车联网网络架构分析

孟 源，柴舒杨，罗正华，雷 霖

(1.成都大学电子信息工程学院，四川成都 610106；2.香港浸会大学理学院，中国香港 999077)

车联网网络架构分析

孟 源1，柴舒杨2，罗正华1，雷 霖1

(1.成都大学电子信息工程学院，四川成都 610106；2.香港浸会大学理学院，中国香港 999077)

利用车联网获取车辆运行参数和道路等交通基础设施使用状况，感知实时道路交通路况，能有效减少交通拥堵，实现绿色出行，并提供丰富的智能交通信息服务.车联网将促进汽车、交通和信息技术产业向更加现代化、网络化和智能化的方向发展.对车联网的现状进行了较为全面的研究，包括车联网的概念、技术优势、信息服务以及网络架构等.

车联网；信息服务；通信类型；网络架构

0 引 言

随着我国经济的快速发展，汽车大众化时代已经快速来临.汽车的增长速度远大于交通基础设施的建设速度，给道路交通带来了极大的压力[1].如何将信息技术、通讯技术、电子传感技术、控制技术及计算机技术等有效地集成运用于整个地面交通管理系统，以缓解交通拥堵，为用户提供安全、舒适的驾驶环境，越来越受到社会的重视.社会信息化和网络化的进程，加快了物联网在各行业的应用，而物联网在智能交通中的应用，即车联网，是解决交通问题的有效途径之一[2].利用装载在车辆上的电子标签，通过无线射频等识别技术，实现网络信息交换，使车与路、车与车、车与人之间的信息互联互通，可对车辆和交通状况进行有效的智能监控[3].目前，国内的车联网产业已经进入高速发展时期，汽车信息服务作为汽车制造业和通信行业的交叉领域，涉及传感器技术、接入技术、信息处理技术、通信技术等相关领域，但从目前国内外研究状况来看，汽车信息服务的总体业务需求还不十分明确，功能定义参差不齐，缺乏统一的标准指导.

1 车联网技术

1.1 车联网技术相关概念

车联网，是指通过装载在车辆上的传感器、电子设备及电子标签提供车辆信息，采用各种通信技术实现车与车、车与人、车与路的互连互通，并在信息网络平台上对信息进行提取、共享等，同时，根据不同的功能需求对车辆进行有效的管控和提供相应信息服务.车联网主要依靠传感技术、电子设备及电子标签等的应用进行信息采集，将车辆的传感器网络和道路的传感器网络互连，通过网络平台将信息传输到车辆的电子控制单元(ECU)进行处理.电子控制单元是汽车专用微机控制器，由微处理器(CPU)、存储器(ROM、RAM)、输入/输出接口(I/O)、模数转换器(A/D)以及整形、驱动等大规模集成电路组成.车载设备是车联网中安装在车辆上，具备计算、存储、输入与输出功能并集成通信模块的人机交互接口，可为驾驶员和乘客提供信息服务及车辆控制的电子设备.

车联网要求网络各节点之间的数据通信实时性强，并具有较高的可靠性和良好的错误检测能力，采用控制器局域网络通信标准.车联网的数据通信采用DeviceNet协议，它是一个简单、廉价而且高效的协议，适用于最低层的现场总线，例如，过程传感器、执行器、阀组、电动机起动器、条形码读取器、变频驱动器、面板显示器、操作员接口和其他控制单元的网络.

1.2 车联网技术优势

交通管理的智能化、现代化，一直是人们追求的目标.随着科技的发展，计算机技术在交通管理中发挥了越来越大的作用，但这些技术只是单纯对车辆或道路实施管理，具有系统性不强的特点.上世纪90年代起，欧美发达国家率先提出智能交通系统(In-telligent Transport System，ITS)解决方案[4].ITS是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电子控制技术以及计算机处理技术等有效地集成运用于整个交通运输管理体系，而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合运输和管理系统.ITS包含车辆及道路上各种交通设施，强化了系统平台通过智能化方式对各类交通环境下的车辆及交通设施的智能化管理和控制[5]，以有效提高交通管控水平.

基于网络平台的车联网是以车辆为中心，通过有线/无线通信技术将车与车、车与路、车与人、车与服务平台连接起来[6].与ITS相比，车联网在集成了其主要功能的基础上，更注重以车辆为中心的网络连接，全面感知车辆信息，使行车过程更舒适、行车效率更高.区别于传统的智能交通系统，车联网应用技术必须对其信息服务、应用范围、业务需求、通信环境及能力、网络架构、网络接口及协议等领域进行研究.

2 车联网信息服务

车联网信息服务主要包括通信服务、道路导航、驾驶辅助、远程监控和资讯娱乐5大类，信息服务的使用者主要为驾驶员及乘客.车联网信息服务整体框架如图1所示.

图1 车联网信息服务整体框架

2.1 感知延伸层

感知延伸层由车辆的ECU和控制器局域网现场总线(CAN-BUS)组成，车载终端与CAN-BUS之间的接口主要实现车辆的ECU与车载终端之间的上下行数据交互.数据上行即是通过CAN-BUS将ECU所采集的各类数据统一汇集、存储到车载终端，车载终端对这些数据进行格式化处理后，通过接口向业务管理平台进行数据上报；数据下行即是业务管理平台向车载终端下发汽车控制指令，车载终端进行格式化转换后，再通过CAN-BUS将控制命令传递给对应的ECU，实现对车辆的控制.

