車(chē)載自組織網(wǎng)及其應(yīng)用的研究

◆文/湖北 易琨 田煒 盧薦胤 簡(jiǎn)偉平

一、車(chē)載自組織網(wǎng)概述

1.車(chē)聯(lián)網(wǎng)與智能交通系統(tǒng)的關(guān)系

車(chē)聯(lián)網(wǎng)(internet of vehicle)的概念源于物聯(lián)網(wǎng)(internet of things)，是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要應(yīng)用，是指車(chē)、路、人、傳感設(shè)備等實(shí)現(xiàn)交互的動(dòng)態(tài)移動(dòng)通信系統(tǒng)，可以完成實(shí)時(shí)車(chē)輛監(jiān)控和管理。現(xiàn)在的車(chē)聯(lián)網(wǎng)是指利用車(chē)載電子傳感器，通過(guò)移動(dòng)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、車(chē)載導(dǎo)航、智能終端與信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，以車(chē)內(nèi)工業(yè)控制局域網(wǎng)、車(chē)間網(wǎng)和車(chē)載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，按照約定的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)，使車(chē)與人(Vehicle to Pedestrian，V2P)、車(chē)與車(chē)(Vehicle to Vehicle，V2V)、車(chē)與路(Vehicle to Roadside，V2R)以及車(chē)與基礎(chǔ)設(shè)施之間(vehicle to infrastructure，V2I)實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)字、語(yǔ)音、視頻等方面的通信和信息交互，從而對(duì)車(chē)、人、物、路、地理信息等進(jìn)行有效智能監(jiān)督管理的大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。一般認(rèn)為車(chē)聯(lián)網(wǎng)概念包含Telematics(車(chē)載信息通信系統(tǒng)及服務(wù))、 智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation System，ITS)和汽車(chē)電子(autoelectronics)三大板塊業(yè)務(wù)。由此看，車(chē)聯(lián)網(wǎng)的概念包含智能交通系統(tǒng)。

2.為智能交通系統(tǒng)服務(wù)的車(chē)載自組網(wǎng)的基本概念

隨著交通問(wèn)題的日益突出以及運(yùn)用智能交通技術(shù)改善交通狀況等諸多技術(shù)的應(yīng)用，智能交通系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。作為智能交通系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，車(chē)載自組織網(wǎng)(Vehicular Ad Hoc Network,VANET)是智能交通系統(tǒng)的信息承載平臺(tái)，近年來(lái)受到了越來(lái)越多的關(guān)注。

車(chē)載自組織網(wǎng)是一種以行駛車(chē)輛和路測(cè)單元為節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間可以通過(guò)多跳傳輸進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)(Mobile Ad HocNetwork,MANET)。由于移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)是一種無(wú)線(xiàn)分布式，無(wú)中心，自組織的網(wǎng)絡(luò)，而車(chē)載自組網(wǎng)也同樣繼承了移動(dòng)自組網(wǎng)的這些特性，故也稱(chēng)自組網(wǎng)為移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)在智能交通中的擴(kuò)展應(yīng)用。

車(chē)載自組織網(wǎng)將傳感器技術(shù)、短距離移動(dòng)通信及信息處理技術(shù)結(jié)合在一起，其本質(zhì)是一種無(wú)中心的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)，車(chē)輛可以隨行駛環(huán)境的不同，在沒(méi)有固定接入設(shè)備的情況下，依然能夠建立或加入不同車(chē)輛構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，最大限度地提高了車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍。車(chē)載單元通過(guò)檢測(cè)車(chē)輛的運(yùn)行狀況，在臨近車(chē)輛間交互車(chē)輛自身位置、車(chē)輛緊急故障等信息，使車(chē)輛能夠?qū)崟r(shí)獲知超視距范圍內(nèi)其他車(chē)輛的狀態(tài)信息(如車(chē)速、方向、位置等)和實(shí)時(shí)交通信息，幫助駕駛員迅速做出正確的應(yīng)急措施，從而避免車(chē)輛追尾、路口碰撞等交通事故的發(fā)生，減輕駕駛員的負(fù)擔(dān)，提高車(chē)輛智能化水平。

