車聯網網絡架構分析

孟 源，柴舒楊，羅正華，雷 霖

(1.成都大學電子信息工程學院，四川成都 610106；2.香港浸會大學理學院，中國香港 999077)

車聯網網絡架構分析

孟 源1，柴舒楊2，羅正華1，雷 霖1

(1.成都大學電子信息工程學院，四川成都 610106；2.香港浸會大學理學院，中國香港 999077)

利用車聯網獲取車輛運行參數和道路等交通基礎設施使用狀況，感知實時道路交通路況，能有效減少交通擁堵，實現綠色出行，并提供豐富的智能交通信息服務.車聯網將促進汽車、交通和信息技術產業向更加現代化、網絡化和智能化的方向發展.對車聯網的現狀進行了較為全面的研究，包括車聯網的概念、技術優勢、信息服務以及網絡架構等.

車聯網；信息服務；通信類型；網絡架構

0 引 言

隨著我國經濟的快速發展，汽車大眾化時代已經快速來臨.汽車的增長速度遠大于交通基礎設施的建設速度，給道路交通帶來了極大的壓力[1].如何將信息技術、通訊技術、電子傳感技術、控制技術及計算機技術等有效地集成運用于整個地面交通管理系統，以緩解交通擁堵，為用戶提供安全、舒適的駕駛環境，越來越受到社會的重視.社會信息化和網絡化的進程，加快了物聯網在各行業的應用，而物聯網在智能交通中的應用，即車聯網，是解決交通問題的有效途徑之一[2].利用裝載在車輛上的電子標簽，通過無線射頻等識別技術，實現網絡信息交換，使車與路、車與車、車與人之間的信息互聯互通，可對車輛和交通狀況進行有效的智能監控[3].目前，國內的車聯網產業已經進入高速發展時期，汽車信息服務作為汽車制造業和通信行業的交叉領域，涉及傳感器技術、接入技術、信息處理技術、通信技術等相關領域，但從目前國內外研究狀況來看，汽車信息服務的總體業務需求還不十分明確，功能定義參差不齊，缺乏統一的標準指導.

1 車聯網技術

1.1 車聯網技術相關概念

車聯網，是指通過裝載在車輛上的傳感器、電子設備及電子標簽提供車輛信息，采用各種通信技術實現車與車、車與人、車與路的互連互通，并在信息網絡平臺上對信息進行提取、共享等，同時，根據不同的功能需求對車輛進行有效的管控和提供相應信息服務.車聯網主要依靠傳感技術、電子設備及電子標簽等的應用進行信息采集，將車輛的傳感器網絡和道路的傳感器網絡互連，通過網絡平臺將信息傳輸到車輛的電子控制單元(ECU)進行處理.電子控制單元是汽車專用微機控制器，由微處理器(CPU)、存儲器(ROM、RAM)、輸入/輸出接口(I/O)、模數轉換器(A/D)以及整形、驅動等大規模集成電路組成.車載設備是車聯網中安裝在車輛上，具備計算、存儲、輸入與輸出功能并集成通信模塊的人機交互接口，可為駕駛員和乘客提供信息服務及車輛控制的電子設備.

車聯網要求網絡各節點之間的數據通信實時性強，并具有較高的可靠性和良好的錯誤檢測能力，采用控制器局域網絡通信標準.車聯網的數據通信采用DeviceNet協議，它是一個簡單、廉價而且高效的協議，適用于最低層的現場總線，例如，過程傳感器、執行器、閥組、電動機起動器、條形碼讀取器、變頻驅動器、面板顯示器、操作員接口和其他控制單元的網絡.

1.2 車聯網技術優勢

交通管理的智能化、現代化，一直是人們追求的目標.隨著科技的發展，計算機技術在交通管理中發揮了越來越大的作用，但這些技術只是單純對車輛或道路實施管理，具有系統性不強的特點.上世紀90年代起，歐美發達國家率先提出智能交通系統(In-telligent Transport System，ITS)解決方案[4].ITS是將先進的信息技術、數據通訊傳輸技術、電子傳感技術、電子控制技術以及計算機處理技術等有效地集成運用于整個交通運輸管理體系，而建立的一種在大范圍內、全方位發揮作用的，實時、準確、高效的綜合運輸和管理系統.ITS包含車輛及道路上各種交通設施，強化了系統平臺通過智能化方式對各類交通環境下的車輛及交通設施的智能化管理和控制[5]，以有效提高交通管控水平.

基于網絡平臺的車聯網是以車輛為中心，通過有線/無線通信技術將車與車、車與路、車與人、車與服務平臺連接起來[6].與ITS相比，車聯網在集成了其主要功能的基礎上，更注重以車輛為中心的網絡連接，全面感知車輛信息，使行車過程更舒適、行車效率更高.區別于傳統的智能交通系統，車聯網應用技術必須對其信息服務、應用范圍、業務需求、通信環境及能力、網絡架構、網絡接口及協議等領域進行研究.

2 車聯網信息服務

車聯網信息服務主要包括通信服務、道路導航、駕駛輔助、遠程監控和資訊娛樂5大類，信息服務的使用者主要為駕駛員及乘客.車聯網信息服務整體框架如圖1所示.

