城市车载网络（共7篇）
城市车载网络 篇1
0 引言
目前车载网络通信是国内外研究的一个热点,基于Ad Hoc 网络的车辆间通信[1]将是Ad Hoc应用的一个新领域。由于车载Ad Hoc 网络所处的特殊环境,车辆间通信的无线信号受到建筑物的影响而产生穿透损耗,使得传统的研究方法具有一定的局限性。通过对仿真工具NS2进行二次开发,在NS2[2]中加入了可以代表建筑物的概率障碍物模型,使原来只能仿真网络逻辑拓扑结构转变为能够仿真网络的物理拓扑结构。道路、交通灯和建筑物是影响车载Ad Hoc网络中节点运动的主要因素,运动的轨迹具有高密度和随机性低等特点,因此现有路由协议不能直接应用于车载Ad Hoc网络。当前车载网络的路由协议的研究多是基于位置信息的。但采用这类协议的节点,需要周期性交换控制消息,以维护相邻节点和目的节点的位置信息,造成算法复杂度高,网络控制开销大。因此考虑对基于拓扑的路由协议进行改进,而AODV协议是唯一被IETF定为移动 Ad Hoc网络的标准协议[3],该协议具有性能稳定、路由开销较小和适应性强的优点,但用于网络拓扑变化剧烈的车载网络,仍不能满足通信质量的要求。分析AODV协议的不足之处后,结合车载Ad Hoc网络的特点,提出了GE-AODV协议。
1 概率穿透障碍物模型
1.1 建筑物穿透损耗
车载Ad Hoc网络是一种借助于电磁波传播的网络。电磁波不仅在传播过程中会损耗能量,当电磁波穿透各种障碍物时也会产生一定能量损耗,严重时建筑物的阻挡也可能会使电磁波无法穿过而使通信中断,数据分组丢失。因此,考虑建筑物的阻碍作用对车载Ad Hoc网络的影响无疑具有重要现实意义。
频段不同的电磁波穿透建筑物的能力是不同的。穿透损耗与电磁波频率的关系是:频率低时损耗大,而频率高时则损耗相对小一些。在工程设计中,有一些常用的经验预测模型可供参考,如Okumura模型和Hata模型等[4]。但这些模型计算太过复杂,为了简单可行起见,设计一种实用的概率穿透模型作为建筑物穿透的数学参考模型,该模型以现实世界中测得的不同材质下建筑物的穿透损耗数据为基准,以一定的概率使信号能穿透障碍物继续传播。这样在后续工作中就能利用该模型模拟障碍物对信号造成的影响。数学模型定义如下:
式中,0表示信号被障碍物阻挡;1表示信号穿透障碍物;p表示信号穿透障碍物的概率;1-p 对应的是信号被阻挡的概率。
根据以上提出的障碍物穿透模型,信号穿透事件的处理流程设计:节点在发送分组时,首先查询场景障碍物列表,如果2个节点间存在障碍物,则根据概率穿透模型的穿透概率计算穿透结果,如果计算结果可以穿透则按传播模型计算信号传播损耗,按正常流程收发分组,否则认为信号被建筑物阻挡,数据包做丢失处理。
1.2 概率穿透障碍物模型设计
1.2.1 设计原理
一个障碍物对象[6]定义为三维空间的一个矩形平面,垂直于水平面,由4个端点表示。由于现有的Ad Hoc 网络大多应用在同一高度的平面上,故障碍物模型可以将第三维高度认为是无穷大,简化为一条二维线段,由2个端点确定位置障碍物。
假定场景中所有车载电台都使用全向天线,障碍物能够阻断无线电波的传输。在该区域两边的无线节点之间的连线,如与障碍物有交点,则考虑一下情况:无线电波可能被阻挡也可能穿透。这正是概率穿透模型所考虑到的情况。
1.2.2 概率穿透模型的实现
NS2中移动节点之间的通信是以无线电波的形式完成的,节点以层次设计,每层各司其职,物理层则负责将分组以无线电波的形式发送出去,在2个节点的物理层间加入穿透模型。在障碍物模型[5,6]的基础上实现概率穿透模型,概率穿透模型的实现流程如图1所示。
在接收方的MAC层接收函数中,分析数据包P,读取收发双方的Mac地址。通过转换函数,获得收发双方的物理位置。遍历障碍物链表,读取障碍物的物理位置,测试其是否阻隔了当前收发节点。如果是,触发概率穿透函数,即取(0～1)的随机数与穿透率比较,当穿透率较大时,概率穿透函数返回1的可能性大;当穿透率变小时,概率穿透函数返回0的可能性随之增大。执行概率穿透函数后,如果不能穿透则丢弃,否则,继续执行NS中原有代码。
2 GE-AODV的设计
2.1 GE-AODV协议设计思想
由于车载Ad Hoc网络的节点移动速度大,网络拓扑结构变化剧烈,为了获得更好的网络QoS,节点位置信息可以用于提高网络的鲁棒性和选择最佳路径。每个节点的能量充足,并且可以配备GPS接收装置,故GE-AODV协议可以使用GPS数据信息来降低网络时延和提高消息传播的有效性。在AODV协议中路由请求信息RREQ采用了广播方式,这样会增大网络中的路由开销。针对AODV协议的这个缺点,GE-AODV协议采用多播方式来传播路由控制信息,这样能降低网络中的路由开销,即减少路由发现过程中的洪泛数据包数量。
2.2 路由发现过程
在路由发现过程中,AODV把RREQ包广播到传输范围内的所有节点,如图2(a)所示。邻居节点判断自己是否为目的节点,如果是,节点发送RREP,路由就此建立;否则,邻居节点和源节点一样在通信范围内广播RREQ数据包,如此下去,直到找到目的节点,如图2中细线部分所示。广播RREQ可能引起网络拥塞,研究表明,RREQ包数量与节点数目呈线性关系。而在GE-AODV协议中,节点位置信息可以减少洪泛RREQ数据包的数目。由于源节点存储了目的节点地址,故只需往目的区域发送RREQ,如图2中加粗线部分所示。
2.3 数据包格式的修改
为了使源节点能够往网络目的区域节点发送请求包,需要修改RREQ数据包格式。修改的RREQ添加了目的节点的位置信息、节点间距离值及目的区域信息。目的节点的位置信息是用于传递消息到位置域。在路由发现过程中,源节点会在RREQ数据包中发送2个额外的字段到邻居节点,一个字段是源宿节点距离值,另一个字段是目的区域信息。目的区域是指目的节点所处的潜在位置区域,是一个以目的节点O为中心,半径为载波侦听距离的圆形区域。
2.4 数据包的前传机制
源节点S发送数据包时,S的邻居节点B收到数据包,然后B节点首先判断自己是否在目的区域,如果在就直接采用洪泛方式向其邻居转发数据包,如果不在则计算自己到中心O的距离Dist(B,D)。如果Dist(S,D)>Dist(C,D),则节点B向其邻居节点转发数据包。在转发数据包前需要用自己到中心O的距离Dist替换上一跳节点到中心的距离,以便下一跳使用。如果Dist(B,D)>Dist(S,D),节点B知道发送节点S是否处于目的区域,如果节点S是目的区域的节点,则B节点转发数据包,否则就丢弃数据包,那么就能减少网络中数据洪泛的数量。这也能加快网络中路由的建立,因为路由发现过程不再是整个网络搜索,而是目的区域的搜索过程。
3 新模型下的路由协议性能分析
城市场景下车载Ad Hoc网络路由协议的性能分析非常重要。通过上述对 NS2障碍物以及概率穿透模型的添加以及路由协议的改进,将能模拟一个具有若干障碍物的真实城市街区场景,分析对比在概率穿透障碍物模型的情况下不同路由协议的性能。主要仿真参数设置如下:运动模型采用了基于受限连通域节点移动模型;节点运动速度为5 m/s、10 m/s、20 m/s和50 m/s;仿真中有12对CBR数据流,且节点发包速率为1 packet(s)/s、10 packet(s)/s和100 packet(s)/s;MAC层采用IEEE802.11协议;路由层采用了AODV和GE-AODV两种协议;仿真时间为250 s,仿真结果如图3所示。
图3(a)是2种协议在不同运动速度下的端到端平均时延。从图中可以看出随着运动速度的增大,由于网络拓扑结构变化加快,端到端时延增大,但GE-AODV 协议的时延明显小于AODV协议。因为GE-AODV协议的路由发现过程不再是整个网络搜索,而是目的区域的搜索过程,故时延较小。
图3(b)可以看出2种不同路由控制开销,2种协议的归一化路由控制开销相差较大。在AODV协议中所有节点都广播RRQ消息,占用了大量网络带宽资源;而GE-AODV协议限制了节点转发的RREQ消息数目,故在减少路由控制开销方面优势明显。
图3(c)和图3(d)是AODV和GE-AODV两个协议在不同运动速度及不同发包速率的条件下的分组投递率。从图中可以看出,当节点发包速率不是很大时,GE-AODV协议的优势不明显;随着发包速率的增加,2种协议的分组投递率都有所下降,而改进协议的分组投递率略高于AODV协议。这是因为GE-AODV协议路由建立过程中,建立的路由可靠性最好,保证路由发生断裂的几率小,重新发起路由发现的次数少,进而减少路由控制消息占用的带宽资源,有效地避免了发送数据包拥塞所导致的分组丢失。
4 结束语
上述分析了车载城市环境中影响网络的各个因素后,通过对建筑物穿透损耗的研究,建立了一个障碍物概率穿透模型,并将其加入NS2中,对AODV及改进的AODV仿真,仿真结果表明,改进的AODV协议降低了网络的传输时延和路由开销,同时保持了网络中分组投递率不降低。因此,GE-AODV协议在保证网络健壮性和数据传输方面具有一定优势,更适用于网络负载较重、速度较高的车载通信系统。对于在 NS2中加入的障碍物、概率穿透模型默认成统一性质的建筑物,可以在以后的仿真中,加入不同信号穿透概率的模型,这样更接近于真实的城市环境,这是将来的一个研究方向。
摘要：考虑到城市环境中障碍物对网络性能的重要影响,在NS2(Network Simulator version 2)中加入了代表障碍物的概率穿透模型,使仿真环境更接近真实环境。针对AODV(Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing)协议应用在城市场景下的缺陷,提出了一种改进的AODV协议——GE-AODV(Geocast Enhanced AODV)协议,该协议是基于位置信息的协议,并采用了多播方式来转发控制信息。仿真表明,GE-AODV降低了网络时延和控制开销,提高了网络可靠性。
关键词：车载Ad Hoc网络,概率穿透障碍物模型,AODV
参考文献
[1]SHIRAKI Y,OHYANAT,NAKABAKASHI S,et al.Development of an Inter-vehicle Communications System[J].Special Edition on ITS(Intelligent TransportationSystem),2001,68(4):11-13.
