车联网的关键技术及应用研究孙小红.pdf

47 2013 年第 04 期，第 46 卷 通 信 技 术 Vol.46，No.04,2013 总第 256 期 Communications Technology No.256,Totally 车联网的关键技术及应用研究 孙小红 （天津电子信息职业技术学院，天津 300350） 【摘 要】【摘 要】车联网作为物联网的衍生品，在未来智能交通中将发挥极其重要的作用，是人们未来生活 中不可缺少的一个重要组成部分。首先介绍了从物联网到车联网的发展过程，诠释了车联网的概念、分层 的体系架构以及构成要素，通过与现有的智能交通系统、车载信息终端以及车辆自组织网络等几种车辆控 制系统进行对比，分析了车联网独有的特点和优势所在，指出了车联网发展的几个关键技术，最后通过一 个案例对车联网的应用进行了展望。 【关键词】【关键词】物联网；车联网；智能交通系统 【中图分类号】【中图分类号】TP399 【文献标识码】【文献标识码】B 【文章编号】【文章编号】1002-0802(2013)04-0047-04 Key Technology and Its Application of IoV Key Technology and Its Application of IoV SUN Xiao-hong （Tianjin College of Electronic Information Vocational Technology, Tianjin 300350, China） 【Abstract】【Abstract】As a derivative of IoT (the Internet of Things), IoV (the Internet of Vehicle) would play an extremely important role in future intelligent transportation system become an indispensable part in future society. The article describes first the development process from IoT to IoV, explains the concept, layered architecture and components of IoV, and based on comparison of IoV with several existing vehicle control systems, such as intelligent transportation system, vehicle information terminal, and vehicular Ad hoc network, analyzes the unique characteristics and advantages of IoV, then points out that the key technology for developing IoV, and finally with an example, forecasts the future application of IoV. 【 Key words 】【 Key words 】 IoT (Internet of Things); IoV (the Internet of Vehicle); intelligent transportation system 0 引言 2005 年 11 月的信息社会世界峰会(WSIS,World Summit on the Information Scoiety)上， 国际电信联盟 (ITU， International Telecommunication Union)在 ITU 物联网报告 2005： 物联网 报告中首次引用了“物联 网”概念， 使得物联网被人们所熟悉， 但是 ITU 发布 的报告却对于物联网没有一个明确的定语。此后至 2009 年 9 月的物联网与企业环境中欧研讨会上，欧 盟对物联网给出如下的定义：物联网是一个动态的 全球网络基础设施，它具有基于标准和互操作通信 协议的自组织能力，其中物理的和虚拟的“物”具有 身份标识、物理属性、虚拟的特性和智能的接口， 并与信息网络无缝整合。物联网将与媒体互联网、 服务互联网和企业互联网一道，构成未来互联网。 