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車聯網移動性管理原理與應用 版權信息
- ISBN：9787030674630
- 條形碼：9787030674630 ; 978-7-03-067463-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
車聯網移動性管理原理與應用 內容簡介
車聯網中移動節點高速移動，運行方向變化頻繁，從而造成頻繁的網絡切換甚至網絡連接中斷。此外，車聯網中移動節點切換場景復雜，網絡切換性能不高，切換后端到端數據傳輸效率低下，從而嚴重降低多媒體業務服務質量。本書以車聯網移動性管理為寫作對象，主要介紹異構車聯網通信架構、移動性管理協議、應用場景等，重點介紹IETF和3GPP提出的IP移動性管理標準、面向車聯網的路徑優化方法、智能切換決策、基于SDN的移動性管理等近期新研究進展，討論各類協議和標準的優缺點，為車聯網相關研究人員了解移動性管理提供參考資料。
車聯網移動性管理原理與應用 目錄
目錄
前言
第1章 車聯網 1
1.1 概述 1
1.1.1 車聯網概念 2
1.1.2 異構車聯網 3
1.1.3 國內外發展現狀 4
1.2 系統功能要求 7
1.3 體系結構 7
1.4 車聯網關鍵技術 10
1.4.1 數據采集技術 10
1.4.2 識別技術 11
1.4.3 無線通信技術 15
1.4.4 數據處理技術 18
1.4.5 信息融合技術 19
1.5 車聯網應用 20
1.5.1 緊急救援系統 21
1.5.2 輔助駕駛與自動駕駛系統 22
1.5.3 智能化交通管理系統 23
1.5.4 車載社交網絡 25
1.6 車聯網發展面臨的挑戰 26
第2章 移動性管理 28
2.1 概述 28
2.1.1 移動性管理模型及基本功能 29
2.1.2 移動性上下文管理 33
2.1.3 位置管理 34
2.1.4 移動通信網絡中的切換管理 37
2.1.5 典型移動性管理技術分析 37
2.2 集中式移動性管理 43
2.3 分布式移動性管理 44
2.3.1 完全分布式移動性管理 45
2.3.2 部分分布式移動性管理 47
2.4 車聯網移動性管理 50
2.4.1 位置服務管理 50
2.4.2 基于群組的拓撲管理 51
2.5 移動性管理新技術 53
2.5.1 SDN移動性 53
2.5.2 NFV移動性 56
第3章 集中式移動性管理 58
3.1 概述 58
3.2 MIPv6 58
3.2.1 IPv6地址 59
3.2.2 MIPv6切換過程 60
3.2.3 MIPv6改進協議 64
3.3 PMIPv6 71
3.3.1 PMIPv6基本架構 71
3.3.2 PMIPv6特點 72
3.3.3 PMIPv6切換過程 73
3.3.4 PMIPv6域間移動性管理 75
第4章 分布式移動性管理 78
4.1 概述 78
4.2 集中式移動性管理的缺陷 78
4.3 分布式移動性管理協議 84
4.3.1 演進型設計方法 85
4.3.2 革命型設計方法 88
4.3.3 DMM方法比較 89
4.4 分布式移動管理的四種方法 90
4.4.1 遷移家鄉代理 90
4.4.2 分散流動錨點 96
4.4.3 Connexion管理方案 103
4.4.4 支持網絡移動性的高效協議WINMO 104
第5章 基于SDN的車聯網移動性管理 109
5.1 概述 109
5.2 SDN 109
5.2.1 SDN簡介 109
5.2.2 SDN框架 116
5.2.3 SDN核心技術 119
5.2.4 SDN交換機及南向接口 120
5.3 基于SDN的車聯網框架 121
5.3.1 基于SDN的車聯網研究現狀和設計思路 121
5.3.2 基于SDN的車聯網系統架構 127
5.3.3 基于SDN的車聯網管理設計及優化 129
第6章 基于垂直切換的優化算法 143
6.1 概述 143
6.1.1 切換算法的定義和分類 143
6.1.2 垂直切換要求 145
6.1.3 垂直切換過程簡介 147
6.2 主流的垂直切換算法 149
6.2.1 基于代價函數的垂直切換算法 149
