基于IEEE802.11p标准的车载网络MAC层协议研究.doc

大连海事大学

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毕 业 论 文

二○一四年六月

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
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-2

I

Abstract
Vehicular 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 communication, 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 network 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 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 MAC 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 improvement 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-2

目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究意义 2
1.2 国内外研究现状 3
1.3 论文的主要工作 5
1.4 论文的章节安排 5
第二章 车载自组织网络 7
2.1 车载网介绍 7
2.1.1 网络结构 7
2.1.2 网络特点 7
2.1.3 典型应用 8
2.2 研究现状 8
2.3 主要问题 9
2.4 本章小结 10
第三章 网络仿真器NS-2 12
3.1 NS-2简单介绍 12
3.2 NS-2基础 12
3.2.1 NS-2的运行机制 12
3.2.2 NS-2的基本组成 12
3.2.3 NS-2的简单应用 13
3.3 NS-2 仿真过程 14
3.4 本章小结 15
第四章 介质访问控制（MAC）层协议概述 16
4.1 MAC层的基本概念 16
4.2 基于IEEE 802.11标准的MAC层协议 17
4.3 车载网MAC层协议 19
4.4 本章小结 19
第五章 车载网络MAC层协议仿真 20

III

5.1 引言 20
5.2 基于IEEE 802.11p标准的MAC层协议 20
5.2.1 协议的基本概述 20
5.2.2 协议的工作机制 21
5.3 仿真结果分析 22
5.3.1 仿真场景 23
5.3.2 仿真结果 23
5.4 本章小结 25
第六章 总结与展望 26
6.1 MAC层协议设计总结 26
6.2目前学习方向与展望 26
6.2.1 目前学习方向 26
6.2.2 展望 27
结 论 29
参 考 文 献 30
致 谢 32
附录1 1

IV

基于IEEE802.11p标准的车载网络MAC层协议研究
基于IEEE802.11p标准的车载网络MAC层协议研究
第一章 绪论
1.1 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（Inter-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）

图1-1 车载网络的应用
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（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。
1.1.2 研究意义
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
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CarTel[4,5]项目。
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。
DieselNet[6]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。
CVeT[7]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MobEyes[8]这一城市监控项目提供了一定的理论支持。
著名的FleetNet[9]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NOW[10]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
在车载网络方面，国内在很晚才开始研究。但是近年来一些研究机构和大学也成立了相关项目，并取得了一些成果。
上海交通大学于2005年与上海政府合作启动了SG（ShanghaiGrid）项目[13],这个项目以建设大都市规模的交通信息系统为宏伟目标。具体来说，分为两大部分。首先，它试图提高现有的交通基础设备的效率；其次，它的目的是为公众提供更多的交通系统应用。
其他一些高校也对车载网表现出了很大的研究兴趣。台湾国立交通大学构建了一个由16辆车组成的车载网络，主要研究车辆的监督应用，城市空气质量测量，以及蜂窝网、4G网络的移动管理等应用。此外，浙江大学、武汉大学等也都对车载网络的相关方向做了大量的研究工作，并取得了一些成果。
到目前为止，有关车载网络的研究已经很深入了，但是在研究的道路上仍然存在着很多障碍。这些障碍主要存在于路由协议、MAC层协议以及安全性等几个方向。其中MAC层专注于研究车载网中的节点如何对信道进行访问以及数据资源的分配问题。现阶段根据不同场景设计MAC协议是车载网络的研究热点与重点。
1.3 论文的主要工作
车载网络已经成为当前自组织网络应用的一大热点，国内外对这一领域的研究也取得了一定的成果，但是目前这方面的研究工作还有很多不足之处。本文对目前车载网的802.11p MAC 层协议进行了深入的学习与研究。主要工作和成果包括以下几个方面：
1) 对车载网的概念、体系结构进行了总结性的介绍，研究了普通无线局域网的MAC层协议802.11,，并针对它的工作方式和不足之处进行了简单介绍。
2) 学习了网络仿真器NS-2的仿真过程，并在完全掌握NS-2中802.11协议的源代码之后，对其进行了修改，从而在NS-2中实现了802.11p 协议的功能。
3) 详细阐述了802.11p 协议的工作方式。通过建立仿真环境，对802.11p与802.11协议进行了相关的性能比较分析。仿真结果表明，在对安全信息、娱乐信息等优先级不同的信息同时进行传送的过程中，802.11p能够更高效的传送优先级最高的安全信息，而对于优先级较低的娱乐信息，802. 11p选择降低其发送成功率，这样满足了各种不同应用的基本要求，还提高了安全应用的服务质量。
4) 基于以上的工作，本文最后也都做了小结，并且提出了有很大改进空间的研究方向，并对下一步的深入研究工作进行了简单介绍。
1.4 论文的章节安排
本论文共由六章组成，具体的章节安排如下：
第一章，绪论。简要阐述了与车载网相关的发展背景。然后对国内外的研究现状进行了简单介绍。
第二章，车载自组织网络。首先对车载自组织网络的概念等进行了简单阐述，包括其网络结构、网络特点与典型应用。然后根据其研究现状，提出了目前存在的一些主要问题。
第三章，网络仿真器NS-2。在论文后面的章节中会通过NS-2对相关的MAC层协议进行性能仿真，本章节介绍了网络仿真器NS-2的运行机制、基本组成以及简单的仿真过程。
第四章，介质访问控制（MAC）层协议概述。简单介绍了MAC层的基本概念。接着对802.11 MAC协议的工作机制进行了简略的阐述。最后介绍了车载网络MAC层协议的相关情况。
第五章，基于IEEE 802.11p 标准的车载网MAC层协议。详细介绍了802.11p
MAC协议的工作机制。然后在NS-2中通过建立仿真环境对802.11p 协议的性能进行了分析。
第六章，总结。首先根据本文的研究工作进行了简单的总结。然后介绍了目前的学习方向，最后对后期的研究方向提出了展望。

