浅析车联网通信组网技术

2017-01-22□文/陈冬

中国公共安全 2017年6期

□ 文/陈冬

浅析车联网通信组网技术

□ 文/陈冬

引言

随着社会经济的不断发展，交通问题成为国民社会越来越关心的热点问题。城市承载车辆的不断爆发式增加，将城市道路不断变成大的“停车场”，一堵十里、寸步难行，给人们工作生活带来极大不便；车辆尾气排放也成为大气环境污染的一个重要诱因；更为严重的是，交通事故频发也对人们的生命安全带来重大威胁。智能交通是将先进的计算机技术、通信技术、控制技术、传感技术和系统综合技术有效地集成，运用于地面交通管理体系，从而建立起一种大范围、全方位的实时、准确和高效的交通运输管理体系。智能交通是有效解决交通问题的重要手段。

我国已经开展10多年智能交通系统的探索和建设，交通部在2007年推出电子不停车收费国家标准，经过多年的建设，在今年实现全国ETC联网；用于高速路径费用拆分的多路径识别系统也在多地建立；在城市内，多车道自由流拥堵收费系统在武汉建立的试点，有力疏导了武汉城市车辆的拥堵情况；车辆电子标识也逐渐成为车辆必备的身份证，成为智能交通新应用爆发的一个基础；城市智能停车场的建立，也为车主出行泊车带来了极大便捷等等。可以说，我国目前基本上是处于一个提高交通效率为关注点的智能交通1.0时代。下一步，提供车辆行驶安全和提供更多的涉车服务，是下一代智能交通，智能交通2.0时代的两个核心关注点，实现建立车车互联和车路互联的车辆网是实现智能交通 2 . 0 的重要基础。本文探讨了实现车辆网组网通信技术的主要方案和特征，并分析了车辆网发展现状和前景。

车联网的基本特征

车联网是为了满足人们日益增加的出行需要、安全需要和对服务娱乐需求，由美国交通部2009年《智能交通系统战略研究》正式提出的未来交通平台架构。它形成车车通信（VTV）、车路通信（ V T I ）、车辆互联网通信（ V T I ）、车辆便携设备通信（ V T P ）等全面立体涉路网络覆盖，使车辆用户随时了解路面通行状况、周围车辆行驶状态、交叉路口异常告警、车辆状态安全告警等安全信息，并进一步采取紧急制动控制、引导辅助驾驶等安全动作，会大大降低事故发生率。经研究表明，120Km/h高速行驶时，能让驾驶员多出1m的反应时间，就赢得了33m的安全距离；同时，随着城市车辆的普遍和自驾出行习惯的逐渐普及，人们在车时间也越来越长，车载终端将成为继电脑、智能终端、智能电视之后的第四屏，汽车将成为新的网络入口和流量中心，人们将在行驶中享受丰富的娱乐信息和服务信息交互。从以上车辆网的主要功用可以看出，针对行驶安全，需要车辆网通信组网具备低时延、高可靠性、自组织网络的关键特征；而为了满足信息服务需求足够的质量保障Qos和信道利用率是必须特征。

为了满足车辆通信组网特征，目前主要有三种通信组网方案：一类是直接通信技术，以专用短程通信 D SRC改进版标准体系WAV E为代表；另一类是传统蜂窝技术，以3Gpp、LT E-V、Wimax-V等技术为代表；第三类是将直接通信技术和蜂窝技术结合的融合体系方案。下面将分别介绍各类技术方案的主要特点。

直接通信组网技术方案

直接通信技术的重要特征是采用Ad hoc网络架构，即点对点自组织网络，也叫分布式无线网络，网络内每个节点是平等的，不像传统的蜂窝网络需要基站等中央控制节点，每个节点都具备报文转发能力，节点间的通信需要在多个节点间传递，对不断变化的网络节点拓扑结构有相应的路由算法来规划网络内的报文转发。节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，开机后可以快速、自动的组织成一个独立网络。适应战场部署、灾难应急等快速多变的组网场景，对快速变化的路面车辆组网尤为适合。