圖1 車聯網信息服務整體框架

2.1 感知延伸層

感知延伸層由車輛的ECU和控制器局域網現場總線(CAN-BUS)組成，車載終端與CAN-BUS之間的接口主要實現車輛的ECU與車載終端之間的上下行數據交互.數據上行即是通過CAN-BUS將ECU所采集的各類數據統一匯集、存儲到車載終端，車載終端對這些數據進行格式化處理后，通過接口向業務管理平臺進行數據上報；數據下行即是業務管理平臺向車載終端下發汽車控制指令，車載終端進行格式化轉換后，再通過CAN-BUS將控制命令傳遞給對應的ECU，實現對車輛的控制.

2.2 網絡傳輸層

網絡傳輸層實現:支持業務狀態管理與會話管理，包括報文重發機制、連接檢測和連接異常處理；支持終端參數配置管理，包括業務管理平臺設置車載終端參數、車載終端向業務管理平臺請求參數配置、本地人工配置車載終端參數、車載終端參數配置異常處理等；實現終端狀態上報，包括終端異常狀態上報、業務管理平臺向終端實時提取數據上報、終端遠程控制執行狀態上報、對汽車廠商的不同ECU所采集的不同格式的數據進行適配；支持車載終端與SIM卡的雙向安全認證機制，實現2G或3G等通信接入方式 ；支持電路交換 、SMS、USSD、GPRS 、WAP 等方式實現與業務管理平臺的語音、數據通信；利用手機的通信模塊，通過USB等方式和車載終端互連后，輔助車載終端實現語音和數據傳輸功能.

2.3 業務層

業務管理平臺實現對汽車信息服務的各類基本管理以及汽車信息服務業務和產品的全生命周期的信息維護和管理.對于不同的接入方式，業務管理平臺起到接入網關的作用，對上層的應用，屏蔽終端接入的復雜性.業務管理平臺可通過操作維護界面進行系統參數的配置修改，實現相應的權限管理.

2.4 應用層

應用層根據不同的用戶，提供車聯網業務的能力支撐及應用服務.該服務平臺提供交通信息、車輛防盜、車輛監控、商務娛樂等業務，車輛通過公共網絡接入服務平臺獲取服務.對電信運營商提供的各類基礎通信及增值業務能力，例如視頻監控、語音IVR呼叫中心、定位及通信等進行能力封裝，提供標準化調用接口，提升汽車信息服務應用系統開發能力.對與汽車信息服務相關的各類專業領域的能力，例如公共資源(城市應急聯動系統、數字城管等)、公開信息(交通、停車場、天氣預報等)提供統一的接入實現方式，提升汽車信息服務應用開發能力.

3 車聯網通信類型

車聯網網絡由車與車的網絡、車與路的網絡、車與人的網絡、車與服務平臺的網絡、車內網絡組成.通過車聯網網絡，車輛可獲得各種車聯網應用，以提高用戶的行車安全和效率，緩解城市交通壓力，并提供用戶各種商務和娛樂平臺，使行車過程更智能舒適.車聯網通信類型可根據通信對象不同劃分為，車與車通信、車與路通信、車與人通信、車與服務平臺通信與車內通信.

3.1 車與車通信

車與車通信，是指通過車載終端進行車輛間的通信.車載終端可實時獲取周圍車輛的車速、車輛位置、行車情況告警等信息，車輛間也可以構成一個互動的平臺，實時交換各種文字、圖片、音樂和視頻等信息等.車與車通信主要應用于避免和減緩交通事故、車輛監督管理、生活娛樂等，同時基于公共網絡的車與車通信，還應用于車輛間的語音、視頻通話等.

3.2 車與路通信

車與路(包括室外道路和室內道路)通信，是指車輛區域設備與道路區域設備，如紅綠燈、交通攝像頭、路側單元等，進行通信，通過道路區域設備獲取附近區域的車輛信息并發布實時的各種信息.車與路通信主要應用于實時信息服務、車輛監控管理、不停車收費等.

3.3 車與人通信

車與人通信，是指人使用個人設備，如手機、筆記本電腦等或其他手持設備，如多功能讀卡器等與車輛區域的設備進行通信.車與人通信主要應用于智能鑰匙、信息服務、車輛信息管理等.

3.4 車與服務平臺通信

車與服務平臺通信，是指車載終端通過公共網絡與遠程的服務平臺建立連接，實現服務平臺與車輛之間的數據交互、存儲和處理，提供車輛交通/娛樂/商務服務和車輛管理等.車與服務平臺通信主要應用于車輛導航、車輛遠程監控、緊急救援、信息娛樂服務等.

3.5 車內通信

車內通信，是指車載終端與車內的傳感器和電子控制裝置之間相互連接所形成的車身通信網絡，用于獲取車輛數據并可根據指令對車輛進行控制.車內通信主要應用于車輛檢測、車輛系統控制、輔助駕駛等.車內通信的范圍覆蓋整個車輛內部，是在一個相對靜止的環境中所進行的通信，采用的通信技術包括CAN 、LIN、FlexRay、MOST 等.

