面向高速公路的车载自组网体系结构设计研究

陈知千 沈一川

（1.上海网之易璀璨网络科技有限公司,上海 200232；2.同济大学建筑设计研究院〔集团〕有限公司,上海 200092；3.上海智慧交通安全驾驶工程技术研究中心,上海 200092）

车载自组织网络（Vehicular Ad-hoc Networks，VANET）是指由移动设备附着在车辆上形成的无线网络构成的自组织网络。车载自组织网络是移动自组织网络原理在车辆领域中的应用。在该网络中，车车、车路通信结构能够同时共存以提供道路安全、车辆导航等道路服务。以短程无线电技术或蜂窝网络、可见光通信等无线网络技术为基础。车载自组织网络可在某种程度上提高交通的安全性和高效性，在智能交通系统中有着举足轻重的地位[1]。车载自组织网络的典型应用有电子刹车灯、车辆编队、交通信息系统、道路交通紧急服务等。

随着互联网接入变得无处不在，用户对移动性的需求已经不仅仅局限于单一终端的接入，而提出了将聚集的移动节点作为互联网接入点的移动网络（network mobility，NEMO）协议[2]。移动网络节点（mobile network nodes，MNNs）是移动网络中的常规移动IP节点（MIP），移动网络节点通过移动路由（mobile router，MR）接入互联网。每个移动网络通常有一个移动路由，也可以根据需要拥有多个移动路由。移动路由在这些移动节点中起到切换的作用，保持节点始终与互联网相连接并且减少切换延迟[3]。移动网络可以很好地应用在移动车辆的环境中，并可以为车辆上的移动应用（mobile application，MA）提供网络连接，车辆上的车载单元（On board Unit，OBU）可以作为移动路由提供切换。载着乘客的一辆移动车辆上可能安置着各种设备，如用于向乘客提供信息的信息面板、汽车引擎的传感器、用于搜集信息的温度、压力、速度等嵌入式传感器等，这些设备构成了车载自组织网络。此外，乘客可以携带他们自己的个人无线设备和移动设备，随着乘客的上下车，这些设备将进入和退出车载自组织网络。

本文所设计的面向高速公路的自适应车载自组织网络体系结构（highway adaptive vehicle infrastructure，HAVIN）是一种通用于高速公路车载通信的多层移动网络的无线自组网络结构，它基于自组织网络（self-organizing network，SON）的模式，将车辆看作网络中的主要基础设施。HAVIN通过减少使用现有的无线设备、移动基础设施和蜂窝连接，来提供可扩展的网络连接，减少固定基础设施建设成本。

HAVIN将车辆看作移动网络中的移动网络节点，提供车辆分簇之间的缓存能力，减少车辆的部署成本，减缓车辆请求接入网络和拓扑变化的开支。此外，HAVIN通过动态创建车辆分簇形成稳定移动网络来提供可扩展的网络连接，将卡车或其他“表现良好”的车辆作为路由节点。通过共享“移动基础设施”元素的信息和预测拓扑变化，确保HAVIN移动网络节点在较长周期内保持一致移动的统一单位，并且当移动网络最小化时进行移交。当涉及分址、路由、负载均衡等问题时可以有效地对节点进行分簇管理。

1 面向高速公路的车载自组织网络体系结构设计

1.1 HAVIN交通拓扑结构设计

1.1.1 预定义的高速公路固定网格

预定义的高速公路固定网格是一种具体、实际的路网划分，指由实际道路提取的道路路段和节点要素所构成的地理信息数据集合，包括路段LINK和节点NODE两大类实体要素，以及描述转向关系的道路转向和交叉口渠化信息[4]。在对网格结构进行分析之后，只需要将预定义好的网格结构信息存入车辆节点的存储器中，并和车辆节点中已有的数字地图定位系统结合起来工作。

根据专用短程通信技术（dedicated short-range commun ication，DSRC）的最大通信距离300 m，设定矩形网格的对角线一半为300 m，则矩形的边长约为400 m，矩形网格有着全方位的覆盖区域，较之于有无覆盖区域的圆形划分有着较大的优势。网格与网格之间设有重叠区域，这个重叠区域用作网格与网格之间移动或固定节点沟通的一个渠道实现信息的转发，达到网格与网格之间车辆互相沟通的目的。重叠区域不能过大，过大会造成网格划分的冗余性，而此区域又不能过小，否则会造成区域内没有供两个网格进行沟通的节点，形成信息孤岛。基于对路网的网格化可以实现数据的规模化收集和处理，对规整化的网格交通进行模拟仿真和实时交通流的预测和计算。

