車聯(lián)網(wǎng)技術探秘：V2X通信和智能交通系統(tǒng)

　　根據(jù)世界衛(wèi)生組織所提供的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全球每年因車禍而喪生的人數(shù)大約有120萬，受傷的人數(shù)在5000萬左右。在1990年，各類死亡原因當中車禍只排第9位，而有機構預測到2020年，如果汽車交通系統(tǒng)的安全措施沒有顯著的提高，車禍所導致的死亡人數(shù)會升至死亡原因第3位。

　　為了提升交通系統(tǒng)的安全性和智能化，智能交通的系統(tǒng)理念逐漸興起。智能交通可以利用新一代的通信網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)處理能力，提高交通系統(tǒng)的整體效率，降低能量損耗，增加運輸?shù)陌踩捅憬?。近階段，智能交通系統(tǒng)的開發(fā)將主要集中在智能公路交通系統(tǒng)領域，也就是俗稱的車聯(lián)網(wǎng)。

　　應用場景

　　車聯(lián)網(wǎng)有很多應用場景，有些是現(xiàn)在已經(jīng)看到的，有些是預測的。毋庸置疑，提高交通安全是最主要的應用，其中包括：一，車輛當發(fā)現(xiàn)有危險臨近，例如前方有障礙物時，能夠及時提醒其他車輛;二，車輛能夠告知其他車輛自己所行進的方向，以幫助其他車輛的司機做更準確的判斷;三，靠近交叉路口時，向其他車輛提醒;四，駛離高速路時，向其他車輛提示;五，臨時/突然停車的預警;六，車輛變線時的提醒;七，事故匯報;八，汽車司機對路邊行人/騎自行車人的提醒。

　　在交通管理方面，車聯(lián)網(wǎng)可以幫助疏通車流，實時地對擁塞采取有效措施。管理部門可以根據(jù)一些具體的條件靈活地實施交通規(guī)則，例如：可調的時速限制、可變的信號燈周期和燈閃順序、交叉路口自動車流控制、救護車/消防車/警車的開道。

　　在司機輔助方面，智能交通可以提供自動泊車、導航狀態(tài)、路標識別等。對于警察等執(zhí)法部門，車聯(lián)網(wǎng)有助于監(jiān)控、超速提醒、禁區(qū)管理、勒停命令的實施等。通過電子支付的方式，車聯(lián)網(wǎng)使過路費/停車費的收集更加快捷方便，從一定程度上減輕車流的擁塞，減少收費站附近常發(fā)生的低速追尾事故。

　　隨著汽車電子突飛猛進的發(fā)展，車輛本身的運算能力也有長足的提高，只要車聯(lián)網(wǎng)能提供充足大量的路況信息，根據(jù)車上的電子地圖和以往的數(shù)據(jù)，車子自身系統(tǒng)可以通過復雜的優(yōu)化算法，規(guī)劃出最佳的路徑，某些情況下還能實現(xiàn)在高速公路上的自動駕駛。例如一個大貨車隊，只有最前方的車里有駕駛員，后面的貨車里只有若干傳感器和通信器與第一輛車聯(lián)系，及時更新信息，順應路況，實現(xiàn)合理駕駛。

　　技術方向

　　V2V，或者拓展到V2X，指的是汽車車輛之間，或者汽車與路邊行人/騎車者的通信系統(tǒng)。這類系統(tǒng)就是所謂的車輛臨時網(wǎng)絡(Vehicular Ad-hoc Networks， VANETs)，它屬于一種移動臨時網(wǎng)絡(Mobile Ad-hoc Networks， MANETs)。在這個網(wǎng)絡中，每一輛入網(wǎng)的車可以成為一個網(wǎng)絡節(jié)點，具有移動性。每個節(jié)點與其他節(jié)點協(xié)同，減少盲區(qū)，避免事故。