[2]方路平,刘世华,陈盼,等.NS-2网络模拟基础与应用[M].北京:国防工业出版社,2008:89-113.
[3]RFC3561.Ad Hoc On-demand Distance Vector(AODV)Routing[S].
[4]郭梯云,邬国扬,李建东.移动通信[M].西安:西安电子科技大学出版社,2006:119-131.
[5]徐旭.车载Ad Hoc网络路由协议的研究[D].吉林大学(2006522087).长春:吉林大学通信工程学院,2008:41-43.
[6]CHEN YR,LU YW.Simulation Environment Realization forVehicle Ad Hoc Network Based on NS2[J].InternationalConference on Power Electronics and IntelligentTransportation System,2010,3(2):293-296.
城市车载网络 篇2
车载网络是智能城市交通系统的通信基础对于采集和传递交通路况信息、缓解交通拥堵、提高交通运输效率、降低车辆污染等都有重要作用。然而车载网络具有节点移动自主性强、移动速度快、分布不均匀、拓扑变化频繁等特点。这使得现有的移动车载网络通信技术还难以满足智能交通等应用的通信需求。究其根本原因在于底层通信的间歇性链路与上层通信的持续性需求之间存在矛盾 (使得Internet或Ad Hoc网络所采用的传统通信技术在车载网络组网实践中面临着巨大的挑战。
许多研究者正试图利用移动容迟网络Delay Tolerant Network DTN技术来解决这一矛盾。移动容迟网络是随着无线通信与计算机网络发展而出现的一种新兴技术目的是满足极端环境下计算机网络的数据通信需求其主要特点是使用“存储-携带-转发” (store-carry-forward) [1]的数据通信技术在缺乏底层持续链路的情况下利用被称为“接触”Contact的传输机会以异步的方式来进行逐跳的消息传递。可以看出移动容迟网络技术能够为城市车载网络提供更为完善的组网技术和通信基础平台在提高城市车载网络的可达性、实时性和差异容忍性方面具有十分重要的实用价值和广泛的应用前景。
基于城市车载环境的容迟网络称为城市车载容迟网络Urban Vehicular Delay-tolerant Network或UVDN。地理通信作为UVDN的一大特色功能主要服务于对地理信息敏感的消息。此类消息通常需要被传送到特定的地理位置其可能是路况信息更新、交通事故提醒、免费停车场指引[2]也可能是针对出租车的客流信息传达等。车辆作为UVDN的移动节点同样采用“存储-携带-转发”的模式来满足连接稀疏情况下车载网络的数据通信需求。虽然UVDN以通信效率为代价获得通信的可行性但在实际应用中消息是普遍具有时效性的也就是说一个消息可能只在其产生后的某一段时间内是有价值的。因此UVDN的通信延时分析对路由的设计及网络协议的优化都是十分必要的。然而城市的车辆数目庞大车速在地理上的高度不均车辆移动严格受到道路约束等等因素使得UVDN的延时分析方法在设计上存在挑战。
由于UVDN是容迟网络的特殊应用范例我们希望能从一般容迟网络的延时研究中获得启发。遗憾的是虽然针对一般容迟网络的延时研究已经取得了优秀的成果[3,4,5]但因为一般容迟网络中节点移动自由度大且缺乏节点定位信息这些成果难以被推广到UVDN的延时分析。部分研究学者[6,7]从车载网络特征出发建立模型给出了以特定地理位置作为通信终点的城郊车载容迟网络的延时分析。由于城郊地区车辆数目有限道路构造简单其研究不考虑消息在车辆间的转发消息只能由车辆携带到通信目的地。然而在城市环境下车辆数目庞大且车辆间的接触频繁为提高通信效率车辆间的消息转发功能是不可忽略的。目前面向地理通信且考虑车辆间转发的UVDN的研究多注重于单副本条件下的路由协议设计[2,8,9]对于多副本条件下的延时等网络性能的理论分析还很缺乏。
本文考虑的是UVDN在多副本传送条件下以特定地理位置为终点的通信延时问题。网络内的车辆均配备有在一定范围可以通信的路由设备此设备能够存储携带和转发消息这使得消息在UVDN中可以以多副本形式传递。由于UVDN中的车辆行驶受到复杂的道路布局限制我们将从简化城市地理信息和抽象车辆移动模式两方面入手对UVDN的通信延时建模。地理划分是简化城市地理信息的有力手段我们根据城市道路布局提出了干路中心法Major-road Centered Map Segmentation, MCMS将城市分割为以主干路片段为中心的分区。城市中的每一个地理位置属于且仅可能属于某一个分区。车辆移动模式方面在城市分区的基础上我们建立了一个UVDN的延时分析模型MDM (MCMS-based Delay Model) 其中我们假设车辆在短时间内的位置移动是一个马尔科夫过程。根据此马尔科夫链及网络副本发送率单位时间内网络中产生的新的消息副本数可以得到UVDN通信延时的累积分布函数。
本文中我们将以“两跳”转发模式为例详细介绍UVDN的延时分析模型MDM。在这种转发模式下只有消息原本的携带车辆有转发权利携带消息副本的车辆无权利再将消息内容转发给其他车辆。
本文的主要贡献有:
1) 针对城市以地理位置为终点的通信问题本文提出了新的区域划分方法———干路中心法即MCMS。此划分方法抓住了城UVDN的特点:城市干路上的车辆流通量大移动节点接触频繁。因此以干路片段为中心划分城市区域贴近了现实的城市车载环境且降低了移动节点在分区中定位的复杂性。而由此方法所得的分区正是接下来延时分析模型的基础结构。
2) 本文将城市车辆的移动抽象为以分区作为状态节点的马尔科夫过程并以此为基础建立理论分析模型MDM给出UVDN地理通信的延时分布函数。此模型抓住了城市车辆集的宏观运动规律不依赖车辆的个体出行偏好这使得车辆集构造复杂且数目庞大的UVDN的通信延时计算大大简化。
3) 本文建立了多副本传送条件下的城市地理通信延时模型MDM这里车辆间的交流是被考虑在内的这一考虑在城市车载环境下是十分有必要的。而通过MDM得到的理论延时分布表现出了与仿真结果较好的吻合度这表明MDM建模假设的合理性及建模方法的正确性。
本文的结构安排如下。第一章和第二章将分别详细介绍干路中心法MCMS及基于该划分方法的UVDN延时分析模型MDM通过MDM可以得到通信延时的分布函数表达式。在第三章中我们利用北京市出租车轨迹数据集检验MDM给出的延时分析结果并将MDM的理论延时分布与实际数据仿真结果进行比较。第四章中我们将根据仿真结果对MDM进行总结。最后在第五章我们将给出目前国内外学者针对移动容迟网络和车载网络的研究成果。
1 MCMS干路中心法
以地理位置为通信终点的UVDN延时分析需要依赖网络节点的地理信息。这类复杂的信息不仅包括目的地与消息原本携带车辆的地理位置还包括其他车辆的位置移动规律。由于移动路由设备有一定的通信覆盖范围将城市划分成地理连续的分区不仅有利于网络节点地理信息的获取更便于建立通信延时的分析模型。
地理划分的最简单办法是将整片区域按经纬度均匀划分。但这种方法没有考虑到城市道路布局以及道路对车辆行驶的限制。在[18]中作者认为城市道路可以分为干路和支路。与支路比较干路单位时间内的车流量较大设计较宽且布局相对简单明了。因此其提出一种以干路布局作为依据的城市地理划分法将干路围成的最小区域作为分区如图1所示。图中黑色直线代表城市干路红色及蓝色线段围成的区域为所得的分区。然而此方法得到的分区在UVDN中暴露出不适应性。车流量较大的干路是车辆间通信的主要场所这种方法可能将一条干路上的车辆分隔到两个分区中这使得车辆定位的复杂度增大了而精确度却降低了。因此我们提出了新的基于干路布局的城市地理划分法———干路中心法Major-road Centered Map Segmentation, MCMS。
MCMS的执行步骤如下。选取干路的交点及干路围出的区域的中心点作为坐标点连接四个相邻的坐标点便得到一个分区如图2所示。MCMS将车辆与车辆接触频繁的地区划为分区这使得车辆的跟踪更加准确。除此之外MCMS以坐标点连接得到分区适用于多样的城市干路布局。通过这种具有科学合理性及普适性的划分方法得到的城市分区正是延时分析模型MDM的基础结构。
2 UVDN延时分析模型MDM
本章将以“两跳”转发模式为例介绍基于MCMS的UVDN延时分析模型MDMMCMS-based Delay Model。此模型通过车辆在短时间内的位移模式得到以地理位置为通信终点的UVDN的延时分布函数。
