朱燕民　李明祿　倪明選

摘要:隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展和車輛在日常生活中的不斷普及,車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)作為新一代的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)越來越被重視。文章基于無線車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念和體系結(jié)構(gòu),討論了車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要區(qū)別,以及由此引入的各種設(shè)計上的挑戰(zhàn)。對車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù),包括媒體訪問控制(MAC)協(xié)議、路由協(xié)議和移動模型,文章進行了研討,并介紹了世界上已建立的車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)試驗床。文章還介紹了行車安全、城市監(jiān)控、路況監(jiān)測、交通流量監(jiān)測等幾種典型的車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:車輛傳感器網(wǎng)絡(luò);媒體訪問控制協(xié)議;路由算法;移動模型;典型應(yīng)用

Abstract: With the rapid development of wireless communication technology and the widespread adoption of vehicles in daily life, Vehicular Sensor Network (VSN) technology, as a new paradigm of computer networking, has attracted increasing attention from both industry and academy. Based on the basic concepts of VSN and its architecture, this paper discusses the key differences between VSNs and traditional Wireless Sensor Networks (WSNs). It also introduces a variety of design challenges. In addition, the paper presents several existing studies for key enabling technologies, such as MAC protocol, routing algorithm and mobility model. Two prototypes of VSNs are then briefly described. Finally, several typical applications including driving safety, urban monitoring, road surface monitoring, and traffic monitoring are introduced.

Key words: vehicular sensor networks; medium access control protocol; routing algorithm; mobility model; typical applications

隨著無線通信技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展,開車在日常生活中不斷普及。車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)(VSN)作為新一代的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,人們的生活水平不斷提高,汽車已成為日常生活中非常重要的一部分。在汽車內(nèi)安裝傳感器設(shè)備,汽車能夠感知行駛途中的各種信息,大量的車輛傳感器節(jié)點通過無線通信的方式相互連接,組成了無線車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)。

通過車載傳感器設(shè)備,車輛節(jié)點能夠感知兩大類的信息:車輛內(nèi)和車輛外的信息。車輛內(nèi)的信息包括車輛運行的內(nèi)在狀態(tài)、汽車的位置、速度等;車輛外的信息主要是環(huán)境信息,包括溫度、濕度、大氣指數(shù),以及行駛路途中的信息包括交通流量、路面狀況等。除了傳感器設(shè)備外,駕駛員其實也是一種高智能的“傳感器”,通過對所見所聞,能感知復(fù)雜事件,如檢測交通事故、行車危險等重要的事件。每個車輛傳感器節(jié)點感知不同區(qū)域、不同時刻的數(shù)據(jù),這些感知數(shù)據(jù)能為大量的應(yīng)用提供寶貴的數(shù)據(jù)支持。車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)具有廣闊的應(yīng)用背景,典型的應(yīng)用包括行車安全[1]、交通流量管理[2]和城市監(jiān)測[3]等。

作為一種特殊的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自己的獨特性,這決定了許多傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的解決方案不能適用于車輛傳感器網(wǎng)絡(luò),需要開展新的研究,進行新的優(yōu)化設(shè)計。

本文綜述車輛傳感器網(wǎng)絡(luò),比較討論車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征,討論由其帶來的設(shè)計上的挑戰(zhàn),最后介紹車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵技術(shù)的研究進展以及幾種典型的應(yīng)用。

1 車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

如圖1所示,車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)由移動車輛節(jié)點與固定的路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施組成。通過車載無線通信設(shè)備,車輛節(jié)點具有無線通信能力。當兩個車輛節(jié)點處于無線通信范圍內(nèi)時,能夠建立通信鏈路實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。同時,路側(cè)固定的基礎(chǔ)設(shè)施也部署無線通信設(shè)備,在車輛經(jīng)過時能同路側(cè)的無線通信設(shè)備實現(xiàn)相互通信。路側(cè)的基礎(chǔ)設(shè)施通常連接Internet,所以車輛通過與路側(cè)設(shè)施的連接,能夠?qū)崿F(xiàn)在移動中連接Internet。

