面向交通狀況智能監測的泛在互聯車聯網研究*

鄭金兵，李科峰，趙小超，鄭明才

（1.中國電子科技集團第48研究所，湖南 長沙 410111；2.湖南第一師范學院 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410205）

0 引 言

交通狀況智能監測為交通信息化服務提供泛在感知數據,是交通信息化服務的重要組成部分。隨著機動車輛數量和道路交通里程量急劇增加，交通基礎設施逐步完善，交通運輸系統覆蓋區域越來越廣，用戶在交通車輛上的時間逐漸增多，交通運輸狀況越來越復雜，道路狀況、交通阻塞、運輸安全、事故救援和出行效率等成為人們普遍關注的問題。如何及時掌握交通狀況信息、預防交通事故隱患、提高交通運輸效率和出行效率等，已成為交通運輸領域急需解決的問題。同時，隨著交通設施的逐漸完善和路邊基礎設施和車載電子設備信息服務功能的逐漸豐富，為進一步提高交通信息化服務水平打下了良好基礎，使得充分利用交通運輸設施自身條件實現交通狀況智能監測成為可能。交通車輛和交通基礎設施的發展不僅使交通運輸領域內的泛在信息感知成為可能，也使泛在信息傳送成為可能，車聯網（Internet of Vehicles，IoV）應運而生。泛在互聯的交通車輛和基礎設施將具有強大的泛在信息感知、處理、傳輸和應用等潛能，具有廣泛的應用前景。因此，開展交通車輛和交通基礎設施與公用通信網絡的泛在互聯研究具有重要意義。

1 相關工作

車聯網[1]是車輛自組織網絡(Vehicular Ad hoc Network，VANET)[2]與無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）[3]相結合并與公用通信網絡[4]互聯的產物，國內外研究機構研發了若干具有代表性的小規模專用車聯網[5]。對車聯網的研究則主要集中在車聯網的體系結構[6]、車輛節點移動特征及策略[7-8]和車內無線傳感器網絡[9]等方面。除此以外，也有研究關注于車聯網的網絡拓撲結構和路由問題[10]。如何有效地在車輛-車輛及車輛-交通基礎設施間傳送感知數據是研究者關注的熱點[11]。隨著車輛自組織網絡、小規模車聯網應用的逐漸展開，其隨時、隨地接入公用通信網絡的需求日益迫切，由此引發了互聯車聯網[12]的研究熱潮。本文根據現有公用通信網絡基礎設施情況，以及交通運輸車輛和交通基礎設施的覆蓋區域與分布情況，研究面向交通狀況智能監測的泛在互聯車聯網，提出了一種面向交通狀況智能監測的泛在互聯車聯網體系結構和泛在感知數據的高效智能路由策略，以為為交通狀況信息的泛在感知、泛在傳送、泛在融合以及泛在應用等提供高效支撐。

2 公用通信網絡和交通基礎設施情況

2.1 公用通信網絡情況

在社會對通信網絡泛在互聯互通需求的推動下，公用通信網絡得到迅猛發展，覆蓋區域不斷擴大，信息傳送速率不斷提升。公用通信網絡主要包含Internet、移動（蜂窩）通信網絡和衛星通信網絡等。其中，Internet已基本覆蓋具有常住人口的區域，移動（蜂窩）通信網絡已基本覆蓋有人活動的區域，衛星通信網絡已基本覆蓋全球。相對于泛在感知，泛在信息傳送途徑已基本具備，但城區、郊區、偏遠地區等發達程度不同區域的網絡覆蓋情況和網絡接入難易程度差別較大，通過公用通信網絡進行泛在信息傳送的成本還遠未達到低廉，尤其是偏遠地區的信息接入和傳送成本還相對較高。因此，高性價比的泛在信息傳送方案有待進一步優化設計。僅僅依靠公用通信網絡實現感知節點的泛在互聯互通還遠遠不夠，有必要充分利用交通車輛和交通基礎設施自身的互聯互通和信息傳送潛能。

