【毕业学位论文】（Word原稿）基于CDMA网络的车联网管理平台的设计与实现-电子科学与技术

密级： 保密期限： 硕士研究生学位论文 题目： 基于 络的车联网 管理 平台的 设计与实现 学 号： 姓 名： 专 业： 电子与通信工程 导 师： 学 院： 电子工程学院 2012 年 11 月 19 日北京邮电大学硕士研究生学位论文 I 独创性（或创新性）声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后遵守此规定） 保密论文注释：本学位论文属于保密在 年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 日期： 导师签名： 日期： 北京邮电大学硕士研究生学位论文 于 理 平台 的 设计与实现 摘 要 车联网 管理 平台是中国电信车联网系统中的中枢管理平台，本文的主要工作是对 该平台的 空中服务功能和 统计管理 功能 进行设计实现。 在互联网、计算机等信息技术飞速发展的今天，在汽车这一传统行业，由于驾驶员、道路环境等各种主客观因素而导致的交通事故依然频频发生。近年来物联网技术的飞速发展 也衍生出了车联网系统，因此，汽车联网、汽车智能化已经成为了各国 解决交通问题的首选途径。本系统平台来源于中国电信的实际项目，通过该系统可以实现对联网车辆的 管理统计，有助于提高交通安全和优化道路资源配置。 本文对车联网管理平台的需求进行了调研及分析，选用中国电信络， 利用 术、散列密钥和 密算法，设计了车联网管理平台与车载终端的空中服务模式和相关业务流程，定义了空中服务的 文格式及相关接口规范。平台采用 架和术， 实现了以空中服务功能和统计管理功能为主体、兼容第三方业务平台的车联网 控制 管理 中枢 平台。 本平台可以满足对车载终端的号码资源管理、对车联网系统的统计分析和监控， 满足 中国电信集团的系统需求，通过了相关联网 测试， 为中国电信后续的车联网系统布局提供了坚实的基础。 关键词： 车联网 术 号码管理 架 京邮电大学硕士研究生学位论文 F N he is of is to of of in a of a of to In of to It be to in It to of It s 京邮电大学硕士研究生学位论文 TA AC TA SH to a of of to of a 京邮电大学硕士研究生学位论文 i 目录 第一章 绪论 . 1 究背景 . 1 内外发展状况 . 1 外车联网发展情况 . 1 内车联网发展现状 . 2 文研究内容 . 3 文的组织结构 . 4 第二章 平台实现技术介绍 . 5 统网络技术 . 5 络与 . 5 术 . 5 全加密技术 . 8 台架构技术 . 9 . 9 . 9 . 10 络接入技术 . 11 第三章 平台需求及相关设计 . 13 统需求分析 . 13 能需求分析 . 13 能需求分析 . 14 统架构与组成 . 14 统架构 . 14 统组成 . 15 台管理系统设计 . 16 中服务系统设计 . 18 能设计 . 18 能划分 . 18 能分析 . 19 据库设计 . 20 据库表结构 . 20 引与其他 . 22 第四章 空中服务功能的设计与实现 . 23 码资源管理流程设计 . 23 中写号流程 . 23 码回收流程 . 26 号重发机制 . 26 号流程实现 . 28 下行报文定义 . 28 全加密设计 . 30 钥分散 . 30 法 . 31 北京邮电大学硕士研究生学位论文 码资源管理的底层实现 . 32 三方接口 . 35 信网关接口 . 35 件导入接口 . 36 口 . 37 第五章 统计管理功能的设计与实现 . 41 台统 计分析 . 41 计分析相关需求 . 41 计分析的实现 . 41 统监控管理 . 44 台准入机制 . 45 第六章 总结及展望 . 48 参考文献 . 