无线通信技术在车联网中的应用探讨

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　　2008年全球金融危机爆发之后，为了促进科技发展，寻找经济新的增长点，各国政府开始重视下一代的技术规划，物联网成为学术界和业界关注的热点之一。物联网的概念很大，而且覆盖面非常广，经过数年的研究和发展，可以看到，真正能够实现其应用的主要体现在智能交通领域，车联网的概念由此应运而生，并被广泛地研究和讨论。车联网作为物联网的重要组成部分，其架构基本相似，重点在于上层的应用、下层的感知以及中间的信息传输。车联网的主要信息节点就是车，它的移动性决定了各种无线通信技术能否实现的关键。本文拟就对无线通信技术在车联网中的应用作初步探讨。

　　1 车联网的概念

　　车联网是指利用先进传感技术、网络技术、计算技术、控制技术、智能技术，对道路和交通进行全面感知，实现多个系统间大范围、大容量数据的交互，解决人、车辆、路、站场之间的协同问题，以提供交通效率和交通安全为主的网络与应用。

　　无论是感知层的RFID、GPS，还是网络层的3G网络，无线通信技术是车联网应用实现的基础。

　　2 车联网的主要特点

　　(1)连接对象的移动性。现在互联网和移动通信网络连接的对象是人，主要提供人与人之间的信息交流。而车联网连接的主要对象是车，要实现的是车与车、车与路、车与站场、车与综合信息平台的连接，就必须保证车辆在高速移动情况下通信链路和传输速率的稳定。

　　(2)对信息传输安全性和网络可靠性有更高的要求。由于车辆涉及到交通安全(如防碰撞报警、高危车辆查控等)，因此车联网中的关于车辆和道路信息传输的安全性是至关重要的。车联网中通信节点数量庞大，而且一般是以集群的方式出现，大量的实时数据的交互对网络的可靠性提出了更高的要求。

　　3 无线通信技术在车联网中的应用

　　车联网目前还处在不断演进的阶段，各种应用相对独立，不能完全体现车联网的特性，只能反映车联网发展的一个趋势。如专用短程通信技术DSRC用于车辆的识别，GPS全球定位技术用于获取车辆行驶位置的数据，3G无线传输技术用于信息的传输和共享，数字广播用于发布动态交通信息等。其中RFID射频识别技术是其中的关键。

　　RFID技术又称电子标签、无线射频识别，是一种无线通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据。车作为车联网中的信息节点，要实现与路、站场的信息交互，必须要有一个身份标识，而RFID技术是目前解决该问题最为成熟和经济的手段。在车辆上安装电子标签，可以实现道桥、停车场自动收费，结合道路上安装的RFID天线可以实现动态交通信息采集，如车辆的流量、流速等[2]。目前国内应用最为广泛的是道桥和站场的自动收费，如广东高速联网收费系统、武汉路桥ETC收费系统，以及在建的武汉智能停车综合管理系统，都是以射频识别技术为基础的。国外也有类似的应用，如美国的“智能车辆公路系统”(IVHS)技术，它是在全国公路安装智能传感器，以减少车辆被迫停车的次数建立车联网系统为目标。智能传感器的目标是取消车辆收费亭，汽车通过看不见的边界时，收费装置会从司机的银行帐户中自动扣除费用。

　　智能传感器也能对运行中的卡车进行称重，并能实现电脑化货物检查。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。

　　国内相关厂商积极开发的基于3G网络和GPS的车载终端和配套的系统平台也成为车联网应用的一个亮点。该应用主要是通过GPS定位和车载传感器获取车辆位置和车辆状况数据，再通过3G网络发送到管理平台，对数据进行分析之后反馈给信息需求方。该应用将现有的技术做了一定的融合，实现的是车与人，车与平台的通信，主要用于一些特殊车辆，如工程车辆、轿车、大型客车等。但3G网络在高速移动下通信链路的稳定性和传输速率成为制约这些应用进一步发展的因素，如信息的实时性、大规模车辆参与通信造成的接入和速率问题等。

