車聯(lián)網(wǎng)ABC及研究綜述

涂 芳 曾 銘 鄧左祥

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2.湖南湖大艾盛汽車技術(shù)開發(fā)有限公司，湖南 長沙 410221；3.廣西科技大學計算機科學與技術(shù)學院，廣西 柳州 545006）

0 引言

如今，車聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)走進人們生活中。汽車駕駛?cè)丝梢酝ㄟ^車聯(lián)網(wǎng)，把汽車非駕駛部分的狀態(tài)信息傳輸?shù)椒斩?，結(jié)合手機App的指令，對汽車的設(shè)備進行遠程控制。比如，遠程控制汽車的空調(diào)、音響、攝像頭等電器設(shè)備，可以遠程讓車輛開啟空調(diào)冷車，或者通過車載攝像頭觀察周圍的情況。此外，還可以通過車聯(lián)網(wǎng)，把汽車的駕駛部分狀態(tài)信息傳輸?shù)椒斩?，服務端?jīng)過各種計算后，下發(fā)指令到汽車，進行一系列的輔助駕駛和遠程操作，實現(xiàn)簡易的輔助駕駛甚至自動駕駛，或者自動停泊車輛。

本文關(guān)注車聯(lián)網(wǎng)這一熱點話題，對車輛網(wǎng)進行介紹，并且對車聯(lián)網(wǎng)的研究熱點之一的路由問題，進行綜述。

1 車聯(lián)網(wǎng)的概念

車聯(lián)網(wǎng)，也叫車輛自組織網(wǎng)絡，簡稱是車輛網(wǎng)絡。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)也發(fā)展起來，近年來的發(fā)展越來越快。車聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的核心領(lǐng)域之一，主要是指車輛以及與車輛行駛相關(guān)的一些，包括行人、道路基礎(chǔ)設(shè)施、公眾電信網(wǎng)，以及與車載服務相關(guān)的云平臺和服務平臺，相互連接在一起的泛在智能無線網(wǎng)絡。

車輛網(wǎng)絡的兩個特點是無中心和自組織。車聯(lián)網(wǎng)是一種臨時性的、沒有中心節(jié)點的對等網(wǎng)絡，是一種自組織網(wǎng)絡。車輛作為車聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點之一，可以隨時加入或離開車聯(lián)網(wǎng)。即使任何一輛車發(fā)生網(wǎng)絡故障，也不會影響整個車聯(lián)網(wǎng)的正常運行。

2 車聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)

車聯(lián)網(wǎng)是由車輛和車載系統(tǒng)、車輛標識系統(tǒng)、路邊設(shè)備系統(tǒng)、信息通信網(wǎng)絡系統(tǒng)構(gòu)成，它的技術(shù)是在交通基礎(chǔ)設(shè)備日益完善、車輛管理難度不斷加大的背景下提出的。到目前為止，車聯(lián)網(wǎng)仍然處于初步的研究探索階段，但是經(jīng)過多年的發(fā)展，如今已基本形成一套比較穩(wěn)定的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)。在車聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)中，主要由三大層次組成，按照層次由高到低，分別是應用層、網(wǎng)絡層、感知層。

（1）應用層。在車聯(lián)網(wǎng)實際應用過程中，應用層為車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展提供原動力，實現(xiàn)交通的智能化管理和全過程的控制。另外，還為用戶提供相應信息的查詢、訂閱，以及事件告知的服務功能。應用層是綜合信息化的平臺，面向各種車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的應用，需要構(gòu)筑一些平臺，包括數(shù)據(jù)平臺、運營平臺、支撐平臺等。

（2）網(wǎng)絡層。網(wǎng)絡層主要制定專用的網(wǎng)絡架構(gòu)和協(xié)議模型，對來自感知層的數(shù)據(jù)，進行發(fā)送和傳輸，提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)發(fā)送和傳輸服務。同時，利用大數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)，可以充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡資源。網(wǎng)絡層根據(jù)通信技術(shù)標準，解決車與人、車與車、車與路、車與設(shè)施等的互聯(lián)互通。

