1 車載物聯網

　　車載物聯網是一項新興技術，可以大幅提高未來交通系統的安全和效率，并將車輛連接到計算機網絡。車載物聯網能夠在行駛中的車輛之間建立無線通信，也能夠在過路車輛和路邊基站之間建立無線通信。利用多跳轉發的方式，車載網絡能夠讓兩個在信號范圍之外的車輛也建立通信連接。車載網絡將成為未來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，一個收集和發布交通信息的典型過程如下：首先，路面傳感器對車流的速度、密度進行檢測，然后上傳到城市交通中心。經過數據處理之后，流量報告可以通過蜂窩網絡傳遞到用戶的手機。這樣來傳播與位置相關的信息是一個昂貴和低效的方式，因為通常信息源和信息消費者的實際距離只有幾百米遠。

　　車載網絡的短距離通信能力將會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生、傳播和消費。

　　本質上車載物聯網是一個巨大的無線傳感器網絡。每一輛汽車都可以被視為一個超級傳感器節點。通常一輛汽車裝備有內部和外部溫度計、亮度傳感器、一個或多個攝像頭、麥克風、超聲波雷達，以及許多其他裝備。此外，未來的汽車將配備一個車載計算機、GPS定位儀和無線收發裝置。這使得汽車之間，以及汽車和路邊基站之間能夠無線通信。這種前所未有的無線傳感器網絡擴展了計算機系統對整個世界的感知與控制能力，并且可以讓信息在本地產生和共享，不必涉及龐大的基礎設施。

　　未來的汽車和車載網絡為人們提供了一系列應用。車載網絡的應用可分為4個類別。

　　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、網上車輛診斷、道路濕滑檢測等。通常這類應用利用短距離通信實時性的特點來為司機提供即時警告。

　　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。這類應用致力于改善公眾和個人的出行效率。

　　1.3 商業應用

　　商業應用包括基于位置的服務，將帶給人們巨大的商機。這些商業應用的種類繁多，如，最近的餐館、最便宜的加油站、商場促銷信息等。這些可能的商業應用將為服務業帶來新的競爭手段。

　　1.4 信息娛樂應用

　　信息娛樂應用包括視頻和音樂共享、基于位置的餐廳評論、拼車、社交網絡等。實際上，信息娛樂的一些應用，如福特SYNC[1]和起亞UVO，已成為當前汽車市場的一個引人注目的亮點。信息娛樂系統的網絡化將是必然趨勢。

　　在車載網絡的發展過程中，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、本地零售商和消費者。傳統智能交通系統由各國政府主導進行投資和實施，其他少數幾個地理信息系統（GIS）公司，如谷歌、Garmin、TomTom等公司也參與了交通信息的采集和發布。然而，未來的車載網絡將吸引更多的參與者，并使他們從車載網絡中獲取巨大的商業利潤。首先，汽車制造商將很樂于開發裝備車載網絡的汽車，這將增強汽車的安全性，并提供更豐富的車內娛樂系統，從而進一步提高其汽車的競爭力。汽車電子化是一種必然趨勢，安全系統和信息娛樂系統的電子化是進程的兩個主要方面。福特SYNC車載信息娛樂系統是一個非常成功的例子。其次，本地零售商及服務商也將非常感興趣，車載網絡將十分方便地傳播他們的促銷信息以及推廣他們的服務。車載網絡會帶來激烈的商業競爭。最后，毫無疑問，這些增強的安全性、提高的效率、價廉物美的商品、豐富的娛樂應用等將吸引更多的消費者，并使他們成為最終受益人。

