車載自組網(wǎng)
車輛通信網(wǎng)絡(luò)就是在汽車上裝載移動(dòng)通信設(shè)備,為高速行駛中的車輛提供一種高速率的寬帶無線接入方式,構(gòu)建一個(gè)以車輛為載體的龐大的無線物聯(lián)網(wǎng)。
包括車輛內(nèi)部各部件、車輛與車輛之間、車輛與路邊基站之間的無線通信網(wǎng)絡(luò)等,其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。根據(jù)通信距離劃分,車輛通信網(wǎng)絡(luò)主要包括車域網(wǎng)(VAN)和車輛自組網(wǎng)(VANET)兩大類。
車域網(wǎng)是指通過使用傳感器、電子標(biāo)簽等,在移動(dòng)車輛內(nèi)部各部件之間構(gòu)建無線局域網(wǎng),并通過車載網(wǎng)關(guān)接入周邊的無線廣域網(wǎng)。它能使車輛內(nèi)部及周圍的設(shè)備直接或者間接通過無線協(xié)議進(jìn)行通信。
移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)(MANET)在交通道路上的應(yīng)用被稱之為車輛自組網(wǎng),它為高速運(yùn)動(dòng)的車輛之間及運(yùn)行在高速公路上的車輛提供了一種可能的高速率無線通信接入方式。
車載自組網(wǎng)簡(jiǎn)介
車載自組網(wǎng)是專門為車輛間通信而設(shè)計(jì)的自組織網(wǎng)絡(luò),它創(chuàng)造性地將自組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于車輛間通信,使司機(jī)能夠在超視距的范圍內(nèi)獲得其他車輛的狀況信息(如車速、方向、位置、剎車板壓力等)和實(shí)時(shí)路況信息。
在2003年I1ru—T的汽車通信標(biāo)準(zhǔn)化會(huì)議上提出的車用自組織網(wǎng)絡(luò)(VANET,vehicle ad-hocnetworks)技術(shù)。自組網(wǎng)是一種無線分布式結(jié)構(gòu),強(qiáng)調(diào)的是多跳、自組織、無中心的概念。
車載自組網(wǎng)的基本思想是在一定通信范圍內(nèi)的車輛可以相互交換各自的車速、位置等信息和車載傳感器感知的數(shù)據(jù),并自動(dòng)的連接建立起一個(gè)移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)。
節(jié)點(diǎn)的單跳通信范圍只有幾百米到一千米,每一個(gè)節(jié)點(diǎn)(車輛)不僅是一個(gè)收發(fā)器,同時(shí)還是一個(gè)路由器,因此采用多跳的方式把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給更遠(yuǎn)的車輛。
車載自組網(wǎng)特點(diǎn)
車載自組網(wǎng)是極其特殊的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò),它同樣存在一般無線自組網(wǎng)所固有的問題,如隱藏點(diǎn)問題、暴露點(diǎn)問題、信道捕獲問題等,不過也帶有自身獨(dú)特的特性。
車載自組網(wǎng)的主要特點(diǎn)包括:
1.由于節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)性(速度大致在5-42m/s之間),導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快,路徑壽命短,例如平均速度為100km/h的道路上,如果節(jié)點(diǎn)的覆蓋半徑為250m,則鏈路存在15s的概率僅為57%。
2.無線信道質(zhì)量不穩(wěn)定,受多種因素影響,其中包括路邊建筑、道路情況、車輛類型和車輛相對(duì)速度等。
3.節(jié)點(diǎn)通過發(fā)動(dòng)機(jī)可以提供源源不斷的電力支持,車輛的承載空間也可以確保天線的尺寸和其他額外的通信設(shè)備,同時(shí)還具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力等。
4.節(jié)點(diǎn)移動(dòng)具有一定的規(guī)律性,只能沿著車道單/雙向移動(dòng),具有一維性。
5.道路的靜態(tài)形狀使得車輛移動(dòng)是受限制的,車輛軌道一般可預(yù)測(cè)。
6.GPS能夠?yàn)楣?jié)點(diǎn)提供精確定位和精準(zhǔn)時(shí)鐘信息,利于獲取自身位置信息和進(jìn)行時(shí)鐘同步。
