一種適用于車(chē)聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)接入多模網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)*

默罕莫德·默森，毛云川，張 瑞，沈連豐

（東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210096）

1 引言

車(chē)聯(lián)網(wǎng)（internet of vehicles，IoV）是物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，IoT） 在智能交通系統(tǒng)（intelligent transportation system，ITS）中的典型應(yīng)用，它基于車(chē)域網(wǎng)（vehicular area network，VAN）和車(chē)輛自組織網(wǎng)絡(luò)（vehicular Ad Hoc network，VANET）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛內(nèi)、車(chē)輛間以及車(chē)輛與外部通信設(shè)備的組網(wǎng)和通信[1～3]。因此，車(chē)輛的移動(dòng)無(wú)線(xiàn)接入就成為車(chē)聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，ISO）為此設(shè)立了 WGl6工作組，從事車(chē)聯(lián)網(wǎng)所涉及的廣域無(wú)線(xiàn)接入體制研究，并提出了ISO 21217標(biāo)準(zhǔn)，包含了大量不同類(lèi)型的通信技術(shù)的應(yīng)用，其中以 2G （GSM/CDMA）、3G （WCDMA/TD-SCDMA/cdma2000）、4G（TDD/FDD-LTE）等通信技術(shù)為代表的公眾蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和基于IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)（wireless local area network,WLAN）正逐步成為車(chē)輛接入網(wǎng)絡(luò)的兩種主要方式[4]。

當(dāng)前，2G網(wǎng)絡(luò)在中國(guó)還在運(yùn)行，3G網(wǎng)絡(luò)的3種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA、WCDMA和cdma2000在中國(guó)都有牌照，以TD-LTE為主的4G網(wǎng)絡(luò)正在中國(guó)若干城市開(kāi)始商用，在蓬勃發(fā)展的同時(shí)也給車(chē)聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域帶來(lái)了新課題[5]。由于多種網(wǎng)絡(luò)同時(shí)運(yùn)行，2G網(wǎng)絡(luò)不同標(biāo)準(zhǔn)重復(fù)建設(shè)的現(xiàn)象在3G網(wǎng)絡(luò)中繼續(xù)存在，4G網(wǎng)絡(luò)是否能夠統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)亦不容樂(lè)觀，這種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)共存的現(xiàn)象造成了資源利用的不合理以及人們使用的不方便，這在流動(dòng)性大、運(yùn)動(dòng)速度快的車(chē)輛中顯得特別突出。為此，本文給出一種無(wú)線(xiàn)接入多模網(wǎng)關(guān)，通過(guò)它在車(chē)輛中實(shí)現(xiàn)VAN和VANET功能并構(gòu)成IoV，能夠較好地解決車(chē)輛內(nèi)任何終端在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)可靠接入網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

在車(chē)聯(lián)網(wǎng)體系中，車(chē)輛內(nèi)部的無(wú)線(xiàn)設(shè)備需要接入外部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息的獲取和傳輸功能；同時(shí)它們也要互相直接或間接地連接，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛內(nèi)部的信息共享。為此本文研制了一種無(wú)線(xiàn)多模網(wǎng)關(guān)，基于它構(gòu)成的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。整體系統(tǒng)架構(gòu)由終端側(cè)、網(wǎng)絡(luò)側(cè)和網(wǎng)關(guān)構(gòu)成。在終端側(cè)，網(wǎng)關(guān)一方面可以將車(chē)內(nèi)所有的電子信息設(shè)備（包括采用Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee等技術(shù)的各類(lèi)手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、車(chē)內(nèi)信息檢測(cè)器和傳感網(wǎng)等）構(gòu)成一個(gè)車(chē)域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)車(chē)內(nèi)設(shè)備的互聯(lián)互通，另一方面根據(jù)具體終端的需求選擇接入外部網(wǎng)絡(luò)；在網(wǎng)絡(luò)側(cè)，網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)地檢測(cè)能夠提供服務(wù)的外部網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)終端的實(shí)際情況實(shí)施接入。因此，網(wǎng)關(guān)對(duì)于內(nèi)部終端而言就是使其工作于最省電狀態(tài)的“網(wǎng)絡(luò)”，對(duì)外起到接入點(diǎn)（access point，AP）作用，對(duì)內(nèi)構(gòu)成內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)關(guān)對(duì)于外部網(wǎng)絡(luò)來(lái)講就是能夠使其工作于最佳狀態(tài)的“終端”，對(duì)外起到選擇最合適網(wǎng)絡(luò)的作用，對(duì)內(nèi)形成網(wǎng)橋。

