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_第2章车载物联网技术的研究和设计_14


第 2 章 车载物联网技术的研究和设计
2.1 2.1.1 车载物联网的基础知识 车载物联网概念

车载物联网是近几年来逐渐兴起的一项新技术,旨在提高未来交通系统的安 全性、信息化及高效性,并可实现车辆网络系统与计算机网络的互联互通,使车 载应用前景更加广阔。车载物联网能够搭建在行驶中的车辆之间,使区域内的车 辆之间进行无线通信;也能够使行驶中的车辆固定的路边基站建立无线通信。车 载通信网络的系统模型可以分为图 2.1 和图 2.2 所示的两种类型:

图 2.1

车与车之间通信系统模型

图 2.2

车辆与路边固定设施之间通信系统模型

如图 2.1 所示,区域内的车辆之间可通过中继传输方式互联,无需借助其他 固定的通信设备,就可以独立组网实现区域内的车辆间的相互通信,对提高车辆 行驶的安全性以及疏导交通流量能够发挥很大作用。同时,利用通信节点多跳转
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发的方式,车载通信网络能够让两个在信号范围之外的车辆也建立通信连接,形 成更广的网络覆盖。图 2.2 展示了车辆与路边固定设施通信的基本方式。行驶中 的车辆可以通过路边加油站、道路警示牌、交通路灯等路边固定设施和场所作为 接入点网关,连接到其他的固定或者移动通信网络,以便获取更多的道路状况信 息及娱乐资讯、车载办公等增值信息服务,促进智能交通系统的更加广泛应用。 正如本文概述一节所提到的,受限于当前普遍应用的车辆通信网络技术,所 支撑的车载物联网还存在成本较高、通信效率低下的缺点,而采用短距离通信技 术将会改变这种传统的智能交通系统的通信模式,将以更智能、高效的方式促进 车载网络信息传送与接收。
[4] 从技术角度而言,车载物联网是一个巨大的无线传感器网络(WSN) ,每辆

汽车都可以被视为这个超级传感器网络的一个节点,一辆汽车将配备一个车载通 信终端,使得汽车之间以及汽车与路边固定设施之间能够进行无线通信。这种新 型的网络技术,扩展了计算机系统对物质世界的感知与控制能力,并可以让信息 在局部区域内快速产生、传播以及共享,而不必设计和建设庞大的基础设施,在 经济上也完全可行。

2.1.2

车载物联网的应用领域

目前普遍的观点认为,未来的汽车和车载网络将为人们提供了一系列应用。 俞波先生等人在《车载物联网的探讨》的论文中,将车载网络的应用概括分为 4
[4] 个类别 :

(1)安全应用 这是汽车网络最为基础与核心的应用,包括汽车碰撞预警、电子路牌提醒、 红绿灯警告、道路湿滑检测等。这类安全应用,是利用车载网络短距离通信实时 的特点来为驾驶员提供即时性的预警信息,提升驾驶员在驾驶过程中的安全指 数。 (2)效率应用 这类应用致力于改善城市交通状况,提升城市居民的出行效率,将很大程度 上解决城市交通的堵塞问题。主要应用包括:交通堵塞检测、城市交通管理、出 行路径规划、公路不停车收费等。
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(3)商业应用 车载网络系统传播的多数信息与地理位置相关,利用该优势,商业应用主要 是基于地理位置的信息增值服务。这些商业应用的种类繁多,如,最近的餐馆、 附近最便宜的加油站、附近商场促销信息、附近汽车维修点、当地天气预报等。 这类应用将带来巨大的商机,也将为服务业带来新的竞争手段。 (4)娱乐应用 信息娱乐应用包括音视频共享、基于地理位置的餐厅评论、网络拼车、社交 网络等。 信息娱乐的一些车载应用, 已成为当前汽车市场的一个引人注目的亮点, 深受年轻一族的喜爱,车载信息娱乐系统的网络化将是未来的必然趋势。

2.2
2.2.1

车载物联网的发展
车载网络的技术发展

20 世纪 80 年代,为解决车载电子设备和线束同时激增的矛盾,车载网络技 术得到快速发展。搭建车载通信网络,不仅可以减少汽车内部互连的线束数量及 其复杂度,降低车载设备的软硬件配置成本,还可以通过数字网络化技术实现各 汽车内部子系统之间的资源共享,有利于提高系统的智能控制的协调性和数据传 输的可靠性。因此,很多汽车制造商与供应商投入很大精力一直致力于汽车网络 技术的研究与应用,并且推出多种车载网络标准。为研究方便,有研究人员将车
[5] 载网络标准划分为 5 类 ,见下表 2.1 所示:

表 2.1

车载网络标准分类

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如果按照车载网络的控制内容划分,车载网络支撑的车载智能信息系统又可 以归纳为两类:一类是用于汽车电子控制系统,包括动力系统、安全系统、制动 系统等的车载网络;另一类是车载多媒体系统的通信网络,如通讯、导航、娱乐 功能等。 传统的车载网络系统通常是封闭式的通信网络,一般只针对于公路计费等用 途进行设计,如:不停车收费系统。新近的网络技术发展,使得车载网络可以支 持车辆间的自主通信。同时,新一代车载网络将提供更多的信息增值服务,比如: 车辆行驶安全消息、城市交通流量信息、车载多媒体互动娱乐等。因此,在新一 代车载网络中,如何能够在保证车辆间安全信息互通的基础上,快速实现车辆与 智能交通控制中心进行实时数据服务,以及如何保障车内用户使用更高带宽的通 信方式接入互联网从而获取更多信息和服务,将是车载网络技术研究中的一个重 要方向。 综上所述,从现代网络看,车载物联网是互联网的一个节点;从计算机系统 方面看,它是个移动式的嵌入式计算平台;从服务对象方面看,它提供汽车本身 的控制服务以及信息增值服务[5]。简而言之,车载物联网是以车载电子设备为基 础,利用当前先进的网络通信、自动控制、无线传感器等技术,支持汽车向智能 化、数字化、信息化、娱乐化方向发展,服务于汽车领域的网络系统[5]。

