车联网及其热点技术分析

许昌职业技术学院 董晨煜

河南工业技师学院 贾广涛

随着移动互联网、物联网（Internet of Things）和无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network，是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者） 的广泛应用，车联网（IOV，Internet of Vehicles）作为一项跨越了汽车、交通运输、信息技术、通讯、消费电子、工业电子、媒体娱乐等多个行业的新兴技术，日益成为实现未来智能交通的有效途径之一，是当前全球研究和关注的焦点，车联网在经历了前几年的概念炒作热潮后，正从概念阶段逐步转向市场化，并开始在市场占据一定的份额。

1 车联网的概念和内涵

车联网概念引申自物联网，车联网到目前为止并没有一个统一的定义，根据行业背景不同，对车联网的定义也不尽相同。传统的车联网定义是指装载在车辆上的电子标签通过无线射频（RFID）等识别技术，实现在信息网络平台上对所有车辆的属性信息和静、动态信息进行提取和有效利用，并根据不同的功能需求对所有车辆的运行状态进行有效的监管和提供综合服务的系统。这个概念是站在信息感知技术的角度对车联网的面熟。从这个概念上不难发现，车联网最早提出的目的是为了优化人们的出行，以及及时掌握车辆的行驶状态。随着车联网技术与产业的发展，上述定义已经不能涵盖车联网的全部内容，车联网的概念也在逐步发生变化。

根据车联网产业技术创新战略联盟（由中国汽车工程学会发起成立，2013年8月27日在北京正式成立，由包括15家整车厂在内的共30家单位组成，成员涵盖了汽车制造商、移动通信运营商、硬件设备制造商、软件服务提供商及有关科研院所，旨在通过联合各相关行业的力量，协同攻关、协调发展，重点推动车联网技术对于汽车安全性与经济性等性能提升的应用）的定义，车联网是以车内网、车际网和车载移动互联网为基础，按照约定的通信协议和数据交互标准，在车-X（X为车、路、行人及互联网等）之间，进行无线通讯和信息交换的大系统网络，是能够实现智能化交通管理、智能动态信息服务和车辆智能化控制的一体化网络，是物联网技术在交通系统领域的典型应用。

根据中国物联网校企联盟的定义，车联网是由车辆位置、速度和路线等信息构成的巨大交互网络。通过GPS、RFID、传感器、摄像头图像处理等装置，车辆可以完成自身环境和状态信息的采集；通过互联网技术，所有的车辆可以将自身的各种信息传输汇聚到中央处理器；通过计算机技术，这些大量车辆的信息可以被分析和处理，从而计算出不同车辆的最佳路线、及时汇报路况和安排信号灯周期。

站在智能交通技术的角度上，车联网是指将先进的信息感知技术、传输技术、信息控制技术及信息处理技术等运用于交通管理系统而建立的实时、准确、高效的综合交通运输信息处理系统。站在车辆组网和通信技术的角度上，车联网是由安装无线通信终端的移动车辆组成，车辆能够介入到异构或同构的网络之中，用于完成车与车、车与路边设施之间的通信。广义上，人们普遍认为车联网是指利用先进的传感技术、网络技术和无线通信技术，通过汽车收集、处理和共享大量信息，实现V2X（X为车、路、行人、通信、服务平台）之间无线通讯和信息交换的大系统网络。上述不同的描述都有一个基本的共识，即车联网是利用先进的信息和网络技术，将车辆、行人、道路和路边设施等集成为一个有机的信息系统，以提供车辆安全、交通控制、综合信息和互联网接入等服务，进而实现提高交通效率和降低交通事故的目的。在国际上，关于车联网的概念目前形成的一个共识，是指以车辆、服务平台作为终端，依托传感技术、网络技术和无线通信技术，通过实现车与路、车与车主、车主与车主、车与车、车主与第三方服务商的有效连接，为车辆提供多种服务及对车辆实施有效监控及提供有效服务。

