車載物聯網是一個具有巨大發展潛力的新興領域。它能夠使人們的日常生活更緊密地與計算機技術和網際網路技術相結合，增強交通安全，提高城市交通效率，以及提供各種與位置相關的資訊服務。
工具/原料
1車載物聯網概念
2車載物聯網無線通訊技術
3車載物聯網面臨的挑戰
4車載物聯網中的資訊傳播
5車載物聯網應用案例
6 結束語
步驟/方法
1車載物聯網概念
車載物聯網是一項新興技術，可以大幅提高未來交通系統的安全和效率，並將車輛連線到計算機網路。車載物聯網能夠在行駛中的車輛之間建立無線通訊，也能夠在過路車輛和路邊基站之間建立無線通訊。利用多跳轉發的方式，車載網路能夠讓兩個在訊號範圍之外的車輛也建立通訊連線。車載網路將成為未來智慧交通系統的重要組成部分。
當前的智慧交通系統嚴重依賴於預先部署的基礎設施。例如，嵌入路面的電磁感應器，部署在主要道路交叉口的交通攝像頭，高速公路收費口安裝的射頻標籤(RFID)讀取器。通常，一個收集和釋出交通訊息的典型過程如下：首先，路面感測器對車流的速度、密度進行檢測，然後上傳到城市交通中心。經過資料處理之後，流量報告可以通過蜂窩網路傳遞到使用者的手機。這樣來傳播與位置相關的資訊是一個昂貴和低效的方式，因為通常資訊源和資訊消費者的實際距離只有幾百米遠。
車載網路的短距離通訊能力將會改變這種傳統的智慧交通系統的通訊模式，以更直接的方式幫助資訊的產生、傳播和消費。
本質上車載物聯網是一個巨大的無線感測器網路。每一輛汽車都可以被視為一個超級感測器節點。通常一輛汽車裝備有內部和外部溫度計、亮度感測器、一個或多個攝像頭、麥克風、超聲波雷達，以及許多其他裝備。此外，未來的汽車將配備一個車載計算機、GPS定位儀和無線收發裝置。這使得汽車之間，以及汽車和路邊基站之間能夠無線通訊。這種前所未有的無線感測器網路擴充套件了計算機系統對整個世界的感知與控制能力，並可以讓資訊在本地產生和共享，不必涉及龐大的基礎設施。
未來的汽車和車載網路為人們提供了一系列應用。車載網路的應用可分為4個類別。
(1)安全應用：安全應用包括碰撞預警、電子路牌、紅綠燈警告、網上車輛診斷、道路溼滑檢測等。通常這類應用利用短距離通訊實時性的特點來為司機提供即時警告。
(2)效率應用：效率應用包括城市交通管理、交通擁塞檢測、路徑規劃、公路收費、公共交通管理等。這類應用致力於改善公眾和個人的出行效率。
(3)商業應用：商業應用包括基於位置的服務，將帶給人們巨大的商機。這些商業應用的種類繁多，如，最近的餐館、最便宜的加油站、商場促銷資訊等。這些可能的商業應用將為服務業帶來新的競爭手段。
(4)資訊娛樂應用：資訊娛樂應用包括視訊和音樂共享、基於位置的餐廳評論、拼車、社交網路等。實際上，資訊娛樂的一些應用，如福特SYNC[1]和起亞UVO，已成為當前汽車市場的一個引人注目的亮點。資訊娛樂系統的網路化將是必然趨勢。
在車載網路的發展過程中，有4類參與者將起到積極的作用。4類參與者為政府、汽車製造商、本地零售商和消費者。傳統智慧交通系統由各國政府主導進行投資和實施，其他少數幾個地理資訊系統(GIS)公司，如谷歌、Garmin、TomTom等公司也參與了交通訊息的採集和釋出。然而，未來的車載網路將吸引更多的參與者，並使他們從車載網路中獲取巨大的商業利潤。首先，汽車製造商將很樂於開發裝備車載網路的汽車，這將增強汽車的安全性，並提供更豐富的車內娛樂系統，從而進一步提高其汽車的競爭力。汽車電子化是一種必然趨勢，安全系統和資訊娛樂系統的電子化是程序的兩個主要方面。福特SYNC車載資訊娛樂系統是一個非常成功的例子。其次，本地零售商及服務商也將非常感興趣，車載網路將十分方便地傳播他們的促銷資訊以及推廣他們的服務。車載網路會帶來激烈的商業競爭。最後，毫無疑問，這些增強的安全性、提高的效率、價廉物美的商品、豐富的娛樂應用等將吸引更多的消費者，並使他們成為最終受益人。
