車(chē)載物聯(lián)網(wǎng)的應用分析

1 車(chē)載物聯(lián)網(wǎng)

　　車(chē)載物聯(lián)網(wǎng)是一項新興技術(shù)，可以大幅提高未來(lái)交通系統的安全和效率，并將車(chē)輛連接到計算機網(wǎng)絡(luò )。車(chē)載物聯(lián)網(wǎng)能夠在行駛中的車(chē)輛之間建立無(wú)線(xiàn)通信，也能夠在過(guò)路車(chē)輛和路邊基站之間建立無(wú)線(xiàn)通信。利用多跳轉發(fā)的方式，車(chē)載網(wǎng)絡(luò )能夠讓兩個(gè)在信號范圍之外的車(chē)輛也建立通信連接。車(chē)載網(wǎng)絡(luò )將成為未來(lái)智能交通系統的重要組成部分。

　　當前的智能交通系統嚴重依賴(lài)于預先部署的基礎設施。例如，嵌入路面的電磁感應器，部署在主要道路交叉口的交通攝像頭，高速公路收費口安裝的射頻標簽（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，路面傳感器對車(chē)流的速度、密度進(jìn)行檢測，然后上傳到城市交通中心。經(jīng)過(guò)數據處理之后，流量報告可以通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò )傳遞到用戶(hù)的手機。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，因為通常信息源和信息消費者的實(shí)際距離只有幾百米遠。

　　車(chē)載網(wǎng)絡(luò )的短距離通信能力將會(huì )改變這種傳統的智能交通系統的通信模式，以更直接的方式幫助信息的產(chǎn)生、傳播和消費。

　　本質(zhì)上車(chē)載物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)巨大的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。每一輛汽車(chē)都可以被視為一個(gè)超級傳感器節點(diǎn)。通常一輛汽車(chē)裝備有內部和外部溫度計、亮度傳感器、一個(gè)或多個(gè)攝像頭、麥克風(fēng)、超聲波雷達，以及許多其他裝備。此外，未來(lái)的汽車(chē)將配備一個(gè)車(chē)載計算機、GPS定位儀和無(wú)線(xiàn)收發(fā)裝置。這使得汽車(chē)之間，以及汽車(chē)和路邊基站之間能夠無(wú)線(xiàn)通信。這種前所未有的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )擴展了計算機系統對整個(gè)世界的感知與控制能力，并且可以讓信息在本地產(chǎn)生和共享，不必涉及龐大的基礎設施。

　　未來(lái)的汽車(chē)和車(chē)載網(wǎng)絡(luò )為人們提供了一系列應用。車(chē)載網(wǎng)絡(luò )的應用可分為4個(gè)類(lèi)別。

　　1.1 安全應用

　　安全應用包括碰撞預警、電子路牌、紅綠燈警告、網(wǎng)上車(chē)輛診斷、道路濕滑檢測等。通常這類(lèi)應用利用短距離通信實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)來(lái)為司機提供即時(shí)警告。

　　1.2 效率應用

　　效率應用包括城市交通管理、交通擁塞檢測、路徑規劃、公路收費、公共交通管理等。這類(lèi)應用致力于改善公眾和個(gè)人的出行效率。

　　1.3 商業(yè)應用

　　商業(yè)應用包括基于位置的服務(wù)，將帶給人們巨大的商機。這些商業(yè)應用的種類(lèi)繁多，如，最近的餐館、最便宜的加油站、商場(chǎng)促銷(xiāo)信息等。這些可能的商業(yè)應用將為服務(wù)業(yè)帶來(lái)新的競爭手段。

　　1.4 信息娛樂(lè )應用

　　信息娛樂(lè )應用包括視頻和音樂(lè )共享、基于位置的餐廳評論、拼車(chē)、社交網(wǎng)絡(luò )等。實(shí)際上，信息娛樂(lè )的一些應用，如福特SYNC[1]和起亞UVO，已成為當前汽車(chē)市場(chǎng)的一個(gè)引人注目的亮點(diǎn)。信息娛樂(lè )系統的網(wǎng)絡(luò )化將是必然趨勢。