首先按照上一章介绍的MCMS将整个城市区域划分后得到n-1个分区依次将其编号为A1, A2, …, An-1城市之外的区域定义为黑洞区编号为An。除黑洞区之外的每个分区均是以干路片段为中心的多边形区域。UVDN中的移动节点由城市车辆集构成。车辆可以行驶在城市内部的任意道路上并均配有可以携带和转发消息的路由设备。
在0时刻分区Ai内一辆车O要将消息I通过UVDN传送到分区Aji≠j且均不是黑洞区。Ai称为消息源分区Aj称为目标分区。车辆O称为源头节点。消息I由O携带移动且其副本仅可以由O转发给与其相遇的车辆。从O得到消息I副本的车辆称为转呈节点。消息I可以随着源头节点及转呈节点的移动到达城市的某些分区形成消息传递的轨迹网。当有车辆从接收消息I开始首次达到分区Aj时通信宣告结束。0时刻与通信结束时刻间的时长称为通信延时。我们的工作是在MCMS的城市分区基础上建立UVDN的延时分析模型MDM通过MDM给出两分区间通信延时的分布函数。首先我们给出模型中需要的符号及必要的假设。
2.1 符号和假设
MDM主要通过城市车辆在短时间内的位置移动规律来得到通信延时的分布函数。下面我们给出一些符号和假设来简化实际的城市车辆移动模式。
2.1.1 符号
通过车辆的实际移动轨迹数据可以得到一组等时间间隔的地图快照。设{X0, X1, X2, …, Xn, …}为地图快照中记录下的某一车辆的轨迹其中Xk (k∈N+) 为k时刻该车所在的分区编号。T为车辆轨迹中相邻时刻的时间间隔其也是两个相邻快照间的时长。车辆的行驶轨迹在地理上是连续的为体现这一客观事实间隔时间T的取值不宜过大应尽量使车辆在相邻时刻的快照中处于地理上相邻或相同的分区。记N为车O在T内转发出的消息副本数即单步副本发送数此参数与实际的车载环境密切相关。
2.1.2 假设
我们提出以下三条假设来描述车辆在分区间的位置移动模式。
车辆的移动是彼此间相互独立的一辆车的移动并不受其他车辆移动的干扰。
一辆车在下一时刻所处的分区只与当前时刻所在的分区有关。因此{X0, X1, X2, …, Xn, …}为一个马尔科夫过程。即
对于每一跳车辆在起始分区和终止分区的逗留时间各为。即若一辆车某一跳的起始分区为Ak1终止分区为Ak2则其一步内在两分区传递出的消息副本数均为。
在城市环境下车辆数目庞大结队出行比例较小。因此车辆的移动可以看作是相互独立的第一条假设是对实际车载环境的合理简化。
城市车辆总体的出行分布受城市人口出行需求的支配具有一定宏观的规律。在车辆数目较大的情况下一个分区的车辆集在短时间内的位置移动分布与车辆个体的历史轨迹并无很强的关联性而与该分区的车辆流动规律有关。并且在UVDN中车O对于转呈节点的选择无个体偏好性。因此将UVDN中的车辆移动简化为马尔科夫过程是具有宏观意义的。
对于第三条假设当T较小时车辆在每一跳的起始和终止分区逗留的时间可看作是相同的。
2.2 一步转移概率矩阵
根据2.1.2中的第二条假设一辆车的轨迹可视为一个马尔科夫过程此马尔科夫链的节点为城市中的各分区。那么如何得到此马尔科夫链的一步转移概率矩阵呢本节我们将介绍如何采用统计的方法从车辆的实际轨迹数据集中得出一步转移概率矩阵。
现有通过MCMS得到的n个分区分别标记为A1, A2, …, An其中An为黑洞区。每隔T拍下一个地图快照该快照上记录了此时刻网络中各个车辆所在的分区共统计k个时刻。记Ai (j) 为在第j个时刻造访分区Ai的车辆集。将这n个分区在k个时刻的所有车辆集写成一个矩阵形式
从Ai到Aj的一步转移概率pij可以通过对 (1) 中的相应数据进行处理得到。记|Ai (m) |为m时刻Ai中的造访车辆数目而|Ai (m) ∩Aj (m+1) |为在m时刻造访Ai且在m+1时刻造访Aj的车辆的数目。|Ai (m) ∩Aj (m+1) |也就是经一步由Ai转移到Aj的车辆数这里1≤m≤k-1, m∈N+。在一共k个时刻通过以下算式计算一步转移概率pij
公式 (2) 表明pij是一步由Ai到Aj的总转移车次数占Ai的总到访车次数的比例。这里需注意只要一辆车在一个快照中的地理位置属于Ai就称该车造访Ai一次。而该车位于Ai的快照个数即为该车造访Ai的次数。公式 (2) 中总转移车次数与总到访车次数的比值是车辆在k个时刻由Ai到Aj的平均一步转移概率。这个平均一步转移概率满足马尔科夫链的一步转移概率矩阵性质。另外需注意此一步转移概率是有向的即pij与pji是可以不相等的。
2.3 消息在分区间传递的效率
一步转移概率矩阵是马尔科夫链的核心要素。接下来将介绍MDM如何利用马尔科夫链理论得到通信延时的分布函数。
2.3.1 首达概率
在2.2中我们给出了车辆在两分区间的一步转移概率的求解公式。根据公式 (2) 可以得到任意两分区间的一步转移概率。记P为该马尔科夫链的一步转移概率矩阵。
其中pij为车辆从Ai到Aj的一步转移概率。设fij (n) 为车辆从Ai经过n步首次到达Aj的概率即fij (n) =P{Xn=Aj, Xk≠Aj, 1≤k≤n-1|X0=Ai}, 其中Xk为第k步所在的分区。由随机过程中对Markov链的相关分析[19]可得fij (n) 的递推公式如下
根据 (3) 和 (4) 可以得到车辆从Ai到Aj任意步数的首达概率序列:{fij (1) , fij (2) , …, fij (n) , …}。进一步设车辆在m步之内能够从Ai到Aj达的概率为lij (m) 则
2.3.2 车辆在非目标区域之间的转动
当一辆车接收到消息I的副本成为转呈节点后其有可能携带消息在非目标分区中运转若干时间之后再驶入目标分区Aj。车辆在非目标区域中的转动规律亦可通过矩阵P给出。
设Hj为P中除掉Aj所对应的行和列后所得到的余子阵其为n-1阶方阵。hik为Hj的元素其表示车辆从Ai到Ak的一步转移概率这里i, k均不等于j。将Hj做m次连乘便得到车辆在除Aj之外的其他区域中运动的m步概率转移矩阵Hj (m) 。
其中hik (m) 为车辆从Ai经m步到Ak且未经过Aj概率。
2.3.3 延时t的分布函数
若相邻快照间隔时间为T车O的单步副本发送数为N。以下定理给出了将I从Ai传送到Aj的通信延时t的分布函数及期望。
定理1消息从Ai中的车O经UVDN传送到Aj的通信延时t的分布函数为
证明若车O在第n1步 (1≤n1<m) 造访分区Ak根据第三条假设其在Ak中逗留了T并感染Ak中的N个转呈节点。则
PO不经Aj在第n1步到达Ak第n1步感染的N辆车都未能在 (mn1) 步内到达Aj
PO不经Aj在第n1步到达Ak第n1步感染的N辆车都未能在 (mn1) 步内到达Aj|O在前n1-1步未到过Aj
令在前n1步内未到达Aj且其第n1步感染的车辆均未能在 (m-n1) 步内到达分区Aj|O在前n1-1步未到过Aj
那么
由以上分析我们可给出通信延时t的分布函数
P车O在m T之前未到达Aj并且没有转呈节点在m T之前到达Aj
因此
证毕
定理2分区Ai到分区Aj的通信延时t的期望为
证明由分布函数与密度函数的关系可得出分区Ai到分区Aj的通信延时t的密度函数f (t)
再根据期望的求解方法易得通信延时t的期望即为公式 (8) 。
证毕
从定理1的推导可见当m取定时通信延时t的分布函数是关于N的增函数。这与现实情况是符合的发送出的副本越多规定时间内到达目标分区的概率就越大。
3 MDM的模型验证与评估
本章的仿真数据集为北京市出租车轨迹数据集。该数据集中的约10000辆出租车均配备有GPS接收器及GPRS无线通信设备。我们选择的地理通信的仿真区域是位于北京市地理中心东北部的一长方形区域。其东西长3.9km南北长4.5km总面积约为17.5km2。以下我们称该区域为区域S。
我们将在区域S上实施MCMS再利用MDM及北京市出租车在2010年6月15日的轨迹数据给出S中分区对间的通信延时累积分布函数。之后我们将MDM得到的理论结果与实际的仿真结果进行了比较两者达到了较高的吻合度。
由于时间对城市车辆出行有重大影响对于一周中的工作日和节假日或一天中的早晚高峰和其他时段车辆的出行数目和热点地区等都会呈现出明显的差别。本文将轨迹数据集按时间划分利用出行规律较为稳定的时段进行延时的分析及仿真。我们选择的仿真时间为一工作日2010年6月15日早高峰时段的4个小时早6:30至10:30共计为14400s。