車(chē)載自組織網(wǎng)也是移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)(Mobile Ad hoc NETworks,MANET)與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor NETworks,WSN)在ITS中的具體應(yīng)用，已成為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和智能交通等熱點(diǎn)研究領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，并且已經(jīng)成為ITS的重要組成及核心部分。車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)作為ITS的一個(gè)重要組成部分，借助車(chē)輛與車(chē)輛(Vehicle-to-Vehicle，V2V)、車(chē)輛與路旁基礎(chǔ)設(shè)施(Vehicle-to-Infrastructure，V2I)以及車(chē)輛與行人(Vehicleto-Pedestrian，V2P)之間的直接或多跳通信，從而在現(xiàn)有道路網(wǎng)上動(dòng)態(tài)、快速構(gòu)建一個(gè)自組織、分布式控制的專(zhuān)用短距離通信網(wǎng)絡(luò)，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。通過(guò)運(yùn)用新興的車(chē)-X通信技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛協(xié)同安全駕駛、交叉路口決策支持、區(qū)域交通智能調(diào)度、實(shí)時(shí)交通信息發(fā)布、無(wú)限增值信息服務(wù)(例如天氣預(yù)報(bào)、加油站或停車(chē)場(chǎng)位置服務(wù)等)以及諸如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(Peer-to-Peer，P2P)文件共享、視頻傳輸、在線(xiàn)游戲等交互式流媒體通信方面的應(yīng)用。

車(chē)載自組織網(wǎng)能夠顯著降低道路交通擁堵、減輕司機(jī)操勞動(dòng)強(qiáng)度，在節(jié)省道路占用土地面積的前提下，實(shí)現(xiàn)更加安全、經(jīng)濟(jì)、舒適、快捷的城市交通運(yùn)輸服務(wù)，降低能源消耗、緩解交通擁塞并且改善交通環(huán)境，其最終目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)以車(chē)載移動(dòng)終端的高度智能化為核心，以車(chē)輛之間的協(xié)調(diào)合作為基礎(chǔ)，促進(jìn)人、車(chē)、路三位一體協(xié)調(diào)發(fā)展的智能協(xié)同系統(tǒng)(Intelligent Cooperative Systems，ICS)。因此，車(chē)載自組織網(wǎng)不僅是ITS的重要組成及核心部分，而且也是ITS的最高形式及最終歸宿，它引領(lǐng)著未來(lái)城市交通的發(fā)展方向，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)城市交通可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

二、車(chē)載自組織網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)

1.車(chē)載自組織節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)

一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)完整的VANET節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)包括通信模塊、GPS/GIS(Global Positioning System/Geographic Information System)、傳感器、顯示系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、控制中心，如圖1所示。其中車(chē)輛間通信(Inter-vehicle communication，IVC)和車(chē)輛與路邊節(jié)點(diǎn)通信(road-tovehicle communication，RVC)構(gòu)成了通信模塊，它使車(chē)輛、路邊節(jié)點(diǎn)聯(lián)為一體。并且由于路邊節(jié)點(diǎn)通常與Internet相連，因此車(chē)載自組織網(wǎng)能夠訪(fǎng)問(wèn)Internet資源，或經(jīng)由Internet路由。GPS和DGPS(Differential GPS)負(fù)責(zé)采集車(chē)輛位置信息，這將為媒介訪(fǎng)問(wèn)控制(Media Access Control，MAC)、路由等提供位置服務(wù)。DGPS就是把高精度GPS接收設(shè)備設(shè)置在位置精確測(cè)定的地點(diǎn)組成基站。基站接收GPS定位信息和本站已知的精確位置相對(duì)比計(jì)算出位置測(cè)定誤差，并將這些誤差作為校正參考值向基站周?chē)鷱V播。基站周?chē)能?chē)載GPS接收設(shè)備收到來(lái)自基站的校正參考值，修正自身GPS定位值，從而顯著提高了定位精確度。

圖1 VANET節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)

傳感器負(fù)責(zé)使用激光雷達(dá)等設(shè)備偵測(cè)前方車(chē)距，識(shí)別前方障礙物類(lèi)型。另外，傳感器還采集車(chē)輛速度、加速度、偏航速率、發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)等數(shù)據(jù)。GIS提供地理信息，如建筑物位置、街道形狀等，對(duì)路由協(xié)議十分有幫助，同時(shí)它還能夠計(jì)算最佳行車(chē)路線(xiàn)，定位對(duì)象位置等。顯示系統(tǒng)將車(chē)輛行駛參數(shù)，周?chē)?chē)輛行駛狀況顯示給司機(jī)。結(jié)合GIS支持，則可以顯示車(chē)輛行駛路線(xiàn)，道路情況等。控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)執(zhí)行控制指令，如緊急剎車(chē)等。它一種可能的實(shí)現(xiàn)是與控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network，CAN)總線(xiàn)相連，傳達(dá)控制指令。