6.2.2 基于多屬性決策理論的垂直切換算法 151
6.2.3 基于模糊邏輯和神經網絡的垂直切換算法 155
6.2.4 基于馬爾可夫決策過程理論的垂直切換算法 159
6.2.5 基于博弈理論的垂直切換算法 161
第7章 車聯網移動性管理優化方法 165
7.1 概述 165
7.2 GM(1，1)-馬爾可夫垂直切換算法 166
7.2.1 基于灰色理論的可用帶寬預測 166
7.2.2 基于馬爾可夫決策模型 168
7.2.3 基于馬爾可夫的多屬性決策算法 169
7.3 車聯網移動性管理的一些方法 178
7.3.1 一種有效的混合HIP-PMIPv6方案 178
7.3.2 基于IPv6的車載ad hoc網絡移動切換方案 181
7.3.3 基于移動IPv6的車聯網快速切換方案 186
7.3.4 基于累積概率方法的切換方案 188
7.3.5 基于IEEE 802.11p的無線接入系統切換方案 190
參考文獻 193
前言
第1章 車聯網 1
1.1 概述 1
1.1.1 車聯網概念 2
1.1.2 異構車聯網 3
1.1.3 國內外發展現狀 4
1.2 系統功能要求 7
1.3 體系結構 7
1.4 車聯網關鍵技術 10
1.4.1 數據采集技術 10
1.4.2 識別技術 11
1.4.3 無線通信技術 15
1.4.4 數據處理技術 18
1.4.5 信息融合技術 19
1.5 車聯網應用 20
1.5.1 緊急救援系統 21
1.5.2 輔助駕駛與自動駕駛系統 22
1.5.3 智能化交通管理系統 23
1.5.4 車載社交網絡 25
1.6 車聯網發展面臨的挑戰 26
第2章 移動性管理 28
2.1 概述 28
2.1.1 移動性管理模型及基本功能 29
2.1.2 移動性上下文管理 33
2.1.3 位置管理 34
2.1.4 移動通信網絡中的切換管理 37
2.1.5 典型移動性管理技術分析 37
2.2 集中式移動性管理 43
2.3 分布式移動性管理 44
2.3.1 完全分布式移動性管理 45
2.3.2 部分分布式移動性管理 47
2.4 車聯網移動性管理 50
2.4.1 位置服務管理 50
2.4.2 基于群組的拓撲管理 51
2.5 移動性管理新技術 53
2.5.1 SDN移動性 53
2.5.2 NFV移動性 56
第3章 集中式移動性管理 58
3.1 概述 58
3.2 MIPv6 58
3.2.1 IPv6地址 59
3.2.2 MIPv6切換過程 60
3.2.3 MIPv6改進協議 64
3.3 PMIPv6 71
3.3.1 PMIPv6基本架構 71
3.3.2 PMIPv6特點 72
3.3.3 PMIPv6切換過程 73
3.3.4 PMIPv6域間移動性管理 75
第4章 分布式移動性管理 78
4.1 概述 78
4.2 集中式移動性管理的缺陷 78
4.3 分布式移動性管理協議 84
4.3.1 演進型設計方法 85
4.3.2 革命型設計方法 88
4.3.3 DMM方法比較 89
4.4 分布式移動管理的四種方法 90
4.4.1 遷移家鄉代理 90
4.4.2 分散流動錨點 96
4.4.3 Connexion管理方案 103
4.4.4 支持網絡移動性的高效協議WINMO 104
第5章 基于SDN的車聯網移動性管理 109
5.1 概述 109
5.2 SDN 109
5.2.1 SDN簡介 109
5.2.2 SDN框架 116
5.2.3 SDN核心技術 119
5.2.4 SDN交換機及南向接口 120
5.3 基于SDN的車聯網框架 121
5.3.1 基于SDN的車聯網研究現狀和設計思路 121
5.3.2 基于SDN的車聯網系統架構 127
5.3.3 基于SDN的車聯網管理設計及優化 129
第6章 基于垂直切換的優化算法 143
6.1 概述 143
6.1.1 切換算法的定義和分類 143
6.1.2 垂直切換要求 145
6.1.3 垂直切換過程簡介 147
6.2 主流的垂直切換算法 149
6.2.1 基于代價函數的垂直切換算法 149
6.2.2 基于多屬性決策理論的垂直切換算法 151