　　在車(chē)載網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展過(guò)程中，有4類(lèi)參與者將起到積極的作用。4類(lèi)參與者為政府、汽車(chē)制造商、本地零售商和消費者。傳統智能交通系統由各國政府主導進(jìn)行投資和實(shí)施，其他少數幾個(gè)地理信息系統（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(chē)載網(wǎng)絡(luò )將吸引更多的參與者，并使他們從車(chē)載網(wǎng)絡(luò )中獲取巨大的商業(yè)利潤。首先，汽車(chē)制造商將很樂(lè )于開(kāi)發(fā)裝備車(chē)載網(wǎng)絡(luò )的汽車(chē)，這將增強汽車(chē)的安全性，并提供更豐富的車(chē)內娛樂(lè )系統，從而進(jìn)一步提高其汽車(chē)的競爭力。汽車(chē)電子化是一種必然趨勢，安全系統和信息娛樂(lè )系統的電子化是進(jìn)程的兩個(gè)主要方面。福特SYNC車(chē)載信息娛樂(lè )系統是一個(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(chē)載網(wǎng)絡(luò )將十分方便地傳播他們的促銷(xiāo)信息以及推廣他們的服務(wù)。車(chē)載網(wǎng)絡(luò )會(huì )帶來(lái)激烈的商業(yè)競爭。最后，毫無(wú)疑問(wèn)，這些增強的安全性、提高的效率、價(jià)廉物美的商品、豐富的娛樂(lè )應用等將吸引更多的消費者，并使他們成為最終受益人。

　　2 車(chē)載物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)

　　無(wú)線(xiàn)個(gè)人局域網(wǎng)（WPAN）在消費電子產(chǎn)品（包括汽車(chē)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)藍牙技術(shù)將司機的手機連接到汽車(chē)的音響系統，因而司機可以在行駛中通過(guò)語(yǔ)音命令播放音樂(lè )或撥打電話(huà)。由于大規模生產(chǎn)降低了成本，802.11a/b/g無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)被廣泛使用。雖然802.11a/b/g最初不是針對車(chē)載環(huán)境而設計的，但由于其被廣泛使用帶來(lái)的優(yōu)勢，許多研究人員在車(chē)載環(huán)境中進(jìn)行了實(shí)驗，對802.11a/b/g在車(chē)載環(huán)境中的應用進(jìn)行了一系列實(shí)驗。802.11p和專(zhuān)用短程通信（DSRC）標準對802.11標準進(jìn)行了擴充，以使其能夠適應車(chē)載環(huán)境的無(wú)線(xiàn)通信。802.11p技術(shù)使用5.9 GHz頻段，能夠在移動(dòng)的車(chē)輛之間，以及移動(dòng)車(chē)輛和路邊基站之間建立短距離無(wú)線(xiàn)通信。無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)（WMAN），也稱(chēng)為WiMAX（即IEEE 802.16），是另一項新興技術(shù)。無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)能夠以不同的方式提供長(cháng)距離傳輸，例如，兩個(gè)固定位置的節點(diǎn)之間的通信，以及類(lèi)似于蜂窩系統的移動(dòng)節點(diǎn)通信。然而，目前為止，最常見(jiàn)的車(chē)載通信技術(shù)還基于蜂窩網(wǎng)絡(luò )，通常稱(chēng)之為汽車(chē)遠程信息處理。通用汽車(chē)的OnStar系統和福特的RESCU系統都基于這一類(lèi)技術(shù)。一些地理信息系統公司，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，基于蜂窩的遠程信息處理是一種基于用戶(hù)訂閱的有償服務(wù)。

　　本文認為在不久的將來(lái)車(chē)載通信將建立于一種混合式的架構，如圖1所示。在這種混合架構中，長(cháng)距離通信技術(shù)，如蜂窩網(wǎng)絡(luò )和WiMAX，能夠為人們提供即時(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），則能夠為安全系統提供實(shí)時(shí)響應的保障以及為基于位置的信息服務(wù)提供有效支持。

　　本文認為車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò )（VANET）將在未來(lái)智能交通系統中發(fā)揮重要作用。車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò )依靠短距離通信技術(shù)實(shí)現車(chē)與車(chē)以及車(chē)與路邊基站之間的通信。與傳統的基礎設施網(wǎng)絡(luò )相比，車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò )有兩個(gè)主要優(yōu)勢：首先，車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò )具有成本低、容易部署和操作的優(yōu)勢。消費者無(wú)需訂閱即可享受服務(wù)。其次，從技術(shù)角度來(lái)看，智能交通系統中傳播的很多信息有很強的位置相關(guān)性，車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò )能夠很方便地為臨近車(chē)輛建立實(shí)時(shí)或者非實(shí)時(shí)的短距離通信。

