计算机技术、通信技术和微电子技术的快速发展及其相互渗透和融合，为通信网络技术的应用奠定了基础，促进了社会信息化的发展。近年来，车辆的爆炸式增长和无处不在的信息需求越来越多地将通信网络与车辆结合在一起。人人们对车辆运动过程中的通信服务需求日益增加，车辆移动网络的研究已经成为世界关注的焦点这也促进了车辆向智能化和网络化方向发展。
传统的车载通信网络通常只是为高速公路收费等目的而设计的封闭通信网络。最近的发展使得车辆网络支持车间之间的独立通信以交换安全信息。由于网络架构的缺陷，现有系统只能为高速行驶的车辆提供局部区域的信息交互。新一代车载网络将提供普遍服务，包括各种车辆安全信息传输、智能交通信息服务、多媒体数字服务等。因此，如何实现车辆与智能交通控制中心之间的实时数据服务(如提供路况信息、基于位置信息的地图下载服务等。)，而用户在车内宽带无线接入互联网，在新一代车载移动网络中获取多媒体娱乐和信息，已经成为车载移动网络研究中一个非常重要和迫切的课题。针对这种情况，本文提出了异构无线网络融合的车载移动网络架构，主要是基于车载环境无线接入(WAVE)的车载自组织通信技术(IEEE802.11p)和基于微波接入全球互通(WiMAX)的车载宽带无线接入技术(IEEE802.16e)，并对相关关键技术进行了探讨和研究。
1车联网通信的研究现状和发展趋势
近年来，车载通信网络逐渐成为智能交通系统(ITS)领域的热点问题。各国都致力于将先进的通信技术应用于车辆运输系统，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的通信(V2V)，低速移动或静止时车辆与路侧基础设施之间的通信(V2I)，可以为车辆提供多种安全和非安全应用。2004年，IEEE成立了IEEE802.11p工作组，制定了WAVE中的IEEE802.11版本，并以IEEE1609系列协议作为上层协议，从而形成了车载无线通信的基本协议框架。伊利诺伊大学UrbanaChampaign分校的NitinVaidya教授领导的团队开发了一种用于多通道测试的无线网状网络测试平台。加州大学洛杉矶分校教授G.Pau提出了一种特殊的车辆间路由协议(PVRP)，并搭建了系统测试平台进行验证。郭金花和密歇根大学的向伟东教授开发了一个基于5.9GHz的海浪系统信道测试平台
从车载无线接入技术来看，目前大部分车载移动通信网络研究的是基于IEEE802.11的通信技术，但802.11存在一些弱点，如覆盖范围小、车辆移动过程中路边单元的频繁切换和连接、QoS支持弱、无法为多媒体信息提供高质量的支持等。因此，我们提出了基于IEEE802.16(具有覆盖范围广、QoS支持强的特点)的车载通信网络的研究。文献[4-5]提出使用基于WiMAX(IEEE802.16)的技术为车辆及其内部用户提供移动宽带无线接入，首次将WiMAX技术应用于车辆通信网络。这一思想从本质上打破了IEEE802.11统一车载通信网络的格局，为车载通信网络的发展和研究开辟了新的方向。近年来，基于IEEE802.16技术标准的宽带无线接入系统受到了市场的广泛关注。根据实际网络规划的结果，城区WiMAX基站的合理覆盖半径在几公里左右，可以提供更高的数据传输速率和更广的覆盖范围。为了解决高速移动情况下车载用户终端的宽带无线接入问题，IEEE802.16标准制定组于2006年3月成立了基于IEEE802.16j的移动中继(MRS)工作组，研究采用MRS的可行性，想利用车载MRS站点为车内的集团用户终端提供宽带无线接入服务。
目前，车载移动网络的研究热点主要集中在基于WAVE协议(IEEE802.11p)的车载通信的多通道协同应用、组播路由管理以及基于WiMAX协议(IEEE802.16)的固定中继技术的切换和资源调度。
在基于WAVE协议的车辆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是在一个信道中完成的，因此很难保证安全应用的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在主动安全中的重要作用。多信道媒体访问控制(MAC)机制是解决上述问题的直接有效的方法之一。使用多信道后，节点可以使用不同的信道进行通信，接入手段更加灵活，可以获得比单信道更好的网络吞吐量和时延特性。针对这种情况，一般采用时间间隔法将时间交替分为控制间隔和数据交换间隔。在控制间隔(CCH)中，所有节点跳转到控制信道进行信道协商，在数据交换间隔(SCH)中，它们跳转到不同的信道进行数据传输。详细的架构如图1所示。