随着技术发展和研究的深入，车联网概念不断演进，综合上述几种关于车联网不同的描述，现阶段我们可以将车联网定义为：借助新一代信息和通信技术，提升汽车智能化水平，实现车与外部（人、车、路、服务平台）的全方位网络连接，打造汽车和交通服务新业态，从而提高交通效率，改善汽车驾乘感受，为用户提供智能、舒适、安全、节能、高效的综合服务。车联网是传统智能交通系统与物联网融合发展的产物，是一种特殊的无线传感器网络。由此可见，汽车智能化、网络连接、服务新业态是构成车联网的3个核心要

素。图1给出了车联网总体示意图，值得指出的是，车联网并非单纯的网络概念，而是一个包含了汽车、通信网络和诸多相关应用与服务的产业生态 ，车联网技术将围绕着智能化、网联化两条路线同步演进，并最终走向融合。

以往车辆与人的互动仅仅局限于机械操控，人作为主体控制车辆的运行轨迹，车辆本身并不会提供太多技术上的帮助。但参考手机的发展历程，手机作为载体，最初只能实现通话功能，而如今凭借移动互联网的技术支持，手机升级为智能机，在生活娱乐、购物消费、工作休闲等等场合，都能派上用场。虽然车联网技术的普及率并不高，但从长远发展来看，汽车作为载体，必须借助车联网实现车与人、与道路环境的高效沟通。

2 车联网的体系架构

如图2所示为车联网包含的基本要素。车联网的核心是汽车，主要涉及汽车联网通信系统和汽车智能系统；人则是道路环境参与者和车联网使用者；路是车联网业务的重要外部环境，涉及道路通信设备、道路智能化设备、交通信息化设备等；通信则是信息交互的载体，打通车内、车际、车路、车云信息流；服务平台则是实现车联网服务能力的业务和数据载体。

图1 车联网总体示意

图2 车联网的基本要素

车联网是物联网在交通领域中的具体实现，具有明显的物联网属性，是互联网的延伸。其体系架构与物联网有许多共同之处，分为感知层、网络层、应用层等3个部分（图3）。感知层负责车辆自身与交通信息的感知与采集，通过无线射频识别、无线传感器网络、导航定位等技术，实时地感知和采集车辆运行状况、交通运控状态、道路周边环境、天气变化情况，以及车与车、车与人、车与道路基础设施之间的位置等信息，为应用层提供全面、原始的信息采集服务。网络层负责整合感知层获取的数据，为应用层提供信息传输服务，实现远距离通信和远程控制的目的。网络层主要包括承载网络和接入网络两部分，其中，承载网络主要包括电信网、互联网、广电网、交通信息专用网络等。接入网络包括2G、3G、4G、5G等无线移动通信网络，或WLAN、WiMAX、RFID、卫星通信等网络。应用层负责实现人机交互通信功能，通过车载信息系统，获取交通信息、汽车状况和互联网信息，实现智能交通管理、车辆安全控制、交通信息发布等功能，为个人、企业、政府提供应用服务。车联网的应用广泛，可提供车辆安全、道路维护、交通监控、生活娱乐、移动互联网接入等服务。

图3 车联网的体系架构

3 车联网的热点技术分析

车联网第一个技术变革活跃期已经到来，主要集中在2017年至2018年左右，体现在车载操作系统功能逐步丰富，向实时操作系统与信息娱乐操作系统融合方向演进，汽车电子智能化和网联化技术快速发展，V2X技术走向应用，业务平台由封闭逐步走向开放。车联网第二个技术变革活跃期预计在2020年至2021年左右，主要体现在车载操作系统发展为支持智能化控制和综合业务的服务平台，汽车电子系统支持部分/高级自动驾驶，5G技术逐步开始应用，各种关键技术围绕着智能化和网联化形成融合。从网络上看，车联网（IOV）系统是一个“端、管、云”三层体系。车联网发展的热点技术逐步聚焦，分布在端、管、云和信息安全4个层面。

