基于IEEE80211p标准的车载网络MAC层协议研究.docx
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基于IEEE80211p标准的车载网络MAC层协议研究
基于IEEE802.11p标准的车载网络MAC层协议研究
大连海事大学
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毕业论文
二○一四年六月
基于IEEE802.11p标准的车载网络MAC层协议研究
专业班级：
电子信息工程1班
姓名：
陈平
指导教师：
那振宇
信息科学技术学院
Abstract
VehicularAdHocNetworks（VANETs）,composedofmovingvehiclesandroadsideunits,areakindofself-organizingnetworks.Itappliesself-organizedtechnologytovehicle-to-vehiclecommunication,whichallowsdriverstoobtaininformationoutoftheirhorizons.Ithasabrightprospectinapplicationsoftrafficsafetyandentertainmentservices.However,differentfromtraditionalAdHocnetworks,sinceVANETsarefeaturedbyfrequentchangeandpoornetworkconnectivity,thenetworkloadwillchangewiththechangeoftrafficflow.ItmakesdesignofMAC（MediaAccessControl）protocolahugechallenge.Therefore,howtodesignafeasibleMACprotocolbecomesanimportantissueinVANETsresearch.
ThisthesisworksonMACprotocolofVANETs.ComparingMACprotocolsbasedonIEEE802.11pstandardwithIEEE802.11standard,itanalyzestheadvantagesanddisadvantagesof802.11pprotocol.
Firstly,thisthesisdescribesVehicularAdHocNetworksandnetworksimulatorNS-2,Secondly,asimpleintroductiontoMACprotocolbasedonIEEE802.11standard.Next,itdescribesMACprotocolbasedonIEEE802.11pstandardindetail,andrealizesthe802.11pprotocolbymodifyingsourcecodesof802.11inNS-2.Basedonsimulationscenarios,itcomparesthetwoprotocols.Simulationresultsshowthat802.11pprotocolismoresuitableforapplicationsinVANETs.Finally,someimprovementsuggestionsareproposedintheendofthepaperaccordingto802.11pprotocol.
Keywords:
VehicularAdHocNetworks，mediaaccesscontrol，IEEE802.11p,NS-2
基于IEEE802.11p标准的车载网络MAC层协议研究
第一章绪论
1.1研究背景及意义
1.1.1研究背景
最近几年，汽车行业发展的非常迅猛，人们的生活水平也不断提高，汽车已经逐步成为人们不可或缺的出行工具，它为我们的生活带来了很大的便利。
但同时，日益增加的汽车数量也带来了新的问题，如交通堵塞、交通事故等频繁发生，交通事故带来的危害已经是众所周知。
在这种需求背景下，车载网被提出来，这一概念一经提出便引起了国内外研究人员的极大兴趣。
自1970年以来，北美、欧洲和日本纷纷加大了在该领域的投入力度。
车载自组织网络基于目前的网络技术，然后与交通车辆联系在一起。
该网络能够及时传递给驾驶者相关的信息，从而提高交通效率和交通安全，改善目前的交通状况。