　　2 車載物聯網無線通信技術

　　無線個人局域網（WPAN）在消費電子產品（包括汽車電子產品）領域取得了巨大成功。福特的SYNC是一個很好的例子。它通過藍牙技術將司機的手機連接到汽車的音響系統，因而司機可以在行駛中通過語音命令播放音樂或撥打電話。由于大規模生產降低了成本，802.11a/b/g無線局域網技術已經被廣泛使用。雖然802.11a/b/g最初不是針對車載環境而設計的，但由于其被廣泛使用帶來的優勢，許多研究人員在車載環境中進行了實驗，對802.11a/b/g在車載環境中的應用進行了一系列實驗。802.11p和專用短程通信（DSRC）標準對802.11標準進行了擴充，以使其能夠適應車載環境的無線通信。802.11p技術使用5.9 GHz頻段，能夠在移動的車輛之間，以及移動車輛和路邊基站之間建立短距離無線通信。無線城域網（WMAN），也稱為WiMAX（即IEEE 802.16），是另一項新興技術。無線城域網能夠以不同的方式提供長距離傳輸，例如，兩個固定位置的節點之間的通信，以及類似于蜂窩系統的移動節點通信。然而，目前為止，最常見的車載通信技術還基于蜂窩網絡，通常稱之為汽車遠程信息處理。通用汽車的OnStar系統和福特的RESCU系統都基于這一類技術。一些地理信息系統公司，如TomTom和Garmin等，也使用蜂窩網絡來傳輸實時交通信息。通常情況下，基于蜂窩的遠程信息處理是一種基于用戶訂閱的有償服務。

　　本文認為在不久的將來車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，長距離通信技術，如蜂窩網絡和WiMAX，能夠為人們提供即時的互聯網接入；而短距離通信技術，如DSRC、Wi-Fi（即802.11a/b/g），則能夠為安全系統提供實時響應的保障以及為基于位置的信息服務提供有效支持。

　　本文認為車載自組織網絡（VANET）將在未來智能交通系統中發揮重要作用。車載自組織網絡依靠短距離通信技術實現車與車以及車與路邊基站之間的通信。與傳統的基礎設施網絡相比，車載自組織網絡有兩個主要優勢：首先，車載自組織網絡具有成本低、容易部署和操作的優勢。消費者無需訂閱即可享受服務。其次，從技術角度來看，智能交通系統中傳播的很多信息有很強的位置相關性，車載自組織網絡能夠很方便地為臨近車輛建立實時或者非實時的短距離通信。

　　3 車載物聯網面臨的挑戰

　　車載網絡所獨有的特性給人們提來了前所未有的挑戰，然而，與此同時，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題。

　　車載網絡分3層：鏈路層、網絡層和應用層。各網絡協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議適應獨特的車輛運行環境，使鏈路層獲得最佳性能。鏈路層協議包括3個主要設計目標：響應能力、可靠性和可擴展性。首先，鏈路層協議需要能夠對信道條件和車輛的移動性快速響應，同時協議的可靠性和可擴展性對與安全相關的應用也起著重要的作用。一些傳統的鏈路層協議的設計方法，如無線接入點（AP）握手、媒體訪問控制（MAC）層超時管理、地址解析協議（ARP）超時等，在高速移動的車載環境中已顯示出低下的性能。這些傳統的設計方法通常會導致增加的啟動延時、未充分利用的帶寬，以及帶寬的不公平分配。

　　實際上，可擴展性和可靠性在一定程度上互相影響，互相作用。可靠廣播技術也是重要的研究問題之一。目前的可靠廣播技術一般包括重復廣播、合作式傳遞、發射功率自適應等。但是，總的來說，可靠性和可擴展性仍然值得進一步深入研究，特別是針對車輛安全系統的應用，因為最終用戶對車輛安全系統要求很高。

