車聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)及感知層關(guān)鍵技術(shù)研究*

王 群 ，錢煥延

（1.南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 南京 210094；2.江蘇警官學(xué)院公安科技系 南京210012）

1 引言

近年來，隨著汽車保有量的持續(xù)增長，道路承載容量在許多城市已達(dá)到飽和，交通安全、出行效率、環(huán)境保護(hù)等問題日益突出。在此大背景下，汽車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)因其被期望具有大幅度緩解交通擁堵、提高運(yùn)輸效率、提升現(xiàn)有道路交通能力等功能，而成為當(dāng)前一個(gè)關(guān)注重點(diǎn)和熱點(diǎn)。歐洲、美國、日本等國家和地區(qū)較早進(jìn)行了智能交通和車輛信息服務(wù)的研究與應(yīng)用，2011年3月大唐電信科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)與啟明信息技術(shù)股份有限公司攜手共建車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，4月在重慶建立國內(nèi)首個(gè) “智能駕駛與車聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室”等，充分表明當(dāng)前國內(nèi)外對車聯(lián)網(wǎng)（internet of vehicles,IoV）研究的迫切性和廣泛性。

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)以互聯(lián)網(wǎng)為主體，兼容各項(xiàng)信息技術(shù)，為社會不同領(lǐng)域提供可定制信息化服務(wù)的具有泛在化屬性的信息基礎(chǔ)平臺[1]。物聯(lián)網(wǎng)的概念和內(nèi)涵隨著信息技術(shù)的發(fā)展和不同階段人們信息化需求的不斷演進(jìn)，因其接入對象的廣泛性、運(yùn)用技術(shù)的復(fù)雜性、服務(wù)內(nèi)容的不確定性以及不同社會群體理解和追求上的差異性，很難用已有概念和標(biāo)準(zhǔn)來準(zhǔn)確完整地給出權(quán)威定義。然而，車聯(lián)網(wǎng)概念的出現(xiàn)，因其服務(wù)對象和應(yīng)用需求明確、運(yùn)用技術(shù)和領(lǐng)域相對集中、實(shí)施和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)較為統(tǒng)一、社會應(yīng)用和管理需求較為確定，引起了業(yè)界的普遍關(guān)注，已被認(rèn)為是物聯(lián)網(wǎng)中最能夠率先突破應(yīng)用領(lǐng)域的重要分支，并成為目前的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

源于物聯(lián)網(wǎng)的車聯(lián)網(wǎng)，以車輛為基本信息單元，以提高交通運(yùn)輸效率、改善道路交通狀況、拓展信息交互方式,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能交通管理，使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)這一原本寬泛的概念在現(xiàn)代交通環(huán)境中得以具體體現(xiàn)。本文立足物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)理論和模型，以構(gòu)建以信息技術(shù)為主導(dǎo)的智能交通系統(tǒng)為背景，對車聯(lián)網(wǎng)的基本概念、體系結(jié)構(gòu)、通信架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

2 車聯(lián)網(wǎng)概念

車聯(lián)網(wǎng)是智能交通系統(tǒng)（intelligent transportation system,ITS）與物聯(lián)網(wǎng)不期而遇后迅速交叉融合的產(chǎn)物。智能交通系統(tǒng)是傳統(tǒng)交通運(yùn)輸管理方式發(fā)展到一定階段時(shí)的必然需求，而物聯(lián)網(wǎng)則是互聯(lián)網(wǎng)在發(fā)展過程中遇到瓶頸時(shí)在技術(shù)和應(yīng)用上的突破。智能交通系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)走向融合具有明顯的信息時(shí)代烙印。

2.1 智能交通系統(tǒng)

智能交通系統(tǒng)是在較完善的現(xiàn)代交通基礎(chǔ)設(shè)施之上，通過運(yùn)用先進(jìn)的信息技術(shù)、通信技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及系統(tǒng)集成技術(shù)等，加強(qiáng)對以車輛為主要對象的交通運(yùn)輸管理，提高交通運(yùn)輸系統(tǒng)的有序性和綜合管控能力，建立一個(gè)快速、實(shí)時(shí)、安全、環(huán)保、便捷和舒適的綜合交通運(yùn)輸體系，從而最大限度地提升現(xiàn)有道路基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)能力。