第二章 车载自组织网络
车载自组织网络是近几年刚刚发展起来的新型的网络。相对于传统的网络，车载网有着自己的不一样的地方。例如节点具有移动的特点、无能量限制等。这些特征使得车载网的研究和发展面临着许多困难。本章将从车载网的结构、特征和典型应用三个方面进行简要介绍。
2.1 车载网络介绍
2.1.1 网络结构
根据网络中是否存在固定的基础设施，可以将车载自组织网络的结构划分为三种类型[14]：
1) 纯蜂窝结构：这种结构主要采用了蜂窝通信的基本方式，利用固定的基站作为车辆网络与外部网络之间的通信接口，手机信息并传播信息，同时可以与蜂窝网络连接起来，以构成泛在网络，主要的通信方式是V2R通信。
2) 纯自组织结构：这种结构与传统自组织网络结构类似，具有自组织、自管理、短距离无线传输等特点。它不需要纯蜂窝结构的基站等基础设施，实现成本较低。主要的通信方式是V2V通信。
3) 混合结构：这种结构将蜂窝结构与自组织结构有效结合，充分利用两种结构的优点进行互补，网络中V2V通信和V2R通信将同时存在。
在这三种网络结构中，纯自组织结构的组网灵活多变，具有较高的可扩展性，引起了学者们的广泛研究。但是这种网络在网络的连通性和通信距离等方面具有一定的局限性。为了克服上述局限性，可以在网络中部署路侧设备单元，以提供可靠、高速的网络通信，为互联网接入、固定点的监控等应用提供强有力的保证。因此，混合网络结构更切合实际应用，正受到更多的关注和研究。
2.1.2 网络特征
由于车载自组织网络是一种特殊形式的自组织网络，它具有传统自组织网络的一些共有特征，如无中心网络、多跳结构、传输带宽有限等问题[15]。但同时，它也有很多独特之处，主要有：
1) 拓扑结构高动态性：由于车辆运动的高速特性，车载自组织网络中节点的移动速度相对于传统移动自组织网络或无线传感器网络中节点的移动速度已不在同一个数量级，可以达到25m/s，甚至更高，车辆间的通信时间可短暂至几秒钟。因此，车辆节点的告诉移动将导致拓扑结构的高动态性，这是车载自组织网络在路由设计时需要重点考虑的一个因素。
2) 频繁孤岛性：道路上的车辆密度变化较大，同一路段上不同时间的车辆密度可能呈现出几倍的差别。在低密度的情形下，由于短距离通信的限制，车辆间将无法保持实时连通，当某一车辆与其它车辆均无法连通时，其自身形成“孤岛”。
3) 移动模型可预测性：车辆的行驶通常都是限定在固定的道路上，其下一段时间的行驶路径可以通过车载地图等方式提前获取，这可以有较好的预测快速变化的拓扑结构与频繁的无连接节点，从而提高网络的性能。
4) 能量无限制性：相对于传统的自组织网络，车载自组织网络中节点的能量由燃油提供，而无需由蓄电池提供，因此能量在车载自组织网络的应用中将不再有瓶颈限制。
5) 通信环境差异性：在不同的道路环境下，车辆的通信环境差别很大。在高速公路上，车辆在不同位置，通信环境的变化比较微小。但当车辆在城市道路上行驶，无线信号可能会受到周围障碍物的影响。因此车辆行驶到街道的不同位置时，其通信环境将有明显的差别。
2.1.3 典型应用
车载自组织网络的应用主要可以分为以下三类：基于交通安全的应用、基于交通效率的应用和基于商业娱乐的应用等[16]。
1) 基于交通安全的应用：基于车载网的交通安全应用借助于车载自组织网络及时获取更多的路况信息以降低驾驶员的反应延迟。使驾驶员能够提前做出应变措施，以避免交通事故发生的可能性，降低各类交通事故的发生率。
2) 基于交通效率的应用：基于车载自组织网络的信息收集与传输能力，交通部门和车主都能及时掌握各段道路上的车流信息，以引导车流避免进入拥塞路段。
3) 基于商业娱乐的应用：此类应用最为丰富，也最受用户喜爱。交通信号违章警告、停车点探测等应用能够减轻驾驶员的劳动负荷，互联网接入服务等娱乐应用能够提高乘车人员的舒适性和便捷性。
2.2 研究现状
由于车载自组织网络具有明朗的前景，各个国家的学术界和工业界都对此表示出很大的兴趣，并且设立了一系列相关的项目。
此外，国际上许多高校与知名企业也联合成立了许多相关的项目，比如有FleetNet项目、CARTALK2000项目、NOW项目、PATH项目、以及VII项目等等。
从2007年开始，我国很多研究机构也开始逐步关注车载网的研究。国家自然科学基金项目相继支持了一系列的研究项目。例如车用Ad Hoc 网络的隐私与安全技术研究等。同时863项目也相继支持了多个与车载网相关的项目。
近年来，从高校研究机构到各类企业，他们之间的共同努力与合作，将使得车联网在我国真正走下云端，逐步进入实质性的应用阶段。
2.3 主要问题