49 致谢 . 52 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 究背景 随着 2009 年美国提出 “智慧地球 ”构想， 2010 年中国物联网大会的召开， 当今 世界已经进入了一个物联网飞速发展的时代。 物联网 是 互联网的延伸， 它 不仅仅是 物与物的连接，关键 是 和 网络的连接 1。 物联网的应用主要有 4 个领域：环境监控、物品溯源、智能电网和智能交通 2 3。这其中，在中国智能交通最有发展潜力。 近年来中国经济的腾飞也伴随着中国汽车数量的飞速上升，专家 预测 2020年，中国的汽车保有量将超过美国成为世界第一，同时中国的交通事故死亡人数已经连续十年高居世界第一。 面对汽车行业的发展带来的环境、交通等问题，发展智能交通是最重要的手段 4。 智能交通可使 现有公路的通行能力提高 2 3 倍，降低汽车油耗 15%， 车辆的使用效率提高 50%以上，中国亟待建立以车为节点的信息系统 车联网。 在国家中长期科学和技术发展规划纲要（ 2006 2020年）规划中，智能交通将成为国内未来交通运输业优先发展主题 5。 目前， 我国的三大运营商已经建立起覆盖全国的基础通信网络， 3G 通信技术提供的高效带宽资源和无线传输 信道 为车联网打下了坚实的网络基础 6 7。 在信息化日益发达的今天，电话呼叫服务、移动互联网技术、信息处理与云计算等技术日趋成熟，也为车联网提供了坚实的技术基础。 中国电信集团公司于 2011 年提出了车联网发展的相关战略，力求通过中国电信的 动网络，建立起一个覆盖全国范围的、稳定优良的车联网系统。为满足上述发展需求，汽车联网的车载终端、后台管理平台和电信运营网络等成为了车联网系统的主要组成部分，这其中后台管理平台居于车联网系统的核心地位，因此，对车联网后台管理平台的设 计与实现便应运而生了。 内外发展 状况 外车联网发展情况 联网）一词，是远距离通信的电信（ 信息科学（ 合成词，它最早出现于 1978 年，法国人 Lde 篇文章中 8 9。 美国人在车联网方面走在了世界的前列。 1988 年 . 他的文章中展望了车联网系统将要具备的主要功能有：数据收集处理、汽 车监控、资源北京邮电大学硕士研究生学位论文 2 分配与决策、远程通信等 10。通用汽车全球研究中心的 人，通过大量数据分析处理 改进了一种算法，可以大大降低不同 情境条件下车辆联网模拟分析的时间，改进了车联网系统的整体性能 11。 在先进研究的同时，美国也是最早进入车联网商用领域的地区。 1995 年，通用汽车 统诞生，该系统主要采用无线技术和全球定位系统（ 星进行无线通信，集自动撞车报警、道路援助、远程解锁服务、免提电话、远程车辆诊断和逐向道路导航等服务于一身。 统目前 主要应用于北美地 区， 平均有 60%的 通用 汽车用户会安装 统 12 13。 在欧洲，欧盟委员会现在致力于推行的一个车联网计划被称为 14。 该计划主体内容有 7 个部分：需求管理，交通和旅行信息，城市交通管理，临近城市 间交通管理，司机助手和辅助驾驶，货物和车队管理，公共交通管理 15。 当前该计划包含有 56个子项目，其中 洲项目是五大重点实验项目之一 16。 欧洲五个城市的英文首字母简称（伦敦、里昂、阿姆斯特丹、慕尼黑、都 柏林），旨在利用各城市的集成道路交通环境（ 验完善改进 统 17。 在伦敦，车联网项目系统由请求与控制中心、交通信息控制中心、紧急服务中心、和电台广播服务中心等部分构成，整个系统无线信道通信通过 络进行。在里昂，该系统由交通控制处理服务中心、交通信息中心、公共交通服务信息中心等构成。 韩国电子通信技术研究所提出了一种基于网络技术和交通定位信息的车联网服务平台 18。此平台是韩国信息与通信部 “4S 集成技术 ”项目中的一部分 19。