7.GPS和電子地圖相結(jié)合,利用路徑規(guī)劃功能,將使車載自組網(wǎng)路由策略的實(shí)現(xiàn)變得更為簡(jiǎn)單。
車載自組網(wǎng)組成及建構(gòu)
車載自組網(wǎng)組成部分:車、設(shè)施(包括路邊基站、信號(hào)燈等)、衛(wèi)星(提供GPS定位服務(wù))、互聯(lián)網(wǎng)(實(shí)現(xiàn)部署功能)等。
VANET網(wǎng)絡(luò)可能被通信運(yùn)營商、內(nèi)容服務(wù)商、政府機(jī)構(gòu)部署,或者由他們聯(lián)合部署,構(gòu)成一個(gè)混合架構(gòu)的無線通信網(wǎng)絡(luò)。
根據(jù)歐洲車載通信聯(lián)盟(C2C-CC)的定義,VANET的架構(gòu)已被拓展到更廣泛的范疇,分為車內(nèi)通信( In-vehicle domain)、車間通信(Ad-hoc domain)和車路通信(Infrastructure domain) 三個(gè)域。
車內(nèi)通信(In-vehicle) 是車載單元(OBU) 與用戶終端之間的通信,用戶終端可以是某種具體設(shè)備,也可以是集成于OBU的虛擬模塊,連接方式可以有線或無線的。
車間通信(Ad-hoc domain)包括OBU之間的通信(V2V)以及OBU與路側(cè)單元RSU之間的通信(V2R),通信方式可以是單跳也可以是多跳的。
車路通信(Infrastructure domain) 是0BU、 RSU與基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信,如Satellite、 Hot Spot、3G、4G等,完成接入互聯(lián)網(wǎng)的功能。對(duì)于RSU來說,連接可以是有線的。
這三個(gè)域中可能采用的無線接入方式包括IEEE 802. 11p (Ad-hoc domain)、Cellular Networks (2G/3G/4G用于 infrastructure domain)、 WLAN (802. 11a//g/n/ac 用于Infrastructure domain 或in-vehicle domain),Bluetooth(in-vehicle domain)等。VANET的應(yīng)用可能用到不只一種通信方式。
主流自組網(wǎng)通信方式
ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。
其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域,可以嵌入各種設(shè)備(物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備居多)。
ZigBee被標(biāo)準(zhǔn)化為IEEE 802.15.4,工作頻段有三個(gè):868MHz-868.6MHz、902MHz-928MHz和2.4GHz-2.4835GHz,其中最后一個(gè)頻段世界范圍內(nèi)通用,16個(gè)信道,并且該頻段為免付費(fèi)、免申請(qǐng)的無線電頻段。三個(gè)頻段傳輸速率分別為20kbps,40kbps以及250kbps。
典型應(yīng)用場(chǎng)景:物聯(lián)網(wǎng)、智能家居
ZigBee優(yōu)缺點(diǎn):
優(yōu)點(diǎn):低功耗、低成本、近距離、短時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)容量大、高安全、免執(zhí)照頻段、工作頻段靈活、數(shù)據(jù)傳輸可靠、自組網(wǎng)能力強(qiáng)、自恢復(fù)能力強(qiáng)
缺點(diǎn):成本高(成本難以低于10美金)、通信穩(wěn)定性差(國內(nèi)Zigbee技術(shù)主要采用ISM頻段中的2.5G頻率,其衍射能力弱,穿墻能力弱)、數(shù)據(jù)傳輸速率低、有效范圍小、抗干擾性差、ZigBee協(xié)議沒有開源,以及和IP協(xié)議下的對(duì)接比較復(fù)雜等。
ZigBee三種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu):
從網(wǎng)絡(luò)配置上,ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有3種類型的節(jié)點(diǎn):ZigBee協(xié)調(diào)點(diǎn)、ZigBee路由節(jié)點(diǎn)和ZigBee終端節(jié)點(diǎn).
