车联网特点与发展趋势

黄鸿基王雨菡程铄雅杨 晔

（1.南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏 南京 210003；2.南京邮电大学贝尔英才学院，江苏 南京 210003）

车联网特点与发展趋势

黄鸿基1王雨菡2程铄雅1杨 晔2

（1.南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏 南京 210003；2.南京邮电大学贝尔英才学院，江苏 南京 210003）

本文阐述了在物联网大热的背景下车联网崛起的重要条件；主要分析了车联网中感知层、网络层、业务层、应用层这4个主要的层面，并系统性地研究了RFID、WSN、车与车的组网、平台架构、网络传输等核心技术以及描绘了车联网在生活中的应用场景；为未来车联网和智慧服务的腾飞提供了切实可行的发展战略。

车联网；终端；网络；平台；生活应用；信息传输；人工智能

进入21世纪，随着信息技术的快速发展，物联网技术的研究取得了很大的进展。其英文名称是：“Internet of things（IoT）”。物联网发展的目的就是使我们的生活更便利，比如，物联网技术可以方便我们的出行。在物联网的发展浪潮中，车联网也就应运而生。

2009年，车联网的概念提出了，在车联网发展的这几年，城市的交通系统正在向着智能化、安全化、全面化迈进，而这也会带动未来几年汽车产商产业链的革新。当前汽车技术的发展，新能源汽车和车联网技术的普及应用是两大发展趋势。通用、丰田等汽车巨头和国内7家大型汽车制造商纷纷向车联网技术靠拢，势必会带来巨大的市场契机。因此，研究车联网技术有着十分光明的前景。

一、发展历史和现状

1970年，针对交通事故频频引发的人员伤亡惨重的问题，日本首先提出智能交通系统（ITS）的构想，车联网由此开始发展。1989年，欧洲提出具有最高效率和空前安全性的欧洲交通计划（PROMETHEUS），并在1990年提出道路基础设施和环境专用系统（DRIVE），二者自提出以来便成为西欧国家开展交通运输信息化领域的研究、开发与应用的主要指导计划。1992年，美国建立智能公路车辆系统（IVHS），IVHS不仅使交通建设与运行走上高科技之路，使交通运输产业有划时代的改变，而且对社会、经济、法律、土地利用等都将产生深远的影响。1994年美国根据IVHS的实际研究项目，认为IVHS的名称已不能覆盖其全部内容，因而把IVHS改为ITS，智能交通系统正式作为一个专用名词出现。智能交通系统是通信、信息和控制技术在交通系统中集成应用的产物，能够带来显著经济效益和社会效益。自此车联网的概念为更多人所熟知，车联网系统得以迅速发展。2003年，欧盟开发了能够采集动态的环境信息和进行自动驾驶的车联网子系统——欧洲智能交通协会（ERTICO），促进和支持ITS在整个欧洲的应用，共同创建一个成功的智能交通系统。

我国对车联网的研究起步较晚。在2001年，中国政府联合上海交通大学，吉林大学等高校提出ITS，开始车联网的研究。“十一五”期间（2006-2010），中国对车联网系统的核心部分的研究取得了很大突破，并于2008年用于北京奥运会交通的智能管理与信息采集。2009年的广州亚运会期间，智能化“3G”客车首次出现在亚运历史上，这也标志着车联网技术正式走向社会视野。与此同时，互联网汽车市场也发展得很快。

在地图方面，腾讯和阿里分别与四维图新和高德合作；在接口硬件方面，腾讯有路宝盒子，阿里将要推出智驾盒子。百度也推出了Carnet的开放车联网协议。淘宝网也已开始涉足汽车维修O2O。由此可见，虽然我国对车联网的研究起步晚，但发展速度较快，不过与国外相比，我国的车联网发展仍旧存在许多技术上的差距。

二、关键技术

1.终端

1.1 RFID

车联网是一个具有特定功能的通信系统，信息的采集是它必不可少的一个环节。随着无线通信技术和物联网技术的快速发展，WSN和RFID技术是实现对外界及系统内环境的信息进行采集的两种技术，车联网系统是ITS（智能交通系统）的一部分，在WSN的大背景下引入RFID终端能够比较好地实现车联网系统信息的采集。

RFID，也称为射频识别技术，它突出的优点是能识别高速运动物体并可同时识别多个标签。车联网的主体是道路上高速运动的车，RFID将能很大程度地弥补WSN难以察觉微弱的信息不足以及解决如何获提高速运动的车的准确信息的问题。RFID技术除了有全天候工作、成本低、易部署、多目标识别、不破坏环境、不受环境与光线的影响和寿命长等特点，还具备能对车辆进行身份识别和认证的独特优势。比如，通过RFID技术，我们能够快速准确地收集道路交通拥挤情况方面的信息。这些优良的特性能帮助我们获得更全面、更准确的车联网系统所需的信息。

