◆文/湖北 易琨 田煒 盧薦胤 簡偉平

一、車載自組織網概述

1.車聯(lián)網與智能交通系統(tǒng)的關系

車聯(lián)網(internet of vehicle)的概念源于物聯(lián)網(internet of things)，是物聯(lián)網的一個重要應用，是指車、路、人、傳感設備等實現交互的動態(tài)移動通信系統(tǒng)，可以完成實時車輛監(jiān)控和管理?，F在的車聯(lián)網是指利用車載電子傳感器，通過移動無線局域網、車載導航、智能終端與信息網絡平臺，以車內工業(yè)控制局域網、車間網和車載移動互聯(lián)網為基礎，按照約定的通信協(xié)議和數據交互標準，使車與人(Vehicle to Pedestrian，V2P)、車與車(Vehicle to Vehicle，V2V)、車與路(Vehicle to Roadside，V2R)以及車與基礎設施之間(vehicle to infrastructure，V2I)實時聯(lián)網，實現無線數字、語音、視頻等方面的通信和信息交互，從而對車、人、物、路、地理信息等進行有效智能監(jiān)督管理的大網絡系統(tǒng)。一般認為車聯(lián)網概念包含Telematics(車載信息通信系統(tǒng)及服務)、 智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation System，ITS)和汽車電子(autoelectronics)三大板塊業(yè)務。由此看，車聯(lián)網的概念包含智能交通系統(tǒng)。

2.為智能交通系統(tǒng)服務的車載自組網的基本概念

隨著交通問題的日益突出以及運用智能交通技術改善交通狀況等諸多技術的應用，智能交通系統(tǒng)已經成為當前研究的熱點領域之一。作為智能交通系統(tǒng)的一個重要組成部分，車載自組織網(Vehicular Ad Hoc Network,VANET)是智能交通系統(tǒng)的信息承載平臺，近年來受到了越來越多的關注。

車載自組織網是一種以行駛車輛和路測單元為節(jié)點，節(jié)點間可以通過多跳傳輸進行無線通信的移動自組織網絡(Mobile Ad HocNetwork,MANET)。由于移動自組織網絡是一種無線分布式，無中心，自組織的網絡，而車載自組網也同樣繼承了移動自組網的這些特性，故也稱自組網為移動自組織網絡在智能交通中的擴展應用。

車載自組織網將傳感器技術、短距離移動通信及信息處理技術結合在一起，其本質是一種無中心的移動自組織網絡，車輛可以隨行駛環(huán)境的不同，在沒有固定接入設備的情況下，依然能夠建立或加入不同車輛構成的網絡，最大限度地提高了車輛網絡的應用范圍。車載單元通過檢測車輛的運行狀況，在臨近車輛間交互車輛自身位置、車輛緊急故障等信息，使車輛能夠實時獲知超視距范圍內其他車輛的狀態(tài)信息(如車速、方向、位置等)和實時交通信息，幫助駕駛員迅速做出正確的應急措施，從而避免車輛追尾、路口碰撞等交通事故的發(fā)生，減輕駕駛員的負擔，提高車輛智能化水平。

車載自組織網也是移動自組織網絡(Mobile Ad hoc NETworks,MANET)與無線傳感器網絡(Wireless Sensor NETworks,WSN)在ITS中的具體應用，已成為無線網絡和智能交通等熱點研究領域的研究重點，并且已經成為ITS的重要組成及核心部分。車載自組織網絡作為ITS的一個重要組成部分，借助車輛與車輛(Vehicle-to-Vehicle，V2V)、車輛與路旁基礎設施(Vehicle-to-Infrastructure，V2I)以及車輛與行人(Vehicleto-Pedestrian，V2P)之間的直接或多跳通信，從而在現有道路網上動態(tài)、快速構建一個自組織、分布式控制的專用短距離通信網絡，有著非常廣闊的應用前景。通過運用新興的車-X通信技術，可以實現車輛協(xié)同安全駕駛、交叉路口決策支持、區(qū)域交通智能調度、實時交通信息發(fā)布、無限增值信息服務(例如天氣預報、加油站或停車場位置服務等)以及諸如點對點(Peer-to-Peer，P2P)文件共享、視頻傳輸、在線游戲等交互式流媒體通信方面的應用。

車載自組織網能夠顯著降低道路交通擁堵、減輕司機操勞動強度，在節(jié)省道路占用土地面積的前提下，實現更加安全、經濟、舒適、快捷的城市交通運輸服務，降低能源消耗、緩解交通擁塞并且改善交通環(huán)境，其最終目標就是實現以車載移動終端的高度智能化為核心，以車輛之間的協(xié)調合作為基礎，促進人、車、路三位一體協(xié)調發(fā)展的智能協(xié)同系統(tǒng)(Intelligent Cooperative Systems，ICS)。因此，車載自組織網不僅是ITS的重要組成及核心部分，而且也是ITS的最高形式及最終歸宿，它引領著未來城市交通的發(fā)展方向，同時也是實現城市交通可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

