浅析车载自组织网络通信系统的设计与实现

王万停

（北方联创通信有限公司，江西 南昌 330096）

浅析车载自组织网络通信系统的设计与实现

王万停

（北方联创通信有限公司，江西 南昌 330096）

车载自组织是构成职能交通的重要组成部分，能够实现道路上的车辆之间、车辆与道路之间状况的互相通信。其通过车载自组织网络通信系统能够显著降低交通事故，为交通部分提供办案依据。文章主要对车载自组织网络通信系统的设计进行分析，并进一步探讨了车载应用系统实用化。

车载自组织；网络通讯系统；设计

在交通事故频发的今天，车载自组织网络通信的作用越加明显，车载自组织网络过程中产生的移动数据以及移动数据的处理作用越加重要。现有移动数据库的功能还不完善，大多机制和计算方法存在过多假设[1]，同时受到很大的限制，导致很多关键功能由于缺乏支持而无法运用。因此对移动数据库中的数据一致性进行研究有着重要作用。

1 车载自组织网络新需求

要对应用系统进行设计，首先需要了解车载自组织的网络需求。（1）功能性需求，社会的发展与进步使得汽车这一交通工具在人们生活中扮演着越来越重要的角色，然而交通事故、空气污染、交通拥塞等日益增加的社会问题严重干扰了人们的生活，因此要实现现代智能交通系统的运用，首先要解决上述问题来提高整体的交通运输效率[2]。一些城市为了提高交通效率，开始在路边固定乘车点设置无线网络、鼓励车辆安装无线车载电台，然而这一方法可实施范围小，同时实用性和普适性较差，难以推广。V2I通信系统是目前车载自组织网络的主要通信方式，由于所需投入的财力、人力、物力较大，造成了很大浪费。（2）数据可靠性与准确度，这是车载自组织网络通信系统的最基本要求，比如正在行驶车辆与路边乘客之间的通信，若路边乘客在向行驶车辆发送乘车请求时，数据包丢失或者出现失误，就会导致行驶车辆、乘客之间供求关系无法实现，因此在系统设计时需要选择适合的路由协议来实现数据准确性与传输的可靠性。（3）适应性，当系统出现数据包丢失、车辆节点通信失效、路由信息失效等情况时，系统必须能够自我辨认、自我修复从而应对特殊情况。（4）实时性。为了满足乘客与车主的要求，必须在短期内实现数据发送、数据接收、数据处理和数据更新存储等，以保证需求达成。（5）运行需求。系统要在车辆上搭载无线通信设备，在具备数据存储能力、处理能力的同时必须要能够在不同车辆之间使用。乘客需要具备特殊的无线通信设备，能够与250米内的行驶车辆进行通信。

2 系统设计

2.1 主模块

近年来关于车载自主网络信息与内容分发的研究较多，如Code Torrent，Caberne等项目，然而研究均是在路边设施信息运输方式的基础上进行，有着一定的制约性。首先从驾驶员角度看，信息传递的时延受到AP疏密情况的限制，当AP稀疏时，这种相遇机会就少，信息传递的质量就低，且AP安装需要大量的资金和有线连接资源，而在城市中这种浪费更加明显。

V2C模块是将路边停放车辆作为载体，以实现车载自组织网络信息发布与传递，安装无线传输设备在车辆上，这样即使车辆停放，穿越他们的行驶车辆也能够与他们进行通信。在城市中，停车场、路边停车道较多，这种大范围的停放就为信息的传递提供了更多机会和丰富的资源。停靠在路边的车辆形成线性簇结构，这种结构从逻辑上看更加适用于数据的传递与节点选择。这种合作式结构减少了不必要的信息冲突与信息传递，使得信息发布与传递的效率大大提高。车辆停放呈现出一定的规律性，研究发现车辆每天大约有95%的概率是停放状态，将路边或停车场停放的车辆作为路边单元，这样路边停放车辆与行驶车辆之间的通信就与车辆与AP的通信类似。与AP比较，停靠车辆的传输内容、信息传递速度均有着一定的缺陷，然而在城市中，分布率较高，因此C2V通信方式与AP通信方式明显不同，这对更有效地分发信息提出了更大挑战。

交通运输的主要目的是将人或货物运送到目的地，因此交通运输行业首要考虑的问题是保证运输安全和提高货物运送效率。近年来，GPS、车载传感器等车载无线通信网络被广泛使用，而与车载自组织网络相关的应用领域也不断涌现，如事故报告、安全预警等关注车辆安全驾驶等应用[3]。然而受到通信方式的限制，路边乘客无法与车辆进行有效通信，导致信息传递缺失，交通运输效率较低。为解决上述问题VAP模式营运而生。若路边乘客持有具备信息发送接收和储存功能、装有电子地图的车辆呼叫器，在通信网内发布“车辆呼叫”的需求信息，经V2P模块处理并扩散出去后，若有匹配需要的车辆，则该车辆可直接通过V2P反馈信息，最后经处理后发送给乘客，这样既能够满足乘客的具体要求，同时可合理利用有限的运输资源。