2.不斷轉(zhuǎn)換自己的角色，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)查研究工作的有效指導(dǎo)。作為黨的主席，毛澤東首先要抓全局性、方向性的工作，這不僅是重要的，而且是必須的。這時(shí)，他發(fā)揮的是指揮員的角色。1961年3月13日，毛澤東主持三南會(huì)議，并發(fā)表講話(huà)。他說(shuō)，“省委第一書(shū)記要親自做調(diào)查研究，我也是第一書(shū)記，我只抓第一書(shū)記。其他的書(shū)記也要做調(diào)查研究，由你們負(fù)責(zé)去抓。只要省、地、縣、社四級(jí)黨委的第一書(shū)記都做調(diào)查研究，事情就好辦了。”［3］252

控制中心是車(chē)載系統(tǒng)的核心，它不但分析各個(gè)部件輸入的相關(guān)數(shù)據(jù)，還根據(jù)這些數(shù)據(jù)，制定策略，作為控制消息發(fā)送到相關(guān)模塊執(zhí)行。通信模塊、GPS、傳感器和GIS是信息輸入模塊，控制中心分析這些信息，發(fā)出控制消息。控制消息傳遞到相關(guān)模塊，如通信模塊、機(jī)械控制系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)。它執(zhí)行這些命令，完成相應(yīng)操作。

2.車(chē)載自組織網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2描述了VANET在真實(shí)環(huán)境中應(yīng)用的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型。通過(guò)圖2可以看到，VANET網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛與車(chē)輛、車(chē)輛與路旁基礎(chǔ)設(shè)施以及車(chē)輛與行人之間的直接或多跳通信，

整合了便攜式互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)蜂窩網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)、路基數(shù)字多媒體服務(wù)(digital multimedia broadcasting，DMB)的所有功能。

三、車(chē)載自組織網(wǎng)與MANET對(duì)比的主要特點(diǎn)

VANET是傳統(tǒng)的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)(MANET)在交通道路上的應(yīng)用，是一種特殊的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)。由于車(chē)輛節(jié)點(diǎn)不同于一般的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)使得VANET具有其獨(dú)特的屬性，與MANET有較大的區(qū)別。相對(duì)于MANET來(lái)說(shuō)，VANET的主要特點(diǎn)如：(1)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)空間受地理環(huán)境約束；(2)節(jié)點(diǎn)的快速運(yùn)動(dòng)與可估算的軌跡；(3)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目龐大；(4)節(jié)點(diǎn)的能量不受約束。

圖2 VANET網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

四、車(chē)載自組織網(wǎng)的應(yīng)用發(fā)展

1.車(chē)載自組織網(wǎng)的典型應(yīng)用

當(dāng)VANET能高效地在車(chē)輛間傳輸信息時(shí)，其具有廣泛的應(yīng)用如：(1)安全預(yù)警，通過(guò)車(chē)輛間信息的交換獲得其周?chē)慕煌ōh(huán)境信息，使得駕駛員能根據(jù)相應(yīng)的情況及時(shí)的采取規(guī)避措施；(2)協(xié)助駕駛，VANET可以使車(chē)輛能夠獲得大范圍內(nèi)的交通信息，以指導(dǎo)駕駛員避開(kāi)危險(xiǎn)、擁塞的路段，選擇最好的道路行駛，快速安全的到達(dá)目的地；(3)交通信息收集，VANET中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以快速地收集其通信范圍節(jié)點(diǎn)的信息，并通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的交換，獲得更大區(qū)域的交通信息；(4)提供信息服務(wù)，比如ETC、移動(dòng)辦公場(chǎng)所、主干網(wǎng)接入、多媒體傳輸?shù)取?/p>

2.世界各國(guó)各大汽車(chē)廠(chǎng)商啟動(dòng)的車(chē)載自組織網(wǎng)的應(yīng)用項(xiàng)目

鑒于VANET在智能交通系統(tǒng)中的基礎(chǔ)性作用，世界各大汽車(chē)廠(chǎng)商相繼啟動(dòng)了一些大型項(xiàng)目。

CarTALK 2000是由歐洲發(fā)起的，它研究車(chē)輛間相互通信，通過(guò)車(chē)間的對(duì)話(huà)，互相交換信息來(lái)幫助司機(jī)做出正確的駕駛行為，其目的是提高行車(chē)安全和輔助駕駛。該項(xiàng)目由8個(gè)部分構(gòu)成，輔助司機(jī)針對(duì)行駛過(guò)程中的各種問(wèn)題來(lái)采取正確的措施，如：選擇通暢的道路行駛，對(duì)前方的交通事故及時(shí)采取規(guī)避措施等。

FIeetNet項(xiàng)目是以移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的通信技術(shù)為基礎(chǔ)，研究能在車(chē)輛間高效地轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的V2V通信系統(tǒng)，使車(chē)輛之間能實(shí)時(shí)的交互一些有關(guān)安全方面、車(chē)輛密度、查詢(xún)等信息。

