汽車大數(shù)據(jù)技術(shù)研究

本文主要介紹車輛中的最新大數(shù)據(jù)技術(shù)研究，主要從車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中諸多問題展開討論，對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)中存在的問題進(jìn)行了分析，改進(jìn)。

1 互聯(lián)車輛的最新技術(shù)概論[1]

1.1 主要內(nèi)容

本文總結(jié)了互聯(lián)車輛的最新技術(shù)-從對(duì)車輛數(shù)據(jù)及其應(yīng)用的需求到支持技術(shù)，挑戰(zhàn)和已識(shí)別的機(jī)會(huì)。全球連通性正在增加，其對(duì)車輛的擴(kuò)展也不例外。隨著連接性、傳感和計(jì)算的改進(jìn)，未來將看到用作開發(fā)平臺(tái)的車輛能夠生成豐富的數(shù)據(jù)，基于推理起作用，并且在運(yùn)輸、人力-車輛動(dòng)態(tài)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)方面實(shí)現(xiàn)巨大變化?；ヂ?lián)車輛技術(shù)已經(jīng)被用于提高車隊(duì)的安全性和效率，新興技術(shù)還允許使用數(shù)據(jù)來通知車輛設(shè)計(jì)、所有權(quán)和使用的各個(gè)方面。雖然近年來對(duì)互聯(lián)車輛及其支持技術(shù)（見文中Fig.3）的需求顯著增長，但在實(shí)現(xiàn)互聯(lián)汽車的全部潛力之前，互聯(lián)和協(xié)作車輛應(yīng)用部署仍然存在挑戰(zhàn)。從可擴(kuò)展性到隱私和安全性，本文向讀者介紹了互聯(lián)汽車領(lǐng)域的關(guān)鍵支持技術(shù)、機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

Fig.3. This figure shows the different types of vehicle-toeverything communication supporting connected vehicles

互聯(lián)汽車行業(yè)正在快速發(fā)展，但它絕不是新的。當(dāng)今的主要支持技術(shù)-計(jì)算、傳感和網(wǎng)絡(luò)-正如消費(fèi)者對(duì)只有交互才能促進(jìn)的應(yīng)用的需求一樣。許多應(yīng)用程序見證了-如同列隊(duì)行駛、避免碰撞和危險(xiǎn)警告-是以研究為重點(diǎn)，但展示了具有深遠(yuǎn)實(shí)際意義的技術(shù)。此外，在面向消費(fèi)者的協(xié)作應(yīng)用中還存在未開發(fā)的機(jī)會(huì)，其重點(diǎn)在于通過節(jié)省燃料、時(shí)間和維護(hù)來優(yōu)化用戶體驗(yàn)、人為因素以及降低車輛的總擁有成本。

1.2 展望

為了進(jìn)一步推動(dòng)互聯(lián)汽車應(yīng)用的發(fā)展，作者為下一代汽車技術(shù)提出了一系列建議。其范圍從車載診斷到車載和全系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。作者認(rèn)為通過改進(jìn)技術(shù)和消費(fèi)者信息，將加速互聯(lián)汽車行業(yè)的發(fā)展，并開始更全面地實(shí)現(xiàn)變革性潛在互聯(lián)對(duì)移動(dòng)性的影響。

2 增強(qiáng)車載網(wǎng)絡(luò)中分布式TDMA的傳輸沖突檢測(cè)[2]

2.1 主要內(nèi)容

越來越多的交通事故導(dǎo)致了車載自組織網(wǎng)絡(luò)（VANET）的發(fā)展，VANET允許車輛和路邊基礎(chǔ)設(shè)施不斷廣播安全信息，包括必要的安全信息，以避免在路上發(fā)生意外事件。為了支持安全消息的可靠廣播，提出了分布式時(shí)分多址（D-TDMA,見文中Fig.1）協(xié)議用于媒體訪問控制VANETs,現(xiàn)有的D-TDMA協(xié)議對(duì)傳輸故障做出反應(yīng)而不區(qū)分是否存在故障來自傳輸沖突或來自較差的無線電條件，導(dǎo)致性能下降。

