車載物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)探討

    1 車載物聯(lián)網(wǎng)概念

    車載物聯(lián)網(wǎng)是一項(xiàng)新興技術(shù)，可以大幅提高未來(lái)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(wú)線通信，也能夠在過(guò)路車輛和路邊基站之間建立無(wú)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(lái)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(guò)程如下：首先，路面?zhèn)鞲衅鲗?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(guò)數(shù)據(jù)處理之后，流量報(bào)告可以通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳遞到用戶的手機(jī)。這樣來(lái)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(wú)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(lái)的汽車將配備一個(gè)車載計(jì)算機(jī)、GPS定位儀和無(wú)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(wú)線通信。這種前所未有的無(wú)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(lái)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)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(lái)為司機(jī)提供即時(shí)警告。
    (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。
    (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(lái)新的競(jìng)爭(zhēng)手段。
    (4)信息娛樂(lè)應(yīng)用：信息娛樂(lè)應(yīng)用包括視頻和音樂(lè)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(lè)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(lè)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(guò)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(lái)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(lè)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(lè)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(lè)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(lè)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(lái)激烈的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)。最后，毫無(wú)疑問(wèn)，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(lè)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(wú)線通信技術(shù)

    無(wú)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(guò)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(guò)語(yǔ)音命令播放音樂(lè)或撥打電話。由于大規(guī)模生產(chǎn)降低了成本，802.11a/b/g無(wú)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(lái)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)，如文獻(xiàn)[2-4]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(wú)線通信[5-6]。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(wú)線通信。無(wú)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(wú)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)[7]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(lái)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(lái)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(lái)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(wú)需訂閱即可享受服務(wù)。其次，從技術(shù)角度來(lái)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(lái)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(wèn)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(wú)線接入點(diǎn)(AP)握手、媒體訪問(wèn)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。可靠廣播技術(shù)也是重要的研究問(wèn)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。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(guò)去10年中，無(wú)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[8]和VADD[9]。這些協(xié)議利用車輛的移動(dòng)性，通過(guò)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(guò)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(guò)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(shuí)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(lái)幫助解決這個(gè)問(wèn)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(wèn)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(wèn)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(lái)說(shuō)，不一致性不可避免。為此，一個(gè)研究問(wèn)題是如何以最小的開銷來(lái)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(lái)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)需求十分重要。表1列出了宏觀和微觀層次上主要的研究課題和及其代表性的工作。

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    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(lái)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[10]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(guò)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(lái)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(lái)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[12]。還有一些前攝的辦法，如文獻(xiàn)[13]、文獻(xiàn)[14]利用預(yù)知的地理位置、連接模式和可能的運(yùn)動(dòng)方向來(lái)幫助信息傳播。一些現(xiàn)有的容遲網(wǎng)絡(luò)(DTN)路由協(xié)議假定一個(gè)預(yù)定義源和目的地。如Small和Hass的研究[11]建立了監(jiān)控野生鯨魚的DTN網(wǎng)絡(luò)。他們?cè)邛L魚的背上安裝一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，鯨魚的運(yùn)動(dòng)信息就以容遲的方式一跳一跳地傳遞到接收站。

    數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)融合也是車載自組織網(wǎng)絡(luò)中熱門的研究方向。Zhao等人[15]使用了定期廣播和緩沖的方法從數(shù)據(jù)中心分發(fā)信息到車載自組織網(wǎng)絡(luò)。根本上來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)從數(shù)據(jù)中心到車輛的單向信息傳播。Lochert等人[21]提出了一個(gè)層次性的數(shù)據(jù)融合方案。該方案定義了一組地標(biāo)來(lái)幫助計(jì)算旅行時(shí)間。他們還提出了一個(gè)路邊基站的部署算法來(lái)優(yōu)化信息融合。

    在車載自組織網(wǎng)絡(luò)中，信息的傳播、緩存和融合都有過(guò)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(shuō)，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(lái)預(yù)測(cè)和控制傳播。