考慮到大部分終端設(shè)備都具有Wi-Fi模塊，目前研制的網(wǎng)關(guān)選用具有代表性的IEEE 802.11g網(wǎng)卡構(gòu)成主AP接口，附有其他制式（包括 IEEE 802.11n、Bluetooth、ZigBee等）的輔AP接口。同時(shí)，網(wǎng)關(guān)需要提供路由功能，以保證車(chē)內(nèi)設(shè)備需要接入外部網(wǎng)絡(luò)時(shí)，網(wǎng)關(guān)可根據(jù)業(yè)務(wù)的不同選擇合適的網(wǎng)絡(luò)，如對(duì)速率要求高的視頻業(yè)務(wù)等首選速率高的網(wǎng)絡(luò)接入，而其他業(yè)務(wù)首選價(jià)格低的網(wǎng)絡(luò)接入，并且盡量避免不同的設(shè)備接入相同的網(wǎng)絡(luò)。進(jìn)而，還可根據(jù)用戶(hù)意愿列出可接入的網(wǎng)絡(luò)，供用戶(hù)選擇。

在網(wǎng)絡(luò)側(cè)，由于公眾蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)在各地區(qū)的覆蓋范圍和制式不同，所能提供的數(shù)據(jù)速率和價(jià)格也因地而異，為了提高網(wǎng)關(guān)的適用性，網(wǎng)關(guān)需要做到能夠接入各種蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN，本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)目前具備接入公眾Wi-Fi以 及 GSM、WCDMA、TD-SCDMA、cdma20001x Ev-Do 等2G/3G公眾蜂窩網(wǎng)絡(luò)的功能，并可通過(guò)擴(kuò)展支持FDD-LTE、TDD-LTE和WiMAX等通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)任何地區(qū)、任何時(shí)間靈活高效的網(wǎng)絡(luò)接入。由于WLAN可以提供較高的數(shù)據(jù)速率且價(jià)格便宜，因此在有WLAN熱點(diǎn)覆蓋的地區(qū)，網(wǎng)關(guān)通常將它列為高優(yōu)先級(jí)，或者與蜂窩網(wǎng)絡(luò)互補(bǔ)以提供更好的服務(wù)。

圖1 基于無(wú)線(xiàn)多模網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)架構(gòu)示意

3 無(wú)線(xiàn)多模網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件平臺(tái)

本文設(shè)計(jì)的無(wú)線(xiàn)多模網(wǎng)關(guān)的硬件平臺(tái)架構(gòu)如圖2所示。網(wǎng)關(guān)主要分為終端接入單元、網(wǎng)關(guān)控制單元和網(wǎng)絡(luò)接口單元。網(wǎng)關(guān)控制單元是網(wǎng)關(guān)的核心部分，該單元采用ARM 11系列的S3C6410芯片作為核心處理器，通過(guò)運(yùn)行應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序，管理各網(wǎng)絡(luò)模塊和外圍模塊，實(shí)現(xiàn)路由、數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)以及用戶(hù)配置等功能。終端接入單元提供車(chē)輛內(nèi)無(wú)線(xiàn)終端的接入功能，考慮到越來(lái)越多的終端設(shè)備集成了Wi-Fi模塊，該單元采用了TP-LINK公司的TL-WN321G+無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的AP功能，該網(wǎng)卡工作于IEEE 802.11g標(biāo)準(zhǔn)下，適用性較強(qiáng)。網(wǎng)絡(luò)接口單元將網(wǎng)關(guān)接入到不同外部網(wǎng)絡(luò)，提供了覆蓋范圍廣的移動(dòng)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)和速率快但只在熱點(diǎn)區(qū)域覆蓋的WLAN兩種廣域接口。移動(dòng)蜂窩通信接口由WCDMA、TD-SCDMA、cdma20001x Ev-Do等幾種3G通信模塊構(gòu)成接入單元，同時(shí)3G模塊還可實(shí)現(xiàn)GSM網(wǎng)絡(luò)接入，以保證網(wǎng)關(guān)在不同地點(diǎn)都可以選擇最佳的2G/3G蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)。WLAN接口則同樣采用當(dāng)前應(yīng)用較廣泛的IEEE 802.11g無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡TL-WN321G+，其最大傳輸速率為54 Mbit/s，最大傳輸距離可達(dá)到室外300 m，能夠有效地作為蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充并實(shí)現(xiàn)寬帶接入功能。

