車載物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用分析

1 車載物聯(lián)網(wǎng)

　　車載物聯(lián)網(wǎng)是一項(xiàng)新興技術(shù)，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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。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(zhuǎn)發(fā)的方式，車載網(wǎng)絡(luò)能夠讓兩個(gè)在信號(hào)范圍之外的車輛也建立通信連接。車載網(wǎng)絡(luò)將成為未來智能交通系統(tǒng)的重要組成部分。

　　當(dāng)前的智能交通系統(tǒng)嚴(yán)重依賴于預(yù)先部署的基礎(chǔ)設(shè)施。例如，嵌入路面的電磁感應(yīng)器，部署在主要道路交叉口的交通攝像頭，高速公路收費(fèi)口安裝的射頻標(biāo)簽（RFID）讀取器。通常，一個(gè)收集和發(fā)布交通信息的典型過程如下：首先，路面傳感器對(duì)車流的速度、密度進(jìn)行檢測(cè)，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(bào)告可以通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳遞到用戶的手機(jī)。這樣來傳播與位置相關(guān)的信息是一個(gè)昂貴和低效的方式，因?yàn)橥ǔＰ畔⒃春托畔⑾M(fèi)者的實(shí)際距離只有幾百米遠(yuǎn)。

　　車載網(wǎng)絡(luò)的短距離通信能力將會(huì)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(chǎn)生、傳播和消費(fèi)。

　　本質(zhì)上車載物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)巨大的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。每一輛汽車都可以被視為一個(gè)超級(jí)傳感器節(jié)點(diǎn)。通常一輛汽車裝備有內(nèi)部和外部溫度計(jì)、亮度傳感器、一個(gè)或多個(gè)攝像頭、麥克風(fēng)、超聲波雷達(dá)，以及許多其他裝備。此外，未來的汽車將配備一個(gè)車載計(jì)算機(jī)、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(luò)擴(kuò)展了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)整個(gè)世界的感知與控制能力，并且可以讓信息在本地產(chǎn)生和共享，不必涉及龐大的基礎(chǔ)設(shè)施。

　　未來的汽車和車載網(wǎng)絡(luò)為人們提供了一系列應(yīng)用。車載網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用可分為4個(gè)類別。

　　1.1 安全應(yīng)用

　　安全應(yīng)用包括碰撞預(yù)警、電子路牌、紅綠燈警告、網(wǎng)上車輛診斷、道路濕滑檢測(cè)等。通常這類應(yīng)用利用短距離通信實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)來為司機(jī)提供即時(shí)警告。

　　1.2 效率應(yīng)用

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

　　1.3 商業(yè)應(yīng)用

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

　　1.4 信息娛樂應(yīng)用

　　信息娛樂應(yīng)用包括視頻和音樂共享、基于位置的餐廳評(píng)論、拼車、社交網(wǎng)絡(luò)等。實(shí)際上，信息娛樂的一些應(yīng)用，如福特SYNC[1]和起亞UVO，已成為當(dāng)前汽車市場(chǎng)的一個(gè)引人注目的亮點(diǎn)。信息娛樂系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化將是必然趨勢(shì)。

　　在車載網(wǎng)絡(luò)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(fèi)者。傳統(tǒng)智能交通系統(tǒng)由各國(guó)政府主導(dǎo)進(jìn)行投資和實(shí)施，其他少數(shù)幾個(gè)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(luò)將吸引更多的參與者，并使他們從車載網(wǎng)絡(luò)中獲取巨大的商業(yè)利潤(rùn)。首先，汽車制造商將很樂于開發(fā)裝備車載網(wǎng)絡(luò)的汽車，這將增強(qiáng)汽車的安全性，并提供更豐富的車內(nèi)娛樂系統(tǒng)，從而進(jìn)一步提高其汽車的競(jìng)爭(zhēng)力。汽車電子化是一種必然趨勢(shì)，安全系統(tǒng)和信息娛樂系統(tǒng)的電子化是進(jìn)程的兩個(gè)主要方面。福特SYNC車載信息娛樂系統(tǒng)是一個(gè)非常成功的例子。其次，本地零售商及服務(wù)商也將非常感興趣，車載網(wǎng)絡(luò)將十分方便地傳播他們的促銷信息以及推廣他們的服務(wù)。車載網(wǎng)絡(luò)會(huì)帶來激烈的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)。最后，毫無疑問，這些增強(qiáng)的安全性、提高的效率、價(jià)廉物美的商品、豐富的娛樂應(yīng)用等將吸引更多的消費(fèi)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(shù)

