第4期 孙剑明，等：基于移动ad-hoc网络的车辆定位 ·313· GPS设备不能使用或是在某种情形下接收不到卫星 是给没装备GPS的车辆提供与交通事故相关的信 信号，比如在隧道里，或是没有装备GPS接收机的 息，这种解决方案是以在装备和没装备GPS车辆相 车辆要确定其位置，查看其是否处于危险范围之中 互协作为基础，帮助没有GPS设备的车辆获得自己 就显得尤为重要. 的位置.尽管不总能使未装备GPS的车辆获得非常 目前，GPS技术的大众化以及移动ad-hoc网络 准确的位置信息，但至少可以获得诸如交通事故发 的发展促使新的车辆内部通信协议得以出现.以 生地方向和大致距离这样的有用信息 GPS设备为基础，这些协议主要为行驶安全而设计， 1算法模型 它包括在交通事故、大雾等状况下在车辆之间发布 紧急信息或报警.文献[1]所提出的解决方案被称为 大多数无线电定位技术都是以信号的连续传播 基于角色的多路传送，又称RBM(role based multi- 为基础，而手机监测站为定位手机而提出了无线电定 cast),它的设计目的是克服车辆自组网络的分裂问 位系统[s),现今主要使用3种不同的测距方法：接收 题和减少大量散播的冗余警报信息，但是RBM的缺 信号强度指示器(RSSI)、以时间为测量手段的到达时 点是以临近探测为基础，会占用更多的带宽、出现延 间(time of arrival,TOA)和到达时间差(direction of 时和更多数据包丢失.此外RBM无法稳定地解决分 arrival,TDOA)以及到达角法.RSSI法是用接收器测 裂问题，并且有些时候警告信息会从相邻车辆超时 定信号强度，以已知的发送强度为基础，计算实际的 传递过来.文献[2]提出了另外的2种解决方法，即 传播损耗.因为要估计移动站和基站之间的距离必须 轨迹追踪法(track detection,TRADE)和距离延时 进行信号强度测量，而且这个移动站必须要以基站为 时间法(distance defer time,DDT).轨迹追踪法是指 中心.根据文献[6]可知： 每一辆想要传播警报信息的车辆都必须确定它临近 P,=P.(c/d)·c2 (1) 车辆的方位和行驶方向.因此每一辆汽车必须确定 式中：P,代表发送信息的信号强度等级，P,代表接收 重发信息的车辆以便避免传播信息冗余.然而因为 信息的强度等级，n、c1、c,分别表示与之相关的物理 轨迹追踪法是基于相邻车辆的方法，它需要占用更 环境，载体的波长和天线接收增益.P,和P,的值可以 多的带宽，并出现更多的延时，这样就限制了轨迹追 通过测量得到，因此利用式(1)可以得到距离d. 踪法在稠密网络中的扩展应用. 以时间为基础的方法记录了TOA或TDO0A.通 为了解决由于维持相邻车辆而带来的问题，提 过已知的信号的传播速率可将它的传播时间直接转 出了距离延时时间法，距离延时时间法不依靠维持 换为距离.这段从移动目标到接收器的距离与传播 相邻车辆，但是需要为每一条重发警报信息插入距 时间成正比例关系.如果信号从发送器到接收器接 离延时间隔.当一部车辆使用延时时间法接收一个 收的传播时间为t,那么接收器与发送器的距离为 警报信息时，它会建立一个计时器以便决定是否有 R=C·t,C为光速.一般来说，通过传输时间同步和 必要重发这条信息.可是，距离延时时间法不能阻止 时间戳（一个时间标记）可以直接得到到达时间.因 从同一车辆发出的多重警报信息.因此它不能解决 此时间差法是用发射机通过检测信号到达多个接收 由于在高速公路上的车辆临时组网的破碎问题.由 器的不同时间来确定相对位置，而不是绝对位置.