2車載物聯網無線通訊技術
無線個人區域網(WPAN)在消費電子產品(包括汽車電子產品)領域取得了巨大成功。福特的SYNC是一個很好的例子。它通過藍芽技術將司機的手機連線到汽車的音響系統，因而司機可以在行駛中通過語音命令播放音樂或撥打電話。由於大規模生產降低了成本，802.11a/b/g無線區域網技術已經被廣泛使用。雖然802.11a/b/g最初不是針對車載環境而設計的，但由於其被廣泛使用帶來的優勢，許多研究人員在車載環境中進行了實驗，如文獻[2-4]對802.11a/b/g在車載環境中的應用進行了一系列實驗。802.11p和專用短程通訊(DSRC)標準對802.11標準進行了擴充，以使其能夠適應車載環境的無線通訊[5-6]。802.11p技術使用5.9GHz頻段，能夠在移動的車輛之間，以及移動車輛和路邊基站之間建立短距離無線通訊。無線都會網路(WMAN)，也稱為WiMAX(即IEEE802.16)，是另一項新興技術。無線都會網路能夠以不同的方式提供長距離傳輸，例如，兩個固定位置的節點之間的通訊，以及類似於蜂窩系統的移動節點通訊。然而，目前為止，最常見的車載通訊技術還基於蜂窩網路，通常稱之為汽車遠端資訊處理。通用汽車的OnStar系統[7]和福特的RESCU系統都基於這一類技術。一些地理資訊系統公司，如TomTom和Garmin等，也使用蜂窩網路來傳輸實時交通訊息。通常情況下，基於蜂窩的遠端資訊處理是一種基於使用者訂閱的有償服務。
本文認為在不久的將來車載通訊將建立於一種混合式的架構，如圖1所示。在這種混合架構中，長距離通訊技術，如蜂窩網路和WiMAX，能夠為人們提供即時的網際網路接入；而短距離通訊技術，如DSRC、Wi-Fi(即802.11a/b/g)，則能夠為安全系統提供實時響應的保障以及為基於位置的資訊服務提供有效支援。
本文認為車載自組織網路(VANET)將在未來智慧交通系統中發揮重要作用。車載自組織網路依靠短距離通訊技術實現車與車以及車與路邊基站之間的通訊。與傳統的基礎設施網路相比，車載自組織網路有兩個主要優勢：首先，車載自組織網路具有成本低、容易部署和操作的優勢。消費者無需訂閱即可享受服務。其次，從技術角度來看，智慧交通系統中傳播的很多資訊有很強的位置相關性，車載自組織網路能夠很方便地為臨近車輛建立實時或者非實時的短距離通訊。
3車載物聯網面臨的挑戰
車載網路所獨有的特性給人們提來了前所未有的挑戰，然而，與此同時，這些特性也使人們能夠從與以往不同的角度去思考和解決問題。
車載網路分3層：鏈路層、網路層和應用層。各網路協議層面臨不同的挑戰。
3.1鏈路層面臨的挑戰
在鏈路層，面臨的主要挑戰是如何使鏈路層協議適應獨特的車輛執行環境，使鏈路層獲得最佳效能。鏈路層協議包括3個主要設計目標：響應能力、可靠性和可擴充套件性。首先，鏈路層協議需要能夠對通道條件和車輛的移動性快速響應，同時協議的可靠性和可擴充套件性對與安全相關的應用也起著重要的作用。一些傳統的鏈路層協議的設計方法，如無線接入點(AP)握手、媒體訪問控制(MAC)層超時管理、地址解析協議(ARP)超時等，在高速移動的車載環境中已顯示出低下的效能。這些傳統的設計方法通常會導致增加的啟動延時、未充分利用的頻寬，以及頻寬的不公平分配。
