車載物聯(lián)網(wǎng)的應用分析

1 車載物聯(lián)網(wǎng)

　　車載物聯(lián)網(wǎng)是一項新興技術，可以大幅提高未來交通系統(tǒng)的安全和效率，并將車輛連接到計算機網(wǎng)絡。車載物聯(lián)網(wǎng)能夠在行駛中的車輛之間建立無線通信，也能夠在過路車輛和路邊基站之間建立無線通信。利用多跳轉發(fā)的方式，車載網(wǎng)絡能夠讓兩個在信號范圍之外的車輛也建立通信連接。車載網(wǎng)絡將成為未來智能交通系統(tǒng)的重要組成部分。

　　當前的智能交通系統(tǒng)嚴重依賴于預先部署的基礎設施。例如，嵌入路面的電磁感應器，部署在主要道路交叉口的交通攝像頭，高速公路收費口安裝的射頻標簽（RFID）讀取器。通常，一個收集和發(fā)布交通信息的典型過程如下：首先，路面?zhèn)鞲衅鲗嚵鞯乃俣取⒚芏冗M行檢測，然后上傳到城市交通中心。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理之后，流量報告可以通過蜂窩網(wǎng)絡傳遞到用戶的手機。這樣來傳播與位置相關的信息是一個昂貴和低效的方式，因為通常信息源和信息消費者的實際距離只有幾百米遠。

　　車載網(wǎng)絡的短距離通信能力將會改變這種傳統(tǒng)的智能交通系統(tǒng)的通信模式，以更直接的方式幫助信息的產生、傳播和消費。

　　本質上車載物聯(lián)網(wǎng)是一個巨大的無線傳感器網(wǎng)絡。每一輛汽車都可以被視為一個超級傳感器節(jié)點。通常一輛汽車裝備有內部和外部溫度計、亮度傳感器、一個或多個攝像頭、麥克風、超聲波雷達，以及許多其他裝備。此外，未來的汽車將配備一個車載計算機、GPS定位儀和無線收發(fā)裝置。這使得汽車之間，以及汽車和路邊基站之間能夠無線通信。這種前所未有的無線傳感器網(wǎng)絡擴展了計算機系統(tǒng)對整個世界的感知與控制能力，并且可以讓信息在本地產生和共享，不必涉及龐大的基礎設施。

　　未來的汽車和車載網(wǎng)絡為人們提供了一系列應用。車載網(wǎng)絡的應用可分為4個類別。

　　1.1 安全應用

　　安全應用包括碰撞預警、電子路牌、紅綠燈警告、網(wǎng)上車輛診斷、道路濕滑檢測等。通常這類應用利用短距離通信實時性的特點來為司機提供即時警告。

　　1.2 效率應用

　　效率應用包括城市交通管理、交通擁塞檢測、路徑規(guī)劃、公路收費、公共交通管理等。這類應用致力于改善公眾和個人的出行效率。

　　1.3 商業(yè)應用

　　商業(yè)應用包括基于位置的服務，將帶給人們巨大的商機。這些商業(yè)應用的種類繁多，如，最近的餐館、最便宜的加油站、商場促銷信息等。這些可能的商業(yè)應用將為服務業(yè)帶來新的競爭手段。

　　1.4 信息娛樂應用

　　信息娛樂應用包括視頻和音樂共享、基于位置的餐廳評論、拼車、社交網(wǎng)絡等。實際上，信息娛樂的一些應用，如福特SYNC[1]和起亞UVO，已成為當前汽車市場的一個引人注目的亮點。信息娛樂系統(tǒng)的網(wǎng)絡化將是必然趨勢。