6.2.3 基于模糊邏輯和神經網絡的垂直切換算法 155
6.2.4 基于馬爾可夫決策過程理論的垂直切換算法 159
6.2.5 基于博弈理論的垂直切換算法 161
第7章 車聯網移動性管理優化方法 165
7.1 概述 165
7.2 GM(1，1)-馬爾可夫垂直切換算法 166
7.2.1 基于灰色理論的可用帶寬預測 166
7.2.2 基于馬爾可夫決策模型 168
7.2.3 基于馬爾可夫的多屬性決策算法 169
7.3 車聯網移動性管理的一些方法 178
7.3.1 一種有效的混合HIP-PMIPv6方案 178
7.3.2 基于IPv6的車載ad hoc網絡移動切換方案 181
7.3.3 基于移動IPv6的車聯網快速切換方案 186
7.3.4 基于累積概率方法的切換方案 188
7.3.5 基于IEEE 802.11p的無線接入系統切換方案 190
參考文獻 193
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車聯網移動性管理原理與應用 節選
第1章 車聯網 1.1 概述 隨著無線通信、遙感、移動計算等技術的飛速發展，人們對智能交通系統(ITS)的研究也不斷深入。首先，車載控制器和信息交互可以幫助駕駛員及時調整車輛的狀態，從而提升駕駛員的駕駛體驗。其次，主動保護機制為乘客和汽車安全提供了一定的保障，減少了意外事故發生的次數。另外，各種車載信息系統通過異構無線接入技術，為乘客和汽車提供了更安全、更高效的服務，也使汽車獲得了更強大的信息感知能力和計算能力。 車輛在行駛過程中，其無線通信能力是極其重要的，能夠為車輛安全提供保障，而車聯網就是以車輛為中心的無線通信網絡。在整個網絡中，傳播消息的車輛不僅收集有關自身和周圍環境的信息，而且與周圍的車輛交換實時信息，如車輛的位置信息會被廣播、移動電話的位置信息會進行局部分發、從鄰居車輛獲取本地信息等。世界各國在ITS領域已經進行了大量投入，并且在車聯網相關技術發展方面碩果累累。美國聯邦通信委員會將頻段5.9GHz內的75MHz帶寬賦予專用短距離通信(dedicated short range communication，DSRC)，為車聯網通信的研究與發展奠定了基礎。日本自20世紀90年代依次提出了SmartWay、ASV(advanced safety vehicle，先進安全車輛)、ITS-Safety 2010等多項ITS的項目。在歐洲，車輛間通信聯盟(Car 2 Car Communication Consortium)的成立標志著歐洲對車聯網的研究也處于世界前列，該組織在促進相關工作的標準化及車聯網項目和組織的快速發展方面取得了許多成果，同時，在車聯網領域中對路由技術和安全策略的研究也有重大貢獻。中國雖然在車聯網領域起步比較晚，但是仍然在相關標準的制定上做出重要貢獻，其中包括與歐洲共同倡導的車輛長期演進(long term evolution-vehicle，LTE-V)技術協議、相關的物聯網標準等。 雖然世界范圍內對車聯網的研究已經取得了不錯的成果，但是仍有許多問題亟待解決，如車輛節點的移動性及其導致的鏈路斷開、網絡擁塞等。為了降低節點移動性對無線網絡性能的影響，確保車聯網的服務質量，必須在快速變化的網絡環境中保證網絡連接的連續性，即通過移動性管理機制在多個網絡中進行無縫切換。此外，單個無線網絡的頻帶資源并不能滿足大規模的無縫覆蓋，因此集成異構網絡是實現車聯網的大勢所趨，而且異構網絡的整合有利于網絡間的合作與互補。 綜上，車聯網的發展有著廣闊的前景，車聯網的移動性管理研究是車聯網發展過程中必不可少的一部分。 1.1.1 車聯網概念 隨著遙感系統、移動計算和無線通信等信息技術的不斷進步，車輛已從簡單的交通工具發展為具有強大計算能力，同時配備多個計算機系統和傳感器的智能終端，且其內部各模塊之間可以并行多個復雜任務。車聯網通過車輛之間的數據傳輸和共享，使得車輛與車輛之間及車輛與基礎設施之間建立一個互聯互通的網絡，以滿足人們對各種車輛服務的需求。 遙感系統的發展使車輛能夠收集數據，裝有各種傳感器的車輛可以從自身的行駛狀態和周圍環境中獲取各種原始數據。