智能交通系統(tǒng)是1994年在全世界范圍內(nèi)開始出現(xiàn)并被廣泛采納的一個(gè)概念，這一概念的內(nèi)涵和外延也在隨著技術(shù)的發(fā)展以及交通運(yùn)輸管理理念的變化而變化。例如，美國從20世紀(jì)80年代中期就開始了“智能化車輛道路系統(tǒng)”（intelligent vehicle highway system，IVHS）的研究，1994年IVHS改為ITS，以表明該研究從原來的“車—路”擴(kuò)展到交通中的各個(gè)對象和環(huán)節(jié)。1998年，日本成立了“車輛信息通信 系 統(tǒng) ”（vehicle information and communication system，VICS），該系統(tǒng)由先進(jìn)的交通信息中心和車載信息終端組成，目前日本正在進(jìn)行的新一代智能交通系統(tǒng)Smartway，其目的是構(gòu)建一個(gè)“人—車—路”一體化的智能信息網(wǎng)絡(luò)。歐洲在1991年成立的 “歐洲道路交通通信技術(shù)應(yīng)用促進(jìn)組 織 ”（European road transport telematics implementation coordination organization，ERTICO）已成為推動(dòng)ITS發(fā)展的一個(gè)聯(lián)盟，在第10屆ITS世界大會上，ERTICO提出了以車路通信與協(xié)同控制為研究重點(diǎn)的eSafety計(jì)劃，并得到了歐盟成員的一致推崇。我國從20世紀(jì)80年代開始研究信息技術(shù)在道路交通管理中的應(yīng)用，已搭建了ITS體系結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了智能交通系統(tǒng)從技術(shù)研究到應(yīng)用示范的轉(zhuǎn)化。

2.2 車聯(lián)網(wǎng)的概念

物聯(lián)網(wǎng)到目前為止還沒有一個(gè)權(quán)威的定義，車聯(lián)網(wǎng)也是如此。本文基于對智能交通系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)已有研究成果的綜合分析，提出車聯(lián)網(wǎng)的基本概念，并進(jìn)行相應(yīng)的細(xì)節(jié)描述。車聯(lián)網(wǎng)即車輛物聯(lián)網(wǎng)，是以行駛中的車輛為信息感知對象，通過對智能傳感器、無線通信、分布式數(shù)據(jù)庫、信息處理與互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的綜合應(yīng)用，使人與車、車與車、車與道路基礎(chǔ)設(shè)施之間實(shí)現(xiàn)高效的信息交換與共享，從而對人、車、路和交通設(shè)施進(jìn)行智能管控，進(jìn)而改善道路交通狀況、提高出行效率、延伸信息化應(yīng)用范圍的綜合信息服務(wù)與智能決策系統(tǒng)。車聯(lián)網(wǎng)的主體仍然是ITS，只是在ITS的基礎(chǔ)上融入了物聯(lián)網(wǎng)的基因，使車輛具有更豐富和完善的信息技術(shù)元素。車聯(lián)網(wǎng)是一種特殊的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)高速行駛中的車輛節(jié)點(diǎn)有規(guī)律地分散在城市道路基礎(chǔ)設(shè)施所限制的范圍內(nèi)，為車輛提供無所不在的網(wǎng)絡(luò)接入、安全控制、數(shù)字多媒體業(yè)務(wù)、導(dǎo)航、輔助駕駛等服務(wù)功能。

例如，作為系統(tǒng)終端的車輛，在ITS中主要通過線圈、地磁、微波、視頻、紅外、超聲波等檢測技術(shù)和GPS（global positioning system，全球定位系統(tǒng)）技術(shù)被動(dòng)地接收和發(fā)送與交通相關(guān)的信息，缺乏按需獲取的信息交換和共享機(jī)制。在車聯(lián)網(wǎng)中，車輛具有了信息感知功能，可以通過RFID（radio frequency identification，射頻識別）、車載信息服務(wù)（telematics）、無線定位技術(shù)（wireless location technology，WLT）等一系列移動(dòng)式交通信息采集技術(shù)，實(shí)時(shí)感知車輛自身以及車輛與周圍環(huán)境的信息，其中主要包括車況及控制系統(tǒng)感知、道路環(huán)境感知、車與物的感知、車輛位置感知以及智慧駕駛輔助系統(tǒng)等[2]。在車聯(lián)網(wǎng)中，車輛不僅提供位置信息，而且能夠?qū)崟r(shí)接入城市交通信息網(wǎng)絡(luò)，隨時(shí)隨地獲取道路交通狀況，及時(shí)選擇最佳行車路線。由車載智能終端組成的移動(dòng)無線自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了車輛之間的通信，車輛也可以通過移動(dòng)IP技術(shù)接入互聯(lián)網(wǎng)，使行車中的人們共享互聯(lián)網(wǎng)信息。

3 車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 車聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

作為物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要分支，車聯(lián)網(wǎng)遵循物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，同樣也分為感知層、傳送層、應(yīng)用層3層和安全能力、管理能力2種能力，如圖1所示。

（1）車聯(lián)網(wǎng)感知層

承擔(dān)車輛自身與道路交通信息的全面感知和采集，是車聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)末梢，也是車聯(lián)網(wǎng)“一枝獨(dú)秀”于物聯(lián)網(wǎng)的最顯著部分。通過傳感器、RFID、車輛定位等技術(shù)，實(shí)時(shí)感知車況及控制系統(tǒng)、道路環(huán)境、車輛與車輛、車輛與人、車輛與道路基礎(chǔ)設(shè)施、車輛當(dāng)前位置等信息，為車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供全面、原始的終端信息服務(wù)。