RFID主要实现的是车与路、车与站场之间的通信，但是，由于RFID天线在功率、方向性以及通信距离上的限制，加之天线成本的居高不下，很难将天线普及安装到车辆上来实现车与车之间的相互识别。但只要车载RFID系统连接到合适的集成网络，它将能对有犯罪，逃税等嫌疑的车辆做出灵敏二准确的应答。RFID能够追踪目标车辆，从而很大地提高车联网系统的管理效率。

1.2 GPSONE

GPSONE是一种综合GPS和CDMA系统定位技术来提供GPSONE的定位服务。由于其使用范围、定位精度、定位灵敏度、终端耗电及启动速度方面比传统GPS均有显著地提高，也随之进入了人们的视线。GPSONE的定位精度可达5m～50m。GPSONE技术简化了终端的工作模式，解决了传统GPS技术过多终端性能的缺点。它由网络侧的定位服务器与终端相互配合完成定位工作，这种方式不仅减少了通信量，还降低了通信费用。作为一种低成本、高效率的定位服务，GPSONE是一种适合在车联网中使用的定位技术。

1.3 芯片

在无线宽带通信技术为车联网中车载终端与Intemet通信提供了便利的同时，车载电子系统也面临着木马、病毒以及黑客攻击等越来越多潜在的安全威胁。我国研制出了自主知识产权的可信芯，同时制定了相应的接口规划。

北京华力创通科技股份有限公司围绕车联网信息终端对通信、导航、识别、多媒体，以及车载总线一研发出了车联网前装车载终端智能SoC（片上系统）芯片关键技术，可保证车辆安全。在今后的研究过程中，我们要把更多精力放在高性能芯片的开发上以满足不断发展的车联网系统的需求。

1.4 车路协同关键技术

车路协同技术是未来ITS的核心技术之一。借助于车路协同系统，基于各种无线通信技术。可以实现车辆和基础设施之间智能协同与配合，从而提高道路交通安全系数，减少交通拥堵。

车路协同技术以信号优先、车辆与行人检测等为原则，并在国内外已经取得一定进展。2014年2月16日，863项目”智能车路协同关键技术研究”科技成果演示发布会在廊坊市河北清华发展研究院及其附近的试验场地举行，在河北清华发展研究院及其附近试验场地进行的实验演示彰显了智能车路协同系统实施后的交通出行新图景：10辆安装了车路协同系统的”智能车”，在”智能道路”上成功完成了车车协同换道、车车/车路协同避撞、车辆主动安全辅助、行人避撞、盲区预警、障碍物预警、紧急车辆信号优先、车队控制与和速度引导、车队协同路口通行等15个典型应用场景。这些成功的试验充分展现了车路协同的巨大优势和发展前景。

1.5 蓝牙技术

蓝牙采用跳频扩展频谱技术，且在跳频过程是伪随机的。蓝牙技术所具备的这些特征能够较好地承担起物联网末端智能传感和微微网移动通信功能，特别适合车联网的概念和技术要求。

起初，蓝牙技术主要应用在汽车的电话通信方面。但随着研究和应用的不断深入，在汽车智能化方面有了更多的蓝牙应用。蓝牙完全可以承担起车内传感器角色，它的微型化，高度集成化，休眠功能，廉价性等特点，使其能更好地实现车内安全预警和车与车之间信息的传输。

德尔福汽车系统公司已经开发出可以让驾乘人员用语音进行操控的车载蓝牙设备；丰田汽车、日本电装、NTTDOCOMO、松下电器产业、日产汽车和东芝等6家公司共同制订了利用蓝牙技术的车内无线免提规格——“CCAP”。国内外对蓝牙的研究已经进入实质性阶段，蓝牙在未来势必在车联网系统中发挥更大的作用。

2.WSN

2.1 WSN技术

无线传感器网络（WSN）是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信，它是基于802.11q协议，上限速率比较大，带宽也比较理想，它基于无线通信技术形成了一个多跳的自组织网络。

WSN是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，它是车联网体系的重要组成部分。它是进行无线车与车之间通信的较好途径，但节也存在着点电源能量有限、通信范围较小、算和存储能力较弱等缺点。将WSN运用到交通领域需要攻克一系列关键技术，主要包括：WSN节点的交通信息采集、WSN节点的信息融合、WSN节点的网络拓扑控制及WSN节点的通信技术等。WSN节点的交通信息采集实时精确的交通信息采集是整个车联网体系的基础，是车联网提供的交通信息服务的依据。