二、車載自組織網的體系結構

1.車載自組織節(jié)點硬件系統(tǒng)

一般來說，一個完整的VANET節(jié)點硬件系統(tǒng)包括通信模塊、GPS/GIS(Global Positioning System/Geographic Information System)、傳感器、顯示系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、控制中心，如圖1所示。其中車輛間通信(Inter-vehicle communication，IVC)和車輛與路邊節(jié)點通信(road-tovehicle communication，RVC)構成了通信模塊，它使車輛、路邊節(jié)點聯(lián)為一體。并且由于路邊節(jié)點通常與Internet相連，因此車載自組織網能夠訪問Internet資源，或經由Internet路由。GPS和DGPS(Differential GPS)負責采集車輛位置信息，這將為媒介訪問控制(Media Access Control，MAC)、路由等提供位置服務。DGPS就是把高精度GPS接收設備設置在位置精確測定的地點組成基站?；窘邮誈PS定位信息和本站已知的精確位置相對比計算出位置測定誤差，并將這些誤差作為校正參考值向基站周圍廣播?；局車能囕dGPS接收設備收到來自基站的校正參考值，修正自身GPS定位值，從而顯著提高了定位精確度。

圖1 VANET節(jié)點硬件系統(tǒng)

傳感器負責使用激光雷達等設備偵測前方車距，識別前方障礙物類型。另外，傳感器還采集車輛速度、加速度、偏航速率、發(fā)送機轉數等數據。GIS提供地理信息，如建筑物位置、街道形狀等，對路由協(xié)議十分有幫助，同時它還能夠計算最佳行車路線，定位對象位置等。顯示系統(tǒng)將車輛行駛參數，周圍車輛行駛狀況顯示給司機。結合GIS支持，則可以顯示車輛行駛路線，道路情況等?？刂葡到y(tǒng)負責執(zhí)行控制指令，如緊急剎車等。它一種可能的實現是與控制器局域網(Controller Area Network，CAN)總線相連，傳達控制指令。

2.不斷轉換自己的角色，實現對調查研究工作的有效指導。作為黨的主席，毛澤東首先要抓全局性、方向性的工作，這不僅是重要的，而且是必須的。這時，他發(fā)揮的是指揮員的角色。1961年3月13日，毛澤東主持三南會議，并發(fā)表講話。他說，“省委第一書記要親自做調查研究，我也是第一書記，我只抓第一書記。其他的書記也要做調查研究，由你們負責去抓。只要省、地、縣、社四級黨委的第一書記都做調查研究，事情就好辦了。”［3］252

控制中心是車載系統(tǒng)的核心，它不但分析各個部件輸入的相關數據，還根據這些數據，制定策略，作為控制消息發(fā)送到相關模塊執(zhí)行。通信模塊、GPS、傳感器和GIS是信息輸入模塊，控制中心分析這些信息，發(fā)出控制消息?？刂葡鬟f到相關模塊，如通信模塊、機械控制系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)。它執(zhí)行這些命令，完成相應操作。

2.車載自組織網的網絡結構

圖2描述了VANET在真實環(huán)境中應用的一個網絡結構模型。通過圖2可以看到，VANET網絡實現了車輛與車輛、車輛與路旁基礎設施以及車輛與行人之間的直接或多跳通信，

整合了便攜式互聯(lián)網、移動蜂窩網、無線局域網、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)、路基數字多媒體服務(digital multimedia broadcasting，DMB)的所有功能。

三、車載自組織網與MANET對比的主要特點

VANET是傳統(tǒng)的移動自組織網絡(MANET)在交通道路上的應用，是一種特殊的移動自組織網絡。由于車輛節(jié)點不同于一般的移動節(jié)點使得VANET具有其獨特的屬性，與MANET有較大的區(qū)別。相對于MANET來說，VANET的主要特點如：(1)節(jié)點移動空間受地理環(huán)境約束；(2)節(jié)點的快速運動與可估算的軌跡；(3)網絡中節(jié)點數目龐大；(4)節(jié)點的能量不受約束。