WAVE协议中原有的路由机制并不完全适用于拓扑结构动态变化的车载通信网络。表驱动的主动路由协议可以与流量环境中的不确定节点进行协调，频繁的拓扑变化严重影响了协议的性能。源驱动的反应式路由协议是只在需要发送消息时才建立路由，过一会儿就过期了。随着通信跳数和车辆移动速度的增加，这些路由协议中建立路由的时延也相应增加，难以满足低时延的安全应用，于是出现了基于位置的组播路由。多播的目标是将消息从源节点传送到位于ZOR的所有节点。针对组播路由机制，提出了簇的概念，将车载网络组织成多个对等单元(簇)，从而提高移动环境下的可扩展性。VANET采用分簇机制，簇内通信可用于快速有效地传递与安全相关的紧急消息，簇间通信用于传递需要跨越多跳才能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，又能保证较低的传输时延，适用于行车过程中各类紧急消息的分发。未来，集群组播的路由概念将被用于车载网络的安全应用中，簇头将作为协调者，一方面收集和分发组播数据
车辆与路侧基础设施的通信只适用于车辆低速行驶或相对静止的环境，车辆在高速行驶过程中无法与路侧单元的基础设施提供长时间的信息交互。在宽带无线接入中，在车载用户终端和路边基站之间引入车载MRS站点，以协调车载用户和基站之间的通信。基站和车载用户终端将通过MRS站点彼此交互，而不是它们之间的直接通信。
在这个系统中，出现了分层调度和组移动的概念。基站和车载用户终端之间通过MRS进行信息交换，MRS从服务基站和车载中继获得分配给车载用户的资源，这是两级资源调度。同时，在引入MRS节点后，移动性管理得到了很大的改善。中继节点可以将来自车载用户终端的QoS要求相似的同类型业务的通信链路进行捆绑，集中处理组切换，减少了以往切换过程中每个终端用户与基站之间的信令交互过程。提出了基于固定中继的两级资源调度机制，提高了系统吞吐量，降低了丢包率和延迟时间。提出了一种多跳蜂窝网络中的中继辅助切换技术。移动终端通过中继节点传输信息，保证了信道的QoS参数，降低了掉话率。首次提出了基于多代理的组切换方案。移动中继站协助车载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，提高切换成功率，减少切换拥塞和时延。
综上所述，WAVE协议可以向路口、加油站、停车场等提供实时的文字和图像信息。在几百米的半径范围内拥有每秒几十兆的通信速度。同时，这种通信技术还可以用于车对车通信，为行驶中的车辆提供紧急安全消息通信，防止车辆碰撞。WiMAX最大通信半径可达数公里，可用于120km/h以上的高速移动车辆，同时其MRS站出色的系统增益也可为车载用户终端提供更高速的通信服务。因此，我们提出了一种融合WiMAX和WAVE异构网络的新型车载移动网络架构，从而形成一个用于车辆安全通信、交通信息传输和宽带无线多媒体数据传输的车载移动通信网络。
2新型车载移动通信网络架构和参考模型
2.1网络系统架构
在本文提出的异构移动网络架构中，车辆之间的通信基于WAVE实现，车辆与路边基站的通信通过WiMAX实现。在车载用户终端和路侧基站的两层结构中也引入了MRS概念。车载用户通过MRS站进行通信。车载通信系统的详细网络架构如图2所示。新的车辆通信网络架构支持车辆之间的紧急通信，确保车辆的主动安全。支持MRS站为车辆和车载用户终端提供宽带无线接入，实现与智能交通控制中心实时可靠的信息交互，为车载用户终端提供宽带无线网络接入互联网，传输多媒体数据业务。如图3所示，新型车载移动异构无线通信协议的架构，车际通信基于IEEE802.11p局域网组网，通过自组织实现，为车间通信提供紧急安全消息的可靠连接和传输，实现车辆间的安全报警和资源共享等。宽带无线接入是基于IEEE802.16的城域网，可以通过MRS站接入当前接入基站。车内用户可以通过MRS站高速上传下载，车内用户通过MRS站成团，这样整个汉
在基于WAVE的车辆自组织通信技术和基于WiMAX的车辆宽带无线接入技术的异构融合下，车载移动网络可以保证车辆在移动过程中通过IEEE802.11和IEEE802.16多模终端进行不同种类的信息传输服务。由于不同类型的网络具有不同的MAC和高层移动性管理协议，因此有必要在第二层和第三层协议之间开发一套媒体无关的切换技术，以提供异构网络切换服务。我们使用基于IEEE802.21的MIHF[16]]。这种基于3G、WiMAX、Wi-Fi等协议的异构网络融合技术具有很大的发展前景，其中不同类型网络下的接入网发现和选择、切换发起、功耗优化等性能都是借助MIHF模块完成的。采用MIHF模块后，可以大大改善车辆移动时不同宽带无线接入网之间的切换时延和切换丢包率。整个系统的网络架构层次和模块模型如图4所示。