该平台利用的主要技术手段有， 理标识语言，它是 术在地里空间信息领域的应用，利用 以存储和发布各种特征的地理信息，并控制地理信息在 览器中的显示）、 于位置服务）、 理信息系统）。该平台需定时接收汽车发送的符合 准的位置信息文件，同时从其他交通控制中心收集交通信息，通过一定的算法，计算每个车辆到达目的地点的最佳路径，再通过 件传输到车辆进行相关路线导航 20。 内车联网发展现状 2010 年中国物联网大会上正式提出了 “车联网 ”的概念， 车联网是综合运用移动互联网技术和物联网技术，将各汽车终端联系起来，实现汽车 之间互联沟通及管理平台与车辆间信息交互的网络。自此之后， 中国的车联网产业进入高速发展阶段。 中国的车联网产业主要呈现出 两 种产业格局： （ 1） 以汽车厂商为主导的车联网系统 这其中又包含 外来引入和国内自主研发 两种模式。通用上海安吉星公司通过引入美国 联网系统， 截止 12 年 10 月底，用户规模突破 50 万大关，是北京邮电大学硕士研究生学位论文 3 国内车载服务行业的领导者 。 2010 年 7 月，苏州金龙 汽车 推出了 “智慧客车 ”的概念，其核心 慧运营系统也正式上市。该系统集 种信息技术于一身，通过安装在客车上的车载终端，收集 汽车运行数据和位置信息。该系统的数据处理平台可以对车辆运行情况进行监控管理，并对数据进行全面分析，提出线路优化建议。 2011 年 5 月，中国宇通客车与诺基亚西门子通信共同开发了 “安节通 ”车联网智能运营系统，拥有安全管理、油耗管理、车线管理、维保管理、智能故障管理和司机助手等多项功能。它包含了车载终端、无线传输媒介和服务平台三个部分。服务平台主要用于收集、记录汽车发送的消息并进行数据处理与分析 21。 （ 2） 以电信运营商为主导的车联网系统 中国移动的 “车务通 ”业务开始较 早，功能包括位置查询 、行车管理、地图操作，以 及基于特定行业应用的增值功能 该应用平台以云计算平台为基础，提供对车辆状态信息、车载 车载视频的数据计算和 智能化 支持 22。 2012 年 9 月，广东移动、广汽研究院等 19 家单位组成了广东省车联网产业联盟，是基于整个产业链的行业协同发展联盟，对车联网的发展有重要意义。 文研究内容 通过对国内外发展现状的分析，可以发现目前中国车联网行业发展的主要特点有：国内汽车行业的飞速发展带 动了相关领域的兴起，相比国外车联网系统的发展，国内市场潜力巨大； 技术领域刚刚兴起，与 国外有着十多年的成熟运营体系相比，还有很多亟待 解决的技术问题； 国内车联网技术标准 缺失 ，系统平台混杂。有许多不同厂商的 针对固定车型的 车联网系统，无法满足全国联网，难以拓展； 车联网系统现在的重点是车辆本身的状态监控和 位服务。关于 车辆的管理，系统分析优化，平台接入等拓展性问题还涉猎较少。 针对上述问题，本论文提出了一个满足多汽车厂商、多业务平台接入管理和汽车终端管理与电信号码资源分配的车联网服务平台。 本平台是车联网系统中的重要组成部分，它是与中国电信运营商合作的，借助内置 的车载终端和络，通过 术实现管理平台与汽车终端的信息交 互，同时对电信运营平台和第三方应用平台的接入进行管理的车联网的控制服务平台。本论文针对车联网管理平台的特点，主要工作是对空中服务功能和统计管理功能的设计与实现。本论文的主要研究内容如下： （ 1）本研究课题的研究重点是对管理平台进行软件设计实现。该平台是车联网系统中的远程服务管理平台，论文将对管理平台的系统需求进行深入分析，北京邮电大学硕士研究生学位论文 4 并根据相关需求，进行系统架构和功能等方面的系统设计。 （ 2） 车载终端与管理平台之间的信息交互是管理平台空中服务功能的实现方式。论文将 以 号码资源管理为 核心 对空中服务功能的具体实现流程， 和 相 关技术及协议规范进行 详细设计，其中还包含有安全加密设计。 （ 3）统计分析和配置管理功能是管理平台的重要组成部分，对该功能的技术实现也将是本文的重点之一。 