基于“端—管—云”體系的車載自組織網絡關鍵技術

趙軍輝 ，陳燕 ，黃德昌 ，黃大成

（1.華東交通大學信息工程學院，江西 南昌310033；2.北京交通大學電子信息工程學院，北京100044；3.深圳市方格爾科技有限公司，廣東 深圳518057）

專題：車聯網技術與應用

基于“端—管—云”體系的車載自組織網絡關鍵技術

趙軍輝1，2，陳燕2，黃德昌1，黃大成3

（1.華東交通大學信息工程學院，江西 南昌310033；2.北京交通大學電子信息工程學院，北京100044；3.深圳市方格爾科技有限公司，廣東 深圳518057）

隨著道路擁堵等交通問題的日益嚴峻，智能交通系統成為解決當前交通問題的有效途徑。車載自組織網絡及車輛作為智能交通的重要組成部分也成為了當前的研究熱點。首先介紹了車聯網在國內外的發展歷史和現狀，然后分別從端系統、管系統、云系統3個方面對車聯網進行了分析研究，著重介紹了管系統中的V2V（vehicle to vehicle）和V2R（vehicle to roadside）兩種通信技術。此外，對于面向車聯網的交通云和大數據技術進行了概括介紹。最后，探討了車載自組織網絡的應用場景和未來發展趨勢。

車載自組織網絡；通信技術；“端—管—云”體系

1 引言

近幾年來，隨著互聯網到物聯網等信息領域的新一輪變革，車聯網成為物聯網與智能化汽車領域交集的新興產物［1］。車輛保有量的快速增長雖然給人們生活帶來了極大便利，但同時也帶來了交通阻塞與交通安全等問題，智能交通作為解決交通問題的重要手段，已成為各個國家和地區的重要研究內容，作為物聯網技術在智能交通中的應用，車聯網是最容易形成系統標準、最具備產業潛力的應用之一［2-4］。

車聯網是指應用傳感技術、通信網絡技術、智能控制技術、交通云技術等，有機地將人、車以及交通道路管理體系融合起來，形成一種實時、智能、安全、高效的綜合交通管理系統，是一種特殊的無線傳感器網絡［5］。Ad Hoc（自組織）網絡是一種無網絡基礎設施的網絡，是移動通信與計算機網絡結合的產物。隨著無線通信網絡的快速發展，Ad Hoc網絡也發展迅速。自組織網絡沒有固定的基礎設施和路由器，節點都是移動的，可以通過多跳轉發的方式與通信范圍以外的節點進行通信［6］。車聯網是自組織網絡在智能交通領域的一種特殊應用，又被稱為VANET（vehicular Ad Hoc network，車載自組織網絡），車載自組織網絡主要用來表示以車輛間通信為場景的自組織網絡，能夠依靠 DSRC（dedicated short range communication，專用短程通信）技術等通信技術實現車輛與車輛之間、車輛與路邊節點之間、車輛與行人之間的通信。車聯網結合了全球衛星定位系統和無線通信技術，衛星通信可以為VANET提供全球定位服務和數字多媒體服務［7］。車輛上的電子設備可以通過無線技術收集車輛、道路、環境信息，在信息網絡平臺上對所有車輛的屬性信息和動態、靜態信息進行提取和有效利用，并根據不同的功能需求對所有車輛的運行狀態進行有效的監管，同時為所有車輛提供綜合服務［1］。圖1為車聯網通信網絡結構示意。

2 國內外研究現狀

早在1989年，為改善美國公路交通擁堵問題，美國就提出 IVHS（intelligent vehicle highway system，智能化汽車高速公路系統）項目，到1997年此項目改名為ITS（intelligent transportation system，智 能 化 交 通 系 統 ）［8］。2003年，美國交通部發布VII車路協同系統項目，并開始探索新興的無線及計算機技術在該領域的應用潛力。2008年美國啟動SafeTrip-21項目，旨在通過目前的車聯網技術實現更安全、快捷、高效的出行。2011年，美國交通部將IntelliDrive項目改名為CVR（connected vehicle research，智能互聯汽車研究），2015年美國公布“智能交通戰略研究計劃（2015-2019）”，美國交通部主導的 CVR項目將主要精力放在車聯網系統的本地化推進及大規模 商 用 化 上［9］。

