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车载物联网技术探讨

木马童年 2018-9-15 17:10 8 0

1车载物联网概念 车载物联网是一项新兴技术,可以大幅提高未来交通系统的安全和效率,并将车辆连接到计算机网络。车载物联网能够在行驶中的车辆之间建立无线通信,也能够在过路车辆和路边基站之间建立无线通信。利 ...

1车载物联网概念

车载物联网是一项新兴技术,可以大幅提高未来交通系统的安全和效率,并将车辆连接到计算机网络。车载物联网能够在行驶中的车辆之间建立无线通信,也能够在过路车辆和路边基站之间建立无线通信。利用多跳转发的方式,车载网络能够让两个在信号范围之外的车辆也建立通信连接。车载网络将成为未来智能交通系统的重要组成部分。

当前的智能交通系统严重依赖于预先部署的基础设施。例如,嵌入路面的电磁感应器,部署在主要道路交叉口的交通摄像头,高速公路收费口安装的射频标签(RFID)读取器。通常,一个收集和发布交通信息的典型过程如下:首先,路面传感器对车流的速度、密度进行检测,然后上传到城市交通中心。经过数据处理之后,流量报告可以通过蜂窝网络传递到用户的手机。这样来传播与位置相关的信息是一个昂贵和低效的方式,因为通常信息源和信息消费者的实际距离只有几百米远。

车载网络的短距离通信能力将会改变这种传统的智能交通系统的通信模式,以更直接的方式帮助信息的产生、传播和消费。

本质上车载物联网是一个巨大的无线传感器网络。每一辆汽车都可以被视为一个超级传感器节点。通常一辆汽车装备有内部和外部温度计、亮度传感器、一个或多个摄像头、麦克风、超声波雷达,以及许多其他装备。此外,未来的汽车将配备一个车载计算机、GPS定位仪和无线收发装置。这使得汽车之间,以及汽车和路边基站之间能够无线通信。这种前所未有的无线传感器网络扩展了计算机系统对整个世界的感知与控制能力,并可以让信息在本地产生和共享,不必涉及庞大的基础设施。

未来的汽车和车载网络为人们提供了一系列应用。车载网络的应用可分为4个类别。

(1)安全应用:安全应用包括碰撞预警、电子路牌、红绿灯警告、网上车辆诊断、道路湿滑检测等。通常这类应用利用短距离通信实时性的特点来为司机提供即时警告。

(2)效率应用:效率应用包括城市交通管理、交通拥塞检测、路径规划、公路收费、公共交通管理等。这类应用致力于改善公众和个人的出行效率。

(3)商业应用:商业应用包括基于位置的服务,将带给人们巨大的商机。这些商业应用的种类繁多,如,最近的餐馆、最便宜的加油站、商场促销信息等。这些可能的商业应用将为服务业带来新的竞争手段。

(4)信息娱乐应用:信息娱乐应用包括视频和音乐共享、基于位置的餐厅评论、拼车、社交网络等。实际上,信息娱乐的一些应用,如福特SYNC[1]和起亚UVO,已成为当前汽车市场的一个引人注目的亮点。信息娱乐系统的网络化将是必然趋势。

在车载网络的发展过程中,有4类参与者将起到积极的作用。4类参与者为政府、汽车制造商、本地零售商和消费者。传统智能交通系统由各国政府主导进行投资和实施,其他少数几个地理信息系统(GIS)公司,如谷歌、Garmin、TomTom等公司也参与了交通信息的采集和发布。然而,未来的车载网络将吸引更多的参与者,并使他们从车载网络中获取巨大的商业利润。首先,汽车制造商将很乐于开发装备车载网络的汽车,这将增强汽车的安全性,并提供更丰富的车内娱乐系统,从而进一步提高其汽车的竞争力。汽车电子化是一种必然趋势,安全系统和信息娱乐系统的电子化是进程的两个主要方面。福特SYNC车载信息娱乐系统是一个非常成功的例子。其次,本地零售商及服务商也将非常感兴趣,车载网络将十分方便地传播他们的促销信息以及推广他们的服务。车载网络会带来激烈的商业竞争。最后,毫无疑问,这些增强的安全性、提高的效率、价廉物美的商品、丰富的娱乐应用等将吸引更多的消费者,并使他们成为最终受益人。

2车载物联网无线通信技术

无线个人局域网(WPAN)在消费电子产品(包括汽车电子产品)领域取得了巨大成功。福特的SYNC是一个很好的例子。它通过蓝牙技术将司机的手机连接到汽车的音响系统,因而司机可以在行驶中通过语音命令播放音乐或拨打电话。由于大规模生产降低了成本,802.11a/b/g无线局域网技术已经被广泛使用。虽然802.11a/b/g最初不是针对车载环境而设计的,但由于其被广泛使用带来的优势,许多研究人员在车载环境中进行了实验,如文献[2-4]对802.11a/b/g在车载环境中的应用进行了一系列实验。802.11p和专用短程通信(DSRC)标准对802.11标准进行了扩充,以使其能够适应车载环境的无线通信[5-6]。802.11p技术使用5.9GHz频段,能够在移动的车辆之间,以及移动车辆和路边基站之间建立短距离无线通信。无线城域网(WMAN),也称为WiMAX(即IEEE802.16),是另一项新兴技术。无线城域网能够以不同的方式提供长距离传输,例如,两个固定位置的节点之间的通信,以及类似于蜂窝系统的移动节点通信。然而,目前为止,最常见的车载通信技术还基于蜂窝网络,通常称之为汽车远程信息处理。通用汽车的OnStar系统[7]和福特的RESCU系统都基于这一类技术。一些地理信息系统公司,如TomTom和Garmin等,也使用蜂窝网络来传输实时交通信息。通常情况下,基于蜂窝的远程信息处理是一种基于用户订阅的有偿服务。