實際上，可擴充套件性和可靠性在一定程度上互相影響，互相作用。可靠廣播技術也是重要的研究問題之一。目前的可靠廣播技術一般包括重複廣播、合作式傳遞、發射功率自適應等。可靠性和可擴充套件性仍然值得進一步深入研究，特別是針對車輛安全系統的應用，因為終端使用者對車輛安全系統要求很高。
3.2網路層面臨的挑戰
在網路層，面臨的主要挑戰是建立一個新的路由模式，以促進車載網路的資訊傳播。在過去10年中，無線自組織網路方面得到廣泛研究。特別是，研究人員為車載網路提出了許多具有環境自適應能力的路由協議，如MDDV[8]和VADD[9]。這些協議利用車輛的移動性，通過GPS定位技術、數字地圖技術，在車載網路環境中提高資料包的轉發效能。從本質上講，這些協議都是針對以資料包為基本單位而設計。資料包在從源到目的地的整個轉發過程中都保持不變。然而，這種基於分組轉發的模式已不能適應以資訊為中心的應用需求。首先，對於某些應用轉發路由沒有明確的資料來源和目的地。資訊由某些節點共同產生，然後傳遞給另一些節點。其次，資訊在傳遞的過程中會被修改。如在交通阻塞的檢測中，每部車都能產生交通擁塞報告，而這個報告可以和其他臨近的車輛產生的報告相融合。所有向擁塞地點行駛的車輛是這些報告的接收者。在這類應用中，人們事先並不知道什麼時間、什麼地點、哪些車輛會產生報告，人們也不知道誰會成為接收者。有一些基於分組轉發的路由協議，例如多播技術和基於位置的廣播技術，能夠部分解決這類應用的需求。然而，從本質上講，人們需要一個新的路由模式，能夠為以資訊為中心的資料傳輸提供支援，這個模式將能夠有助於資訊的產生，融合，傳播和刪除。
3.3應用層面臨的挑戰
在應用層，人們所面臨的主要挑戰是如何效地表示、發現、儲存和更新整個網路的資訊。
命名和定址是車載網路的核心問題。如何有效地將真實世界的資訊建立索引，以方便資訊儲存和傳播，是一個有待研究的問題。本文認為定址將採用混合型、多層次的方案，真實世界的環境資訊將起重要作用。命名和定址政策對系統中的其他協議，如路由和資訊發現有重大影響。由於車輛的高移動性，另一個挑戰是如何動態地將車輛的標籤(ID)對映到基於位置的地址，如在基於位置的廣播中，人們需要知道在某一區域內的所有車輛列表。這個問題對於整個混合網路體系都有非常重要的影響。本文認為可以在車輛以及路邊基站上實現類似地址解析協議/反向地址解析協議(ARP/RARP)來幫助解決這個問題。
分散式資料管理是另一個車載網路中具有挑戰性的問題。它包括資料複製、資料刪除、快取管理等一系列問題。傳統的分散式資料管理假定在地理上分散的多臺伺服器連線在同一網路，這在車載自組織網路中不再成立。從本質上講，人們可以把車載網路看作一個巨大的分散式資料庫系統，其中每個車輛維護一個本地的資料庫。車和車間不定期交換資料，從而逐步更新全域性資料庫系統。從全域性的角度來說，不一致性不可避免。為此，一個研究問題是如何以最小的開銷來維護一個相對一致的分散式資料庫。
4車載物聯網中的資訊傳播
本文認為車載網路是一個以資訊為中心的分散式系統，資訊在網路的不同位置生成、收集和釋出。人們可以把資訊傳播分為兩個不同的層次：巨集觀資訊傳播和微觀資訊傳播。以資訊為中心來發現系統需求十分重要。表1列出了巨集觀和微觀層次上主要的研究課題和及其代表性的工作。