圖1 車聯網通信網絡結構示意

歐盟從1986年起實施PROMETHEUS（programme for European traffic with highest efficiency and unprecedented safety，歐洲高效安全交通）項目，該項目對于車輛及道路的信息技術和移動通信技術的研究與發展有極大的推進作用；2000年9月，歐盟發布KAREN （key stone architecture required for European network，歐洲運輸網絡體系結構）項目，針對道路交通系統構成ITS體系框架；2014年，歐盟標準化機構根據歐委會要求完成車輛信息互聯基本標準的制訂；目前歐洲各國正進行Telemetric的全面應用開 發 工 作［10］。

日本于20世紀90年代開始ITS計劃，經過幾十年的發展，日本成為全球車聯網最發達的國家之一。于1996年提供信息服務的 VICS（vehicle information and communication system，道路交通信息通信系統）能夠將道路擁擠、交通限制等道路交通信息即時地發送給車載導航終端。2013年底，裝有 VICS 的車輛已超過 3 000 萬輛［11］。

我國自20世紀90年代后期開始學習和研究車聯網的關鍵技術，起步較晚。隨著交通問題的日益嚴峻，中國加快了對車聯網關鍵技術的研究步伐，2002年9月國家啟動對智能交通發展戰略的研究，并計劃2020年實現人、車、路之間穩定、和諧的智能型整體，全面建成通暢、便捷、安全、經濟、可持續發展的智能型綜合交通體系［12］。“十三五”期間，智能交通的研究仍是我國交通科技領域重點支持和發展的戰略方向，綜合交通智能化協同與服務、交通運輸系統安全運行智能化保障、合作式智能交通和自動駕駛、智能交通的特殊要求推動信息技術發展、智能交通系統技術體系和標準化體系的完善、智能交通產業生態圈的跨界融合將成為智能交通的重點［13］。

2010年，通用汽車公司舉行了“直達2030”可持續交通系列論壇的第二場論壇“車聯網——網聯城市智能交通”。通過車輛收集、處理和共享大量行車信息，實現車車、車人、車路網絡的互相連結，從而實現更環保、更安全、更智能的駕駛。2016年的上海世界移動大會在新國際博覽中心舉行，寶馬公司推出了mobility mirror這一概念產品，其通過開放式移動云連接個人數據、智能設備和數字服務，駕駛者可通過連接開放式移動云獲得交通信息、天氣狀況等各種行車信息。另外寶馬的車型已經采用了部分自動駕駛的某些重要功能，例如碰撞預警系統、車道偏離警示系統、主動巡航系統等［14］。

綜上所述，VANET的研究在發達國家和地區已經得到了一定的發展，而我國對于VANET的研究還處于探索階段，適合我國國情、解決我國交通問題的完整VANET體系架構和標準還沒有形成。早在2007年，華為提出“端—管—云”戰略，這正是VANET的核心技術架構［15］。本文將以此架構為中心對車聯網中的關鍵通信技術進行概述。

3 車載自組織網絡的體系架構

從網絡上看，可以認為VANET系統是一個“端—管—云”三層體系，包括端系統、管系統、云系統3個部分。

3.1 第一層端系統

端系統是汽車的智能傳感器，主要通過信息采集設備和數據處理設備等采集和獲取車輛的行車信息，感知車輛的行車狀態和行車環境。車聯網中的智能終端系統是能夠進行車內通信、車間通信、車網通信的泛在通信終 端［16］。