2.2 V2C和V2P模块的业务流程图

2.2.1 V2C模块

V2C模块开始后，首先路边停放车辆需要经一定方式形成线性的车辆停放簇结构，之后，行驶车辆驶入该路段后，二者之间实现信息分发与传递，通信方式为Line-to-one communication和 One-to-line communication。除了实现路边车辆与行驶车辆之间的信息传递，簇内部车辆之间也能够进行信息传递，传递方式为Internal communication。一旦簇结构失效或车辆离开，则通信结束。总之，路边停靠车辆在信息传递中主要是作为基础设施的作用，要解决好停放车辆与行驶车辆传输质量，就必须要保证传输信息的可靠与高效性。

2.2.2 V2P模块

V2P业务流程开始后，首先需要通过V2V和V2I完成车载自组织网络，之后需要将车辆地理位置信息和历史形成信息在网内扩散，进而查询是否匹配，当这一步骤完成后，乘客可经无线通信设备呼叫车辆，当车辆接收到信息后会主动查询匹配，查询成功后，车辆可将信息反馈给乘客，由乘客决定是否选择服务。

2.3 停放车辆与行驶车辆的通信模块

2.3.1 条件假设

与传统AP通信方式不同，行驶车辆与路边停放车辆的通信方式是不需要基础通信设施这一媒介的；当路边停靠车辆形成车簇的时候，行驶车辆经过各个停靠车辆，可以选择与合作车辆进行信息传递。为了对新技术使用时可能存在的问题进行避免与处理，进行3种假设：①假设停口车辆与行驶车辆上的无线传输通信设备均有一个小容量可充电式电池，为了简化能量讨论，假设安装的电池无重量、尺寸限制，不考虑电池使用时间和使用寿命的问题。②假设参与通信网络的车辆均配备电子地图、GPS，假设停靠车辆能够自身或者依靠行驶过的车辆来获得准确的时间与地理位置。③假设所有驾驶者无论是停放还是行驶都会与其他车辆分享信息与设备。

2.3.2 停放车辆线性停放簇的组成

有研究者对城市路边车辆的停放状况进行了为期6天的调查，结果显示，一天内车辆的平均行驶时间为（41.0±27.17）分钟，高峰期空地占有率为93%，而非高峰期的车辆占有率为80%，大部分车辆在一天中处于停放状态，因此在城市中形成车辆簇难度不大且比较灵活。假设路边车辆尽量为线性排放，而这一线性车辆簇需要具备3个功能：资源管理功能、簇管理功能和信息的发布功能。

假设左侧道路首辆车和右侧道路相反方向的头辆车分别为两个头节点A1和A2，该簇其他车辆分别为B1，B2，B3，B4，当车辆行驶进来时必然会接近两个头节点中的任何一个，在这条道路上，头节点会各自向邻近岔路口的行驶车辆提供服务，成员节点则会在固定时间内向头节点广播自己缓存大小、消息内容和位置等，接受头节点的管理，并为本地服务的接入点提供共享内容。然而一旦头节点失效或离开，则整个车辆簇会失效。为了避免这一问题，可安排两个副头节点，它们位置一般会在头节点的下一个位置，副头节点主要是为了储存头节点的信息。

停车—车辆停放后，将自己位置、缓存空间信息、信息和自身信息请求向道路上停靠车辆周期广播；加入车辆簇：当任何车辆接收到头节点反馈的信息后可选择加入或不加入；选择头节点：若一个方向上午簇头节点，则可选择距离岔路口最近的节点；选择副头节点：一般在选择头节点后的一辆车；重选头节点：一旦头节点发现距离停车辆有更近的停放节点，会将自己的任务分配给这个节点。

3 结语

车载自组织网络在最近几年蓬勃发展，然而仍然存在着许多问题。当今无线通信网络快速发展，大批相关的科研与应用层出不穷，无线自组织网络与传统的无线通信网络有着显著的区别，具有无组织中心、可移动性、灵活性和独立组网等特点，因此无线自组织网络信息传递中可能出现的问题也就不可预测。本文主要对车载自组织网络的节点移动模型进行分析，并进一步提出了停放车辆与行驶车辆的通信方案，以期为车载自组织网络通信系统的设计与实现提供参考。

[1]EMMELMANN M, BOCHOW B, KELLUM C. Vehicular Networking：Automotive Applications and Beyond[M].New York：John Wiley&Sons Ltd，2010.

[2]王珂，林敏，王春清.车载自组织网络应用服务原型系统的设计[J].电子质量，2014（7）：6-9.

Analysis on design and implementation of vehicular ad hoc network communication system

Wang Wanting
（North United Founding Communications Co., Ltd., Nanchang 330096, China）

Vehicle ad hoc is an important part of the functional traffic, which can be able to achieve the mutual communication between vehicles and vehicles on the road and the mutual communication between the vehicle and the road conditions. Through vehicle ad hoc network communication system, it can significantly reduce traffic accidents and provide basis for handling traffic cases. This article carries on the analysis of the main design of vehicular ad hoc network communication in the system, and further discusses the practical application system of vehicle.

vehicular ad hoc; network communication system; design

王万停（1978— ），男，河南开封，本科，工程师；研究方向：指挥通信系统。