　　目前，車聯(lián)網(wǎng)中最重要的目的是提高交通安全，其需求集中體現(xiàn)在：一，低時延，端到端時延在5ms以內;二，高可靠，誤包率在99.999%以下，而且能在車輛發(fā)生擁塞，大量節(jié)點共享有限頻譜資源時，仍能夠保證傳輸?shù)目煽啃?三，可能需要支持高速移動，考慮到汽車之間的相對移動，最高相對時速可達500km/h;四，傳輸數(shù)據(jù)包至少能承載1600字節(jié)的信息數(shù)據(jù)。

　　車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展是跨行業(yè)的，涉及的技術眾多，在這里我們著重介紹與無線通信及系統(tǒng)密切相關的，分別從物理層和網(wǎng)絡層入手。

　　已有的技術

　　當前，由IEEE 802.11p和IEEE 1609組成的協(xié)議框架能夠完成車聯(lián)網(wǎng)的一些最基本的功能。IEEE802.11p是IEEE 802.11系列的一個版本，可謂專門為車聯(lián)網(wǎng)而“定制”。這樣，WiFi的關鍵技術IEEE802.11技術正通過802.11p拓展到車聯(lián)網(wǎng)的V2X應用上。IEEE802.11p傳承了WiFi大部分的物理幀結構設計，包括OFDM發(fā)射，以及基本媒體接入控制(MAC)層協(xié)議，目前支持5MHz/10MHz/20MHz的帶寬，在美國的頻段是5850MHz~5925MHz，工作帶寬均為10MHz，共支持7個，其中2個只能由公共安全部門所使用。相比一般的蜂窩網(wǎng)絡，IEEE802.11p所能覆蓋的半徑并不大，在500m以內，因而被稱為短距離通信(DSRC)技術。同時IEEE802.11p協(xié)議中引入了時鐘廣播和增強的信道抑制技術，以加強車聯(lián)網(wǎng)的物理層。其中時鐘廣播技術可以幫助節(jié)點與公共的時間參考保持同步;而信道抑制目的是提高接收器對5GHz左右的帶外干擾的抵抗能力。

　　由于車輛的快速移動性，車輛與路邊的網(wǎng)絡基礎設施所組成的通信鏈路也都是臨時性的，即只在很短的時間之內存在。所以這個鏈路必須在極短的時間建立連接，發(fā)送數(shù)據(jù)。而IEEE802.11技術中的那些繁瑣的連接認證過程耗時過長，難以使用在車聯(lián)網(wǎng)。為此，IEEE 1609填補了高層協(xié)議的空白，形成一套完整的協(xié)議棧。IEEE1609包括4個子協(xié)議，其中IEEE1609.1定義了資源管理，將遠端的應用層與當前的車輛聯(lián)系起來;IEEE1609.2為應用層和管理信息提供安全服務;IEEE1609.3是IEEE802.11p的網(wǎng)絡層;總體上，IEEE1609.4可以處理多信道通信。

　　除了近距離通信使用IEEE802.11p，適用于更遠距離的通信技術，如WiMAX(IEEE 802.16)、GSM或者3G/4G，都曾被考慮作為潛在的車聯(lián)網(wǎng)技術。但是這些技術都需要廣泛而耗資的基礎網(wǎng)絡部署以及針對車聯(lián)網(wǎng)具體需求的技術改進。

　　車聯(lián)網(wǎng)下層網(wǎng)絡中，節(jié)點主要分為兩大類：車載單元(Vehicular on-board unit)和路邊單元(road-side unit)。路邊單元如同WiFi網(wǎng)絡中的錨點，提供與基礎網(wǎng)絡的通信。如果需要，路邊單元有責任為車載單元分配傳輸信道。路邊單元需要周期性地在控制信道發(fā)射“信標”(beacon)信號，以便車載單元監(jiān)聽識別。這個過程和物理層信號與WiFi的有一些不同。另外還有一種比較特殊的節(jié)點，一般置于應急場景中的警察、消防或急救車輛上，他們盡管是車載單元，但也具備路邊單元的許多功能。