4.1巨集觀資訊傳播
巨集觀資訊傳播指在一個特定的地理區域裡將資訊傳遞給一個或一組節點。資訊傳播的目的地是網路中的特定的單個節點或者一組指定的節點組，甚至可能是一組未知節點。巨集觀資訊傳播的目的是減少資訊傳遞延時，減少傳遞開銷(包括儲存開銷和通訊開銷)，並提高未來查詢的成功率(如果接收節點是事先未知的)。巨集觀資訊傳播的研究課題通常包括資訊路由、資料快取、資料融合等。
資訊傳播可以建立在基礎設施之上，也可以不依賴基礎設施。Jedrzej等[10]提出建立於蜂窩網路基礎設施上的P2P疊加網路。車輛通過蜂窩網路的基礎設施建立到網際網路的可靠連結，然後這些車輛之間可以以P2P疊加網路的方式來實現非安全應用的資訊共享、發現和交換。然而，由於基礎設施提供的服務通常是付費訂閱的方式，這實際上限制了消費者的數量。與基於基礎設施的網路服務相比，相對廉價的自組織網路方案顯得更有吸引力。另一方面，大多數的非安全應用沒有嚴格的實時性要求，因而，當前的一項研究熱點是以容遲的方式來實現車載自組織網路的資訊傳播。研究者提出了一些通用的容遲網路路由協議，如流行性路由[12]。還有一些前攝的辦法，如文獻[13]、文獻[14]利用預知的地理位置、連線模式和可能的運動方向來幫助資訊傳播。一些現有的容遲網路(DTN)路由協議假定一個預定義源和目的地。如Small和Hass的研究[11]建立了監控野生鯨魚的DTN網路。他們在鯨魚的背上安裝一個感測器節點，鯨魚的運動資訊就以容遲的方式一跳一跳地傳遞到接收站。
資料快取和資料融合也是車載自組織網路中熱門的研究方向。Zhao等人[15]使用了定期廣播和緩衝的方法從資料中心分發資訊到車載自組織網路。根本上來說，它是一個從資料中心到車輛的單向資訊傳播。Lochert等人[21]提出了一個層次性的資料融合方案。該方案定義了一組地標來幫助計算旅行時間。他們還提出了一個路邊基站的部署演算法來優化資訊融合。
在車載自組織網路中，資訊的傳播、快取和融合都有過相應的研究。然而，在車載自組織網路中，大多數型別的資訊中並不包括任何目標車輛的先驗知識，因而容遲的資料傳播、資料查詢、資料快取以及資料融合密切地聯絡在了一起。任何車輛可能會產生併發出一個查詢，且希望其臨近車輛能儘快響應。
傳統的包路由已不能適應以資訊為中心的應用，人們需要建立一個全新資訊路由模式。首先，需要定義資訊路由的目的地。對大多數人而言，傳播的目的地是一個虛擬的概念。它受時間、空間和車輛的限制。換句話說，目的地包括的是所有滿足當時時空條件的車輛。有兩個基本的資訊傳播模式：拉(Pull)模式和推(Push)模式。拉是指一輛車定期廣播它感興趣的查詢，並從鄰居車輛中獲取資料。推模式是指車輛有目的地把資訊推入周邊的車輛，使得對此資訊感興趣的使用者可以更方便地得到這些資訊。在車載網路技術市場化的初級階段，只有較少比例的車輛具備車載通訊能力，通訊僅限於一跳，因此推模式更為重要。當制訂推模式的策略時，人們必須考慮到資料快取和融合的潛在影響。人們可以利用啟發式的周邊資訊(如行駛方向、速度、經常光顧的地方等)或社交網路資訊來預測和控制傳播。
4.2微觀資訊傳播
微觀資訊傳播指涉及一跳或者幾跳的區域性資訊傳遞。在車載網路技術市場化的初級階段，車輛很少有機會遇到其他車輛或路邊基站。所以，提高兩車相遇時資訊傳播的效率十分重要。