在無線車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)中,無線通信技術(shù)占有重要的地位,決定了車輛節(jié)點的通信方式與通信能力。無線通信技術(shù)的快速發(fā)展,為車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線通信提供了多種技術(shù)選擇,包括已在無線局域網(wǎng)中廣泛使用的Wi-Fi技術(shù),還有美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)制訂的專用短程通信標準(DSRC)。DSRC工作在5.9 GHz波段,擁有約75 MHz的帶寬,專用于車輛與車輛、車輛與路側(cè)的無線通信。

在單個車輛內(nèi),可根據(jù)應(yīng)用的需要集成多種傳感器設(shè)備,感知不同種類的環(huán)境數(shù)據(jù)。典型的感知設(shè)備包括全球定位系統(tǒng)接收終端,能夠?qū)崟r地獲取車輛所處的地理位置與行駛速度信息;加速傳感器能夠提供車輛瞬時的加速度信息;視頻攝像機能夠拍攝車輛附近的視頻畫面與圖像信息;環(huán)境傳感器能夠感知環(huán)境指標信息,如溫濕度、一氧化碳含量等。其他的傳感器還有車輛內(nèi)狀態(tài)傳感器,提供發(fā)動機溫度、剩余油量等信息。佩戴在駕駛員身上的生物傳感器,能夠提供駕駛員生理狀態(tài)等信息。

車輛傳感器節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。車輛傳感器節(jié)點由車輛的供電系統(tǒng)提供電力,節(jié)點的核心是嵌入式處理器,通過總線與外設(shè)接口,連接各種感知器件。無線通信模塊實現(xiàn)節(jié)點同其他車輛節(jié)點,或路側(cè)設(shè)施的無線通信能力。車載的存儲設(shè)備為車輛節(jié)點提供本地數(shù)據(jù)儲存手段。

傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可運用于單個車輛節(jié)點內(nèi),將多個小傳感器節(jié)點分布于車輛的不同部位,感知不同的數(shù)據(jù),通過小規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),將感知數(shù)據(jù)集中到車輛網(wǎng)關(guān)節(jié)點。

2 車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征與面對的挑戰(zhàn)

車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之上,利用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究成果,同時卻又展示了自身的獨特性,使得僅靠無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)有技術(shù),無法完全解決車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的新挑戰(zhàn)。同無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比較,車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)具有明顯的新的特征。

(1)車輛傳感器節(jié)點具有更充裕的資源

嵌入式的處理節(jié)點具有更強的計算能力,車載的存儲設(shè)備提供了較大的存儲能力。更重要的是,整個節(jié)點系統(tǒng)有持續(xù)的電力供應(yīng),而不像傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中那樣,節(jié)點僅僅靠電池的有限電力供電。這說明能源有效性不是車輛無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究重點,而其他方面,如傳輸時延、系統(tǒng)吞吐率,成為系統(tǒng)設(shè)計中更重要的性能指標。

(2)車輛節(jié)點具有很高的移動性

車輛傳感器節(jié)點的高速移動特性決定了車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)會快速變化,兩個節(jié)點間的通信時間很短暫。而傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點一般都是靜態(tài)的,網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性。

(3)車輛節(jié)點的移動具有局限性

車輛節(jié)點只能在路網(wǎng)上行駛,而不具有任意的移動能力,因而車輛的運動具有一定程度的可預(yù)知性。

(4)車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點分布非常不均勻

車輛節(jié)點的分布狀況收多個因素的影響,包括道路網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)、地理位置、駕駛員的駕駛習慣等。由于節(jié)點分布的不均勻,網(wǎng)絡(luò)的連通狀況差異很大,在節(jié)點分布稀疏的地方,節(jié)點可能不存在直接的鄰居。

(5)車輛節(jié)點的感知數(shù)據(jù)取決于車輛的移動軌跡

車輛傳感器節(jié)點在車輛行駛過程中感知數(shù)據(jù),采集得到的數(shù)據(jù)與行駛軌跡密切相關(guān)。而車輛的主用目的是交通,而不是感知數(shù)據(jù),因而一般不會主動改變車輛行駛路線來達到特定的數(shù)據(jù)感知目的。

