車聯網特點與發(fā)展趨勢

黃鴻基王雨菡程鑠雅楊 曄

（1.南京郵電大學通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003；2.南京郵電大學貝爾英才學院，江蘇 南京 210003）

車聯網特點與發(fā)展趨勢

黃鴻基1王雨菡2程鑠雅1楊 曄2

（1.南京郵電大學通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003；2.南京郵電大學貝爾英才學院，江蘇 南京 210003）

本文闡述了在物聯網大熱的背景下車聯網崛起的重要條件；主要分析了車聯網中感知層、網絡層、業(yè)務層、應用層這4個主要的層面，并系統性地研究了RFID、WSN、車與車的組網、平臺架構、網絡傳輸等核心技術以及描繪了車聯網在生活中的應用場景；為未來車聯網和智慧服務的騰飛提供了切實可行的發(fā)展戰(zhàn)略。

車聯網；終端；網絡；平臺；生活應用；信息傳輸；人工智能

進入21世紀，隨著信息技術的快速發(fā)展，物聯網技術的研究取得了很大的進展。其英文名稱是：“Internet of things（IoT）”。物聯網發(fā)展的目的就是使我們的生活更便利，比如，物聯網技術可以方便我們的出行。在物聯網的發(fā)展浪潮中，車聯網也就應運而生。

2009年，車聯網的概念提出了，在車聯網發(fā)展的這幾年，城市的交通系統正在向著智能化、安全化、全面化邁進，而這也會帶動未來幾年汽車產商產業(yè)鏈的革新。當前汽車技術的發(fā)展，新能源汽車和車聯網技術的普及應用是兩大發(fā)展趨勢。通用、豐田等汽車巨頭和國內7家大型汽車制造商紛紛向車聯網技術靠攏，勢必會帶來巨大的市場契機。因此，研究車聯網技術有著十分光明的前景。

一、發(fā)展歷史和現狀

1970年，針對交通事故頻頻引發(fā)的人員傷亡慘重的問題，日本首先提出智能交通系統（ITS）的構想，車聯網由此開始發(fā)展。1989年，歐洲提出具有最高效率和空前安全性的歐洲交通計劃（PROMETHEUS），并在1990年提出道路基礎設施和環(huán)境專用系統（DRIVE），二者自提出以來便成為西歐國家開展交通運輸信息化領域的研究、開發(fā)與應用的主要指導計劃。1992年，美國建立智能公路車輛系統（IVHS），IVHS不僅使交通建設與運行走上高科技之路，使交通運輸產業(yè)有劃時代的改變，而且對社會、經濟、法律、土地利用等都將產生深遠的影響。1994年美國根據IVHS的實際研究項目，認為IVHS的名稱已不能覆蓋其全部內容，因而把IVHS改為ITS，智能交通系統正式作為一個專用名詞出現。智能交通系統是通信、信息和控制技術在交通系統中集成應用的產物，能夠帶來顯著經濟效益和社會效益。自此車聯網的概念為更多人所熟知，車聯網系統得以迅速發(fā)展。2003年，歐盟開發(fā)了能夠采集動態(tài)的環(huán)境信息和進行自動駕駛的車聯網子系統——歐洲智能交通協會（ERTICO），促進和支持ITS在整個歐洲的應用，共同創(chuàng)建一個成功的智能交通系統。

我國對車聯網的研究起步較晚。在2001年，中國政府聯合上海交通大學，吉林大學等高校提出ITS，開始車聯網的研究。“十一五”期間（2006-2010），中國對車聯網系統的核心部分的研究取得了很大突破，并于2008年用于北京奧運會交通的智能管理與信息采集。2009年的廣州亞運會期間，智能化“3G”客車首次出現在亞運歷史上，這也標志著車聯網技術正式走向社會視野。與此同時，互聯網汽車市場也發(fā)展得很快。

在地圖方面，騰訊和阿里分別與四維圖新和高德合作；在接口硬件方面，騰訊有路寶盒子，阿里將要推出智駕盒子。百度也推出了Carnet的開放車聯網協議。淘寶網也已開始涉足汽車維修O2O。由此可見，雖然我國對車聯網的研究起步晚，但發(fā)展速度較快，不過與國外相比，我國的車聯網發(fā)展仍舊存在許多技術上的差距。