（2）車聯(lián)網(wǎng)傳送層

通過制定專用的能夠協(xié)同異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信需要的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議模型，整合感知層的數(shù)據(jù)；通過向應(yīng)用層屏蔽通信網(wǎng)絡(luò)的類型，為應(yīng)用程序提供透明的信息傳輸服務(wù)；通過對云計(jì)算、虛擬化等技術(shù)的綜合應(yīng)用，充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源，為上層應(yīng)用提供強(qiáng)大的應(yīng)用支撐。

（3）車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層

車聯(lián)網(wǎng)的各項(xiàng)應(yīng)用必須在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)體系和協(xié)議的基礎(chǔ)上，兼容未來可能的網(wǎng)絡(luò)拓展功能。應(yīng)用需求是推動(dòng)車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的源動(dòng)力，車聯(lián)網(wǎng)在實(shí)現(xiàn)智能交通管理、車輛安全控制、交通事件預(yù)警等高端功能的同時(shí)，還應(yīng)為車聯(lián)網(wǎng)用戶提供車輛信息查詢、信息訂閱、事件告知等各類服務(wù)功能。

（4）安全能力

車聯(lián)網(wǎng)的通信特點(diǎn)制約著車聯(lián)網(wǎng)信息的安全性和通信能力[3]。安全能力為車聯(lián)網(wǎng)提供密鑰管理和身份鑒別能力，確保入網(wǎng)車輛信息的真實(shí)性；提供信息的安全保護(hù)功能，保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中不被破壞、篡改和丟棄；提供準(zhǔn)確的位置信息，實(shí)現(xiàn)對車輛的定位和路徑回溯；提供精確的時(shí)鐘信息，保證車聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)尤其是安全應(yīng)用在時(shí)間上的同步。

（5）管理能力

作為車聯(lián)網(wǎng)的控制中心，管理能力提供對入網(wǎng)車輛信息和路況信息的管理能力，實(shí)現(xiàn)車輛之間、車輛與道路基礎(chǔ)設(shè)施之間以及不同網(wǎng)絡(luò)之間的自由、無縫切換；實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)通信的QoS管理，根據(jù)不同的入網(wǎng)車輛信息及業(yè)務(wù)類型，提供不同的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級服務(wù)。

3.2 車聯(lián)網(wǎng)通信架構(gòu)

圖2所示的是車聯(lián)網(wǎng)通信架構(gòu)，其中感知層網(wǎng)絡(luò)是一類特殊的移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò) （mobile wireless sensor network，MWSN），通過在車輛上安裝無線通信設(shè)備，將行駛中的車輛變成一個(gè)個(gè)移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)車輛內(nèi)部各設(shè)備（設(shè)施）之間、車輛之間以及車輛與道路基礎(chǔ)設(shè)施之間的高速移動(dòng)互聯(lián)。根據(jù)組網(wǎng)方式和通信功能的不同，車聯(lián)網(wǎng)感知層網(wǎng)絡(luò)分為車域網(wǎng)（vehicle area network，VAN）和車載自組網(wǎng)（vehicular Ad Hoc network，VANET）兩種類型。

3.2.1 車域網(wǎng)

車域網(wǎng)即車載局域網(wǎng)，是使用有線或無線方式在車輛內(nèi)部各設(shè)備（設(shè)施）之間構(gòu)建的高度自治的局域網(wǎng)，并通過車載通信網(wǎng)關(guān)以無線方式接入周邊的公共接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)車輛內(nèi)部以及車輛與周邊設(shè)備之間的直接或間接通信。在VAN中，車內(nèi)設(shè)備 （設(shè)施）之間可以利用CAN（controller area network，控制器局域網(wǎng)）總線、LIN（local interconnect network，本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)）總線、藍(lán)牙等方式實(shí)現(xiàn)短距離互聯(lián)與通信。車輛定位模塊、車輛信息采集模塊、V2V（vehicle to vehicle，車輛與車輛）通信模塊、V2I（vehicle to infrastructure，車輛與基礎(chǔ)設(shè)施）通信模塊等需要與外界通信的功能模塊，通過車載通信網(wǎng)關(guān)并以WLAN、WiMAX、蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)、通信衛(wèi)星等方式接入被稱為 “路側(cè)單元”（road side unit，RSU）的道路基礎(chǔ)設(shè)施或公共接入網(wǎng)絡(luò)。車域網(wǎng)的應(yīng)用，一方面通過信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)了車內(nèi)設(shè)備（設(shè)施）的智能集成，將車輛融入網(wǎng)絡(luò)中；另一方面使網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用延伸到車輛內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)邊緣的有效擴(kuò)展。

車域網(wǎng)是一個(gè)有線與無線集成、信息采集與處理結(jié)合、車內(nèi)通信與車外信息交換融合的復(fù)雜異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它是車載單元（on board unit，OBU）的重要組成部分，其主要功能如下。

·車輛定位模塊采用衛(wèi)星接收機(jī)獲取車輛的實(shí)時(shí)位置信息，為車輛導(dǎo)航和定位管理提供服務(wù)。目前普遍使用的有美國的GPS，同時(shí)還有俄羅斯的GLONASS（格洛納斯系統(tǒng)）、歐洲的Galileo（伽利略）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

