面向高速公路的車(chē)載自組網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

陳知千 沈一川

（1.上海網(wǎng)之易璀璨網(wǎng)絡(luò)科技有限公司,上海 200232；2.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院〔集團(tuán)〕有限公司,上海 200092；3.上海智慧交通安全駕駛工程技術(shù)研究中心,上海 200092）

車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)（Vehicular Ad-hoc Networks，VANET）是指由移動(dòng)設(shè)備附著在車(chē)輛上形成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的自組織網(wǎng)絡(luò)。車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)是移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)原理在車(chē)輛領(lǐng)域中的應(yīng)用。在該網(wǎng)絡(luò)中，車(chē)車(chē)、車(chē)路通信結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)共存以提供道路安全、車(chē)輛導(dǎo)航等道路服務(wù)。以短程無(wú)線電技術(shù)或蜂窩網(wǎng)絡(luò)、可見(jiàn)光通信等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)。車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)可在某種程度上提高交通的安全性和高效性，在智能交通系統(tǒng)中有著舉足輕重的地位[1]。車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用有電子剎車(chē)燈、車(chē)輛編隊(duì)、交通信息系統(tǒng)、道路交通緊急服務(wù)等。

隨著互聯(lián)網(wǎng)接入變得無(wú)處不在，用戶對(duì)移動(dòng)性的需求已經(jīng)不僅僅局限于單一終端的接入，而提出了將聚集的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)作為互聯(lián)網(wǎng)接入點(diǎn)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（network mobility，NEMO）協(xié)議[2]。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（mobile network nodes，MNNs）是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的常規(guī)移動(dòng)IP節(jié)點(diǎn)（MIP），移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)移動(dòng)路由（mobile router，MR）接入互聯(lián)網(wǎng)。每個(gè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通常有一個(gè)移動(dòng)路由，也可以根據(jù)需要擁有多個(gè)移動(dòng)路由。移動(dòng)路由在這些移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中起到切換的作用，保持節(jié)點(diǎn)始終與互聯(lián)網(wǎng)相連接并且減少切換延遲[3]。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)可以很好地應(yīng)用在移動(dòng)車(chē)輛的環(huán)境中，并可以為車(chē)輛上的移動(dòng)應(yīng)用（mobile application，MA）提供網(wǎng)絡(luò)連接，車(chē)輛上的車(chē)載單元（On board Unit，OBU）可以作為移動(dòng)路由提供切換。載著乘客的一輛移動(dòng)車(chē)輛上可能安置著各種設(shè)備，如用于向乘客提供信息的信息面板、汽車(chē)引擎的傳感器、用于搜集信息的溫度、壓力、速度等嵌入式傳感器等，這些設(shè)備構(gòu)成了車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)。此外，乘客可以攜帶他們自己的個(gè)人無(wú)線設(shè)備和移動(dòng)設(shè)備，隨著乘客的上下車(chē)，這些設(shè)備將進(jìn)入和退出車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)。

本文所設(shè)計(jì)的面向高速公路的自適應(yīng)車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（highway adaptive vehicle infrastructure，HAVIN）是一種通用于高速公路車(chē)載通信的多層移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它基于自組織網(wǎng)絡(luò)（self-organizing network，SON）的模式，將車(chē)輛看作網(wǎng)絡(luò)中的主要基礎(chǔ)設(shè)施。HAVIN通過(guò)減少使用現(xiàn)有的無(wú)線設(shè)備、移動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施和蜂窩連接，來(lái)提供可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)連接，減少固定基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本。

HAVIN將車(chē)輛看作移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，提供車(chē)輛分簇之間的緩存能力，減少車(chē)輛的部署成本，減緩車(chē)輛請(qǐng)求接入網(wǎng)絡(luò)和拓?fù)渥兓拈_(kāi)支。此外，HAVIN通過(guò)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建車(chē)輛分簇形成穩(wěn)定移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)提供可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)連接，將卡車(chē)或其他“表現(xiàn)良好”的車(chē)輛作為路由節(jié)點(diǎn)。通過(guò)共享“移動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施”元素的信息和預(yù)測(cè)拓?fù)渥兓?，確保HAVIN移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在較長(zhǎng)周期內(nèi)保持一致移動(dòng)的統(tǒng)一單位，并且當(dāng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)最小化時(shí)進(jìn)行移交。當(dāng)涉及分址、路由、負(fù)載均衡等問(wèn)題時(shí)可以有效地對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分簇管理。