圖2 網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)總體架構(gòu)示意

3.2 網(wǎng)關(guān)接口

無(wú)線(xiàn)多模網(wǎng)關(guān)的硬件平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，為了實(shí)現(xiàn)各模塊間的數(shù)據(jù)傳輸，平臺(tái)在核心控制器基礎(chǔ)上擴(kuò)展出多種類(lèi)型的接口 （包括串口、USB接口和GPIO接口等），并以USB接口為主要擴(kuò)展接口，將外圍模塊通過(guò)USB接口和控制器連接，以提高網(wǎng)關(guān)的易用性和擴(kuò)展性。

（1）USB 接口設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)控制單元采用了S3C6410芯片作為核心處理器，具有 2個(gè) USB Host接口、1個(gè)mini USB接口、3個(gè)串口、1個(gè)SD卡接口以及1個(gè)以太網(wǎng)接口。由于平臺(tái)外圍的網(wǎng)絡(luò)模塊需要較多的USB接口，所以本系統(tǒng)采用AU9245芯片對(duì)USB Host控制器進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)，擴(kuò)展出3路USB Host接口和1路采用mini USB的USB Slave接口，前者用于連接外圍設(shè)備，后者可以和上位機(jī)連接，進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)接口單元的3G網(wǎng)絡(luò)模塊、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡模塊及終端接入單元的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡模塊均可通過(guò)USB Host接口與網(wǎng)關(guān)控制器交互數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)即插即用。同時(shí)系統(tǒng)預(yù)留出3路USB Host接口供擴(kuò)展TDD/FDD-LTE等4G網(wǎng)絡(luò)模塊。

（2）串口設(shè)計(jì)

目前市面上的網(wǎng)絡(luò)通信模塊都具有單片解決方案，但由于成本問(wèn)題或者處理速度問(wèn)題，模塊的微處理器并不全都具備USB接口，所以網(wǎng)關(guān)控制器需要預(yù)留相應(yīng)的串口，以兼容不具備USB接口的網(wǎng)絡(luò)模塊，同時(shí)網(wǎng)關(guān)控制器還可通過(guò)串口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和調(diào)試?；谏鲜鰯U(kuò)展性的考慮，網(wǎng)關(guān)平臺(tái)擴(kuò)展了3個(gè)異步串行接口作為備用。

（3）以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)

平臺(tái)采用DM9000芯片作為以太網(wǎng)控制器，擴(kuò)展出一個(gè)以太網(wǎng)接口，主要實(shí)現(xiàn)如下兩個(gè)功能:

·借助以太網(wǎng)接口的網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng) （network file system，NFS）和FTP功能，提高開(kāi)發(fā)調(diào)試效率；

·在有局域網(wǎng)的情況下增加一種接入互聯(lián)網(wǎng)的方式，為無(wú)線(xiàn)設(shè)備提供更快、更廉價(jià)的網(wǎng)絡(luò)連接。