1.1.2 基于分簇的移动网格

基于分簇的移动网格是依据车载自组织网络中簇的应用发展而来，为了与固定网格相结合与比较，把这种簇的形式定义成移动网格。网格的位置、大小、方向不会根据预定义的结构，而是根据车群的特性不断变化调整、动态组合而成的。在初始情况下，网格可以仅仅是一辆车形成的单车网格形式。随着此车发现与其通信的其他车辆的相似性或者目标的一致性后可以进行网格的融合，扩大网格的范围，形成网格簇或网格外包矩阵的形式。融合后的网格中也需设有领导节点、候选领导节点、路由节点。相较于网格融合，还有一个网格拆分过程，对产生分歧的车群进行网格的拆分。

车车通信的拓扑结构受制于各种交通规则和道路环境。在传统的高速公路上，向相同方向的行驶车辆有着相对一致的移动性，因此有超过30 s（假设相对速度为100 km/h，广播范围为500 m）的连接时间周期，这段时间可以有效地保证与邻居车辆之间形成网格的稳定性。

1.1.3 分布式的计算型网格

分布式的计算型网格即从网格计算引申而来，传统的网格是指一种分布式系统和架构。在智慧交通环境下，交通信息分布式的计算型网格是指通过高速互联网络把动态的车辆、交通数据采集设备、计算资源、海量存储器、异构数据库、知识资源等组成虚拟统一的交通信息计算环境，提供一种高性能计算、资源协同管理及应用服务的能力，可以对采集海量动态数据分布存储并进行整合，以便做实时路况判断；可以实现城市各种信息资源高速传送以及互操作，以便进行交通决策；可以通过高性能计算进行交通仿真和预测；可以使各个交通职能和实施部门以及网点协同配合；可以使用整个城市信息网来发布交通服务从而实现城市各种交通信息的高速传送以及互操作，解决了传统智能交通系统（ITS）在资源共享、实时存储和计算能力等方面的缺陷。

本研究提出道路交通通信网络拓扑结构（见图1），第一层是道路骨架层，由路段信息、节段信息、车道信息和节点信息组成；第二层是基础设施层，由交通安全指示设施信息、服务监管设施信息和其他设施信息组成；第三层是运动个体层，由机动车信息、非机动车信息和行人信息组成。贯穿在这三层架构之间的是交通环境信息，由交通流信息、自然信息、交通事件信息组成，这些信息通过各节点之间互相传递和通信。这就是所谓的层级拓扑架构管理多节点模式，中央处理机实时获取区域内接入物联网内的所有对象信息，协调路边设备和车载设备进行协调和分布计算、分析和汇总，宏观调度区域内相关节点的行为，保证区域内各节点之间的协调。

图1 道路交通通信网络拓扑结构

HAVIN可以对道路交通数据进行分布式采集，并通过簇首的初级信息融合和信息转发，将交通信息通过路边基站汇集到交通管理中心，为区域交通状态的预测及动态控制和诱导提供数据支持。同时，控制信息将通过反向链路下达至信号灯与无线交通信息提示牌，实现动态交通控制；交通诱导信息可以直接发送到具体的车辆，完成个性化诱导服务，及时调整交通流的分配，减少拥堵，提高道路通行能力。此外，智能车路协同系统（Intelligent Vehicle Infrastructure Cooperative System，IVICS）还将实现交通安全信息的定向、定区域广播，在驾驶员接近危险区域前进行警示，提高车辆的主动安全性[5]。

在HAVIN中，每个载有无线射频设备的车辆节点都会将自己的位置、速度、状态、形式方向、加速度、与前车距离等信息实时向路边基站发送，实现交通管理中心对路况的在线监测，在VANET中进行数据压缩与融合存在以下必要性。

（1）分布式实施交通信息采集的目的是使上层的交通管理中心获得交通网络或者网络局部的交通运行状况，对其进行分析从而得到在线的交通管理方案。因此，系统关注更多的是一个地区内的交通状态，而不是车辆个体的行驶情况。交通管理中心没有必要采集那么多的个体信息。

（2）在交通中，通常处于同一路段行驶，或者在同一拨车流中的车辆会拥有相似的行驶行为。例如，长时间持续着相似的速度，保持着相同的距离，或是一起经过一连串的交通信号灯。因此，在这些车辆发出的交通信息中，会存在大量的冗余信息，占用了大量的通信带宽。

（3）在层次化的分簇VANET中，道路或者车流被分为了一个又一个的簇，并且这些组成簇的车辆节点往往有比较大的相似性。因此，在簇首做交通信息的初步融合正好可以得到该簇所在小区域内的基本交通状态。

车辆节点在向上层设施发送实时交通信息时，将首先通过簇首节点对分布式数据进行初级信息融合，提取出有效的交通状态，实现冗余数据的过滤和高度压缩。对于设计高性能的数据融合和交通状态提取算法，来降低整个网络的通信负载，提高网络的可靠性、鲁棒性，具体有以下内容。