文的组织结构 本论文分为 六 章，第一章是绪论，主要介绍了论题的研究背景，当前 车联 网的国内外发展状况，在分析相关特点的基础上提出了本文的研究内容；第二章为系统理论 技术 分析，包括本车联网 管理 平台中的网络技术、 安全加密技术、 平台架构技术和网络接入技术等；紧接着第三章对系统从 功能 需求和 性能 需求上 进行分析，确定系统研究的具体内容 ，分析了系统的相关架构与组成，进行系统 的功能设计与数据库设计 ；第四章是论文的重点， 是对 空中服务功能 的设计与实现，主要包含远程写号的相关流程设计，写号过程中 文规范，为保障数据安全的加密设计以及 底层系统实现 ， 还 设计了 各类第三方 平台的 接口 规范 ；第五章是统计管理 功能 的设计与实现，主要包括统计分析功能、系统监控管理和平台的管理员准入机制三方面的具体实现和显示效果；第六 章是论文的总结与展望，总结系统现状并为未来的研究和业务功能拓展提供参考意见。北京邮电大学硕士研究生学位论文 5 第二章 平台 实现 技术介绍 本章 主要介绍车联网 管理 平台在设计实现过程中所涉及的计算机相关技术，下面分别 从 系统网 络 技术、安全加密技术、平台的系统架构技术及网络接入技术四个方面进行介绍。 统网络技术 移动通信系统按照多址连接方式可以分为频分多址（ 时分多址（ 码分多址（ 本 车联网管理平台 与车载终端中间的通信采用 络制式。 是一种多路方式，多路信号只占用一个信道， 在模拟信号进行模 用扩频与编码技术，利用高频带宽调制并发送出去，极大提高了带宽使用率。 传输信号频率 按指定类型编码，因此只有频率响应编码一致的接收机才能拦截信号，很难出现重复，保密性强。 比较移动通信系统的三种多址方式可知， 址技术完全适合现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换等，已经被世界各地的运营商广为采用。 用于接入中国电信 络，是网络接入的身份标识，卡内存储了网络接入的一些必备数据。本课题的 车联网管理平台 所在的车联网系统需要在汽车上加装车载终端，该终端要内置 ，以通过 络进行汽车与服务平台的数据信息交互。 是应用在 机上的一种智能 卡，是电信运营商与用户之间的纽带，它安全性高、覆盖广、成本低廉，不仅有网络接入的身份识别功能，还支持专用的加密算法与 术，可以通过无线空中接口方式管理和更新卡上数据 23。 中下载）的缩写， 它 最早出现于 90 年代初的日本，它是利用移动通信网络的空中接口远程管理用户卡数据和应用的技术 2324。 随着 术的出现，移动增值业务加速普及开来 25。 然而，该方式下用户卡中指令菜单不方便修改，直到 术出现后， 才真正推进了北京邮电大学硕士研究生学位论文 6 术的应用发展 26。 相比原来固定在 中的菜单业务，该技术使得用户可以通过短信方式随时了解新业务并下载自己感兴趣的相关业务 27。 用户可以使用人机接口界面发起下载申请， 载服务器通过一定技术手段将相应的服务内容发给用户手机， 对下载内容进行存储组织，用户可定制个性化的业务需求，同时也方便运营商的业务开展。 根据传输技术的不同， 术可以分为基于 术、基于 术和基于短信技术三类 28。 1、基于 术的 统 该类型的 统在空中下载时使 用 议作为其传输协议，使用 系统架构基础。 典型的基于 术的 统结构如图 229。 W A P 移 动 终 端W A P 网 关W M L 页面O T A 服 务 器下 载 应 用W A P 请 求W A P 请 求图 2于 图中移动终端为支持 议的手机 ，手机与网关之间通过 议进行信息数据交互，而在 关与 载服务器之间采用 求进行交互。务器提供无线下载服务，提供针对用户的权限管理，以及分类认证应用提供商提供的应用程序，同时还兼容系统计费功能并对外提供接口服务。 求后返回的是 线标记语言）页面。 