最近的一些研究關注於車載環境中的單跳通訊效能。Bychkovsky等人[3]研究了在公共Wi-Fi無線網路中提高單跳通訊的資料吞吐量的技術。他們進行了一系列的實地測試來調查在MAC握手、獲取IP地址、建立IP路由等時候可能的效能損失。Hadaller等人[4]進行了以802.11協議為基礎的單跳通訊的實驗，並提供了詳細的實驗分析。通過實驗，他們發現了一些現有無線訪問機制在資料吞吐量方面低效的根本原因。以上這些工作從底層協議(物理層、MAC地址、路由)的角度來分析和改進鏈路吞吐量。
微觀資訊傳播也涉及區域性多跳通訊。一般來說，本地多跳通訊的主要任務是協調本地車輛並幫助資訊沿預定方向傳播。VADD[9]是一種利用車流模式和道路拓撲來找到傳遞資料包的最優道路的轉發協議。MDDV[8]利用車輛的流動性來幫助資訊傳播。MDDV使周邊的車輛協作轉發資料包，以此來提高資料包轉發的可靠性。Zhao等人[18]研究瞭如何以路邊基站作為中繼的方式來提高吞吐量。
由於兩車相遇時有效通訊時間短暫，有效的通道資源管理是一個是十分重要的問題。Chang等人[19]提出了一種從路邊基站到過往車輛的下行排程演算法。Zhang等人[20]提出了另一種同時考慮上行和下行請求的排程演算法。Yu等人[17]研究了在路邊基站負載接近超負荷的情況下的請求許可控制問題。這些研究從不同的資源分配角度提高了路邊基站的訪問效率。
通常，微觀資訊傳播的主要挑戰在於如何把下層條件(車輛移動性、無線通道、相對位置)和上層應用的需求聯絡在一起。從上層的角度來看，容遲網路的應用可以容忍一定的資訊延遲和誤差。從底層的角度來看，移動性、通道和車輛位置卻可能在很短的時間內大幅變化。現有的工作研究了不同的網路通訊協議下的單跳問題，然而，仍然缺少一個上層和下層之間的有效聯絡。這種聯絡可以使人們能夠利用底層的苛刻條件，而不是受其限制。
當人們設計微觀資訊傳播協議時，可以重點關注3個方面的問題：
(1)應用需求：容遲網路的應用不一定需要一個可靠的連結，但是他們卻需要根據資料傳輸的重要性來安排資料的優先性。人們還希望能夠設定一個在傳播的過程中允許的資訊丟失程度閾值。
(2)資源管理：主要問題包括如何排程低層資源(例如傳輸通道、傳輸速率等)，如何排程上層任務，如何分配資源以確保公平等。
(3)協作：人們可以利用多工排程、轉發、中繼、多方網路編碼等不同的技術來幫助在訊號範圍內各車輛的互相協作，提高整體效能。
5車載物聯網應用案例
FleetNet[22]是一個由歐洲多個汽車公司、電子公司和大學的合作專案，合作者包括NEC公司、DaimlerChrysler公司、Siemens公司和Mannheim大學。該專案利用無線多跳自組織網路技術實現無線車載通訊，能夠有效提高司機和乘客的安全性和舒適性。FleetNet的設計目標包括實現近距離多跳資訊傳播以及為司機和乘客提供位置相關的資訊服務。在該專案中，位置資訊起著重要的作用，一方面它本身是FleetNet一些應用的基本需求，另一方面它也能使得通訊協議更有效地運作。NEC歐洲實驗室和Mannheim大學為車載網路設計了基於位置的路由和轉發演算法，然後基於該演算法實現了一個基於位置的車-車通訊路由器。研究人員建立了一個由6輛車組成的實驗網路，其中每輛車裝備了一個GPS接收器、一個802.11無線網絡卡，以及一個車-車通訊路由器。另外，每輛車還裝備了一個GPRS介面，這樣可以實現對自組織網路中的每輛車進行實時監控。