（1）分布式交通数据集合的确定：簇首节点通过融合簇内成员采集到的局部交通参数，提取出当前路段区域的交通状态；首先需要确定簇成员需要采集哪些交通数据，才能满足交通状态提取的最小需求。采集参数种类过少，信息量不足，簇首成员将无法复现路段交通状态；采集参数种类过多，车辆节点的成本将增加，并且增大信息冗余度，浪费无线带宽资源。

（2）交通数据的初级融合：在簇首得到了簇内成员当前时刻的局部交通数据后，利用车辆轨迹重构、交通状态模型，并结合时间序列处理算法，充分考虑当前簇一段历史时间内的交通状态历史信息，提取出路段当前时刻的交通状态。

1.2 HAVIN的VANET模型

对VANET模型而言，一方面，固定服务提供商是已存在的互联网接入提供商，通过接入网络作为接入提供商来控制基站和提供互联网接入；另一方面，自适应的服务提供商是一种基于SON模式的新的服务商类型。自适应的服务提供商用以管理车载自组织网络中移动的基础设施，如卡车及车辆，家庭代理以及各种固定网络中的服务器。它将它的服务提供给车载自组织网络中的发布者，同时利用固定服务提供商来接入互联网以形成固定的网络，一辆车可以通过接入基站的固定服务提供商来访问互联网，也可以通过部署基于NEMO基础设施的自适应服务提供商来访问网络[6]。

假设普通车辆和卡车都拥有车车通信、车辆与基础设施通信的能力，称其拥有V2I和V2V的通信能力，各自通信范围为1 000 m和250 m，当作为移动路由时只要打开天线，车内的应用单元需要通过NAT连接到网络，这样可以保证一个车辆中的多个应用单元可以使用一个外部的IP地址（车辆IP地址），同时减少使用嵌套NEMO的费用。

HAVIN的设计思想来源于以下三种场景。

场景一：基于固定基础设施的存在，网络由一系列动态分簇的车辆组成；

场景二：有固定的蜂窝基站存在，它们已经部署于道路上，并且几乎覆盖满整个道路；

场景三：在高速公路或城市道路中存在的营运或货运车辆，由服务提供商控制，拥有比其他普通车辆较高的处理能力、较强的安全性以及更大的带宽，作为网络中的移动基础设施。

基于以上场景，对所设计的HAVIN进行详细描述。HAVIN架构由自适应的组成相对移动性较低的簇的车辆组成，每一个簇有一个簇首节点，所有的簇组成了移动网络，每一个移动网络有一个路由节点。HAVIN架构包括一个固定服务提供商和一个自适应服务提供商，固定服务提供商由家庭代理和其他多个服务器组成，而自适应的服务提供商由家庭代理、验证服务器和其他管理服务器组成。一方面，自适应服务商用以管理车载自组织网络里具有良好性能的车辆以及固定网络内的服务器；另一方面，固定服务商可以确保在固定网络中使用家庭代理来进行路由节点无缝转移时车辆的进程连续性。自适应服务商为位于车辆网络中的发布者提供服务，而这之中需要使用到的互联网连接由固定服务商提供。

1.3 HAVIN体系结构协议栈设计

HAVIN架构结合了NEMO和多跳VANET的概念，致力于提供非安全车辆应用的通信场景，如需要IPv6网络和地理VANET路由，因此设计出如下HAVIN架构的协议栈。

（1）应用层基于TCP/IP协议；

（2）IPv6位于VANET层（用于车辆间通信）或位于5G/6G层（用于基站间通信）上层；

（3）VANET层为IPv6的子IP层；

（4）VANET层ID作为车载区域的子IP地址，在车载自组织网络中提供可获得性；

（5）VANET层是基于802.11协议并且可以根据需要运行其他无线技术。

1.4 HAVIN体系结构组件

HAVIN体系结构由移动路由节点、簇首节点、候选簇首节点、簇成员节点四个组件组成，在车载自组织网络中分别起到以下作用。

移动路由节点（MR）：移动路由节点是一个稳定移动的结构，通常由自适应的服务提供商控制，作为自适应服务提供商用户的移动网关。移动路由节点接入互联网并通过固定服务提供商（基站）连接到自适应服务提供商的网络。移动路由节点是VANET网络与互联网之间的筛选组件，用以处理IP报文的封装与解封。然而，移动路由节点与固定服务提供商之间的链路容量有限且价格昂贵，因此，移动路由节点尝试在车载自组织网络层面进行操作，只在有重要通信时使用移动路由节点与固定服务提供商之间的链路通信，出于此目的，移动路由节点通常应该具有较高的容量、电量、比其他普通车辆有更高的通信范围等特性。在网络中有多个移动路由节点存在，每一个移动路由节点向相关的移动节点NEMO提供网络连接，移动路由节点是整个架构的核心结构，对安全、性能、移动性管理有着较大的影响。