（3）感知層。感知層主要承擔道路交通信息的采集，這屬于車輛網(wǎng)絡的神經(jīng)末梢。感知層通過安裝各種各樣的傳感器，使得智能網(wǎng)聯(lián)汽車具有感知能力。除了具有感知能力的汽車之外，感知層還包括各種基礎(chǔ)設(shè)施，以及終端系統(tǒng)技術(shù)標準。

3 車聯(lián)網(wǎng)的應用

車聯(lián)網(wǎng)可以通過緊急制動、禁止疲勞駕駛、行人預警等措施，提醒駕駛員，有效降低交通事故的發(fā)生率，保障人員以及車輛安全。車聯(lián)網(wǎng)的應用領(lǐng)域，主要包括智能駕駛、智能交通、智慧園區(qū)、車載娛樂、緊急救援等。

（1）智能駕駛：依托5G低時延、高可靠、大寬帶網(wǎng)絡特性，通過遠程智能駕駛平臺，實現(xiàn)對遠端車輛的全向監(jiān)控和智能遠程控制。此外，利用車路協(xié)同技術(shù)，分析處理感知層采集的各種道路信息，由車載通信單元，通知駕駛者或自動駕駛汽車，并使之做出及時、恰當?shù)鸟{駛行為。

（2）智能交通：通過車聯(lián)網(wǎng)收集、發(fā)布信息，讓駕駛者掌握整個道路交通情況，便于交通管理部門的智能管理，涵蓋遠程指揮調(diào)度、收費路橋不停車繳費、無人值守停車管理、肇事車輛逃逸追蹤等。

（3）智慧園區(qū)：運用自動駕駛技術(shù)，提供無人接駁、分時租賃、無人快遞、無人清掃、無人配送、無人售賣、無人巡檢等多項服務。

（4）車載娛樂：通過智能座艙中車機等終端設(shè)備，實現(xiàn)車內(nèi)在線聽音樂、看電影、瀏覽新聞、在線游戲等娛樂功能。

（5）緊急救援：一旦車輛發(fā)生緊急情況，車主可以按下車輛上安裝的緊急按鈕，將緊急信號以及車輛位置等信息，通知給客服中心，客服中心可以實現(xiàn)精準救援，還可以將車輛事故信息通知給其他車輛，方便周圍車輛做出緊急避險反應或者重新規(guī)劃合適的行車路線。

4 車聯(lián)網(wǎng)的研究內(nèi)容

車聯(lián)網(wǎng)的研究內(nèi)容，主要包括廣播、組播、單播路由、定位、追蹤等方面。

（1）廣播，將數(shù)據(jù)發(fā)送給車聯(lián)網(wǎng)中的所有車輛。比如，服務中心將一些重要的新聞，廣播給所有車輛，讓車聯(lián)網(wǎng)的用戶都知曉。

（2）組播，將數(shù)據(jù)發(fā)送給車聯(lián)網(wǎng)中的一部分車輛。比如，將某路段關(guān)于交通堵塞的信息，傳播到位于該路段附近的車輛，告訴這些車輛的司機，不要再繼續(xù)往堵塞路段行駛，以提高交通效率。

（3）單播路由，將數(shù)據(jù)發(fā)送給車聯(lián)網(wǎng)中的某一輛車。比如，用戶將自己喜歡的視頻、音樂，分享給自己的某一朋友。

（4）定位，對某輛車，或某個人進行定位。比如，通過定位，實現(xiàn)人找出租車，或者出租車找人，提高出租車的使用效率。

（5）追蹤，獲取某輛車當前的位置。比如，用戶追蹤公交車的位置，可以知道公交車多久進站；用戶追蹤物流車的位置，可以知道自己快遞的當前所在位置。

5 車聯(lián)網(wǎng)的難點和挑戰(zhàn)