車載網智能終端系統包括硬件組成和軟件部分。硬件組成有語音模塊接口電路、GPS定位模塊接口電路、液晶屏模塊接口電路等，參考文獻［17］指出語音識別系統的目的是提供通信鏈接，便于設備和人之間的溝通以及可能性應用的進一步發展，首先概述了語音識別在交通環境的功能性和可用性。語音識別主要應用于4個方面：不用手也可以使用移動終端設備；利用聲音進行導航；車載應用切換；語音控制車輛系統。其次分析了在交通環境中使用智能終端的語音識別系統的可能性。參考文獻［18］中設計了一種基于ARM和Linux的嵌入式車載GPS系統，為改善GPS定位的盲區和精度問題，采用嵌入式系統進行GPS信號的采集，并使用了DR（dead-reckoning，航位推算）算法，改善了GPS在盲區采集信號不足的缺點。現場測試表明，該嵌入式的車載GPS智能終端系統能夠提高車輛定位精度，獲取較精確的車輛行駛信息。嵌入式的車載終端軟件、遠程監控軟件與服務器端的軟件是構成系統軟件的三大主要組成部分。嵌入式車載終端將硬件設備采集到的行車信息上傳給遠程監控中心，數據經過處理之后由服務器進 行 相 關 指 令 操 作［19］。

3.2 第二層管系統

管系統解決V2X（vehicle to X）通信的實現問題，能夠保證VANET與多種異構網絡之間的通信［16］。車載自組織網絡中的通信方式主要分為兩類：V2V（vehicletovehicle，車對車）通信和V2R（vehicle to roadside，車對路側單元）通信。

（1）V2V 通信

V2V通信，即車車通信，通過V2V通信，車輛之間可以進行車輛位置、車輛速度、車輛方向與行車路線等的信息交換，通過V2V技術，駕駛員可以根據周圍路況、盲區車輛等信息有效避免汽車碰撞事故的發生。

使用V2V通信的交通安全應用必須能夠進行可靠的實時通信，為滿足V2V通信應用的最低接入時限，能夠及時可預測地進行信道接入是一個車間通信的重要問題。由于傳統 IEEE 802.11中的 CSMA（carrier sense multiple access，載波監聽多址接入）技術的不可預測性，CSMA不適合實時車車通信的數據傳輸，參考文獻［20］設計了一種STDMA（self-organizing time division multiple access，自組織時分多址接入）算法機制用于實時車車通信，仿真結果證明STDMA算法在數據分組丟失率以及傳輸時延等方面的性能要優于CSMA算法。

車載自組織網絡中，車輛行駛速度較高、位置多變，行車過程中會遇到建筑物等的阻擋造成通信障礙。由于車輛的高速移動特性、行車環境的動態性以及車輛和路側單元的通信天線相對較低等特性，造成車輛的信息傳輸以及信道建模面臨較大挑戰。參考文獻［21］對現有的多種行車環境下的 V2V、V2I（vehicle to infrastructure，車對基礎設施）傳播信道的研究現狀進行了綜合分析，不同通信方式下時延傳播和多普勒頻移等信道特性對系統設計的影響也不同。參考文獻［22］為評估協議和應用針對模型的可用性對相關車輛傳播和信道模型進行了分類。可用性的評價指標是能夠實現復雜度、可擴展性以及地理數據的輸入要求等。研究者指出，LOS（line of sight，視距）條件是影響 V2V傳播信道的一個關鍵因素，并對通過5G系統與V2X通信的結合使用進行信道建模的可能性進行了討論。并且，隨著5G移動通信技術的飛速發展，5G移動通信將會融合多業務多技術，實現高效、安全的信息傳輸和處理，促進車聯網的研究走向成熟［23］。

V2V通信技術存在傳輸距離短、信息處理時延等問題，為解決這些問題，參考文獻［24］運用數學建模思想與車載自組織網絡通信結合，將車車通信、車路通信、車人通信以及控制主干網絡有效互聯，提出一種綜合V2X技術，路段附近的行人以及路側交通單元都可以將交通狀況以及車輛運行狀態信息等發送給駕駛員，從而有效避免擁堵、提高行車安全。