ZigBee協(xié)調(diào)點(diǎn)是3種類型ZigBee節(jié)點(diǎn)最為復(fù)雜的一種,一般由交流電源持續(xù)供電。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)點(diǎn),它往往比網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)的功能更強(qiáng)大,是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主控節(jié)點(diǎn)。
它負(fù)責(zé)發(fā)起建立新的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、管理網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)以及存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)信息等,網(wǎng)絡(luò)形成后也可以執(zhí)行路由器的功能。
ZigBee路由節(jié)點(diǎn)可以參與路由發(fā)現(xiàn)、消息轉(zhuǎn)發(fā),通過連接別的節(jié)點(diǎn)來擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍等。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)(ZigBeeEnd Device, ZE)可以是全功能節(jié)點(diǎn)FFD或者精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD ( Reduced-Function Device ,RFD )。
它通過ZigBee協(xié)調(diào)點(diǎn)或者ZigBee路由節(jié)點(diǎn)連接到網(wǎng)絡(luò),但不允許其他任何節(jié)點(diǎn)通過它加入網(wǎng)絡(luò),ZigBee終端節(jié)點(diǎn)能夠以非常低的功率運(yùn)行。
Zigbee可以形成星型拓?fù)洹湫屯負(fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)淙N網(wǎng)絡(luò),可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需要來選擇合適的Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),三種Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)各有優(yōu)勢(shì)。
星形拓?fù)涫亲詈?jiǎn)單的一種拓?fù)湫问剑粋€(gè)Coordinator(協(xié)調(diào)者) 節(jié)點(diǎn)和一系列的 End Device(終端)節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)End Device 節(jié)點(diǎn)只能和 Coordinator 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。如果需要在兩個(gè) End Device 節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通訊必須通過Coordinator 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息的轉(zhuǎn)發(fā)。
這種拓?fù)湫问降娜秉c(diǎn)是節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)路由只有唯一的一個(gè)路徑。Coordinator(協(xié)調(diào)者)有可能成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。
實(shí)現(xiàn)星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳恍枰褂肸igbee 的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議,因?yàn)楸旧鞩EEE 802.15.4的協(xié)議層就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了星形拓?fù)湫问剑沁@需要開發(fā)者在應(yīng)用層作更多的工作,包括自己處理信息的轉(zhuǎn)發(fā)。
樹形拓?fù)?/strong>包括一個(gè)Coordinator(協(xié)調(diào)者)以及一系列的 Router(路由器) 和 End Device(終端)節(jié)點(diǎn)。
Coordinator連接一系列的 Router 和 End Device,它的子節(jié)點(diǎn)的 Router也可以連接一系列的 Router 和End Device. 這樣可以重復(fù)多個(gè)層級(jí)。樹形拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)如下圖所示:
需要注意的是:Coordinator和 Router 節(jié)點(diǎn)可以包含自己的子節(jié)點(diǎn);End Device 不能有自己的子節(jié)點(diǎn);有同一個(gè)父節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)之間稱為兄弟節(jié)點(diǎn);有同一個(gè)祖父節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)之間稱為堂兄弟節(jié)點(diǎn)。
樹形拓?fù)渲械耐ㄓ嵰?guī)則:每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都只能和它的父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)之間通訊;