3.1 地理分区
利用MCMS得到的城市地理分区是MDM的基础结构。如图3所示我们以干路片段为中心对区域S进行划分得到32个分区各分区均包含错综复杂的支路。将除S外的北京市区域定义为黑洞区。在分区的基础上将6月15日早高峰时段4个小时的车辆轨迹数据以15s为间隔获取地图快照并利用2.2节中介绍的统计方法计算分区间的一步转移概率矩阵P。设置消息生命时长TTLTime to Live为1500s。根据我们之前的工作[16]可知1500s内北京市出租车数据集在“两跳”转发模式下每15s的平均副本发送数目N约为0.05因此我们将理论模型中的单步副本发送数N定为0.05。
利用P和N得到任意分区对的理论延时分布函数。
接下来我们将在此32个分区中选择分区对地理通信延时的MDM结果及仿真结果进行比较。
3.3 仿真校验
本节我们选取了不同类型的分区对来对通信延时理论分布函数进行校验。以11区为消息源分区再分别选择2区边邻区、3区顶点临区和1区非临区作为目标分区见图4。得到的理论结果和实际仿真结果如下。
图5表明了UVDN中11区到2区0时刻车O位于11区通信终点为2区的通信延时的理论分布曲线与实际仿真结果的对比。11区与2区是一边相临的分区。图中绿色曲线代表通过MDM得出的延时理论分布曲线红色曲线代表通过实际数据仿真得到的延时分布曲线。从图中我们可以看出理论分布结果在变化趋势和准确度上与仿真结果都吻合的比较好。例如在1500s之内消息可以成功传达到2区的理论概率值为0.32实际的概率值为0.34只相差0.02。且从整体观察两条曲线的最大值差约850s处也只有约0.07。11区到2区的实际延时分布略高于理论分布。分析其原因可能是11区到2区的距离较近其单步平均副本发送数N大于全网平均值0.05。
图6表明了UVDN中11区到其顶点临区3区的通信延时的理论分布曲线与实际仿真结果的对比。绿色及红色曲线分别表示理论和实际的延时分布。从图中不难看出延时理论分布曲线与实际分布曲线不仅在变化趋势上高度一致且具有多处交点在准确性上的吻合度也很高。例如在1500s之内消息可以成功传达到3区的理论与实际概率值均为0.315。而从整体观察两条曲线的最大值差约300s处也不超过0.025。
图7表明了UVDN中11区到其非临区1区的通信延时的理论分布曲线与实际仿真结果的对比。从图中可见延时理论分布曲线与实际分布曲线在1200s之前吻合度比较高但在1200s之后吻合度有所降低。而两条曲线的最大值差也出现在1450s附近约为0.05。以非临区为终点的延时理论分略高于实际分布这是由于分区距离增大会导致的延时普遍增大而单步副本发送数N会随着延时的增大而变小延时越长车O在每15s内遇到的未带副本的车辆数目越小。也就是说11区到1区的单步副本发送数N小于0.05。这也可以解释在1200s之后理论分布与实际分布的差值有明显的增大。
通过与三对分区仿真结果的对比可以看出通过MDM得到的延时分布函数具有较好的准确性这说明MDM能够对UVDN的延时进行准确的分析和预测。
4 总结与展望
本文建立了在多副本传送条件下以地理位置为通信终点的UVDN的延时分析模型MDM。其通过新的分区方法MCMS将城市地理信息简化为地理连续的分区这使得城市中的任意地点均可作为UVDN的通信终点。在所得分区上利用马尔科夫链来刻画城市车流在短时间内的位置变化规律并以此为基础结合特定转发模式下的单步副本发送数给出以某一分区为终点的通信延时的累积分布函数和期望。MDM定量地描述和分析了两个城市地点间消息的传输效率。由于城市道路设计及车辆历史轨迹信息被纳入到了建模考虑范围MDM在城市环境下具有较好的适应性和可操作性。最后仿真验证结果表明了MDM的正确性。
从仿真验证数据可以看出分区间的距离对单步副本发送数N有一定影响而N正是理论延时分布的重要参数。下一步工作将利用节点相遇频度分析单步副本发送数N得到UVDN在特定转发模式下单步副本发送数对于延时的函数使MDM在精度上得到进一步的提高。
5 国内外研究现状
路由协议决定了消息在容迟网络中的传递方式是容迟网络的重点研究对象[6]。对容迟网络在基础转发模式下的通信延时进行理论分析对于路由协议的改良和优化具有十分重要的意义。
目前“两跳模式”和“传染病模式”是容迟网络最为通用的两种基础转发模式。国内外研究者已提出多种数学模型对基于这两种转发模式的通信延时进行理论分析且部分分析结果已经被运用到了路由协议的优化方面。[10]和[15]以获得消息的节点数为状态建立排队论模型并将此模型与移动节点间的相遇强度信息结合得出了“两跳模式”和“传染病模式”下延时期望的数学表达式。[5]进一步地计算出了此两种转发模式下容迟网络延时的分布函数并以此为基础分析了移动节点的转发自由度对通信延时的影响。[14]通过连续时间的马尔科夫链模型建立了可以求解延时分布的微分方程组。这一成果被[12]推广到总能耗有限制的容迟网络情况并得到了基于“两跳模式”的路由协议的优化策略。这些优秀的研究结果都侧重于移动节点间的通信其理论分析依赖于移动节点的相遇强度[16,17]并不包含节点的地理位置信息。
车载网络方面。[13]采用模拟的方法对比了理论移动模型RWP与实际城市车辆轨迹在“传染病模式”下延时和其他网络性能指标。从对比中发现车辆的移动自由度限制使得城市车载网络在“传染病模式”下的通信延时明显高于RWP且这种转发模式带来的消息副本数激增会大大增加网络运行负担。因此其结合城市车辆的地理位置信息针对缓存有限的情况提出了改进的路由协议。然而其研究的仍是以移动节点作为通信目标容迟网络且对延时的估计是通过模拟实验得出的缺乏理论分析。
车载网络模拟技术研究 篇3
关键词：车载网,交通模拟器,网络模拟器,模拟
0引言
近年来,车载网(Vehicular Ad Hoc Networks, VANETs)作为一种新的研究领域越来越受到人们关注。 VANETs是建立在移动车辆之上的一种分布式、自组织的通信网络［１］。与以往移动自组织网络(Mobile Ad Hoc Networks,MANETs)不同的是,它具有高移动性和有限自由度的特点,即只能沿着街道运行。作为MANETs的一个特例,VANETs不仅为车辆提供了相互通信的能力, 在保障交通安全、事故预警以及为用户提供舒适的驾驶环境等方面也起到了重要作用。
在对VANETs的研究过程中,现实中实现VANETs通常需要大量车辆和人员,例如司机和电脑操作员,因此往往需付出较高代价或不能实现。在这种情况下,模拟成为最佳可供选择的测试、评估手段之一［２］。 模拟VANETs需要用移动模型来反映车辆运行,而且移动模型的准确性对模拟结果有重要影响。因此对VANETs进行模拟涉及两部分,一是用于模拟车辆移动的交通模拟器,如SUMO［３］、MOVE［４］等;二是用于模拟信息传输、转发等的网络模拟器,如NS-2［５］、JiST/SWANS［６］等。遗憾的是,目前并没有形成VANETs模拟器的统一标准,大部分研究人员采用传统模拟方式,即先用交通模拟器模拟道路场景产生trace文件,然后将trace文件作为网络模拟器输入,最终实现对VANETs的模拟。该方式的最大缺点在于将交通模拟器和网络模拟器分隔开来独立运行,两部分间不能交互。因此,不能满足VANETs中节点移动性高、拓扑结构易变的特点要求。为了解决这个问题,近年来有研究者提出将网络和交通模拟器进行整合,以形成适合车载网的模拟器。
1国内外研究现状
如前所述,对车载网的模拟主要由交通模拟器和网络模拟器两部分组成,按照这两部分结合的紧密程度将车载网模拟器分为两类:松耦合和紧耦合模拟器［７］。松耦合模拟器采用交通模拟器和网络模拟器分离的方式,由交通模拟器产生车辆的移动记录存放在trace文件中,网络模拟器则根据输入的trace文件进行模拟,但是两者不进行交互,结构如图1所示。这与上文提到的传统方式不同,传统方式下是由研究人员手动地将trace文件输入到网络模拟器中,而在松耦合的车载网模拟器中,trace文件的产生和输入都由系统自动完成。此类模拟器的优点是无需花费大量时间和精力去开发新的交通模拟器和网络模拟器; 缺点则是不同模拟器可能需要运行在不同的操作系统平台上,为了对两个模拟器进行同步,又可能导致系统性能降低,因此两部分间很难提供快速反馈。基于以上特点, 该方式仅适合对两个模拟器交互性要求不高的应用,例如多媒体应用、点对点通信等,这些应用中车辆不会因收到网络模拟器发回的信息而改变运动。与松耦合不同的是, 紧耦合模拟器中不使用trace文件,而是将交通模拟器和网络模拟器嵌入到单个模拟器中,使移动模型和交通模型能通过TCP等方式通信,这样移动模型能从网络模型的反馈中及时调整车辆移动,反之亦然,结构如图2所示。 例如在避免交通拥堵的系统中,通过网络收到的堵塞信息可能导致车辆改变路径。此类模拟器使交通和网络模拟两部分紧密结合在一起,形成快速有效的反馈,但是开发工作量相对松耦合模拟器大。