·通過安裝在車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、車身、電氣系統(tǒng)等部位的車用傳感器，實(shí)時(shí)采集車輛行駛過程中的車況信息，例如發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量、冷卻液溫度、輪胎氣壓、車速、車輛行駛方向等。

·V2V通信模塊和V2I通信模塊分別負(fù)責(zé)車輛與車輛之間以及車輛與RSU之間的通信，實(shí)現(xiàn) “人—車—路”之間的信息交換，確保行車安全。

·車輛所處環(huán)境的電磁干擾比較復(fù)雜。通過抗干擾模塊，可以解決車輛內(nèi)部電子元器件之間以及車輛與外界之間存在的電磁干擾，在確保行車安全的同時(shí)提供行車中的舒適性。

車載單元中的另一個(gè)重要組成部分是電子車牌。電子車牌是對車輛身份的數(shù)字化標(biāo)識，目前主要通過在車輛上嵌入主動(dòng)式有源RFID標(biāo)簽來實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)的車號牌相比，嵌入了RFID標(biāo)簽的電子車牌不僅能夠提供與傳統(tǒng)車號牌相同的識別功能，還能夠提供車輛擁有者、車輛機(jī)械參數(shù)、車輛年檢情況、車輛環(huán)保標(biāo)志等交通管理的輔助信息。

3.2.2 車載自組網(wǎng)

VANET 是基于 MANET（mobile Ad Hoc network，移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)）[4]的一類專用于道路交通環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)形式。在VANET中，行駛中的車輛分別被虛擬成一個(gè)個(gè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，位于道路邊的RSU被虛擬成網(wǎng)絡(luò)靜止節(jié)點(diǎn)，通過置于移動(dòng)和靜止網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的傳感器感知和采集交通及周圍環(huán)境狀況。VANET的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以分為V2V和V2I兩部分，其中V2V也稱為IVC（inter-vehicle communication，車輛互聯(lián)通信）方式，可以使車輛實(shí)時(shí)監(jiān)測道路上其他車輛的相關(guān)信息，并通過車載信息處理設(shè)備對信息進(jìn)行綜合分析處理后，為行車安全及智能輔助駕駛提供信息服務(wù)。V2I也稱為RVC（roadside to vehicle communication，路側(cè)到車輛通信）方式，即建立OBU與RSU之間的通信，車輛通過分布在道路周邊的RSU，將收集到的信息匯集到交通控制中心，交通控制中心實(shí)現(xiàn)對交通狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對全網(wǎng)范圍的交通管理，并通過RSU實(shí)現(xiàn)收費(fèi)、定位、發(fā)布交通信息等功能。VANET的主要特點(diǎn)如下。

·車輛的高速移動(dòng)性，決定了VANET中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞牟环€(wěn)定性。頻繁變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得車輛節(jié)點(diǎn)之間路由的生存期大大縮短。為此，車聯(lián)網(wǎng)中的路由設(shè)計(jì)和算法實(shí)現(xiàn)要比其他類型的MANET復(fù)雜得多，傳統(tǒng)的基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞穆酚蓞f(xié)議在車聯(lián)網(wǎng)中將不適用。

·車輛的高速移動(dòng)性以及受道路周邊建筑物和樹木的影響，導(dǎo)致車聯(lián)網(wǎng)的無線信道質(zhì)量很不穩(wěn)定。V2V之間以及V2I之間距離的頻繁快速變化，產(chǎn)生了嚴(yán)重的多普勒頻移效應(yīng)。例如，當(dāng)車輛快速經(jīng)過RSU時(shí)，多普勒頻移的極性在很短時(shí)間內(nèi)發(fā)生反轉(zhuǎn)，從而使前后信號的處理結(jié)果間出現(xiàn)較大的誤差。

·雖然車輛的高速移動(dòng)性使車聯(lián)網(wǎng)變得非常復(fù)雜，但與其他MANET相比，受城市道路的約束，車輛節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)具有一定的規(guī)律性，車輛的行駛軌跡具有可預(yù)測性。同時(shí)，由于車輛本身提供了較為充足的電力和空間資源，從而對通信設(shè)備、傳感器、定位設(shè)備及其他信息采集處理設(shè)備的能耗及集成度要求相對較低。

4 車聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化研究現(xiàn)狀

隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，道路擁擠和交通事故頻發(fā)已成為一個(gè)全球性的問題，為此，車聯(lián)網(wǎng)概念一經(jīng)提出便得到了全社會的普遍關(guān)注。在全球許多科研機(jī)構(gòu)、相關(guān)組織及汽車制造商進(jìn)行大量理論研究和實(shí)踐創(chuàng)新的同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化工作也取得了一定的進(jìn)展。目前，最具影響的車聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)主要有專用短距離通信（dedicated short range communication，DSRC）、IEEE 802.11p 標(biāo) 準(zhǔn) 和 IEEE 1609協(xié)議棧。