1 面向高速公路的車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 HAVIN交通拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1.1 預(yù)定義的高速公路固定網(wǎng)格

預(yù)定義的高速公路固定網(wǎng)格是一種具體、實(shí)際的路網(wǎng)劃分，指由實(shí)際道路提取的道路路段和節(jié)點(diǎn)要素所構(gòu)成的地理信息數(shù)據(jù)集合，包括路段LINK和節(jié)點(diǎn)NODE兩大類實(shí)體要素，以及描述轉(zhuǎn)向關(guān)系的道路轉(zhuǎn)向和交叉口渠化信息[4]。在對(duì)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析之后，只需要將預(yù)定義好的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)信息存入車(chē)輛節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)器中，并和車(chē)輛節(jié)點(diǎn)中已有的數(shù)字地圖定位系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)工作。

根據(jù)專用短程通信技術(shù)（dedicated short-range commun ication，DSRC）的最大通信距離300 m，設(shè)定矩形網(wǎng)格的對(duì)角線一半為300 m，則矩形的邊長(zhǎng)約為400 m，矩形網(wǎng)格有著全方位的覆蓋區(qū)域，較之于有無(wú)覆蓋區(qū)域的圓形劃分有著較大的優(yōu)勢(shì)。網(wǎng)格與網(wǎng)格之間設(shè)有重疊區(qū)域，這個(gè)重疊區(qū)域用作網(wǎng)格與網(wǎng)格之間移動(dòng)或固定節(jié)點(diǎn)溝通的一個(gè)渠道實(shí)現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)發(fā)，達(dá)到網(wǎng)格與網(wǎng)格之間車(chē)輛互相溝通的目的。重疊區(qū)域不能過(guò)大，過(guò)大會(huì)造成網(wǎng)格劃分的冗余性，而此區(qū)域又不能過(guò)小，否則會(huì)造成區(qū)域內(nèi)沒(méi)有供兩個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行溝通的節(jié)點(diǎn)，形成信息孤島?；趯?duì)路網(wǎng)的網(wǎng)格化可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的規(guī)?；占吞幚恚瑢?duì)規(guī)整化的網(wǎng)格交通進(jìn)行模擬仿真和實(shí)時(shí)交通流的預(yù)測(cè)和計(jì)算。

1.1.2 基于分簇的移動(dòng)網(wǎng)格

基于分簇的移動(dòng)網(wǎng)格是依據(jù)車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)中簇的應(yīng)用發(fā)展而來(lái)，為了與固定網(wǎng)格相結(jié)合與比較，把這種簇的形式定義成移動(dòng)網(wǎng)格。網(wǎng)格的位置、大小、方向不會(huì)根據(jù)預(yù)定義的結(jié)構(gòu)，而是根據(jù)車(chē)群的特性不斷變化調(diào)整、動(dòng)態(tài)組合而成的。在初始情況下，網(wǎng)格可以僅僅是一輛車(chē)形成的單車(chē)網(wǎng)格形式。隨著此車(chē)發(fā)現(xiàn)與其通信的其他車(chē)輛的相似性或者目標(biāo)的一致性后可以進(jìn)行網(wǎng)格的融合，擴(kuò)大網(wǎng)格的范圍，形成網(wǎng)格簇或網(wǎng)格外包矩陣的形式。融合后的網(wǎng)格中也需設(shè)有領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)、候選領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)。相較于網(wǎng)格融合，還有一個(gè)網(wǎng)格拆分過(guò)程，對(duì)產(chǎn)生分歧的車(chē)群進(jìn)行網(wǎng)格的拆分。

車(chē)車(chē)通信的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)受制于各種交通規(guī)則和道路環(huán)境。在傳統(tǒng)的高速公路上，向相同方向的行駛車(chē)輛有著相對(duì)一致的移動(dòng)性，因此有超過(guò)30 s（假設(shè)相對(duì)速度為100 km/h，廣播范圍為500 m）的連接時(shí)間周期，這段時(shí)間可以有效地保證與鄰居車(chē)輛之間形成網(wǎng)格的穩(wěn)定性。