　　在車載網(wǎng)絡的發(fā)展過程中，有4類參與者將起到積極的作用。4類參與者為政府、汽車制造商、本地零售商和消費者。傳統(tǒng)智能交通系統(tǒng)由各國政府主導進行投資和實施，其他少數(shù)幾個地理信息系統(tǒng)（GIS）公司，如谷歌、Garmin、TomTom等公司也參與了交通信息的采集和發(fā)布。然而，未來的車載網(wǎng)絡將吸引更多的參與者，并使他們從車載網(wǎng)絡中獲取巨大的商業(yè)利潤。首先，汽車制造商將很樂于開發(fā)裝備車載網(wǎng)絡的汽車，這將增強汽車的安全性，并提供更豐富的車內娛樂系統(tǒng)，從而進一步提高其汽車的競爭力。汽車電子化是一種必然趨勢，安全系統(tǒng)和信息娛樂系統(tǒng)的電子化是進程的兩個主要方面。福特SYNC車載信息娛樂系統(tǒng)是一個非常成功的例子。其次，本地零售商及服務商也將非常感興趣，車載網(wǎng)絡將十分方便地傳播他們的促銷信息以及推廣他們的服務。車載網(wǎng)絡會帶來激烈的商業(yè)競爭。最后，毫無疑問，這些增強的安全性、提高的效率、價廉物美的商品、豐富的娛樂應用等將吸引更多的消費者，并使他們成為最終受益人。

　　2 車載物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術

　　無線個人局域網(wǎng)（WPAN）在消費電子產品（包括汽車電子產品）領域取得了巨大成功。福特的SYNC是一個很好的例子。它通過藍牙技術將司機的手機連接到汽車的音響系統(tǒng)，因而司機可以在行駛中通過語音命令播放音樂或撥打電話。由于大規(guī)模生產降低了成本，802.11a/b/g無線局域網(wǎng)技術已經(jīng)被廣泛使用。雖然802.11a/b/g最初不是針對車載環(huán)境而設計的，但由于其被廣泛使用帶來的優(yōu)勢，許多研究人員在車載環(huán)境中進行了實驗，對802.11a/b/g在車載環(huán)境中的應用進行了一系列實驗。802.11p和專用短程通信（DSRC）標準對802.11標準進行了擴充，以使其能夠適應車載環(huán)境的無線通信。802.11p技術使用5.9 GHz頻段，能夠在移動的車輛之間，以及移動車輛和路邊基站之間建立短距離無線通信。無線城域網(wǎng)（WMAN），也稱為WiMAX（即IEEE 802.16），是另一項新興技術。無線城域網(wǎng)能夠以不同的方式提供長距離傳輸，例如，兩個固定位置的節(jié)點之間的通信，以及類似于蜂窩系統(tǒng)的移動節(jié)點通信。然而，目前為止，最常見的車載通信技術還基于蜂窩網(wǎng)絡，通常稱之為汽車遠程信息處理。通用汽車的OnStar系統(tǒng)和福特的RESCU系統(tǒng)都基于這一類技術。一些地理信息系統(tǒng)公司，如TomTom和Garmin等，也使用蜂窩網(wǎng)絡來傳輸實時交通信息。通常情況下，基于蜂窩的遠程信息處理是一種基于用戶訂閱的有償服務。

　　本文認為在不久的將來車載通信將建立于一種混合式的架構，如圖1所示。在這種混合架構中，長距離通信技術，如蜂窩網(wǎng)絡和WiMAX，能夠為人們提供即時的互聯(lián)網(wǎng)接入；而短距離通信技術，如DSRC、Wi-Fi（即802.11a/b/g），則能夠為安全系統(tǒng)提供實時響應的保障以及為基于位置的信息服務提供有效支持。

　　本文認為車載自組織網(wǎng)絡（VANET）將在未來智能交通系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。車載自組織網(wǎng)絡依靠短距離通信技術實現(xiàn)車與車以及車與路邊基站之間的通信。與傳統(tǒng)的基礎設施網(wǎng)絡相比，車載自組織網(wǎng)絡有兩個主要優(yōu)勢：首先，車載自組織網(wǎng)絡具有成本低、容易部署和操作的優(yōu)勢。消費者無需訂閱即可享受服務。其次，從技術角度來看，智能交通系統(tǒng)中傳播的很多信息有很強的位置相關性，車載自組織網(wǎng)絡能夠很方便地為臨近車輛建立實時或者非實時的短距離通信。

　　3 車載物聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

　　車載網(wǎng)絡所獨有的特性給人們提來了前所未有的挑戰(zhàn)，然而，與此同時，這些特性也使人們能夠從與以往不同的角度去思考和解決問題。

　　車載網(wǎng)絡分3層：鏈路層、網(wǎng)絡層和應用層。各網(wǎng)絡協(xié)議層面臨不同的挑戰(zhàn)。

　　3.1 鏈路層面臨的挑戰(zhàn)