4.1 DSRC

DSRC是一種專用于車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中V2V和V2I之間建立信息雙向傳輸?shù)臒o線通信機(jī)制，具有傳輸速率高、時(shí)延小、支持點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)通信等功能。以V2I通信為例，DSRC建立了置于車輛上的OBU與道路周邊RSU之間的通信接口規(guī)范。在該規(guī)范中，通信鏈路分為上行鏈路和下行鏈路兩部分，其中從RSU到OBU之間的通信稱為下行鏈路，主要實(shí)現(xiàn)OBU從RSU中讀取信息以及RSU向OBU寫入信息的功能，如電子不停車收費(fèi) （electronic toll collection，ETC）系統(tǒng)中的收費(fèi)記錄和余額寫入等。從OBU到RSU之間的通信形成上行鏈路，主要完成RSU從OBU讀取信息，實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)識別功能等。

1992年，美國材料與試驗(yàn)協(xié)會 （American society for testing and materials，ASTM）針對 ETC應(yīng)用提出了 DSRC技術(shù)，采用915 MHz頻段，通信范圍達(dá)到30 m，數(shù)據(jù)傳輸速率為0.5 Mbit/s。之后，在全球范圍內(nèi)主要形成了歐洲、美國和日本3大標(biāo)準(zhǔn)體系。2002年和2003年，ASTM分別發(fā)布了E2213-02和E2203-03兩個(gè)DSRC標(biāo)準(zhǔn)，將工作頻段設(shè)置為5.9 GHz，通信范圍擴(kuò)展到了1 000 m，數(shù)據(jù)傳輸速率提升到了6～27 Mbit/s。歐洲于1994年由CEN/TC278工作組開始DSRC標(biāo)準(zhǔn)的起草，1997發(fā)布了ENV12253“5.8 GHz DSRC物理層”和ENV12795“DSRC數(shù)據(jù)鏈路層”兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。1997年日本TC204工作小組完成了DSRC標(biāo)準(zhǔn)起草工作，并于2001年和2004年分別發(fā)布了ARIB STD-T75和ARIB STD-T88兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，使用的是700 MHz頻段。需要說明的是，DSRC迄今為止還沒有形成統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)和IEEE 1609協(xié)議棧

為了加快DSRC的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。2004年IEEE成立了車輛通信環(huán)境下的無線接入（wireless access in the vehicular environment，WAVE）工作組，具體負(fù)責(zé)在現(xiàn)有5.9 GHz頻段DSRC的基礎(chǔ)上針對車聯(lián)網(wǎng)中V2V和V2I對高數(shù)據(jù)速率和高速移動(dòng)性的通信要求，設(shè)計(jì)一個(gè)全球范圍內(nèi)通用的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)即為于2010年7月正式發(fā)布的IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.11無線局域網(wǎng)（WLAN）標(biāo)準(zhǔn)存在信號覆蓋范圍小、服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）支持能力弱、無法對多媒體信息提供高質(zhì)量的支持、難以適應(yīng)車輛高速行駛過程中信道的頻繁切換等缺點(diǎn)，所以IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)無法直接應(yīng)用到車聯(lián)網(wǎng)。IEEE 802.11p通過對IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展和補(bǔ)充來適應(yīng)車聯(lián)網(wǎng)V2V和V2I的通信要求，如先進(jìn)的信息傳輸機(jī)制、高速移動(dòng)互聯(lián)、增強(qiáng)的安全性和身份認(rèn)證等[5,6]。

由于DSRC和IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)在體系結(jié)構(gòu)上的非對稱性，IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了DSRC協(xié)議的物理層（PHY）和介質(zhì)訪問控制層（MAC）標(biāo)準(zhǔn)[7]，DSRC 協(xié)議中的上層功能由IEEE 1609協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)，協(xié)議對應(yīng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

IEEE 1609協(xié)議棧由IEEE汽車技術(shù)學(xué)會智能運(yùn)輸系統(tǒng)委員會發(fā)起，是以IEEE 802.11p通信協(xié)議為基礎(chǔ)的高層系列標(biāo)準(zhǔn)，其主要目的是制定一個(gè)車聯(lián)網(wǎng)中V2V和V2I通信的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，該規(guī)范提供了自動(dòng)收費(fèi)、資源管理、安全服務(wù)等服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。表1列出了現(xiàn)有的IEEE 1609系列標(biāo)準(zhǔn)的功能描述。