在本文中，作者將重點(diǎn)研究車載網(wǎng)絡(luò)中D-TDMA協(xié)議性能的傳輸失敗的區(qū)分來源的影響。首先，作者分析試圖獲取時(shí)段的節(jié)點(diǎn)所采用的精確傳輸失敗區(qū)分方法的效果。這樣的分析提供了傳輸失敗區(qū)分方法的性能上限，可以作為評(píng)估VANET D-TDMA協(xié)議性能的基準(zhǔn)。此外，作者提出了一種實(shí)用的方法，用于區(qū)分D-TDMA協(xié)議的兩個(gè)來源。采用深度學(xué)習(xí)技術(shù)導(dǎo)致傳輸失敗[Deng and Yu 2014]。換句話說，節(jié)點(diǎn)通過在發(fā)生傳輸失敗時(shí)估計(jì)信道狀態(tài)來建立傳播信道的高級(jí)抽象。然后，節(jié)點(diǎn)使用傳輸信道的這種高級(jí)抽象來確定傳輸失敗的來源，并最終在釋放其時(shí)段之前檢測(cè)傳輸沖突。傳輸信道的高級(jí)抽象由雙狀態(tài)馬爾可夫鏈模型表示，該模型由每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用在鄰近節(jié)點(diǎn)廣播周期性安全消息中接收的本地信息（例如位置和速度）動(dòng)態(tài)更新。另外，通過利用由某個(gè)節(jié)點(diǎn)廣播的消息的接收ACK（由D-TDMA協(xié)議提供[Borgonovo等人2004;Omar等人2013b]），該節(jié)點(diǎn)近似地計(jì)算/更新該平均估計(jì)誤差。使用所提出的馬爾可夫模型的信道狀態(tài)，該平均信道估計(jì)誤差由節(jié)點(diǎn)結(jié)合馬爾可夫模型使用，以進(jìn)一步增強(qiáng)沖突檢測(cè)（或傳輸失敗區(qū)分）的準(zhǔn)確性。因此，當(dāng)節(jié)點(diǎn)在某個(gè)時(shí)段上廣播消息并且未能將消息傳遞到其任何相鄰節(jié)點(diǎn)時(shí)，它通過應(yīng)用所提出的傳輸失敗區(qū)分方法來決定是保留還是釋放時(shí)段。當(dāng)僅僅由于傳輸沖突估計(jì)傳輸失敗以避免進(jìn)一步的傳輸沖突時(shí)，節(jié)點(diǎn)釋放其時(shí)段并獲取新的時(shí)段。相反，當(dāng)估計(jì)傳輸失敗是由于較差的無線電信道條件時(shí)，不需要釋放時(shí)段，并且節(jié)點(diǎn)保留其時(shí)段用于后續(xù)的消息廣播。

2.2 結(jié)論及存在問題

作者的分析表明，這種沖突檢測(cè)機(jī)制通過提高成功時(shí)段采集的速率來增強(qiáng)VANET D-TDMA協(xié)議的性能。此外，為了評(píng)估所提出的解決方案，通過使用由微觀多模式交通流模擬器PTV Vissim[PTV Group 2015]生成的車輛移動(dòng)軌跡，在高速公路場(chǎng)景中進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。模擬結(jié)果表明，所提出的傳輸失敗區(qū)分方法通過允許節(jié)點(diǎn)僅在需要時(shí)釋放其時(shí)段，顯著提高了D-TDMA協(xié)議的性能。

3 使用校準(zhǔn)的車輛移動(dòng)軌跡改進(jìn)VANET仿真[3]

3.1 主要內(nèi)容

模擬是用于評(píng)估車載自組織網(wǎng)絡(luò)（VANET）和延遲容忍網(wǎng)絡(luò)（DTN）的協(xié)議和算法的最常用方法。通常，仿真工具使用移動(dòng)性跟蹤來基于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的現(xiàn)有聯(lián)系來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹５?，就日志文件中每個(gè)條目的空間和時(shí)間粒度而言，跟蹤的質(zhì)量是直接影響網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞年P(guān)鍵因素。因此，結(jié)果的可靠性很大程度上取決于車輛移動(dòng)性模型對(duì)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞木_表示。

作者認(rèn)為，五種廣泛采用的現(xiàn)有真實(shí)車輛移動(dòng)性痕跡存在差距，導(dǎo)致可疑結(jié)果。在這項(xiàng)工作中，作者提出了一個(gè)解決方案來填補(bǔ)這些空白，從而產(chǎn)生更細(xì)粒度的跡線，從而產(chǎn)生更可靠的仿真結(jié)果。作者使用聚類算法提出并評(píng)估基于數(shù)據(jù)的解決方案，以填補(bǔ)現(xiàn)實(shí)世界痕跡的空白。此外，作者還提供評(píng)估結(jié)果，使用網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)比較原始通信圖和校準(zhǔn)跟蹤圖。結(jié)果表明，這些差距確實(shí)會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c現(xiàn)實(shí)不同，降低了評(píng)估結(jié)果的質(zhì)量。為了給研究界做出貢獻(xiàn)，作者公開了校準(zhǔn)痕跡，以便其他研究人員可以采用它們來改進(jìn)評(píng)估結(jié)果。