（1）“端”指的是车载终端、路侧终端及手持终端等，负责采集与获取车辆的智能信息，感知行车状态与环境，是具有车内通信、车间通信、车网通信的泛在通信终端，同时还是让汽车具备IOV寻址和网络可信标识等能力的设备。各类终端的智能化、网联化进程加快，车载操作系统、汽车电子成为产业各方力量积极布局的焦点。终端设备包含软、硬件两个层面。软件以车载操作系统和控制软件为主，智能操作系统开始影响汽车的驾驶和操控方式，未来车载操作系统将主要朝着云服务和自动驾驶2个方向发展。云服务主要基于车载操作系统的多样化APP应用，而自动驾驶将融合传感器、图像技术、通信技术和人工智能技术做出分析决策。目前，底层操作系统仍然以QNX、Embedded Windows和Linux为主，其中QNX占据市场份额的50%以上。应用平台近年来发展迅猛，这些平台的出现为应用开发提供了框架和开发工具，使得应用的开发越来越独立于底层的操作系统。该类产品的代表有阿里巴巴推出的基于Linux的YunOS，搭载了自主设计、架构、研发的系统核心虚拟机，为开发者提供便利，是我国自主操作系统跻身车联网操作系统领域的重要契机。硬件主要是高性能环境感知传感器及微处理器，我国总体处于竞争劣势。从市场格局看，博世、英飞凌、恩智浦分别以20%、12%、10%位列汽车传感器收入份额前三，前10名中没有中国企业。在处理器方面，搭载人工智能的GPU芯片推动自动驾驶发展。由ARM、Qualcomm及Imagination所主导的SoC阵营，在GPU技术中应用最广，市场占有率达到70%以上，英特尔、AMD、Nvidia紧随其后。汽车领域正成为芯片厂商新蓝海，消费电子产品厂商也将业务领域向汽车电子产品拓展。

（2）“管”是指通信网络。管系统用于解决V2X的互联互通，实现车辆自组网及多种异构网络之间的通信与漫游，在功能和性能上保障实时性、可服务性与网络泛在性，同时它是公网与专网的统一体。V2X是车车通信（V2V，Vehicle to Vehicle）、车路通信（V2R，Vehicle to Road）、车与基础设施通信（V2I，vehicle to infrastructure）、车与行人通信（V2P，Vehicle to Pedestrian）等的统称。V2X信息网联技术包括V2X专用短距离通信技术，以及 3G、4G、5G的蜂窝网技术。通过V2X可以获得实时路况、道路信息、行人信息等一系列交通信息，是实现主动安全、自动驾驶等一系列应用的重要技术手段。早期信息网联主要形态是实现汽车和外界环境的基础信息交互，如Telematics业务等，主要实现卫星定位导航、道路救援、车载多媒体娱乐等应用，这些应用对通信系统的实时性和高可靠性要求不高。目前LTE-V和短距离无线通信（DSRC，Dedicated Short Range Communications）等无线通信技术在车联网的应用逐步走向成熟。国际V2X专用短距离通信技术包括2条技术路线：一是美国、日本采用的基于IEEE 802.11p的DSRC通信标准，由IEEE在10年前制定。由于标准发布较早，实验测试较为充分，高通、恩智浦均已推出基于802.11p的V2X无线通信芯片。二是我国参与推动的4.5GLTE-V2X技术，目前由大唐、华为等通信设备企业抓紧研发。与802.11p相比，LTE-V2X具有技术后发优势，且支持公网辅助模式，能满足更高的业务需求，又可以利用成熟的蜂窝网络覆盖和芯片、终端产业基础，很有可能后来居上，成为另一项车联网主流技术。LTE-V2X技术随着需求的发展有清晰的技术演进路线，且逐步向5G-V2X演进，对以存量为主的汽车市场意义重大。目前，基于5G技术的车联网应用进入探索阶段，随着LTE、5G等通信技术的不断发展，许多依赖低时延、高可靠性的新应用有了发展空间，使得基于V2X通信的智能辅助驾驶（ADAS，Advanced Driver Assistant System）及自动驾驶成为可能。