（2）V2R 通信

V2R通信，即車路通信，通過V2R通信，車輛可以獲取實時道路安全信息［25］。車與路側單元通信的特點主要有3個：路側單元只在其覆蓋范圍內進行廣播；車輛和路側單元可通過一跳進行連接通信；路側單元能快速、準確地探測交通狀況并對交通信息進行處理，發送給車輛。但是車輛的高速移動特性，導致網絡拓撲多變，車輛與路邊基礎設施的連接不能持久，所以路側單元的部署與接入、選擇與切換以及路側單元的內容分發問題是V2R通信需要研究的關鍵問題。參考文獻［26］對V2R通信中存在的問題與研究成果進行了闡述，還將博弈論方法運用于V2R通信問題的解決中，能有效改善通信質量，提高車路通信的效率和協作能力。

V2R通信中為提高車路通信的連通性主要有3種方法：提高基站的發射功率或無線覆蓋范圍；建設更多的基站；允許用多次轉發的通信方式。設定最大跳數為K跳。第1種和第2種方法消耗能量高、成本大，一般選擇第3種多跳轉發的方式。參考文獻［27］提出一種基于基礎設施的多跳中繼模型，在圓（unitdisk）模型和對數正態陰影衰落（log-normal shadow communication）模型中分別就上行鏈路和下行鏈路的連通概率與基站密度、車輛密度、車輛無線通信范圍和最大跳數的關系進行分析。

基于基礎設施的多跳上行鏈路的連接概率計算式是：

基于基礎設施的多跳下行鏈路的連接概率計算式是：

其中，K是鏈路連接的跳數，L是基站之間的距離，單位為m，ρ是車輛密度，即單位距離的車輛數量。是指基站是車輛的k跳鄰居節點的概率，是指車輛是基站的k跳鄰居節點的概率，計算式分別為：

Γ是指一個積分區域。根據式（1），可以得到圓模型下車輛上行連接概率和基站間距以及跳數之間的關系，如圖2所示，當基站間距由1 000 m變化到6 000 m時，不同的跳數下上行連接概率不同，跳數越多，相同基站距離下連接概率越大。圖3為不同基站間距和跳數下的下行鏈路連接概率，車輛密度為0.035輛車／m，實驗結果證明，即使基站密度降低，跳數增加也可以使連通概率越高，可以看出，通過多跳通信的方式可以大大提高車路通信的連通概率。

［28］考慮了 Rayleigh（瑞利）、Rician（萊斯）以及Weibull（韋布爾）分布這3種不同信道衰落環境下的車輛連接概率，考慮到車輛之間通信距離的不同，信道衰減模型也不同：當發送車輛與接收車輛間距小于5 m時，衰落服從萊斯分布；距離更大時衰落服從瑞利分布；當發送車輛與接收車輛距離超過70 m時，使用韋布爾分布來描述衰落更加準確。

圖2 不同基站間距和跳數下的上行鏈路連接概率

圖3 不同基站間距和跳數下的下行鏈路連接概率

車載自組織網絡中V2V和V2R通信模式的現有通信技術比較分別見表 1 和表 2［29-31］。

3.3 第三層云系統和大數據

表1 V2V通信模式的現有通信技術比較

表2 V2R通信模式的現有通信技術比較

車聯網是一個云架構的車輛運行信息平臺，車聯網行業可以與汽車制造商、IT和通信行業、車載終端企業和電信運營商、移動互聯網行業等結合起來，未來車聯網將發展成為一個跨行業的大規模產業和市場，云平臺則是實現大規模車聯網的服務核心［16］。參考文獻［32］提出“智能交通云”的概念，將云計算服務商提供的服務應用于智能交通系統子系統的計算設備層，利用云計算來服務于智能交通系統中心提供的各種應用，為提高交通安全，更好地向駕駛者提供交通服務。參考文獻［33］提出一種新的基于車聯網的云計算模型：VANET-cloud。通過在車輛上裝載計算機設備，將傳統的基于服務器和工作站的云基礎設施拓展到車輛上，因此駕駛者不僅可以通過固定節點獲取計算資源，也可以通過車輛這種移動節點來獲取信息。VANET-cloud分為永久云和臨時云，永久云模型由傳統云基礎設施構成，臨時云模型由車載計算機以及移動設備組成。該模型能滿足車輛駕駛者在行車過程中的數據計算需求。