    4.2 微觀信息傳播

    微觀信息傳播指涉及一跳或者幾跳的局部信息傳遞。在車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)市場(chǎng)化的初級(jí)階段，車輛很少有機(jī)會(huì)遇到其他車輛或路邊基站。所以，提高兩車相遇時(shí)信息傳播的效率十分重要。

    最近的一些研究關(guān)注于車載環(huán)境中的單跳通信性能。Bychkovsky等人[3]研究了在公共Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中提高單跳通信的數(shù)據(jù)吞吐量的技術(shù)。他們進(jìn)行了一系列的實(shí)地測(cè)試來(lái)調(diào)查在MAC握手、獲取IP地址、建立IP路由等時(shí)候可能的性能損失。Hadaller等人[4]進(jìn)行了以802.11協(xié)議為基礎(chǔ)的單跳通信的實(shí)驗(yàn)，并提供了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)分析。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)了一些現(xiàn)有無(wú)線訪問(wèn)機(jī)制在數(shù)據(jù)吞吐量方面低效的根本原因。以上這些工作從底層協(xié)議(物理層、MAC地址、路由)的角度來(lái)分析和改進(jìn)鏈路吞吐量。

    微觀信息傳播也涉及局部多跳通信。一般來(lái)說(shuō)，本地多跳通信的主要任務(wù)是協(xié)調(diào)本地車輛并幫助信息沿預(yù)定方向傳播。VADD[9]是一種利用車流模式和道路拓?fù)鋪?lái)找到傳遞數(shù)據(jù)包的最優(yōu)道路的轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議。MDDV[8]利用車輛的流動(dòng)性來(lái)幫助信息傳播。MDDV使周邊的車輛協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，以此來(lái)提高數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的可靠性。Zhao等人[18]研究了如何以路邊基站作為中繼的方式來(lái)提高吞吐量。

    由于兩車相遇時(shí)有效通信時(shí)間短暫，有效的信道資源管理是一個(gè)是十分重要的問(wèn)題。Chang等人[19]提出了一種從路邊基站到過(guò)往車輛的下行調(diào)度算法。Zhang等人[20]提出了另一種同時(shí)考慮上行和下行請(qǐng)求的調(diào)度算法。Yu等人[17]研究了在路邊基站負(fù)載接近超負(fù)荷的情況下的請(qǐng)求許可控制問(wèn)題。這些研究從不同的資源分配角度提高了路邊基站的訪問(wèn)效率。

    通常，微觀信息傳播的主要挑戰(zhàn)在于如何把下層條件(車輛移動(dòng)性、無(wú)線信道、相對(duì)位置)和上層應(yīng)用的需求聯(lián)系在一起。從上層的角度來(lái)看，容遲網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用可以容忍一定的信息延遲和誤差。從底層的角度來(lái)看，移動(dòng)性、信道和車輛位置卻可能在很短的時(shí)間內(nèi)大幅變化?，F(xiàn)有的工作研究了不同的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議下的單跳問(wèn)題，然而，仍然缺少一個(gè)上層和下層之間的有效聯(lián)系。這種聯(lián)系可以使人們能夠利用底層的苛刻條件，而不是受其限制。

    當(dāng)人們?cè)O(shè)計(jì)微觀信息傳播協(xié)議時(shí)，可以重點(diǎn)關(guān)注3個(gè)方面的問(wèn)題：

    (1)應(yīng)用需求：容遲網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用不一定需要一個(gè)可靠的鏈接，但是他們卻需要根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾詠?lái)安排數(shù)據(jù)的優(yōu)先性。人們還希望能夠設(shè)定一個(gè)在傳播的過(guò)程中允許的信息丟失程度閾值。
    (2)資源管理：主要問(wèn)題包括如何調(diào)度低層資源(例如傳輸信道、傳輸速率等)，如何調(diào)度上層任務(wù)，如何分配資源以確保公平等。
    (3)協(xié)作：人們可以利用多任務(wù)調(diào)度、轉(zhuǎn)發(fā)、中繼、多方網(wǎng)絡(luò)編碼等不同的技術(shù)來(lái)幫助在信號(hào)范圍內(nèi)各車輛的互相協(xié)作，提高整體性能。