车载自组织网络是一种新型无线通信网络，它存在较多的通信技术问题。近年来，国际学术界对车载自组织网络的研究主要集中在以下四大方面：路由技术、MAC层接入机制、RSU部署与调度机制以及分布式协作通信等。
1. 路由技术
车载自组织网络是一种多跳分布式无线网络，且网络中车辆节点的通信距离有一定的限制性，使得网络中信息的传输需要借助于中间节点的转发，从而网络路由协议的设计就显得尤为重要[17]。在车载网中设计路由协议时，需要充分考虑网络中车辆节点的高速运动、拓扑结构的频繁变化、车辆位置的可预测性等特征。
2. MAC层接入机制
车载网依旧使用无线资源，同样存在着多个节点如何合理共享无线频谱资源问题。且MAC协议直接控制着节点何时能够介入信道以及报文在信道上的发送与接收，从而MAC协议的设计对于车载自组织网络的网络性能具有重大的意义[18]。
IEEE 802.11p[19]又称WAVE是由IEEE802.11工作组为车载自组织网络专用标准化的MAC接入机制。其依旧采用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）机制，可以看成是802.11标准的一种扩充。MAC层的研究主要是基于对信道进行预约和控制的思想，使网络中的信道状态和节点行为能够被网络以及节点有效感知控制，从而减少碰撞，保证无线信道的高效性，提高网络的吞吐量[20]。根据链路的接入方式，可以将车载自组织网络中的MAC协议分为以下六大类：基于载波监听的竞争方式、基于分布式时间协调方式、基于码分多路方式、基于忙音多路方式和基于多簇管理方式的接入协议。综合研究表明，基于分布式时隙预约MAC协议和基于载波监听技术的竞争接入是目前研究的最为广泛的两种协议。且由于硬件兼容性问题，基于忙音多路方式和基于码分多路方式的接入机制在VANET中较难实现。
当考虑到车辆通信能耗的问题时，MAC层就需要采用高能效的休眠模式和接入控制机制。Kumar 等正对车辆和路边单元通信的环境、IEEE 802.11p协议的能耗和服务质量（QoS）进行了比较，分析了能量模型以及物理传播模型，发现部分接受端休眠可以减少由于监听而带来的损耗，但仍能保证QoS等指标。
众多的研究问题以及MAC协议对于网络的重要性，驱动了研究者们对MAC协议进行更为广泛与深入的研究。
3. RSU部署与接入机制
为了满足车载网中的通信需求，道路两侧可以部署一定数量的RSU，其可以视为网络中的基础设施。对于不同的道路场景，部署不同数量以及不同位置的RSU将对网络的性能产生较大的影响。部署的RSU数量越多，网络的性能越好，但部署成本将急剧增加。故如何在给定用户的业务量需求、业务分布特性和道路模型等条件下最优化部署RSU的数量与位置已成为车载网中的一个重要研究课题。
与传统的接入方式不同的是，车辆具有高速移动特性，其在RSU的覆盖范围内只有很短的时间，如何在这很短的时间内保证车辆与RSU之间数据传输的有效性将是一个重要的问题。
4. 分布式协作通信
协作通信对空间分集的增益较为明显。多个分布式用户之间共享彼此的天线，利用自生及其他参与协作用户的天线构成一个虚拟的多显现环境，从而获得一定的空间分集增益。
上述四大问题构成了车载自组织网络研究中的重要问题。但将车载自组织网络应用于实际应用时，将会面对更多的技术问题与困难。例如车辆位置的精确定位，如何消除道路两侧建筑对通信的影响，如何实现自组织网络技术与LTE技术的相互补充。除了这些技术问题，车载自组织网络的应用还面临着一系列的社会与经济因素。如何将车辆之间直接通信的技术引入市场，如何说服早期购买者去购买VANET设备与相应的服务逐渐变成一个关键性的问题，在一般情形下，似乎可以通过安装一些RSU设备来吸引第一批用户。正如Prain Varayia 在2005年的ACM VANET会议上给出的主题演讲：通过分析成本效益差距，人们能够认识到在市场初期相对于从一开始接收非安全性的广告，接收高价值的安全类信息的可能性几乎为零。
相信在不就的将来，这些问题将被研究者与运营商相继解决，人类将享受到来自于车载自组织网络所带来的更为安全、便捷、舒适的交通服务。
2.4 本章小结
本章对车载网的概念以及研究现状、主要问题等进行了简要介绍。第一节首先从车载自组织网络的结构、特点以及典型应用三个方面对其进行了介绍。在第一节的基础之上，通过国际及国内的有关车载网的各种项目的介绍来对国内外的研究现状进行了阐述。最后，阐述了车载网目前主要面临的几个问题：路由技术、MAC层接入机制、RSU部署与调度机制以及分布式协作通信，并详细介绍了这几个问题的原因等。