1.1.3 分布式的計(jì)算型網(wǎng)格

分布式的計(jì)算型網(wǎng)格即從網(wǎng)格計(jì)算引申而來(lái)，傳統(tǒng)的網(wǎng)格是指一種分布式系統(tǒng)和架構(gòu)。在智慧交通環(huán)境下，交通信息分布式的計(jì)算型網(wǎng)格是指通過(guò)高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)把動(dòng)態(tài)的車(chē)輛、交通數(shù)據(jù)采集設(shè)備、計(jì)算資源、海量存儲(chǔ)器、異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)資源等組成虛擬統(tǒng)一的交通信息計(jì)算環(huán)境，提供一種高性能計(jì)算、資源協(xié)同管理及應(yīng)用服務(wù)的能力，可以對(duì)采集海量動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分布存儲(chǔ)并進(jìn)行整合，以便做實(shí)時(shí)路況判斷；可以實(shí)現(xiàn)城市各種信息資源高速傳送以及互操作，以便進(jìn)行交通決策；可以通過(guò)高性能計(jì)算進(jìn)行交通仿真和預(yù)測(cè)；可以使各個(gè)交通職能和實(shí)施部門(mén)以及網(wǎng)點(diǎn)協(xié)同配合；可以使用整個(gè)城市信息網(wǎng)來(lái)發(fā)布交通服務(wù)從而實(shí)現(xiàn)城市各種交通信息的高速傳送以及互操作，解決了傳統(tǒng)智能交通系統(tǒng)（ITS）在資源共享、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和計(jì)算能力等方面的缺陷。

本研究提出道路交通通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1），第一層是道路骨架層，由路段信息、節(jié)段信息、車(chē)道信息和節(jié)點(diǎn)信息組成；第二層是基礎(chǔ)設(shè)施層，由交通安全指示設(shè)施信息、服務(wù)監(jiān)管設(shè)施信息和其他設(shè)施信息組成；第三層是運(yùn)動(dòng)個(gè)體層，由機(jī)動(dòng)車(chē)信息、非機(jī)動(dòng)車(chē)信息和行人信息組成。貫穿在這三層架構(gòu)之間的是交通環(huán)境信息，由交通流信息、自然信息、交通事件信息組成，這些信息通過(guò)各節(jié)點(diǎn)之間互相傳遞和通信。這就是所謂的層級(jí)拓?fù)浼軜?gòu)管理多節(jié)點(diǎn)模式，中央處理機(jī)實(shí)時(shí)獲取區(qū)域內(nèi)接入物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的所有對(duì)象信息，協(xié)調(diào)路邊設(shè)備和車(chē)載設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)和分布計(jì)算、分析和匯總，宏觀調(diào)度區(qū)域內(nèi)相關(guān)節(jié)點(diǎn)的行為，保證區(qū)域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)調(diào)。

圖1 道路交通通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

HAVIN可以對(duì)道路交通數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式采集，并通過(guò)簇首的初級(jí)信息融合和信息轉(zhuǎn)發(fā)，將交通信息通過(guò)路邊基站匯集到交通管理中心，為區(qū)域交通狀態(tài)的預(yù)測(cè)及動(dòng)態(tài)控制和誘導(dǎo)提供數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，控制信息將通過(guò)反向鏈路下達(dá)至信號(hào)燈與無(wú)線交通信息提示牌，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)交通控制；交通誘導(dǎo)信息可以直接發(fā)送到具體的車(chē)輛，完成個(gè)性化誘導(dǎo)服務(wù)，及時(shí)調(diào)整交通流的分配，減少擁堵，提高道路通行能力。此外，智能車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)（Intelligent Vehicle Infrastructure Cooperative System，IVICS）還將實(shí)現(xiàn)交通安全信息的定向、定區(qū)域廣播，在駕駛員接近危險(xiǎn)區(qū)域前進(jìn)行警示，提高車(chē)輛的主動(dòng)安全性[5]。

在HAVIN中，每個(gè)載有無(wú)線射頻設(shè)備的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)都會(huì)將自己的位置、速度、狀態(tài)、形式方向、加速度、與前車(chē)距離等信息實(shí)時(shí)向路邊基站發(fā)送，實(shí)現(xiàn)交通管理中心對(duì)路況的在線監(jiān)測(cè)，在VANET中進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮與融合存在以下必要性。

（1）分布式實(shí)施交通信息采集的目的是使上層的交通管理中心獲得交通網(wǎng)絡(luò)或者網(wǎng)絡(luò)局部的交通運(yùn)行狀況，對(duì)其進(jìn)行分析從而得到在線的交通管理方案。因此，系統(tǒng)關(guān)注更多的是一個(gè)地區(qū)內(nèi)的交通狀態(tài)，而不是車(chē)輛個(gè)體的行駛情況。交通管理中心沒(méi)有必要采集那么多的個(gè)體信息。