术提供了开放 、统一的标准，用户使用手机移动设备 很容易获取统一的内容格式表示的各种网络服务。 术的空中下载，节约了带宽资源，使下载过程简单而又多元化，便于用户使用。但该技术需要将 无线通信网络相结合，提高了系统成本，而且移动终端必须支持 议。 2、基于 术的 统 30 该类型的空中下载系统是采用 议进行通信传输，适用于不支持 动终端。将 统中的 关移除后即可获得基于 术的 统，其结构如图 2示。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 7 N o n - W A P 移 动 终 端X M L 页 面O T A 服 务 器下 载 应 用H T T P 请 求图 2于 议与 术的区别在于， 手机等移动终端无需网关直接与 服务流程是典型的 C/S（客户端 /服务器）方式，客户端手机必须支持 议，可以发送 息包， 务器是 服务器，接收客户端请求并进行业务逻辑处理。 务器的数据通过 拓展标记语言）格式实现， 目前网络上最流行的语言之一，简单易用。 基于 术的 统结构简单，容易实现，对移动终端没有特殊要求，程序规模较小，并且 议还支持访问各种不同的服务，可充分利用各种服务的优势以提升系统性能。其主要问题在于 议以文本格式发送命令，而不是压缩的二进制数据，因此无线通信服务速度慢，成本较高。 3、 基于 消息）技术的 统 该技术目前应用最为广泛，它使用数据短信打包的形式，通过短消息通道传输数据。 基 于 术的 统结构如图 2示。 移 动 终 端O T A 服 务 器下 载 应 用S M D P P 响 应S M D P P 消 息S M S D P P 响 应S M D P P 消 息H L R / A 于 该系统由 消息服务中心）、 C（归属位置寄存器）、 务器和下载应用数据库几个部分构成。 在 空中下载 流程中 ， 务器传输移动终端路由信息和下载数据给 过短消息形式传输数据，完成一次作，然后把短消息操作的响应转发给 务器，由 务器判断操作的成功失败状态。 通过 术进行的空中下载采用目前成熟的短信网络作 为通信网络数据传送方式，充分利用了现有无线网络系统的优势，简单易用，安全性高。同时短北京邮电大学硕士研究生学位论文 8 消息操作有专门的通信信道，不会影响其他业务操作的进行。 术的主要问题是短消息长度受限，若数据较长需要分拆，其信道传输速率较慢，网络时延较大。 综上所述， 术可以最好的兼容现有无线网络体系，网络改造技术成本低，而且短消息服务本身技术成熟度高于其他两种技术模型，程序的复杂度低，健壮性、安全性好，因此在本文的车联网系统中 车联网管理平台 与车载终端之间的传输方式采用基于 术的 统模型。 全加密技术 在车联网 系统中，各系统平台及车载终端和第三方平台之间进行的数据信息传输都需要满足安全保密的需求，因此对安全加密技术必须进行深入研究。 使信息保密的的技术叫做密码编码学 31。待发送的消息称为明文，被加密的消息称为密文，用某种方法隐藏明文的过程叫做加密，而把密文转为明文的过程称为解密 32。 现代密码学采用密钥进行加密解密，基于密钥的算法可以分为两类：对称算法和非对称算法。 1、对称算法 对称式加密算法是传统的加密算法，其加密和解密使用相同的密钥，或者加密密钥与解密密钥之间可以相互推算出来 33。该算法在加密与解 密过程中使用相同的密钥与算法，只需要在信息传输之前，在发送与接收方之间先约定共享的专用密钥即可。在信息传输加密过程中，对称算法的安全性 完全依赖于密钥，一旦密钥泄漏就意味着任何人都可能对信息进行窃取， 因此密钥的保密性至关重要。 这种加密算法目前被广为使用，例如美国政府使用基于 56度安全密钥的 密算法。 用 56 位密钥和 8 位奇偶校验位，它 通过分组方式进行迭代加密。首先 将加 密的文本分成两半， 使用子密钥对其中一半应用循环功能，然后将输出与另一半进行 “异或 ”运算；接着交