第三章 网络仿真器NS-2
3.1 NS-2简单介绍
NS（Network Simulator）是一种网络仿真软件。NS-2是NS的第2版。它最大的特色在于对任何人和任何组织开放源码。它主要用于研究网络中的路由、MAC等协议，但是由于它的源码是开放的，任何人都可以重新设计和开发它的源码。因此，各个研究机构和学者不断地对其进行开发，扩充它现有的功能。这也使它受到了广大网络研究者的青睐。
从本质上对NS-2分析，可以把它看成是一个离散的时间仿真器。一个虚拟时钟在它的内部运行，一个个离散的事件驱动了仿真事件进行。到目前为止，它的功能已经很完善了，可以实现各种网络的仿真功能，其中包括以下几个方面：MAC层协议，比如802.11；应用层的流量产生器，比如FTP和CBR；队列方式，比如CBQ和Droptail；相关的传输型协议，比如UDP和TCP；以及其它一些路由方面的策略等。
现在存在着很多种网络仿真软件。而NS-2之所以能够备受欢迎，有以下几点原因：1.免费；2.扩展性很好；3. 源码对外开放；4.广泛的用户支持。
3.2 NS-2基础
3.2.1 NS-2的运行机制
NS-2中的系统时间是离散的，离散事件的发生驱动系统时间的进行。它是一个面向对象的仿真软件。它的基本机制基于分裂对象的模型发展而来。NS-2的开发语言同时包含了Otcl与C++，这两种语言通过TclCL机制连接在一起。
由于C++语言具有运行时间短，处理速度快的优点，因此，NS-2中基本的网络组件，比如节点、代理、链路等，都是通过C++语言来编写的。而对于网络仿真场景的实现，由于网络的拓扑结构以及各种参数都有可能不断的发生变化，因此，本文采用了灵活的Tcl脚本来实现网络场景的编写。然后通过TCclCL映射机制实现这两种语言编写构成的模拟网络。通过这种映射机制，既可以灵活方便的对网络的配置和参数进行快速的修改，又可以快速的实现网络仿真过程。
3.2.2 NS-2的基本组成
1) 节点：
NS-2中的节点有两种，分别为单播节点和多播节点。单播节点由地址分类器和端口分类器这两个Tcl对象构成。在NS-2中，建立一个节点的时候，还可以紧接着配置一下这个节点的队列类型、MAC类型、物理层类型等一些基本的属性。
在NS-2中建立一个单播节点的命令：$ns node +节点名称
2) 链路：
NS-2中的链路与传统网络中数据链路不同，它同时实现了物理层、数据链路层以及部分网络层的功能。在NS-2中，我们应用最多的是简单的单向链路。
在NS-2中建立单向链路的命令：set ns [new simulator] ; $ns simple-link <node1> <node2> <bandwidth> <delay> <queue_type>
3) 代理：
网络层的数据包起于代理，同样也在代理中销毁，此外，代理还可以实现各种不同层的网络协议。比如，NS-2中的代理可以实现TCP和UDP这两个传输协议
4) 应用层：