目前用于车联网自组织网络的具体代表技术是车载环境接入技术WAV E。19 9 2年，美国材料试验学会ASTM开始制定专用短程通信DSRC标准，来了满足高速不停车收费的使用场景。2 0 0 4 年为了适应更复杂的城市交通组网需求，由IEEE 802.11p和IEEE 1609工作组来完善DSRC第二版的标准化工作，称为车载环境下的无线接入（WAV E）。I E E E 8 0 2 .11p负责底层M AC和PH Y标准，上层标准由IEEE 1609负责，其中IEEE 1609.2负责安全服务，IEEE 1609.3负责网路服务，IEEE 1609.4负责上层MAC（多信道接入）标准制定。

WAV E 的关键技术主要有：

（一）、多信道接入及协同工作机制。WAV E的MAC层的信道类型分为CCH（安全控制信道）和SCH（服务信道）。CCH负责传递车辆安全相关报文，SCH负责传递用户服务相关报文。WAVE将75Mhz带宽分为7个信道：1个CCH、4个SCH、2个备用信道。为了保证通信节点保持在相同信道，WAV E采用时分多址（T DM A）的方式，一个通信间隔由CCH和SCH组成，在CCH起始同步时间内所有节点跳转进CCH进行通信，后续进入SCH使用竞争方式通信。可见网络内多节点相同信道内的通信竞争、相邻信道的通信竞争是不可避免的情况，如何将通信网络内的碰撞降到最低，提高网络通信效率，保障安全相关核心报文传递是多信道协同工作的重要课题。一般来说，节点内不同任务通过任务类型和业务优先级来完成内部信道竞争，赢得内部信道的任务再采用CSMA/CA（载波侦听）来进行外部节点间的信道竞争，通过退避算法和握手机制（RTS/CTS/DATA/ACK）实现信道仲裁来减少碰撞。另外，网络拓扑内信道协同的效果也与网络节点的密度、节点传输距离、任务优先级设置等因素有关，协同效果随节点密度及节点传输距离呈 V 字型变化，存在最优组网密度和覆盖范围；对于安全相关报文一定要确保其最高优先级设置，不同的服务报文进行合理的优先级分组划分。

（二）、动态拓扑路由机制。WAVE中路由是由每一个节点完成的，没有专用的路由设备。每个节点路由表的创建和更新，是通过网络扫描和列表维护的方式进行。节点主动发送或监听Beacon信号对周围邻居节点进行监听，属于同一分组网络内的节点维护进路由列表，通过网络发现和路由表共享将新节点告知整个网络；无法扫描到且超出生存期的节点从路由表中删除。一般情况，依据最小跳数作为主要路由选择依据，但也要同时参考业务类型、网络密度、通信距离、负载均衡等综合因素。对于安全相关高优先级信息，一般采用全网广播的方式来保证其实时到达。目前几种典型的路由协议有：动态源路由协议（D S R ）、目的序列距离矢量路由协议（D S DV）、临时按序路由算法（T O R A）和 A d H o c 按需距离矢量路由协议（AODV）等。

WAVE组网技术对车联网场景具有比较好的适应支持，但目前也有一些问题。比如覆盖范围较小需要多级网络组网层次复杂、车辆移动过程中需要频繁切换连接路边单元、服务质量（QoS）支持弱、无法对多媒体信息提供高质量支持等问题。

为了一定程度克服改善WAV E 组网的问题，可以在WAVE架构中引入优化手段。比如，将Ad-Hoc架构演进为Mesh架构，Mesh是在Ad-Hoc上的升级，在Mesh中每个节点不是完全的对等关系，一类专用节点分离出来，专门承担路由转发以及外网连接等职责，其他作为客户端的节点功能则相对弱化。这些专用节点实际上为客户端提供了一个相对稳定的骨干网。在车路环境中，可以充分利用路侧单元作为专用节点使用，降低车载单元复杂度，同时提供更好的质量服务；引入 E D C A（增强分布式协调访问）扩展MAC访问机制，EDCA指定了四种访问类型AC，每一种类型对应一类数据。每一个访问类别配置了四个参数：CWmin（最小竞争窗口）、CWmax（最大竞争窗口）、TXOP(发送机会限制)、AIFS（仲裁帧间间隔），根据不同业务配置不同参数集，优化信道接入效率，提供语音和多媒体等应用需要的服务质量和增强的网络性能。

