車載移動異構無線網(wǎng)絡架構及關鍵技術

摘要:傳統(tǒng)的車輛通信網(wǎng)絡通常只是針對于公路計費等用途設計的封閉式通信網(wǎng)絡，新近的發(fā)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(wǎng)絡架構方面的缺陷，現(xiàn)有的系統(tǒng)只能對高速行駛中的車輛提供局部區(qū)域內(nèi)的信息交互，無法實現(xiàn)車輛與智能交通控制中心進行實時數(shù)據(jù)服務和接入寬帶無線網(wǎng)絡。文章提出了基于車輛環(huán)境下無線接入(WAVE)（IEEE 802.11p）和全球微波接入互操作性（WiMAX）（IEEE 802.16e）融合的車載移動異構無線網(wǎng)絡體系，建立了新型車載異構網(wǎng)絡通信架構及體系模型，并分別對WAVE網(wǎng)絡中的多信道自適應協(xié)調(diào)機制和分布式多信道調(diào)度算法和基于移動預測的路由及服務質(zhì)量、WiMAX網(wǎng)絡中的群組切換機制和兩級資源調(diào)度等關鍵技術進行了研究和探討。

關鍵字:車載網(wǎng)絡；多信道調(diào)度；群組切換；資源分配

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

基金項目：國家高技術研究發(fā)展計劃（“863”計劃）資助項目（2007AA01Z239）；上海市科委重大科技攻關項目（No.07dz15006_2）

計算機技術、通信技術和微電子技術的迅速發(fā)展，以及三者之間的相互滲透和融合奠定了通信網(wǎng)絡技術的應用，推動了社會信息化的發(fā)展。近年來，車輛的爆發(fā)式增長和無處不在的信息需求也日益將通信網(wǎng)絡和車輛緊密結(jié)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(wǎng)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(wǎng)絡化方向的發(fā)展。

傳統(tǒng)的車輛通信網(wǎng)絡通常只是針對于公路計費等用途設計的封閉式通信網(wǎng)絡，新近的發(fā)展使得車輛網(wǎng)絡支持車間自主通信從而互通安全信息。由于在網(wǎng)絡架構方面的缺陷，現(xiàn)有的系統(tǒng)只能對高速行駛中的車輛提供局部區(qū)域內(nèi)的信息交互。新一代車載網(wǎng)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(yè)務、多媒體數(shù)字業(yè)務等。因此在新一代車載移動網(wǎng)絡中如何在保證車輛間安全信息互通的基礎上，實現(xiàn)車輛與智能交通控制中心進行實時數(shù)據(jù)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(nèi)用戶寬帶無線接入互聯(lián)網(wǎng)從而獲取多媒體娛樂、資訊信息等成為車載移動網(wǎng)絡研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(wǎng)絡融合式的車載移動網(wǎng)絡架構，主要是基于車輛環(huán)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(wǎng)絡通信的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

近幾年來，車輛通信網(wǎng)絡逐漸成為智能交通系統(tǒng)（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(tǒng)中，使其更加安全、智能和高效。車輛自組織網(wǎng)絡（VANET）可以實現(xiàn)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(xié)議作為上層協(xié)議，從而形成車輛無線通信的基本協(xié)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(fā)了多信道測試的無線Mesh網(wǎng)絡測試臺。UCLA教授G.Pau提出了車輛間特殊路由協(xié)議(PVRP)，搭建了系統(tǒng)測試平臺進行了驗證。密歇根大學郭錦華和向衛(wèi)東教授開發(fā)了基于5.9 GHz的WAVE系統(tǒng)信道測試平臺。