2.2 交通車輛和交通基礎設施情況

近年來，交通路網的覆蓋密度、覆蓋廣度和里程數等急劇增加，路邊基礎設施建設不斷加強，交通車輛和交通基礎設施的信息傳送功能不斷完善。同時，交通車輛的數量和出行頻度也急劇增加，在給出行帶來便利的同時，相關的社會問題和矛盾也日益凸顯，其中車與路、車與環境、車與行人之間的矛盾日益突出，不斷提出新的交通狀況信息泛在感知和泛在傳送的需求。交通運輸系統的發展和漫延給交通狀況的泛在信息感知、泛在信息傳送、泛在信息應用奠定了較好基礎，其中泛在信息傳送是瓶頸，可通過構建泛在互聯車聯網加以解決。交通運輸系統的發展同樣存在不平衡，城區、郊區、偏遠地區差異較大，泛在互聯車聯網的構建不僅需因地制宜，挖掘潛能，還應利用一切可用互聯途徑以擴大泛在互聯車聯網的規模，提高信息傳送的健壯性。

3 泛在互聯車聯網網絡結構

高效可靠的泛在互聯車聯網網絡結構是交通狀況智能監測信息泛在感知、傳送、應用的關鍵。它不僅涉及車聯網節點向公用通信網絡的高效可靠接入，還涉及車聯網節點的自組織協作、泛在信息傳送成本和信息傳送服務質量（Quality of Service，QoS）等問題。泛在互聯車聯網網絡結構的構建應有利于交通狀況智能監測信息高效、低成本、可靠、及時地傳送到交通狀況智能監測中心。

3.1 泛在互聯車聯網通信鏈路情況

車聯網節點分為路邊節點（Roadside node）和車輛節點（Vehicle node）。路邊節點安裝在路邊基礎設施中，位置相對固定，接入公用通信網絡相對方便，可用有線方式和/或無線方式與公用通信網絡互聯，如通過有線或WLAN與Internet互聯、通過無線與衛星通信網絡互聯、通過無線與蜂窩移動通信網絡互聯等。車輛節點由各類交通車輛攜帶，位置不固定，只能通過無線方式與公用通信網絡互聯，如與衛星通信網絡、WLAN網絡、移動（蜂窩）通信網絡等互聯。無法直接與公用通信網絡互聯的車聯網節點通過車聯網內其他節點（路邊節點或車輛節點）以協作自組織網絡的方式互聯。各地理區域內的局部車聯網通過接入公用通信網絡，最終由Internet互聯為規模巨大的泛在互聯車聯網。泛在互聯車聯網中的節點及節點間的通信鏈路情況如圖1所示。

圖1 泛在互聯車聯網節點及通信鏈路情況

3.2 泛在互聯車聯網邏輯拓撲結構

交通狀況智能監測數據種類繁多、數據量大，且相關感知數據的空間冗余度和時間冗余度往往非常大，導致海量感知數據的含金量可能不高，直接傳送時相對成本高，適宜先融合后傳送。為便于交通狀況智能監測數據的泛在融合以降低數據傳送成本，面向交通狀況智能監測的泛在互聯車聯網采用如圖2所示的邏輯拓撲結構。

面向交通狀況智能監測的泛在互聯車聯網的邏輯拓撲結構分為公用通信網絡、接入網絡和感知網絡三個層次。公用通信網絡為已有網絡基礎設施，包含Internet、移動通信網絡和衛星通信網絡。因路邊節點的網絡接口資源和信息處理資源可以相對豐富，可將路邊節點作為交通狀況智能監測數據的數據融合節點。各感知節點采集的交通狀況智能監測數據先匯聚到路邊節點，經路邊節點進行數據融合后接入公用通信網絡，由公用通信網絡送至交通狀況智能監測中心。因此，由路邊節點組成接入網絡。交通狀況信息的感知主要由車聯網節點實施，因此由車聯自組織網絡作為感知網絡。