2.2 WSN网络节点拓扑算法的设计

车联网的WSN系统节点数目庞大，分布密集，节点的增加、减少及变动都会引起无线网络的拓扑结构的改变。通过拓扑控制自动生成良好网络拓扑结构，能为各节点的数据通信、数据融合及节点定位等奠定基础。目前传感器网络拓扑控制主要是通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的无线通信链路。然而，在设计功率消耗率低的网络拓扑算法经常遇到这样一个问题，功率尽管减少了，但却使可用于信息传输的信道减少了。因此，需要开发一种合适的传感器网络拓扑算法，从而比较好地满足车联网的需要。

图2　

在车联网中，WSN节点分布的不均匀性使其节点能耗速度有着很大差别，这造成部分负载过重的节点因能耗过高而过早“死亡”，使网络生命期缩短。基于最小生成树（MST）的无线传感器网络拓扑控制算法利用贪心算法求各链接通信功率之和最小的拓扑结构，因为用该结构进行通信耗能最少，但节点交换全局信息所耗能量巨大，不适于大规模的车联网网络。有些专家提出基于本地最小生成树的拓扑控制算法，该方法利用可达邻居节点信息独立构建本地最小生成树，能有效降低维持全局连通的传输功率，但由于未提及负载分布问题，因此造成部分节点因负载过大而提前死亡。也有学者提出负载均衡的概念，并以节点数目平衡为标准进行分簇来实现簇内能耗平衡。刘林峰，刘业.提出度约束最小生成树拓扑控制方案（TCS），在一定程度上考虑均衡耗能问题，并以节点间距离和剩余能量为标准建立链接，提高通信的健壮性，但忽略了部分节点由于转发数据而使耗能过大的问题。

2.3 VANETs网络

VANET是基于MANET（mobile Ad Hoc network，移动自组织网络）的一类专用于道路交通环境下的网络形式。车载自组网的核心思想在于“自组”，它将每一辆汽车象化为一个网络节点，由这些网络节点组成一个智能的网络架构。类似的，车载自主网同样也可以分为两个部分：V2V（Vehicle To Vehicle）和V2I（Vehicle To Infrastructure）。

V2V，意为车与车之间的信息互换。V2V技术使用的是专用短程通信（DSRC），由类似FCC和ISO的机构设立的标准。有时候它会被描述成WiFi网络，因为可能使用到的一个频率是5.9GHz，这也是WiFi使用的频率。不过更准确地说，DSRC是类WiFi网络，它的覆盖范围最高达300m。车辆可以通过无线信号了解其他各车速度、方向、位置数据，实现信息的交流。

VANETs作为移动节点并以自组织的形式构成网络，作为一个通信系统，车联网需要能够高保真地快速传递多路信息。VANETs能够保证信息在很短的时间内安全地从信号源传递到目标接受源。VANETs能比较好地保证信息传输的安全性，实时性和准确性。这对车联网系统信息传输的安全有重要意义。

2.4 ZigBee

ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗的无线通信技术。除了具有安全灵活等优势，它最大的优势是低成本和低能耗。此外其延时极短，安全性高。采用基于Zigbee协议的无线模块作为节点，可以实现数据的处理，并向周围车辆以及后台进行数据传输。由于采用载波侦听多点接入/冲突避免（CSMA/CA）的媒体访问控制协议以及应答确认的数据说明发生了碰撞，可进行重传。这种机制大大提高了通信可靠度。作为基于802.15.4设备可以使用64-bit的IEEE物理地址，也可以使用16-bit的网络短地址，这样整个网络规模可达到65000个以上的节点；另外ZigBee网络采用自组织网络（AdHocNetwork）的结构，在网络的组建和维护上都有相当大的灵活度，因而ZigBee在网络上的优势不容忽视。在真实的交通系统中终端数量众多，车辆移动速度相对较快，考虑到Zigbee技术具有的自组网和高可靠性，将其作为移动车辆节点和路侧单元的通信技术逐渐成为共识。

3.平台

3.1 大数据

车联网系统作为一个十分复杂的通信系统，将会采集到很多不同种类的信息。只有我们能够通过一种技术，实现对信息快速准确地处理，才能达到车联网设计的初衷。大数据有以下特点：一是数据体量巨大。二是数据类型多样。在车联网中，采集到的信息包括驾驶员的行为信息，周边环境的路况和车辆信息以及管理站的信息等。大数据能帮我们高效率地去除采集到的冗余信息，它对于我们采集道路上的关键信息具有重大的意义。

