車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)探秘：V2X通信和智能交通系統

　　根據世界衛生組織所提供的統計數據，全球每年因車(chē)禍而喪生的人數大約有120萬(wàn)，受傷的人數在5000萬(wàn)左右。在1990年，各類(lèi)死亡原因當中車(chē)禍只排第9位，而有機構預測到2020年，如果汽車(chē)交通系統的安全措施沒(méi)有顯著(zhù)的提高，車(chē)禍所導致的死亡人數會(huì )升至死亡原因第3位。

　　為了提升交通系統的安全性和智能化，智能交通的系統理念逐漸興起。智能交通可以利用新一代的通信網(wǎng)絡(luò )和數據處理能力，提高交通系統的整體效率，降低能量損耗，增加運輸的安全和便捷。近階段，智能交通系統的開(kāi)發(fā)將主要集中在智能公路交通系統領(lǐng)域，也就是俗稱(chēng)的車(chē)聯(lián)網(wǎng)。

　　應用場(chǎng)景

　　車(chē)聯(lián)網(wǎng)有很多應用場(chǎng)景，有些是現在已經(jīng)看到的，有些是預測的。毋庸置疑，提高交通安全是最主要的應用，其中包括：一，車(chē)輛當發(fā)現有危險臨近，例如前方有障礙物時(shí)，能夠及時(shí)提醒其他車(chē)輛;二，車(chē)輛能夠告知其他車(chē)輛自己所行進(jìn)的方向，以幫助其他車(chē)輛的司機做更準確的判斷;三，靠近交叉路口時(shí)，向其他車(chē)輛提醒;四，駛離高速路時(shí)，向其他車(chē)輛提示;五，臨時(shí)/突然停車(chē)的預警;六，車(chē)輛變線(xiàn)時(shí)的提醒;七，事故匯報;八，汽車(chē)司機對路邊行人/騎自行車(chē)人的提醒。

　　在交通管理方面，車(chē)聯(lián)網(wǎng)可以幫助疏通車(chē)流，實(shí)時(shí)地對擁塞采取有效措施。管理部門(mén)可以根據一些具體的條件靈活地實(shí)施交通規則，例如：可調的時(shí)速限制、可變的信號燈周期和燈閃順序、交叉路口自動(dòng)車(chē)流控制、救護車(chē)/消防車(chē)/警車(chē)的開(kāi)道。

　　在司機輔助方面，智能交通可以提供自動(dòng)泊車(chē)、導航狀態(tài)、路標識別等。對于警察等執法部門(mén)，車(chē)聯(lián)網(wǎng)有助于監控、超速提醒、禁區管理、勒停命令的實(shí)施等。通過(guò)電子支付的方式，車(chē)聯(lián)網(wǎng)使過(guò)路費/停車(chē)費的收集更加快捷方便，從一定程度上減輕車(chē)流的擁塞，減少收費站附近常發(fā)生的低速追尾事故。

　　隨著(zhù)汽車(chē)電子突飛猛進(jìn)的發(fā)展，車(chē)輛本身的運算能力也有長(cháng)足的提高，只要車(chē)聯(lián)網(wǎng)能提供充足大量的路況信息，根據車(chē)上的電子地圖和以往的數據，車(chē)子自身系統可以通過(guò)復雜的優(yōu)化算法，規劃出最佳的路徑，某些情況下還能實(shí)現在高速公路上的自動(dòng)駕駛。例如一個(gè)大貨車(chē)隊，只有最前方的車(chē)里有駕駛員，后面的貨車(chē)里只有若干傳感器和通信器與第一輛車(chē)聯(lián)系，及時(shí)更新信息，順應路況，實(shí)現合理駕駛。

　　技術(shù)方向

　　V2V，或者拓展到V2X，指的是汽車(chē)車(chē)輛之間，或者汽車(chē)與路邊行人/騎車(chē)者的通信系統。這類(lèi)系統就是所謂的車(chē)輛臨時(shí)網(wǎng)絡(luò )(Vehicular Ad-hoc Networks， VANETs)，它屬于一種移動(dòng)臨時(shí)網(wǎng)絡(luò )(Mobile Ad-hoc Networks， MANETs)。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò )中，每一輛入網(wǎng)的車(chē)可以成為一個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，具有移動(dòng)性。每個(gè)節點(diǎn)與其他節點(diǎn)協(xié)同，減少盲區，避免事故。