二、關鍵技術

1.終端

1.1 RFID

車聯網是一個具有特定功能的通信系統，信息的采集是它必不可少的一個環(huán)節(jié)。隨著無線通信技術和物聯網技術的快速發(fā)展，WSN和RFID技術是實現對外界及系統內環(huán)境的信息進行采集的兩種技術，車聯網系統是ITS（智能交通系統）的一部分，在WSN的大背景下引入RFID終端能夠比較好地實現車聯網系統信息的采集。

RFID，也稱為射頻識別技術，它突出的優(yōu)點是能識別高速運動物體并可同時識別多個標簽。車聯網的主體是道路上高速運動的車，RFID將能很大程度地彌補WSN難以察覺微弱的信息不足以及解決如何獲提高速運動的車的準確信息的問題。RFID技術除了有全天候工作、成本低、易部署、多目標識別、不破壞環(huán)境、不受環(huán)境與光線的影響和壽命長等特點，還具備能對車輛進行身份識別和認證的獨特優(yōu)勢。比如，通過RFID技術，我們能夠快速準確地收集道路交通擁擠情況方面的信息。這些優(yōu)良的特性能幫助我們獲得更全面、更準確的車聯網系統所需的信息。

RFID主要實現的是車與路、車與站場之間的通信，但是，由于RFID天線在功率、方向性以及通信距離上的限制，加之天線成本的居高不下，很難將天線普及安裝到車輛上來實現車與車之間的相互識別。但只要車載RFID系統連接到合適的集成網絡，它將能對有犯罪，逃稅等嫌疑的車輛做出靈敏二準確的應答。RFID能夠追蹤目標車輛，從而很大地提高車聯網系統的管理效率。

1.2 GPSONE

GPSONE是一種綜合GPS和CDMA系統定位技術來提供GPSONE的定位服務。由于其使用范圍、定位精度、定位靈敏度、終端耗電及啟動速度方面比傳統GPS均有顯著地提高，也隨之進入了人們的視線。GPSONE的定位精度可達5m～50m。GPSONE技術簡化了終端的工作模式，解決了傳統GPS技術過多終端性能的缺點。它由網絡側的定位服務器與終端相互配合完成定位工作，這種方式不僅減少了通信量，還降低了通信費用。作為一種低成本、高效率的定位服務，GPSONE是一種適合在車聯網中使用的定位技術。

1.3 芯片

在無線寬帶通信技術為車聯網中車載終端與Intemet通信提供了便利的同時，車載電子系統也面臨著木馬、病毒以及黑客攻擊等越來越多潛在的安全威脅。我國研制出了自主知識產權的可信芯，同時制定了相應的接口規(guī)劃。

北京華力創(chuàng)通科技股份有限公司圍繞車聯網信息終端對通信、導航、識別、多媒體，以及車載總線一研發(fā)出了車聯網前裝車載終端智能SoC（片上系統）芯片關鍵技術，可保證車輛安全。在今后的研究過程中，我們要把更多精力放在高性能芯片的開發(fā)上以滿足不斷發(fā)展的車聯網系統的需求。

1.4 車路協同關鍵技術

車路協同技術是未來ITS的核心技術之一。借助于車路協同系統，基于各種無線通信技術。可以實現車輛和基礎設施之間智能協同與配合，從而提高道路交通安全系數，減少交通擁堵。

車路協同技術以信號優(yōu)先、車輛與行人檢測等為原則，并在國內外已經取得一定進展。2014年2月16日，863項目”智能車路協同關鍵技術研究”科技成果演示發(fā)布會在廊坊市河北清華發(fā)展研究院及其附近的試驗場地舉行，在河北清華發(fā)展研究院及其附近試驗場地進行的實驗演示彰顯了智能車路協同系統實施后的交通出行新圖景：10輛安裝了車路協同系統的”智能車”，在”智能道路”上成功完成了車車協同換道、車車/車路協同避撞、車輛主動安全輔助、行人避撞、盲區(qū)預警、障礙物預警、緊急車輛信號優(yōu)先、車隊控制與和速度引導、車隊協同路口通行等15個典型應用場景。這些成功的試驗充分展現了車路協同的巨大優(yōu)勢和發(fā)展前景。