大数据所具有的特点与车联网中的数据特征相契合。而以车辆为信息节点的车联网每时每刻都会产生海量的数据，数据数据规模大且种类繁多，并且车联网对于数据的传输和处理速度要求很高。车联网还要对海量低价值密度的数据进行挖掘，以从中获得有价值的数据。大数据的预测功能是大数据技术的核心，该功能对于车联网行业也有着重大意义。通过对大数据的分析，可以对交通流量、车联网应用的发展趋势等进行预测，从而针对预测信息提出发展方案。

3.2 云计算

云计算是一种新兴的互联网技术，通过云计算可以实现将共享的资源按需提供给计算机或其他互联网终端。随着车联网业务规模的增大，车联网的用户不断增多，数据中心将源源不断地产生大量实时交通信息。云计算技术面向海量信息处理，不仅用户可以方便地参与，而且参与形态灵活。车联网系统需要处理海量的信息，而且实现了用户与车联网系统的无缝对接，云计算技术为其在信息的处理与融合提供了重要的技术保障。

3.3 信息安全技术

车联网信息安全所涉及到的主要技术有身份识别技术、密钥管理技术和安全防护技术。这些技术的应用能够保证数据传播时车联网中对数据的感知节点不被破坏，从而保证人与车接收到的信息真实有效。推动车联网迅速发展的一个重要原因就是通过互联网技术的引入提升了人和汽车的安全性，在车联网的平台下，由于智能化汽车从一个独立的个体逐步演变为互联网中的一个网络终端，新的车辆和云端的信息安全问题必将随之产生。在车联网的网络下，对智能汽车的远程遥控可能只需要一些简单的设备加上手机软件就可能实现，车辆传感器反馈给驾驶者的信息可能被恶意修改，系统存在的漏洞导致车辆的相关数据信息在互联状态下易遭到黑客窃取，这些对于车联网安全来说都将是灾难性的创伤。在这种情况下，保障车联网下数据的安全性和加强隐私的保护就显得格外重要。

3.4 中间件技术

中间件是一种独立系统软件或服务程序，分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源。针对车联网中各类不同的应用，可以参照车联网的相关标准开发不同的中间件。中间件技术使得开发人员能够面对一个简单统一的开发环境，从而大大减轻了开发者的负担。

三、应用场景

1.提供健康监控

我们可以把救护车看成一种特殊的车联网产物，它符合车联网技术运用领域大部分场景。我们希望当每一辆汽车车内的乘客发生突发情况时，汽车会变成救护车，但是这种想法现在看来是不符合实际的。所以，我们可以做到有效的预防。如今可穿戴设备日益兴起，汽车的移动智能终端可以与可穿戴设备进行适配连接，实时监控乘客的心率以及体感温度之类，同时汽车也可以自动计时车主行驶时间，如果行驶时间超过一定范围，汽车可以自动提示车主进行休息。防止过劳驾驶。

2.娱乐以及互联网

车行途中娱乐是一个必不可少的环节，如今在许多公交车上已经设立无线信号（WiFi），同时，在满足人们上网娱乐的需求，车联网技术更可以拓展到衣食住行乃至车内办公，汽车可以自动搜索附近的休息区域，购物商场，加油站。

3.ETC

当前我国ETC的覆盖率并不十分广泛，而且仅限用于高速公路上的缴费。在未来的几年内，ETC技术有望实现多功能化和普及化，不仅仅是完成高速公路的收费，同时也可以进行停车场的缴费，甚至是类似于支付宝形式的购物消费。通过拓宽缴费渠道来增加用户人群，可以相信在不久的未来，ETC可以充当汽车的支付宝。

四、展望和总结

在科技日益发达的今天，车联网的崛起已经是大势所趋。它的灵活性、自发性、智能化、系统化在我们的生活中渐渐扮演着不可或缺的角色。它不仅能够改变个体的生活方式，带来全新的交通体验，同时也将带来巨大的社会、经济效益。然而在车联网概念大热的同时，我们也需要冷静下来看清问题，由于车联网涉及的技术众多，许多关键技术还有待完善。再加上传统交通模式的改变需要较长的时间周期，车联网的真正普及与进化还需要我们更进一步地努力。在互联网及电脑核心技术相对落后的中国，车联网技术的研究与美欧日等发达国家有着不小的差距。我国的节能技术，无线通信，远程感应技术，识别技术，控制技术，数据融合技术及信息管理技术还有很大的提升空间。我们尤其需要关注的是零排放电动车技术的发展，未来电动汽车的发展肯定伴随车联网技术的发展，实现零排放，无污染。因此，在我国传统的电子汽车技术并不占优而电动车技术具备先行优势的情况下，我们可以考虑积极发展节能减排的电动车辆与车联网核心技术的结合，实现发展上的弯道超车。

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