2 VANETs模拟器
为了对VANETs的新协议、应用进行准确评价,要求模拟器不仅要模拟车辆间的无线通信,还要模拟车辆运行。如前所述,这两方面都已有了高性能的工具,如SU- MO、NS-2,但如何将两者紧密结合起来成为VANETs研究者亟待解决的问题。鉴于此,研究者致力于在一个模拟器中采用松耦合或紧耦合方式实现网络和车辆运行的功能,使两者可以交互以实现对VANETs环境的模拟。其中几个典型代表如下:
2.1 TraNS
TraNS是一个利用现有交通和网络模拟器的最好例子［８］。它将交通模拟器SUMO和网络模拟器NS-2结合在一起,使网络模拟器能采用移动模型而交通模拟器能根据网络模拟器反馈的车辆间信息来改变车辆运行,从而实现双方的交互。首先由SUMO负责输出道路网地图以及dump文件,其中dump文件包含了所有与车辆移动相关的信息,再经parser将dump文件解释成符合NS-2输入格式的文件,最后输入即可。在此期间NS-2不提供反馈给SUMO,即预先产生的车辆运行轨迹不变,由此可见这一模式采用的是松耦合方式。
2.2 GrooveNet
GrooveNet是一种模块化的结合了网络和交通模拟功能的紧耦合模拟器［９］。它能通过TIGER/Line数据库装载真实街道地图,还可对车辆、固定设施和移动网关3种类型的节点进行模拟。模块化的结构使得GrooveNet易于扩展,用户可以根据应用、路由协议、安全等方面需要创建模块,通过在模块管理器中注册即可,且添加和删除模块时都不会影响别的模块运行。其最大特点是能在模拟车辆和真实车辆间进行通信,故又称为混合式模拟器。
2.3 NCTUns
NCTUns是一种基于C++的网络模拟仿真器,能够对无线和有线网中的各种协议进行模拟［１０］。最初NC- TUns只是作为网络模拟器进行开发,随着其不断改进, 开发者在网络模拟器的基础上增加了交通模拟功能,从而实现了交通和网络模拟的结合。从结构上看,NCTUns由用户图形界面(Graphical User Interface,GUI)、模拟引擎(Simulation Engine,SE)、车辆Agent(Car Agent,CA)以及信号Agent(Signal Agent,SA)4部分组成。其中GUI负责在模拟开始前进行参数设置并产生相应的配置文件, 其具有构建道路网,设置车辆类型、调度及移动,以及选择网络协议的功能;SE则在模拟时读取由GUI产生的各种配置文件并进行相应处理,如根据信号信息文件创建信号信息数据库;CA和SA则分别对车辆的移动和交通信号进行控制。这4部分的紧密结合使车辆能够根据反馈信息及时作出反应。但是NCTUns没有将网络模拟部分与其它有代表性的网络模拟器进行对比,因而其有效性尚未得到验证。
3结语
车载电子系统及其网络标准 篇4
1. 车载电子网络系统
在常见的网络系统中, ISO9141和Keyword2000主要用于诊断系统, 后者在汽车电子控制上用的多一些。J1850原来只有北美使用, 在2007年前后停止使用, 然后全部转至CAN总线, CAN目前仍然是汽车电子控制中可靠性最高的总线。LIN为CAN的补充, 两者一般结合使用, 与CAN总线相比, LIN总线控制方式的成本较低是最大的优势。Flexray是CAN的升级, 但是目前成本还很高, 不能实际应用;MOST主要用于音视频流传输的基于光纤的总线, 不能用于控制。
2. CAN总线协议
CAN总线是德国奔驰公司80年代为解决汽车众多控制设备与仪器仪表之间的数据交换而开发的一种基于ISO11898标准的串行通信协议。CAN总线标准包括物理层、数据链路层, 其中链路层定义了不同的信息类型、总线访问的仲裁规则及故障检测与故障处理的方式。
CAN总线传输数据长度可变 (0~8字节) 的信息帧, 每帧都有一个惟一的标识 (总线上任何节点发送的信息帧, 都具有不同的标识) 。CAN总线和CPU之间的接口电路通常包括CAN控制器和收发器, 如图1所示。由于所有的错误检测、纠错、传输和接收等都是通过CAN控制器的硬件完成的, 所以用户组建这样的2线网络, 仅需要极少的软件开销。
2.1 标准CAN总线和扩展CAN总线
有两种CAN总线协议:CAN 1.0和CAN 2.0, 其中CAN2.0有两种形式:A和B。CAN1.0和CAN2.0A规定了11位标识, CAN2.0B除了支持11位标识外, 还能够接受扩展的29位标识。为了符合CAN2.0B, CAN控制器必须支持被动2.0B或主动2.0B。被动2.0B控制器忽略扩展的29位标识信息 (CAN2.0A控制器在接收29位标识时, 将产生帧错误) , 主动CAN2.0B控制器能够接收和发送扩展信息帧。
发送和接收两类信息帧的兼容性准则归纳表1所示。主动CAN2.0B控制器能够收发标准和扩展的信息帧;CAN2.0B被动控制器能够收发标准帧, 而忽略扩展帧, 不引起帧格式错误;CAN1.0和CAN2.0A在接收扩展帧时, 将产生错误信息。
CAN2.0A允许多达2032个标识, 而CAN2.0B允许超过5.32亿个标识。由于需要传输29位标识, 因而这种方式降低了有效的数据传输速度。扩展标识由已有的11位标识 (基本ID) 和18位扩展部分 (标识扩展) 组成。这样, CAN协议允许两种信息格式:标准CAN (2.0A) 和扩展CAN (2.0B) 。
2.2 总线仲裁
CAN总线采用非归零 (NRZ) 编码, 所有节点以“线与”方式连接至总线。如果存在一个节点向总线传输逻辑0, 则总线呈现逻辑0状态, 而不管有多少个节点在发送逻辑1。CAN网络的所有节点可能试图同时发送, 但其简单的仲裁规则确保仅有一个节点控制总线、并发送信息。收发器如同一个漏极开路结构, 能够监听自身的输出。逻辑高状态由上拉电阻驱动, 因而低有效输出状态 (0) 起决定性作用。
为近似于实时处理, 必须快速传输数据, 这种要求不仅需要高达1Mbps的数据传输物理通道, 而且需要快速的总线分配能力, 以满足多个节点试图同时传输信息的情况。
通过网络交换信息而采取实时处理的紧急状况是有差别的:快速变化的变量, 如引擎负载, 与那些变化相对缓慢的变量, 如引擎温度相比要求频繁、快速地发送数据。信息标识可以规定优先级, 更为紧急的信息可以优先传输。在系统设计期间, 设定信息的优先级以二进制数表示, 但不允许动态更改。二进制数较小的标识具有较高的优先级, 使信息近似于实时传输。
解决总线访问冲突是通过仲裁每个标识位, 即每个节点都逐位监测总线电平, 如图2所示。按照“线与”机制, 即显性状态 (逻辑0) 能够改写隐性状态 (逻辑1) , 当某个节点失去总线分配竞争时, 则表现为隐性发送和显性观测状态。所有退出竞争的节点成为那些最高优先级信息的接收器, 并且不再试图发送自己的信息, 直至总线再次空闲。
CAN总线采用2线差分结构, 提供了一个抗EMC干扰和EMC辐射的可靠系统。辐射干扰可以通过NRZ编码和限斜率输出总线信号来降低。当然, 限斜率输出也降低了数据传输速率, 通常标准速率限制在125kbps以内。
2.3 出错处理
CAN控制器内置TX和RX出错计数器, 根据出错是本地的还是全局的, 计数器以此决定加1还是加8。每当收到信息, 出错计数器就会增加或减少。如果每次收到的信息是正确的, 则计数器减1;如果信息出现本地错误, 则计数器加8;如果信息出现整个网络错误, 则
预测因变量为:原数据服务器命令处理速率
预测自变量为:网络情况 (Bytes_in, Bytes_out) 、内存情况 (Mem_free) 、CPU情况 (CPU_load、CPU_wio、CPU_idle) 。
4. 预测模型用途分析
(1) 负载均衡。通过对命令处理速率的预测, 可以提前获知系统各客户端节点的请求情况, 以及各命令的请求情况, 为系统进行负载均衡调度策略提供信息资源。
(2) 绿色存储。通过预测模型, 提高设备利用率, 保证设备资源充分利用, 从而达到节能, 低碳, 环保的效果, 体现出绿色存储的理念。