到 于缺乏对自组网破碎状况的支持，使得距离延时时 达角技术是当信号从几个基站子系统发出后，通过 间法不适用于轻度拥塞的高速公路，因此它不能在 使用定向天线和天线阵测量出角度来估计想要的 紧急状况下使用文献[2]的仿真结果显示，车辆即 目标 使以较低的速度行驶在乡间公路上，在2000m的 这些无线电定位技术会因为许多错误的信号源 传输范围内，距离延时时间法的可靠性仍不理想.文 干扰而崩溃，诸如多路径衰减和遮挡、非视距传播和 献[3]提出“警报信息优化传播”(optimized dissemi-- 多址等.因此目前许多研究都致力于探测和修正非 nating alarm messages,ODAM),这是个新的汽车间 视距传播.最近提出的自我定位估算法(self-positio- 传播协议，它提高了带宽的使用率，减少了延时和丢 ning algorithm,SPA)是一种新的方法[s.-],它是通 失数据包，因为它能避免相邻车辆发送维持信号，并 过无线移动网络中的节点，而不是依靠GPS来定 且通过使用动态分程传递解决了网络破碎问题. 位[]这种算法使用节点间的距离来建立一个相对 ODAM、DDT、RBM和TRADE都是以GPS为基础 坐标系，用于计算节点位置.使用时间到达法可以求 的，本文分析使用警报信息优化传播方法在装备和 得2个移动设备之间的范围.这种算法在不考虑测 没装备GPS的车辆上实现相互通信的可能性，目的 量误差范围和节点运动的情况下体现出足够的稳定ＧＰＳ 设备不能使用或是在某种情形下接收不到卫星 信号，比如在隧道里，或是没有装备 ＧＰＳ 接收机的 车辆要确定其位置，查看其是否处于危险范围之中 就显得尤为重要． 目前，ＧＰＳ 技术的大众化以及移动 ａｄ⁃ｈｏｃ 网络 的发展促使新的车辆内部通信协议得以出现． 以 ＧＰＳ 设备为基础，这些协议主要为行驶安全而设计， 它包括在交通事故、大雾等状况下在车辆之间发布 紧急信息或报警．文献［１］所提出的解决方案被称为 基于角色的多路传送，又称 ＲＢＭ（ ｒｏｌｅ ｂａｓｅｄ ｍｕｌｔｉ⁃ ｃａｓｔ），它的设计目的是克服车辆自组网络的分裂问 题和减少大量散播的冗余警报信息，但是 ＲＢＭ 的缺 点是以临近探测为基础，会占用更多的带宽、出现延 时和更多数据包丢失．此外 ＲＢＭ 无法稳定地解决分 裂问题，并且有些时候警告信息会从相邻车辆超时 传递过来．文献［２］提出了另外的 ２ 种解决方法，即 轨迹追踪法 （ ｔｒａｃｋ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ， ＴＲＡＤＥ） 和距离延时 时间法（ｄｉｓｔａｎｃｅ ｄｅｆｅｒ ｔｉｍｅ， ＤＤＴ）．轨迹追踪法是指 每一辆想要传播警报信息的车辆都必须确定它临近 车辆的方位和行驶方向．因此每一辆汽车必须确定 重发信息的车辆以便避免传播信息冗余．然而因为 轨迹追踪法是基于相邻车辆的方法，它需要占用更 多的带宽，并出现更多的延时，这样就限制了轨迹追 踪法在稠密网络中的扩展应用． 为了解决由于维持相邻车辆而带来的问题，提 出了距离延时时间法，距离延时时间法不依靠维持 相邻车辆，但是需要为每一条重发警报信息插入距 离延时间隔．当一部车辆使用延时时间法接收一个 警报信息时，它会建立一个计时器以便决定是否有 必要重发这条信息．可是，距离延时时间法不能阻止 从同一车辆发出的多重警报信息．因此它不能解决 由于在高速公路上的车辆临时组网的破碎问题．由 于缺乏对自组网破碎状况的支持，使得距离延时时 间法不适用于轻度拥塞的高速公路，因此它不能在 紧急状况下使用．