這項(xiàng)工作表明，現(xiàn)有的真實(shí)車輛移動(dòng)性痕跡存在導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c現(xiàn)實(shí)不同的差距，并因此導(dǎo)致不可靠的性能評(píng)估。為了解決這個(gè)問題，作者提出并驗(yàn)證了一種解決方案，通過采用基于簇的參考系統(tǒng)和校準(zhǔn)方法來找到并填補(bǔ)空白。結(jié)果顯示作者的方法能夠準(zhǔn)確填補(bǔ)空白。此外，作者觀察到由校準(zhǔn)跡線構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c原始跡線明顯不同。為了解決這個(gè)問題，作者提出了評(píng)估結(jié)果，比較原始通信圖和五個(gè)真實(shí)世界軌跡的校準(zhǔn)跡線。作者的結(jié)果清楚地區(qū)分了原始和校準(zhǔn)跡線的通信圖。

3.2 展望

作為未來的工作，有一些有趣的問題需要調(diào)查。作者計(jì)劃微調(diào)校準(zhǔn)解決方案，以避免在跡線中由GPS誤差引起道路外的校準(zhǔn)點(diǎn)。評(píng)估其他聚類算法以及構(gòu)建參考系統(tǒng)的其他策略非常重要。作者的目標(biāo)是在考慮通信方面的情況下評(píng)估車載網(wǎng)絡(luò)的其他狀態(tài)協(xié)議，并評(píng)估作者的提議在這些協(xié)議的模擬中的影響。

4 城市VANET智能無人機(jī)輔助路由協(xié)議[4]

4.1 主要內(nèi)容

車載自組網(wǎng)絡(luò)（VANET）中的路由過程在城市環(huán)境中是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。找到滿足延遲限制和最小費(fèi)用的最短端到端連接路徑面臨許多約束和困難。這種困難是由于車輛的高移動(dòng)性、頻繁的路徑故障以及各種障礙物，這些障礙物可能影響數(shù)據(jù)傳輸和路由的可靠性。商用無人駕駛飛行器（UAV）或通常所說的無人機(jī)可以在處理這些限制時(shí)派上用場(chǎng)。

在本文中，作者研究如何在ad hoc模式下運(yùn)行的無人機(jī)可以與地面上的VANET配合，以便通過橋接協(xié)助路由過程并提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。只要有可能，溝通就?huì)出現(xiàn)差距。在之前的工作中，作者提出了UVAR-一種無人機(jī)輔助VANET路由協(xié)議，它通過使用無人機(jī)改善了地面車輛的數(shù)據(jù)路由和連接(見文中Figure 2.)。然而，UVAR并沒有充分利用天空中的無人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，因?yàn)樗鼉H在網(wǎng)絡(luò)密度較低時(shí)才使用無人機(jī)。在本文中，作者通過支持兩種不同的數(shù)據(jù)路由方式來提出該協(xié)議的擴(kuò)展：（i）使用UVAR-G在地面上專門提供數(shù)據(jù)包;（ii）使用基于UVAR-S的反應(yīng)路由在天空中傳輸數(shù)據(jù)包。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的車輛到車輛（V2V）通信相比，車輛和無人機(jī)之間的混合通信非常適合VANET.

Figure 2:Communication architecture of UVAR.

在本文中，作者介紹了UVAR協(xié)議及其擴(kuò)展，以支持無人機(jī)和VANET之間以及無人機(jī)之間的自組織路由。UVAR協(xié)議專用于城市車輛環(huán)境，其主要目的是基于無人機(jī)對(duì)地面道路交通的意識(shí)來提高路線性能。

4.2 結(jié)論及存在問題

在這里，作者提出了兩個(gè)協(xié)議：用于地對(duì)空通信的UVAR-G和用于空對(duì)空通信的UVAR-S。首先，無人機(jī)用于通過監(jiān)測(cè)和交換地面車輛的Hello消息來估計(jì)給定路段內(nèi)的車輛密度。然后，無人機(jī)用于幫助車輛選擇用于路由其數(shù)據(jù)的通信路線。其次，通過UVAR-S，當(dāng)?shù)孛嫱ㄐ疟徽J(rèn)為很差或車輛密度不足以通過車輛路由數(shù)據(jù)包時(shí)，無人機(jī)還用于通過無人機(jī)路由數(shù)據(jù)包。作者對(duì)UVAR協(xié)議進(jìn)行了基于仿真的性能評(píng)估，并顯示了與其他現(xiàn)有最先進(jìn)的路由相比，UVAR在增加路由可靠性，減少延遲和提高傳輸率方面的有效性和穩(wěn)健性協(xié)議。作為未來的工作，UVAR協(xié)議將在安全方面得到改進(jìn)，并適應(yīng)其他環(huán)境，如高速公路和農(nóng)村。