1.5 藍牙技術

藍牙采用跳頻擴展頻譜技術，且在跳頻過程是偽隨機的。藍牙技術所具備的這些特征能夠較好地承擔起物聯網末端智能傳感和微微網移動通信功能，特別適合車聯網的概念和技術要求。

起初，藍牙技術主要應用在汽車的電話通信方面。但隨著研究和應用的不斷深入，在汽車智能化方面有了更多的藍牙應用。藍牙完全可以承擔起車內傳感器角色，它的微型化，高度集成化，休眠功能，廉價性等特點，使其能更好地實現車內安全預警和車與車之間信息的傳輸。

德爾福汽車系統公司已經開發(fā)出可以讓駕乘人員用語音進行操控的車載藍牙設備；豐田汽車、日本電裝、NTTDOCOMO、松下電器產業(yè)、日產汽車和東芝等6家公司共同制訂了利用藍牙技術的車內無線免提規(guī)格——“CCAP”。國內外對藍牙的研究已經進入實質性階段，藍牙在未來勢必在車聯網系統中發(fā)揮更大的作用。

2.WSN

2.1 WSN技術

無線傳感器網絡（WSN）是一種分布式傳感網絡，它的末梢是可以感知和檢查外部世界的傳感器。WSN中的傳感器通過無線方式通信，它是基于802.11q協議，上限速率比較大，帶寬也比較理想，它基于無線通信技術形成了一個多跳的自組織網絡。

WSN是由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，它是車聯網體系的重要組成部分。它是進行無線車與車之間通信的較好途徑，但節(jié)也存在著點電源能量有限、通信范圍較小、算和存儲能力較弱等缺點。將WSN運用到交通領域需要攻克一系列關鍵技術，主要包括：WSN節(jié)點的交通信息采集、WSN節(jié)點的信息融合、WSN節(jié)點的網絡拓撲控制及WSN節(jié)點的通信技術等。WSN節(jié)點的交通信息采集實時精確的交通信息采集是整個車聯網體系的基礎，是車聯網提供的交通信息服務的依據。

2.2 WSN網絡節(jié)點拓撲算法的設計

車聯網的WSN系統節(jié)點數目龐大，分布密集，節(jié)點的增加、減少及變動都會引起無線網絡的拓撲結構的改變。通過拓撲控制自動生成良好網絡拓撲結構，能為各節(jié)點的數據通信、數據融合及節(jié)點定位等奠定基礎。目前傳感器網絡拓撲控制主要是通過功率控制和骨干網節(jié)點選擇，剔除節(jié)點之間不必要的無線通信鏈路。然而，在設計功率消耗率低的網絡拓撲算法經常遇到這樣一個問題，功率盡管減少了，但卻使可用于信息傳輸的信道減少了。因此，需要開發(fā)一種合適的傳感器網絡拓撲算法，從而比較好地滿足車聯網的需要。

圖2　

在車聯網中，WSN節(jié)點分布的不均勻性使其節(jié)點能耗速度有著很大差別，這造成部分負載過重的節(jié)點因能耗過高而過早“死亡”，使網絡生命期縮短。基于最小生成樹（MST）的無線傳感器網絡拓撲控制算法利用貪心算法求各鏈接通信功率之和最小的拓撲結構，因為用該結構進行通信耗能最少，但節(jié)點交換全局信息所耗能量巨大，不適于大規(guī)模的車聯網網絡。有些專家提出基于本地最小生成樹的拓撲控制算法，該方法利用可達鄰居節(jié)點信息獨立構建本地最小生成樹，能有效降低維持全局連通的傳輸功率，但由于未提及負載分布問題，因此造成部分節(jié)點因負載過大而提前死亡。也有學者提出負載均衡的概念，并以節(jié)點數目平衡為標準進行分簇來實現簇內能耗平衡。劉林峰，劉業(yè).提出度約束最小生成樹拓撲控制方案（TCS），在一定程度上考慮均衡耗能問題，并以節(jié)點間距離和剩余能量為標準建立鏈接，提高通信的健壯性，但忽略了部分節(jié)點由于轉發(fā)數據而使耗能過大的問題。