在NS-2中，应用层分为流量产生器和应用模拟器这两大类。最常用的流量产生器为固定比特率流量产生器（CBR），一般在UDP代理的上层使用。最常用的应用模拟器为FTP应用模拟器，一般在TCP代理的上层使用。在NS-2中，应用层产生业务流量，通过与代理连接实现业务流传输。
3.2.3 NS-2的简单应用
进行网络仿真试验的主要目的就是在短时间内，耗费较低的经费，了解网络的相关性能，得到研究中需要的相关数据。然后通过对这些数据进行分析，得出一定的验证结果。所以，除了建立仿真场景之外，对仿真数据的记录和分析也是网络仿真中的一件非常重要的事情。
也可以根据自己的需要来对trace文件进行设置，使其记录仿真过程中我们感兴趣的地方。为了形象地向用户展示整个仿真过程的运行，NS-2可以通过利用Nam以动画的形式来展示仿真过程。
在仿真过程结束之后，trace文件中记录了整个仿真过程的数据。如果要研究无线网络，可以使用gawk工具来分析trace文件。从而得到丢包率、吞吐量等指标。
Gawk工具可以筛选或者计算出感兴趣的数据，但是它不能够直观地反映相关结果。因此，可以利用gnuplot工具通过图形的方式将吞吐量、端到端延迟等数据展示出来。
3.3 NS-2的仿真过程
图3-1 NS-2进行网络仿真的基本流程
一个完整的仿真过程需要涉及到三个部分：第一部分为修改源代码实现网络组件，第二部分为编写Tcl脚本文件实现仿真场景，第三部分为对仿真结果进行分析，下面对这三个部分具体的工作做一下介绍：
1) 修改源代码：只有在仿真过程需要用到的基本组件或者协议在NS-2中没有的情况下，才会进行修改源代码。修改源代码需要用户具有对NS-2丰富的使用经验和较高的编程水平。由于NS-2是由 C++和OTcl这两种语言编写而成，在对源代码进行修改的时候，还要注意对相应的OTcl代码进行修改。
2) 编写Tcl脚本文件： Tcl脚本文件就是用来建立仿真场景，配置网络的结构、参数同时控制仿真过程的运行和停止。
3) 仿真结果分析；对仿真结果的分析是整个仿真过程中最能体现仿真效果的一部分，这部分的工作需要用户对NS-2中的trace文件有所了解和掌握，并且能够熟练使用gawk、gnuplot等分析工具。
3.4 本章小结
本章首先对NS-2进行了详细的介绍。在第二小节中通过对NS-2的运行机制、基本组成和简单的应用分析，详细地阐述了NS-2的整体架构；最后一个小结中，通过对NS-2仿真的过程进行流程图分析，把整个仿真过程清晰地展现出来。

第四章 介质访问控制（MAC）层协议概述
4.1 MAC层的基本概念
介质访问控制（Media Access Control，MAC）层位于数据链路层。它主要负责控制访问物理介质。
MAC层协议在有线局域网（LAN）和无线局域网（WLAN）中都有所应用。基于IEEE 802.3标准的MAC层协议是传统局域网中最主要的MAC层协议。它通过CSMA/CD方式实现访问控制。而基于 IEEE 802.11系列标准的MAC层协议是目前无线局域网中主流MAC层协议。
根据访问信道的控制方式，MAC层协议可以分为以下三种类型：
1. 基于竞争的MAC层协议：
此类型MAC层协议