(6)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)?？赡芊浅５拇?/p>

車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的最大規(guī)?？梢赃_到所有具備無線通信能力的車輛,因而系統(tǒng)的可擴展性是車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)必須解決的問題之一。

與車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的密切相關(guān)的一個概念是車輛自組織網(wǎng)絡(luò)[4],車輛自組織網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)。車輛自組織網(wǎng)絡(luò)是一種特殊類型的移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)(MANET),而與一般的MANET相比,車輛自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有更高的節(jié)點移動性。一般來說,MANET具有良好的網(wǎng)絡(luò)連通性,而車輛自組織網(wǎng)絡(luò)對連通性要求更低。給定一對節(jié)點,車輛自組織網(wǎng)絡(luò)中可能不存在一條連通的通信路徑,這使得傳統(tǒng)的MANET路由協(xié)議在車輛自組織網(wǎng)絡(luò)中失效。MANET是無基礎(chǔ)設(shè)施的一類網(wǎng)絡(luò),而車輛自組織網(wǎng)絡(luò)是一種混合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),可以利用路側(cè)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施,實現(xiàn)更好的系統(tǒng)性能。

3 車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 MAC技術(shù)

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及MANET中,已有多種不同的媒體訪問控制(MAC)協(xié)議,如SMAC[5]等。而車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性對MAC協(xié)議提出了新的要求。在車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)中,MAC的設(shè)計可以分為兩大類:一類的設(shè)計場景是車輛與路側(cè)的無線通信,另一類是車輛與車輛間的無線通信。

IEEE 802.11協(xié)議常被用于車輛與路側(cè)訪問點的通信,然而實驗發(fā)現(xiàn),IEEE 802.11協(xié)議需要13 s的時間來建立車輛與路側(cè)訪問點的連接[6]。而由于高速移動性,汽車在某個訪問點的通信范圍內(nèi)的時間很短。這也就意味著在車輛與路側(cè)訪問點之間可能還未建立連接,車輛已駛離訪問點,失去了通信的機會。文獻[7]對該問題進行了深入的研究,通過在美國波士頓地區(qū)的大量實驗發(fā)現(xiàn),車輛與接入點(AP)間相遇的時間很短暫,99%的相遇持續(xù)時間少于250 s,平均值是10 s,而中間值更只有4 s。通過深入的分析,發(fā)現(xiàn)Wi-Fi產(chǎn)品之所以需要如此長的時間來建立連接,是因為客戶端用較長的時間來掃描發(fā)現(xiàn)訪問點,然后通過用戶指定與選定的訪問點建立相關(guān)聯(lián)系。文章提出了QuickWi-Fi的方法來加速連接的建立?？蛻舳俗詣优c第一個掃描發(fā)現(xiàn)的AP建立相關(guān)聯(lián)系,如果失敗,再嘗試第二個。在認證、關(guān)聯(lián)、動態(tài)IP地址獲取(DHCP)以及地址解析(ARP)等階段,經(jīng)常需要利用超時機制進行重試。QuickWi-Fi將重試的超時從幾秒鐘減小到幾百毫秒,大大縮短了連接建立的時間。

在車輛與車輛通信的場景里面,MAC協(xié)議往往需要根據(jù)應(yīng)用需求進行針對性的設(shè)計。例如,在文獻[8]中,應(yīng)用場景是緊急事件消息的分發(fā),在這樣的應(yīng)用中,事件消息的發(fā)送應(yīng)被賦予極高的優(yōu)先等級,盡早發(fā)送出去,否則其他車輛可能因為沒有及時收到警告消息,而發(fā)生車禍。文章提出利用一個控制信道的方法,克服隱藏終端問題,實現(xiàn)緊急消息的可靠傳輸。

3.2 路由技術(shù)

根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸模式的不同,路由協(xié)議可以分成單播、多播和廣播等三大類。在單播路由中,一個數(shù)據(jù)包只發(fā)送到一個目的地;在多播路由中,數(shù)據(jù)包發(fā)送給多個目的節(jié)點;而在廣播路由中,數(shù)據(jù)包發(fā)送給所有的節(jié)點。不同的路由類型,適用于不同的應(yīng)用場景。比如,在緊急事件廣播中,需要把緊急的消息發(fā)送給所有節(jié)點,這時廣播路由就非常有效。