從車輛無線接入技術的角度，目前絕大多數(shù)的車輛移動通信網(wǎng)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(zhì)量（QoS）支持弱、無法對多媒體信息提供高質(zhì)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(wǎng)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(nèi)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(wǎng)絡。該思想從本質(zhì)上打破了IEEE 802.11一統(tǒng)車輛通信網(wǎng)絡的格局，為車輛通信網(wǎng)絡的發(fā)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(tǒng)近年來廣受市場關注，根據(jù)實際網(wǎng)絡規(guī)劃所得的結(jié)果，WiMAX基站在市區(qū)內(nèi)合理的覆蓋半徑大約為幾公里，可提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更廣的覆蓋范圍。為了解決車內(nèi)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(nèi)的群體用戶終端提供寬帶無線接入服務[6]。

現(xiàn)階段，車載移動網(wǎng)絡的研究熱點主要集中在基于WAVE協(xié)議（IEEE 802.11p）的車輛通信多信道協(xié)調(diào)應用、組播路由管理，以及基于WiMAX協(xié)議（IEEE 802.16）的固定中繼技術的切換、資源調(diào)度方面。

在基于WAVE協(xié)議的車輛與車輛之間自組織通信網(wǎng)絡中，整個車輛網(wǎng)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(wǎng)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(jié)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(yōu)于單信道的網(wǎng)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(shù)據(jù)交換間隔[8-9]。在控制間隔(CCH)所有節(jié)點跳到控制信道進行信道協(xié)商，在數(shù)據(jù)交換間隔(SCH)再跳到不同的信道進行數(shù)據(jù)傳輸。詳細架構如圖1所示。

WAVE協(xié)議中原有路由機制也不完全適合拓撲動態(tài)變化的車載通信網(wǎng)絡�；�于表驅(qū)動的先應式路由協(xié)議對于交通環(huán)境中事先不確定的節(jié)點無法協(xié)調(diào)，而拓撲結(jié)構的頻繁改變嚴重影響了協(xié)議的性能；基于源驅(qū)動的反應式路由協(xié)議是需要發(fā)送報文時才建立路由，一段時間后將過期。這些路由協(xié)議隨著通信跳數(shù)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(xiàn)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(jié)點傳遞到位于關聯(lián)區(qū)域（ZOR）內(nèi)的所有節(jié)點。針對組播路由機制，提出了簇的概念，它將車輛網(wǎng)絡組織成多個對等的單元（簇），從而提高移動環(huán)境下的可擴展性[12]。在VANET中采用分簇機制，簇內(nèi)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(qū)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(fā)各類緊急消息。未來將在車載網(wǎng)絡的安全應用中利用分簇組播的路由概念，簇頭作為協(xié)調(diào)者，一方面在簇內(nèi)實時采集和分發(fā)安全警告消息；另一方面將處理過的安全消息轉(zhuǎn)發(fā)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(huán)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(nèi)用戶終端和路邊基站之間引入車載MRS站點，以協(xié)調(diào)車內(nèi)用戶與基站之間的通信，基站和車內(nèi)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(tǒng)中，出現(xiàn)了分級調(diào)度和群組移動的概念�；�站和車內(nèi)用戶終端間通過MRS進行信息交互，并且MRS從服務基站、車內(nèi)用戶從車載中繼獲取分配的資源，即為兩級資源調(diào)度。同時，在引入MRS節(jié)點后對移動性管理提高了很多，中繼節(jié)點可以將來自車內(nèi)用戶終端的具有相似QoS需求的同類型業(yè)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(diào)度機制，提高了系統(tǒng)吞吐量，降低了業(yè)務的丟包率和延時時間。文獻[14]提出了多跳蜂窩網(wǎng)絡中繼輔助切換的技術，移動終端通過中繼節(jié)點進行信息的傳輸，利用這種技術保證了信道的QoS參數(shù)，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(nèi)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(xié)議可以在數(shù)百米的半徑范圍內(nèi)憑借每秒數(shù)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(tǒng)增益也可為車內(nèi)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(wǎng)絡融合的車載移動網(wǎng)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(shù)據(jù)傳輸?shù)能囕v移動通信網(wǎng)絡。