(3) 告警管理。通过系统硬件环境数据的发展趋势, 预测系统处理能力瓶颈, 从而设定告警阈值[3], 对云计算系统进行告警管理。例如可以分别对内存, CPU, 网络设定一个阈值, 然后预测出命令处理速率阈值, 当命令处理速率长期接近阈值时, 进行告警, 并检查系统软硬件设施是否正常运行。
5.总结
本文设计了在基于RPC的云计算系统平台上设计和实现了个性监测系统, 结合个性监测技术和预测分析技术, 提供更细致的监测服务, 提高系统性能。总结起来, 本文的主要工作有以下几点:
(1) 基于RPC平台实现了个性监测的基本功能, 基于哈希散列的个性监测方式, 实现从云计算系统服务端端提取软件信息, 并实现定期查询、统计、内存管理等模块;
(2) 基于Ganglia平台设计与实现了个性监测机制, 将云计算系统服务端端提取的信息通过Ganglia Python机制传送到监测管理节点, 并通过WEB端实现分组管理的功能;
摘要：车载电子系统汽车发展史上的一次革命, 而车身局域网络则是现代汽车工业的标志。CAN总线的数据通讯具有突出的可靠性、实时性和灵活性, 其总线规范已经成为国际标准, 被公认为几种最有前途的总线之一。
关键词：制动防抱死系统,CAN总线,非归零编码
参考文献
[1]徐景波.汽车总线技术[M].北京:中国人民大学出版社, 2011
[2]罗峰, 孙泽昌.汽车CAN总线系统原理、设计与应用[M].北京:电子工业出版社, 2010
[3]张大波.嵌入式系统[M].北京:电子工业出版社, 2008
车载网络系统典型故障案例 篇5
故障现象:一辆帕萨特轿车, 所有车门的玻璃升降器和车门锁均不能工作。
故障诊断与排除:根据玻璃升降器和车门锁不能工作的故障现象, 首先怀疑是熔断丝熔断所致, 但经检查熔断丝正常。为了查明故障原因, 决定用V.A.S5051查询舒适系统控制单元故障码。连接OBD-Ⅱ诊断插接器后, 点击“46”, 发现不能正常进入舒适系统控制单元。点击“01”, 发动机控制单元也无法进入。再点击别的地址码, 都不能进入。
由于所有控制单元都不能进入, 分析问题可能出在仪表上, 因为所有控制单元都是经过仪表网关连接诊断插接器的。于是, 更换了仪表控制单元总成, 但更换后还是不能进入各控制单元读取故障信息。
对照电路图检查, 发现位于驾驶员脚下的舒适系统控制单元 (其位置较低) 周围有水迹, 并且其插接器中有锈迹。拆下舒适系统控制单元, 打开后发现其线路板因进水而严重腐蚀。更换舒适系统控制单元, 清理舒适系统控制单元插接器内的锈迹, 并换回原来的仪表盘。连接诊断仪, 此时能够顺利进入各控制单元, 4个车门的玻璃升降器工作正常, 车门锁也都工作正常了。
故障分析:由于舒适系统控制单元进水, 线路板腐蚀, 导致舒适系统控制单元损坏, 继而使与其相关的电控玻璃升降器和电控车门锁不起作用。不能通过OBD-Ⅱ诊断插接器进入各控制单元读取故障信息, 是由于舒适系统控制单元损坏后导致CAN总线与其它线路短路, 所以其它控制单元不能通过CAN总线传递信息。
例2
故障现象:一辆帕萨特轿车, 行驶过程中4个车门锁失常, 一会自动弹起, 一会又落下, 没有规律。
故障检查与排除:首先怀疑4个车门控制单元出现故障, 遂进行故障码查询。用诊断仪进入“46-舒适系统控制单元”, 显示4个车门控制单元都有故障。由于其它车门控制单元均受左前门控制单元控制 (左前门为主控单元, 左前门控制单元又受舒适系统控制单元控制) , 所以怀疑左前门控制单元存在故障, 但更换左前门控制单元后故障仍然存在。随后, 又更换了其它3个车门控制单元, 故障现象依旧。由于舒适系统控制单元出现故障会影响车门锁出现异常动作, 于是更换了舒适系统控制单元, 结果仍没有好转, 说明故障不在以上更换的控制单元上。
考虑到舒适系统控制单元和仪表控制单元是通过CAN总线连接的, 于是对CAN总线和仪表控制单元进行检查, 并更换了仪表控制单元。
对仪表和发动机控制单元重新进行匹配后试车, 4个车门锁再也没有出现自动弹起打开和关闭的现象, 问题得到解决。
故障分析:该车的故障表面上看似乎是舒适系统控制单元或车门控制单元有故障, 其实不然, 帕萨特轿车的仪表控制单元 (含防盗控制单元和网关控制单元) 和舒适系统控制单元是用CAN总线相连的, 当网关或/及防盗控制单元出现问题后, 向舒适系统控制单元传输了错误的信号, 导致门锁电机无规律地开启和关闭。
例3
故障现象:一辆2005年生产帕萨特B5轿车, 配置1.8T发动机。该车由于交通事故进厂修理, 修复后发动机每次起动运转1s左右就自行熄火, 同时安全气囊故障指示灯点亮。
故障检查与排除:根据发动机起动后立即自行熄火的现象, 判断故障与防盗系统有关。检查仪表板上的防盗指示灯, 没有点亮。
用V.A.S5051查询故障码, 发现了2个故障码, 分别为“0588-驾驶员侧安全气囊电阻过大”和“18056-驱动数据总线损坏”。因为驾驶员侧安全气囊还没有安装, 所以没有将检查重点放在安全气囊上。驱动数据总线损坏, 是指CAN-H总线或CAN-L总线出现了问题。用V.A.S5051的示波器功能检查CAN-H总线和CAN-L总线的波形, 通过观察波形图, 发现2条数据总线搭铁短路。
考虑到该车刚发生过交通肇事, 分析造成数据总线搭铁短路最可能的原因是连接在数据总线上的控制单元受撞击后损坏, 或者是相关线路出了问题。对于此类故障, 快速找到故障点的方法是排除法, 即依次拔下连接在数据总线上的各个控制单元, 如果拔下某个控制单元后故障现象消失, 那么就说明该控制单元有问题。
根据这个思路, 依次拔下ABS控制单元、发动机控制单元、安全气囊控制单元及仪表控制单元的线束插头, 故障现象都没有消失。通过上面的检查可以确定, 故障点应该在相关线路上, 即线路本身存在搭铁故障。
据电路图所示, ABS控制单元、发动机控制单元、安全气囊控制单元及仪表控制单元是由数据总线按星形方式连接在一起的, 因此可以用断线排除法诊断故障。找到仪表板后面的数据总线中心连接点, 将各控制单元的线路逐一断开, 当断开安全气囊控制单元的连接线路时, 故障现象消失, 说明问题出在安全气囊控制单元线束上。
顺着安全气囊控制单元线束查找, 最后在换档杆旁发现了外皮有破损的导线。将线束处理好后试车, 发动机运转正常, 故障彻底排除。
故障分析:由于安全气囊控制单元线束损坏, 导致数据总线直接搭铁, 各控制单元之间的数据无法传输, 所以发动机起动后立即自行熄火。
例4
故障现象:一辆上海大众生产的波罗轿车 (车身编码为LSV-FA49J822044665, 配备手动变速器和两前门电动窗, 无中控门锁) , 在一汽车装饰部加装防盗器和中控门锁后, 出现电动车窗无法工作的故障现象。
故障检测与排除:连接V.A.G1552故障阅读仪, 输入地址码“09-车载网络管理系统控制单元”, 利用“02”功能读取故障码, 得到2个偶发性故障码, 一个是“电源电压太低”;另一个是“CAN网络线断路”。利用“05”功能清除故障码, 再利用“02”功能读取故障码, 没有故障码存在, 利用“06”功能结束输出。
输入地址码“19-数据总线控制单元”, 利用“02”功能读取故障码, 没有故障码输出。
输入地址码“46-舒适系统控制单元”, 利用“02”功能读取故障码, 得到故障码“01330-舒适系统中央控制单元-T393电源供给太小”。利用“05”功能清除故障码, 再利用“02”功能读取故障码, 没有故障码存在。退出系统后, 按压车窗开关, 电动车窗没有反应。
输入地址码“09-车载网络管理系统控制单元”, 读取电脑版本, 发现中央控制单元的编码不对, 该车中央控制单元的编码应该是“17566”, 而读得的结果为“09216”。利用V.A.G1552故障阅读仪进入“07”进行编码, 输入“17566”。
退出后, 进入“19”读取版本, 数据总线的编码为“00014”, 是正确的。
退出后, 输入地址码“46”, 读取舒适系统中央控制单元版本, 发现编码也不对, 该舒适系统中央控制单元的编码应该是“00067”, 而读得的结果为“01024”。利用V.A.G1552故障阅读仪进入“07”进行编码, 输入“00067”。退出系统后, 按压车窗开关, 电动车窗工作正常。
故障分析:该车故障的真正原因是中央控制单元编码错误, 那么是什么原因导致中央控制单元编码变更的呢?