（3）车联网是一个云架构的车辆运行信息平台，它的生态链包含了ITS（智能交通）、物流、客货运、危特车辆、汽修汽配、汽车租赁、企事业车辆管理、汽车制造商、4S店、车管、保险、紧急救援、移动互联网等，是多源海量信息的汇聚，因此需要虚拟化、安全认证、实时交互、海量存储等云计算功能，其应用系统也是围绕车辆的数据汇聚、计算、调度、监控、管理与应用的复合体系。随着车联网的普及和车联网大数据的完善，各种效率出行、资源调度、信息服务类的新型平台将不断涌现，实现更加科学、绿色、高效的智能交通系统。未来车联网大数据和云服务平台的应用必将是“混合云”的发展模式。基于“混合云”模式，用户既可以将相对隐私数据存放在“私有云”中，同时又可以获得“公有云”的计算和服务资源。“公有云”提供各类信息娱乐导航服务，例如视频、音频、地图导航、社交等服务，互联网公司将是主要的服务提供商；“私有云”包括用户个人数据、政府监管、行业、企业等私有数据，例如用户的位置信息、运营车辆车内音频或视频监控信息、汽车厂商收集的相应 CAN 总线信息等。随着车联网的普及，这些服务平台的运营项目和模式也将更加多样化，背后蕴含着巨大的产业机遇，也必将成为未来商业竞争的焦点。

（4）在车联网发展过程中，安全作为一项重要挑战一直备受关注。在当前的车联网通信中存在严重的安全问题，例如，在VANET中可能存在恶意的车辆，这些恶意的车辆发送虚假信息欺骗其他车辆，造成车辆信息和车主隐私信息的泄露。另外，一些恶意的车辆还会偷窃多个身份，伪造交通场景，影响交通秩序、破坏网络正常运行，威胁用户生命财产安全，因此安全认证和隐私保护是车联网技术发展的焦点问题。另外，车联网技术的发展使汽车从架构和技术上产生了极大的变革与创新，同时，技术的融合发展也带来了新的隐患和风险。目前，演进过程中车内网络架构信息安全防护能力存在差异，大多数车型的车内网络架构安全防护能力十分薄弱，一旦走向开放亟需进行安全设计。随着智能控制应用的增加，汽车上越来越多的部件可以被黑客攻击，甚至被非法控制。图4列举了一些智能网联汽车可能存在的攻击切入点。信息安全目前面临的主要威胁集中在CAN总线、OBD接口设备及部分远程收发部件，如通讯模块T-BOX、移动端APP及云端平台等。黑客对车辆信息接口的攻击，会造成车辆信息泄露甚至汽车控制系统瘫痪，进而引起事故，后果不堪设想。目前急需加快推进息安全标准、规范的编制，规范行业安全管理，加强信息安全技术研发和测试认证平台建设，提高技术支撑保障和市场服务能力。

图4 智能网联汽车可能的攻击入口

为了支持数据流量的不断增加，5G无线通信网络需要更高的容量和高效的安全机制。而在5G网络通信体系中，终端用户和不同的接入点之间需要更加频繁的认证以防止假冒终端和中间人的攻击。5G车联网的用户和车辆相关数据的传输需要经过其他车载单元、移动终端及基站，因此，必须采取有效措施保证通信的安全性和数据的完整性。为了解决车联网通信中所面临的安全问题，早期提出了一些安全认证方案，包括基于公钥基础设施（PKI，public key infrastructure）的认证、基于身份签名（identity-based signature）的认证、基于群签名（group signature）的认证、基于保密的访问控制等。近期，针对5G安全通信问题，有文献提出将SDN（Software Defined Network，软件定义网络）技术（是Emulex网络一种新型网络创新架构，是网络虚拟化的一种实现方式，其核心技术OpenFlow通过将网络设备控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，使网络作为管道变得更加智能）用于5G移动通信网络，促进5G网络智能化和可编程性，实现高效的安全管理。有文献研究了用于控制ad hoc D2D（device-to-device，设备到设备）网络并在ad hoc环境下基于群密钥协商方法管理群密钥的ad hoc D2D协议。此外，为了在窃听者存在的场景下提高可靠的传输速率，有文献研究了一种用于D2D无线通信中设备自适应地选择协作通信机制和基于协作架构的最优功率分配的分布式算法。

