孟 源，柴舒楊，羅正華，雷 霖

(1.成都大學(xué)電子信息工程學(xué)院，四川成都 610106；2.香港浸會大學(xué)理學(xué)院，中國香港 999077)

車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析

孟 源1，柴舒楊2，羅正華1，雷 霖1

(1.成都大學(xué)電子信息工程學(xué)院，四川成都 610106；2.香港浸會大學(xué)理學(xué)院，中國香港 999077)

利用車聯(lián)網(wǎng)獲取車輛運行參數(shù)和道路等交通基礎(chǔ)設(shè)施使用狀況，感知實時道路交通路況，能有效減少交通擁堵，實現(xiàn)綠色出行，并提供豐富的智能交通信息服務(wù).車聯(lián)網(wǎng)將促進(jìn)汽車、交通和信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)向更加現(xiàn)代化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向發(fā)展.對車聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)狀進(jìn)行了較為全面的研究，包括車聯(lián)網(wǎng)的概念、技術(shù)優(yōu)勢、信息服務(wù)以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等.

車聯(lián)網(wǎng)；信息服務(wù)；通信類型；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車大眾化時代已經(jīng)快速來臨.汽車的增長速度遠(yuǎn)大于交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)速度，給道路交通帶來了極大的壓力[1].如何將信息技術(shù)、通訊技術(shù)、電子傳感技術(shù)、控制技術(shù)及計算機技術(shù)等有效地集成運用于整個地面交通管理系統(tǒng)，以緩解交通擁堵，為用戶提供安全、舒適的駕駛環(huán)境，越來越受到社會的重視.社會信息化和網(wǎng)絡(luò)化的進(jìn)程，加快了物聯(lián)網(wǎng)在各行業(yè)的應(yīng)用，而物聯(lián)網(wǎng)在智能交通中的應(yīng)用，即車聯(lián)網(wǎng)，是解決交通問題的有效途徑之一[2].利用裝載在車輛上的電子標(biāo)簽，通過無線射頻等識別技術(shù)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息交換，使車與路、車與車、車與人之間的信息互聯(lián)互通，可對車輛和交通狀況進(jìn)行有效的智能監(jiān)控[3].目前，國內(nèi)的車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入高速發(fā)展時期，汽車信息服務(wù)作為汽車制造業(yè)和通信行業(yè)的交叉領(lǐng)域，涉及傳感器技術(shù)、接入技術(shù)、信息處理技術(shù)、通信技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域，但從目前國內(nèi)外研究狀況來看，汽車信息服務(wù)的總體業(yè)務(wù)需求還不十分明確，功能定義參差不齊，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo).

1 車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

1.1 車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)概念

車聯(lián)網(wǎng)，是指通過裝載在車輛上的傳感器、電子設(shè)備及電子標(biāo)簽提供車輛信息，采用各種通信技術(shù)實現(xiàn)車與車、車與人、車與路的互連互通，并在信息網(wǎng)絡(luò)平臺上對信息進(jìn)行提取、共享等，同時，根據(jù)不同的功能需求對車輛進(jìn)行有效的管控和提供相應(yīng)信息服務(wù).車聯(lián)網(wǎng)主要依靠傳感技術(shù)、電子設(shè)備及電子標(biāo)簽等的應(yīng)用進(jìn)行信息采集，將車輛的傳感器網(wǎng)絡(luò)和道路的傳感器網(wǎng)絡(luò)互連，通過網(wǎng)絡(luò)平臺將信息傳輸?shù)杰囕v的電子控制單元(ECU)進(jìn)行處理.電子控制單元是汽車專用微機控制器，由微處理器(CPU)、存儲器(ROM、RAM)、輸入/輸出接口(I/O)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)以及整形、驅(qū)動等大規(guī)模集成電路組成.車載設(shè)備是車聯(lián)網(wǎng)中安裝在車輛上，具備計算、存儲、輸入與輸出功能并集成通信模塊的人機交互接口，可為駕駛員和乘客提供信息服務(wù)及車輛控制的電子設(shè)備.