　　目前，車(chē)聯(lián)網(wǎng)中最重要的目的是提高交通安全，其需求集中體現在：一，低時(shí)延，端到端時(shí)延在5ms以?xún)?二，高可靠，誤包率在99.999%以下，而且能在車(chē)輛發(fā)生擁塞，大量節點(diǎn)共享有限頻譜資源時(shí)，仍能夠保證傳輸的可靠性;三，可能需要支持高速移動(dòng)，考慮到汽車(chē)之間的相對移動(dòng)，最高相對時(shí)速可達500km/h;四，傳輸數據包至少能承載1600字節的信息數據。

　　車(chē)聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展是跨行業(yè)的，涉及的技術(shù)眾多，在這里我們著(zhù)重介紹與無(wú)線(xiàn)通信及系統密切相關(guān)的，分別從物理層和網(wǎng)絡(luò )層入手。

　　已有的技術(shù)

　　當前，由IEEE 802.11p和IEEE 1609組成的協(xié)議框架能夠完成車(chē)聯(lián)網(wǎng)的一些最基本的功能。IEEE802.11p是IEEE 802.11系列的一個(gè)版本，可謂專(zhuān)門(mén)為車(chē)聯(lián)網(wǎng)而“定制”。這樣，WiFi的關(guān)鍵技術(shù)IEEE802.11技術(shù)正通過(guò)802.11p拓展到車(chē)聯(lián)網(wǎng)的V2X應用上。IEEE802.11p傳承了WiFi大部分的物理幀結構設計，包括OFDM發(fā)射，以及基本媒體接入控制(MAC)層協(xié)議，目前支持5MHz/10MHz/20MHz的帶寬，在美國的頻段是5850MHz~5925MHz，工作帶寬均為10MHz，共支持7個(gè)，其中2個(gè)只能由公共安全部門(mén)所使用。相比一般的蜂窩網(wǎng)絡(luò )，IEEE802.11p所能覆蓋的半徑并不大，在500m以?xún)?，因而被稱(chēng)為短距離通信(DSRC)技術(shù)。同時(shí)IEEE802.11p協(xié)議中引入了時(shí)鐘廣播和增強的信道抑制技術(shù)，以加強車(chē)聯(lián)網(wǎng)的物理層。其中時(shí)鐘廣播技術(shù)可以幫助節點(diǎn)與公共的時(shí)間參考保持同步;而信道抑制目的是提高接收器對5GHz左右的帶外干擾的抵抗能力。

　　由于車(chē)輛的快速移動(dòng)性，車(chē)輛與路邊的網(wǎng)絡(luò )基礎設施所組成的通信鏈路也都是臨時(shí)性的，即只在很短的時(shí)間之內存在。所以這個(gè)鏈路必須在極短的時(shí)間建立連接，發(fā)送數據。而IEEE802.11技術(shù)中的那些繁瑣的連接認證過(guò)程耗時(shí)過(guò)長(cháng)，難以使用在車(chē)聯(lián)網(wǎng)。為此，IEEE 1609填補了高層協(xié)議的空白，形成一套完整的協(xié)議棧。IEEE1609包括4個(gè)子協(xié)議，其中IEEE1609.1定義了資源管理，將遠端的應用層與當前的車(chē)輛聯(lián)系起來(lái);IEEE1609.2為應用層和管理信息提供安全服務(wù);IEEE1609.3是IEEE802.11p的網(wǎng)絡(luò )層;總體上，IEEE1609.4可以處理多信道通信。

　　除了近距離通信使用IEEE802.11p，適用于更遠距離的通信技術(shù)，如WiMAX(IEEE 802.16)、GSM或者3G/4G，都曾被考慮作為潛在的車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。但是這些技術(shù)都需要廣泛而耗資的基礎網(wǎng)絡(luò )部署以及針對車(chē)聯(lián)網(wǎng)具體需求的技術(shù)改進(jìn)。

　　車(chē)聯(lián)網(wǎng)下層網(wǎng)絡(luò )中，節點(diǎn)主要分為兩大類(lèi)：車(chē)載單元(Vehicular on-board unit)和路邊單元(road-side unit)。路邊單元如同WiFi網(wǎng)絡(luò )中的錨點(diǎn)，提供與基礎網(wǎng)絡(luò )的通信。如果需要，路邊單元有責任為車(chē)載單元分配傳輸信道。路邊單元需要周期性地在控制信道發(fā)射“信標”(beacon)信號，以便車(chē)載單元監聽(tīng)識別。這個(gè)過(guò)程和物理層信號與WiFi的有一些不同。另外還有一種比較特殊的節點(diǎn)，一般置于應急場(chǎng)景中的警察、消防或急救車(chē)輛上，他們盡管是車(chē)載單元，但也具備路邊單元的許多功能。