2.3通信外场测试平台
移动异构无线网络通信外场测试平台基于实验室现有车载网络系统的模拟测试平台，通过建立两种不同场景下的外场测试方案，实现不同业务在基于IEEE802.16移动WiMAX的车载宽带接入网络中的传输和基于IEEE802.11pWAVE的车载自组织网络中的通信，并对其性能进行分析。我们实验室的车联网测试场地位于同济大学嘉定校区和曹安路口。如图5所示，该测试平台通过车辆间安全信息的高速传输，实现了与智能交通信息中心的信息交互(如路况指示)和与公共网络的数字多媒体业务交互(如互联网接入)。
新型车载移动通信网络关键技术研究
本文的主要目的是对新型车载移动通信网络进行全新的探索。本文基于WAVE和WiMAX技术的融合，给出了一种可行的车载通信网络整体架构的解决方案，并采用跨层集成的设计准则和优化方法来提高新型车载通信网络的性能。下面将从多信道协调调度、路由机制改进、组切换、两级资源调度等方面简要介绍新型车载移动通信网络的关键研究技术。
3.1基于链路状态的分布式信道调度和信道自适应协调机制
在多信道的研究中，本文采用了基于时隙间隔的信道协调机制和时分多址的信道接入机制来确定协议的基本架构。在协议基础设施中，同步间隔包括控制窗口和数据交换窗口，并且每个窗口被进一步划分为时隙。控制窗口用于广播安全消息和控制消息，数据交换窗口用于非安全消息的单播或区域广播。所设计的VANET多信道MAC协议的框架如图6所示。基于业务密度的信道自适应协调机制主要是根据业务密度信息动态调整控制窗口间隔和数据交换窗口间隔。在提出的协议框架基础上，研究了分布式多信道调度算法，从频率和时间二维角度为局部区域内的节点分配最优资源。提高信道利用率和吞吐量；在此基础上，基于全网对算法的性能进行了分析。
3.2基于相对位置的路由算法
在当前的车联网中，可以通过链路预测获得节点之间的相对位置，从而选择路线。为了减轻数据链路层的负担，使当前的路由算法独立于MAC，研究中可以选择由全球定位系统(GPS)设备提供位置信息的方法。通过预测移动车辆节点的运动，改进现有的分簇算法，使用紧急消息广播机制，可以在车辆发生事故后快速稳定地发送紧急消息。在此基础上，设计一种基于移动预测的分簇广播路由算法是非常重要的。同时，由于车载网络中车辆节点的高速移动，网络拓扑结构变化频繁。为了提高车载网络的服务质量，减少网络传输频繁中断带来的延迟，需要预测节点的位置、速度和加速度信息，估计连接保持时间，在路由中断前启动路由发现过程，保证数据传输的QoS。
3.3基于移动中继技术的组切换机制
群组切换(GHO)是移动车辆上的多个用户终端同时切换到下一个基站。在切换过程中，应根据不同的服务级别重新分配资源，以保证服务质量；的服务。通过使用移动用户预测技术，可以初步估计切换过程中的资源预留问题，从而降低切换掉话率和切换时延。基于中继技术的组切换研究内容包括：基于运动预测的组切换流程设计、基于子信道重分配策略的切换接纳控制策略、速度自适应切换算法研究。
3.4基于中继的两级调度算法
随着中继技术在车载网络中的引入，宽带无线接入系统中将会有更多的中继节点。基站和用户终端将通过中继站彼此交互，而不是它们之间的直接通信。因此在该系统中出现了分层调度的概念，主要包括基站端的资源调度和中继节点端的资源调度，即采用分布式调度机制。由于中继站本身具有很强的处理能力，包括部分基站决策能力，可以通过中继节点帮助基站为用户终端做出相应的资源分配优化决策，从而减轻基站的负担，提高系统的吞吐量和数据传输速度。两级资源调度算法主要是基于车辆- MRS节点-路边基站，并根据网络环境的变化进行两级动态带宽资源分配(DBA)，提供频谱资源利用率，为不同类型的业务提供不同的服务质量保障。
4结束语
在国家十一五规划3354 新一代宽带无线移动通信网络，车载自组织通信网络和宽带无线接入网络的融合将是重要的一环。新型车联网可以提高城市智能交通系统的服务水平，推动城市宽带无线信息系统建设，为无线城市发展和数字网络城市建设提供有力支撑。针对这种情况，提出了一种基于WAVE的车载自组织通信网络和基于WiMAX的车载宽带无线接入技术的混合车载移动网络架构，并给出了新型车载移动网络的协议模块模型。在设计车载移动网络新协议框架的过程中，我们对车载ad hoc通信中的多信道协调、调度、组播路由机制、车载宽带无线接入中的组切换和多级资源调度分配机制等关键技术进行了理论研究和分析。在未来新型车载移动网络的系统设计中，高速移动场景下通信业务的QoS保障、移动过程中异构网络覆盖下的快速无缝切换等一系列技术都需要进一步研究。