圖2 VANET網絡結構模型

四、車載自組織網的應用發(fā)展

1.車載自組織網的典型應用

當VANET能高效地在車輛間傳輸信息時，其具有廣泛的應用如：(1)安全預警，通過車輛間信息的交換獲得其周圍的交通環(huán)境信息，使得駕駛員能根據相應的情況及時的采取規(guī)避措施；(2)協(xié)助駕駛，VANET可以使車輛能夠獲得大范圍內的交通信息，以指導駕駛員避開危險、擁塞的路段，選擇最好的道路行駛，快速安全的到達目的地；(3)交通信息收集，VANET中每個節(jié)點都可以快速地收集其通信范圍節(jié)點的信息，并通過節(jié)點間的交換，獲得更大區(qū)域的交通信息；(4)提供信息服務，比如ETC、移動辦公場所、主干網接入、多媒體傳輸等。

2.世界各國各大汽車廠商啟動的車載自組織網的應用項目

鑒于VANET在智能交通系統(tǒng)中的基礎性作用，世界各大汽車廠商相繼啟動了一些大型項目。

CarTALK 2000是由歐洲發(fā)起的，它研究車輛間相互通信，通過車間的對話，互相交換信息來幫助司機做出正確的駕駛行為，其目的是提高行車安全和輔助駕駛。該項目由8個部分構成，輔助司機針對行駛過程中的各種問題來采取正確的措施，如：選擇通暢的道路行駛，對前方的交通事故及時采取規(guī)避措施等。

FIeetNet項目是以移動Ad Hoc網絡中的通信技術為基礎，研究能在車輛間高效地轉發(fā)數據包的V2V通信系統(tǒng)，使車輛之間能實時的交互一些有關安全方面、車輛密度、查詢等信息。

Car 2 Car Communication Consortium(簡稱C2C CC)項目由歐洲汽車制造商寶馬、大眾、克萊斯勒、雷諾、歐寶、沃爾沃發(fā)起，采取部署RSU來輔助信息傳輸，通過制定通信協(xié)議標準和統(tǒng)一的接口，使得車輛之間能夠傳輸數據。其目標是將該通信協(xié)議制定為公開的歐洲標準。

WILLWARN項目是PReVENT的一個部分，其研究的內容是當道路出現緊急交通狀況時，能及時為附近道路上的車輛提供預警信息，使車輛能提前采取規(guī)避措施，防止事故的發(fā)生。

ADASE項目是通過部署路邊設施來輔助傳輸安全信息，實現在發(fā)生事故前，車輛就能夠規(guī)避危險。

COMCAR項目開創(chuàng)性的將移動通信技術應用到車輛間通信中，因為車輛的通信也是一種交互式的移動通信，也是實現V2V通信必須要面對的難點。

DRIVE項目是為車輛提供視頻音頻下載、上網查詢等增值應用，提高車內辦公水平及乘坐的舒適性。

五、車載自組織網的技術發(fā)展難點

由于VANET的特殊性，使得VANET技術發(fā)展面臨許多新的難點：(1)網絡拓撲結構變化極快，鏈路壽命短暫；(2)網絡分割嚴重，道路的分布決定了車輛節(jié)點的位置分布。在城市環(huán)境中，由于街道的劃分，會形成拓撲空洞；而在鄉(xiāng)村、市郊等偏遠地區(qū)車輛節(jié)點稀疏，會導致網絡不連通；(3)廣播風暴問題，在城市環(huán)境中，尤其是在一些熱點地區(qū)，其節(jié)點密度很高，如果大量節(jié)點同時發(fā)送數據包就極易產生傳輸碰撞，帶來廣播風暴問題；(4)節(jié)點安全性，由于在VANET中，節(jié)點可以隨自己組建或者加入別的車載網絡，當傳輸隱私信息時，如何審核網絡中的節(jié)點是安全可靠的是一個必須解決的難點問題；(5)無線信道的固有特性：在無線通信方面，VANET呈現出了不利的特性，如多個反射物體會造成信號的強度和質量的衰弱。此外，鑒于周圍物體和節(jié)點本身所具有的移動特性，衰減效應也不可忽略。

從上文所分析的VANET技術發(fā)展方面的遇到挑戰(zhàn)可以看到，VANET的發(fā)展建立在跨學科的研究和應用之上，這些領域不僅涉及到計算機網絡、通信和汽車電子，還牽涉到交通、道路運營管理以及信息與服務提供等方面。因此，將VANET視為智能交通系統(tǒng)，重要組成及核心部分的論斷確鑿無疑。

六、結語

目前，就全球范圍來看，只要解決好車載自組網VANET發(fā)展中的一些關鍵性技術問題(如：無線接入技術、信道共享技術、數據分發(fā)技術、車輛網絡中的數據傳輸控制、通信安全問題、車輛運動建模等)，走多學科協(xié)同研究發(fā)展的的道路，就能克服VANET發(fā)展中的難點，VANET就能為智能交通系統(tǒng)以及車聯(lián)網更好的服務，VANET最終成為ITS的最高形式及最終歸宿，并成為道路交通發(fā)展方向的目標就能夠實現。