其中，车间通信（Inter-VehicleCommunication,IVC）通常被认为是车载网络的关键技术，为此，研究人员建立了许多基于Vehicle-to-Vehicle（V2V）
图1-1车载网络的应用
和Vehicle-to-Roadside（V2R）的通信网络。
这也构成了车载自组织网络的主要通信组成部分。
随着人们对车载网络的研究不断深入，其应用也逐渐多元化。
图1-1表示的是车载网络的一些基本应用，主要可以概括为以下几项：
1）安全应用。
在车辆行驶过程中，当有紧急情况发生时，驾驶者总是根据可视化的信号做出反应。
但是，由于驾驶者的视距和反应速度的限制，采取制动措施往往会造成延时，这就可能为不可避免的冲突埋下了隐患[1,2]，根据相关的统计结果，全球每天都会发生数十万起交通事故，并造成非常大的损失。
而车载网络通过车辆间的通信可以将危险信号通知给附近的车辆，使驾驶者有足够的反应时间，从而减少事故的发生。
此外，车间通信技术还能够提前通知道路障碍，十字路口冲突等信息，协助驾驶者以很小的事故发生概率通过这些区域。
2）辅助驾驶。
在城市中，交通压力一直在增加，堵车现象成为人们经常会遇到的状况。
借助车载网络系统，驾驶员可以选择车流量较小的路径行驶，从而实现对拥堵的车流量进行分流。
此外，驾驶者通过使用车载网络系统，可以方便的找到停车场。
3）收集并发布交通信息。
车载网络是无中心的，分布式的结构。
因此在车载网络中，车辆从网络中收集和发布实时交通信息，例如统计车流量状况，更新电子地图等，这都能有效地提高路况信息的实时性。
4）车载娱乐。
在出行过程中，借助于车载网平台，车辆可以与因特网连接。
在行车过程中，车上的人们可以享受到网上的资源，而不会觉得枯燥无味。
尤其是路途比较遥远的时候，这项服务能大大缓解长途旅行的疲惫。
5）Internet服务。
车辆可以通过路边的AP（AccessPoint）站点接入Internet,这样车辆上的乘客便可随时享受Internet服务。
对于驾驶人员来说，他们可以利用这项服务，以及结合车辆自带的GPS，查询酒店、快餐店以及停车场等一些相关的地点信息。
基于上述应用的分析可以知道，车载网的前景是非常好的。
而且，我国人口众多，车辆工业也处于高速成长阶段，因此在我国进行车载自组织网络相关技术的研究意义重大。
但车载网与传统自组织网之间是有很多差别的。
例如，网络负载量与车流量密度相关、节点具有移动的特点等。
正是这些不一样的特点，使车载网络的MAC层协议设计更加困难。
因此，车载网介质访问控制层协议的设计成为该领域的重点研究方向。
1.1.2研究意义
信息传播是车载网的各种应用中的一个核心部分。
对于接入Internet、收发电子邮件等私人应用，信息需要进行单播传输，即单一的源节点对单一的目的节点，数据的隐私性具有较严格的规定。
而对于交通拥堵信息、天气预报等公共消息，单播传输将浪费大量的带宽等资源，广播此类消息能够提高网络的传输效率。
除了效率，对于不同的信息类型，他们需要的可靠性也不同。
此外，在道路高峰期，随着车流量的增加，网络的信息负载量也不断增加，网络的信息负载量是随车流量不断变化的。
MAC层是自组织网络信息传播中的一个关键问题，MAC协议是一种重要的网络协议，会对网络的传输性能产生显著的影响。
所以，研究车载自组织网络的高效MAC协议对于提高网络的性能、保证用于的服务质量、更好地实现车载网络的应用具有重大的意义。
1.2国内外研究现状
1）国外发展状况
在2003年的ITU-T的汽车通信标准化会议上，车载网络技术被正式提出。
通过利用该技术可能会大大降低世界上的交通事故发生率。
截止到现在，许多国家都对车载网技术很感兴趣。
欧美的一些国家和政府也建立了相关的研究项目，如表1-1所示。
在上个世纪的80年代，有关车载网络的研究就已经在日本开展了。
它在90年代和随后的10年内研究的协同驾驶系统DEMO2000展现了车载通信网络在道路交通安全方面的重要性[3]。
与此同时，欧美也进入了如火如荼的车载网络研究。
表1-1国际上有关车载网的研究项目
项目的名称
起止时间
项目的发起者
主要的研究内容
CarTel
2002-2012
麻省理工学院
构建车载网络平台
DieselNet
2004-至今
马萨诸塞大学阿默斯特分校
DTN路由，网络容量，WIFI,移动模型
UCLACVeT
2013-至今
加州大学洛杉矶分校
信息分享，移动传感器平台
FleetNet
2000-2003
德国
建立通信平台
NOW
2004-2007
德国
通信协议和数据安全
ASVs
1995-2009
日本
增强型安全车辆
JARI
2003-至今