根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)中車輛數(shù)量多、快速移動的特點，使得在研究車聯(lián)網(wǎng)時，存在許多難點和挑戰(zhàn)，下面列舉四個難點和挑戰(zhàn)。

（1）車聯(lián)網(wǎng)中，由于車輛的移動方向和速度變化快、難以預測，使得網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)變化非?？?，難以維持穩(wěn)定，因此，從數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑窜囕v到目標車輛的一條完整的路由路徑，是很難找到的，甚至從數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑窜囕v到目標車輛的完整的路由路徑，是根本不存在的。這使得車輛網(wǎng)絡的路由問題，成為一個重大的難點和挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的路由算法，已經(jīng)不能直接適用于車聯(lián)網(wǎng)中，這使得設(shè)計可靠性高、時延較低的路由算法，成為一項具有挑戰(zhàn)性的任務。

（2）數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線信號質(zhì)量不穩(wěn)定。在車聯(lián)網(wǎng)中，無線信號的質(zhì)量是不穩(wěn)定的，數(shù)據(jù)傳輸受到多種因素影響，包括天氣情況、實時道路狀況、路邊的建筑物、車輛相對速度等因素，導致信號質(zhì)量不穩(wěn)定，使得車輛之間的數(shù)據(jù)傳輸失敗。如何提高車聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β?，成為一個挑戰(zhàn)。

（3）在現(xiàn)實生活中，城市道路的車輛通常非常多，導致車輛網(wǎng)中的節(jié)點數(shù)量也可能非常多。因此，在車聯(lián)網(wǎng)中，車輛之間的數(shù)據(jù)傳輸可能會引發(fā)沖突。如何解決沖突，成為一個挑戰(zhàn)。

（4）在現(xiàn)實生活中，道路上的交通狀況，存在高峰路段和低峰路段，也存在高峰時刻和低峰時刻。因此，車流的密度在不同地點或不同時間，可能發(fā)生改變。此外，車輛的行駛方向，是由駕駛員控制的，存在自主性和不可預見性，有時候還會涉及隱私。這在一定程度上使得車聯(lián)網(wǎng)的算法設(shè)計變得困難。車聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸算法的設(shè)計，應該考慮這些因素，需要具有自適應性。

6 車聯(lián)網(wǎng)的研究綜述

近年來，車聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為國內(nèi)外研究學者的研究熱點，受到各行各業(yè)的越來越多人的關(guān)注。本小節(jié)，針對車聯(lián)網(wǎng)的單播路由算法，進行綜述。

在單播路由里，存在一個源車輛和一個目標車輛，路由算法考慮的是如何將數(shù)據(jù)從源車輛發(fā)送到目標車輛。路由算法是無線通信的基礎(chǔ)和關(guān)鍵點之一，在車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用。高效的路由算法，以高成功率、低延遲、低通信代價為指標，可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

車聯(lián)網(wǎng)的路由算法，可以分為以下七類：基于路段的路由、基于拓撲的路由、基于地理位置的路由、基于復制的路由、基于預測的路由、基于人工智能技術(shù)的路由、基于網(wǎng)絡編碼的路由。

（1）基于路段的路由。在基于路段的路由算法中，路由路徑都是由一條條路段來組成的。源車輛根據(jù)道路的電子地圖，從源車輛到目標車輛的所有路徑之中，選擇一條具有最小延遲的路徑，作為路由路徑來傳輸數(shù)據(jù)?；诼范蔚穆酚伤惴ò╒ADD[1]、TBD[2]、TSF[3]、SADV[4]等。

（2）基于拓撲的路由。文獻[5]提出車聯(lián)網(wǎng)中的一種基于交叉路口的路由算法，先應式建立與相鄰交叉路口間的多跳鏈路，在路由決策時，根據(jù)路段路況，優(yōu)先選擇車輛密度高的路徑，作為路由路徑。文獻[6]提出在穩(wěn)定的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)下，根據(jù)車輛的實時分布情況，采用改進后的果蠅優(yōu)化算法，尋找一條最短的、最優(yōu)的路由路徑，以提高車輛之間的數(shù)據(jù)傳輸效率。