　　在鏈路層，面臨的主要挑戰(zhàn)是如何使鏈路層協(xié)議適應獨特的車輛運行環(huán)境，使鏈路層獲得最佳性能。鏈路層協(xié)議包括3個主要設計目標：響應能力、可靠性和可擴展性。首先，鏈路層協(xié)議需要能夠對信道條件和車輛的移動性快速響應，同時協(xié)議的可靠性和可擴展性對與安全相關的應用也起著重要的作用。一些傳統(tǒng)的鏈路層協(xié)議的設計方法，如無線接入點（AP）握手、媒體訪問控制（MAC）層超時管理、地址解析協(xié)議（ARP）超時等，在高速移動的車載環(huán)境中已顯示出低下的性能。這些傳統(tǒng)的設計方法通常會導致增加的啟動延時、未充分利用的帶寬，以及帶寬的不公平分配。

　　實際上，可擴展性和可靠性在一定程度上互相影響，互相作用?？煽繌V播技術也是重要的研究問題之一。目前的可靠廣播技術一般包括重復廣播、合作式傳遞、發(fā)射功率自適應等。但是，總的來說，可靠性和可擴展性仍然值得進一步深入研究，特別是針對車輛安全系統(tǒng)的應用，因為最終用戶對車輛安全系統(tǒng)要求很高。

　　3.2 網(wǎng)絡層面臨的挑戰(zhàn)

　　在網(wǎng)絡層，面臨的主要挑戰(zhàn)是建立一個新的路由模式，以促進車載網(wǎng)絡的信息傳播。在過去10年中，無線自組織網(wǎng)絡方面得到廣泛研究。特別是，研究人員為車載網(wǎng)絡提出了許多具有環(huán)境自適應能力的路由協(xié)議，如MDDV和VADD。這些協(xié)議利用車輛的移動性，通過GPS定位技術、數(shù)字地圖技術，在車載網(wǎng)絡環(huán)境中提高數(shù)據(jù)包的轉發(fā)性能。從本質上講，這些協(xié)議都是針對以數(shù)據(jù)包為基本單位而設計。數(shù)據(jù)包在從源到目的地的整個轉發(fā)過程中都保持不變。然而，這種基于分組轉發(fā)的模式已不能適應以信息為中心的應用需求。首先，對于某些應用轉發(fā)路由沒有明確的數(shù)據(jù)源和目的地。信息由某些節(jié)點共同產生，然后傳遞給另一些節(jié)點。其次，信息在傳遞的過程中會被修改。如在交通阻塞的檢測中，每部車都能產生交通擁塞報告，而這個報告可以和其他臨近的車輛產生的報告相融合。所有向擁塞地點行駛的車輛是這些報告的接收者。在這類應用中，人們事先并不知道什么時間、什么地點、哪些車輛會產生報告，人們也不知道誰會成為接收者。有一些基于分組轉發(fā)的路由協(xié)議，例如多播技術和基于位置的廣播技術，能夠部分解決這類應用的需求。然而，從本質上講，人們需要一個新的路由模式，能夠為以信息為中心的數(shù)據(jù)傳輸提供支持，這個模式將能夠有助于信息的產生，融合，傳播和刪除。

　　3.3 應用層面臨的挑戰(zhàn)

　　在應用層，人們所面臨的主要挑戰(zhàn)是如何效地表示、發(fā)現(xiàn)、存儲和更新整個網(wǎng)絡的信息。

　　命名和尋址是車載網(wǎng)絡的核心問題。如何有效地將真實世界的信息建立索引，以方便信息存儲和傳播，是一個有待研究的問題。本文認為尋址將采用混合型、多層次的方案，真實世界的環(huán)境信息將起重要作用。命名和尋址政策對系統(tǒng)中的其他協(xié)議，如路由和信息發(fā)現(xiàn)有重大影響。由于車輛的高移動性，另一個挑戰(zhàn)是如何動態(tài)地將車輛的標簽（ID）映射到基于位置的地址，如在基于位置的廣播中，人們需要知道在某一區(qū)域內的所有車輛列表。這個問題對于整個混合網(wǎng)絡體系都有非常重要的影響。本文認為可以在車輛以及路邊基站上實現(xiàn)類似地址解析協(xié)議/反向地址解析協(xié)議（ARP/RARP）來幫助解決這個問題。