在5G车联网复杂的通信过程中必须实施多方安全认证。5G车联网实施的多方安全认证主要包括车内无线局域网中用户移动终端与5G车载单元（OBU）的强安全认证，车际网中车与车之间、车与行人之间、车与中继（5G移动终端或者车载单元）之间及车与5G基站之间的安全认证。

在保证通信安全过程中，驾驶人员更关心的是隐私的安全性，这关系到车联网能否被市民接受并广泛使用。在通信过程中，车辆无线信号在开放的空间中传输，容易被窃取并暴露车辆和用户的身份，若车内数据总线网络遭入侵，可能造成不可预估的灾难，如何保障用户和车辆的隐私安全，成为近年来的研究热点。除了使用近期提到的匿名算法，如采用动态匿名方案，OBU在一定时间间隔或当车辆进入不同区域后都要更换匿名，排除通过对匿名收集、分析而捕获车辆真实身份的攻击。考虑到5G车联网多种异构网络的存在，将会出现新型的安全通信与隐私保护协议，譬如，在5G终端通信中利用SDN技术，根据数据流的敏感度级别，为数据流选择多种传输路径，在接收端，只有接收者可以用私人密钥解密并重组来自多个网络传输路径的数据流，从而避免隐私在无线接入点泄露。随着计算机的计算能力不断突破，尤其是量子技术的逐渐成熟，传统基于计算能力的高层加密技术变得不牢靠，而基于香农信息论的物理层安全技术对计算复杂度依赖性低，窃听者即使拥有较强的计算能力也不会对系统的安全性能产生巨大的影响。另外，车联网通信中多个窃听者的存在及车辆节点在通信网络中快速地连通与中断，使安全密钥分发与管理成为亟待解决的问题。

车联网重要应用之一就是交通安全，而驾驶行为分析和预测是安全保障的基础，如何对运动轨迹预测并建模是提高交通安全的关键问题。虽然车联网中网络拓扑频繁变化，数据海量递增，但车辆运动受道路拓扑、交通规则和驾驶者意图的限制，为行为预测提供了可能性。车联社会网络（VSN，vehicular social network）中节点的活动规律能够在车联网行为预测中发挥作用。通过对大规模OBU数据的挖掘和分析，提取有应用价值的社群交互特征信息，VSN能够对一些交通问题和车辆安全问题提供有力的支持，如预计道路车流量、预测交通堵塞地段、主动安全等。在对驾驶行为的建模和预测中，数据来源和数据挖掘是首要问题，也是安全系统应用的瓶颈。目前，车辆行驶轨迹数据获取的主要来源是基于历史数据的预测，而历史数据必须准确且具有时效性。但现有VANET环境下的方法无法满足获取运动轨迹的精度要求（包括位置精度和时间精度），5G车联网中采用D2D通信方式，可为每个用户提供每秒千兆级的数据速率以满足QoS的要求，空口时延约为1 ms、端到端时延限制在毫秒级的实现，极大程度上保证了时间精度，同时，基于5G基站的精确定位将位置精度控制在允许范围内，解决了预测模型中的数据来源问题。目前，针对车联网数据挖掘，并没有太多的算法和技术提出，车联网数据处理的关键是在对海量数据（TB级）进行挖掘时，要保证当前数据流（平均数万条/秒）的高速可靠写入，如何快速对读取的数据进行分析、建模、预测，是未来研究的重要方向。