如果需要從一個(gè)節(jié)點(diǎn)向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù),那么信息將沿著樹的路徑向上傳遞到最近的祖先節(jié)點(diǎn)然后再向下傳遞到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。
這種拓?fù)浞绞降娜秉c(diǎn)就是信息只有唯一的路由通道。另外信息的路由是由協(xié)議棧層處理的,整個(gè)的路由過程對(duì)于應(yīng)用層是完全透明的。
Mesh拓?fù)?網(wǎng)狀拓?fù)??包含一個(gè)Coordinator和一系列的Router 和End Device。這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问胶蜆湫瓮負(fù)湎嗤?請(qǐng)參考上面所提到的樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>
但是,網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂懈屿`活的信息路由規(guī)則,在可能的情況下,路由節(jié)點(diǎn)之間可以直接的通訊。
這種路由機(jī)制使得信息的通訊變得更有效率,而且意味這一旦一個(gè)路由路徑出現(xiàn)了問題,信息可以自動(dòng)的沿著其它的路由路徑進(jìn)行傳輸。網(wǎng)狀拓?fù)涞氖疽鈭D如下所示:
通常在支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)上,網(wǎng)絡(luò)層會(huì)提供相應(yīng)的路由探索功能,這一特性使得網(wǎng)絡(luò)層可以找到信息傳輸?shù)淖顑?yōu)化的路徑。?
需要注意的是,以上所提到的特性都是由網(wǎng)絡(luò)層來實(shí)現(xiàn),應(yīng)用層不需要進(jìn)行任何的參與。
MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的功能,網(wǎng)絡(luò)可以通過“多級(jí)跳”的方式來通信;該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈功能;而星型和樹型網(wǎng)絡(luò)適合多節(jié)點(diǎn)、距離相對(duì)較近的應(yīng)用。
WIFI
Wi-Fi是一種無線局域網(wǎng)通信技術(shù),全稱Wireless-Fidelity,無線保真,IEEE組織的IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)制定了以太網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
Wi-Fi終端指使用高頻無線電信號(hào)發(fā)送和接收數(shù)據(jù),使用以太網(wǎng)通信協(xié)議,通信距離通常在幾十米。
目前,基于WIFI的無線網(wǎng)狀(Mesh) 組網(wǎng)技術(shù)不僅具有WIFI本身的優(yōu)勢(shì),還解決了WIFI的覆蓋范圍小的問題,因此會(huì)有廣泛的應(yīng)用空間和很好的發(fā)展前景。
WIFI優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn):Wi-Fi的優(yōu)點(diǎn)是局域網(wǎng)部署無需使用電線,降低部署和擴(kuò)充的成本。
另外,根據(jù)Wi-Fi聯(lián)盟指定,“Wi-Fi認(rèn)證”是向后兼容的,它指定一套全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn):不同于移動(dòng)電話,任何Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備將在世界上任何地方正確運(yùn)行。
缺點(diǎn):Wi-Fi的缺點(diǎn)是通信距離有限,穩(wěn)定性差,功耗較大,組網(wǎng)能力差,安全性也較差。
WIFI兩種撲形式
WIFI模塊包括兩種類型的拓?fù)湫问?基礎(chǔ)網(wǎng)(Infra) 和自組網(wǎng)(Adhoc) 。
AP,也就是無線接入點(diǎn),是一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建者,是網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)。一般家庭或辦公室使用的無線路由器就是一個(gè)AP;
STA站點(diǎn),每一個(gè)連接到無線網(wǎng)絡(luò)中的終端(如筆記本電腦、PDA及其它可以聯(lián)網(wǎng)的用戶設(shè)備)都可稱為一個(gè)站點(diǎn)。
基于AP組建的基礎(chǔ)無線網(wǎng)絡(luò)(Infra)
Infra也稱為基礎(chǔ)網(wǎng),是由AP創(chuàng)建,眾多STA加入所組成的無線網(wǎng)絡(luò),這種類型的網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是AP是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心,網(wǎng)絡(luò)中所有的通信都通過AP來轉(zhuǎn)發(fā)完成。
基于自組網(wǎng)的無線網(wǎng)絡(luò)(Adhoc)
Adhoc也稱為自組網(wǎng),是僅由兩個(gè)及以上STA自己組成,網(wǎng)絡(luò)中不存在AP,這種類型的網(wǎng)絡(luò)是一種松散的結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)中所有的STA都可以直接通信。
這兩種模式的區(qū)別在于: Adhoc模式?jīng)]有主設(shè)備,不通過無線AP或無線寬帶路由直接通信,可以通過多張無線網(wǎng)卡之間使用相同的SSID (服務(wù)集標(biāo)識(shí))組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)群體進(jìn)行通信,因?yàn)闊o線網(wǎng)卡有軟路由功能。Adhoc模式最多只能連接256臺(tái)具有無線網(wǎng)卡的電腦。
基于WIFI的MESH自組網(wǎng)技術(shù)