日本
汽车的工业方面
2003年，美国联邦通信委员会划分了一个专用频段用于车辆间通信，也启动了一系列的车载网络项目，其中包括著名的CarTel[4,5]项目。
麻省理工学院主导了CarTel项目。
该系统结合了移动计算和感知、无线网络以及云计算等技术，能有效解决道路交通的安全以及车辆分流等问题。
CarTel是一个集合了移动电话和定制的车载远程信息处理装置的，分布式的移动感知和计算系统，该系统也被认为是一个“车载网络物理系统”。
该项目的研究贡献主要包括交通疏导，路面监控和危害检测，车载网络系统互连，数据库技术以及只采用WIFI连接的车内硬件设计等。
到目前为止，该项目的硬件版本已经升级到第二代。
DieselNet[6]是由马萨诸塞大学阿默斯特分校主持的一个项目。
该项目启动于2004年，主要是基于公交网络。
一些配置了特殊硬件的公交车每日从阿默斯特分校校园行驶到周边的区域进行试验，同时，这个网络还可以用于公共试验。
该项目在DTN路由，网络系统容量，WIFI连接以及移动模型等方面均取得了一些成果。
CVeT[7]是由加州大学洛杉矶分校主持的一项项目。
该项目由一个包括大约50辆小汽车，货车以及校园公共汽车的车队组成，车队中的车辆可以直接通过WIFI接入点连接到互联网，或者如果超出了接入点的覆盖，则可以通过在无线网络范围内的其他车辆接入互联网。
这将形成一个校园汽车的互联网骨干网，通过这些汽车的移动，校园的互联网范围将可以超出校园的地理边界。
这个项目先后提出了CarTorrent、CodeTorrent等文件共享协议，同时，该项目在移动传感器监测方面也取得了一些成果，为实现MobEyes[8]这一城市监控项目提供了一定的理论支持。
著名的FleetNet[9]项目启动于2000年，是由六家公司以及三所大学组成的联盟共同完成。
FleetNet的主要目标是开发一个用于车辆通信系统的示范平台。
实施适当的应用示范可以充分展现车间通信的好处，对商业案例和市场推广策略的研究则补充了该技术的目标，而该项目成果又可以被国际标准化机构借鉴采用。
FleetNet项目持续了三年于2003年底结束，随后启动了后续的NOW[10]项目，该项目获得了德国联邦教育与研究中心的资金支持，旨在于解决通信协议以及数据安全等方面的问题。
日本对车载网络方面的研究也投入了很大的成本。
除了DEMO2000系统，其他比较有名的还包括ASVs项目[11]、JARI项目[12]等，它们分别在车辆安全以及车辆的工业方面取得了较为显著的成果。
目前在学术领域，车载网也是一个重点研究方向。
为了更深入的了解车载网络发展现状，国际计算机组织还专门成立了一个VANET小组。
主要对车载网络的相关技术进行专题研讨会，在这期间发表的论文一般都比较能够代表目前的最高水平。
2）国内发展概况
在车载网络方面，国内在很晚才开始研究。
但是近年来一些研究机构和大学也成立了相关项目，并取得了一些成果。
上海交通大学于2005年与上海政府合作启动了SG（ShanghaiGrid）项目[13],这个项目以建设大都市规模的交通信息系统为宏伟目标。
具体来说，分为两大部分。
首先，它试图提高现有的交通基础设备的效率；其次，它的目的是为公众提供更多的交通系统应用。
其他一些高校也对车载网表现出了很大的研究兴趣。
台湾国立交通大学构建了一个由16辆车组成的车载网络，主要研究车辆的监督应用，城市空气质量测量，以及蜂窝网、4G网络的移动管理等应用。
此外，浙江大学、武汉大学等也都对车载网络的相关方向做了大量的研究工作，并取得了一些成果。
到目前为止，有关车载网络的研究已经很深入了，但是在研究的道路上仍然存在着很多障碍。
这些障碍主要存在于路由协议、MAC层协议以及安全性等几个方向。
其中MAC层专注于研究车载网中的节点如何对信道进行访问以及数据资源的分配问题。
现阶段根据不同场景设计MAC协议是车载网络的研究热点与重点。
1.3论文的主要工作
车载网络已经成为当前自组织网络应用的一大热点，国内外对这一领域的研究也取得了一定的成果，但是目前这方面的研究工作还有很多不足之处。
本文对目前车载网的802.11pMAC层协议进行了深入的学习与研究。
主要工作和成果包括以下几个方面：
1）对车载网的概念、体系结构进行了总结性的介绍，研究了普通无线局域网的MAC层协议802.11,，并针对它的工作方式和不足之处进行了简单介绍。
2）学习了网络仿真器NS-2的仿真过程，并在完全掌握NS-2中802.11协议的源代码之后，对其进行了修改，从而在NS-2中实现了802.11p协议的功能。
3）详细阐述了802.11p协议的工作方式。