　　無線個(gè)人局域網(wǎng)（WPAN）在消費(fèi)電子產(chǎn)品（包括汽車電子產(chǎn)品）領(lǐng)域取得了巨大成功。福特的SYNC是一個(gè)很好的例子。它通過藍(lán)牙技術(shù)將司機(jī)的手機(jī)連接到汽車的音響系統(tǒng)，因而司機(jī)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(chǎn)降低了成本，802.11a/b/g無線局域網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)被廣泛使用。雖然802.11a/b/g最初不是針對(duì)車載環(huán)境而設(shè)計(jì)的，但由于其被廣泛使用帶來的優(yōu)勢(shì)，許多研究人員在車載環(huán)境中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，對(duì)802.11a/b/g在車載環(huán)境中的應(yīng)用進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。802.11p和專用短程通信（DSRC）標(biāo)準(zhǔn)對(duì)802.11標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了擴(kuò)充，以使其能夠適應(yīng)車載環(huán)境的無線通信。802.11p技術(shù)使用5.9 GHz頻段，能夠在移動(dòng)的車輛之間，以及移動(dòng)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(xiàng)新興技術(shù)。無線城域網(wǎng)能夠以不同的方式提供長(zhǎng)距離傳輸，例如，兩個(gè)固定位置的節(jié)點(diǎn)之間的通信，以及類似于蜂窩系統(tǒng)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通信。然而，目前為止，最常見的車載通信技術(shù)還基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，通常稱之為汽車遠(yuǎn)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(shù)。一些地理信息系統(tǒng)公司，如TomTom和Garmin等，也使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)來傳輸實(shí)時(shí)交通信息。通常情況下，基于蜂窩的遠(yuǎn)程信息處理是一種基于用戶訂閱的有償服務(wù)。

　　本文認(rèn)為在不久的將來車載通信將建立于一種混合式的架構(gòu)，如圖1所示。在這種混合架構(gòu)中，長(zhǎng)距離通信技術(shù)，如蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WiMAX，能夠?yàn)槿藗兲峁┘磿r(shí)的互聯(lián)網(wǎng)接入；而短距離通信技術(shù)，如DSRC、Wi-Fi（即802.11a/b/g），則能夠?yàn)榘踩到y(tǒng)提供實(shí)時(shí)響應(yīng)的保障以及為基于位置的信息服務(wù)提供有效支持。

　　本文認(rèn)為車載自組織網(wǎng)絡(luò)（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(luò)依靠短距離通信技術(shù)實(shí)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(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)相比，車載自組織網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)主要優(yōu)勢(shì)：首先，車載自組織網(wǎng)絡(luò)具有成本低、容易部署和操作的優(yōu)勢(shì)。消費(fèi)者無需訂閱即可享受服務(wù)。其次，從技術(shù)角度來看，智能交通系統(tǒng)中傳播的很多信息有很強(qiáng)的位置相關(guān)性，車載自組織網(wǎng)絡(luò)能夠很方便地為臨近車輛建立實(shí)時(shí)或者非實(shí)時(shí)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(luò)所獨(dú)有的特性給人們提來了前所未有的挑戰(zhàn)，然而，與此同時(shí)，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(luò)分3層：鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。各網(wǎng)絡(luò)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(yīng)獨(dú)特的車輛運(yùn)行環(huán)境，使鏈路層獲得最佳性能。鏈路層協(xié)議包括3個(gè)主要設(shè)計(jì)目標(biāo)：響應(yīng)能力、可靠性和可擴(kuò)展性。首先，鏈路層協(xié)議需要能夠?qū)π诺罈l件和車輛的移動(dòng)性快速響應(yīng)，同時(shí)協(xié)議的可靠性和可擴(kuò)展性對(duì)與安全相關(guān)的應(yīng)用也起著重要的作用。一些傳統(tǒng)的鏈路層協(xié)議的設(shè)計(jì)方法，如無線接入點(diǎn)（AP）握手、媒體訪問控制（MAC）層超時(shí)管理、地址解析協(xié)議（ARP）超時(shí)等，在高速移動(dòng)的車載環(huán)境中已顯示出低下的性能。這些傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法通常會(huì)導(dǎo)致增加的啟動(dòng)延時(shí)、未充分利用的帶寬，以及帶寬的不公平分配。