大數據與云計算密不可分，大數據是指海量數據集，它開啟了數據開發與利用的新時代［34］。如何快速地調度和利用車輛智能傳感器收集到的汽車信息、車主訴求、行車環境等數據是一個重要的問題，所以車聯網還需要非常高效的大數據處理能力。大數據技術的實時性、分布性、高效性以及預測性的特點，使得大數據技術在智能交通領域發揮著重要的作用。利用大數據技術，能夠提高交通運行效率、提高交通安全水平，利用大數據的快速信息處理能力能夠對交通動態實時監測，有效減輕城市交通擁堵、降低汽車排放，這對環境監測方面也有重要的促進作用［35］。參考文獻［36］在交通數據量大且異構源多，實時性要求強，數據處理速度快的特點和交通應用需求的基礎上，構建了4層結構的交通大數據處理體系框架，4層結構分別為：數據源層、數據處理層、知識層以及應用層，并分別從這4個方面論述該系統架構的主要研究內容和研究理論基礎，為大數據異構信息融合技術的研究以及智慧交通構建智慧城市的研究提供了理論研究基礎。

4 結束語

車聯網作為智慧城市建設的重要組成部分，已經引起政府、企業以及各研究機構的重視。利用車車互聯、車路連接、人車通信的方式實現更加智能、更加安全的駕駛，從而構建互通互聯的智能交通系統是車聯網的最終目的。目前車聯網中的通信技術廣泛應用在電子道路收費、交通疏導、駕駛輔助等方面，利用先進的衛星通信系統，還能實現更加準確的車輛定位，這對于交通應急救援、建立高效準確的智能交通誘導系統有重要的現實意義。隨著5G等通信技術的發展，如何利用無線通信技術處理車聯網中網絡拓撲不穩定帶來的傳輸質量差等問題是值得繼續研究和探討的重要課題。

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Key technology of VANET in terminal-management-cloud model

ZHAO Junhui1，2，CHEN Yan2，HUANG Dechang1，HUANG Dacheng3
1.School of Information Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 310033，China 2.School of Electronic and Information Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China 3.Fangle Technology Company，Shenzhen 518057，China

With the increasing of traffic problems，such as traffic congestion，intelligent transportation system （ITS）becomes an effective way to solve the increasing transportation issues of the current traffic.Vehicular Ad Hoc networks （VANET）and vehicles as important parts of ITS have become focus of current research.Firstly，the development history and current situation of VANET both at home and abroad were introduced，and then VANET from the terminal system，management system，cloud system were analyzed respectively.Then，the V2V and V2R communication technologies of terminal system were introduced emphatically.In addition，VANET oriented traffic cloud and big data technology were outlined.Finally，application scenarios and the future development of communication technologies in VANET were discussed.

vehicular Ad Hoc network，communication technology，terminal-management-cloud model

s： The National Natural Science Foundation of China （No.61471031），Science and Technology Project of Jiangxi Provincial Transport Bureau （No.2016D0037）

TN929.5

A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016225

2016-07-10；

2016-08-15

國家自然科學基金資助項目（No.61471031）；江西省交通廳科研基金資助項目（No.2016D0037）

趙軍輝（1973-），男，博士，華東交通大學、北京交通大學教授、博士生導師，主要研究方向為車聯網中的無線通信技術、無線和移動通信（MIMO、OFDM、CDMA、合作通信、中繼和認知無線電）、射頻識別（定位技術、防碰撞技術和安全協議）和應用開發（停車場管理系統、嵌入式車載防盜系統和GPS導航系統開發）等。

陳燕（1993-），女，北京交通大學電子信息工程學院碩士生，主要研究方向為車聯網中的無線通信。

黃德昌（1983-），男，華東交通大學信息工程學院中級實驗師，主要研究方向為編碼技術、通信系統。

黃大成（1971-），男，深圳市方格爾科技有限公司副總經理，長期從事無線通信設備的研發和管理工作，目前主要從事停車場管理系統及智能交通系統的開發工作。