1、大连海事大学毕 业 论 文二一四年六月装订线基于 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I摘 要车载自组织网络是由在高速公路或者城市街道上行驶的车辆以及道路两侧的路边单元等构成的一种特殊形式的移动自组织网络。它将自组织网络技术应用于车辆之间的通信，能够使驾驶员获得超视距范围内的信息，在交通安全、娱乐服务等应用方面都有着广阔的前景。不同于传统的移动自组织网络，车载网具有拓扑结构频繁变化、网络连通性差等特点，而且随着车流量密度的变化，网络中的信息负载量也不断地变化，这就给车载网络的介质访问控制层
2、设计带来了很大的挑战。因此，设计适合于车载网络的介质访问控制层协议逐渐变为一个重要的研究方向。本论文主要对车载网络的介质访问控制层协议进行了相关研究。通过对基于IEEE802.11 与 IEEE802.11p 标准的介质访问控制层协议的对比，分析了 802.11p介质访问控制层协议的性能优势与不足之处。论文首先介绍了车载自组织网络和网络仿真软件 NS-2。然后简单阐述了基于IEEE802.11 标准的介质访问控制协议。接着对基于 IEEE802.11p 标准的介质访问控制协议进行了详细的分析，在 NS-2 中通过修改 802.11 协议的源代码，成功实现了 802.11p 协议，通过建立仿真场
3、景实现了两种协议的对比，结果表明 802.11p协议更适合车载网中的各种应用。最后针对 802.11p 协议提出了一些改进的方向。关键词：车载自组织网络; 介质访问控制；IEEE 802.11p；NS-2IIAbstractVehicular Ad Hoc Networks (VANETs), composed of moving vehicles and roadside units, are a kind of self-organizing networks. It applies self-organized technology to vehicle-to-vehicle commu
4、nication, which allows drivers to obtain information out of their horizons. It has a bright prospect in applications of traffic safety and entertainment services. However, different from traditional Ad Hoc networks, since VANETs are featured by frequent change and poor network connectivity, the netw
5、ork load will change with the change of traffic flow. It makes design of MAC (Media Access Control) protocol a huge challenge. Therefore, how to design a feasible MAC protocol becomes an important issue in VANETs research.This thesis works on MAC protocol of VANETs. Comparing MAC protocols based on
6、IEEE 802.11p standard with IEEE 802.11 standard, it analyzes the advantages and disadvantages of 802.11p protocol. Firstly, this thesis describes Vehicular Ad Hoc Networks and network simulator NS-2, Secondly, a simple introduction to MAC protocol based on IEEE 802.11 standard. Next, it describes MA
7、C protocol based on IEEE802.11p standard in detail, and realizes the 802.11p protocol by modifying source codes of 802.11 in NS-2. Based on simulation scenarios, it compares the two protocols. Simulation results show that 802.11p protocol is more suitable for applications in VANETs. Finally, some im
8、provement suggestions are proposed in the end of the paper according to 802.11 p protocol. Keywords: Vehicular Ad Hoc Networks，media access control，IEEE 802.11p, NS-2III目 录第一章 绪论 11.1 研究背景及意义 11.1.1 研究背景 11.1.2 研究意义 21.2 国内外研究现状 31.3 论文的主要工作 51.4 论文的章节安排 5第二章 车载自组织网络 72.1 车载网介绍 72.1.1 网络结构 72.1.2 网络
9、特点 72.1.3 典型应用 82.2 研究现状 82.3 主要问题 92.4 本章小结 10第三章 网络仿真器 NS-2 123.1 NS-2 简单介绍 123.2 NS-2 基础 123.2.1 NS-2 的运行机制 123.2.2 NS-2 的基本组成 123.2.3 NS-2 的简单应用 133.3 NS-2 仿真过程 143.4 本章小结 15第四章 介质访问控制（MAC）层协议概述 164.1 MAC 层的基本概念 164.2 基于 IEEE 802.11 标准的 MAC 层协议 174.3 车载网 MAC 层协议 194.4 本章小结 19第五章 车载网络 MAC 层协议仿真 2
10、0IV5.1 引言 205.2 基于 IEEE 802.11p 标准的 MAC 层协议 205.2.1 协议的基本概述 205.2.2 协议的工作机制 215.3 仿真结果分析 225.3.1 仿真场景 235.3.2 仿真结果 235.4 本章小结 25第六章 总结与展望 266.1 MAC 层协议设计总结 266.2 目前学习方向与展望 266.2.1 目前学习方向 266.2.2 展望 27结 论 29参 考 文 献 30致 谢 32附录 11基于 IEEE802.11p 标准的车载网络 MAC 层协议研究1基于 IEEE802.11p 标准的车载网络 MAC 层协议研究第一章 绪论1.
11、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（Int
12、er-Vehicle Communication, 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） s e r v e r辅助驾驶停车场加油站R S UInternet服务酒店G P S802.11p3 G / 4 GInternet车载娱乐辅助驾驶安全应用图1-1 车载网络的应用基于 IEEE802.11p 标准的车载网络 MAC 层协议研究2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
13、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
14、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（
15、Access Point）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。
16、1.1.2 研究意义基于 IEEE802.11p 标准的车载网络 MAC 层协议研究3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
17、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
18、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Diesel Net 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UCLA CVeT 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
19、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 CarTel4,5项目。基于 IEEE802.11p 标准的车载网络 MAC 层协议研究4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
20、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。DieselNet6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。CVeT7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
21、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 MobEyes8这一城市监控项目提供了一定的理论支持。著名的 FleetNet9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
22、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 NOW10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