　　3.2 網絡層面臨的挑戰

　　在網絡層，面臨的主要挑戰是建立一個新的路由模式，以促進車載網絡的信息傳播。在過去10年中，無線自組織網絡方面得到廣泛研究。特別是，研究人員為車載網絡提出了許多具有環境自適應能力的路由協議，如MDDV和VADD。這些協議利用車輛的移動性，通過GPS定位技術、數字地圖技術，在車載網絡環境中提高數據包的轉發性能。從本質上講，這些協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轉發過程中都保持不變。然而，這種基于分組轉發的模式已不能適應以信息為中心的應用需求。首先，對于某些應用轉發路由沒有明確的數據源和目的地。信息由某些節點共同產生，然后傳遞給另一些節點。其次，信息在傳遞的過程中會被修改。如在交通阻塞的檢測中，每部車都能產生交通擁塞報告，而這個報告可以和其他臨近的車輛產生的報告相融合。所有向擁塞地點行駛的車輛是這些報告的接收者。在這類應用中，人們事先并不知道什么時間、什么地點、哪些車輛會產生報告，人們也不知道誰會成為接收者。有一些基于分組轉發的路由協議，例如多播技術和基于位置的廣播技術，能夠部分解決這類應用的需求。然而，從本質上講，人們需要一個新的路由模式，能夠為以信息為中心的數據傳輸提供支持，這個模式將能夠有助于信息的產生，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、發現、存儲和更新整個網絡的信息。

　　命名和尋址是車載網絡的核心問題。如何有效地將真實世界的信息建立索引，以方便信息存儲和傳播，是一個有待研究的問題。本文認為尋址將采用混合型、多層次的方案，真實世界的環境信息將起重要作用。命名和尋址政策對系統中的其他協議，如路由和信息發現有重大影響。由于車輛的高移動性，另一個挑戰是如何動態地將車輛的標簽（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輛列表。這個問題對于整個混合網絡體系都有非常重要的影響。本文認為可以在車輛以及路邊基站上實現類似地址解析協議/反向地址解析協議（ARP/RARP）來幫助解決這個問題。

　　分布式數據管理是另一個車載網絡中具有挑戰性的問題。它包括數據復制、數據刪除、緩存管理等一系列問題。傳統的分布式數據管理假定在地理上分散的多臺服務器連接在同一網絡，這在車載自組織網絡中不再成立。從本質上講，人們可以把車載網絡看作一個巨大的分布式數據庫系統，其中每個車輛維護一個本地的數據庫。車和車間不定期交換數據，從而逐步更新全局數據庫系統。從全局的角度來說，不一致性不可避免。為此，一個研究問題是如何以最小的開銷來維護一個相對一致的分布式數據庫。

　　4 車載物聯網中的信息傳播

　　本文認為車載網絡是一個以信息為中心的分布式系統，信息在網絡的不同位置生成、收集和發布。人們可以把信息傳播分為兩個不同的層次：宏觀信息傳播和微觀信息傳播。以信息為中心來發現系統需求十分重要。

　　4.1 宏觀信息傳播

　　宏觀信息傳播指在一個特定的地理區域里將信息傳遞給一個或一組節點。信息傳播的目的地是網絡中的特定的單個節點或者一組指定的節點組，甚至可能是一組未知節點。宏觀信息傳播的目的是減少信息傳遞延時，減少傳遞開銷（包括存儲開銷和通信開銷），并提高未來查詢的成功率（如果接收節點是事先未知的）。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，也可以不依賴基礎設施。Jedrzej等提出建立于蜂窩網絡基礎設施上的P2P疊加網絡。車輛通過蜂窩網絡的基礎設施建立到互聯網的可靠鏈接，然后這些車輛之間可以以P2P疊加網絡的方式來實現非安全應用的信息共享、發現和交換。然而，由于基礎設施提供的服務通常是付費訂閱的方式，這實際上限制了消費者的數量。與基于基礎設施的網絡服務相比，相對廉價的自組織網絡方案顯得更有吸引力。另一方面，大多數的非安全應用沒有嚴格的實時性要求，因而，當前的一項研究熱點是以容遲的方式來實現車載自組織網絡的信息傳播。研究者提出了一些通用的容遲網絡路由協議，如流行性路由。

　　在車載自組織網絡中，信息的傳播、緩存和融合都有過相應的研究。然而，在車載自組織網絡中，大多數類型的信息中并不包括任何目標車輛的先驗知識，因而容遲的數據傳播、數據查詢、數據緩存以及數據融合密切地聯系在了一起。任何車輛可能會產生并發出一個查詢，且希望其臨近車輛能盡快響應。