5 車聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

5.1 物理層

與其他無線通信方式相比，車聯(lián)網(wǎng)的物理層相對復(fù)雜。當(dāng)車輛行駛在城市道路環(huán)境中時(shí)，無線信號在傳播過程中因受城市建筑物等復(fù)雜環(huán)境的影響，承載相同信息但經(jīng)過多個(gè)不同路徑到達(dá)接收機(jī)的信號通過矢量疊加后合成時(shí)變信號，從而產(chǎn)生多徑衰落現(xiàn)象。多徑衰落會嚴(yán)重影響V2V和V2I通信質(zhì)量。當(dāng)車輛在高速公路上行駛時(shí)所引起的信道時(shí)變以及多普勒頻移現(xiàn)象，將引起無線信道的突變，使接收機(jī)的誤差增大，所以當(dāng)一些傳統(tǒng)的相對穩(wěn)定的無線通信方式應(yīng)用到車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境時(shí)將會引起許多問題。為此，研究支持高速移動(dòng)性、具備多跳連接、提供安全可靠的信息交互方式、確保通信實(shí)時(shí)性的適應(yīng)車聯(lián)網(wǎng)特定環(huán)境的物理層規(guī)范是車聯(lián)網(wǎng)中一個(gè)重要的研究方向。

表1 IEEE 1609系列標(biāo)準(zhǔn)功能描述

IEEE 802.11p是目前專門針對車聯(lián)網(wǎng)物理層推出的通用標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.11p物理層使用IEEE 802.11a中確定的正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)，以降低多徑衰落和多普勒頻移帶來的碼間干擾。IEEE 802.11p對IEEE 802.11a進(jìn)行了修改，通過在物理層上擴(kuò)大數(shù)據(jù)幀的保護(hù)間隔，以便能夠容納更大的均方根時(shí)延（RMS），進(jìn)而支持更高速率的移動(dòng)性，以滿足車聯(lián)網(wǎng)物理層通信要求。表2是IEEE 802.11a與IEEE 802.11p物理層參數(shù)對比[5]。

表2 IEEE 802.11a與IEEE 802.11p物理層參數(shù)對比

IEEE 802.11p物理層采用5.850～5.925 GHz頻段，共75 MHz的頻段資源被劃分為7個(gè)子信道，其中1個(gè)控制信道（CCH）負(fù)責(zé)安全消息的傳輸，另6個(gè)服務(wù)信道（SCH）負(fù)責(zé)非安全服務(wù)消息的傳輸，每個(gè)信道的帶寬為10 MHz，頻譜分配如圖4所示。由于安全和非安全消息在車聯(lián)網(wǎng)中共存，為了確保車聯(lián)網(wǎng)的安全性，必須讓服務(wù)信道能夠隨時(shí)接收到控制信道的消息，隨時(shí)接受服務(wù)管理。

5.2 介質(zhì)訪問控制層

傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)訪問控制（MAC）層所面臨的隱藏和暴露終端與資源分配等問題在車聯(lián)網(wǎng)中同樣存在，而且所產(chǎn)生的后果更加嚴(yán)重。與傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)相比，車聯(lián)網(wǎng)的MAC層必須具備：支持高速移動(dòng)性、通信的實(shí)時(shí)性和可靠性、較高的帶寬利用率、采用分布式自組網(wǎng)方式、通信機(jī)會公平、提供高效且及時(shí)的廣播機(jī)制等特征[8,9]。在傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的MAC層協(xié)議主要有CSMA/CA（carrier sense multiple access with collision avoidance）、ALOHA和令牌環(huán)，目前針對車聯(lián)網(wǎng)V2V和V2I通信的MAC層協(xié)議也基本上是對已有協(xié)議的改進(jìn)，如Ad Hoc MAC 協(xié)議[10]、D-MAC（directional MAC）協(xié)議[11]、CMV（cognitive MAC for VANET）協(xié) 議[12]、A-ADHOC MAC 協(xié) 議[13]、RRALOHA （reliable reservation-ALOHA）[14]和 Secure VANET MAC協(xié)議[15]等。IEEE 802.11p MAC層協(xié)議的基礎(chǔ)仍然是IEEE 802.11的CSMA/CA，為了適應(yīng)車聯(lián)網(wǎng)的特殊應(yīng)用需求，在管理實(shí)體、接入優(yōu)先級和介質(zhì)訪問控制方式等方面進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)[16]。

（1）IEEE 802.11p MAC 層管理實(shí)體

在IEEE 802.11中設(shè)計(jì)了相對獨(dú)立的物理層管理實(shí)體（PLME）和MAC層管理實(shí)體（MLME），不同服務(wù)實(shí)體之間的操作通過服務(wù)訪問點(diǎn) （SAP）實(shí)現(xiàn)。IEEE 802.11p在MLME中定義了一個(gè)名為“dot11ocb”的管理信息庫（MIB），在車聯(lián)網(wǎng)管理中，當(dāng)需要向IEEE 802.11p設(shè)備添加額外的“選項(xiàng)/約束”條件時(shí)可將“dot11ocb”設(shè)置為“enabled”狀態(tài)，然后根據(jù)管理需要進(jìn)行配置。其中，“選項(xiàng)/約束”主要包括“認(rèn)證/無認(rèn)證服務(wù)”和“數(shù)據(jù)保密”兩種類型。

