过MRS站，形成一个群组，使得在小区边缘可以实现整体越区切换。

2.2 通信协议模块模型
    在基于WAVE的车辆自组织通信技术和基于WiMAX的车载宽带无线接入技术的异构融合下，车载移动网络能确保车辆在移动过程中通过IEEE 802.11和IEEE802.16的多模终端下进行不同种类的信息传递服务。因为不同类型的网络有不同的MAC、高层移动性管理协议，所以有必要在二层协议和三层协议之间开发一套与媒质无关的切换技术来提供异构网络切换服务。我们使用的是基于IEEE 802.21的媒介独立切换功能模块（MIHF）[16]。这种根据3G、WiMAX、无线保真(Wi-Fi)等协议建立的异构网络融合技术极具发展前景，其中不同种类网络下的接入网络发现和选择、切换发起及功耗优化等方面的性能都在MIHF模块的协助下完成。采用MIHF模块后，车辆在移动过程中的不同宽带无线接入网络间切换时延和切换丢包率能够大幅改善，整个系统的网络架构层次和模块模型如图4所示。

2.3 通信外场测试平台
    车载移动异构无线网络通信外场测试平台，在实验室已有的车载网络系统仿真测试平台基础上，通过建立车路通信和车车通信这两种不同场景下的外场测试方案，可以实现基于IEEE 802.16j移动WiMAX的车载宽带接入网络不同业务传输和基于IEEE 802.11p WAVE的车辆自组织网络通信，并在此基础上对其性能进行分析。本实验室的车载网络测试外场位于同济大学嘉定校区校园和曹安路口。如图5所示，本测试平台是通过车辆间安全信息高速传输，实现与智能交通信息中心的信息交互（如：路况指示），也实现与公网进行数字多媒体业务交互（如：互联网接入）。

3 新型车载移动通信网络的关键技术研究
    文章的主要目的是对新型车载移动通信网络进行一次全新的探索。从基于WAVE和WiMAX技术融合的角度对车辆通信网络的整体构架给出一种可行的解决方案，并使用跨层融合的设计准则和优化方法提高新型车辆通信网络的性能。下面将从多信道协调和调度、路由机制改进、群组切换和两级资源调度方面对新型车载移动通信网络的关键研究技术作简单介绍。

3.1 基于链路状态的分布式信道调度和信道自适应协调机制
    在多信道的研究中，文章采用了基于时隙间隔的信道协调机制和时分多址(TDMA)的信道接入机制，以确定协议的基本架构。在协议基础架构中一个同步间隔包含一个控制窗口和一个数据交换窗口，每个窗口进一步按时隙划分。控制窗口用来进行安全消息和控制消息的广播，数据交换窗口用来进行非安全信息的单播或区域广播，设计的VANET多信道MAC协议的框架如图6所示。基于交通密度的信道自适应协调机制主要是根据交通密度信息，动态调整控制窗口间隔和数据交换窗口间隔。并在已提出的协议框架基础上，研究采用分布式的多信道调度算法，在局部范围内从频率和时间的两维角度为节点分配最优资源；提高信道利用率和吞吐量；并在此基础上基于全网对算法性能进行分析。

3.2 基于相对位置的路由算法
    在目前的车载网络中，可以通过链路预测来获得节点间的相对位置，以此进行路由的选择。为了减轻数据链路层的负担，让目前的路由算法能独立于MAC进行，在研究中可选用全球定位系统(GPS)设备提供位置信息的方法。通过对行驶中的车辆节点进行移动预测和对现有的分簇算法进行改进，使用紧急消息广播机制，保证了车辆发生事故后，紧急消息快速稳定地发送。在这个基础上，设计基于移动预测的分簇广播路由算法就显得非常重要。同时，由于车载网络中车辆节点的高速移动，网络拓扑结构频繁变化，为了提高车载网络的服务质量，减轻节点在网络传输过程中频繁中断引起的延时，需要通过对节点的位置和速度、加速度信息进行预测，估计连接保持时间，在路由断裂前启动路由发现过程，保证数据传输的QoS。

3.3 基于移动中继技术的群组切换机制
    群组切换(GHO)是在移动车辆上的多个用户终端同时到下一个基站的切换，在切换过程中需要根据不同业务级别进行资源重新分配以保证业务的QoS；对于切换过程资源预留问题可以利用移动用户预测的技术来进行初步估计，以降低切换掉话率、减少切换时延。基于中继技术的群组切换研究内容包括：基于移动预测的群组切换过程设计、基于子信道重新分配策略的切换接纳控制策略、及速度自适应切换算法研究等。

3.4 基于中继的两级调度算法
    在车载网络引入中继技术后，宽带无线接入系统内将增加中继节点。基站和用户终端将通过中继站点进行信令的交互，而不是两者间的直接通信。由此在这种系统中，出现了分级调度的概念，主要是基站端的资源调度和中继节点端的资源调度，即采用了分布式调度机制。由于中继站点自身有很强的处理能力，包括具有部分的基站判决能力，能通过中继节点辅助基站对用户终端做出资源分配优化的相应判决，减轻对基站的负担，提高系统的吞吐量和数据传输速度。两级资源调度算法主要在“车辆－MRS节点－路边基站”三层结构下，根据网络环境变化而进行两级动态带宽资源分配(DBA)，提供频谱资源利用率，为不同类型的业务提供不同的服务质量保障。

4 结束语
    在国家“十一五”科学技术发展规划中指定的重大专项——“新一代宽带无线移动通信网”中，车辆自组织通信网络及宽带无线接入网络的融合将是其中重要的组成部分。新型车载网络可以提高城市智能交通系统服务水平，促进城市宽带无线信息系统建设，为无线城市发展和建设数字化网络城市提供有力的支持。针对此种情况，文章提出了基于WAVE的车辆自组织通信网络和基于WiMAX的车载宽带无线接入技术的混合式车载移动网络架构，并给出了新型车载移动网络的协议模块模型。在设计新型车载移动网络协议框架过程中，我们对车辆自组织通信中的多信道协调、调度、组播路由机制和车载宽带无线接入中的群组切换、多级资源调度分配机制等关键技术进行了理论研究分析。未来新型车载移动网络的系统设计中，高速移动场景下的通信业务QoS保证和在移动过程中异构网络覆盖下的快速无缝切换等一系列技术还有待于进一步的研究。

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收稿日期：2009-04-15

[摘要] 传统的车辆通信网络通常只是针对于公路计费等用途设计的封闭式通信网络，新近的发展使得车辆支持车间自主通信从而互通安全信息。但是由于在网络架构方面的缺陷，现有的系统只能对高速行驶中的车辆提供局部区域内的信息交互，无法实现车辆与智能交通控制中心进行实时数据服务和接入宽带无线网络。文章提出了基于车辆环境下无线接入(WAVE)（IEEE 802.11p）和全球微波接入互操作性（WiMAX）（IEEE 802.16e）融合的车载移动异构无线网络体系，建立了新型车载异构网络通信架构及体系模型，并分别对WAVE网络中的多信道自适应协调机制和分布式多信道调度算法和基于移动预测的路由及服务质量、WiMAX网络中的群组切换机制和两级资源调度等关键技术进行了研究和探讨。

[关键词] 车载网络；多信道调度；群组切换；资源分配

[Abstract] 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.

[Keywords] vehicular networks; multi-channel scheduling; group handover; resource allocation