車聯(lián)網(wǎng)要求網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強，并具有較高的可靠性和良好的錯誤檢測能力，采用控制器局域網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn).車聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信采用DeviceNet協(xié)議，它是一個簡單、廉價而且高效的協(xié)議，適用于最低層的現(xiàn)場總線，例如，過程傳感器、執(zhí)行器、閥組、電動機起動器、條形碼讀取器、變頻驅(qū)動器、面板顯示器、操作員接口和其他控制單元的網(wǎng)絡(luò).

1.2 車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢

交通管理的智能化、現(xiàn)代化，一直是人們追求的目標(biāo).隨著科技的發(fā)展，計算機技術(shù)在交通管理中發(fā)揮了越來越大的作用，但這些技術(shù)只是單純對車輛或道路實施管理，具有系統(tǒng)性不強的特點.上世紀(jì)90年代起，歐美發(fā)達(dá)國家率先提出智能交通系統(tǒng)(In-telligent Transport System，ITS)解決方案[4].ITS是將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子傳感技術(shù)、電子控制技術(shù)以及計算機處理技術(shù)等有效地集成運用于整個交通運輸管理體系，而建立的一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的，實時、準(zhǔn)確、高效的綜合運輸和管理系統(tǒng).ITS包含車輛及道路上各種交通設(shè)施，強化了系統(tǒng)平臺通過智能化方式對各類交通環(huán)境下的車輛及交通設(shè)施的智能化管理和控制[5]，以有效提高交通管控水平.

基于網(wǎng)絡(luò)平臺的車聯(lián)網(wǎng)是以車輛為中心，通過有線/無線通信技術(shù)將車與車、車與路、車與人、車與服務(wù)平臺連接起來[6].與ITS相比，車聯(lián)網(wǎng)在集成了其主要功能的基礎(chǔ)上，更注重以車輛為中心的網(wǎng)絡(luò)連接，全面感知車輛信息，使行車過程更舒適、行車效率更高.區(qū)別于傳統(tǒng)的智能交通系統(tǒng)，車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)必須對其信息服務(wù)、應(yīng)用范圍、業(yè)務(wù)需求、通信環(huán)境及能力、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)接口及協(xié)議等領(lǐng)域進(jìn)行研究.

2 車聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)

車聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)主要包括通信服務(wù)、道路導(dǎo)航、駕駛輔助、遠(yuǎn)程監(jiān)控和資訊娛樂5大類，信息服務(wù)的使用者主要為駕駛員及乘客.車聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)整體框架如圖1所示.

圖1 車聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)整體框架

2.1 感知延伸層

感知延伸層由車輛的ECU和控制器局域網(wǎng)現(xiàn)場總線(CAN-BUS)組成，車載終端與CAN-BUS之間的接口主要實現(xiàn)車輛的ECU與車載終端之間的上下行數(shù)據(jù)交互.數(shù)據(jù)上行即是通過CAN-BUS將ECU所采集的各類數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯集、存儲到車載終端，車載終端對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化處理后，通過接口向業(yè)務(wù)管理平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)上報；數(shù)據(jù)下行即是業(yè)務(wù)管理平臺向車載終端下發(fā)汽車控制指令，車載終端進(jìn)行格式化轉(zhuǎn)換后，再通過CAN-BUS將控制命令傳遞給對應(yīng)的ECU，實現(xiàn)對車輛的控制.