文献［２］的仿真结果显示，车辆即 使以较低的速度行驶在乡间公路上，在 ２ ０００ ｍ 的 传输范围内，距离延时时间法的可靠性仍不理想．文 献［３］提出“警报信息优化传播” （ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｄｉｓｓｅｍｉ⁃ ｎａｔｉｎｇ ａｌａｒｍ ｍｅｓｓａｇｅｓ，ＯＤＡＭ），这是个新的汽车间 传播协议，它提高了带宽的使用率，减少了延时和丢 失数据包，因为它能避免相邻车辆发送维持信号，并 且通过使用动态分程传递解决了网络破碎问题． ＯＤＡＭ、 ＤＤＴ、 ＲＢＭ 和 ＴＲＡＤＥ 都是以 ＧＰＳ 为基础 的，本文分析使用警报信息优化传播方法在装备和 没装备 ＧＰＳ 的车辆上实现相互通信的可能性，目的 是给没装备 ＧＰＳ 的车辆提供与交通事故相关的信 息，这种解决方案是以在装备和没装备 ＧＰＳ 车辆相 互协作为基础，帮助没有 ＧＰＳ 设备的车辆获得自己 的位置．尽管不总能使未装备 ＧＰＳ 的车辆获得非常 准确的位置信息，但至少可以获得诸如交通事故发 生地方向和大致距离这样的有用信息． １ 算法模型 大多数无线电定位技术都是以信号的连续传播 为基础，而手机监测站为定位手机而提出了无线电定 位系统［５⁃７］ ．现今主要使用 ３ 种不同的测距方法：接收 信号强度指示器（ＲＳＳＩ）、以时间为测量手段的到达时 间（ｔｉｍｅ ｏｆ ａｒｒｉｖａｌ， ＴＯＡ）和到达时间差（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｒｉｖａｌ， ＴＤＯＡ）以及到达角法．ＲＳＳＩ 法是用接收器测 定信号强度，以已知的发送强度为基础，计算实际的 传播损耗．因为要估计移动站和基站之间的距离必须 进行信号强度测量，而且这个移动站必须要以基站为 中心．根据文献［６］可知： Ｐｒ ＝ Ｐｔ ｃ１ ( ／ ｄ) ｎ·ｃ２ ． （１） 式中：Ｐｔ 代表发送信息的信号强度等级，Ｐｒ 代表接收 信息的强度等级，ｎ、ｃ１ 、ｃ２ 分别表示与之相关的物理 环境，载体的波长和天线接收增益．Ｐｒ 和 Ｐｔ 的值可以 通过测量得到，因此利用式（１）可以得到距离 ｄ． 以时间为基础的方法记录了 ＴＯＡ 或 ＴＤＯＡ．通 过已知的信号的传播速率可将它的传播时间直接转 换为距离．这段从移动目标到接收器的距离与传播 时间成正比例关系．如果信号从发送器到接收器接 收的传播时间为 ｔ，那么接收器与发送器的距离为 Ｒ ＝Ｃ·ｔ，Ｃ 为光速．一般来说，通过传输时间同步和 时间戳（一个时间标记）可以直接得到到达时间．因 此时间差法是用发射机通过检测信号到达多个接收 器的不同时间来确定相对位置，而不是绝对位置．到 达角技术是当信号从几个基站子系统发出后，通过 使用定向天线和天线阵测量出角度来估计想要的 目标． 这些无线电定位技术会因为许多错误的信号源 干扰而崩溃，诸如多路径衰减和遮挡、非视距传播和 多址等．因此目前许多研究都致力于探测和修正非 视距传播．最近提出的自我定位估算法（ｓｅｌｆ⁃ｐｏｓｉｔｉｏ⁃ ｎｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ， ＳＰＡ）是一种新的方法［５，７⁃８］ ，它是通 过无线移动网络中的节点，而不是依靠 ＧＰＳ 来定 位［９］ ．这种算法使用节点间的距离来建立一个相对 坐标系，用于计算节点位置．使用时间到达法可以求 得 ２ 个移动设备之间的范围．这种算法在不考虑测 量误差范围和节点运动的情况下体现出足够的稳定 第 ４ 期 孙剑明，等：基于移动 ａｄ⁃ｈｏｃ 网络的车辆定位 ·３１３·