　　實(shí)際上，可擴(kuò)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(shù)也是重要的研究問題之一。目前的可靠廣播技術(shù)一般包括重復(fù)廣播、合作式傳遞、發(fā)射功率自適應(yīng)等。但是，總的來說，可靠性和可擴(kuò)展性仍然值得進(jìn)一步深入研究，特別是針對(duì)車輛安全系統(tǒng)的應(yīng)用，因?yàn)樽罱K用戶對(duì)車輛安全系統(tǒng)要求很高。

　　3.2 網(wǎng)絡(luò)層面臨的挑戰(zhàn)

　　在網(wǎng)絡(luò)層，面臨的主要挑戰(zhàn)是建立一個(gè)新的路由模式，以促進(jìn)車載網(wǎng)絡(luò)的信息傳播。在過去10年中，無線自組織網(wǎng)絡(luò)方面得到廣泛研究。特別是，研究人員為車載網(wǎng)絡(luò)提出了許多具有環(huán)境自適應(yīng)能力的路由協(xié)議，如MDDV和VADD。這些協(xié)議利用車輛的移動(dòng)性，通過GPS定位技術(shù)、數(shù)字地圖技術(shù)，在車載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中提高數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)性能。從本質(zhì)上講，這些協(xié)議都是針對(duì)以數(shù)據(jù)包為基本單位而設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)包在從源到目的地的整個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)過程中都保持不變。然而，這種基于分組轉(zhuǎn)發(fā)的模式已不能適應(yīng)以信息為中心的應(yīng)用需求。首先，對(duì)于某些應(yīng)用轉(zhuǎn)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(diǎn)共同產(chǎn)生，然后傳遞給另一些節(jié)點(diǎn)。其次，信息在傳遞的過程中會(huì)被修改。如在交通阻塞的檢測(cè)中，每部車都能產(chǎn)生交通擁塞報(bào)告，而這個(gè)報(bào)告可以和其他臨近的車輛產(chǎn)生的報(bào)告相融合。所有向擁塞地點(diǎn)行駛的車輛是這些報(bào)告的接收者。在這類應(yīng)用中，人們事先并不知道什么時(shí)間、什么地點(diǎn)、哪些車輛會(huì)產(chǎn)生報(bào)告，人們也不知道誰會(huì)成為接收者。有一些基于分組轉(zhuǎn)發(fā)的路由協(xié)議，例如多播技術(shù)和基于位置的廣播技術(shù)，能夠部分解決這類應(yīng)用的需求。然而，從本質(zhì)上講，人們需要一個(gè)新的路由模式，能夠?yàn)橐孕畔橹行牡臄?shù)據(jù)傳輸提供支持，這個(gè)模式將能夠有助于信息的產(chǎn)生，融合，傳播和刪除。

　　3.3 應(yīng)用層面臨的挑戰(zhàn)

　　在應(yīng)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(chǔ)和更新整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息。