　　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虛擬的概念。它受時間、空間和車輛的限制。換句話說，目的地包括的是所有滿足當時時空條件的車輛。有兩個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據。推模式是指車輛有目的地把信息推入周邊的車輛，使得對此信息感興趣的用戶可以更方便地得到這些信息。在車載網絡技術市場化的初級階段，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。當制訂推模式的策略時，人們必須考慮到數據緩存和融合的潛在影響。人們可以利用啟發式的周邊信息（如行駛方向、速度、經常光顧的地方等）或社交網絡信息來預測和控制傳播。

　　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。在車載網絡技術市場化的初級階段，車輛很少有機會遇到其他車輛或路邊基站。所以，提高兩車相遇時信息傳播的效率十分重要。

　　最近的一些研究關注于車載環境中的單跳通信性能。Bychkovsky等人研究了在公共Wi-Fi無線網絡中提高單跳通信的數據吞吐量的技術。他們進行了一系列的實地測試來調查在MAC握手、獲取IP地址、建立IP路由等時候可能的性能損失。Hadaller等人[4]進行了以802.11協議為基礎的單跳通信的實驗，并提供了詳細的實驗分析。通過實驗，他們發現了一些現有無線訪問機制在數據吞吐量方面低效的根本原因。以上這些工作從底層協議（物理層、MAC地址、路由）的角度來分析和改進鏈路吞吐量。

　　微觀信息傳播也涉及局部多跳通信。一般來說，本地多跳通信的主要任務是協調本地車輛并幫助信息沿預定方向傳播。VADD是一種利用車流模式和道路拓撲來找到傳遞數據包的最優道路的轉發協議。MDDV利用車輛的流動性來幫助信息傳播。MDDV使周邊的車輛協作轉發數據包，以此來提高數據包轉發的可靠性。Zhao等人研究了如何以路邊基站作為中繼的方式來提高吞吐量。

　　由于兩車相遇時有效通信時間短暫，有效的信道資源管理是一個是十分重要的問題。Chang等人提出了一種從路邊基站到過往車輛的下行調度算法。Zhang等人提出了另一種同時考慮上行和下行請求的調度算法。Yu等人研究了在路邊基站負載接近超負荷的情況下的請求許可控制問題。這些研究從不同的資源分配角度提高了路邊基站的訪問效率。

　　通常，微觀信息傳播的主要挑戰在于如何把下層條件（車輛移動性、無線信道、相對位置）和上層應用的需求聯系在一起。從上層的角度來看，容遲網絡的應用可以容忍一定的信息延遲和誤差。從底層的角度來看，移動性、信道和車輛位置卻可能在很短的時間內大幅變化。現有的工作研究了不同的網絡通信協議下的單跳問題，然而，仍然缺少一個上層和下層之間的有效聯系。這種聯系可以使人們能夠利用底層的苛刻條件，而不是受其限制。

　　當人們設計微觀信息傳播協議時，可以重點關注3個方面的問題：

　　（1）應用需求

　　容遲網絡的應用不一定需要一個可靠的鏈接，但是他們卻需要根據數據傳輸的重要性來安排數據的優先性。人們還希望能夠設定一個在傳播的過程中允許的信息丟失的程度。

　　（2）資源管理

　　主要問題包括如何調度低層資源（例如傳輸信道、傳輸速率等），如何調度上層任務，如何分配資源以確保公平等。

　　（3）協作

　　人們可以利用多任務調度、轉發、中繼、多方網絡編碼等不同的技術來幫助在信號范圍內各車輛的互相協作，提高整體性能。

　　5 車載物聯網應用案例

　　FleetNet是一個由歐洲多個汽車公司、電子公司和大學的合作項目，合作者包括NEC公司、DaimlerChrysler公司、Siemens公司和Mannheim大學。該項目利用無線多跳自組織網絡技術實現無線車載通信，能夠有效提高司機和乘客的安全性和舒適性。FleetNet的設計目標包括實現近距離多跳信息傳播以及為司機和乘客提供位置相關的信息服務。在該項目中，位置信息起著重要的作用，一方面它本身是FleetNet一些應用的基本需求，另一方面它也能使得通信協議更有效地運作。NEC歐洲實驗室和Mannheim大學為車載網絡設計了基于位置的路由和轉發算法，然后基于該算法實現了一個基于位置的車-車通信路由器。研究人員建立了一個由6輛車組成的實驗網絡，其中每輛車裝備了一個GPS接收器、一個802.11無線網卡，以及一個車-車通信路由器。另外，每輛車還裝備了一個GPRS接口，這樣可以實現對自組織網絡中的每輛車進行實時監控。