MESH自組網(wǎng)是一種與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型無線網(wǎng)絡(luò)。它是一種動(dòng)態(tài)地建立新的鏈接和其他節(jié)點(diǎn)相連的一項(xiàng)技術(shù),它具有自組網(wǎng)、自修復(fù)、多跳級(jí)聯(lián)、節(jié)點(diǎn)自我管理等優(yōu)點(diǎn),可以大幅降低網(wǎng)絡(luò)部署的成本和復(fù)雜程度。
在使用Wi-Fi mesh網(wǎng)絡(luò)之前,吞吐量是需要考慮的最重要因素之一。對(duì)于需要最高吞吐量和最快Wi-Fi速度的情況,傳統(tǒng)的APs可能更適合。
在mesh WiFi配置中,用戶必須要考慮到從一個(gè)中繼器到下一個(gè)中繼器的巨大帶寬損失;對(duì)于mesh APs之間的每一個(gè)無線鏈路,吞吐量都會(huì)比之前的AP下降50%左右,這就意味著mesh網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量不會(huì)太大。
兼容性也是一個(gè)問題。盡管IEEE的802.11標(biāo)準(zhǔn)和Wi-Fi聯(lián)盟的Wi-Fi Easy Mesh標(biāo)準(zhǔn)由來已久,但大多數(shù)mesh APs在不同的供應(yīng)商之間并不兼容。
所以,為了安全起見,堅(jiān)持使用一個(gè)品牌,也許是同一種型號(hào)是有道理的。可以考慮在手邊保留一些額外的mesh APs,用于替換或mesh擴(kuò)展,以防將來無法購買該模型。
Blue Tooth
藍(lán)牙(BlueTooth)是一種設(shè)備之間進(jìn)行無線通信的技術(shù),可實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備和樓宇個(gè)人域網(wǎng)之間的短距離數(shù)據(jù)交換,藍(lán)牙可連接多個(gè)設(shè)備,克服了數(shù)據(jù)同步的難題。藍(lán)牙使用短波特高頻(UHF)無線電波,經(jīng)由2.4至2.485GHz的ISM頻段來進(jìn)行通信,通信距離從幾米到幾百米不等。
藍(lán)牙優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn) :
“低功耗藍(lán)牙”模式下實(shí)現(xiàn)了低功耗,覆蓋范圍增強(qiáng),最大范圍可超過100米
支持復(fù)雜網(wǎng)絡(luò):針對(duì)一對(duì)一連接最優(yōu)化,并支持星形拓?fù)涞囊粚?duì)多連接等
智能連接:增加設(shè)置設(shè)備間連接頻率的支持,Ipv6網(wǎng)絡(luò)支持。
較高安全性:使用AES-128 CCM加密算法進(jìn)行數(shù)據(jù)包加密和認(rèn)證。
藍(lán)牙模塊體積很小,便于集成。
可以建立臨時(shí)性的對(duì)等連接(Ad-hoc Connection):根據(jù)藍(lán)牙設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色,可分為主設(shè)備(Master)與從設(shè)備(Slave)。
缺點(diǎn):
藍(lán)牙的各個(gè)版本不兼容,組網(wǎng)能力差;網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)少,不適合多點(diǎn)布控。
連接到物聯(lián)網(wǎng)的三種常見無線通信技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比
藍(lán)牙m(xù)esh
藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)是2017年批準(zhǔn)的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn),這是一種組網(wǎng)技術(shù),藍(lán)牙4.0以上支持BLE低功耗的芯片都支持。
藍(lán)牙5.0是藍(lán)牙的最新標(biāo)準(zhǔn),主要是提高2倍的傳輸速度和4倍的傳輸距離,和藍(lán)牙m(xù)esh是兩個(gè)概念。
藍(lán)牙m(xù)esh的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型如下圖
Proxy(代理節(jié)點(diǎn)):通過代理節(jié)點(diǎn),手機(jī)和pad等支持藍(lán)牙的設(shè)備可以訪問網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)設(shè)備。
Edge(邊緣節(jié)點(diǎn)):普通的節(jié)點(diǎn),不支持中繼等功能,只是普通收發(fā)數(shù)據(jù)。
Relay (中繼節(jié)點(diǎn)) :可以作為消息的中繼,轉(zhuǎn)發(fā)給其他節(jié)點(diǎn),本身也可以接受消息。
Friend+Low power節(jié)點(diǎn):這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)是配合使用的,F(xiàn)riend節(jié)點(diǎn)可以緩存Low power節(jié)點(diǎn)的信息,這樣low power節(jié)點(diǎn)可以處于休眠狀態(tài),定時(shí)喚醒,從Friend節(jié)點(diǎn)取回消息,滿足低功耗的應(yīng)用。
藍(lán)牙Mesh與Zigbee不同,它不用路由協(xié)議,而是使用網(wǎng)絡(luò)泛洪管理技術(shù),簡(jiǎn)單說就是一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù),將會(huì)被所有支持中繼的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),但不會(huì)被無限轉(zhuǎn)發(fā),已經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)將不再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。