2.3 VANETs網絡

VANET是基于MANET（mobile Ad Hoc network，移動自組織網絡）的一類專用于道路交通環(huán)境下的網絡形式。車載自組網的核心思想在于“自組”，它將每一輛汽車象化為一個網絡節(jié)點，由這些網絡節(jié)點組成一個智能的網絡架構。類似的，車載自主網同樣也可以分為兩個部分：V2V（Vehicle To Vehicle）和V2I（Vehicle To Infrastructure）。

V2V，意為車與車之間的信息互換。V2V技術使用的是專用短程通信（DSRC），由類似FCC和ISO的機構設立的標準。有時候它會被描述成WiFi網絡，因為可能使用到的一個頻率是5.9GHz，這也是WiFi使用的頻率。不過更準確地說，DSRC是類WiFi網絡，它的覆蓋范圍最高達300m。車輛可以通過無線信號了解其他各車速度、方向、位置數據，實現信息的交流。

VANETs作為移動節(jié)點并以自組織的形式構成網絡，作為一個通信系統，車聯網需要能夠高保真地快速傳遞多路信息。VANETs能夠保證信息在很短的時間內安全地從信號源傳遞到目標接受源。VANETs能比較好地保證信息傳輸的安全性，實時性和準確性。這對車聯網系統信息傳輸的安全有重要意義。

2.4 ZigBee

ZigBee是一種新興的短距離、低功耗的無線通信技術。除了具有安全靈活等優(yōu)勢，它最大的優(yōu)勢是低成本和低能耗。此外其延時極短，安全性高。采用基于Zigbee協議的無線模塊作為節(jié)點，可以實現數據的處理，并向周圍車輛以及后臺進行數據傳輸。由于采用載波偵聽多點接入/沖突避免（CSMA/CA）的媒體訪問控制協議以及應答確認的數據說明發(fā)生了碰撞，可進行重傳。這種機制大大提高了通信可靠度。作為基于802.15.4設備可以使用64-bit的IEEE物理地址，也可以使用16-bit的網絡短地址，這樣整個網絡規(guī)模可達到65000個以上的節(jié)點；另外ZigBee網絡采用自組織網絡（AdHocNetwork）的結構，在網絡的組建和維護上都有相當大的靈活度，因而ZigBee在網絡上的優(yōu)勢不容忽視。在真實的交通系統中終端數量眾多，車輛移動速度相對較快，考慮到Zigbee技術具有的自組網和高可靠性，將其作為移動車輛節(jié)點和路側單元的通信技術逐漸成為共識。

3.平臺

3.1 大數據

車聯網系統作為一個十分復雜的通信系統，將會采集到很多不同種類的信息。只有我們能夠通過一種技術，實現對信息快速準確地處理，才能達到車聯網設計的初衷。大數據有以下特點：一是數據體量巨大。二是數據類型多樣。在車聯網中，采集到的信息包括駕駛員的行為信息，周邊環(huán)境的路況和車輛信息以及管理站的信息等。大數據能幫我們高效率地去除采集到的冗余信息，它對于我們采集道路上的關鍵信息具有重大的意義。

大數據所具有的特點與車聯網中的數據特征相契合。而以車輛為信息節(jié)點的車聯網每時每刻都會產生海量的數據，數據數據規(guī)模大且種類繁多，并且車聯網對于數據的傳輸和處理速度要求很高。車聯網還要對海量低價值密度的數據進行挖掘，以從中獲得有價值的數據。大數據的預測功能是大數據技術的核心，該功能對于車聯網行業(yè)也有著重大意義。通過對大數據的分析，可以對交通流量、車聯網應用的發(fā)展趨勢等進行預測，從而針對預測信息提出發(fā)展方案。

3.2 云計算

云計算是一種新興的互聯網技術，通過云計算可以實現將共享的資源按需提供給計算機或其他互聯網終端。隨著車聯網業(yè)務規(guī)模的增大，車聯網的用戶不斷增多，數據中心將源源不斷地產生大量實時交通信息。云計算技術面向海量信息處理，不僅用戶可以方便地參與，而且參與形態(tài)靈活。車聯網系統需要處理海量的信息，而且實現了用戶與車聯網系統的無縫對接，云計算技術為其在信息的處理與融合提供了重要的技術保障。