　　3 車(chē)載物聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰

　　車(chē)載網(wǎng)絡(luò )所獨有的特性給人們提來(lái)了前所未有的挑戰，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(chē)載網(wǎng)絡(luò )分3層：鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層和應用層。各網(wǎng)絡(luò )協(xié)議層面臨不同的挑戰。

　　3.1 鏈路層面臨的挑戰

　　在鏈路層，面臨的主要挑戰是如何使鏈路層協(xié)議適應獨特的車(chē)輛運行環(huán)境，使鏈路層獲得最佳性能。鏈路層協(xié)議包括3個(gè)主要設計目標：響應能力、可靠性和可擴展性。首先，鏈路層協(xié)議需要能夠對信道條件和車(chē)輛的移動(dòng)性快速響應，同時(shí)協(xié)議的可靠性和可擴展性對與安全相關(guān)的應用也起著(zhù)重要的作用。一些傳統的鏈路層協(xié)議的設計方法，如無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)（AP）握手、媒體訪(fǎng)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(chē)載環(huán)境中已顯示出低下的性能。這些傳統的設計方法通常會(huì )導致增加的啟動(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，可擴展性和可靠性在一定程度上互相影響，互相作用?？煽繌V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)一般包括重復廣播、合作式傳遞、發(fā)射功率自適應等。但是，總的來(lái)說(shuō)，可靠性和可擴展性仍然值得進(jìn)一步深入研究，特別是針對車(chē)輛安全系統的應用，因為最終用戶(hù)對車(chē)輛安全系統要求很高。

　　3.2 網(wǎng)絡(luò )層面臨的挑戰

　　在網(wǎng)絡(luò )層，面臨的主要挑戰是建立一個(gè)新的路由模式，以促進(jìn)車(chē)載網(wǎng)絡(luò )的信息傳播。在過(guò)去10年中，無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò )方面得到廣泛研究。特別是，研究人員為車(chē)載網(wǎng)絡(luò )提出了許多具有環(huán)境自適應能力的路由協(xié)議，如MDDV和VADD。這些協(xié)議利用車(chē)輛的移動(dòng)性，通過(guò)GPS定位技術(shù)、數字地圖技術(shù)，在車(chē)載網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中提高數據包的轉發(fā)性能。從本質(zhì)上講，這些協(xié)議都是針對以數據包為基本單位而設計。數據包在從源到目的地的整個(gè)轉發(fā)過(guò)程中都保持不變。然而，這種基于分組轉發(fā)的模式已不能適應以信息為中心的應用需求。首先，對于某些應用轉發(fā)路由沒(méi)有明確的數據源和目的地。信息由某些節點(diǎn)共同產(chǎn)生，然后傳遞給另一些節點(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中，每部車(chē)都能產(chǎn)生交通擁塞報告，而這個(gè)報告可以和其他臨近的車(chē)輛產(chǎn)生的報告相融合。所有向擁塞地點(diǎn)行駛的車(chē)輛是這些報告的接收者。在這類(lèi)應用中，人們事先并不知道什么時(shí)間、什么地點(diǎn)、哪些車(chē)輛會(huì )產(chǎn)生報告，人們也不知道誰(shuí)會(huì )成為接收者。有一些基于分組轉發(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(lèi)應用的需求。然而，從本質(zhì)上講，人們需要一個(gè)新的路由模式，能夠為以信息為中心的數據傳輸提供支持，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 應用層面臨的挑戰

　　在應用層，人們所面臨的主要挑戰是如何效地表示、發(fā)現、存儲和更新整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的信息。

　　命名和尋址是車(chē)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，以方便信息存儲和傳播，是一個(gè)有待研究的問(wèn)題。本文認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。命名和尋址政策對系統中的其他協(xié)議，如路由和信息發(fā)現有重大影響。由于車(chē)輛的高移動(dòng)性，另一個(gè)挑戰是如何動(dòng)態(tài)地將車(chē)輛的標簽（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域內的所有車(chē)輛列表。這個(gè)問(wèn)題對于整個(gè)混合網(wǎng)絡(luò )體系都有非常重要的影響。本文認為可以在車(chē)輛以及路邊基站上實(shí)現類(lèi)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。