　　4 无线通信技术在车联网中的应用展望

　　从技术的角度而言，现阶段车联网可以建立一种混合式的架构，在这种混合架构中，长距离通信技术，如蜂窝网络和WiMAX，能够为人们提供即时的互联网接入；而短距离通信技术，如DSRC、Wi-Fi，则能够为安全系统提供实时响应的保障以及为基于位置的信息服务提供有效支持；同时可以融合GPS技术，对车辆进行精确定位，在一定程度上可以满足车联网的基本应用。

　　在未来为了更好地实现车与路、车与车之间的通信，车载自组织网络(VANET)将发挥重要作用。车载自组织网络是一种特殊的自组织网络，是以车辆和道路基础设施为信息节点，在一定范围内自动组织形成的结构开放的通信网络，它具有网络拓扑变化快速频繁、路径寿命短等特点。利用车载自组织网络，车辆可以及时地获取附近行驶车辆的相关数据，如相对车速、距离、位置、加速度等信息，同时将自身的信息发送给其他车辆，并随着车辆行进位置以及周围车辆的变化不断地变更网络拓扑结构，实时更新信息，对周边突发事件进行措施预判，从而实现车辆的辅助驾驶、自动驾驶、防追尾等应用。例如在发生拥堵的路段，车辆会产生拥塞报告，提示前方拥堵，并通过车与车间的通信，告知本车车后一定范围内(1000m)的车辆，本车的位置、速度等信息，提示车辆前方拥堵、注意减速等。

　　不论是车与车通信还是车与路通信，无线通信网络都会受限于车辆高速移动造成的快速变换的网络拓扑和质量不稳定的无线信道，可靠性无法得到保障。因此设计高效的路由算法，对原有无线通信协议的物理层和MAC层标准进行改进成为车载自组织网络研究的重点。目前车载自组织网络作为将来车联网实现的重要手段，还处于开发研究阶段，主要涉及物理层、MAC层和路由协议、传输控制、网络安全等方面的研究相对薄弱，还有待进行更深入的研究从信息的角度来讲，宏观的信息如动态交通信息、静态交通信息这样由车辆集群所构成的信息，还有相关的商业信息如餐馆、加油站位置等，以及娱乐信息如音视频等，是可以利用现有的DSRC专用短程通信技术和蜂窝网络技术即3G来实现的。随着无线通信技术的发展，这类信息的传输交互可以通过LTE技术更好地实现，长期演进项目是3G的演进，可以实现在20MHz频谱带宽提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率；降低系统延迟，用户平面内部单向传输时延低于5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms；支持100km半径的小区覆盖；能够为350km/h高速移动用户提供>100kbit/s的接入服务。

　　而安全信息，如防碰撞信息、红绿灯告警、道路湿滑告警、自动驾驶控制信息等，涉及到车联网的核心―――车与路的通信以及车与车的通信则通过车载自组织网络来实现，可以替代目前信息采集-处理-转发这样一种昂贵且低效的方式，因为通常信息源和信息消费者的实际距离只有几百米远，采用自组织网络的方式可以保证这类信息传输交互的实时性和可靠性。从市场的角度来看，完全撇开现有的无线通信网络为车联网重新组网，存在重复投资、资源浪费等问题，所以车联网的实现应该是现有技术与网络在应用与业务上的发展与融合，通过充分利用现有的无线通信相关技术和系统，可以大大节约车联网的建设成本，促进车联网的快速普及和应用。

　　5 结语

　　物联网已经被视作今后一个主要的经济增长点，而车联网作为物联网的一项核心应用，成为业界和学术界关注的热点。可以看到车联网的实现是逐步的，而无线通信技术作为车联网应用的核心基础也在不断地发展，在这个过程中无线通信技术的发展会推动车联网应用的实现，同时车联网也会促进无线通信技术的创新。所以无线通信技术如何更好地应用到车联网中去，是值得我们深入探讨和研究的重要课题。