3.3 軟件體系

無(wú)線(xiàn)多模網(wǎng)關(guān)的軟件體系架構(gòu)如圖3所示，它采用分層式設(shè)計(jì)，整個(gè)架構(gòu)由底向上共分為物理層與MAC層、操作系統(tǒng)層、應(yīng)用層3層，每層只需要為上層提供接口，上層無(wú)需了解下層的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

（1）物理層與 MAC 層

物理層與MAC層主要包括網(wǎng)關(guān)的S3C6410硬件平臺(tái)及相應(yīng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序、各通信接口所采用的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)等。由于無(wú)線(xiàn)多模網(wǎng)關(guān)的軟件系統(tǒng)采用嵌入式Linux操作平臺(tái)，因此硬件驅(qū)動(dòng)程序及相關(guān)協(xié)議需進(jìn)行一些移植操作以兼容嵌入式Linux平臺(tái)。硬件的驅(qū)動(dòng)部分主要包括USB無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡TL-WN321G+的驅(qū)動(dòng)程序以及2G/3G多模通信網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)程序，相應(yīng)的移植過(guò)程如下。

圖3 網(wǎng)關(guān)軟件體系架構(gòu)

·USB無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡:TL-WN321G+使用的芯片是Ralink RT2571WF，可以從官網(wǎng)下載相應(yīng)的Linux源代碼，交叉編譯以后移植至ARM平臺(tái)上。

·多模通信網(wǎng)卡:在Windows環(huán)境下，2G/3G多模通信網(wǎng)卡第一次插到PC機(jī)上時(shí)，以閃存模式提取并安裝驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng)安裝完畢后進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換，由USB存儲(chǔ)設(shè)備轉(zhuǎn)換為4個(gè)串口設(shè)備，撥號(hào)上網(wǎng)使用其中一個(gè)串口，語(yǔ)音和短信則使用另外的串口。這個(gè)過(guò)程會(huì)自動(dòng)完成，稱(chēng)為“ZeroCD”特性。但在Linux平臺(tái)上，系統(tǒng)無(wú)法自動(dòng)完成轉(zhuǎn)換過(guò)程，這里需要用USB嗅探程序監(jiān)聽(tīng)Windows下的相關(guān)驅(qū)動(dòng)通信過(guò)程，得到通信交互的動(dòng)作和命令以便在Linux下重現(xiàn)。

（2）操作系統(tǒng)層

無(wú)線(xiàn)多模網(wǎng)關(guān)的相關(guān)軟件運(yùn)行在嵌入式Linux平臺(tái)之上，嵌入式Linux是將Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行剪裁修改，使之能在嵌入式系統(tǒng)上運(yùn)行的一種操作系統(tǒng)。嵌入式Linux系統(tǒng)是連接硬件與應(yīng)用程序的關(guān)鍵部分，在嵌入式Linux的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序可以不用關(guān)注硬件的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，開(kāi)發(fā)的程序具有一定的可移植性。平臺(tái)的交叉編譯環(huán)境為Ubuntu 11.04，編譯工具為 arm-linux-gcc，采用 U-Boot工具并且移植到開(kāi)發(fā)板。存儲(chǔ)器采用MLC2 Nand flash，支持基于flash的UBIFS，包含了TCP/IP協(xié)議棧，為上層的應(yīng)用程序提供支持。

（3）應(yīng)用層

應(yīng)用層包括各種實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能所需的基礎(chǔ)應(yīng)用程序，如無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的設(shè)置程序、多模通信網(wǎng)卡的設(shè)置和撥號(hào)程序以及網(wǎng)關(guān)的管理和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)程序等。

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的設(shè)置:在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中，主要的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞譃閮煞N:Ad Hoc結(jié)構(gòu)和星型結(jié)構(gòu)。Ad Hoc結(jié)構(gòu)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都是對(duì)等的，信息通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)傳播，但網(wǎng)絡(luò)通信效率低，本文的車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采用星型結(jié)構(gòu)組建車(chē)內(nèi)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)，星型結(jié)構(gòu)的中心節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為AP，網(wǎng)關(guān)通過(guò)配置IEEE 802.11g無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)AP功能，作為網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的AP功能需要OpenSSL、libnl、Hostapd 3個(gè)組件來(lái)實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)udhcpd組件實(shí)現(xiàn)嵌入式的DHCP功能，為無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備自動(dòng)分配IP地址[6]。