由于車輛節(jié)點的高速移動性以及車輛網(wǎng)絡(luò)的不連通性,決定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與MANET的路由協(xié)議不適用于車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)。延遲容忍網(wǎng)絡(luò)(DTN)[9]是處理不連通網(wǎng)絡(luò)的一種有效方法,因而車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)可以借鑒其中的一些關(guān)鍵技術(shù)。它的核心思想是存儲-轉(zhuǎn)發(fā)策略,即在沒有下一跳可以轉(zhuǎn)發(fā)的情況下,暫時把數(shù)據(jù)存儲起來,隨節(jié)點移動。在轉(zhuǎn)發(fā)機會出現(xiàn)的時候,再把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳節(jié)點。

基于存儲-轉(zhuǎn)發(fā)的思想,文獻[10]提出了一種新的路由協(xié)議(稱為VDD),利用車輛的移動性來幫助數(shù)據(jù)發(fā)送。根據(jù)交通流量的固定模式以及路網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu),車輛的運動具有一定程度的可預(yù)測性。VDD利用路段上車流量情況,選擇一條延遲最短的路徑,作為下一跳的轉(zhuǎn)發(fā)目標。

文獻[11]提出的路由算法有動態(tài)發(fā)現(xiàn)目標的能力,在發(fā)送數(shù)據(jù)之前,源節(jié)點通過廣播的方法,查找目的節(jié)點。在目的節(jié)點回復(fù)給源節(jié)點的過程中,選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂健Ｅc一般的路由算法不同,選出的路徑由若干個物理位置所確定。在數(shù)據(jù)傳輸過程中,數(shù)據(jù)包沿著給定的物理位置傳送到目的節(jié)點。

3.3 車輛運動模型

節(jié)點的運動影響網(wǎng)絡(luò)的整體性能,因而必須對節(jié)點的運動規(guī)律進行深入研究。特別是在對系統(tǒng)進行仿真評估的過程中,節(jié)點的運動模式直接影響了性能評估的準確性。在理想狀況下,使用真實的車輛運動數(shù)據(jù),能得到最真實的實驗結(jié)構(gòu)。然而,真實的車輛運動數(shù)據(jù)不容易取得,或者需要付出比較高的代價,因而需要研究車輛運動模型。利用貼近現(xiàn)實世界的運動模型,人工生成車輛運動數(shù)據(jù),提高仿真結(jié)果的可靠性。

在MANET研究中,經(jīng)常假設(shè)節(jié)點的運動服從簡化的運動模型,如Random Walk(RW)、Randon Way Point (RWP)[12]等模型。在RW模型中,節(jié)點隨機選擇一個方向與速度,移動一段距離(或者一定的時間)后,再重新選擇方向與速度。

簡化的運動模型未能考慮道路的拓撲結(jié)構(gòu)、交通流量等實際因素,不能刻畫車輛運動的規(guī)律?；诤喕Ｐ瓦M行的設(shè)計或性能仿真,結(jié)果是不可靠的。

文獻[13]將現(xiàn)有的車輛運動模型分成四大類,即理論模型、基于交通流量模擬器的模型、基于調(diào)查的模型和基于跟蹤數(shù)據(jù)的模型。利用車載的GPS接收器,可以記錄車輛的運動軌跡。圖3顯示了上海的道路分布圖,以及某輛出租車在上海市內(nèi)一天的運動軌跡?；诟檾?shù)據(jù)的模型從大量的跟蹤數(shù)據(jù)中抽取車輛運動的特征,并利用這些特征,來重新生成貼近現(xiàn)實世界的車輛運動數(shù)據(jù)。為了得到真實的運動模型,需要考慮多個因素,主要包括移動限制條件和流量產(chǎn)生器。移動限制描述了車輛運動的自由程度,如在城市內(nèi)的車輛必須行駛在道路上。流量產(chǎn)生器生成車輛,處理車輛與車輛、車輛與環(huán)境的交互,決定車輛的運動速度等。

