车载移动异构无线网络架构及关键技术

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。

关键字:车载网络；多信道调度；群组切换；资源分配

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.

英文关键字:vehicular networks; multi-channel scheduling; group handover; resource allocation

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。