    5 車載物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例

    FleetNet[22]是一個(gè)由歐洲多個(gè)汽車公司、電子公司和大學(xué)的合作項(xiàng)目，合作者包括NEC公司、DaimlerChrysler公司、Siemens公司和Mannheim大學(xué)。該項(xiàng)目利用無(wú)線多跳自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線車載通信，能夠有效提高司機(jī)和乘客的安全性和舒適性。FleetNet的設(shè)計(jì)目標(biāo)包括實(shí)現(xiàn)近距離多跳信息傳播以及為司機(jī)和乘客提供位置相關(guān)的信息服務(wù)。在該項(xiàng)目中，位置信息起著重要的作用，一方面它本身是FleetNet一些應(yīng)用的基本需求，另一方面它也能使得通信協(xié)議更有效地運(yùn)作。NEC歐洲實(shí)驗(yàn)室和Mannheim大學(xué)為車載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了基于位置的路由和轉(zhuǎn)發(fā)算法，然后基于該算法實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于位置的車-車通信路由器。研究人員建立了一個(gè)由6輛車組成的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，其中每輛車裝備了一個(gè)GPS接收器、一個(gè)802.11無(wú)線網(wǎng)卡，以及一個(gè)車-車通信路由器。另外，每輛車還裝備了一個(gè)GPRS接口，這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自組織網(wǎng)絡(luò)中的每輛車進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

    CarTalk[23]是一個(gè)歐洲的司機(jī)輔助系統(tǒng)研究項(xiàng)目。該項(xiàng)目利用車-車通信技術(shù)為移動(dòng)中的車輛建立一個(gè)移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)，來(lái)幫助增強(qiáng)道路系統(tǒng)的安全性。例如，當(dāng)一個(gè)車輛剎車的時(shí)候或者檢測(cè)到危險(xiǎn)的道路狀況的時(shí)候，它會(huì)給后方車輛發(fā)送一個(gè)警告消息。即使在前方有其他車輛遮擋的情況下，后方車輛也能夠盡早得到警告。這個(gè)系統(tǒng)同時(shí)也能夠幫助車輛更安全地駛?cè)敫咚俟泛婉傠x高速公路。

    California Path[24]是加州大學(xué)伯克利分校的一個(gè)關(guān)于智能交通系統(tǒng)的綜合性研究項(xiàng)目。該項(xiàng)目始建于1986年，主要由伯克利分校的交通研究學(xué)院負(fù)責(zé)管理，同時(shí)也和加州交通部有密切合作。California Path致力于運(yùn)用前沿技術(shù)解決和優(yōu)化加州道路系統(tǒng)存在的問(wèn)題，其主要關(guān)注于3個(gè)方面的研究：

    (1)交通系統(tǒng)運(yùn)籌學(xué)研究：其研究方向包括車流管理、旅行者信息管理、監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理算法、數(shù)據(jù)融合和分析等。
    (2)交通安全研究：研究?jī)?nèi)容包括十字路口協(xié)同安全系統(tǒng)研究、司機(jī)行為建模、工人與行人相關(guān)的安全研究等。
    (3)新概念應(yīng)用研究：該研究致力于發(fā)現(xiàn)、驗(yàn)證在公共交通系統(tǒng)中的新概念和方法，幫助減少交通系統(tǒng)的阻塞，提高公共交通的出行效率。