　　分布式數(shù)據(jù)管理是另一個車載網(wǎng)絡中具有挑戰(zhàn)性的問題。它包括數(shù)據(jù)復制、數(shù)據(jù)刪除、緩存管理等一系列問題。傳統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)管理假定在地理上分散的多臺服務器連接在同一網(wǎng)絡，這在車載自組織網(wǎng)絡中不再成立。從本質上講，人們可以把車載網(wǎng)絡看作一個巨大的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，其中每個車輛維護一個本地的數(shù)據(jù)庫。車和車間不定期交換數(shù)據(jù)，從而逐步更新全局數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。從全局的角度來說，不一致性不可避免。為此，一個研究問題是如何以最小的開銷來維護一個相對一致的分布式數(shù)據(jù)庫。

　　4 車載物聯(lián)網(wǎng)中的信息傳播

　　本文認為車載網(wǎng)絡是一個以信息為中心的分布式系統(tǒng)，信息在網(wǎng)絡的不同位置生成、收集和發(fā)布。人們可以把信息傳播分為兩個不同的層次：宏觀信息傳播和微觀信息傳播。以信息為中心來發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)需求十分重要。

　　4.1 宏觀信息傳播

　　宏觀信息傳播指在一個特定的地理區(qū)域里將信息傳遞給一個或一組節(jié)點。信息傳播的目的地是網(wǎng)絡中的特定的單個節(jié)點或者一組指定的節(jié)點組，甚至可能是一組未知節(jié)點。宏觀信息傳播的目的是減少信息傳遞延時，減少傳遞開銷（包括存儲開銷和通信開銷），并提高未來查詢的成功率（如果接收節(jié)點是事先未知的）。宏觀信息傳播的研究課題通常包括信息路由、數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)融合等。

　　信息傳播可以建立在基礎設施之上，也可以不依賴基礎設施。Jedrzej等提出建立于蜂窩網(wǎng)絡基礎設施上的P2P疊加網(wǎng)絡。車輛通過蜂窩網(wǎng)絡的基礎設施建立到互聯(lián)網(wǎng)的可靠鏈接，然后這些車輛之間可以以P2P疊加網(wǎng)絡的方式來實現(xiàn)非安全應用的信息共享、發(fā)現(xiàn)和交換。然而，由于基礎設施提供的服務通常是付費訂閱的方式，這實際上限制了消費者的數(shù)量。與基于基礎設施的網(wǎng)絡服務相比，相對廉價的自組織網(wǎng)絡方案顯得更有吸引力。另一方面，大多數(shù)的非安全應用沒有嚴格的實時性要求，因而，當前的一項研究熱點是以容遲的方式來實現(xiàn)車載自組織網(wǎng)絡的信息傳播。研究者提出了一些通用的容遲網(wǎng)絡路由協(xié)議，如流行性路由。

　　在車載自組織網(wǎng)絡中，信息的傳播、緩存和融合都有過相應的研究。然而，在車載自組織網(wǎng)絡中，大多數(shù)類型的信息中并不包括任何目標車輛的先驗知識，因而容遲的數(shù)據(jù)傳播、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)緩存以及數(shù)據(jù)融合密切地聯(lián)系在了一起。任何車輛可能會產生并發(fā)出一個查詢，且希望其臨近車輛能盡快響應。

　　傳統(tǒng)的包路由已不能適應以信息為中心的應用，人們需要建立一個全新信息路由模式。首先，需要定義信息路由的目的地。對大多數(shù)人而言，傳播的目的地是一個虛擬的概念。它受時間、空間和車輛的限制。換句話說，目的地包括的是所有滿足當時時空條件的車輛。有兩個基本的信息傳播模式：拉（Pull）模式和推（Push）模式。拉是指一輛車定期廣播它感興趣的查詢，并從鄰居車輛中獲取數(shù)據(jù)。推模式是指車輛有目的地把信息推入周邊的車輛，使得對此信息感興趣的用戶可以更方便地得到這些信息。在車載網(wǎng)絡技術市場化的初級階段，只有較少比例的車輛具備車載通信能力，通信僅限于一跳，因此推模式更為重要。當制訂推模式的策略時，人們必須考慮到數(shù)據(jù)緩存和融合的潛在影響。人們可以利用啟發(fā)式的周邊信息（如行駛方向、速度、經(jīng)常光顧的地方等）或社交網(wǎng)絡信息來預測和控制傳播。