浅析车载信息网络与自诊断系统 篇6
随着汽车工业的发展,汽车电子技术及其故障诊断系统的发展越来越迅速。尤其在排放控制、行车安全装置、制动转向系统等方面的应用已经非常普遍。汽车上的电子系统已由最初的独立模块,发展为现在的整车网络;控制方式也已由单一计算机控制的中控式管理,发展为具有网关的二级系统的分配式管理。相应的,汽车故障诊断也由最初的依靠简单仪表、经验判断等传统方式发展到使用专有检测设备、专业维修人员的新方式。
为了迅速有针对性地发现并解决车辆故障,需要对车载网络与自诊断系统有一定的了解,以及故障代码产生的机制及其应对措施。
1、车载信息网络简介
汽车的功能越来越多,相应的电子模块和控制装置也大量增加,它们之间互相连接、协调工作并共享信息构成了汽车车载信息网络。主要的电控模块有发动机、变速器、空调系统、转向制动系统、安全装置、照明系统、车内装置等等。
目前应用最广泛的车载信息网络有CAN网和VAN网,以及为降低成本而创建的LIN网。
1.1 网络结构
CAN网是由德国博世公司开发的,主要用于发动机电喷控制、行车系统、自动变速器等控制模块间的信息交流。全CAN网结构构成为:
①主系统网,短信息高速率网络,适用于发动机、底盘和其它机械功能;
②车身/舒适网,中速网络,适用于车身和座舱等功能;
③诊断网,系统内部网的数据通道。
VAN网是由法国雪铁龙汽车公司最早开发的,主要应用于车身电器设备的控制,连接对象有仪表系统、照明音响、导航系统等。其主要结构有三种:多主控系统、主-从系统与混合系统。在VAN-CAN双网结构下,除CAN网的结构外,新增加了VAN车身1与车身2两部分,主要是为了识别安全功能,适用于安全气囊、车门及玻璃、座椅等系统。
1.2 网络协议
CAN网协议和VAN网协议的性能和效用相近,在关于速率的概念、总线职能、反应时间及错误管理等方面都存在极大的相似性,只在编码方式、故障容忍、标识符域等特征方面有所区别。也是基于此原因,同时在工业生产及相关技术和产品的开发上很难保证两者并行发展,多数厂家已决定放弃VAN网协议。
1.3 物理层特征
CAN网物理层主要有以下两种:
①高速网,适用于速率为250kbit/s到1Mbit/s,电压水平标准化,没有诊断概念,具备简单的休眠/唤醒概念;
②低速网,适用速率不超过125kbit/s,电压水平标准化,电压振幅比高速网强,具有诊断概念,为故障提供了容错功能,具备3个功能接头以实现对CAN网休眠/唤醒机制的管理。
CAN网物理层和VAN网物理层的互补数据对概念、抗干扰特性是一致的。VAN网物理层与低速CAN网物理层的唯一区别就是诊断单元的位置不同。
LIN网是由摩托罗拉、宝马、戴姆勒-克莱斯勒、大众、沃尔沃和沃尔康(Volcano)所组成的联营企业所创建,它的结构简单、配置灵活、成本低廉,主要用于空调、车门、天窗等外围设备的网络连接。LIN协议主要的简化特性在以下三方面:①电磁兼容性不受控制;②无休眠/唤醒机制,其能耗不可控制;③无诊断功能。LIN网定位于汽车上的下层局部网络。由CAN网构成汽车的上层主干网络,而在不需要CAN网的高速与多功能性的场合则由LIN网来构成下层局部网络,实现分级制网络结构,以达到合理分配利用网络资源、提高线路布置的方便灵活性、降低成本的目的。
LIN网总线规范的初始版本LIN 1.0在1999年7月发布,后几经修订,现行版本为LIN协会在2003年9月发布的LIN2.0。目前已具备总线睡眠和唤醒、错误检测和处理功能,在带宽要求不高、功能简单、实时性要求低的场合,如车身电器的控制等方面,使用LIN总线,可有效的简化网络线束、降低成本、提高网络通讯效率和可靠性。
2、自诊断系统简介
对于汽车而言,自诊断系统即通常所说的车载诊断系统(OBD,On-Board Diagnostics)。目前OBD系统主要监控与汽车排放相关的部件。
2.1 OBD系统的工作原理
接通钥匙开关后,OBD系统就进入工作状态。首先对系统进行自检,如果发现故障报警灯会闪亮,并以闪码的形式进行警示;若无故障发动机起动后故障灯应熄灭。车辆运行过程中自诊断系统一直工作,一旦某些部件发生故障而导致排放超标,系统会马上发出警示,并将此故障以诊断故障代码的形式存入存储器中。故障被排除后,监控器连续3次未接收到故障信号,警示灯就会熄灭。OBD系统的自诊断过程主要包括以下几个方面:传感器的诊断、微机系统的诊断、执行器的诊断以及车载网络系统的诊断。
2.2 OBD系统的功能特性
实现OBD功能有两种方案,一是将OBD功能嵌入发动机电控单元ECU,二是将OBD功能嵌入排气后处理单元SCR控制器。虽然特性有所不同,但主要监控的内容基本一致,包括:燃油控制系统、失火、催化剂、氧传感器及其加热器、蒸发系统、EGR系统(如果有)等。
OBD系统的关键部分是动力系统控制模块(PCM)。PCM是一个基于微控制器的数字化计算机,能够接收来自不同开关和传感器的输入信号。PCM保存并处理这些信号,根据这些信号控制输出设备以修正发动机和车辆的运作。
2.3 OBD系统的发展
OBD系统最早于80年代产生于美国,为降低车辆的废气排放,针对与尾气排放有关的零件与系统进行实时监控。随着各国对汽车排放的要求更加严格,90年代美国制定了新的标准OBDⅡ,欧盟也于2000年开始要求欧洲各国汽车制造商生产的汽车需配置EOBD系统(与OBDⅡ的要求相近)。
我国对于OBD系统的研究和法规建设虽然起步晚但发展迅速,正逐渐与国际接轨。GB17691-2005中规定在国Ⅳ阶段新生产的汽车需增加车载诊断(OBD)系统;GB 18352.3-2005也明确规定:“所有汽车必须装备车载诊断(OBD)系统,该系统应在设计、制造和汽车安装上,能确保汽车在整个寿命期内识别劣化或故障的类型。”,并规定了其功能性项目试验规范。
受电子控制系统的应用情况,以及线束连接及布线技术、汽车传感器和执行器性能等影响,仍有若干区域的故障无法由OBD系统检测出。目前的OBD系统仅能监测出汽车60%～80%的故障,并且不能有效地判断出系统的老化和退化情况。
OBD系统的改进方向之一为增加主动控制功能,通过增加遥感测控装置,可将本车的VIN码或其它识别代号与实时排放情况发送给排放监管机构。排放机构根据收到的信息结合法规要求对该车辆发出指令,包括维修建议、解决排放问题的时限等,并可在法律容许的范围内采取相应的措施。
3、故障代码
当车载诊断系统检测到故障时,会将此故障以诊断故障代码(DTC,Diagnostic Trouble Code)的形式存入存储器中。
3.1 设定
目前规范故障代码的设定有两个标准:SAE-J2012 (2007)与ISO 15031-6 (2005)。在基本的结构定义方面两个标准已互相等同采用,只在具体的代码定义上有所区别。以SAE-J2012 (2007)为例简单介绍如下:
SAE-J2012 (2007)标准中规定OBD系统中使用五位的DTC代码,具体定义如下:
故障代码由5部分组成,第1部分表示故障所属的系统类别,第2部分表示故障代码定义来源,其余3部分定义了故障的种类及故障等级。标准描述了故障码统一格式的工业标准。这个格式给制造商分配了字母数字代码,并对与这些代码有关信息提供了指导。对于没有分配故障码的故障可由制造商规定其代码。
3.2 读取及清除
根据车辆配置的不同,读取故障代码只要有两种方式。一是利用OBD系统自身的显示功能;另一种方式是使用外接检测设备及诊断软件。
用OBD系统读取故障代码时,因制造商的不同,故障代码的读取方法也有所不同。主要有以下几种:利用仪表板上故障警告灯的闪亮规律(闪码)、利用故障监测插座上输出的电脉冲、利用相关模块的液晶显示检测装置等。
用外接检测设备及诊断软件读取故障代码时,检测设备一般为一个专门的计算机设备,它能把汽车电控系统中(OBD、ECU等系统)储存的各种信息提取出来,然后进行整理、比较和翻译,以清晰的方式(文字、曲线或图表)传送显示出来,根据这些信息代码,维修人员可以查阅该车型的维修手册,准确快捷地判断故障的类型和发生的部位;他还可以向汽车电控系统发出工作指令,对一些有疑问的信息加以质询或修正,进行静态或动态诊断。
故障排除后,需清除存储在OBD系统中的故障代码。如果不清除旧的故障代码,当系统再次出现故障时,新旧故障代码会一并输出,导致无法分辨哪些故障依然存在,哪些故障已经排除。
清除故障代码的基本方法是切断汽车电控系统的电源,但直接拔掉电控系统的熔断器或直接把蓄电池负极搭铁线拆下会导致其它电子装置的有用信息丢失,甚至对电控系统及其装置造成损害。因此清除代码时应该按照维修手册中所指示的方法进行,通过故障检测仪向微机发出清除命令。
4、自诊断系统的局限性
自诊断装置作为一种故障识别系统,是根据有限的、预先设定的程序进行控制,受到自身及外部诸多条件的限制,不可能检测出所有的汽车故障。OBD系统的局限性还表现在以下几个方面。
1、无法识别真空管路、液压装置及排气系统的机械性故障;
2、逻辑判断产生偏差,虽然记录了故障码但并不存在真实的故障;
3、故障诊断仪器及其软件的版本差异造成无法正确查明故障,并且还会有插接器不兼容等限制;
4、难以判断电控系统中的传感器接头松动或者搭铁不良之类的“软故障”。
车载自组织网络路由技术的研究 篇7
车载自组织网络 (Vehiclar Ad Hoc Networks, VANETs) 通过车辆上无线通信系统、GPS、计算机系统等硬件实现车辆之间或车辆与道路基础设施间的通信, 满足铺助驾驶、道路预警、交通信息查询及Internet接入等多种应用, 是智能交通系统的一部分[1]。由于VANETs是移动自组织网络 (Mobility Ad Hoc Networks, MANETs) 的一部分, 其路由协议的研究是基于MANETs路由机制而提出的路由方案, 其中包含基于防洪的、基于移动预测、基于概率、基于路边基础设施等机制的路由协议。但是, 与MANETs相比, VANETs将面临更多挑战[2]:
(1) 在VANETs中, 其研究节点是车辆, 其移动速度快, 网络拓扑变化剧烈, 传统的MANETs路由协议很难适应车载网络。
(2) 道路中的车辆节点分别不均, 在车辆稀少的道路上, 可能存在路由中断, 出现数据丢包;当在车辆密集的道路上, 通信效果较好, 能实现数据的传输。因此, VANETs链路的建立和连通存在一定的机率性。
(3) 对车辆节点链路的建立要求更高, 通信时间要求更短, 研究表明车辆间的通信的平均时间不超过15s[3]。
(4) VANETs对一些信息包的传输要求更高, 比如车辆拥堵或安全信息包要具有向后传递性, 并且需采用广播或组播的方式。
由于以上因素, 车辆节点移动更加复杂, 因此在对VANETs路由协议进行研究时, 必须进行整体的考虑, 确保满足基本功能的同时, 提高路由的可靠性、有效性和安全性。
2、车载网络特点和路由分类
车载网络网络中主要分为车与车之间 (Car-to-Car) 和车与基础设施 (Car-to-infrastructure) 的通信[4], 在车辆比较稀少的情况下, 借助路边的基础设施进行通信, 提高信息的传输的可靠性, 当这些额外的设备需要增加路由的开销。如图1和图2所示, 分别为车与车通信模型和车与基础设施的通信的模型。
可靠性是VANETs路由协议的重要性能之一, 尤其是对车辆的安全驾驶起到非常重要的作用。比较简单的路由的协议是基于泛洪技术, 当该机制将占用整个网络资源, 导致在车辆密集的区域中容易导致网络拥塞甚至瘫痪。借助路由的基础设施, 在车辆稀少的情况下, 提高信息的可靠传输, 这些都需要额外的设备, 增加系统的开销。VANETs路由协议可以分为基于泛洪路由、基于移动预测路由、基于地理位置路由和基于概率路由, 如图3所示。
3 各类路由协议的分析
3.1 基于防洪的路由
路由的建立并实现节点的通信, 是路由的最基本需求, 基于防洪的路由主要考虑源节点能建立一条可靠的路由, 并能把数据发送到目的节点, 比如基于连通式的泛洪路由, 即某节点收到数据包时, 将该数据包转发给所有的邻居节点, 直到目的车辆节点收到该数据包或每个节点第二次收到该数据包的复本, 节点才停止广播。因此, 该路由协议比较简单, 比如UMB、TLO、CAID等路由协议, 在该路由协议中, 对于一些交通信息包和安全包, 采用泛洪技术刚好满足要求, 但是对于单个信息包发送, 如果采用泛洪技术, 该网络中会存在大量的广播信息包, 严重将导致广播风暴并引起信道竞争, 出现大量的丢包现象。因此, 采用这种路由协议实现简单, 但网络中存在大量冗余的广播包, 降低网络带宽, 影响数据包的传输成功率。
3.2 基于地理位置的路由
由于电子设备的高速发展, 将GPS应用于车辆也成可能, 基于地理位置的路由协议成为车载网络路由协议的一个研究热点之一。该路由的主要思想是:通过相关的电子设备, 获取车辆的位置信息, 并在车辆位置的基础上建立源节点到目的节点的路由, 比如在基于地理位置路由协议GPSR中, 采用贪婪转发算法由源节点向离目的节点最近的邻居节点转发数据包, 其贪婪转发算法如图4所示, 如在GPSR协议中, 采用贪婪转发和周边转发的模式[5], 当贪婪转发失败时, 采用周边转发。基于地理位置路由协议主要有Greedy、Zone、GPSR等路由协议。
3.3 基于移动预测路由
在VANETs中, 车辆每个节点都具有移动性, 并且车辆节点移动速度快, 节点的高速移动导致网络拓扑结构变化频繁, 网络链路的稳定性差, 而传统的MANETs中节点移动速度较慢, 导致传统的MANETs路由协议不适于VANET。基于预测的路由协议主要有PBR、Taleb、Wedde、Abedi等路由协议。
基于预测路由协议的主要思想为:由于节点的移动性, 通过节点速度、加速度、距离和时间等参数, 预测通信链路的生命周期, 即可预测该路由路径的有效期[6]。
根据车辆的移动特点, 来发掘链路的潜在信息, 比如节点的移动速度和移动方向等数据, 预测链路的生命周期, 有效地避开即将失效的链路, 并建立可靠的链接。
定义:节点i和节点j, i为发送节点, j为接收节点, 速度分别为vi和vj, 其加速度分别为ai和aj, 两节点距离为D0, 道路限速为vm, 节点在[0, t]运行的路程如图5所示:
v (x) 为节点在时间x上的移动速度。
在t时刻节点i和节点j的距离为:
其中D0为初始距离。
Dt≤R, 在t时刻内链路有效, 否则链路无效, 自动断开链路链接。
基于移动预测的路由特点是可靠性高, 延迟低, 但当车辆数量较多, 所建立的可靠路径需要该车辆节点具有快速的实时计算能力, 信息开销较大。
3.4 基于基础设施路由
借助于路边的基础设施RSU, 可以解决车辆在稀疏情况下, 导致节点链路中断。如图6所示, RSU为路边可靠的固定节点, 具有高带宽、低误码率和低延迟传输特点, 并作为主干链路, 当车辆节点出现链路中断时, RSU将采用存储转发策略来发送数据包[7]。
该思路在实际运用中最为可靠、丢包率最低, 但其主要缺点是部署费用非常昂贵, 并且如果发生一些自然灾害, 比如台维护成本较高。
3.5 基于概率的路由
由于车辆运行由一定的规律性, 相关的学者根据概率统计理论提出了基于概率的路由协议[8]。其核心理论是:用概率描述车辆节点在某一段时间内该链路还未断开或存在的可能性。在该路由协议中, 需要建立相关的模型, 并且这些模型的建立是基于某些网络特性的前提下, 这样才能统计相关的变量的分布信息[8]。
该类路由协议主要优点是, 在某特性的环境下比较有效、可靠性较高。基于概率的路由协议使用于某特定条件下的交通, 如果不满足该条件, 将导致该路由协议性能直线下降甚至出现数据包大量丢失的情况。另外, 由于该路由协议的判断标准是基于某时间的发生概率, 于真实情况存在一定的误差, 从而导致的选择车辆节点之间的路径时, 该路径可能不是最佳的。该路由协议主要有Yan、GAR、VADD、GVGrid等路由协议。
根据以上的分析, 以上VANETs各类路由协议的特点如表1所示:
4 总结
本文针对车载网络进分析, 并详细分析和比较各类路由协议的特点。因此, 比较理想的VANETs路由协议, 应该具有可靠性高、开销少、自适应能力强、普适性高等特点, 因此通过当前路由协议的研究, 在研究和设计的路由协议时应考虑以下方面[9]:
(1) 路由协议的可靠性和准确性。数据包能有效的传输到目的节点是路由协议的基本要求, 数据包能成功传输是衡量路由协议的优劣的重要指标。
(2) 路由协议的自适应性。由于VANETs网络是一个动态移动网络, 并且节点移动速度非常快, 网络拓扑变化剧烈, 这些特点要求VANETs路由协议具有自适应能力强, 随时满足网络拓扑的变化。
(3) 路由协议具有普适性。有于VANETs路由协议是一般是针对某一具体环境开发出来, 比如针对于高速公路车辆的路由和城市内的路由协议有很大区别, 路由算法区别可能也较大, 如何增强VANETs路由协议的普适性, 需要进一步研究。
因此, 由于VANETs中研究场景不同、节点变化的快速和剧烈等特点, 在VANETs路由协议中, 仍然存在很多问题, 需要研究人员去解决和发现。
摘要：针对于车载自组织网络车辆节点移动速度快, 网络拓扑变化频繁的特点, 与传统的自组织网络路由协议有很大的区别且面临的挑战更大, 对车载网络路由协议进行研究, 然后具体分析基于泛洪的、基于移动预测、基于路边基础设施、基于地理位置、基于概率的各类路由的协议的性能和特点, 并分析比较其特性, 最后提出理想的路由协议应该具有的特性并展望了未来的研究方向。
关键词：路由协议,车载自组织网络,网络拓扑
参考文献
[1]冯勇, 梁浩.车载自组织网络中一种有效的匿名认证方法[J].计算机工程与用, 2010, 46 (23) :126-128.
[2]常促宇, 向勇, 史美林.车载自组网的现状与发展[J].通信学报.2007, 28 (11) :116-126.
[3]Chen LJ, Jiang H, WU J, Guo CC, Xu WP, Yan PL.Research on transmission control on vehicle ad hoc network.Journal of Software, 2007, 18 (12) :1477-1490.
[4]朱存智.车载自组织网络 (VANET) 综述[J].湖北广播电视大学学报.2011, 11 (31) :157-158.
[5]Brad K, Kung H T.GPSR:Greedy perimeter stateless routing for wireless networks[C].Proceedings of the Sixth Annual ACM/IEEE International Mobile Computing and Networking, 2000:243-254.
[6]Hamid Menouar, Massimiliano Lenardi, Fethi Filali.Movement Prediction-based Routing (MOPR) Concept for Position-based Routing in Vehicular Networks[C].IEEE VTC, 2007.
[7]HE Rong-xi, RUTAGEMWA H, SHEN Xue-min.Differentiated reliable routing in hybrid vehicular Ad hoc networks[C]//Proc of IEEE International Conference on Communications 2008:2353-235.
[8]徐会斌, 夏超.VANETs路由综述[J].计算机应用研究, 2013, 1 (30) :1-6.