（2）在交通中，通常處于同一路段行駛，或者在同一撥車(chē)流中的車(chē)輛會(huì)擁有相似的行駛行為。例如，長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)著相似的速度，保持著相同的距離，或是一起經(jīng)過(guò)一連串的交通信號(hào)燈。因此，在這些車(chē)輛發(fā)出的交通信息中，會(huì)存在大量的冗余信息，占用了大量的通信帶寬。

（3）在層次化的分簇VANET中，道路或者車(chē)流被分為了一個(gè)又一個(gè)的簇，并且這些組成簇的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)往往有比較大的相似性。因此，在簇首做交通信息的初步融合正好可以得到該簇所在小區(qū)域內(nèi)的基本交通狀態(tài)。

車(chē)輛節(jié)點(diǎn)在向上層設(shè)施發(fā)送實(shí)時(shí)交通信息時(shí)，將首先通過(guò)簇首節(jié)點(diǎn)對(duì)分布式數(shù)據(jù)進(jìn)行初級(jí)信息融合，提取出有效的交通狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)冗余數(shù)據(jù)的過(guò)濾和高度壓縮。對(duì)于設(shè)計(jì)高性能的數(shù)據(jù)融合和交通狀態(tài)提取算法，來(lái)降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信負(fù)載，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性、魯棒性，具體有以下內(nèi)容。

（1）分布式交通數(shù)據(jù)集合的確定：簇首節(jié)點(diǎn)通過(guò)融合簇內(nèi)成員采集到的局部交通參數(shù)，提取出當(dāng)前路段區(qū)域的交通狀態(tài)；首先需要確定簇成員需要采集哪些交通數(shù)據(jù)，才能滿足交通狀態(tài)提取的最小需求。采集參數(shù)種類過(guò)少，信息量不足，簇首成員將無(wú)法復(fù)現(xiàn)路段交通狀態(tài)；采集參數(shù)種類過(guò)多，車(chē)輛節(jié)點(diǎn)的成本將增加，并且增大信息冗余度，浪費(fèi)無(wú)線帶寬資源。

（2）交通數(shù)據(jù)的初級(jí)融合：在簇首得到了簇內(nèi)成員當(dāng)前時(shí)刻的局部交通數(shù)據(jù)后，利用車(chē)輛軌跡重構(gòu)、交通狀態(tài)模型，并結(jié)合時(shí)間序列處理算法，充分考慮當(dāng)前簇一段歷史時(shí)間內(nèi)的交通狀態(tài)歷史信息，提取出路段當(dāng)前時(shí)刻的交通狀態(tài)。

1.2 HAVIN的VANET模型

對(duì)VANET模型而言，一方面，固定服務(wù)提供商是已存在的互聯(lián)網(wǎng)接入提供商，通過(guò)接入網(wǎng)絡(luò)作為接入提供商來(lái)控制基站和提供互聯(lián)網(wǎng)接入；另一方面，自適應(yīng)的服務(wù)提供商是一種基于SON模式的新的服務(wù)商類型。自適應(yīng)的服務(wù)提供商用以管理車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)的基礎(chǔ)設(shè)施，如卡車(chē)及車(chē)輛，家庭代理以及各種固定網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器。它將它的服務(wù)提供給車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)布者，同時(shí)利用固定服務(wù)提供商來(lái)接入互聯(lián)網(wǎng)以形成固定的網(wǎng)絡(luò)，一輛車(chē)可以通過(guò)接入基站的固定服務(wù)提供商來(lái)訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)，也可以通過(guò)部署基于NEMO基礎(chǔ)設(shè)施的自適應(yīng)服務(wù)提供商來(lái)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)[6]。

假設(shè)普通車(chē)輛和卡車(chē)都擁有車(chē)車(chē)通信、車(chē)輛與基礎(chǔ)設(shè)施通信的能力，稱其擁有V2I和V2V的通信能力，各自通信范圍為1 000 m和250 m，當(dāng)作為移動(dòng)路由時(shí)只要打開(kāi)天線，車(chē)內(nèi)的應(yīng)用單元需要通過(guò)NAT連接到網(wǎng)絡(luò)，這樣可以保證一個(gè)車(chē)輛中的多個(gè)應(yīng)用單元可以使用一個(gè)外部的IP地址（車(chē)輛IP地址），同時(shí)減少使用嵌套NEMO的費(fèi)用。