2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

網(wǎng)絡(luò)傳輸層實現(xiàn):支持業(yè)務(wù)狀態(tài)管理與會話管理，包括報文重發(fā)機制、連接檢測和連接異常處理；支持終端參數(shù)配置管理，包括業(yè)務(wù)管理平臺設(shè)置車載終端參數(shù)、車載終端向業(yè)務(wù)管理平臺請求參數(shù)配置、本地人工配置車載終端參數(shù)、車載終端參數(shù)配置異常處理等；實現(xiàn)終端狀態(tài)上報，包括終端異常狀態(tài)上報、業(yè)務(wù)管理平臺向終端實時提取數(shù)據(jù)上報、終端遠(yuǎn)程控制執(zhí)行狀態(tài)上報、對汽車廠商的不同ECU所采集的不同格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行適配；支持車載終端與SIM卡的雙向安全認(rèn)證機制，實現(xiàn)2G或3G等通信接入方式 ；支持電路交換 、SMS、USSD、GPRS 、WAP 等方式實現(xiàn)與業(yè)務(wù)管理平臺的語音、數(shù)據(jù)通信；利用手機的通信模塊，通過USB等方式和車載終端互連后，輔助車載終端實現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)傳輸功能.

2.3 業(yè)務(wù)層

業(yè)務(wù)管理平臺實現(xiàn)對汽車信息服務(wù)的各類基本管理以及汽車信息服務(wù)業(yè)務(wù)和產(chǎn)品的全生命周期的信息維護(hù)和管理.對于不同的接入方式，業(yè)務(wù)管理平臺起到接入網(wǎng)關(guān)的作用，對上層的應(yīng)用，屏蔽終端接入的復(fù)雜性.業(yè)務(wù)管理平臺可通過操作維護(hù)界面進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的配置修改，實現(xiàn)相應(yīng)的權(quán)限管理.

2.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層根據(jù)不同的用戶，提供車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的能力支撐及應(yīng)用服務(wù).該服務(wù)平臺提供交通信息、車輛防盜、車輛監(jiān)控、商務(wù)娛樂等業(yè)務(wù)，車輛通過公共網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)平臺獲取服務(wù).對電信運營商提供的各類基礎(chǔ)通信及增值業(yè)務(wù)能力，例如視頻監(jiān)控、語音IVR呼叫中心、定位及通信等進(jìn)行能力封裝，提供標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)用接口，提升汽車信息服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)能力.對與汽車信息服務(wù)相關(guān)的各類專業(yè)領(lǐng)域的能力，例如公共資源(城市應(yīng)急聯(lián)動系統(tǒng)、數(shù)字城管等)、公開信息(交通、停車場、天氣預(yù)報等)提供統(tǒng)一的接入實現(xiàn)方式，提升汽車信息服務(wù)應(yīng)用開發(fā)能力.

3 車聯(lián)網(wǎng)通信類型

車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)由車與車的網(wǎng)絡(luò)、車與路的網(wǎng)絡(luò)、車與人的網(wǎng)絡(luò)、車與服務(wù)平臺的網(wǎng)絡(luò)、車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)組成.通過車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，車輛可獲得各種車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，以提高用戶的行車安全和效率，緩解城市交通壓力，并提供用戶各種商務(wù)和娛樂平臺，使行車過程更智能舒適.車聯(lián)網(wǎng)通信類型可根據(jù)通信對象不同劃分為，車與車通信、車與路通信、車與人通信、車與服務(wù)平臺通信與車內(nèi)通信.

3.1 車與車通信

車與車通信，是指通過車載終端進(jìn)行車輛間的通信.車載終端可實時獲取周圍車輛的車速、車輛位置、行車情況告警等信息，車輛間也可以構(gòu)成一個互動的平臺，實時交換各種文字、圖片、音樂和視頻等信息等.車與車通信主要應(yīng)用于避免和減緩交通事故、車輛監(jiān)督管理、生活娛樂等，同時基于公共網(wǎng)絡(luò)的車與車通信，還應(yīng)用于車輛間的語音、視頻通話等.

3.2 車與路通信

車與路(包括室外道路和室內(nèi)道路)通信，是指車輛區(qū)域設(shè)備與道路區(qū)域設(shè)備，如紅綠燈、交通攝像頭、路側(cè)單元等，進(jìn)行通信，通過道路區(qū)域設(shè)備獲取附近區(qū)域的車輛信息并發(fā)布實時的各種信息.車與路通信主要應(yīng)用于實時信息服務(wù)、車輛監(jiān)控管理、不停車收費等.