通过建立仿真环境，对802.11p与802.11协议进行了相关的性能比较分析。
仿真结果表明，在对安全信息、娱乐信息等优先级不同的信息同时进行传送的过程中，802.11p能够更高效的传送优先级最高的安全信息，而对于优先级较低的娱乐信息，802.11p选择降低其发送成功率，这样满足了各种不同应用的基本要求，还提高了安全应用的服务质量。
4）基于以上的工作，本文最后也都做了小结，并且提出了有很大改进空间的研究方向，并对下一步的深入研究工作进行了简单介绍。
1.4论文的章节安排
本论文共由六章组成，具体的章节安排如下：
第一章，绪论。
简要阐述了与车载网相关的发展背景。
然后对国内外的研究现状进行了简单介绍。
第二章，车载自组织网络。
首先对车载自组织网络的概念等进行了简单阐述，包括其网络结构、网络特点与典型应用。
然后根据其研究现状，提出了目前存在的一些主要问题。
第三章，网络仿真器NS-2。
在论文后面的章节中会通过NS-2对相关的MAC层协议进行性能仿真，本章节介绍了网络仿真器NS-2的运行机制、基本组成以及简单的仿真过程。
第四章，介质访问控制（MAC）层协议概述。
简单介绍了MAC层的基本概念。
接着对802.11MAC协议的工作机制进行了简略的阐述。
最后介绍了车载网络MAC层协议的相关情况。
第五章，基于IEEE802.11p标准的车载网MAC层协议。
详细介绍了802.11p
MAC协议的工作机制。
然后在NS-2中通过建立仿真环境对802.11p协议的性能进行了分析。
第六章，总结。
首先根据本文的研究工作进行了简单的总结。
然后介绍了目前的学习方向，最后对后期的研究方向提出了展望。
第二章车载自组织网络
车载自组织网络是近几年刚刚发展起来的新型的网络。
相对于传统的网络，车载网有着自己的不一样的地方。
例如节点具有移动的特点、无能量限制等。
这些特征使得车载网的研究和发展面临着许多困难。
本章将从车载网的结构、特征和典型应用三个方面进行简要介绍。
2.1车载网络介绍
2.1.1网络结构
根据网络中是否存在固定的基础设施，可以将车载自组织网络的结构划分为三种类型[14]：
1）纯蜂窝结构：
这种结构主要采用了蜂窝通信的基本方式，利用固定的基站作为车辆网络与外部网络之间的通信接口，手机信息并传播信息，同时可以与蜂窝网络连接起来，以构成泛在网络，主要的通信方式是V2R通信。
2）纯自组织结构：
这种结构与传统自组织网络结构类似，具有自组织、自管理、短距离无线传输等特点。
它不需要纯蜂窝结构的基站等基础设施，实现成本较低。
主要的通信方式是V2V通信。
3）混合结构：
这种结构将蜂窝结构与自组织结构有效结合，充分利用两种结构的优点进行互补，网络中V2V通信和V2R通信将同时存在。
在这三种网络结构中，纯自组织结构的组网灵活多变，具有较高的可扩展性，引起了学者们的广泛研究。
但是这种网络在网络的连通性和通信距离等方面具有一定的局限性。
为了克服上述局限性，可以在网络中部署路侧设备单元，以提供可靠、高速的网络通信，为互联网接入、固定点的监控等应用提供强有力的保证。
因此，混合网络结构更切合实际应用，正受到更多的关注和研究。
2.1.2网络特征
由于车载自组织网络是一种特殊形式的自组织网络，它具有传统自组织网络的一些共有特征，如无中心网络、多跳结构、传输带宽有限等问题[15]。
但同时，它也有很多独特之处，主要有：
1）拓扑结构高动态性：
由于车辆运动的高速特性，车载自组织网络中节点的移动速度相对于传统移动自组织网络或无线传感器网络中节点的移动速度已不在同一个数量级，可以达到25m/s，甚至更高，车辆间的通信时间可短暂至几秒钟。
因此，车辆节点的告诉移动将导致拓扑结构的高动态性，这是车载自组织网络在路由设计时需要重点考虑的一个因素。
2）频繁孤岛性：
道路上的车辆密度变化较大，同一路段上不同时间的车辆密度可能呈现出几倍的差别。
在低密度的情形下，由于短距离通信的限制，车辆间将无法保持实时连通，当某一车辆与其它车辆均无法连通时，其自身形成“孤岛”。
3）移动模型可预测性：
车辆的行驶通常都是限定在固定的道路上，其下一段时间的行驶路径可以通过车载地图等方式提前获取，这可以有较好的预测快速变化的拓扑结构与频繁的无连接节点，从而提高网络的性能。
4）能量无限制性：
相对于传统的自组织网络，车载自组织网络中节点的能量由燃油提供，而无需由蓄电池提供，因此能量在车载自组织网络的应用中将不再有瓶颈限制。
5）通信环境差异性：
在不同的道路环境下，车辆的通信环境差别很大。
在高速公路上，车辆在不同位置，通信环境的变化比较微小。
但当车辆在城市道路上行驶，无线信号可能会受到周围障碍物的影响。