Car 2 Car Communication Consortium(簡(jiǎn)稱(chēng)C2C CC)項(xiàng)目由歐洲汽車(chē)制造商寶馬、大眾、克萊斯勒、雷諾、歐寶、沃爾沃發(fā)起，采取部署RSU來(lái)輔助信息傳輸，通過(guò)制定通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一的接口，使得車(chē)輛之間能夠傳輸數(shù)據(jù)。其目標(biāo)是將該通信協(xié)議制定為公開(kāi)的歐洲標(biāo)準(zhǔn)。

WILLWARN項(xiàng)目是PReVENT的一個(gè)部分，其研究的內(nèi)容是當(dāng)?shù)缆烦霈F(xiàn)緊急交通狀況時(shí)，能及時(shí)為附近道路上的車(chē)輛提供預(yù)警信息，使車(chē)輛能提前采取規(guī)避措施，防止事故的發(fā)生。

ADASE項(xiàng)目是通過(guò)部署路邊設(shè)施來(lái)輔助傳輸安全信息，實(shí)現(xiàn)在發(fā)生事故前，車(chē)輛就能夠規(guī)避危險(xiǎn)。

COMCAR項(xiàng)目開(kāi)創(chuàng)性的將移動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)用到車(chē)輛間通信中，因?yàn)檐?chē)輛的通信也是一種交互式的移動(dòng)通信，也是實(shí)現(xiàn)V2V通信必須要面對(duì)的難點(diǎn)。

DRIVE項(xiàng)目是為車(chē)輛提供視頻音頻下載、上網(wǎng)查詢(xún)等增值應(yīng)用，提高車(chē)內(nèi)辦公水平及乘坐的舒適性。

五、車(chē)載自組織網(wǎng)的技術(shù)發(fā)展難點(diǎn)

由于VANET的特殊性，使得VANET技術(shù)發(fā)展面臨許多新的難點(diǎn)：(1)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化極快，鏈路壽命短暫；(2)網(wǎng)絡(luò)分割嚴(yán)重，道路的分布決定了車(chē)輛節(jié)點(diǎn)的位置分布。在城市環(huán)境中，由于街道的劃分，會(huì)形成拓?fù)淇斩矗欢卩l(xiāng)村、市郊等偏遠(yuǎn)地區(qū)車(chē)輛節(jié)點(diǎn)稀疏，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不連通；(3)廣播風(fēng)暴問(wèn)題，在城市環(huán)境中，尤其是在一些熱點(diǎn)地區(qū)，其節(jié)點(diǎn)密度很高，如果大量節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)包就極易產(chǎn)生傳輸碰撞，帶來(lái)廣播風(fēng)暴問(wèn)題；(4)節(jié)點(diǎn)安全性，由于在VANET中，節(jié)點(diǎn)可以隨自己組建或者加入別的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)傳輸隱私信息時(shí)，如何審核網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)是安全可靠的是一個(gè)必須解決的難點(diǎn)問(wèn)題；(5)無(wú)線(xiàn)信道的固有特性：在無(wú)線(xiàn)通信方面，VANET呈現(xiàn)出了不利的特性，如多個(gè)反射物體會(huì)造成信號(hào)的強(qiáng)度和質(zhì)量的衰弱。此外，鑒于周?chē)矬w和節(jié)點(diǎn)本身所具有的移動(dòng)特性，衰減效應(yīng)也不可忽略。

從上文所分析的VANET技術(shù)發(fā)展方面的遇到挑戰(zhàn)可以看到，VANET的發(fā)展建立在跨學(xué)科的研究和應(yīng)用之上，這些領(lǐng)域不僅涉及到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信和汽車(chē)電子，還牽涉到交通、道路運(yùn)營(yíng)管理以及信息與服務(wù)提供等方面。因此，將VANET視為智能交通系統(tǒng)，重要組成及核心部分的論斷確鑿無(wú)疑。

六、結(jié)語(yǔ)

目前，就全球范圍來(lái)看，只要解決好車(chē)載自組網(wǎng)VANET發(fā)展中的一些關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題(如：無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)、信道共享技術(shù)、數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)、車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸控制、通信安全問(wèn)題、車(chē)輛運(yùn)動(dòng)建模等)，走多學(xué)科協(xié)同研究發(fā)展的的道路，就能克服VANET發(fā)展中的難點(diǎn)，VANET就能為智能交通系統(tǒng)以及車(chē)聯(lián)網(wǎng)更好的服務(wù)，VANET最終成為ITS的最高形式及最終歸宿，并成為道路交通發(fā)展方向的目標(biāo)就能夠?qū)崿F(xiàn)。