在中国，物联网已被正式列为国家五大新兴战 略性产业之一。2009 年 8 月，温家宝总理在无锡视 察期间，提出在无锡建立中国的传感信息中心，由 此标志中国物联网产业的正式启动1。从概念上来 说，中国的物联网和 ITU 或欧盟提到的范围又有不 同。中国的物联网(Internet of Things)指的是将无处 收稿日期收稿日期：2013-01-18。 基金项目：基金项目：中国电子教育学会 2011 年教学研究课题电 子信息工程技术专业下一代网络及信息技术 应用方向规范研究 （Case2011-14） ；天津市 高等职业技术教育研究会 2011 年度课题职 业教育人才培养方案制定和经济规划同步研 究 （XI301）研究成果。 作者简介：作者简介：孙小红（1965-） ，女，硕士，副教授，主要研 究方向为通信、电子信息。 48 不在（Ubiquitous）的末端设备（Devices）和设施 （Facilities） ，包括具备“内在智能”的如传感器、移 动终端、工业系统、楼控系统、家庭智能设施、视 频监控系统等、和“外在使能”(Enabled)的如贴上 RFID 的各种资产 （Assets） 、 携带无线终端的个人与 车辆等等“智能化物件或动物”或“智能尘埃” （Mote） ，通过各种无线/或有线的、长距离/或短距 离通讯网络实现互联互通（M2M)、应用大集成 （Grand Integration)、以及基于云计算的 SaaS 营运 等模式，在内网（Intranet） 、专网（Extranet） 、互联 网（Internet）环境下，采用适当的信息安全保障机 制，提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定 位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控 制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、 决 策 支 持 、 领 导 桌 面 （ 集 中 展 示 的 Cockpit Dashboard） 等管理和服务功能， 实现对“万物”的“高 效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化2。 1 车联网架构体系 随着物联网技术发展和人们对于物联网认识的 深入，物联网的架构也渐渐明晰。只要能够通过特 定设备，遵循约定的协议，把任何物体与互联网相 连接，实现信息的交换与通信，都可以称为物联网。 一种基于应用的物联网分层架构如图 1 所示，自底 向上分别为感知层、接入层、网络层、支撑层和应 用层。感知层通过各种类型的传感器以及传感器网 络收集物体的属性以及物体相关的信息；接入层作 为感知层和网络层的中间层，为感知层提供统一的 网络接口，兼容不同网络技术；网络层负责信息的 传输，提供路由机制、差错控制机制、保证数据传 递的可靠性和完整性；支撑层处理不同数据，为上 层应用提供一种智能的信息处理方式；应用层则完 全面向用户需求，根据不同应用为用户提供相应的 服务。 图 1 面向应用的物联网架构示意 2010 年上海世博会期间“车联网”概念作为物联 网的一个实际应用被提出，上汽通用汽车馆展主题 电影2030，行！ 形象的展示了未来城市交通的蓝 图：汽车能够自主地在道路上行驶，没有交通堵塞， 没有交通事故，地面交通能够达到极限通行能力。 2 车联网的概念 车联网作为物联网的衍生品，不同的人从不同 的角度给它赋予了不同的涵义。从信息感知技术考 虑，在中国射频识别技术与应用发展蓝皮书中有如 下定义：车联网指装载在车辆上的电子标签通过无 线射频等识别技术，实现在信息网络平台上对所有 车辆的属性信息和静态、动态信息进行提取和有效 利用，并根据不同的功能需求对所有车辆的运行状 态进行有效的监管和提供综合服务；从智能交通技 术考虑，车联网是将先进的数据通讯传输技术、感 知技术、电子控制技术及数据处理技术等有效的集 成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大 范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的 综合交通运输管理系统；从车辆组网和通信角度考 虑，车联网是无线通信技术和自动控制产业高度发 展融合后的新兴概念，主要由安装有无线接口的移 动车辆组成，车辆可以接入同构或异构的网络，车 联网不仅能满足车与车的通信，也能实现车辆与固 定路边设施间的通信3。 