◆文/湖北 易琨 田煒 盧薦胤 簡偉平

一、車載自組織網(wǎng)概述

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

車聯(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)的一個重要應(yīng)用，是指車、路、人、傳感設(shè)備等實現(xiàn)交互的動態(tài)移動通信系統(tǒng)，可以完成實時車輛監(jiān)控和管理。現(xiàn)在的車聯(lián)網(wǎng)是指利用車載電子傳感器，通過移動無線局域網(wǎng)、車載導(dǎo)航、智能終端與信息網(wǎng)絡(luò)平臺，以車內(nèi)工業(yè)控制局域網(wǎng)、車間網(wǎng)和車載移動互聯(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)，使車與人(Vehicle to Pedestrian，V2P)、車與車(Vehicle to Vehicle，V2V)、車與路(Vehicle to Roadside，V2R)以及車與基礎(chǔ)設(shè)施之間(vehicle to infrastructure，V2I)實時聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)無線數(shù)字、語音、視頻等方面的通信和信息交互，從而對車、人、物、路、地理信息等進行有效智能監(jiān)督管理的大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。一般認(rèn)為車聯(lián)網(wǎng)概念包含Telematics(車載信息通信系統(tǒng)及服務(wù))、 智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation System，ITS)和汽車電子(autoelectronics)三大板塊業(yè)務(wù)。由此看，車聯(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)的車載自組網(wǎng)的基本概念

隨著交通問題的日益突出以及運用智能交通技術(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)前研究的熱點領(lǐng)域之一。作為智能交通系統(tǒng)的一個重要組成部分，車載自組織網(wǎng)(Vehicular Ad Hoc Network,VANET)是智能交通系統(tǒng)的信息承載平臺，近年來受到了越來越多的關(guān)注。

車載自組織網(wǎng)是一種以行駛車輛和路測單元為節(jié)點，節(jié)點間可以通過多跳傳輸進行無線通信的移動自組織網(wǎng)絡(luò)(Mobile Ad HocNetwork,MANET)。由于移動自組織網(wǎng)絡(luò)是一種無線分布式，無中心，自組織的網(wǎng)絡(luò)，而車載自組網(wǎng)也同樣繼承了移動自組網(wǎng)的這些特性，故也稱自組網(wǎng)為移動自組織網(wǎng)絡(luò)在智能交通中的擴展應(yīng)用。

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

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

車載自組織網(wǎng)能夠顯著降低道路交通擁堵、減輕司機操勞動強度，在節(jié)省道路占用土地面積的前提下，實現(xiàn)更加安全、經(jīng)濟、舒適、快捷的城市交通運輸服務(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)就是實現(xiàn)以車載移動終端的高度智能化為核心，以車輛之間的協(xié)調(diào)合作為基礎(chǔ)，促進人、車、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)著未來城市交通的發(fā)展方向，同時也是實現(xiàn)城市交通可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

二、車載自組織網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)

1.車載自組織節(jié)點硬件系統(tǒng)

一般來說，一個完整的VANET節(jié)點硬件系統(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。其中車輛間通信(Inter-vehicle communication，IVC)和車輛與路邊節(jié)點通信(road-tovehicle communication，RVC)構(gòu)成了通信模塊，它使車輛、路邊節(jié)點聯(lián)為一體。并且由于路邊節(jié)點通常與Internet相連，因此車載自組織網(wǎng)能夠訪問Internet資源，或經(jīng)由Internet路由。GPS和DGPS(Differential GPS)負責(zé)采集車輛位置信息，這將為媒介訪問控制(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)置在位置精確測定的地點組成基站?；窘邮誈PS定位信息和本站已知的精確位置相對比計算出位置測定誤差，并將這些誤差作為校正參考值向基站周圍廣播。基站周圍的車載GPS接收設(shè)備收到來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)點硬件系統(tǒng)

傳感器負責(zé)使用激光雷達等設(shè)備偵測前方車距，識別前方障礙物類型。另外，傳感器還采集車輛速度、加速度、偏航速率、發(fā)送機轉(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，對路由協(xié)議十分有幫助，同時它還能夠計算最佳行車路線，定位對象位置等。顯示系統(tǒng)將車輛行駛參數(shù)，周圍車輛行駛狀況顯示給司機。結(jié)合GIS支持，則可以顯示車輛行駛路線，道路情況等?？刂葡到y(tǒng)負責(zé)執(zhí)行控制指令，如緊急剎車等。它一種可能的實現(xiàn)是與控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network，CAN)總線相連，傳達控制指令。