同時(shí),藍(lán)牙Mesh有一些特殊機(jī)制,比如數(shù)據(jù)包生存周期(Time To Live)管理,也是有效的防止了數(shù)據(jù)的無限轉(zhuǎn)發(fā)。
藍(lán)牙m(xù)esh的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)如下:
網(wǎng)絡(luò)無需中心節(jié)點(diǎn)
藍(lán)牙Mesh與其他Mesh拓?fù)涞暮艽蟛煌瑹o需中心網(wǎng)關(guān),節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)通信,節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng),均是通過配置實(shí)現(xiàn)
節(jié)點(diǎn)信息,入網(wǎng)可配置
節(jié)點(diǎn)通過配置完成入網(wǎng),無繁瑣的入網(wǎng)交互流程及對(duì)應(yīng)入網(wǎng)過程路由表的建立
采用洪流(Flooding)模式進(jìn)行通信
與一般的Mesh基于路由表通信相比,藍(lán)牙Mesh利用廣播+中繼接收轉(zhuǎn)發(fā)的機(jī)制,完成消息的傳遞;
通信采用發(fā)布/訂閱模型
節(jié)點(diǎn)發(fā)布信息,將消息發(fā)送至對(duì)應(yīng)地址,訂閱該地址的節(jié)點(diǎn),將收到消息;這一特點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的控制以及多對(duì)一的控制;
比如一個(gè)開關(guān)可以控制三個(gè)燈泡,一個(gè)燈泡可以被三個(gè)開關(guān)控制。這個(gè)特性也是充分利用了藍(lán)牙Mesh廣播通信的優(yōu)勢(shì);
兩重安全機(jī)制
藍(lán)牙Mesh采取了應(yīng)用層安全密鑰及網(wǎng)絡(luò)安全密鑰,來保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的安全;網(wǎng)絡(luò)安全密鑰應(yīng)用于整個(gè)網(wǎng)絡(luò),而應(yīng)用層密鑰則專門保護(hù)專門的終端節(jié)點(diǎn);
比如,燈控的消息可以被同一網(wǎng)絡(luò)的開關(guān),執(zhí)行器等轉(zhuǎn)發(fā),而開關(guān),執(zhí)行器轉(zhuǎn)發(fā)過程,無法解密具體的應(yīng)用數(shù)據(jù),即使同一網(wǎng)絡(luò),也無法實(shí)現(xiàn)燈的控制 (這加大了破解網(wǎng)絡(luò)的難度)
低功耗支持
針對(duì)低功耗如電池供電節(jié)點(diǎn),可制定其他的節(jié)點(diǎn)作為低功耗節(jié)點(diǎn)的Friend節(jié)點(diǎn),當(dāng)?shù)凸墓?jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠后,F(xiàn)riend節(jié)點(diǎn)可以替代接收低功耗節(jié)點(diǎn)消息,并在低功耗節(jié)點(diǎn)喚醒后,將數(shù)據(jù)傳遞給低功耗節(jié)點(diǎn);
代理支持
針對(duì)已實(shí)現(xiàn)BLE 4.0/4.2協(xié)議的傳統(tǒng)BLE設(shè)備,可通過代理節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)BLE節(jié)點(diǎn)加入Mesh網(wǎng)絡(luò);代理節(jié)點(diǎn)與傳統(tǒng)BLE節(jié)點(diǎn)通過特定GATT Profile進(jìn)行消息傳遞。
WiMAX
WiMAX的全名是微波接入全球互通(worldwide inter operability for micro wave access),用于推廣基于IEEE 802.16和ETSI HiperMAN協(xié)議的無線寬帶接入設(shè)備,目的是確保不同無線寬帶接入設(shè)備之間的兼容性和互操作性。
WiMAX系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括WiMAX終端、WiMAX無線接入網(wǎng)和WiMAX核心網(wǎng)3部分,如下圖所示。根據(jù)所采用的標(biāo)準(zhǔn)以及應(yīng)用場(chǎng)景不同,WiMAX終端包括固定(802.16-2004)、便攜和移動(dòng)(802.16e)三種類型。
而WiMAX接入網(wǎng)主要指基站,需要支持無線資源管理等功能,有時(shí)為方便和其他網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通,還需要包含認(rèn)證和業(yè)務(wù)授權(quán)(ASA)服務(wù)器。而核心網(wǎng)主要用于解決用戶認(rèn)證、漫游等功能及作為與其他網(wǎng)絡(luò)之間的接口。
WiMAX 技術(shù)為了提高移動(dòng) WiMAX系統(tǒng)性能,采用了許多先進(jìn)關(guān)鍵技術(shù),主要包括正交頻分復(fù)用(OFDM)、正交頻分多址(OFDMA)、混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳(Hybrid Automatic Repeat Request,HARQ)、自適應(yīng)編碼(Adaptive Modulation and Coding,AMC),自適應(yīng)天線系統(tǒng)(Adaptive Antenna System,AAS)和多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)等技術(shù),這些技術(shù)應(yīng)用于應(yīng)急通信,可以有效的提升應(yīng)急通信系統(tǒng)的性能,實(shí)現(xiàn)可視化通信。
典型應(yīng)用場(chǎng)景:搶險(xiǎn)救災(zāi),隨身WIFI
WiMAX特點(diǎn)
傳輸距離遠(yuǎn):無線信號(hào)傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)50km,并能覆蓋半徑達(dá)1.6公里的范圍,是3G基站的10倍。