虽然上述定义各不相同，但从中看出共同点： 首先，车联网利用先进的信息技术，包括传感器技 术、网络技术、计算技术、控制技术、智能技术， 将车辆、道路、行人和路边设施集成一个有机的整 体， 以提供车辆安全、 交通控制、 信息服务和Internet 接入等应用，最终提高交通效率、降低交通事故、 提升道路的通行能力4。车联网中的要素可描述成 3 个集合的并集，即被服务终端、基础设施以及交 通管理和控制实体。其中被服务终端包括汽车、飞 机、列车以及路上行人等需要通过车联网得到各项 服务的实体；基础设施包括热点接入点、基站、卫 星、交通设施等可为被服务终端提供通信、接入或 服务的实体；交通管理和控制实体包括交通控制中 心、货运客运控制系统等全局或区域交通控制实 体。这 3 种实体通过各种通信方式的融合最终连接 到 Internet 上，以实现多元信息的融合，各种交通 信息、服务信息及多媒体信息可以在各个实体间无 阻碍地交互。在此基础上，车联网的各种实体通过 互相协同，为被服务终端提供各种服务，如智能导 航，辅助驾驶、安全告警和碰撞避免，用户高速接 入、语音/视频服务、道路及车辆监控、交通拥塞控 制等。 49 3 车联网与其他车辆控制系统的比较 车联网的架构同物联网一样，主要包括 3 个层 次：感知层、传输层和应用层，因此具有其它车辆 控制系统无法比拟的优势。车联网与目前在道路运 输领域广泛使用的智能交通系统相比，可以实现更 全面的感知、各种各样的互联以及智能化的信息处 理和应用集成，因此车联网的出现是智能交通系统 发展的必然结果，是提供道路极限出行能力的必然 选择。 由于是针对交通提供相应的服务，车联网不能 完全脱离于智能交通系统，从国内外开展的一批高 水平的研究及试验项目可以看出，车联网的发展与 智能交通系统有着紧密的联系。智能交通系统发展 的历史较早，主要对交通安全和效率问题进行大量 研究并提出解决方案。随着技术的不断演进，目前 智能交通系统正在大力发展智能车路协同系统，具 有代表性的如 e-safety、 Coopers、 CVIS、 PReVENT、 SmartWay、VII、IntelliDrive 等。其中，美国、欧洲 和日本在实现城市车路协同智能交通方面处于领先 地位。美国的 IntelliDrive，作为 VII（汽车与道路基 础设施的集成系统）的后续项目，旨在通过车载传 感器与车路或车车通信为主要信息获取手段，为美 国道路交通提供了较好的安全和效率，它通过开发 和集成各种车载和路侧设备以及通信技术，使得驾 驶者在驾驶中能够做出更好和更安全的决策。车路 协助系统(CVIS，Cooperative Vehicle-Infrastructure System)研发计划是欧盟所支持的大型 ITS 研究与发 展项目，该项目的主要目的是设计、开发和测试为 了实现车辆之间通信以及车辆与附近的路边基础设 施之间通信所需的技术，旨在建立集硬件和软件于 一体的综合交流平台，从而提高旅客和货物的移动 性以及道路交通运输系统的效率。 日本于 2006 年启 动的下一代道路服务系统，包括车载信息系统和路 侧集成系统的开发与试验， 该项目名称为“智能道路 计划(Smartway)”。 Smartway 发展重点是整合日本各 项ITS的功能， 包括先进的VICS(Vehicle Information and Communication System)、ETC、DSRC、AHS （Automated Highway System，自动公路系统） ，并 建立车载单元的共同平台。从上述项目的描述中可 以看出，智能交通系统向车联网发展的趋势越来越 明显，正在试图通过引进先进的信息技术，建立人、 车、路高度一体化的协作系统，从而在广域范围、 整个时段为所有车辆实现综合的交通控制。 车载信息服务（Telematics，Telecommunication+ Informatics） 即安装在车上的资讯平台， 该平台通过 通讯网络提供多样化的信息服务，其功能是给用户 提供导航、路况、天气、联网资讯以及多媒体娱乐 为主，主要考虑在用户体验角度基于现有无线网络 和车载应用为汽车提供信息服务。广义上讲，车联 网包含车载信息服务， Telematics 作为车联网的一种 应用为用户提供车载信息服务，但是没有提供实时 性更强的安全服务，以避免交通事故发生。