HAVIN的設(shè)計(jì)思想來(lái)源于以下三種場(chǎng)景。

場(chǎng)景一：基于固定基礎(chǔ)設(shè)施的存在，網(wǎng)絡(luò)由一系列動(dòng)態(tài)分簇的車(chē)輛組成；

場(chǎng)景二：有固定的蜂窩基站存在，它們已經(jīng)部署于道路上，并且?guī)缀醺采w滿整個(gè)道路；

場(chǎng)景三：在高速公路或城市道路中存在的營(yíng)運(yùn)或貨運(yùn)車(chē)輛，由服務(wù)提供商控制，擁有比其他普通車(chē)輛較高的處理能力、較強(qiáng)的安全性以及更大的帶寬，作為網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施。

基于以上場(chǎng)景，對(duì)所設(shè)計(jì)的HAVIN進(jìn)行詳細(xì)描述。HAVIN架構(gòu)由自適應(yīng)的組成相對(duì)移動(dòng)性較低的簇的車(chē)輛組成，每一個(gè)簇有一個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)，所有的簇組成了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)。HAVIN架構(gòu)包括一個(gè)固定服務(wù)提供商和一個(gè)自適應(yīng)服務(wù)提供商，固定服務(wù)提供商由家庭代理和其他多個(gè)服務(wù)器組成，而自適應(yīng)的服務(wù)提供商由家庭代理、驗(yàn)證服務(wù)器和其他管理服務(wù)器組成。一方面，自適應(yīng)服務(wù)商用以管理車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)里具有良好性能的車(chē)輛以及固定網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的服務(wù)器；另一方面，固定服務(wù)商可以確保在固定網(wǎng)絡(luò)中使用家庭代理來(lái)進(jìn)行路由節(jié)點(diǎn)無(wú)縫轉(zhuǎn)移時(shí)車(chē)輛的進(jìn)程連續(xù)性。自適應(yīng)服務(wù)商為位于車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)布者提供服務(wù)，而這之中需要使用到的互聯(lián)網(wǎng)連接由固定服務(wù)商提供。

1.3 HAVIN體系結(jié)構(gòu)協(xié)議棧設(shè)計(jì)

HAVIN架構(gòu)結(jié)合了NEMO和多跳VANET的概念，致力于提供非安全車(chē)輛應(yīng)用的通信場(chǎng)景，如需要IPv6網(wǎng)絡(luò)和地理VANET路由，因此設(shè)計(jì)出如下HAVIN架構(gòu)的協(xié)議棧。

（1）應(yīng)用層基于TCP/IP協(xié)議；

（2）IPv6位于VANET層（用于車(chē)輛間通信）或位于5G/6G層（用于基站間通信）上層；

（3）VANET層為IPv6的子IP層；

（4）VANET層ID作為車(chē)載區(qū)域的子IP地址，在車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)中提供可獲得性；

（5）VANET層是基于802.11協(xié)議并且可以根據(jù)需要運(yùn)行其他無(wú)線技術(shù)。

1.4 HAVIN體系結(jié)構(gòu)組件

HAVIN體系結(jié)構(gòu)由移動(dòng)路由節(jié)點(diǎn)、簇首節(jié)點(diǎn)、候選簇首節(jié)點(diǎn)、簇成員節(jié)點(diǎn)四個(gè)組件組成，在車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)中分別起到以下作用。