傳輸速率高:可實(shí)現(xiàn)高達(dá)74.81Mb/s的傳輸速度。
容量高: WiMAX 的一個(gè)基站可以同時(shí)接入數(shù)百個(gè)遠(yuǎn)端用戶站。
靈活的信道寬度: WiMAX 能在信道寬度和連接用戶數(shù)量之間取得平衡,其信道寬度由1. 5MHz到20MHz不等。
QoS性能:可向用戶提供具有QoS性能的數(shù)據(jù)、視頻、話音業(yè)務(wù)。
豐富的多媒體通信服務(wù):能夠?qū)崿F(xiàn)電信級(jí)的多媒體通信服務(wù)。
保密性:支持安全傳輸,并提供鑒權(quán)與數(shù)字加密等功能。
由于上述特點(diǎn)及其建網(wǎng)快、見效早的優(yōu)點(diǎn),WiMAX 具有重要現(xiàn)實(shí)意義與戰(zhàn)略價(jià)值。
WiMAX組網(wǎng)技術(shù)
在 IEEE802.16-2004 協(xié)議中規(guī)定了兩種組網(wǎng)模式即 PMP 模式和 Mesh 模式。PMP 模式即點(diǎn)到多點(diǎn)的組網(wǎng)模式,在目前的通信系統(tǒng)中被廣泛使用。
該組網(wǎng)方式必須包括一個(gè)基站和一些用戶站,基站作為唯一主節(jié)點(diǎn),所有用過站必須通過該主節(jié)點(diǎn)接入核心網(wǎng)。目前大規(guī)模使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)就是基于該組網(wǎng)模式。
本組網(wǎng)模式具有技術(shù)成熟、搭建便捷、易于管理等諸多優(yōu)點(diǎn),是目前應(yīng)用的主流技術(shù)。
Mesh 是一種新型的組網(wǎng)模式,在網(wǎng)絡(luò)中個(gè)能存在多個(gè)主節(jié)點(diǎn),是一個(gè)無主的網(wǎng)絡(luò)模型。網(wǎng)絡(luò)中各用戶節(jié)點(diǎn)可以通過多跳的方式接入能夠使用的主節(jié)點(diǎn)。
因此本組網(wǎng)方式具有很強(qiáng)的健壯性和靈活性。目前在軍事領(lǐng)域已經(jīng)開始得到運(yùn)用。但是在協(xié)議中對(duì)于該組網(wǎng)方式并沒有給出具體詳細(xì)的定義只是在一些方面做了限制。
目前在 Mesh 組網(wǎng)在路由協(xié)議等方面還不夠成熟。IEEE802.16e 標(biāo)準(zhǔn)在 IEEE802.16-2004 的基礎(chǔ)上增加了切換功能這樣便可以提供移動(dòng)服務(wù)。
因此,采用 IEEE802.16e 組網(wǎng)可以增加對(duì)移動(dòng)性寬帶接入的支持,這在應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中的建設(shè)顯得非常有必要。移動(dòng) WiMAX 網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際組網(wǎng)時(shí)可以參考現(xiàn)有的 GSM/CDMA 蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)。
采用基于 IEEE802.16e 標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)可以為用戶提供穩(wěn)定、高質(zhì)量的固定和移動(dòng)的語音服務(wù)以及高帶寬的移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。需要大規(guī)模組網(wǎng)時(shí)可以采用典型的 3 頻點(diǎn)多基站移動(dòng)組網(wǎng)方式。
DSRC
(Dedicated Short Range Communications)即專用短程通信技術(shù),DSRC是一種高效的無線通信技術(shù),提供高速的數(shù)據(jù)傳輸,并保證通信鏈路的低延時(shí)和低干擾。
安裝了車載單元(OBU)的車輛和路邊單元(RSU),通過DSRC專用短程通信技術(shù)可實(shí)現(xiàn)車輛間通信(V2V)和車輛與路邊基礎(chǔ)設(shè)施通信(V2I)。
DSRC是ITS標(biāo)準(zhǔn)體系框架中的重要組成部分,是整個(gè)智能交通服務(wù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
DSRC可以實(shí)現(xiàn)在特定小區(qū)域內(nèi)(通常為數(shù)十米)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)下的移動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別和雙向通信,DSRC可實(shí)時(shí)傳輸圖像。
語音和數(shù)據(jù)信息,實(shí)現(xiàn)V2I、V2V及V2P的雙向通信,DSRC廣泛地應(yīng)用在ETC不停車收費(fèi)、出入控制、車隊(duì)管理、信息服務(wù)等領(lǐng)域,并在車輛識(shí)別、駕駛員識(shí)別、路網(wǎng)與車輛之間信息交互、車載自組網(wǎng)等方面具備得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。
DSRC是國際上專門開發(fā)適用于車輛通信的技術(shù),1992年由美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)最早提出。
2010年7月正式頒布的IEEE802.11p是IEEE 802.11協(xié)議在車輛領(lǐng)域的推廣與擴(kuò)充,主要規(guī)定了DSRC協(xié)議的媒體訪問控制層(MAC)和物理層(PHY)標(biāo)準(zhǔn)。
IEEE 1609標(biāo)準(zhǔn)則是以802.11p通信協(xié)議為基礎(chǔ)的高層標(biāo)準(zhǔn),是IEEE針對(duì)無線通信技術(shù)應(yīng)用于車輛環(huán)境時(shí)所定義出的通信系統(tǒng)架構(gòu)以及一系列標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)和接口。
典型應(yīng)用場(chǎng)景:高速公路ETC