2.2.2

车载物联网的挑战

车载网络技术虽然能支持汽车向智能化方向发展,将带给人们全新的生活体 验,但也因为其所独有的特性给人们带来了前所未有的挑战。俞波等人从车载网 络的协议层进行分析,提出车载网络面临的各种挑战[4]。 1.链路层面临的挑战 如何使链路层协议与独特的车辆运行环境相适应,从而使链路层获得最佳的 通信性能,是链路层面临的主要挑战[4]。通信协议用于支撑数据传输,规定数据 传输格式,设计良好的通信协议,不仅能够保证通信性能的优越性,也将影响数 据传输的可扩展性和协议可靠性。在一定程度上,链路层数据传输的协议可扩展 性和可靠性是互相影响、 互相作用的, 特别是针对车辆安全系统的车载网络应用, 从最终用户的安全考虑,更显得极为重要。
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2.网络层面临的挑战[4] 在网络层,面临的主要挑战是建立一个新的路由模式,以促进车载网络的信 息传播。传统的路由协议是围绕数据包为基本构成而设计,采用基于分组转发的 传输模式,数据包在从源地址到目标地址的发送过程保持不变。然而,这种模式 已不能适应以信息为中心应用的数据传输需求,尤其是针对于车载网络中的数据 广播传输。 3.应用层面临的挑战 命名和寻址是车载网络的核心问题,它是提升网络数据传输速度的一个关键 要素,是应用层所面临的主要挑战。节点的命名以及地址获取,关系到如何有效、 快速地查找、存储和更新整个网络的信息,将很大程度影响车载网络系统的应用 范围以及用户的使用感知。另外,网络信息的分布式数据管理是另一个具有挑战 性的问题。

2.3

车载物联网的总体设计
车载物联网在实际应用中的设计主要分为:一是车辆之间的通信,二是车辆

与路边基站之间的通信。其中,车辆与车辆之间的通信类似于传统网络系统的网 状模型,而车辆与路边基站的通信则是采用中心节点的星状模型。 本文设计的车载物联网体系架构如图 2.3 所示,该网络系统不仅支持区域内 的车辆之间的相互通信,有效保障车辆行驶的安全性;而且车辆可以通过作为接 入点网关的路边固定接入点进行数据通信,借助于接入点网关的远程通信能力, 实现与智能交通控制中心的实时、可靠的信息交互,并能为车内用户终端提供宽 带无线资源、信息共享,进行多媒体数据业务的传输。移动中的车载自组网络又 可独立作为一个区域网络实现整体动态迁移,共享数据信息。

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图 2.3

车辆通信网络系统架构图

2.4

本章小结
本章主要对车载物联网的基本知识、技术特点、发展历史以及应用前景做了

简单的介绍,分析了当前车载物联网的主要应用领域和面临的主要挑战,并提出 了一种车载物联网的设计模型。

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第 3 章 无线传感器网络
3.1
3.1.1

无线传感器网络技术概况
无线传感器网络概念

近几年来,无线通信、微电子技术、计算机系统以及传感器等技术的发展, 无线传感器正向低成本、低功耗、多功能、微型化等方向发展,并且被大批量生 产并逐步投入市场应用。将具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能的 无线传感器设备,作为网络节点进行集群,可以形成无线传感器网络。可以这么 定义无线传感器网络:无线传感器网络是由一组无线传感器以自组织方式构成的 无线网络,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的 信息,并发送给观测者[6]。 无线传感器网络一种无线自组织网络(即 Ad Hoc 网络[7]) ,具有很多鲜明的 特点: 1、网络独立性 无线自组织网络相对于常规通信网络而言,最重要的区别就是可以在任何时 刻、任何区域,在不需要固定基础网络设施的支持,快速搭建起一个移动的通信 网络,形成自组织网络,具有很强的独立性。在无线传感器网络应用中,通常是 将无线传感器节点放置在没有固定基础设施的地方,而且传感器节点的位置无法 预先准确定位,节点之间的相对位置以及相对顺序也无法预先知道,这样就必须 发挥传感器节点的自组织能力,使其能够在动态的环境上自动进行配置和管理, 通过网络拓扑控制机制以及网络协议形成具备多跳能力的无线网络系统。 2、大规模网络 在无线传感器网络中,为了获取精确的位置信息,需要在控制区域内部署众 多的传感器节点,使其能够通过不同空间视角获得的信息具有更高的信噪比。同 时,通过部署大量的传感器节点,将分布在广泛空间区域上多个传感器采集到信 息进行汇总、分析和计算,可以提高单位检测的精确度,而且使单个节点传感器 的摆脱较高的精度要求。 另外, 通过部署大量的传感器节点, 可以形成大量的 “冗

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