例如，通過全球定位系統(global positioning system，GPS)，車輛可以獲取自身的地理位置、速度、方向等信息，或者將其與地圖結合來獲取本地位置；通過視頻捕捉設備，收集周圍環境的圖像信息可以得到自身車輛與其他車輛之間的距離信息、速度信息，以及環境的氣象信息等。這些信息可以用于許多智能交通應用，包括自動駕駛、車輛避碰、實時駕駛速度建議等。 移動計算的不斷發展使得車輛可以對收集的信息進行復雜處理，并有針對性地滿足各項工作數據的需求。目前，車載計算平臺由一個處理器和多種微控制器組成，通過分析傳感器收集的數據，可以識別圖像的實體，對車輛、人員和其他道路元素進行區分，從而為自動駕駛和車輛避碰等服務提供依據。 無線通信領域的研究成果是支持車輛之間進行有效數據傳輸的基礎。一方面，為了滿足車聯網中短距離數據傳輸的要求，美國、日本和歐洲等地的研究人員已經開始根據道路情況研究通信架構和標準，并制定了自己的短程通信技術標準。另一方面，對車聯網其他關鍵技術的研究也取得了許多成果，如路由策略、移動性管理技術和網絡安全策略。這兩方面成果不僅可以滿足車聯網中的各種服務請求，還提高了車聯網數據傳輸的服務質量。 綜上所述，車聯網是一種集環境檢測、數據收集、信息處理、數據共享于一身，可以實現多樣化通信業務和服務的網絡類型。 1.1.2 異構車聯網 在未來車聯網的發展中，用戶對各種網絡服務的需求必定會越來越多，對服務質量的要求也會越來越高，單一網絡的覆蓋度并不能使車聯網滿足這些需求。因此，利用多個網絡的融合來支持未來車聯網的發展是大勢所趨。同時，異構網絡具有很多優點，可以滿足車聯網發展的需要。首先，異構網絡具有聚合性，采用良好的移動性管理算法，可以實現多個網絡的無縫切換，從而可以實現車聯網的大規模覆蓋。其次，異構網絡具有混合性，即不同類型的網絡均可為車聯網用戶提供服務，這不僅可以滿足多種用戶的不同需求，而且可以利用網絡之間的互補性提升服務質量。 異構車聯網以汽車為載體，通過自組織網絡和無縫切換技術，實現車輛之間、車輛與其他無線通信系統之間的信息交互。在異構車聯網環境下，車輛的高速行駛和隨機方向選擇的特性，使得網絡具有動態的拓撲結構，從而導致異構網絡切換時的延遲和切換次數增多等問題。圖1.1顯示異構車聯網體系結構。 圖1.1 異構車聯網體系結構 圖1.1中的異構車聯網是由車載通信設備、路側單元(road side unit，RSU)、WiFi、4G、5G、通用移動通信系統(universal mobile telecommunications system， UMTS)和網絡組成的大型交互式網絡，這是異構車聯網在實際生活中的真實體現[1]。該異構網絡不僅提供不同的服務和資源分配，還使用不同的網絡訪問技術，如碼分多址技術、長期演進(long term evolution，LTE)技術、無線局域網(wireless local area network， WLAN)技術、車輛自組織網絡(vehicular ad hoc network，VANET)技術等。為了保證服務質量和提高移動用戶的體驗效果，需要多個網絡共同為用戶提供服務，無線異構網絡的融合和切換技術越來越受到專家和學者的關注。 1.1.3 國內外發展現狀 1999年，美國聯邦通信委員會將頻段5.9GHz內的75MHz帶寬作為DSRC的專用帶寬，使DSRC成為車輛和基礎信息通信的關鍵技術[2]。2002年，DSRC技術的標準化推動了移動通信網絡，特別是車聯網的研究和應用。2004年，美國電氣電子工程師學會(IEEE)開始根據異步時分復用技術標準修訂IEEE 802.11p，并開始制定車載環境中的無線訪問(wireless access in the vehicular environment，WAVE)標準。同年，美國計算機協會在美國費城舉辦了首屆車聯網國際標準研討會，并首次使用“VANET”一詞。2006年，美國運輸部與部分汽車制造商合作開發并測試車-車安全應用原型，以提高車載安全系統在自適應控制方面的性能。同年，車輛基礎設施一體化的概念被提出。2009年12月，美國運輸部發布了《智能交通系統戰略研究規劃：2010—2014》，旨在利用無線通信建立一個全國性的、多模式的地面交通系統，形成車輛、基礎設施和乘客便攜式設備之間互聯的交通環境。