2.不斷轉(zhuǎn)換自己的角色，實現(xiàn)對調(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，他發(fā)揮的是指揮員的角色。1961年3月13日，毛澤東主持三南會議，并發(fā)表講話。他說，“省委第一書記要親自做調(diào)查研究，我也是第一書記，我只抓第一書記。其他的書記也要做調(diào)查研究，由你們負責(zé)去抓。只要省、地、縣、社四級黨委的第一書記都做調(diào)查研究，事情就好辦了。”［3］252

控制中心是車載系統(tǒng)的核心，它不但分析各個部件輸入的相關(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?？刂葡鬟f到相關(guān)模塊，如通信模塊、機械控制系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)。它執(zhí)行這些命令，完成相應(yīng)操作。

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

圖2描述了VANET在真實環(huán)境中應(yīng)用的一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型。通過圖2可以看到，VANET網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了車輛與車輛、車輛與路旁基礎(chǔ)設(shè)施以及車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)、移動蜂窩網(wǎng)、無線局域網(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、車載自組織網(wǎng)與MANET對比的主要特點

VANET是傳統(tǒng)的移動自組織網(wǎng)絡(luò)(MANET)在交通道路上的應(yīng)用，是一種特殊的移動自組織網(wǎng)絡(luò)。由于車輛節(jié)點不同于一般的移動節(jié)點使得VANET具有其獨特的屬性，與MANET有較大的區(qū)別。相對于MANET來說，VANET的主要特點如：(1)節(jié)點移動空間受地理環(huán)境約束；(2)節(jié)點的快速運動與可估算的軌跡；(3)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)目龐大；(4)節(jié)點的能量不受約束。

圖2 VANET網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

四、車載自組織網(wǎng)的應(yīng)用發(fā)展

1.車載自組織網(wǎng)的典型應(yīng)用

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

2.世界各國各大汽車廠商啟動的車載自組織網(wǎng)的應(yīng)用項目

鑒于VANET在智能交通系統(tǒng)中的基礎(chǔ)性作用，世界各大汽車廠商相繼啟動了一些大型項目。

CarTALK 2000是由歐洲發(fā)起的，它研究車輛間相互通信，通過車間的對話，互相交換信息來幫助司機做出正確的駕駛行為，其目的是提高行車安全和輔助駕駛。該項目由8個部分構(gòu)成，輔助司機針對行駛過程中的各種問題來采取正確的措施，如：選擇通暢的道路行駛，對前方的交通事故及時采取規(guī)避措施等。

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

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

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

ADASE項目是通過部署路邊設(shè)施來輔助傳輸安全信息，實現(xiàn)在發(fā)生事故前，車輛就能夠規(guī)避危險。

COMCAR項目開創(chuàng)性的將移動通信技術(shù)應(yīng)用到車輛間通信中，因為車輛的通信也是一種交互式的移動通信，也是實現(xiàn)V2V通信必須要面對的難點。

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

五、車載自組織網(wǎng)的技術(shù)發(fā)展難點

由于VANET的特殊性，使得VANET技術(shù)發(fā)展面臨許多新的難點：(1)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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輛節(jié)點的位置分布。在城市環(huán)境中，由于街道的劃分，會形成拓撲空洞；而在鄉(xiāng)村、市郊等偏遠地區(qū)車輛節(jié)點稀疏，會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不連通；(3)廣播風(fēng)暴問題，在城市環(huán)境中，尤其是在一些熱點地區(qū)，其節(jié)點密度很高，如果大量節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)包就極易產(chǎn)生傳輸碰撞，帶來廣播風(fēng)暴問題；(4)節(jié)點安全性，由于在VANET中，節(jié)點可以隨自己組建或者加入別的車載網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)傳輸隱私信息時，如何審核網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點是安全可靠的是一個必須解決的難點問題；(5)無線信道的固有特性：在無線通信方面，VANET呈現(xiàn)出了不利的特性，如多個反射物體會造成信號的強度和質(zhì)量的衰弱。此外，鑒于周圍物體和節(jié)點本身所具有的移動特性，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)域不僅涉及到計算機網(wǎng)絡(luò)、通信和汽車電子，還牽涉到交通、道路運營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疑。

六、結(jié)語

目前，就全球范圍來看，只要解決好車載自組網(wǎng)VANET發(fā)展中的一些關(guān)鍵性技術(shù)問題(如：無線接入技術(shù)、信道共享技術(shù)、數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)、車輛網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸控制、通信安全問題、車輛運動建模等)，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，VANET就能為智能交通系統(tǒng)以及車聯(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)。