（3）基于地理位置的路由。文獻[7]提出城市場景中的車輛網(wǎng)絡路由算法，將傳統(tǒng)的基于地理位置的路由算法，結(jié)合交通燈感知、交通實時路況、負載均衡等因素，以達到低延遲和高成功率的數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪繕恕?/p>

（4）基于復制的路由。在基于復制的路由算法中，對源車輛需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生多份拷貝，這些拷貝分發(fā)給車聯(lián)網(wǎng)的其他車輛，擁有數(shù)據(jù)拷貝的車輛如果遇到目標車輛，就發(fā)送數(shù)據(jù)給目標車輛，數(shù)據(jù)就可以發(fā)送成功?；趶椭频穆酚伤惴ǎㄈ齻€關(guān)鍵問題：如何確定一個數(shù)據(jù)的拷貝數(shù)量、如何將這些數(shù)據(jù)拷貝任務分發(fā)給其他車輛和如何發(fā)送這些數(shù)據(jù)拷貝給其他車輛。基于復制的路由算法，主要包括直接傳輸路由、傳染路由，以及Spray and Wait、Spray and Focus[8]。

（5）基于預測的路由。在基于預測的路由算法中，路由算法通過對路由指標的預測和估計，在進行路由時，選擇合適的節(jié)點來發(fā)送數(shù)據(jù)。通過分析出租車和公交車的歷史行駛數(shù)據(jù)，文獻[9]得出一輛車的行駛路線，在時間和空間上都存在一定的規(guī)律，從而根據(jù)馬爾可夫鏈，一輛車的未來行駛路線，可以通過這輛車的歷史行駛路線來估計和預測。通過對車輛未來行駛路線的估計和預測，計算車輛和車輛之間的相遇概率，進而推算出所有可能的數(shù)據(jù)發(fā)送方法的發(fā)送成功率，從而選擇出合適的數(shù)據(jù)發(fā)送方法，以提高發(fā)送成功率?；趯v史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，文獻[10]估計了一輛車和目標車輛之間的相遇概率，當一輛數(shù)據(jù)攜帶的車輛，與另一輛車相遇時，根據(jù)比較它們與目標車輛之間相遇概率的大小，來決定數(shù)據(jù)是否應該從數(shù)據(jù)攜帶車輛轉(zhuǎn)發(fā)到另一輛車。

（6）基于人工智能技術(shù)的路由。文獻[11]針對車輛網(wǎng)絡的一些特殊需求，在考慮無線信號強度、車輛移動性的參數(shù)、車輛之間距離等因素的情況下，提出一種車輛網(wǎng)絡中基于強化學習和模糊邏輯的路由算法。文獻[12]針對車輛密度稀疏情況下，存在傳輸?shù)缆分熊囕v連通不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸不可靠的問題，利用蟻群算法，研究一種車輛網(wǎng)絡中基于鏈路質(zhì)量的路由算法。

（7）基于網(wǎng)絡編碼的路由?；诰W(wǎng)絡編碼的路由，通過對數(shù)據(jù)進行網(wǎng)絡編碼來傳輸數(shù)據(jù)?；诰W(wǎng)絡編碼的路由，存在一個缺點，就是需要花費額外的時間和代價，對數(shù)據(jù)進行編碼和解碼。在考慮本地存儲容量，以及網(wǎng)絡容量等約束的情況下，文獻[13]提出了一種基于網(wǎng)絡編碼的車聯(lián)網(wǎng)路由算法，在減少數(shù)據(jù)傳輸延遲的同時，極大地降低通信代價。

7 結(jié)語

本文首先介紹車聯(lián)網(wǎng)的一些知識，接著對車聯(lián)網(wǎng)的研究內(nèi)容之一的路由算法，進行綜述。在不久的將來，車聯(lián)網(wǎng)將廣泛走進人們的生活中，給生活帶來更多便利。