圖2 泛在互聯車聯網邏輯拓撲結構

3.3 車聯網節點自組織互聯和協作

考慮到偏遠地區的車聯網節點接入公用通信網絡的途徑尚不順暢，接入公用通信網絡的費用問題，以及任意時間、任意地點、任意節點泛在感知和泛在互聯互通、感知數據泛在融合的需求，將車輛節點和路邊節點通過專用短程通信鏈路（Dedicated Short Range Communications，DSRC）以協作方式互聯互通形成自組網絡。不僅可充分利用車聯網節點的協同傳送能力，還可充分利用運動車輛自身對信息的捎帶能力。考慮到路邊節點豐富的連網能力和數據融合能力，以及交通狀況智能監測信息傳送的方向性特點，車聯網節點在構建自組織網絡時，車輛節點優先與朝向監測中心的車輛節點或路邊節點互聯，且以朝向監測中心的最近路邊節點為自組網局部區域（即分簇）的核心（簇首），以便交通狀況智能監測信息優先匯聚至路邊節點進行數據融合，并通過路邊節點接入公用通信網絡。同時，路邊節點也優先與朝向監測中心的鄰簇內的路邊節點或車輛節點互聯，以確保節點間和分簇間的多途徑泛在互聯。面向交通狀況智能監測信息泛在高效傳送的車聯自組網拓撲結構如圖3所示，其中節點R1～R7為路邊節點，其余節點為車輛節點。車輛節點以朝向監測中心的最近路邊節點為簇首節點形成一個個分簇，各分簇由簇首節點與朝向監測中心的鄰簇內的車輛節點或路邊節點互聯，形成一個覆蓋區域不斷擴大的車聯自組網絡，最后通過具有接入功能的路邊節點接入公用通信網絡形成規模巨大的泛在互聯車聯網。

圖3 車聯自組網拓撲結構

4 交通狀況智能監測信息智能路由

交通狀況智能監測信息種類繁多、數據量差異大、服務質量要求各異，需區別處理；交通狀況智能監測信息因不同地理區域、不同時段的網絡環境狀況及傳送成本不同，監測信息傳送路由需實時進行智能選擇。交通狀況智能監測感知數據在傳送到監測中心前，考慮到傳送成本、可靠性以及實時性等要求，感知節點應對感知數據進行業務分類，同時確定與業務分類相對應的QoS要求，并在數據包中放入感知數據分類標記和QoS標記；感知數據轉發節點應對其可接入的網絡進行傳送成本、性能評估，并根據感知數據類型和QoS要求進行智能路由決策，分門別類地選用合適的接入網絡和接入時間。

4.1 車聯網節點協議軟件邏輯結構

在面向交通狀況智能監測應用的泛在互聯車聯網邏輯拓撲結構中，感知數據首先匯聚到路邊節點，由路邊節點接入公用通信網絡或在車聯自組網絡中朝向交通狀況智能監測中心定向擴散。路邊節點應具有較為完備的智能路由能力。為配合智能路由的實施，路邊節點轉發交通狀況智能監測數據的協議軟件結構如圖4（a）所示。

在面向交通狀況智能監測應用的泛在互聯車聯網中，車輛節點和路邊節點均可具有交通狀況信息感知能力。為便于感知數據的網內融合，車輛節點的感知數據不直接接入公用通信網絡，而是在車聯自組網中以多跳定向擴散方式匯聚至相應路邊節點，經路邊節點進行數據融合后接入公用通信網絡或繼續定向擴散。車輛節點的路由采用多跳定向擴散路由，其協議軟件結構如圖4（b）所示。