3.3 車與人通信

車與人通信，是指人使用個人設(shè)備，如手機、筆記本電腦等或其他手持設(shè)備，如多功能讀卡器等與車輛區(qū)域的設(shè)備進(jìn)行通信.車與人通信主要應(yīng)用于智能鑰匙、信息服務(wù)、車輛信息管理等.

3.4 車與服務(wù)平臺通信

車與服務(wù)平臺通信，是指車載終端通過公共網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程的服務(wù)平臺建立連接，實現(xiàn)服務(wù)平臺與車輛之間的數(shù)據(jù)交互、存儲和處理，提供車輛交通/娛樂/商務(wù)服務(wù)和車輛管理等.車與服務(wù)平臺通信主要應(yīng)用于車輛導(dǎo)航、車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控、緊急救援、信息娛樂服務(wù)等.

3.5 車內(nèi)通信

車內(nèi)通信，是指車載終端與車內(nèi)的傳感器和電子控制裝置之間相互連接所形成的車身通信網(wǎng)絡(luò)，用于獲取車輛數(shù)據(jù)并可根據(jù)指令對車輛進(jìn)行控制.車內(nèi)通信主要應(yīng)用于車輛檢測、車輛系統(tǒng)控制、輔助駕駛等.車內(nèi)通信的范圍覆蓋整個車輛內(nèi)部，是在一個相對靜止的環(huán)境中所進(jìn)行的通信，采用的通信技術(shù)包括CAN 、LIN、FlexRay、MOST 等.

4 車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

車聯(lián)網(wǎng)是一種包括車與車、車與人、車與路以及車與服務(wù)平臺的通信網(wǎng)絡(luò).其中，車與車、車與路、車與人的通信主要是以局域網(wǎng)絡(luò)形式進(jìn)行；車與服務(wù)平臺的通信是建立在公共網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下進(jìn)行.多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò).其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示.

圖2 車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

4.1 車載區(qū)域

車載區(qū)域主要包括車載終端、車載電子標(biāo)簽等電子設(shè)備，該區(qū)域設(shè)備安裝或放置在車輛上，通過車載設(shè)備，車輛能與道路區(qū)域、用戶區(qū)域設(shè)備、服務(wù)平臺和車身區(qū)域進(jìn)行通信.同時，車載設(shè)備還可與個人通訊設(shè)備互聯(lián)互通來完成對外界設(shè)備和系統(tǒng)的通信及共享應(yīng)用.其中，車載終端可集成通信、定位、信息服務(wù)等多項功能，具有強大的業(yè)務(wù)調(diào)度和數(shù)據(jù)處理能力.車載終端除具有通訊、數(shù)據(jù)存儲、人機交互功能外，還具有定位、應(yīng)用、數(shù)據(jù)獲取與控制功能等.

4.2 車身區(qū)域

車身區(qū)域主要包括車載傳感器及控制車內(nèi)部件的各種控制單元，如中央門鎖控制單元、電動窗控制單元、空調(diào)控制單元、組合儀表控制單元等.控制單元通過CAN-BUS總線與車載終端連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并根據(jù)指令控制車內(nèi)部件.

4.3 道路區(qū)域

道路區(qū)域主要包括信息牌、讀卡器、攝像機、交通設(shè)施以及路側(cè)單元等設(shè)備.該區(qū)域設(shè)備安裝在道路周圍，采集與發(fā)布交通信息，并提供商務(wù)及娛樂信息.同時，道路區(qū)域設(shè)備通過公共網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)平臺連接.路側(cè)單元是設(shè)置在道路邊，進(jìn)行交通信息的收集、分析、發(fā)布等的設(shè)備，其可與車輛區(qū)域設(shè)備和道路區(qū)域的部分設(shè)備進(jìn)行通信.路側(cè)單元具有通信、應(yīng)用、管理以及信息發(fā)布等功能.