    MIT CarTel[25]是麻省理工學(xué)院的一個(gè)分布式移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)。CarTel的應(yīng)用能夠收集、處理、傳遞、分析和可視化來(lái)自手機(jī)或者車輛的傳感器數(shù)據(jù)。在該項(xiàng)目中，一個(gè)小型嵌入式計(jì)算機(jī)能讀取一系列不同的傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給一個(gè)Internet服務(wù)器。服務(wù)器進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后提供給最終用戶多種不同的服務(wù)。整個(gè)系統(tǒng)的框架包括進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集的硬件和軟件、在車輛之間數(shù)據(jù)傳遞的網(wǎng)絡(luò)、能夠容忍網(wǎng)絡(luò)連接中斷的數(shù)據(jù)庫(kù)查詢系統(tǒng)、為基于位置的服務(wù)設(shè)計(jì)的隱私協(xié)議、車流預(yù)測(cè)模型系統(tǒng)以及道路表面狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

    美國(guó)政府與工業(yè)界也積極參加到車載物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)中。車輛基礎(chǔ)設(shè)施集成計(jì)劃(Vehicle Infrastructure Integration)致力于利用無(wú)線通信技術(shù)使行駛中的車輛更緊密地與周圍的環(huán)境相聯(lián)系，從而提高交通系統(tǒng)的安全性。該計(jì)劃的主要參與者包括美國(guó)交通部、加州交通部以及戴姆勒、福特、通用等汽車公司。該計(jì)劃的參與者在加州101公路和密歇根Novi市部署了數(shù)十個(gè)路邊基站，用于測(cè)試汽車與路邊基站的通信能力。在通用公司展示的車載安全系統(tǒng)中，車輛通過(guò)DSRC無(wú)線技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控周圍車輛的位置、速度與方向，一旦發(fā)生緊急情況，車輛通過(guò)聲、光信號(hào)警告司機(jī)。最近，由美國(guó)交通部主導(dǎo)的IntelliDrive項(xiàng)目[26]致力于在個(gè)人移動(dòng)設(shè)備(如手機(jī)和PDA)、車輛以及路邊基站之間建立安全、靈活的無(wú)線通信，使道路交通系統(tǒng)更安全、更智能和更環(huán)保。美國(guó)交通部目標(biāo)在2013年前對(duì)現(xiàn)有的無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估，以幫助落實(shí)未來(lái)交通系統(tǒng)的決策與實(shí)施。

    6 結(jié)束語(yǔ)

    車載物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ男屡d領(lǐng)域。它能夠使人們的日常生活更緊密地與計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，增強(qiáng)交通安全，提高城市交通效率，以及提供各種與位置相關(guān)的信息服務(wù)。近些年，車載物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)得到了學(xué)術(shù)界、工業(yè)界以及政府部門的高度重視，相關(guān)的工業(yè)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已提上制訂日程。然而，針對(duì)不同的應(yīng)用和不同的環(huán)境，仍然有很多尚未妥善解決的問(wèn)題。人們相信，在車載物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，會(huì)看到更多更深入的研究，同時(shí)車載物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將能夠很快走出實(shí)驗(yàn)室，投入實(shí)際應(yīng)用。

    俞波，美國(guó)韋恩州立大學(xué)博士后；研究方向?yàn)檐囕d物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)；已發(fā)表論文12篇。

    須成忠，美國(guó)韋恩州立大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系教授、互聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室主任、SUN公司韋恩州立大學(xué)開源計(jì)算與應(yīng)用中心主任、上海交大和北京郵電大學(xué)的客座教授；研究領(lǐng)域?yàn)椴⑿蟹植加?jì)算、無(wú)線嵌入式系統(tǒng)；已出版專著2部，發(fā)表論文160篇。

    過(guò)敏意，日本筑波大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)博士畢業(yè)；曾任日本會(huì)津大學(xué)教授和系主任，現(xiàn)任上海交通大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系主任，上海交通大學(xué)特聘教授，華中科技大學(xué)、中南大學(xué)、南京大學(xué)、四川大學(xué)客座教授。