面向交通状况智能监测的泛在互联车联网研究*

郑金兵，李科峰，赵小超，郑明才

（1.中国电子科技集团第48研究所，湖南 长沙 410111；2.湖南第一师范学院 信息科学与工程学院，湖南 长沙 410205）

0 引 言

交通状况智能监测为交通信息化服务提供泛在感知数据,是交通信息化服务的重要组成部分。随着机动车辆数量和道路交通里程量急剧增加，交通基础设施逐步完善，交通运输系统覆盖区域越来越广，用户在交通车辆上的时间逐渐增多，交通运输状况越来越复杂，道路状况、交通阻塞、运输安全、事故救援和出行效率等成为人们普遍关注的问题。如何及时掌握交通状况信息、预防交通事故隐患、提高交通运输效率和出行效率等，已成为交通运输领域急需解决的问题。同时，随着交通设施的逐渐完善和路边基础设施和车载电子设备信息服务功能的逐渐丰富，为进一步提高交通信息化服务水平打下了良好基础，使得充分利用交通运输设施自身条件实现交通状况智能监测成为可能。交通车辆和交通基础设施的发展不仅使交通运输领域内的泛在信息感知成为可能，也使泛在信息传送成为可能，车联网（Internet of Vehicles，IoV）应运而生。泛在互联的交通车辆和基础设施将具有强大的泛在信息感知、处理、传输和应用等潜能，具有广泛的应用前景。因此，开展交通车辆和交通基础设施与公用通信网络的泛在互联研究具有重要意义。

1 相关工作

车联网[1]是车辆自组织网络(Vehicular Ad hoc Network，VANET)[2]与无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）[3]相结合并与公用通信网络[4]互联的产物，国内外研究机构研发了若干具有代表性的小规模专用车联网[5]。对车联网的研究则主要集中在车联网的体系结构[6]、车辆节点移动特征及策略[7-8]和车内无线传感器网络[9]等方面。除此以外，也有研究关注于车联网的网络拓扑结构和路由问题[10]。如何有效地在车辆-车辆及车辆-交通基础设施间传送感知数据是研究者关注的热点[11]。随着车辆自组织网络、小规模车联网应用的逐渐展开，其随时、随地接入公用通信网络的需求日益迫切，由此引发了互联车联网[12]的研究热潮。本文根据现有公用通信网络基础设施情况，以及交通运输车辆和交通基础设施的覆盖区域与分布情况，研究面向交通状况智能监测的泛在互联车联网，提出了一种面向交通状况智能监测的泛在互联车联网体系结构和泛在感知数据的高效智能路由策略，以为为交通状况信息的泛在感知、泛在传送、泛在融合以及泛在应用等提供高效支撑。

2 公用通信网络和交通基础设施情况

2.1 公用通信网络情况

在社会对通信网络泛在互联互通需求的推动下，公用通信网络得到迅猛发展，覆盖区域不断扩大，信息传送速率不断提升。公用通信网络主要包含Internet、移动（蜂窝）通信网络和卫星通信网络等。其中，Internet已基本覆盖具有常住人口的区域，移动（蜂窝）通信网络已基本覆盖有人活动的区域，卫星通信网络已基本覆盖全球。相对于泛在感知，泛在信息传送途径已基本具备，但城区、郊区、偏远地区等发达程度不同区域的网络覆盖情况和网络接入难易程度差别较大，通过公用通信网络进行泛在信息传送的成本还远未达到低廉，尤其是偏远地区的信息接入和传送成本还相对较高。因此，高性价比的泛在信息传送方案有待进一步优化设计。仅仅依靠公用通信网络实现感知节点的泛在互联互通还远远不够，有必要充分利用交通车辆和交通基础设施自身的互联互通和信息传送潜能。

2.2 交通车辆和交通基础设施情况

近年来，交通路网的覆盖密度、覆盖广度和里程数等急剧增加，路边基础设施建设不断加强，交通车辆和交通基础设施的信息传送功能不断完善。同时，交通车辆的数量和出行频度也急剧增加，在给出行带来便利的同时，相关的社会问题和矛盾也日益凸显，其中车与路、车与环境、车与行人之间的矛盾日益突出，不断提出新的交通状况信息泛在感知和泛在传送的需求。交通运输系统的发展和漫延给交通状况的泛在信息感知、泛在信息传送、泛在信息应用奠定了较好基础，其中泛在信息传送是瓶颈，可通过构建泛在互联车联网加以解决。交通运输系统的发展同样存在不平衡，城区、郊区、偏远地区差异较大，泛在互联车联网的构建不仅需因地制宜，挖掘潜能，还应利用一切可用互联途径以扩大泛在互联车联网的规模，提高信息传送的健壮性。

