車聯網技術探秘：V2X通信和智能交通系統

　　根據世界衛生組織所提供的統計數據，全球每年因車禍而喪生的人數大約有120萬，受傷的人數在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，如果汽車交通系統的安全措施沒有顯著的提高，車禍所導致的死亡人數會升至死亡原因第3位。

　　為了提升交通系統的安全性和智能化，智能交通的系統理念逐漸興起。智能交通可以利用新一代的通信網絡和數據處理能力，提高交通系統的整體效率，降低能量損耗，增加運輸的安全和便捷。近階段，智能交通系統的開發將主要集中在智能公路交通系統領域，也就是俗稱的車聯網。

　　應用場景

　　車聯網有很多應用場景，有些是現在已經看到的，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，車輛當發現有危險臨近，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，車聯網可以幫助疏通車流，實時地對擁塞采取有效措施。管理部門可以根據一些具體的條件靈活地實施交通規則，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、路標識別等。對于警察等執法部門，車聯網有助于監控、超速提醒、禁區管理、勒停命令的實施等。通過電子支付的方式，車聯網使過路費/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生的低速追尾事故。

　　隨著汽車電子突飛猛進的發展，車輛本身的運算能力也有長足的提高，只要車聯網能提供充足大量的路況信息，根據車上的電子地圖和以往的數據，車子自身系統可以通過復雜的優化算法，規劃出最佳的路徑，某些情況下還能實現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系，及時更新信息，順應路況，實現合理駕駛。

　　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。這類系統就是所謂的車輛臨時網絡(Vehicular Ad-hoc Networks， VANETs)，它屬于一種移動臨時網絡(Mobile Ad-hoc Networks， MANETs)。在這個網絡中，每一輛入網的車可以成為一個網絡節點，具有移動性。每個節點與其他節點協同，減少盲區，避免事故。

　　目前，車聯網中最重要的目的是提高交通安全，其需求集中體現在：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，而且能在車輛發生擁塞，大量節點共享有限頻譜資源時，仍能夠保證傳輸的可靠性;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，傳輸數據包至少能承載1600字節的信息數據。

　　車聯網的發展是跨行業的，涉及的技術眾多，在這里我們著重介紹與無線通信及系統密切相關的，分別從物理層和網絡層入手。

　　已有的技術

　　當前，由IEEE 802.11p和IEEE 1609組成的協議框架能夠完成車聯網的一些最基本的功能。IEEE802.11p是IEEE 802.11系列的一個版本，可謂專門為車聯網而“定制”。這樣，WiFi的關鍵技術IEEE802.11技術正通過802.11p拓展到車聯網的V2X應用上。IEEE802.11p傳承了WiFi大部分的物理幀結構設計，包括OFDM發射，以及基本媒體接入控制(MAC)層協議，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協議中引入了時鐘廣播和增強的信道抑制技術，以加強車聯網的物理層。其中時鐘廣播技術可以幫助節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，發送數據。而IEEE802.11技術中的那些繁瑣的連接認證過程耗時過長，難以使用在車聯網。為此，IEEE 1609填補了高層協議的空白，形成一套完整的協議棧。IEEE1609包括4個子協議，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網技術。但是這些技術都需要廣泛而耗資的基礎網絡部署以及針對車聯網具體需求的技術改進。

　　車聯網下層網絡中，節點主要分為兩大類：車載單元(Vehicular on-board unit)和路邊單元(road-side unit)。路邊單元如同WiFi網絡中的錨點，提供與基礎網絡的通信。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射“信標”(beacon)信號，以便車載單元監聽識別。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。