　　CarTalk是一個歐洲的司機輔助系統研究項目。該項目利用車-車通信技術為移動中的車輛建立一個移動自組織網絡，來幫助增強道路系統的安全性。例如，當一個車輛剎車的時候或者檢測到危險的道路狀況的時候，它會給后方車輛發送一個警告消息。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。這個系統也能夠幫助車輛更安全地駛入高速公路和駛離高速公路。

　　California Path[24]是加州大學伯克利分校的一個關于智能交通系統的綜合性研究項目。該項目始建于1986年，主要由伯克利分校的交通研究學院負責管理，同時也和加州交通部有密切合作。California Path致力于運用前沿技術解決和優化加州道路系統存在的問題，其主要關注于3個方面的研究：

　　（1）交通系統運籌學研究

　　其研究方向包括車流管理、旅行者信息管理、監控系統、數據處理算法、數據融合和分析等。

　　（2）交通安全研究

　　研究內容包括十字路口協同安全系統研究、司機行為建模、工人與行人相關的安全研究等。

　　（3）新概念應用研究

　　該研究致力于發現、驗證在公共交通系統中的新概念和方法，幫助減少交通系統的阻塞，提高公共交通的出行效率。

　　MIT CarTel是麻省理工學院的一個分布式移動傳感器網絡和遠程通信系統。CarTel的應用能夠收集、處理、傳遞、分析和可視化來自手機或者車輛的傳感器數據。在該項目中，一個小型嵌入式計算機能讀取一系列不同的傳感器數據，對數據進行處理，然后將處理后的數據發送給一個Internet服務器。服務器進一步對數據進行分析，然后提供給最終用戶多種不同的服務。整個系統的框架包括進行傳感器數據采集的硬件和軟件、在車輛之間數據傳遞的網絡、能夠容忍網絡連接中斷的數據庫查詢系統、為基于位置的服務設計的隱私協議、車流預測模型系統以及道路表面狀況監測系統。

　　美國政府與工業界也積極參加到車載物聯網的研發中。車輛基礎設施集成計劃（Vehicle Infrastructure Integration）致力于利用無線通信技術使行駛中的車輛更緊密地與周圍的環境相聯系，從而提高交通系統的安全性。該計劃的主要參與者包括美國交通部、加州交通部以及戴姆勒、福特、通用等汽車公司。該計劃的參與者在加州101公路和密歇根Novi市部署了數十個路邊基站，用于測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中，車輛通過DSRC無線技術實時監控周圍車輛的位置、速度與方向，一旦發生緊急情況，車輛通過聲、光信號警告司機。最近，由美國交通部主導的IntelliDrive項目致力于在個人移動設備（如手機和PDA）、車輛以及路邊基站之間建立安全、靈活的無線通信，使道路交通系統更安全、更智能和更環保。美國交通部目標在2013年前對現有的無線通信技術進行測試和評估，以幫助落實未來交通系統的決策與實施。

　　6 結語

　　車載物聯網是一個具有巨大發展潛力的新興領域。它能夠使人們的日常生活更緊密地與計算機技術和互聯網技術相結合，增強交通安全，提高城市交通效率，以及提供各種與位置相關的信息服務。近些年，車載物聯網已經得到了學術界、工業界以及政府部門的高度重視，相關的工業、技術標準已提上制訂日程。然而，針對不同的應用和不同的環境，仍然有很多尚未妥善解決的問題。人們相信，在車載物聯網領域，會看到更多更深入的研究，同時車載物聯網技術將能夠很快走出實驗室，投入實際應用。
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