5 基于分布式TDMA MAC的車載網(wǎng)絡(luò)鏈路層協(xié)作[5]

5.1 主要內(nèi)容

已經(jīng)提出了用于改善無線網(wǎng)絡(luò)中的通信可靠性和吞吐量的協(xié)作媒體訪問控制（MAC）協(xié)議。在作者之前的工作中，已經(jīng)提出了一種稱為協(xié)作ADHOC MAC（CAH-MAC）的協(xié)作MAC方案，以在用于車輛通信的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

在本文中，作者研究了節(jié)點(diǎn)間相對(duì)移動(dòng)性和信道衰落對(duì)CAH-MAC性能的影響。在動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，由于合作沖突，系統(tǒng)性能下降。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，作者提出了一種增強(qiáng)的CAH-MAC（eCAH-MAC）方案，該方案避免了合作沖突，有效地利用了合作機(jī)會(huì)，而不會(huì)中斷時(shí)段預(yù)留操作。通過數(shù)學(xué)分析和計(jì)算機(jī)模擬，作者表明eCAH-MAC通過提高無保留時(shí)段的利用率來提高節(jié)點(diǎn)協(xié)作的有效性。此外，研究與現(xiàn)有方法相比,作者對(duì)現(xiàn)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景進(jìn)行了廣泛的模擬來研究成功的協(xié)作中繼傳輸?shù)母怕屎蚭CAH-MAC中未預(yù)留時(shí)段的使用。

用于D-TDMA MAC的節(jié)點(diǎn)協(xié)作（例如CAHMAC）遭受協(xié)作沖突，因此破壞了D-TDMA MAC的正常操作。在本文中，作者提出了CAH-MAC協(xié)議的沖突避免方案，稱為增強(qiáng)型協(xié)作ADHOC MAC（eCAHMAC），用于車載通信網(wǎng)絡(luò)。在eCAH-MAC中，協(xié)作中繼傳輸階段被延遲（文中Fig.1），從而可以避免協(xié)作沖突。它在存在時(shí)段預(yù)留嘗試的情況下有效地使用可用帶寬資源，這是車載網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)的結(jié)果，提高了MAC層協(xié)議的節(jié)點(diǎn)協(xié)作的性能。

5.2 結(jié)論及存在問題

作者的分析表明，節(jié)點(diǎn)協(xié)作的有效性隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而減少，這主要是由于預(yù)留嘗試次數(shù)的增加。然而，盡管調(diào)度協(xié)作中繼傳輸允許競(jìng)爭節(jié)點(diǎn)保留時(shí)段，但是eCAH-MAC不會(huì)破壞D-TDMA MAC的正常操作。此外，作者考慮實(shí)際的通道模型和車輛軌跡來執(zhí)行大量的模擬。作者在動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中展示了eCAH-MAC的高效性和穩(wěn)健性。通過數(shù)學(xué)分析和模擬，作者觀察到eCAH-MAC能夠通過暫停協(xié)作中繼傳輸階段來避免協(xié)作沖突，這允許更多競(jìng)爭節(jié)點(diǎn)有效地保留未使用的時(shí)段。

6 車載網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)大數(shù)據(jù)：車輛互聯(lián)網(wǎng)之路[6]

6.1 主要內(nèi)容

在新興的5G通信系統(tǒng)中，對(duì)先進(jìn)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的需求將比以往任何時(shí)候都更加重要。此外，處理物互聯(lián)（IoT）產(chǎn)生的數(shù)據(jù)對(duì)科學(xué)家和企業(yè)來說都是一個(gè)充滿希望的挑戰(zhàn)。車互聯(lián)（IoV）是物互聯(lián)（IoT）系列的重要成員，旨在改善道路安全并改善駕駛體驗(yàn)。在這個(gè)愿景中，收集和處理車輛產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)是車輛特定環(huán)境中的真正挑戰(zhàn)。大數(shù)據(jù)意味著傳統(tǒng)信息系統(tǒng)無法處理數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)時(shí)代的數(shù)據(jù)量無法加載到單個(gè)機(jī)器中。這也意味著為集中式架構(gòu)開發(fā)的大多數(shù)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析方法都不適用。