3 泛在互联车联网网络结构

高效可靠的泛在互联车联网网络结构是交通状况智能监测信息泛在感知、传送、应用的关键。它不仅涉及车联网节点向公用通信网络的高效可靠接入，还涉及车联网节点的自组织协作、泛在信息传送成本和信息传送服务质量（Quality of Service，QoS）等问题。泛在互联车联网网络结构的构建应有利于交通状况智能监测信息高效、低成本、可靠、及时地传送到交通状况智能监测中心。

3.1 泛在互联车联网通信链路情况

车联网节点分为路边节点（Roadside node）和车辆节点（Vehicle node）。路边节点安装在路边基础设施中，位置相对固定，接入公用通信网络相对方便，可用有线方式和/或无线方式与公用通信网络互联，如通过有线或WLAN与Internet互联、通过无线与卫星通信网络互联、通过无线与蜂窝移动通信网络互联等。车辆节点由各类交通车辆携带，位置不固定，只能通过无线方式与公用通信网络互联，如与卫星通信网络、WLAN网络、移动（蜂窝）通信网络等互联。无法直接与公用通信网络互联的车联网节点通过车联网内其他节点（路边节点或车辆节点）以协作自组织网络的方式互联。各地理区域内的局部车联网通过接入公用通信网络，最终由Internet互联为规模巨大的泛在互联车联网。泛在互联车联网中的节点及节点间的通信链路情况如图1所示。

图1 泛在互联车联网节点及通信链路情况

3.2 泛在互联车联网逻辑拓扑结构

交通状况智能监测数据种类繁多、数据量大，且相关感知数据的空间冗余度和时间冗余度往往非常大，导致海量感知数据的含金量可能不高，直接传送时相对成本高，适宜先融合后传送。为便于交通状况智能监测数据的泛在融合以降低数据传送成本，面向交通状况智能监测的泛在互联车联网采用如图2所示的逻辑拓扑结构。

面向交通状况智能监测的泛在互联车联网的逻辑拓扑结构分为公用通信网络、接入网络和感知网络三个层次。公用通信网络为已有网络基础设施，包含Internet、移动通信网络和卫星通信网络。因路边节点的网络接口资源和信息处理资源可以相对丰富，可将路边节点作为交通状况智能监测数据的数据融合节点。各感知节点采集的交通状况智能监测数据先汇聚到路边节点，经路边节点进行数据融合后接入公用通信网络，由公用通信网络送至交通状况智能监测中心。因此，由路边节点组成接入网络。交通状况信息的感知主要由车联网节点实施，因此由车联自组织网络作为感知网络。

图2 泛在互联车联网逻辑拓扑结构

3.3 车联网节点自组织互联和协作

考虑到偏远地区的车联网节点接入公用通信网络的途径尚不顺畅，接入公用通信网络的费用问题，以及任意时间、任意地点、任意节点泛在感知和泛在互联互通、感知数据泛在融合的需求，将车辆节点和路边节点通过专用短程通信链路（Dedicated Short Range Communications，DSRC）以协作方式互联互通形成自组网络。不仅可充分利用车联网节点的协同传送能力，还可充分利用运动车辆自身对信息的捎带能力。考虑到路边节点丰富的连网能力和数据融合能力，以及交通状况智能监测信息传送的方向性特点，车联网节点在构建自组织网络时，车辆节点优先与朝向监测中心的车辆节点或路边节点互联，且以朝向监测中心的最近路边节点为自组网局部区域（即分簇）的核心（簇首），以便交通状况智能监测信息优先汇聚至路边节点进行数据融合，并通过路边节点接入公用通信网络。同时，路边节点也优先与朝向监测中心的邻簇内的路边节点或车辆节点互联，以确保节点间和分簇间的多途径泛在互联。面向交通状况智能监测信息泛在高效传送的车联自组网拓扑结构如图3所示，其中节点R1～R7为路边节点，其余节点为车辆节点。车辆节点以朝向监测中心的最近路边节点为簇首节点形成一个个分簇，各分簇由簇首节点与朝向监测中心的邻簇内的车辆节点或路边节点互联，形成一个覆盖区域不断扩大的车联自组网络，最后通过具有接入功能的路边节点接入公用通信网络形成规模巨大的泛在互联车联网。

图3 车联自组网拓扑结构

4 交通状况智能监测信息智能路由

交通状况智能监测信息种类繁多、数据量差异大、服务质量要求各异，需区别处理；交通状况智能监测信息因不同地理区域、不同时段的网络环境状况及传送成本不同，监测信息传送路由需实时进行智能选择。交通状况智能监测感知数据在传送到监测中心前，考虑到传送成本、可靠性以及实时性等要求，感知节点应对感知数据进行业务分类，同时确定与业务分类相对应的QoS要求，并在数据包中放入感知数据分类标记和QoS标记；感知数据转发节点应对其可接入的网络进行传送成本、性能评估，并根据感知数据类型和QoS要求进行智能路由决策，分门别类地选用合适的接入网络和接入时间。