4.4 用戶區(qū)域

用戶區(qū)域主要包括手機、電腦、PDA和其他手持設(shè)備等.用戶區(qū)域設(shè)備與車輛進(jìn)行通信，可獲取車輛信息并進(jìn)行控制，也可與車載終端連接共享網(wǎng)絡(luò)和車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用.各子區(qū)域間可使用短距離通信技術(shù)，通過自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，也可使用中長距離通信技術(shù)，通過公共網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換.其他手持設(shè)備主要是便攜式讀卡器等多功能終端，通過無線通信方式獲取車輛信息，并將信息傳送到服務(wù)平臺，對車輛進(jìn)行信息管理.

4.5 公共網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)平臺

公共網(wǎng)絡(luò)包括固定和移動網(wǎng)絡(luò)，其主要功能是提供車輛與服務(wù)平臺遠(yuǎn)程通信的網(wǎng)絡(luò)通道，同時也提供一些基本的電信服務(wù)，如短信、語音、視頻等.服務(wù)平臺提供車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的能力支撐及應(yīng)用，以及交通信息、車輛防盜、車輛監(jiān)控、商務(wù)娛樂等業(yè)務(wù).車輛通過公共網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)平臺獲取服務(wù).

5 結(jié) 語

對交通基礎(chǔ)設(shè)施運行狀態(tài)監(jiān)控和提供車輛信息服務(wù)是車聯(lián)網(wǎng)的研究目標(biāo).本研究對車聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)狀進(jìn)行了一定的分析，包括車聯(lián)網(wǎng)的概念、技術(shù)優(yōu)勢、信息服務(wù)結(jié)構(gòu)以及車聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等.可以看出，車聯(lián)網(wǎng)是今后智能交通系統(tǒng)的發(fā)展方向，其必將帶動汽車和交通產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，促進(jìn)汽車、交通和信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)向更加現(xiàn)代化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向發(fā)展.

:

[1]諸彤宇，王家川，陳智宏.車聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)狀與發(fā)展研究[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2011，7(5):266-268.

[2]Lee K C，Lee U，Gerla M ，et al.Geo-Opportunistic Routing for Vehicular Networks[J].IEEE Communications Magazine，2010，48(5):164-170.

[3]程剛，郭達(dá).車聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)狀與發(fā)展研究[J].移動通信，2010，35(17):23-26.

[4]武鎖寧.車聯(lián)網(wǎng):值得關(guān)注的課題[J].中國電信業(yè)，2010，11(8):17-19.

[5]王云鵬.車路協(xié)同系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢[J].ITS世界，2011 ，5(3):1-8.

[6]李清泉，熊煒，李宇光.智能道路系統(tǒng)的體系框架及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J].交通運輸系統(tǒng)工程與信息，2008，8(1):40-48.

Analysis of Network Architecture of Internet of Vehicles

MENGYuan1，CHAI Shuyang2，LUO Zhenghua1，LEI Lin1

(1.School of Electronic and Infor mation Engineering，Chengdu University，Chengdu 610106，China；2.Faculty of Science，Hong Kong Baptist University，Hong Kong 999077，China)

Internet of vehicles was used to collect operating parameters，the information of road and other transport infrastructure usage and to learn real-time road traffic，which can effectively reduce traffic to realize green travel and provide rich intelligent transportation information service.Internet of vehicles will promote the further development of vehicles，transportation ，and information technology industries to more modernized ，networking ，intelligent way.The present situation of internet of vehicleswas analyzed and discussed comprehensively，including concept of internet of vehicles，technical superiority ，information services and network architecture and so on.

internet of vehicles；information services；types of communication ；network architecture

TP393

A

1004-5422(2012)04-0346-04

2012-03-25.

四川省科技廳科技支撐計劃(2011GZ0260)資助項目.

孟 源(1980—)，男，碩士，從事計算機網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用技術(shù)研究.