因此车辆行驶到街道的不同位置时，其通信环境将有明显的差别。
2.1.3典型应用
车载自组织网络的应用主要可以分为以下三类：
基于交通安全的应用、基于交通效率的应用和基于商业娱乐的应用等[16]。
1）基于交通安全的应用：
基于车载网的交通安全应用借助于车载自组织网络及时获取更多的路况信息以降低驾驶员的反应延迟。
使驾驶员能够提前做出应变措施，以避免交通事故发生的可能性，降低各类交通事故的发生率。
2）基于交通效率的应用：
基于车载自组织网络的信息收集与传输能力，交通部门和车主都能及时掌握各段道路上的车流信息，以引导车流避免进入拥塞路段。
3）基于商业娱乐的应用：
此类应用最为丰富，也最受用户喜爱。
交通信号违章警告、停车点探测等应用能够减轻驾驶员的劳动负荷，互联网接入服务等娱乐应用能够提高乘车人员的舒适性和便捷性。
2.2研究现状
由于车载自组织网络具有明朗的前景，各个国家的学术界和工业界都对此表示出很大的兴趣，并且设立了一系列相关的项目。
此外，国际上许多高校与知名企业也联合成立了许多相关的项目，比如有FleetNet项目、CARTALK2000项目、NOW项目、PATH项目、以及VII项目等等。
从2007年开始，我国很多研究机构也开始逐步关注车载网的研究。
国家自然科学基金项目相继支持了一系列的研究项目。
例如车用AdHoc网络的隐私与安全技术研究等。
同时863项目也相继支持了多个与车载网相关的项目。
近年来，从高校研究机构到各类企业，他们之间的共同努力与合作，将使得车联网在我国真正走下云端，逐步进入实质性的应用阶段。
2.3主要问题
车载自组织网络是一种新型无线通信网络，它存在较多的通信技术问题。
近年来，国际学术界对车载自组织网络的研究主要集中在以下四大方面：
路由技术、MAC层接入机制、RSU部署与调度机制以及分布式协作通信等。
1.路由技术
车载自组织网络是一种多跳分布式无线网络，且网络中车辆节点的通信距离有一定的限制性，使得网络中信息的传输需要借助于中间节点的转发，从而网络路由协议的设计就显得尤为重要[17]。
在车载网中设计路由协议时，需要充分考虑网络中车辆节点的高速运动、拓扑结构的频繁变化、车辆位置的可预测性等特征。
2.MAC层接入机制
车载网依旧使用无线资源，同样存在着多个节点如何合理共享无线频谱资源问题。
且MAC协议直接控制着节点何时能够介入信道以及报文在信道上的发送与接收，从而MAC协议的设计对于车载自组织网络的网络性能具有重大的意义[18]。
IEEE802.11p[19]又称WAVE是由IEEE802.11工作组为车载自组织网络专用标准化的MAC接入机制。
其依旧采用CSMA/CA（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance）机制，可以看成是802.11标准的一种扩充。
MAC层的研究主要是基于对信道进行预约和控制的思想，使网络中的信道状态和节点行为能够被网络以及节点有效感知控制，从而减少碰撞，保证无线信道的高效性，提高网络的吞吐量[20]。
根据链路的接入方式，可以将车载自组织网络中的MAC协议分为以下六大类：
基于载波监听的竞争方式、基于分布式时间协调方式、基于码分多路方式、基于忙音多路方式和基于多簇管理方式的接入协议。
综合研究表明，基于分布式时隙预约MAC协议和基于载波监听技术的竞争接入是目前研究的最为广泛的两种协议。
且由于硬件兼容性问题，基于忙音多路方式和基于码分多路方式的接入机制在VANET中较难实现。
当考虑到车辆通信能耗的问题时，MAC层就需要采用高能效的休眠模式和接入控制机制。
Kumar等正对车辆和路边单元通信的环境、IEEE802.11p协议的能耗和服务质量（QoS）进行了比较，分析了能量模型以及物理传播模型，发现部分接受端休眠可以减少由于监听而带来的损耗，但仍能保证QoS等指标。
众多的研究问题以及MAC协议对于网络的重要性，驱动了研究者们对MAC协议进行更为广泛与深入的研究。
3.RSU部署与接入机制
为了满足车载网中的通信需求，道路两侧可以部署一定数量的RSU，其可以视为网络中的基础设施。
对于不同的道路场景，部署不同数量以及不同位置的RSU将对网络的性能产生较大的影响。
部署的RSU数量越多，网络的性能越好，但部署成本将急剧增加。
故如何在给定用户的业务量需求、业务分布特性和道路模型等条件下最优化部署RSU的数量与位置已成为车载网中的一个重要研究课题。
与传统的接入方式不同的是，车辆具有高速移动特性，其在R
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