DSRC優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn):
由上表可以看出DSRC在性能上優(yōu)于WIFI、蜂窩網(wǎng)絡(luò)等無線通信技術(shù),跟WiMAX技術(shù)相比,在性能上不相上下,但是在實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和成本上,DSRC遠(yuǎn)遠(yuǎn)比WiMAX具有優(yōu)勢(shì)。
缺點(diǎn):
DSRC 技術(shù)也存在明顯不足。首先是短距離覆蓋問題。如果汽車通過DSRC網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng),會(huì)受到DSRC沿路邊覆蓋范圍的約束,尤其是在高速公路上。
即使通過多跳通信來擴(kuò)展 DSRC 的覆蓋范圍,但也不能保證在任意時(shí)刻可以為車輛接入提供一條可用的鏈路。
另外,即使鏈路存在,考慮到高速移動(dòng)環(huán)境下復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)包的路由問題也是一個(gè)挑戰(zhàn)。多級(jí)連跳通信以及路由問題大大降低了 DSRC 高可靠和低時(shí)延的性能。
DSRC 的另外一個(gè)弊端就是基于 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Ac?cess with CollisionDetection)的接入技術(shù)。
在高密度場(chǎng)景下,車輛之間的信道接入競(jìng)爭(zhēng)會(huì)變得更加強(qiáng)烈,從而導(dǎo)致由高速數(shù)據(jù)傳輸碰撞以及信道接入延遲而引發(fā)的性能下降。
除此之外,DSRC 難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用,其路邊設(shè)施投入大,商業(yè)盈利模式不清晰,且DSRC 主要針對(duì)道路難以覆蓋,無法滿足車輛離路后獲取服務(wù)的應(yīng)用場(chǎng)景。
DSRC與C-V2X
DSRC在美國已經(jīng)經(jīng)過多年開發(fā)測(cè)試,后期隨著蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展才出現(xiàn)了C-V2X(Cellular V2X,即以蜂窩通信技術(shù)為基礎(chǔ)的V2X)技術(shù)。
基于802.11p的DSRC技術(shù)的組網(wǎng)需要新建大量路側(cè)單元roadside unit,這種類基站設(shè)備的新建成本較大,其硬件產(chǎn)品成本也比較高昂。
而C-V2X直接利用現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò),使用現(xiàn)有基站和頻段,組網(wǎng)成本明顯降低。
由于隨著蜂窩通信技術(shù)的發(fā)展,我國在LTE布局多年,網(wǎng)絡(luò)覆蓋全國大部分地區(qū),是全球最大的LTE市場(chǎng),5G通信將2020年開始商用,所以在中國市場(chǎng)C-V2X應(yīng)用更加廣。
4G/5G
進(jìn)入21世紀(jì)后,蜂窩移動(dòng)通信得到了快速的發(fā)展,技術(shù)水平和行業(yè)生態(tài)都飛速進(jìn)步。于是,人們開始研究使用蜂窩通信技術(shù)(Cellular),用于車聯(lián)網(wǎng)通信。目主流的蜂窩通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是4G LTE及5G。
LTE-V2X是給車聯(lián)網(wǎng)量身定制的LTE。LTE-V2X依托現(xiàn)有的LTE基站,避免了重復(fù)建設(shè),而且工作距離遠(yuǎn)比DSRC大,提供了更高的帶寬,更高的傳輸速率,更大的覆蓋范圍。
LTE-V2X技術(shù)包括集中式(LTE-V-Cell)和分布式(LTE-V-Direct)兩個(gè)工作模式。LTE-V-Cell需要基站作為控制中心,實(shí)現(xiàn)大帶寬、大覆蓋通信,而LTE-V-Direct可以無需基站作為支撐,可直接實(shí)現(xiàn)車輛與車輛,車輛與周邊環(huán)境節(jié)點(diǎn)的可靠通信。
LTE-V2X和DSRC進(jìn)行對(duì)比時(shí),有一項(xiàng)指標(biāo),LTE-V是不如DSRC的,那就是時(shí)延。
時(shí)延在車聯(lián)網(wǎng)里,就意味著生死。所以,如果要支持遠(yuǎn)程駕駛或自動(dòng)駕駛,這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延,必須是個(gè)位數(shù)的毫秒級(jí)(ms)。
LTE做不到,但是5G作為LTE的演進(jìn),可以做到。5G的時(shí)延,可以達(dá)到1ms,足以滿足要求。
LTE會(huì)演進(jìn)到5G,LTE-V就演進(jìn)為5G NR-V2X。除了時(shí)延之外,5G還擁有很多LTE不具備的優(yōu)點(diǎn)——它擁有更高的帶寬,支持更大數(shù)量的連接,還支持更高的移動(dòng)速度。
LTE-V2X與5G -V2X關(guān)系
C-V2X目前主要包括LTE-V2X和5GNR-V2X兩個(gè)大的標(biāo)準(zhǔn)階段,其中LTE-V2X標(biāo)準(zhǔn)在3GPP的R14、R15中完成,NR-V2X標(biāo)準(zhǔn)則在3GPP的R16、R17中完成。
LTE-V2X經(jīng)歷了R14和R15兩個(gè)版本的迭代之后已經(jīng)趨于成熟。而在R16標(biāo)準(zhǔn)中,NR-V2X與LTE-V2X是互補(bǔ)的關(guān)系,不是替代關(guān)系,且在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中已制定了兩者在設(shè)備內(nèi)如何共存,這意味著兩者是長期共存的(R16標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)的同時(shí),3GPP已經(jīng)啟動(dòng)了R17研究工作)。
評(píng)論
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