2011年8月至2012年初，美國對六個不同地區的駕駛員進行了車聯網技術在真實環境下安全駕駛的測試，以評估用戶對新型車-車互聯技術的接受程度。從2012年秋季到2013年秋季，美國持續研究安全駕駛模式，測試聯網車輛安全技術的有效性。2014年，美國運輸部與美國智能交通系統聯合項目辦公室共同提出《智能交通系統戰略計劃2015—2019》，并討論了美國下一代ITS戰略研究規劃草案，確立了下一代ITS研發的重點和主題，以應對新的需求。2016年12月，美國運輸部正式發布《聯邦機動車安全標準—第150號》，該標準強制要求所有輕型車輛安裝車載通信設備，從而確保車與車之間安全信息的實時收發。目前，美國的車聯網已經進入快速發展的階段，主要表現為：硬件的價格大幅下降，車聯網提供的信息服務、安全保障、即時通信、多媒體娛樂等方面已經可以滿足用戶需求。 歐洲的車聯網發展較早，主要是在全歐洲建立的ITS網絡基礎上進行智能網聯汽車標準的制定。早在20世紀80年代，歐洲即在政府主導下開始了超越國界的研究開發工作，在1986年開始了民間主導的Prometheus計劃，以實現車輛的智能化，在1988年開始的eDrive計劃則以開發智能交通基礎設施為目的。2002年，歐洲汽車制造商發起成立了車輛間通信聯盟，其首要任務是制定泛歐通用車載通信標準，由此整合各國資源、共同規劃發展的工作才得以正式展開。2003年，歐洲智能交通協會提出eSafety的概念，在歐洲的第六框架中啟動77項與eSafety相關的研究開發項目，推薦了28項行動計劃，可以分為基礎設施建設、車輛保護系統與事故分析三類。2004年，歐洲進行了ITS整體體系框架的研究，對各國的體系框架進行統一，形成了三縱四橫的發展戰略。自2011年起，歐盟開始開展Drive C2X項目，該項目主要聚焦車-車(vehicle to vehicle，V2V)和車-基礎設施(vehicle to infrastructure，V2I)的通信。2013年6月，荷蘭、德國和奧地利三國簽署了歐洲聯合智能交通走廊部署協議，計劃建立一條以荷蘭鹿特丹為起點，途經德國慕尼黑、法蘭克福，*終到達奧地利維也納的智能交通走廊。2014年，與eSafety相關的車聯網項目Drive C2X宣告完成，該項目聯合戴姆勒、大陸集團、博世等主要汽車制造企業和零部件配套企業，完成了對擁堵預警、碰撞預警等相關功能的設計與測試。2015年，寶馬公司在所有車型上標配寶馬互聯駕駛功能，還提供應用服務和獨立通信模塊，并在各國提供配套的iDrive系統，以提升用戶的駕駛體驗。瑞典企業Wireless Car在被沃爾沃全資收購后，致力于遠距離通信項目Telematics，截至2017年，該項目成果的使用范圍已遍布56個國家，服務超過600萬輛車。目前，歐洲各國正在全面發展遠程信息處理技術，目標是建立歐洲范圍內的智能交通網絡。 日本對于ITS的研究始于20世紀70年代，并在80年代中期至90年代中期，完成了道路車輛通信系統、交通信息通信系統、超級智能車輛系統、安全車輛系統的研究。2000年4月，日本電子不停車收費(electronic toll collection，ETC)系統國家行動計劃正式開始實施，旨在2003年3月前在至少900個收費站實現高速公路不停車收費的服務。2003年7月，日本智能交通系統戰略委員會發布了《日本智能交通系統戰略規劃》，提出了日本智能交通系統的短期、中期和長期發展戰略規劃。同年，基本實現了車輛信息系統、交通信息通信系統、互聯網全覆蓋。截至2013年底，安裝該系統的車輛數超過3000萬，占同期日本汽車保有量的40%。2011年，日本的國家高速公路部門推出了站點智能交通系統，為汽車導航系統提供大量的、實時的交通信息和圖像，可以有效緩解交通擁堵，并極大地改善駕駛環境。2014年，豐田和微軟合作成立了Toyota Connected公司，借助微軟Azure云建立汽車的智能化平臺，并開啟了多種智能駕駛服務。2016年4月，日本與密歇根大學的交通運輸研究所合作，共同打造全球*大的車聯網實驗基地。 我國對于車聯網的前期研究主要集中在物聯網領域，并且經過多年的研究，在傳感器網絡通信協議、傳感器網絡與其他網絡集成、物聯網體系
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