　　分布式數據管理是另一個(gè)車(chē)載網(wǎng)絡(luò )中具有挑戰性的問(wèn)題。它包括數據復制、數據刪除、緩存管理等一系列問(wèn)題。傳統的分布式數據管理假定在地理上分散的多臺服務(wù)器連接在同一網(wǎng)絡(luò )，這在車(chē)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(chē)載網(wǎng)絡(luò )看作一個(gè)巨大的分布式數據庫系統，其中每個(gè)車(chē)輛維護一個(gè)本地的數據庫。車(chē)和車(chē)間不定期交換數據，從而逐步更新全局數據庫系統。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(kāi)銷(xiāo)來(lái)維護一個(gè)相對一致的分布式數據庫。

　　4 車(chē)載物聯(lián)網(wǎng)中的信息傳播

　　本文認為車(chē)載網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)以信息為中心的分布式系統，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(guān)信息傳播和微觀(guān)信息傳播。以信息為中心來(lái)發(fā)現系統需求十分重要。

　　4.1 宏觀(guān)信息傳播

　　宏觀(guān)信息傳播指在一個(gè)特定的地理區域里將信息傳遞給一個(gè)或一組節點(diǎn)。信息傳播的目的地是網(wǎng)絡(luò )中的特定的單個(gè)節點(diǎn)或者一組指定的節點(diǎn)組，甚至可能是一組未知節點(diǎn)。宏觀(guān)信息傳播的目的是減少信息傳遞延時(shí)，減少傳遞開(kāi)銷(xiāo)（包括存儲開(kāi)銷(xiāo)和通信開(kāi)銷(xiāo)），并提高未來(lái)查詢(xún)的成功率（如果接收節點(diǎn)是事先未知的）。宏觀(guān)信息傳播的研究課題通常包括信息路由、數據緩存、數據融合等。

　　信息傳播可以建立在基礎設施之上，也可以不依賴(lài)基礎設施。Jedrzej等提出建立于蜂窩網(wǎng)絡(luò )基礎設施上的P2P疊加網(wǎng)絡(luò )。車(chē)輛通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò )的基礎設施建立到互聯(lián)網(wǎng)的可靠鏈接，然后這些車(chē)輛之間可以以P2P疊加網(wǎng)絡(luò )的方式來(lái)實(shí)現非安全應用的信息共享、發(fā)現和交換。然而，由于基礎設施提供的服務(wù)通常是付費訂閱的方式，這實(shí)際上限制了消費者的數量。與基于基礎設施的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)相比，相對廉價(jià)的自組織網(wǎng)絡(luò )方案顯得更有吸引力。另一方面，大多數的非安全應用沒(méi)有嚴格的實(shí)時(shí)性要求，因而，當前的一項研究熱點(diǎn)是以容遲的方式來(lái)實(shí)現車(chē)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。

　　在車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò )中，信息的傳播、緩存和融合都有過(guò)相應的研究。然而，在車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò )中，大多數類(lèi)型的信息中并不包括任何目標車(chē)輛的先驗知識，因而容遲的數據傳播、數據查詢(xún)、數據緩存以及數據融合密切地聯(lián)系在了一起。任何車(chē)輛可能會(huì )產(chǎn)生并發(fā)出一個(gè)查詢(xún)，且希望其臨近車(chē)輛能盡快響應。

　　傳統的包路由已不能適應以信息為中心的應用，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。對大多數人而言，傳播的目的地是一個(gè)虛擬的概念。它受時(shí)間、空間和車(chē)輛的限制。換句話(huà)說(shuō)，目的地包括的是所有滿(mǎn)足當時(shí)時(shí)空條件的車(chē)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(chē)定期廣播它感興趣的查詢(xún)，并從鄰居車(chē)輛中獲取數據。推模式是指車(chē)輛有目的地把信息推入周邊的車(chē)輛，使得對此信息感興趣的用戶(hù)可以更方便地得到這些信息。在車(chē)載網(wǎng)絡(luò )技術(shù)市場(chǎng)化的初級階段，只有較少比例的車(chē)輛具備車(chē)載通信能力，通信僅限于一跳，因此推模式更為重要。當制訂推模式的策略時(shí)，人們必須考慮到數據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)預測和控制傳播。