4 車聯網網絡架構

車聯網是一種包括車與車、車與人、車與路以及車與服務平臺的通信網絡.其中，車與車、車與路、車與人的通信主要是以局域網絡形式進行；車與服務平臺的通信是建立在公共網絡架構下進行.多種異構網絡構成了車聯網網絡.其網絡架構如圖2所示.

圖2 車聯網網絡架構示意圖

4.1 車載區域

車載區域主要包括車載終端、車載電子標簽等電子設備，該區域設備安裝或放置在車輛上，通過車載設備，車輛能與道路區域、用戶區域設備、服務平臺和車身區域進行通信.同時，車載設備還可與個人通訊設備互聯互通來完成對外界設備和系統的通信及共享應用.其中，車載終端可集成通信、定位、信息服務等多項功能，具有強大的業務調度和數據處理能力.車載終端除具有通訊、數據存儲、人機交互功能外，還具有定位、應用、數據獲取與控制功能等.

4.2 車身區域

車身區域主要包括車載傳感器及控制車內部件的各種控制單元，如中央門鎖控制單元、電動窗控制單元、空調控制單元、組合儀表控制單元等.控制單元通過CAN-BUS總線與車載終端連接，進行數據交互，并根據指令控制車內部件.

4.3 道路區域

道路區域主要包括信息牌、讀卡器、攝像機、交通設施以及路側單元等設備.該區域設備安裝在道路周圍，采集與發布交通信息，并提供商務及娛樂信息.同時，道路區域設備通過公共網絡與服務平臺連接.路側單元是設置在道路邊，進行交通信息的收集、分析、發布等的設備，其可與車輛區域設備和道路區域的部分設備進行通信.路側單元具有通信、應用、管理以及信息發布等功能.

4.4 用戶區域

用戶區域主要包括手機、電腦、PDA和其他手持設備等.用戶區域設備與車輛進行通信，可獲取車輛信息并進行控制，也可與車載終端連接共享網絡和車聯網應用.各子區域間可使用短距離通信技術，通過自組織網絡進行數據交換，也可使用中長距離通信技術，通過公共網絡進行數據交換.其他手持設備主要是便攜式讀卡器等多功能終端，通過無線通信方式獲取車輛信息，并將信息傳送到服務平臺，對車輛進行信息管理.

4.5 公共網絡與服務平臺

公共網絡包括固定和移動網絡，其主要功能是提供車輛與服務平臺遠程通信的網絡通道，同時也提供一些基本的電信服務，如短信、語音、視頻等.服務平臺提供車聯網業務的能力支撐及應用，以及交通信息、車輛防盜、車輛監控、商務娛樂等業務.車輛通過公共網絡接入服務平臺獲取服務.

5 結 語

對交通基礎設施運行狀態監控和提供車輛信息服務是車聯網的研究目標.本研究對車聯網的現狀進行了一定的分析，包括車聯網的概念、技術優勢、信息服務結構以及車聯網的網絡架構等.可以看出，車聯網是今后智能交通系統的發展方向，其必將帶動汽車和交通產業的高速發展，促進汽車、交通和信息技術產業向更加現代化、網絡化和智能化的方向發展.

:

[1]諸彤宇，王家川，陳智宏.車聯網現狀與發展研究[J].公路交通科技(應用技術版)，2011，7(5):266-268.

[2]Lee K C，Lee U，Gerla M ，et al.Geo-Opportunistic Routing for Vehicular Networks[J].IEEE Communications Magazine，2010，48(5):164-170.

[3]程剛，郭達.車聯網現狀與發展研究[J].移動通信，2010，35(17):23-26.

[4]武鎖寧.車聯網:值得關注的課題[J].中國電信業，2010，11(8):17-19.

[5]王云鵬.車路協同系統關鍵技術與發展趨勢[J].ITS世界，2011 ，5(3):1-8.

[6]李清泉，熊煒，李宇光.智能道路系統的體系框架及其關鍵技術研究[J].交通運輸系統工程與信息，2008，8(1):40-48.

Analysis of Network Architecture of Internet of Vehicles

MENGYuan1，CHAI Shuyang2，LUO Zhenghua1，LEI Lin1

(1.School of Electronic and Infor mation Engineering，Chengdu University，Chengdu 610106，China；2.Faculty of Science，Hong Kong Baptist University，Hong Kong 999077，China)

Internet of vehicles was used to collect operating parameters，the information of road and other transport infrastructure usage and to learn real-time road traffic，which can effectively reduce traffic to realize green travel and provide rich intelligent transportation information service.Internet of vehicles will promote the further development of vehicles，transportation ，and information technology industries to more modernized ，networking ，intelligent way.The present situation of internet of vehicleswas analyzed and discussed comprehensively，including concept of internet of vehicles，technical superiority ，information services and network architecture and so on.

internet of vehicles；information services；types of communication ；network architecture

TP393

A

1004-5422(2012)04-0346-04

2012-03-25.

四川省科技廳科技支撐計劃(2011GZ0260)資助項目.

孟 源(1980—)，男，碩士，從事計算機網絡及應用技術研究.