传统蜂窝组网技术方案

基于传统的3G/4G等蜂窝网络来建设车联网，能提供高质量的路侧服务、高带宽的多媒体服务、支撑更高的网络覆盖密度。显而易见，蜂窝网络技术可以利用目前已经普遍建设的基站设施作为路侧设备，降低整个车联网系统的建设成本。目前蜂窝组网的代表性技术有基于TD-LTE扩展的LTE-V技术等。

LTE-V的关键技术有：

（一）、更灵活高效的物理层调制方式。LTE-V和WAVE一样在下行链路采用OFDM(正交频分复用)技术，在高频段和高速移动环境下，获得更大的频率扩展性，同时在时域增加参数密度，以减低由多路径传播时延及多普勒频移效应引起的符号间干扰；而LTE-V在下行链路采用SC-FDMA（单载波频分多址）技术，可以提高移动终端的功率发射效率，扩大通信距离，延长车载终端使用寿命。

（二）、D 2 D 技术。L T E 网络架构是基于基站 -移动终端的非对等网络架构，移动终端之间的通信都需要经过eNodeB的控制转发，而高速移动车载网络需要车与车之间对等的通信，及时获得安全信息。这样在蜂窝网络中引入对等技术，使两个蜂窝网络的移动终端可以直接通信，建立Ad-Hoc网络，就成为 L T E - V 架构中的一个核心课题，D 2 D（端到端通信）技术为 L T E - V 实现自组织网络提供了可能。在蜂窝网络中，由eNodeB根据资源空闲状态和申请通信终端在小区的物理位置将空闲的频谱资源分配给终端进行D2D通信，需要考虑D2D通信和小区通信之间的竞争和干扰，D2D通信在复用上行资源时可采用合理的功率控制减少对基站的干扰，在复用下行资源时eNodeB可考虑采用合适的空间间隔来避免通信终端之间的干扰。相比传统的P2P技术，D2D是在eNodeB控制下的通信，可以更好的降低干扰，提高信道接入效率。同时，D2D发现技术和同步技术也提供了端与端之间的路由寻址和报文转发。LTE-V通过D2D通信和蜂窝通信的高效切换来减少时延、降低负载，实现车辆之间的直接实时通信，也使车辆获得高带宽、高质量的路侧服务。

（三）、MTC技术。MTC（机械通信）技术是指利用现有的无线传感网络收集物体的各种状态信息，通过多样的无线通信技术将任何物体连接入因特网，进行信息交互和通信，从而实现对任何物体的跟踪监控和管理。在LTE-V中引入MTC技术可以考虑将车载各种传感器进行数据采集，包括行驶位置、方向、速度、加速度、温度、胎压、油压、转速、油量、门窗锁、安全带、气囊、车辆标识等等涉车信息，可以通过车载终端之间进行D2D传递，也可以接入蜂窝网络通过eNodeB进行汇总登记。MTC要求低时延、时间可控、分组传输、高危险监控、组优化、IP地址等技术特征，都与车辆网场景有比较好的契合，其中组划分将单车或者同一车道车辆或同一车速车辆进行分组，有利于信息的分发和管理。同时，MTC技术需要继续优化适应高速移动的场景来满足车联网的高速场景。

移动蜂窝技术覆盖面广、性能优越、高可靠性、技术相对成熟、可以提供高带宽的无线数据传输服务都是支持车辆网的有利因数；目前的不利因数在于，蜂窝技术对车辆网的主要问题是更侧重VTI的路侧服务，而VTV的车车高速移动通信、对等自组织网络层面支持还有待完善；另一方面，无论是蜂窝通信还是D2D通信，蜂窝组网中所有通信都依赖于eNodeB的存在，这样大量车辆的接入组网可能加重eNodeB的负担，造成网络拥塞或风暴。同时，大量车辆信息的接入也对eNodeB本身承载的小区通信造成一定影响。