4.1 车联网节点协议软件逻辑结构

在面向交通状况智能监测应用的泛在互联车联网逻辑拓扑结构中，感知数据首先汇聚到路边节点，由路边节点接入公用通信网络或在车联自组网络中朝向交通状况智能监测中心定向扩散。路边节点应具有较为完备的智能路由能力。为配合智能路由的实施，路边节点转发交通状况智能监测数据的协议软件结构如图4（a）所示。

在面向交通状况智能监测应用的泛在互联车联网中，车辆节点和路边节点均可具有交通状况信息感知能力。为便于感知数据的网内融合，车辆节点的感知数据不直接接入公用通信网络，而是在车联自组网中以多跳定向扩散方式汇聚至相应路边节点，经路边节点进行数据融合后接入公用通信网络或继续定向扩散。车辆节点的路由采用多跳定向扩散路由，其协议软件结构如图4（b）所示。

图4 车联网节点协议软件逻辑结构

4.2 泛在互联车联网逻辑拓扑结构建立

面向交通状况智能监测的泛在互联车联网逻辑拓扑结构的建立，由交通状况智能监测中心启动。监测中心根据具体监测任务类型和检测区域等，确定车联网节点可以接入的公用通信网络接入节点，并向公用通信网络内的交通状况智能监测信息接入节点分发任务。监测信息接入节点收到监测中心分发的任务后，以flooding方式向车联网节点转发任务，并在任务分组中携带接入节点所在公用通信网络类型和网络目前状况、费用参数，以供车联网节点汇聚交通状况智能监测信息时参考。车联网中的节点收到任务分组后记录相关信息，且由路边节点以多跳定向扩散方式转发任务分组，并按如下规则建立泛在互联车联网的逻辑拓扑结构。

（1）车辆节点收到接入节点的任务分组后，记录接入节点信息并启动相关任务，但不转发任务分组。

（2）路边节点收到接入节点的任务分组后，记录接入节点信息并启动相关任务，且转发任务分组。

（3）路边节点收到路边节点转发的任务分组后，若为新收到任务分组，则转发任务分组，不记录接入节点信息；若不是新任务分组，则不作处理。

（4）车辆节点新收到路边节点的任务分组后，记录路边节点信息，转发任务分组。

（5）车辆节点收到车辆节点转发的任务分组后，记录路边节点信息，转发任务分组。

通过按上述规则运行后，即可建立如图3所示的以具有接入公用通信网络功能的路边节点为网关节点的车联自组网拓扑结构，从而通过具有接入能力的路边节点与公用通信网络的互联，建立了如图2所示的泛在互联车联网逻辑拓扑结构。

4.3 交通状况智能感知数据汇聚的智能路由

车辆节点和路边节点感知或转发的交通状况智能监测数据按如下路由规则汇聚到交通状况智能监测中心。

（1）车辆节点以多跳定向扩散的方式在车联自组网内转发。

（2）路边节点根据感知数据或转发数据的业务类型和与其互联的网络性价比情况，决定其转发交通状况感知数据分组的传送方式。若选择直接传入公用通信网络，则以点对点的方式送入公用通信网络；若选择不直接传入公用通信网络，则以多跳定向扩散的方式在车联自组网内转发。

（3）如果车辆节点或路边节点上的交通状况数据分组暂无路由途径，则借助运动车辆节点自身的捎带能力，择机传送或转发。

交通状况智能监测数据智能传送路由示例，如图5所示。

图5 交通状况智能监测数据传送路由

车辆节点V1上的感知数据在其分簇内以多跳定向扩散方式汇聚至其簇首R7；无接入能力的R7将感知数据经R6所在分簇的车辆节点转发至簇首R6；无接入能力的R6将感知数据经R4所在分簇的车辆节点转发至簇首R4；无接入能力的R4将感知数据经R1所在分簇的车辆节点转发至簇首R1；有接入能力的R1与公用通信网络互联，将感知数据接入公用通信网络，由公用通信网络将交通状况智能监测感知数据传至交通状况智能监测中心。

5 结 语

交通状况智能监测信息的传送可能存在多种途径，但不同传送路径的性价比、QoS、实时性等可能不一样，而不同感知数据类型对传送性价比、QoS、实时性等的敏感程度可能各不相同。为优选传送路径，要求车联网节点具有的智能性较强，应具有感知数据业务分类评估、网络性能及性价比评估、网内数据融合等能力，并根据评估结果进行智能路由，以最大化泛在信息传送的性价比。为保证泛在互联车联网的泛在数据融合和智能路由优化的可操作性，各评估项目的评估结果描述方法、路由优化策略、泛在数据融合策略等需要结合具体业务进一步深入研究，这将是后续的工作内容。