多模通信網(wǎng)卡的設(shè)置:在驅(qū)動(dòng)和模式轉(zhuǎn)換完成后，通信網(wǎng)卡使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議（point to point protocol，PPP）進(jìn)行撥號(hào)上網(wǎng)，PPP是在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接上傳輸多協(xié)議數(shù)據(jù)分組的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方法，支持的多協(xié)議包括IP、IPX和AppleTalk等。PPP主要由封裝、鏈路控制協(xié)議（link control protocol,LCP）、網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議（network control protocol，NCP）和配置幾部分組成。PPP的移植需要系統(tǒng)內(nèi)核的支持，本平臺(tái)采用的Linux 2.6版本的內(nèi)核中有與PPP相關(guān)的模塊，需要編譯內(nèi)核并將PPP相關(guān)項(xiàng)選中，可以選擇直接編譯進(jìn)內(nèi)核也可以選擇作為模塊編譯，作為模塊編譯的話(huà)運(yùn)行時(shí)需要加載模塊。

網(wǎng)關(guān)管理和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)程序主要完成兩部分的功能:一部分是無(wú)線(xiàn)AP和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)配置與監(jiān)控功能，包括AP參數(shù)配置、啟動(dòng)和停止AP、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)撥號(hào)和斷開(kāi)功能；另一部分是實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的連通功能。管理軟件的主要流程架構(gòu)如圖4所示，AP功能管理部分實(shí)現(xiàn)AP參數(shù)配置、DHCP參數(shù)配置、啟動(dòng)和停止AP功能、檢測(cè)接入AP的無(wú)線(xiàn)設(shè)備等功能；移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)管理部分實(shí)現(xiàn)撥號(hào)上網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)信息采集、網(wǎng)絡(luò)信息顯示和網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)重新?lián)芴?hào)的功能；路由和網(wǎng)絡(luò)選擇部分實(shí)現(xiàn)為無(wú)線(xiàn)設(shè)備選擇合適的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接入，提供自動(dòng)選擇和手動(dòng)選擇兩種方式，同時(shí)針對(duì)無(wú)線(xiàn)設(shè)備可以提供速率控制，即限制某個(gè)接入設(shè)備所獲得的網(wǎng)絡(luò)速率，也可以完成負(fù)載均衡和鏈路備份方面的功能。

3.4 網(wǎng)絡(luò)選擇策略

車(chē)聯(lián)網(wǎng)中的網(wǎng)關(guān)所處環(huán)境通常是一種異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，同時(shí)具有多種2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)及WLAN覆蓋，網(wǎng)關(guān)在為無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備提供外部網(wǎng)絡(luò)接入時(shí)，如何選擇最有效、最合適的接入網(wǎng)絡(luò)，尋求最佳的選擇策略，已成為車(chē)聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題[7，8]。

圖4 網(wǎng)關(guān)管理軟件流程

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)選擇是指在多種覆蓋網(wǎng)絡(luò)中選擇一種最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)接入方式，使得系統(tǒng)在此方式下，目標(biāo)值（帶寬、時(shí)延、服務(wù)質(zhì)量等）可以達(dá)到最佳。當(dāng)前對(duì)網(wǎng)絡(luò)選擇的研究成果有很多，一部分的網(wǎng)絡(luò)選擇方法是基于硬判決策略，所謂硬判決策略是指根據(jù)某個(gè)特定的性能參數(shù)或示性參數(shù)的值直接確定選擇結(jié)果，比如根據(jù)帶寬選擇。硬判決的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、復(fù)雜度低，在特定的網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)需求下可以獲得不錯(cuò)的性能，但在網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)多樣化的車(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，硬判決策略不能很好實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)化選擇[8]。為了克服硬判決策略的片面性和不夠靈活的特點(diǎn)，需要綜合考慮多種判決指標(biāo)，將網(wǎng)絡(luò)選擇問(wèn)題轉(zhuǎn)化為多屬性決策問(wèn)題。而綜合判決指標(biāo)的選取具有很大的靈活性，可以根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)設(shè)定相應(yīng)指標(biāo)。