3.3 信息安全技術

車聯網信息安全所涉及到的主要技術有身份識別技術、密鑰管理技術和安全防護技術。這些技術的應用能夠保證數據傳播時車聯網中對數據的感知節(jié)點不被破壞，從而保證人與車接收到的信息真實有效。推動車聯網迅速發(fā)展的一個重要原因就是通過互聯網技術的引入提升了人和汽車的安全性，在車聯網的平臺下，由于智能化汽車從一個獨立的個體逐步演變?yōu)榛ヂ摼W中的一個網絡終端，新的車輛和云端的信息安全問題必將隨之產生。在車聯網的網絡下，對智能汽車的遠程遙控可能只需要一些簡單的設備加上手機軟件就可能實現，車輛傳感器反饋給駕駛者的信息可能被惡意修改，系統存在的漏洞導致車輛的相關數據信息在互聯狀態(tài)下易遭到黑客竊取，這些對于車聯網安全來說都將是災難性的創(chuàng)傷。在這種情況下，保障車聯網下數據的安全性和加強隱私的保護就顯得格外重要。

3.4 中間件技術

中間件是一種獨立系統軟件或服務程序，分布式應用軟件借助這種軟件在不同的技術之間共享資源。針對車聯網中各類不同的應用，可以參照車聯網的相關標準開發(fā)不同的中間件。中間件技術使得開發(fā)人員能夠面對一個簡單統一的開發(fā)環(huán)境，從而大大減輕了開發(fā)者的負擔。

三、應用場景

1.提供健康監(jiān)控

我們可以把救護車看成一種特殊的車聯網產物，它符合車聯網技術運用領域大部分場景。我們希望當每一輛汽車車內的乘客發(fā)生突發(fā)情況時，汽車會變成救護車，但是這種想法現在看來是不符合實際的。所以，我們可以做到有效的預防。如今可穿戴設備日益興起，汽車的移動智能終端可以與可穿戴設備進行適配連接，實時監(jiān)控乘客的心率以及體感溫度之類，同時汽車也可以自動計時車主行駛時間，如果行駛時間超過一定范圍，汽車可以自動提示車主進行休息。防止過勞駕駛。

2.娛樂以及互聯網

車行途中娛樂是一個必不可少的環(huán)節(jié)，如今在許多公交車上已經設立無線信號（WiFi），同時，在滿足人們上網娛樂的需求，車聯網技術更可以拓展到衣食住行乃至車內辦公，汽車可以自動搜索附近的休息區(qū)域，購物商場，加油站。

3.ETC

當前我國ETC的覆蓋率并不十分廣泛，而且僅限用于高速公路上的繳費。在未來的幾年內，ETC技術有望實現多功能化和普及化，不僅僅是完成高速公路的收費，同時也可以進行停車場的繳費，甚至是類似于支付寶形式的購物消費。通過拓寬繳費渠道來增加用戶人群，可以相信在不久的未來，ETC可以充當汽車的支付寶。

四、展望和總結

在科技日益發(fā)達的今天，車聯網的崛起已經是大勢所趨。它的靈活性、自發(fā)性、智能化、系統化在我們的生活中漸漸扮演著不可或缺的角色。它不僅能夠改變個體的生活方式，帶來全新的交通體驗，同時也將帶來巨大的社會、經濟效益。然而在車聯網概念大熱的同時，我們也需要冷靜下來看清問題，由于車聯網涉及的技術眾多，許多關鍵技術還有待完善。再加上傳統交通模式的改變需要較長的時間周期，車聯網的真正普及與進化還需要我們更進一步地努力。在互聯網及電腦核心技術相對落后的中國，車聯網技術的研究與美歐日等發(fā)達國家有著不小的差距。我國的節(jié)能技術，無線通信，遠程感應技術，識別技術，控制技術，數據融合技術及信息管理技術還有很大的提升空間。我們尤其需要關注的是零排放電動車技術的發(fā)展，未來電動汽車的發(fā)展肯定伴隨車聯網技術的發(fā)展，實現零排放，無污染。因此，在我國傳統的電子汽車技術并不占優(yōu)而電動車技術具備先行優(yōu)勢的情況下，我們可以考慮積極發(fā)展節(jié)能減排的電動車輛與車聯網核心技術的結合，實現發(fā)展上的彎道超車。

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