圖4 車聯網節點協議軟件邏輯結構

4.2 泛在互聯車聯網邏輯拓撲結構建立

面向交通狀況智能監測的泛在互聯車聯網邏輯拓撲結構的建立，由交通狀況智能監測中心啟動。監測中心根據具體監測任務類型和檢測區域等，確定車聯網節點可以接入的公用通信網絡接入節點，并向公用通信網絡內的交通狀況智能監測信息接入節點分發任務。監測信息接入節點收到監測中心分發的任務后，以flooding方式向車聯網節點轉發任務，并在任務分組中攜帶接入節點所在公用通信網絡類型和網絡目前狀況、費用參數，以供車聯網節點匯聚交通狀況智能監測信息時參考。車聯網中的節點收到任務分組后記錄相關信息，且由路邊節點以多跳定向擴散方式轉發任務分組，并按如下規則建立泛在互聯車聯網的邏輯拓撲結構。

（1）車輛節點收到接入節點的任務分組后，記錄接入節點信息并啟動相關任務，但不轉發任務分組。

（2）路邊節點收到接入節點的任務分組后，記錄接入節點信息并啟動相關任務，且轉發任務分組。

（3）路邊節點收到路邊節點轉發的任務分組后，若為新收到任務分組，則轉發任務分組，不記錄接入節點信息；若不是新任務分組，則不作處理。

（4）車輛節點新收到路邊節點的任務分組后，記錄路邊節點信息，轉發任務分組。

（5）車輛節點收到車輛節點轉發的任務分組后，記錄路邊節點信息，轉發任務分組。

通過按上述規則運行后，即可建立如圖3所示的以具有接入公用通信網絡功能的路邊節點為網關節點的車聯自組網拓撲結構，從而通過具有接入能力的路邊節點與公用通信網絡的互聯，建立了如圖2所示的泛在互聯車聯網邏輯拓撲結構。

4.3 交通狀況智能感知數據匯聚的智能路由

車輛節點和路邊節點感知或轉發的交通狀況智能監測數據按如下路由規則匯聚到交通狀況智能監測中心。

（1）車輛節點以多跳定向擴散的方式在車聯自組網內轉發。

（2）路邊節點根據感知數據或轉發數據的業務類型和與其互聯的網絡性價比情況，決定其轉發交通狀況感知數據分組的傳送方式。若選擇直接傳入公用通信網絡，則以點對點的方式送入公用通信網絡；若選擇不直接傳入公用通信網絡，則以多跳定向擴散的方式在車聯自組網內轉發。

（3）如果車輛節點或路邊節點上的交通狀況數據分組暫無路由途徑，則借助運動車輛節點自身的捎帶能力，擇機傳送或轉發。

交通狀況智能監測數據智能傳送路由示例，如圖5所示。

圖5 交通狀況智能監測數據傳送路由

車輛節點V1上的感知數據在其分簇內以多跳定向擴散方式匯聚至其簇首R7；無接入能力的R7將感知數據經R6所在分簇的車輛節點轉發至簇首R6；無接入能力的R6將感知數據經R4所在分簇的車輛節點轉發至簇首R4；無接入能力的R4將感知數據經R1所在分簇的車輛節點轉發至簇首R1；有接入能力的R1與公用通信網絡互聯，將感知數據接入公用通信網絡，由公用通信網絡將交通狀況智能監測感知數據傳至交通狀況智能監測中心。

5 結 語

交通狀況智能監測信息的傳送可能存在多種途徑，但不同傳送路徑的性價比、QoS、實時性等可能不一樣，而不同感知數據類型對傳送性價比、QoS、實時性等的敏感程度可能各不相同。為優選傳送路徑，要求車聯網節點具有的智能性較強，應具有感知數據業務分類評估、網絡性能及性價比評估、網內數據融合等能力，并根據評估結果進行智能路由，以最大化泛在信息傳送的性價比。為保證泛在互聯車聯網的泛在數據融合和智能路由優化的可操作性，各評估項目的評估結果描述方法、路由優化策略、泛在數據融合策略等需要結合具體業務進一步深入研究，這將是后續的工作內容。