3.4 試驗床

試驗床是進行車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重要手段,世界上已經(jīng)建立起多個車輛網(wǎng)絡(luò)的試驗床。美國的馬薩諸塞大學建立了UMass DieselNet[14],系統(tǒng)由40輛公交車組成,每輛公交車上配備一套HaCom Open Brick嵌入式計算機,256M內(nèi)存,40G硬盤,運行Linux操作系統(tǒng)。GPS接收終端提供實時的定位服務(wù)。每輛公交車上有3種無線通信設(shè)備,分布式Wi-Fi AP、Wi-Fi網(wǎng)卡和MaxStream XTend 900 MHz的無線電。DieselNet是混合型的網(wǎng)絡(luò),除了公交車節(jié)點外,網(wǎng)絡(luò)中還包括安裝在路邊的Throwboxes,用于提高網(wǎng)絡(luò)的連通性。

在歐洲,德國的Fleetnet項目[15]由6家公司和3個大學共同發(fā)起,2000年9月啟動。試驗床由10輛小汽車和路邊的基站組成,車輛裝備有攝像頭、導(dǎo)航系統(tǒng)和液晶接觸式顯示屏。嵌入式計算機通過控制器局部網(wǎng)(CAN)總線與車內(nèi)的電子設(shè)備實現(xiàn)連接。FleetNet利用車輛間多跳無線通信,研究實現(xiàn)多種免費的應(yīng)用服務(wù),包括緊急事件通知、障礙物警告、交通擁堵監(jiān)測和因特網(wǎng)接入等。

4 車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用

車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)有廣闊的應(yīng)用舞臺,典型的應(yīng)用包括行車安全、城市監(jiān)測、路況監(jiān)測、交通流量監(jiān)測等。在文獻[1]中,應(yīng)用的場景是:車輛節(jié)點在發(fā)現(xiàn)緊急狀況時,通過DSRC無線通信技術(shù),將緊急狀況告知其他車輛,以防止碰撞的發(fā)生。文獻[3]提出通過車載傳感器,車輛節(jié)點拍攝途經(jīng)路上發(fā)生的事件、識別車牌號碼等信息。由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模巨大,不適合用集中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點來收集數(shù)據(jù)。他們提出車輛節(jié)點僅發(fā)送簡單的摘要信息,而通過移動的數(shù)據(jù)收集節(jié)點(如警車),選擇性地收集所需數(shù)據(jù)。在文獻[16]中,車輛節(jié)點通過三維的加速傳感器,檢測路面的損毀狀況。利用廣泛的分布性,和車輛節(jié)點大范圍的移動性,車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠很好地檢測路面破損情況。通過GPS接收終端,車輛節(jié)點能夠感知地理位置信息與速度信息,通過收集相關(guān)路段在某個時刻的車輛感知數(shù)據(jù),能夠計算得出相應(yīng)的交通流量狀況。

5 結(jié)束語

不同于傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)有其自身的特性,體現(xiàn)在節(jié)點的高速移動性、網(wǎng)絡(luò)的不連通性、系統(tǒng)的大規(guī)模性、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的混合性等方面,這些特性決定了傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的方法不適用于車輛傳感器網(wǎng)絡(luò),需要進行相應(yīng)的修正或重新設(shè)計。本文討論了車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與特點,介紹了若干關(guān)鍵技術(shù)和典型的應(yīng)用。車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究還處于較初步的階段,還有許多的問題,包括移動模型、路由方法等,需要進一步深入的研究。

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收稿日期:2009-07-16

朱燕民,上海交通大學計算機科學與工程系講師、博士,研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、車輛自組織網(wǎng)絡(luò)、分布式計算等。

李明祿,上海交通大學計算機科學與工程系教授、電子信息與電氣工程學院副院長,研究方向為網(wǎng)格計算、車輛自組織網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)計算等。

倪明選,上海交通大學計算機科學與工程系特聘教授、香港科技大學講座教授,研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、高性能計算、并行與分布式系統(tǒng)等。