移動(dòng)路由節(jié)點(diǎn)（MR）：移動(dòng)路由節(jié)點(diǎn)是一個(gè)穩(wěn)定移動(dòng)的結(jié)構(gòu)，通常由自適應(yīng)的服務(wù)提供商控制，作為自適應(yīng)服務(wù)提供商用戶的移動(dòng)網(wǎng)關(guān)。移動(dòng)路由節(jié)點(diǎn)接入互聯(lián)網(wǎng)并通過(guò)固定服務(wù)提供商（基站）連接到自適應(yīng)服務(wù)提供商的網(wǎng)絡(luò)。移動(dòng)路由節(jié)點(diǎn)是VANET網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)之間的篩選組件，用以處理IP報(bào)文的封裝與解封。然而，移動(dòng)路由節(jié)點(diǎn)與固定服務(wù)提供商之間的鏈路容量有限且價(jià)格昂貴，因此，移動(dòng)路由節(jié)點(diǎn)嘗試在車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)層面進(jìn)行操作，只在有重要通信時(shí)使用移動(dòng)路由節(jié)點(diǎn)與固定服務(wù)提供商之間的鏈路通信，出于此目的，移動(dòng)路由節(jié)點(diǎn)通常應(yīng)該具有較高的容量、電量、比其他普通車(chē)輛有更高的通信范圍等特性。在網(wǎng)絡(luò)中有多個(gè)移動(dòng)路由節(jié)點(diǎn)存在，每一個(gè)移動(dòng)路由節(jié)點(diǎn)向相關(guān)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)NEMO提供網(wǎng)絡(luò)連接，移動(dòng)路由節(jié)點(diǎn)是整個(gè)架構(gòu)的核心結(jié)構(gòu)，對(duì)安全、性能、移動(dòng)性管理有著較大的影響。

簇首節(jié)點(diǎn)（CH）：簇首節(jié)點(diǎn)與其周?chē)?chē)輛節(jié)點(diǎn)有著良好的鏈路連接，可以為其他車(chē)輛加入簇進(jìn)行決策，可以嘗試維護(hù)簇成員的連接性。簇首節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、相?duì)速度、網(wǎng)絡(luò)擁堵情況而隨著時(shí)間變化。簇首負(fù)責(zé)簇內(nèi)成員，就如同移動(dòng)路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)NEMO節(jié)點(diǎn)成員，但是簇首節(jié)點(diǎn)并不是接入互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，且并不擁有良好的容量以及較大的范圍。簇首節(jié)點(diǎn)依賴于移動(dòng)路由節(jié)點(diǎn)來(lái)接入互聯(lián)網(wǎng)，但是比起普通車(chē)輛來(lái)說(shuō)擁有更大的責(zé)任并且可以在短時(shí)間內(nèi)臨時(shí)擔(dān)任移動(dòng)路由節(jié)點(diǎn)的角色。

候選簇首節(jié)點(diǎn)（CCH）：由于在高速公路上，車(chē)輛節(jié)點(diǎn)有著高速動(dòng)態(tài)性，往往簇首節(jié)點(diǎn)并不能保持長(zhǎng)時(shí)間有著良好的鏈路連接，當(dāng)簇首節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)或是不再適合成為簇首節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，就需要新的節(jié)點(diǎn)去代替原來(lái)的簇首節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)被當(dāng)作候選簇首節(jié)點(diǎn)。

簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)（CM）：簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)CM是經(jīng)過(guò)相關(guān)簇首節(jié)點(diǎn)同意之后加入簇的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)，它用以轉(zhuǎn)發(fā)其他簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)的信息并且維護(hù)鄰居節(jié)點(diǎn)列表，它依賴于移動(dòng)路由節(jié)點(diǎn)接入互聯(lián)網(wǎng)，且依賴于簇首節(jié)點(diǎn)CH以及其他成員節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2顯示了HAVIN體系結(jié)構(gòu)中所有的組件以及之間的交互關(guān)系。

圖2 HAVIN體系結(jié)構(gòu)組件交互圖

1.5 HAVIN的尋址及路由

在HAVIN中的每一個(gè)車(chē)輛擁有車(chē)載單元并且可以連接到互聯(lián)網(wǎng)。當(dāng)車(chē)輛初始化請(qǐng)求連接到一個(gè)自適應(yīng)服務(wù)商網(wǎng)絡(luò)之前，它的車(chē)載單元擁有一個(gè)由車(chē)輛制造商或自適應(yīng)服務(wù)商指派的MAC地址。與此同時(shí)，自適應(yīng)服務(wù)商固定網(wǎng)絡(luò)擁有一個(gè)注冊(cè)機(jī)構(gòu)（Registration Authority，RA）用以對(duì)加入網(wǎng)絡(luò)的車(chē)輛進(jìn)行身份驗(yàn)證，出于此目的，車(chē)輛會(huì)預(yù)先裝載入有公有/私有密鑰對(duì)、一個(gè)VANET層ID、一個(gè)由RA頒布與此ID相關(guān)的公鑰證書(shū)、RA的IP地址和公鑰。此外，出于地址隱私的目的，一個(gè)車(chē)輛或許預(yù)先裝載有多個(gè)VANET層ID以及相關(guān)證書(shū)[7]。