而车联 网由智能感知，智能信息传递，智能信息处理构成， 能够实时感知车辆以及车辆周围的信息，为安全驾 驶提供帮助，与此同时，车辆之间的互联能够构成 车辆与车辆，车辆与路边单元的协同系统。在此基 础上为用户提供安全和非安全的应用。总的来说， 车联网作为车辆间的物联网，而车载信息服务属于 车联网的一种应用形式。 车辆自组织网络 （VANET） 是近几年研究地非 常热的一个领域，很多研究者希望借助车辆自组织 网络提高行驶安全。不同于车联网，车辆自组织网 络指装有射频单元的车辆通过自主方式组建的一 种网络，它只是车联网中的一个有机组成部分，描 述了车辆之间、车辆和路边单元之间的组网方式， 以及相应的信道分配和转发方式。车联网除了车辆 与车辆、车辆与路边单元之间的连接之外，还包括 路边单元和交通控制中心之间的连接、车载单元与 车内设备的连接，以及车、路与 Internet 的连接。 因此，从协议来看车联网的通信方式既包括 802.11p、WiFi、Zigbee，也包括 3G、LTE，还包括 WSN（无线传感网） 。从层次来看车联网的通信方 式既包括车内通信、 也包括车车、 车路、 路路通信， 还包括车、路与后备网络的通信。从组网方式来看 车联网既包括像车辆自组织网络这样的分布式组 网，也包括将交通信息中心作为服务器的集中式组 网。因此，车联网包括了不同组网方式、不同形态 的异构网络，最终通过 Internet 将所有的网络汇集 在一起。 4 车联网的关键技术 车联网的发展历程中，有一些关键的技术需要 解决，包括异构无线网络的融合、全面的感知、智 能化信息处理、与电动汽车的整合。 （1）异构无线网络的融合 车联网将有多种不同的无线通信技术并存，包 括 WLAN(如 IEEE802.11a/b/g/n/p 协议)、WIMAX (IEEE802.16a/e)、 超宽带通信 UWB(IEEE802.15.3a)、 2G/3G 蜂窝通信、LTE 以及卫星通信等网络。不同 的网络有不同的通信方式和特点，适用于不同的场 景。为了达到信息共享的目的，车载网中的很多信 息需要在不同的网络中传递。另外，车辆作为一个 移动单元，在移动过程中将发生水平切换和垂直切 换，也需要进行移动性管理。因此，需要在车联网 环境下考虑异构无线网络的融合，实现无缝的信息 交换和无缝的切换需求5。 50 （2）全面的感知 车联网想要为地面交通提供极限通行能力，首 先必须依赖于全面的感知，包括对整个道路的感知 和对车辆的感知，从而分别结合道路和车辆获取相 应的状态信息。如今，各种不同类型的感知节点已 经大量应用于地面交通，如何将这些多元的感知节 点进行有效的利用是一个非常关键的问题。它涉及 到感知节点的选择、 功能定位 （如汇聚节点） 、 布局、 特征提取与分析、以及多元信息的融合。车内感知 和车外感知考虑的重点不一样，而道路的感知与车 辆状态的感知关注的重点也不一样。比如，道路感 知对路面是否结冰很关心，但车辆感知可能更关心 车辆的行驶速度和当前的位置。 （3）智能化信息处理 车联网不仅涉及到众多的节点，而且可能存 在各种各样的业务在并发运行，因此车联网需要 考虑云计算或并行处理提高运算能力。车联网所 收集到的交通信息量将非常巨大，如果不对这些 数据进行有效处理和利用，就会迅速被信息所湮 没。因此需要采用数据挖掘、人工智能等方式提 取有效信息，同时过滤掉无用信息。考虑到车辆 行驶过程中需要依赖的信息具有很大的时间和空 间关联性，因此有些信息的处理需要非常及时。 另外，很多车联网的应用与车辆行驶的速度和当 前的位置有密切的关系，因此如何基于速度和位 置做移动预测，并建立业务自适应的触发机制显 得非常必要。 （4）与电动汽车的整合 电动汽车和未来的交通基础设施之间存在密 切的互动关系，也是车联网中的一个重要组成部 分。尽管电动汽车在环保方面比传统汽车做得更 好，但在可预见的时间内，续驶里程、充电时间 和电量可持续性等都是其软肋。今天的电动汽车 的行驶距离还很有限，因此车联网必须规划好充 电路径，并通过与智能电网的融合（V2G）进行 智能充放电，以满足长时间行驶的要求。此外， 电动汽车将拥有比传统的内燃机汽车更先进的远 程信息处理和导航技术。这样可以更好地对交通 流量进行控制，减少交通拥堵，并从整体上提高 交通安全。不同服务提供商之间通过数据交换也 可以允许增值服务的跨地区共享，以信