直接通信与蜂窝通信融合技术方案

鉴于直接通信技术对VTV通信、自组织网络的良好支持，但质量服务Qos有待优化；而蜂窝通信技术可以提供VTI高质量高带宽的路侧服务，通信链路稳定，但点对点直接通信有待完善，两种技术的优缺点，目前一种技术思路是将两者结合，采用 W A V E 进行VT V通信，而使用LT E-V或Wimax-V进行VT I通信的融合组网架构。

融合网络的路侧设备使用蜂窝网络基站eNodeB，车载设备要具有LT E-V和Wave两种接口模块，WAV E接口为必备接口。有两种常用组网方式，一种是每个车载单元都具有 L T E - V 接口模块，可单独与路侧基站连接组网，这种方式增加车载设备复杂度，但保证每个车载设备都可以自由组网，增加组网的可操作性；一种方式是划分簇组，几个相同区域或相同特征的车载设备组成一个簇组，本组中再选出一个簇头，它具备LTE-V接口模块与路侧基站连接，路侧基站的下行服务再通过簇头进行转发，这种方式下如何分组和簇头的选择是难点，分级结构可以降低eNodeB的负载，提高系统吞吐量和通信效率。

融合网络的关键技术有：

（一）、异构网络协议融合技术。对于同时支持WAV E和LT E-V两种协议的移动终端来说，需要具有异构融合的协议架构，在MAC层同时支持802.11p和4G MAC，在网络层具有统一的业务管理和质量管理，这样在MAC层与网络层之间就需要设计一层适配管理协议来协调切换管理不同的底层业务。基于IEEE 802.21的媒介独立切换功能模块（MIHF）适合这种需要，这种根据3G、WiMAX、无线保真(Wi-Fi)等协议建立的异构网络融合技术极具发展前景，不同种类网络下的接入网络发现和选择、切换发起及功耗优化等方面的性能都可以在MIHF模块的协助下完成。

（二）、分组选择。分组的过程也是路由建立的过程，通过链路预测来获得节点间的相对位置，以此进行路由的选择，进行分组选择。GPS技术或相控天线技术都可以被引入来获得移动节点的相对位置，根据最优的覆盖距离和覆盖密度进行移动节点分组。同时对节点的位置、速度、加速度等信息进行移动趋势预测，估计分组保持时间，在路由断裂前重新启动路由发现过程。

融合网络是解决车联网组网技术问题的一个很好思路，但目前很多的技术标准还处于研究阶段，需要逐步成熟。如何控制移动终端的复杂度是后续研究的一个重要课题。

我国车联网发展的问题和思考

2015年，中国汽车产量将达到250 0万辆，市场规模有望突破1500亿元。2022年，预计所有汽车都会纳入车联网，智能出行和安全出行会成为人们的基本生活述求和习惯，车联网作为中国智能交通2.0体系的基础，有巨大广阔的发展前景。另一方面，车辆网的发展也面临着巨大的挑战：第一，车辆网还处于起步阶段，核心技术还不够成熟，产品结构还不完善，无论从数据采集、无线组网到云端应用都有很多技术需要突破；第二，需要统一的国家标准。车联网是一个涉及科研单位、车辆企业、传感器企业、车载终端企业、电信运营商、服务提供商、互联网企业等诸多环节的产品链条，而这些环节内部，环节之间如果没有统一的标准，而各自为政的话将极大阻碍车联网产业链的整合和发展。第三，商业合作模式还在探索。车载终端企业希望能延续智能交通1.0时代的模式，车辆后装车载终端来组网通信；而许多汽车企业不希望公开车辆本身的数据，独自研制前装终端和车载网络；互联网厂家则希望和汽车企业结成联盟形式。如何让产业链各环节都能很好的合作，找到共赢的合作商业模式，是车联网发展亟需探索的重要课题。

我国很多专家、企业、科研单位意识到这些问题，近些年也在开展积极的努力。2013年由交通运输部公路科学研究院等单位牵头，组织车辆企业、车载终端企业、科研院校、通信企业、电信运营商、服务提供商、测试单位等国内外多家知名企业组织行业联盟，共同制定行业标准，建立适应中国国情的协作式交通架构。整个行业需要各个环节企业特别是汽车制造企业主动的向前迈出一步，密切配合、共同努力，相信中国的车联网发展一定会取得重大突破。