CarTalk[23]是一個歐洲的司機輔助系統研究專案。該專案利用車-車通訊技術為移動中的車輛建立一個移動自組織網路，來幫助增強道路系統的安全性。例如，當一個車輛剎車的時候或者檢測到危險的道路狀況的時候，它會給後方車輛傳送一個警告訊息。即使在前方有其他車輛遮擋的情況下，後方車輛也能夠儘早得到警告。這個系統同時也能夠幫助車輛更安全地駛入高速公路和駛離高速公路。
CaliforniaPath[24]是加州大學伯克利分校的一個關於智慧交通系統的綜合性研究專案。該專案始建於1986年，主要由伯克利分校的交通研究學院負責管理，同時也和加州交通部有密切合作。CaliforniaPath致力於運用前沿技術解決和優化加州道路系統存在的問題，其主要關注於3個方面的研究：
(1)交通系統運籌學研究：其研究方向包括車流管理、旅行者資訊管理、監控系統、資料處理演算法、資料融合和分析等。
(2)交通安全研究：研究內容包括十字路口協同安全系統研究、司機行為建模、工人與行人相關的安全研究等。
(3)新概念應用研究：該研究致力於發現、驗證在公共交通系統中的新概念和方法，幫助減少交通系統的阻塞，提高公共交通的出行效率。
MITCarTel[25]是麻省理工學院的一個分散式移動感測器網路和遠端通訊系統。CarTel的應用能夠收集、處理、傳遞、分析和視覺化來自手機或者車輛的感測器資料。在該專案中，一個小型嵌入式計算機能讀取一系列不同的感測器資料，對資料進行處理，然後將處理後的資料傳送給一個Internet伺服器。伺服器進一步對資料進行分析，然後提供給終端使用者多種不同的服務。整個系統的框架包括進行感測器資料採集的硬體和軟體、在車輛之間資料傳遞的網路、能夠容忍網路連線中斷的資料庫查詢系統、為基於位置的服務設計的隱私協議、車流預測模型系統以及道路表面狀況監測系統。
美國政府與工業界也積極參加到車載物聯網的研發中。車輛基礎設施整合計劃(VehicleInfrastructureIntegration)致力於利用無線通訊技術使行駛中的車輛更緊密地與周圍的環境相聯絡，從而提高交通系統的安全性。該計劃的主要參與者包括美國交通部、加州交通部以及戴姆勒、福特、通用等汽車公司。該計劃的參與者在加州101公路和密歇根Novi市部署了數十個路邊基站，用於測試汽車與路邊基站的通訊能力。在通用公司展示的車載安全系統中，車輛通過DSRC無線技術實時監控周圍車輛的位置、速度與方向，一旦發生緊急情況，車輛通過聲、光訊號警告司機。最近，由美國交通部主導的IntelliDrive專案[26]致力於在個人移動裝置(如手機和PDA)、車輛以及路邊基站之間建立安全、靈活的無線通訊，使道路交通系統更安全、更智慧和更環保。美國交通部目標在2013年前對現有的無線通訊技術進行測試和評估，以幫助落實未來交通系統的決策與實施。
6 結束語
車載物聯網是一個具有巨大發展潛力的新興領域。它能夠使人們的日常生活更緊密地與計算機技術和網際網路技術相結合，增強交通安全，提高城市交通效率，以及提供各種與位置相關的資訊服務。近些年，車載物聯網已經得到了學術界、工業界以及政府部門的高度重視，相關的工業、技術標準已提上制訂日程。然而，針對不同的應用和不同的環境，仍然有很多尚未妥善解決的問題。人們相信，在車載物聯網領域，會看到更多更深入的研究，同時車載物聯網技術將能夠很快走出實驗室，投入實際應用。