對(duì)于所有車(chē)輛而言，VANET層提供地理上的路由并且能夠不適用IPv6層來(lái)傳輸及轉(zhuǎn)發(fā)IPv6數(shù)據(jù)包，VANET層基于源節(jié)點(diǎn)、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)、中間節(jié)點(diǎn)提供了單播及多播數(shù)據(jù)包的路由。最為簡(jiǎn)單的單播路由實(shí)例為基于地理位置的路由，即通過(guò)貪婪轉(zhuǎn)發(fā)方式，包括位置服務(wù)信號(hào)來(lái)解析目標(biāo)位置以及通過(guò)多跳路由數(shù)據(jù)包，選擇最近一跳鄰居節(jié)點(diǎn)來(lái)到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。例如，Geocasting算法是基于單播貪婪轉(zhuǎn)發(fā)算法的修改版本，其中目標(biāo)地址不再是一個(gè)單一的地理位置，而是一個(gè)地理區(qū)域。

HAVIN體系結(jié)構(gòu)的IP數(shù)據(jù)包投遞包括以下實(shí)體與步驟：

（1）IP起始節(jié)點(diǎn)：運(yùn)行應(yīng)用程序并發(fā)送有合適IPv6頭的數(shù)據(jù)包。

（2）VANET源節(jié)點(diǎn)：添加具有合適地址和標(biāo)識(shí)的VANET和IEEE802.11首部。源節(jié)點(diǎn)使用目標(biāo)IPv6地址生成一個(gè)IPv6數(shù)據(jù)包，用帶有IP下一跳VANET ID的VANET層首部進(jìn)行封裝，同時(shí)用帶有VANET鄰居IEEE802.11MAC地址的802.11首部進(jìn)行封裝。

（3）選擇VANET鄰居：VANET鄰居是指可以通過(guò)無(wú)線連接直接進(jìn)行通信的節(jié)點(diǎn)。使用地理路由協(xié)議，VANET起始節(jié)點(diǎn)選擇離目標(biāo)節(jié)點(diǎn)最近的VANET鄰居，并將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給它。鄰居是由IEEE802.11幀中的目標(biāo)MAC地址分配的。

（4）選擇IP下一跳：對(duì)于VANET層來(lái)說(shuō)，IP下一跳為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。在IP下一跳之前的所有中間節(jié)點(diǎn)僅僅檢查報(bào)文的VANET層首部，而忽略IP首部，只有當(dāng)報(bào)文到達(dá)IP下一跳時(shí)，才咨詢IP首部來(lái)做轉(zhuǎn)發(fā)決策。選擇IP下一跳包括如下過(guò)程。

如果目標(biāo)節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)VANET轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)，則IP地址下一跳為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)本身；

如果不是，IP下一跳為路由節(jié)點(diǎn)MR；

IPv6首部被封裝在VANET首部中，IP下一跳由VANET首部中的目標(biāo)VANET標(biāo)識(shí)所分配。

（5）目標(biāo)節(jié)點(diǎn)：IP數(shù)據(jù)包最終被發(fā)送到的節(jié)點(diǎn)為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，由IPv6首部的目標(biāo)IPv6地址分配。

2 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種適用于高速公路的車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，首先對(duì)整個(gè)HAVIN進(jìn)行了綜合闡述，主要包括HAVIN的設(shè)計(jì)目標(biāo)及相關(guān)應(yīng)用通信場(chǎng)景，以及安全性應(yīng)用與非安全性應(yīng)用的描述。其次對(duì)HAVIN進(jìn)行了詳細(xì)的描述，將整個(gè)HAVIN分為三個(gè)主要層次：（1）預(yù)定義的高速公路固定網(wǎng)格；（2）基于分簇的移動(dòng)網(wǎng)格；（3）分布式的計(jì)算型網(wǎng)格，構(gòu)成了一個(gè)以網(wǎng)格為基本結(jié)構(gòu)的完整智能交通系統(tǒng)。最后基于該物理架構(gòu)，提出了HAVIN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括對(duì)VANET模型的解釋，對(duì)各類車(chē)輛節(jié)點(diǎn)協(xié)議棧的設(shè)計(jì)，基本的組件以及尋址及路由機(jī)制，研究成果為智慧高速公路仿真試驗(yàn)提供理論依據(jù)。