　　命名和尋址是車載網(wǎng)絡(luò)的核心問題。如何有效地將真實(shí)世界的信息建立索引，以方便信息存儲(chǔ)和傳播，是一個(gè)有待研究的問題。本文認(rèn)為尋址將采用混合型、多層次的方案，真實(shí)世界的環(huán)境信息將起重要作用。命名和尋址政策對(duì)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(dòng)性，另一個(gè)挑戰(zhàn)是如何動(dòng)態(tài)地將車輛的標(biāo)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(nèi)的所有車輛列表。這個(gè)問題對(duì)于整個(gè)混合網(wǎng)絡(luò)體系都有非常重要的影響。本文認(rèn)為可以在車輛以及路邊基站上實(shí)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(gè)問題。

　　分布式數(shù)據(jù)管理是另一個(gè)車載網(wǎng)絡(luò)中具有挑戰(zhàn)性的問題。它包括數(shù)據(jù)復(fù)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(tái)服務(wù)器連接在同一網(wǎng)絡(luò)，這在車載自組織網(wǎng)絡(luò)中不再成立。從本質(zhì)上講，人們可以把車載網(wǎng)絡(luò)看作一個(gè)巨大的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，其中每個(gè)車輛維護(hù)一個(gè)本地的數(shù)據(jù)庫(kù)。車和車間不定期交換數(shù)據(jù)，從而逐步更新全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。從全局的角度來說，不一致性不可避免。為此，一個(gè)研究問題是如何以最小的開銷來維護(hù)一個(gè)相對(duì)一致的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　4 車載物聯(lián)網(wǎng)中的信息傳播

　　本文認(rèn)為車載網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)以信息為中心的分布式系統(tǒng)，信息在網(wǎng)絡(luò)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(gè)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(gè)特定的地理區(qū)域里將信息傳遞給一個(gè)或一組節(jié)點(diǎn)。信息傳播的目的地是網(wǎng)絡(luò)中的特定的單個(gè)節(jié)點(diǎn)或者一組指定的節(jié)點(diǎn)組，甚至可能是一組未知節(jié)點(diǎn)。宏觀信息傳播的目的是減少信息傳遞延時(shí)，減少傳遞開銷（包括存儲(chǔ)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(diǎn)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(chǔ)設(shè)施之上，也可以不依賴基礎(chǔ)設(shè)施。Jedrzej等提出建立于蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上的P2P疊加網(wǎng)絡(luò)。車輛通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)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(luò)的方式來實(shí)現(xiàn)非安全應(yīng)用的信息共享、發(fā)現(xiàn)和交換。然而，由于基礎(chǔ)設(shè)施提供的服務(wù)通常是付費(fèi)訂閱的方式，這實(shí)際上限制了消費(fèi)者的數(shù)量。與基于基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)相比，相對(duì)廉價(jià)的自組織網(wǎng)絡(luò)方案顯得更有吸引力。另一方面，大多數(shù)的非安全應(yīng)用沒有嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性要求，因而，當(dāng)前的一項(xiàng)研究熱點(diǎn)是以容遲的方式來實(shí)現(xiàn)車載自組織網(wǎng)絡(luò)的信息傳播。研究者提出了一些通用的容遲網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，如流行性路由。

　　在車載自組織網(wǎng)絡(luò)中，信息的傳播、緩存和融合都有過相應(yīng)的研究。然而，在車載自組織網(wǎng)絡(luò)中，大多數(shù)類型的信息中并不包括任何目標(biāo)車輛的先驗(yàn)知識(shí)，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(huì)產(chǎn)生并發(fā)出一個(gè)查詢，且希望其臨近車輛能盡快響應(yīng)。

　　傳統(tǒng)的包路由已不能適應(yīng)以信息為中心的應(yīng)用，人們需要建立一個(gè)全新信息路由模式。首先，需要定義信息路由的目的地。對(duì)大多數(shù)人而言，傳播的目的地是一個(gè)虛擬的概念。它受時(shí)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(dāng)時(shí)時(shí)空條件的車輛。有兩個(gè)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(duì)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(luò)技術(shù)市場(chǎng)化的初級(jí)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(dāng)制訂推模式的策略時(shí)，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(luò)信息來預(yù)測(cè)和控制傳播。