（2）接入優(yōu)先級

IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)采用了IEEE 802.11e中的EDCA（enhanced distributed channel access，增強(qiáng)的分布式信道訪問）機(jī)制來解決車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的優(yōu)先級問題，讓安全預(yù)警、輔助駕駛等緊急消息可以被賦予高優(yōu)先級，使其優(yōu)先使用信道，而交通信息、普通IP業(yè)務(wù)等實(shí)時(shí)性要求不高的消息可以設(shè)置較低的優(yōu)先級，讓其緩存后發(fā)送。EDCA機(jī)制滿足了車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的QoS管理要求。

（3）介質(zhì)訪問控制方式

以太網(wǎng)中采用的CSMA/CD無法區(qū)分優(yōu)先級，不存在可靠性保障。IEEE 802.11中采用的CSMA/CA雖然提高了傳輸?shù)目煽啃?，但時(shí)延過大，無法滿足車聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)通信要求。針對這一問題，IEEE 802.11p采用了OFDMA-CSMA機(jī)制，通過對每一個(gè)子載波組分配單獨(dú)的CSMA來實(shí)現(xiàn)低時(shí)延和高可靠性。

5.3 路由協(xié)議

車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中車輛的快速移動(dòng)和車流分布信息的動(dòng)態(tài)變換都會導(dǎo)致通信鏈路的頻繁變化，從而使建立路由源節(jié)點(diǎn)（發(fā)送信息的車輛）到目的節(jié)點(diǎn)（接收信息的車輛）的通信鏈路變得非常復(fù)雜，剛剛建立的信息傳輸路徑稍縱即逝。因此，必須在借鑒傳統(tǒng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中多跳路由已有研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)適合車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的路由協(xié)議。根據(jù)目前的研究成果，適用于車聯(lián)網(wǎng)中的路由協(xié)議主要分為以下3種類型。

5.3.1 按需路由協(xié)議

根據(jù)路由發(fā)現(xiàn)策略的不同，可將路由協(xié)議分為先應(yīng)式路由協(xié)議和按需路由協(xié)議兩種類型。先應(yīng)式路由協(xié)議也稱為表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)通過周期性地發(fā)送“Hello”廣播報(bào)文來告知和探測鄰居節(jié)點(diǎn)，從而在每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)上形成并維護(hù)一張反映全網(wǎng)拓?fù)湫畔⒌穆酚杀?。?dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某一節(jié)點(diǎn)發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)不同的路由算法或策略，網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)將會接收到這一事件信息并重新計(jì)算和更新自己的路由表，以便及時(shí)維護(hù)正確的路由信息。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)需要維護(hù)的路由信息量將很大，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁變化時(shí)大量的廣播報(bào)文會占用過多的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，使得路由協(xié)議的效率快速下降。

按需路由協(xié)議也稱為被動(dòng)型路由協(xié)議或反應(yīng)式路由協(xié)議，它是根據(jù)數(shù)據(jù)的發(fā)送要求，被動(dòng)地搜索從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最佳路由，而在數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束或沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，節(jié)點(diǎn)并不需要維護(hù)路由表。按需路由協(xié)議是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)特殊的路由協(xié)議類型，它可以降低系統(tǒng)開銷，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。但是，按需路由協(xié)議具有許多潛在的不確定性，進(jìn)而影響協(xié)議的可靠性和應(yīng)用的安全性。例如，從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間能否建立路由、建立路由需要多長時(shí)間都無法確定，這種不確定性為車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來了安全隱患。

為此，反應(yīng)式路由協(xié)議不適合于車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，而按需路由協(xié)議也僅僅適應(yīng)于規(guī)模不大、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速率較小、安全性要求不高的車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境。

5.3.2 分層路由協(xié)議

根據(jù)所形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不同，可將路由協(xié)議分為平面路由協(xié)議和分層路由協(xié)議兩種類型[17,18]。在平面結(jié)構(gòu)中，所有節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的地位是平等的，不存在層次上的差異性，一般不存在瓶頸問題，具有較強(qiáng)的頑健性。而分層結(jié)構(gòu)中采用簇的機(jī)制對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分層管理，將在地域范圍內(nèi)相鄰的節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)簇，每個(gè)簇有一個(gè)簇首，簇與簇之間借助于各自的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，由簇首和網(wǎng)關(guān)構(gòu)成了高層的虛擬骨干網(wǎng)。典型的分層路由協(xié)議有CBRP(cluster based routing protocol)[19]、CL-DSR (reliable dynamic source routing based cluster label)[20]和AOW(automatic on demand weighted clustering algorithm)[21]。

分層路由協(xié)議具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，適應(yīng)于大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可較好地實(shí)現(xiàn)對移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的管理。所以分層路由協(xié)議較適用于車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境。

5.3.3 地理位置輔助路由協(xié)議

根據(jù)是否使用地理位置信息作為路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)的依據(jù)，可將路由協(xié)議分為地理位置輔助路由協(xié)議和非地理位置輔助路由協(xié)議兩種類型。非地理位置輔助路由協(xié)議需要管理路由表或存儲路徑，需要獲知并建立節(jié)點(diǎn)之間的路徑信息，是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中普遍使用的路由協(xié)議類型。隨著GPS等定位技術(shù)的應(yīng)用和道路通信基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，地理位置輔助路由協(xié)議成為車聯(lián)網(wǎng)中研究的一個(gè)重點(diǎn)。根據(jù)所采用的地理位置信息的不同，地理位置輔助路由協(xié)議主要分為以下兩種類型。