車(chē)聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)所處的環(huán)境下蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)是主要的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，目前不同制式的蜂窩網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用并不統(tǒng)一，考慮到網(wǎng)絡(luò)資源和用戶(hù)需求，所以網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（quality of service,QoS）和價(jià)格都是綜合判決的指標(biāo)。本文選取網(wǎng)絡(luò)帶寬、時(shí)延、可靠性、價(jià)格4個(gè)參數(shù)作為網(wǎng)絡(luò)選擇的判決指標(biāo)，并進(jìn)一步使用誤碼率和平均重傳次數(shù)來(lái)表征可靠性。一般來(lái)說(shuō)，每個(gè)指標(biāo)對(duì)于接入選擇的影響程度不同，為了達(dá)到最優(yōu)化的選擇，不同指標(biāo)對(duì)于綜合判決目標(biāo)的權(quán)重不能平均選取，應(yīng)根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景賦予不同的權(quán)重。目前權(quán)重的設(shè)定并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一般采用專(zhuān)家評(píng)級(jí)的方式，但在多個(gè)判決指標(biāo)和多個(gè)層次的判決場(chǎng)景下，專(zhuān)家評(píng)級(jí)較難確定具體權(quán)值，結(jié)合數(shù)學(xué)模型中的各種決策方法，層次分析法是一種有效的多準(zhǔn)則權(quán)重確定方法[9，10]?？紤]到不同業(yè)務(wù)模型下各判決因素的重要性不同，針對(duì)不同業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)不同權(quán)重的方式顯然可以提高系統(tǒng)的整體性能。目前3GPP已經(jīng)對(duì)3G系統(tǒng)的業(yè)務(wù)類(lèi)型做了具體的定義，根據(jù)技術(shù)要求將業(yè)務(wù)分為4類(lèi):會(huì)話(huà)類(lèi)業(yè)務(wù)、流媒體業(yè)務(wù)、交互類(lèi)業(yè)務(wù)和背景類(lèi)業(yè)務(wù)[11]，具體見(jiàn)表1。

表1 3GPP對(duì)無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)的分類(lèi)

可靠性高，允許時(shí)延根據(jù)表1的分類(lèi)，對(duì)每一類(lèi)業(yè)務(wù)運(yùn)用層次分析法確定其參數(shù)權(quán)重。

（1）建立層次結(jié)構(gòu)模型

分析網(wǎng)絡(luò)選擇問(wèn)題，根據(jù)有關(guān)因素的屬性劃分不同的層次，一般將問(wèn)題分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層，同一層中的因素從屬于上層因素同時(shí)支配下層因素。本文建立的層次結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)選擇層次模型

（2）構(gòu)造判斷矩陣

對(duì)圖5的層次模型，設(shè)全部判決變量X={x1,x2,…,xm}，每次選取兩個(gè)變量，用aij表示xi和xj的重要程度比較，得到兩兩比較判斷矩陣:

關(guān)于aij的確定，經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)得出通常以1～9作為標(biāo)度得到的結(jié)果最優(yōu)，判決矩陣標(biāo)度見(jiàn)表2。

表2 判斷矩陣中標(biāo)度及含義

（3）計(jì)算權(quán)重

對(duì)判斷矩陣A，利用方根法計(jì)算判決參數(shù)的權(quán)重，首先計(jì)算矩陣每一行元素乘積:

則{u1,u2,…,um}為判決參數(shù)的權(quán)重。

（4）一致性檢驗(yàn)

由于矩陣A的確定具有主觀性，因此需檢驗(yàn)其是否滿(mǎn)足一致性，分別計(jì)算矩陣的一致性指標(biāo)CI和隨機(jī)一致性比率CR:

其中RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，其值在參考文獻(xiàn)[6]中給出。當(dāng)CR<0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣的一致性可以接受，否則需要對(duì)矩陣進(jìn)行調(diào)整以滿(mǎn)足一致性。

由上述步驟可以確定網(wǎng)絡(luò)選擇綜合判決目標(biāo)各參數(shù)的權(quán)值，本文所得到權(quán)值見(jiàn)表3。根據(jù)所處理業(yè)務(wù)的不同，網(wǎng)關(guān)通過(guò)綜合判決目標(biāo)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)選擇決策，避免了硬判決策略的局限性，能夠有效提高系統(tǒng)性能[6]。

表3 不同業(yè)務(wù)的判決參數(shù)權(quán)重

在本文設(shè)計(jì)的無(wú)線(xiàn)多模網(wǎng)關(guān)中，網(wǎng)絡(luò)選擇功能基于策略路由來(lái)具體實(shí)現(xiàn)。策略路由是一種比傳統(tǒng)路由更加靈活的路由方式[12～14]。策略路由分為依據(jù)源地址匹配的源地址路由、依據(jù)目的地址匹配的目的地址路由和智能均衡的路由方式。和Netfilter一樣，策略路由也不被嵌入式Linux內(nèi)核默認(rèn)支持，所以需要選擇策略路由器（policy router)選項(xiàng)后重新編譯內(nèi)核，之后創(chuàng)建路由表項(xiàng)，借助iptables命令實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)選擇。借助iptables還能實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)多模網(wǎng)關(guān)的速率控制、目的地址分流和負(fù)載均衡。

4 實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果

4.1 系統(tǒng)測(cè)試

無(wú)線(xiàn)多模網(wǎng)關(guān)所實(shí)現(xiàn)的基本功能是在車(chē)輛內(nèi)部組建VAN以及為車(chē)內(nèi)設(shè)備提供外部蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN的接入功能。在此基礎(chǔ)上，網(wǎng)關(guān)還可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控和優(yōu)化，包括速率控制、目的地地址分流等功能。為此搭建了測(cè)試平臺(tái)對(duì)所研制網(wǎng)關(guān)樣機(jī)的各項(xiàng)功能進(jìn)行測(cè)試[6]。

測(cè)試在4種不同場(chǎng)景下進(jìn)行，分別對(duì)應(yīng)網(wǎng)關(guān)的4項(xiàng)基本功能，平臺(tái)使用網(wǎng)絡(luò)測(cè)試工具Iperf對(duì)設(shè)備的通信性能進(jìn)行測(cè)試，評(píng)估的主要性能指標(biāo)是設(shè)備所獲得的網(wǎng)絡(luò)速率。如圖6所示，4種測(cè)試場(chǎng)景分別為:無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)、網(wǎng)關(guān)基本功能、速率控制、目的地地址分流。測(cè)試結(jié)果表明，網(wǎng)關(guān)完全具備這些功能，且工作可靠、性能穩(wěn)定，可支持內(nèi)部組網(wǎng)以及將多種無(wú)線(xiàn)設(shè)備接入外部網(wǎng)絡(luò)，其接入性能基本到達(dá)外部網(wǎng)絡(luò)所提供的指標(biāo)，具有良好的實(shí)用性。

圖6 系統(tǒng)測(cè)試場(chǎng)景

4.2 車(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所研制網(wǎng)關(guān)在車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的性能，構(gòu)建了車(chē)聯(lián)網(wǎng)視頻傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖7所示[6，15]。由圖可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由搭載USB攝像頭的車(chē)內(nèi)終端設(shè)備（筆記本電腦A1、A2）、無(wú)線(xiàn)多模網(wǎng)關(guān)、接收側(cè)與ADSL相連的接收設(shè)備（筆記本電腦 B1、B2）構(gòu)成。

圖7 車(chē)聯(lián)網(wǎng)視頻傳輸實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景示意