簇首节点（CH）：簇首节点与其周围车辆节点有着良好的链路连接，可以为其他车辆加入簇进行决策，可以尝试维护簇成员的连接性。簇首节点会根据网络拓扑、相对速度、网络拥堵情况而随着时间变化。簇首负责簇内成员，就如同移动路由节点负责NEMO节点成员，但是簇首节点并不是接入互联网的网关节点，且并不拥有良好的容量以及较大的范围。簇首节点依赖于移动路由节点来接入互联网，但是比起普通车辆来说拥有更大的责任并且可以在短时间内临时担任移动路由节点的角色。

候选簇首节点（CCH）：由于在高速公路上，车辆节点有着高速动态性，往往簇首节点并不能保持长时间有着良好的链路连接，当簇首节点网络断开或是不再适合成为簇首节点的时候，就需要新的节点去代替原来的簇首节点，该节点被当作候选簇首节点。

簇内成员节点（CM）：簇内成员节点CM是经过相关簇首节点同意之后加入簇的车辆节点，它用以转发其他簇内成员节点的信息并且维护邻居节点列表，它依赖于移动路由节点接入互联网，且依赖于簇首节点CH以及其他成员节点进行数据包的转发。

图2显示了HAVIN体系结构中所有的组件以及之间的交互关系。

图2 HAVIN体系结构组件交互图

1.5 HAVIN的寻址及路由

在HAVIN中的每一个车辆拥有车载单元并且可以连接到互联网。当车辆初始化请求连接到一个自适应服务商网络之前，它的车载单元拥有一个由车辆制造商或自适应服务商指派的MAC地址。与此同时，自适应服务商固定网络拥有一个注册机构（Registration Authority，RA）用以对加入网络的车辆进行身份验证，出于此目的，车辆会预先装载入有公有/私有密钥对、一个VANET层ID、一个由RA颁布与此ID相关的公钥证书、RA的IP地址和公钥。此外，出于地址隐私的目的，一个车辆或许预先装载有多个VANET层ID以及相关证书[7]。

对于所有车辆而言，VANET层提供地理上的路由并且能够不适用IPv6层来传输及转发IPv6数据包，VANET层基于源节点、目标节点、中间节点提供了单播及多播数据包的路由。最为简单的单播路由实例为基于地理位置的路由，即通过贪婪转发方式，包括位置服务信号来解析目标位置以及通过多跳路由数据包，选择最近一跳邻居节点来到达目标节点。例如，Geocasting算法是基于单播贪婪转发算法的修改版本，其中目标地址不再是一个单一的地理位置，而是一个地理区域。

HAVIN体系结构的IP数据包投递包括以下实体与步骤：

（1）IP起始节点：运行应用程序并发送有合适IPv6头的数据包。

（2）VANET源节点：添加具有合适地址和标识的VANET和IEEE802.11首部。源节点使用目标IPv6地址生成一个IPv6数据包，用带有IP下一跳VANET ID的VANET层首部进行封装，同时用带有VANET邻居IEEE802.11MAC地址的802.11首部进行封装。

（3）选择VANET邻居：VANET邻居是指可以通过无线连接直接进行通信的节点。使用地理路由协议，VANET起始节点选择离目标节点最近的VANET邻居，并将数据包转发给它。邻居是由IEEE802.11帧中的目标MAC地址分配的。

（4）选择IP下一跳：对于VANET层来说，IP下一跳为目标节点。在IP下一跳之前的所有中间节点仅仅检查报文的VANET层首部，而忽略IP首部，只有当报文到达IP下一跳时，才咨询IP首部来做转发决策。选择IP下一跳包括如下过程。

如果目标节点可以通过VANET转发到达，则IP地址下一跳为目标节点本身；

如果不是，IP下一跳为路由节点MR；

IPv6首部被封装在VANET首部中，IP下一跳由VANET首部中的目标VANET标识所分配。

（5）目标节点：IP数据包最终被发送到的节点为目标节点，由IPv6首部的目标IPv6地址分配。

2 结语

本文提出了一种适用于高速公路的车载自组织网络体系结构，首先对整个HAVIN进行了综合阐述，主要包括HAVIN的设计目标及相关应用通信场景，以及安全性应用与非安全性应用的描述。其次对HAVIN进行了详细的描述，将整个HAVIN分为三个主要层次：（1）预定义的高速公路固定网格；（2）基于分簇的移动网格；（3）分布式的计算型网格，构成了一个以网格为基本结构的完整智能交通系统。最后基于该物理架构，提出了HAVIN的网络结构，包括对VANET模型的解释，对各类车辆节点协议栈的设计，基本的组件以及寻址及路由机制，研究成果为智慧高速公路仿真试验提供理论依据。