本文认为在不久的将来车载通信将建立于一种混合式的架构,如图1所示。在这种混合架构中,长距离通信技术,如蜂窝网络和WiMAX,能够为人们提供即时的互联网接入;而短距离通信技术,如DSRC、Wi-Fi(即802.11a/b/g),则能够为安全系统提供实时响应的保障以及为基于位置的信息服务提供有效支持。

本文认为车载自组织网络(VANET)将在未来智能交通系统中发挥重要作用。车载自组织网络依靠短距离通信技术实现车与车以及车与路边基站之间的通信。与传统的基础设施网络相比,车载自组织网络有两个主要优势:首先,车载自组织网络具有成本低、容易部署和操作的优势。消费者无需订阅即可享受服务。其次,从技术角度来看,智能交通系统中传播的很多信息有很强的位置相关性,车载自组织网络能够很方便地为临近车辆建立实时或者非实时的短距离通信。

3车载物联网面临的挑战

车载网络所独有的特性给人们提来了前所未有的挑战,然而,与此同时,这些特性也使人们能够从与以往不同的角度去思考和解决问题。

车载网络分3层:链路层、网络层和应用层。各网络协议层面临不同的挑战。

3.1链路层面临的挑战

在链路层,面临的主要挑战是如何使链路层协议适应独特的车辆运行环境,使链路层获得最佳性能。链路层协议包括3个主要设计目标:响应能力、可靠性和可扩展性。首先,链路层协议需要能够对信道条件和车辆的移动性快速响应,同时协议的可靠性和可扩展性对与安全相关的应用也起着重要的作用。一些传统的链路层协议的设计方法,如无线接入点(AP)握手、媒体访问控制(MAC)层超时管理、地址解析协议(ARP)超时等,在高速移动的车载环境中已显示出低下的性能。这些传统的设计方法通常会导致增加的启动延时、未充分利用的带宽,以及带宽的不公平分配。

实际上,可扩展性和可靠性在一定程度上互相影响,互相作用。可靠广播技术也是重要的研究问题之一。目前的可靠广播技术一般包括重复广播、合作式传递、发射功率自适应等。可靠性和可扩展性仍然值得进一步深入研究,特别是针对车辆安全系统的应用,因为最终用户对车辆安全系统要求很高。

3.2网络层面临的挑战

在网络层,面临的主要挑战是建立一个新的路由模式,以促进车载网络的信息传播。在过去10年中,无线自组织网络方面得到广泛研究。特别是,研究人员为车载网络提出了许多具有环境自适应能力的路由协议,如MDDV[8]和VADD[9]。这些协议利用车辆的移动性,通过GPS定位技术、数字地图技术,在车载网络环境中提高数据包的转发性能。从本质上讲,这些协议都是针对以数据包为基本单位而设计。数据包在从源到目的地的整个转发过程中都保持不变。然而,这种基于分组转发的模式已不能适应以信息为中心的应用需求。首先,对于某些应用转发路由没有明确的数据源和目的地。信息由某些节点共同产生,然后传递给另一些节点。其次,信息在传递的过程中会被修改。如在交通阻塞的检测中,每部车都能产生交通拥塞报告,而这个报告可以和其他临近的车辆产生的报告相融合。所有向拥塞地点行驶的车辆是这些报告的接收者。在这类应用中,人们事先并不知道什么时间、什么地点、哪些车辆会产生报告,人们也不知道谁会成为接收者。有一些基于分组转发的路由协议,例如多播技术和基于位置的广播技术,能够部分解决这类应用的需求。然而,从本质上讲,人们需要一个新的路由模式,能够为以信息为中心的数据传输提供支持,这个模式将能够有助于信息的产生,融合,传播和删除。

3.3应用层面临的挑战

在应用层,人们所面临的主要挑战是如何效地表示、发现、存储和更新整个网络的信息。

命名和寻址是车载网络的核心问题。如何有效地将真实世界的信息建立索引,以方便信息存储和传播,是一个有待研究的问题。本文认为寻址将采用混合型、多层次的方案,真实世界的环境信息将起重要作用。命名和寻址政策对系统中的其他协议,如路由和信息发现有重大影响。由于车辆的高移动性,另一个挑战是如何动态地将车辆的标签(ID)映射到基于位置的地址,如在基于位置的广播中,人们需要知道在某一区域内的所有车辆列表。这个问题对于整个混合网络体系都有非常重要的影响。本文认为可以在车辆以及路边基站上实现类似地址解析协议/反向地址解析协议(ARP/RARP)来帮助解决这个问题。

分布式数据管理是另一个车载网络中具有挑战性的问题。它包括数据复制、数据删除、缓存管理等一系列问题。传统的分布式数据管理假定在地理上分散的多台服务器连接在同一网络,这在车载自组织网络中不再成立。从本质上讲,人们可以把车载网络看作一个巨大的分布式数据库系统,其中每个车辆维护一个本地的数据库。车和车间不定期交换数据,从而逐步更新全局数据库系统。从全局的角度来说,不一致性不可避免。为此,一个研究问题是如何以最小的开销来维护一个相对一致的分布式数据库。

4车载物联网中的信息传播

本文认为车载网络是一个以信息为中心的分布式系统,信息在网络的不同位置生成、收集和发布。人们可以把信息传播分为两个不同的层次:宏观信息传播和微观信息传播。以信息为中心来发现系统需求十分重要。表1列出了宏观和微观层次上主要的研究课题和及其代表性的工作。

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