（1）貪婪路由

貪婪算法(greedy algorithm)是一種解決最優(yōu)化問題的近似方法。貪婪算法的實(shí)現(xiàn)分為不同的階段，每一階段根據(jù)相應(yīng)的貪婪準(zhǔn)則(greedy criterion)會得到一個(gè)解決本階段問題的最優(yōu)解，最后將各階段的最優(yōu)解依次關(guān)聯(lián)起來便得到整個(gè)過程的最優(yōu)解。2000年，哈佛大學(xué)的Brad Karp等人提出了 GPSR（greedy perimeter stateless routing）[21]協(xié)議，成功地將貪婪算法與地理位置信息有機(jī)結(jié)合起來，應(yīng)用到車聯(lián)網(wǎng)感知層網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議中。貪婪路由的思想是：節(jié)點(diǎn)周期性地廣播包含自身身份標(biāo)識和當(dāng)前實(shí)時(shí)地理位置坐標(biāo)的報(bào)文，通過對接收到的廣播報(bào)文的綜合分析和參數(shù)設(shè)置，每個(gè)節(jié)點(diǎn)便可以建立鄰居節(jié)點(diǎn)列表。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先查找自己的鄰居節(jié)點(diǎn)列表來發(fā)現(xiàn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)所有路徑中最近的一個(gè)直聯(lián)相鄰節(jié)點(diǎn)，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給該節(jié)點(diǎn)，接收到數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)采取同樣的方法繼續(xù)選擇下一個(gè)直聯(lián)鄰居節(jié)點(diǎn)，直到數(shù)據(jù)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)為止。由于省略了路由選擇的復(fù)雜窮舉過程，所以貪婪路由的效率較高。

（2）錨路由

雖然城市道路周邊復(fù)雜的環(huán)境對信號傳輸產(chǎn)生的影響較大，但城市道路交通網(wǎng)絡(luò)的分布具有規(guī)律性和存在時(shí)間上的相對穩(wěn)定性，為此將道路交通拓?fù)湫畔⒁肼酚蛇x擇成為車聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)研究方向。2003年由Christian Lochert等人提出的 GSR（geographic source routing）[22]協(xié)議成為地理位置輔助路由協(xié)議的一個(gè)典型案例。在GSR協(xié)議中，由從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)間的道路十字路口組成錨節(jié)點(diǎn)序列，然后將GPSR協(xié)議中原來從計(jì)算直聯(lián)鄰居節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的距離，改為計(jì)算直聯(lián)鄰居節(jié)點(diǎn)和距離目的節(jié)點(diǎn)較近的下一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的距離，再將距離下一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)較近的鄰居節(jié)點(diǎn)作為路由的下一跳。在GSR協(xié)議中，兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間仍然通過貪婪算法確定路由。通過這種方法，信息將沿著道路拓?fù)鋫鬏?，降低了城市道路環(huán)境對車聯(lián)網(wǎng)通信質(zhì)量的影響。

在前人研究的基礎(chǔ)上，如何將道路范圍內(nèi)的車流密度、車輛的運(yùn)行速度和方向等參數(shù)以及道路周邊的通信基礎(chǔ)設(shè)施引入路由實(shí)現(xiàn)過程成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。例如，2008年由 Kevin C Lee等人提出的 LOUVER（landmark overlay for urban vehicular routing environments）[24]協(xié)議在 繼承了GPSR協(xié)議貪婪路由算法的基礎(chǔ)上，引入車輛自主感知車輛密度的方法來輔助路由選擇，為車聯(lián)網(wǎng)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)開發(fā)提出了一種新的思路。

6 結(jié)束語

近年來，車輛的迅猛增長與人們無處不在的信息通信要求將原本互不相干的通信網(wǎng)絡(luò)與汽車緊密結(jié)合起來，從而促進(jìn)了車輛向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。目前，車聯(lián)網(wǎng)在國內(nèi)外還處于起步階段，真正具有“智慧”功能的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用僅存在于實(shí)驗(yàn)環(huán)境或小范圍內(nèi)，即使是智能交通管理、ETC、車輛信息采集、車輛測速等具有車聯(lián)網(wǎng)基本要素的應(yīng)用也限于一個(gè)城市或城市的某一特定范圍?，F(xiàn)有的研究和應(yīng)用，距離真正實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)中最重要的V2V和V2I通信管理還存在很大的差距，基于傳統(tǒng)理論與技術(shù)的研究和設(shè)計(jì)開發(fā)方法難以有效解決車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心問題。為此，立足車聯(lián)網(wǎng)的泛在化屬性，打破常規(guī)的方法和模式，通過創(chuàng)建系統(tǒng)、科學(xué)的理論模型，探索規(guī)范有效的理論和方法體系，是實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)和必由之路，也是研究人員的努力方向。

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