下面僅以WCDMA和cdma2000兩種3G制式的網(wǎng)絡(luò)接入和數(shù)據(jù)傳輸加以說(shuō)明[6]。車(chē)內(nèi)終端和網(wǎng)關(guān)分別搭載于兩輛在行駛的車(chē)輛1、車(chē)輛2中，終端通過(guò)車(chē)內(nèi)WLAN與無(wú)線(xiàn)多模網(wǎng)關(guān)建立連接，分別利用WCDMA和cdma2000的3G通信網(wǎng)卡構(gòu)建接入通路，接收側(cè)的設(shè)備B1、B2通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)與中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通的ADSL相連，與車(chē)輛間通過(guò)中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通的3G網(wǎng)絡(luò)建立相應(yīng)的無(wú)線(xiàn)傳輸通路，以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)驗(yàn)中，USB攝像頭拍攝的視頻流經(jīng)壓縮后通過(guò)無(wú)線(xiàn)多模網(wǎng)關(guān)接入外部3G傳輸通路，將視頻流傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備上顯示。圖7為車(chē)聯(lián)網(wǎng)視頻傳輸實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景示意。

將攝像頭分別接入設(shè)備A1、A2中，配置好各設(shè)備的IP地址，并將網(wǎng)關(guān)的路由流向設(shè)置為流向B1、B2，攝像頭采集的數(shù)據(jù)經(jīng)緩存后傳輸至網(wǎng)絡(luò)，保證對(duì)端視頻流的流暢播放。無(wú)線(xiàn)多模網(wǎng)關(guān)分別通過(guò)WCDMA網(wǎng)絡(luò)模塊 （華為E1750）和cdma2000網(wǎng)絡(luò)模塊（中興通訊AC8710）為高速視頻業(yè)務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)接入，其中，WCDMA模塊的最大數(shù)據(jù)速率可達(dá)7.2 Mbit/s，cdma2000模塊可達(dá)3.1 Mbit/s。為了測(cè)試網(wǎng)關(guān)在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的性能，實(shí)驗(yàn)分別記錄了車(chē)輛不同運(yùn)動(dòng)速度時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的視頻數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸時(shí)延以及丟幀率等性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在車(chē)速為40 km/h時(shí)兩種制式的平均傳輸時(shí)延和丟幀率相差不多，但圖像質(zhì)量已有明顯差異，隨著車(chē)輛運(yùn)動(dòng)速率的提高，圖像質(zhì)量開(kāi)始下降直至中斷?？紤]到中國(guó)的實(shí)際情況，所有實(shí)驗(yàn)的定量測(cè)試結(jié)果將另行報(bào)告。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)和研制了車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境的車(chē)載無(wú)線(xiàn)多模網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)的硬件平臺(tái)以S3C6410為核心處理器，通過(guò)USB接口擴(kuò)展外圍網(wǎng)絡(luò)模塊，實(shí)現(xiàn)了車(chē)內(nèi)車(chē)域網(wǎng)（無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)）和接入點(diǎn)功能以及多種通信網(wǎng)卡接入外部網(wǎng)絡(luò)功能，可以對(duì)車(chē)內(nèi)終端提供外部網(wǎng)絡(luò)接口并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享?；谇度胧絃inux系統(tǒng)設(shè)計(jì)了無(wú)線(xiàn)多模網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)功能管理和路由選擇，在此基礎(chǔ)上還研究了無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)的選擇策略，針對(duì)不同的業(yè)務(wù)分類(lèi)利用層次分析法獲得相應(yīng)權(quán)重分配，以達(dá)到最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)性能。研制的網(wǎng)關(guān)樣機(jī)經(jīng)過(guò)不同場(chǎng)景的系統(tǒng)測(cè)試和實(shí)際車(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境實(shí)驗(yàn)，表明其工作可靠、性能穩(wěn)定，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

本文的網(wǎng)關(guān)雖然是針對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，但其核心技術(shù)亦適于解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)共存場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)融合的問(wèn)題，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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