在此背景下，本章討論了車輛互互聯(lián)與大數(shù)據(jù)技術(shù)的相互作用。首先，作者介紹IoV（見文中Fig.9）的演變及其特征。其次，作者討論了車輛環(huán)境中的數(shù)據(jù)生命周期和大數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)。最后，討論了IoV大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)模型。

Fig.9 IoV communication types

大數(shù)據(jù)的運(yùn)營將改善和優(yōu)化現(xiàn)代城市提供的服務(wù)成本，這將是未來幾年全球發(fā)展的主要關(guān)鍵之一?？紤]到產(chǎn)生這種信息的數(shù)量和速度，這在車輛互互聯(lián)的背景下尤其重要。

在本章中，作者試圖澄清構(gòu)成技術(shù)發(fā)展的各種問題，這些技術(shù)可以從車輛大數(shù)據(jù)的使用中受益，以改善駕駛體驗(yàn)，并使決策者掌握有效的基礎(chǔ)設(shè)施管理工具。作者已經(jīng)介紹了從特定（Ad hoc）到非常有限的區(qū)域和無保障服務(wù)的車載網(wǎng)絡(luò)的演變，以及具有異構(gòu)和通用訪問的網(wǎng)絡(luò)，允許無處不在的連接。然后，作者展示了云平臺(tái)在從嵌入式傳感器以及智能車輛中的個(gè)人設(shè)備收集的數(shù)據(jù)、處理和操作中將發(fā)揮的關(guān)鍵作用。作者最終詳細(xì)介紹了IoV大數(shù)據(jù)的架構(gòu)，并重點(diǎn)介紹了必須部署的云元素，以實(shí)現(xiàn)高效的IoV大數(shù)據(jù)處理。

7 軟件定義SpaceAirGround集成車載網(wǎng)絡(luò)[7]

7.1 主要內(nèi)容

本文提出了一種軟件定義的空間地面綜合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以無縫、高效和經(jīng)濟(jì)的方式支持各種車輛服務(wù)（見文中Figure 1）。首先，回顧了空間-地面網(wǎng)絡(luò)整合的動(dòng)機(jī)和挑戰(zhàn)。其次，提出了一種具有分層結(jié)構(gòu)的軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。為了保護(hù)衛(wèi)星、天線和地面段中的傳統(tǒng)服務(wù)，通過網(wǎng)絡(luò)切片將每個(gè)段中的資源切片以實(shí)現(xiàn)服務(wù)隔離。然后將可用資源放入一個(gè)通用的動(dòng)態(tài)空間-地面資源池中，該資源池由分層控制器管理以適應(yīng)車輛服務(wù)。最后，進(jìn)行了一個(gè)案例研究，然后討論了一些開放的研究課題。

為了在各種實(shí)際場(chǎng)景（例如，農(nóng)村和城市）中適應(yīng)具有不同服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求的各種車輛服務(wù)，必須利用每種網(wǎng)絡(luò)范例的特定優(yōu)點(diǎn)。例如，城市地區(qū)密集部署的地面網(wǎng)絡(luò)可以支持高數(shù)據(jù)速率接入，衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以提供與農(nóng)村地區(qū)的無縫連接，而高空平臺(tái)（HAP）可以增強(qiáng)具有高服務(wù)需求的地區(qū)的容量。此外，可以獲取關(guān)于車輛環(huán)境的多維實(shí)時(shí)環(huán)境感知信息，例如車內(nèi)、車輛間、道路狀況和區(qū)域交通信息，以改善駕駛體驗(yàn)并促進(jìn)智能交通管理。

在本文中，作者通過軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）專注于空間-地面集成車載網(wǎng)絡(luò)，以迅捷和靈活的方式利用異構(gòu)資源來支持異構(gòu)車輛服務(wù)。首先討論了空間-地面綜合網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)機(jī)和挑戰(zhàn)。然后提出了一種軟件定義的空-地集成車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。介紹了工作關(guān)系、以及分層網(wǎng)絡(luò)操作和大數(shù)據(jù)輔助網(wǎng)絡(luò)。確定研究方向，然后完成這項(xiàng)工作。

7.2 展望

在本文中，作者提出了一種SSAGV網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以利用空間、空中和地面部分的優(yōu)勢(shì)，在各種場(chǎng)景中高效且經(jīng)濟(jì)地支持各種車輛服務(wù)。所提出的開放式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)敏捷性和靈活性，簡化網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)，并適應(yīng)不斷變化的用戶需求和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。新的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營模式可以為不同部門之間的資源共享和協(xié)作鋪平道路。為了加快SSAGV網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的步伐，需要在概述的研究方向上進(jìn)行廣泛的研究工作。

Figure 1.Software defined space-air-ground integrated vehicular(SSAGV)networks.