2.2 网络传输层

网络传输层实现:支持业务状态管理与会话管理，包括报文重发机制、连接检测和连接异常处理；支持终端参数配置管理，包括业务管理平台设置车载终端参数、车载终端向业务管理平台请求参数配置、本地人工配置车载终端参数、车载终端参数配置异常处理等；实现终端状态上报，包括终端异常状态上报、业务管理平台向终端实时提取数据上报、终端远程控制执行状态上报、对汽车厂商的不同ECU所采集的不同格式的数据进行适配；支持车载终端与SIM卡的双向安全认证机制，实现2G或3G等通信接入方式 ；支持电路交换 、SMS、USSD、GPRS 、WAP 等方式实现与业务管理平台的语音、数据通信；利用手机的通信模块，通过USB等方式和车载终端互连后，辅助车载终端实现语音和数据传输功能.

2.3 业务层

业务管理平台实现对汽车信息服务的各类基本管理以及汽车信息服务业务和产品的全生命周期的信息维护和管理.对于不同的接入方式，业务管理平台起到接入网关的作用，对上层的应用，屏蔽终端接入的复杂性.业务管理平台可通过操作维护界面进行系统参数的配置修改，实现相应的权限管理.

2.4 应用层

应用层根据不同的用户，提供车联网业务的能力支撑及应用服务.该服务平台提供交通信息、车辆防盗、车辆监控、商务娱乐等业务，车辆通过公共网络接入服务平台获取服务.对电信运营商提供的各类基础通信及增值业务能力，例如视频监控、语音IVR呼叫中心、定位及通信等进行能力封装，提供标准化调用接口，提升汽车信息服务应用系统开发能力.对与汽车信息服务相关的各类专业领域的能力，例如公共资源(城市应急联动系统、数字城管等)、公开信息(交通、停车场、天气预报等)提供统一的接入实现方式，提升汽车信息服务应用开发能力.

3 车联网通信类型

车联网网络由车与车的网络、车与路的网络、车与人的网络、车与服务平台的网络、车内网络组成.通过车联网网络，车辆可获得各种车联网应用，以提高用户的行车安全和效率，缓解城市交通压力，并提供用户各种商务和娱乐平台，使行车过程更智能舒适.车联网通信类型可根据通信对象不同划分为，车与车通信、车与路通信、车与人通信、车与服务平台通信与车内通信.

3.1 车与车通信

车与车通信，是指通过车载终端进行车辆间的通信.车载终端可实时获取周围车辆的车速、车辆位置、行车情况告警等信息，车辆间也可以构成一个互动的平台，实时交换各种文字、图片、音乐和视频等信息等.车与车通信主要应用于避免和减缓交通事故、车辆监督管理、生活娱乐等，同时基于公共网络的车与车通信，还应用于车辆间的语音、视频通话等.

3.2 车与路通信

车与路(包括室外道路和室内道路)通信，是指车辆区域设备与道路区域设备，如红绿灯、交通摄像头、路侧单元等，进行通信，通过道路区域设备获取附近区域的车辆信息并发布实时的各种信息.车与路通信主要应用于实时信息服务、车辆监控管理、不停车收费等.

3.3 车与人通信

车与人通信，是指人使用个人设备，如手机、笔记本电脑等或其他手持设备，如多功能读卡器等与车辆区域的设备进行通信.车与人通信主要应用于智能钥匙、信息服务、车辆信息管理等.

3.4 车与服务平台通信

车与服务平台通信，是指车载终端通过公共网络与远程的服务平台建立连接，实现服务平台与车辆之间的数据交互、存储和处理，提供车辆交通/娱乐/商务服务和车辆管理等.车与服务平台通信主要应用于车辆导航、车辆远程监控、紧急救援、信息娱乐服务等.

3.5 车内通信

车内通信，是指车载终端与车内的传感器和电子控制装置之间相互连接所形成的车身通信网络，用于获取车辆数据并可根据指令对车辆进行控制.车内通信主要应用于车辆检测、车辆系统控制、辅助驾驶等.车内通信的范围覆盖整个车辆内部，是在一个相对静止的环境中所进行的通信，采用的通信技术包括CAN 、LIN、FlexRay、MOST 等.

4 车联网网络架构

车联网是一种包括车与车、车与人、车与路以及车与服务平台的通信网络.其中，车与车、车与路、车与人的通信主要是以局域网络形式进行；车与服务平台的通信是建立在公共网络架构下进行.多种异构网络构成了车联网网络.其网络架构如图2所示.

图2 车联网网络架构示意图

4.1 车载区域

车载区域主要包括车载终端、车载电子标签等电子设备，该区域设备安装或放置在车辆上，通过车载设备，车辆能与道路区域、用户区域设备、服务平台和车身区域进行通信.同时，车载设备还可与个人通讯设备互联互通来完成对外界设备和系统的通信及共享应用.其中，车载终端可集成通信、定位、信息服务等多项功能，具有强大的业务调度和数据处理能力.车载终端除具有通讯、数据存储、人机交互功能外，还具有定位、应用、数据获取与控制功能等.

4.2 车身区域

车身区域主要包括车载传感器及控制车内部件的各种控制单元，如中央门锁控制单元、电动窗控制单元、空调控制单元、组合仪表控制单元等.控制单元通过CAN-BUS总线与车载终端连接，进行数据交互，并根据指令控制车内部件.

4.3 道路区域

道路区域主要包括信息牌、读卡器、摄像机、交通设施以及路侧单元等设备.该区域设备安装在道路周围，采集与发布交通信息，并提供商务及娱乐信息.同时，道路区域设备通过公共网络与服务平台连接.路侧单元是设置在道路边，进行交通信息的收集、分析、发布等的设备，其可与车辆区域设备和道路区域的部分设备进行通信.路侧单元具有通信、应用、管理以及信息发布等功能.

4.4 用户区域

用户区域主要包括手机、电脑、PDA和其他手持设备等.用户区域设备与车辆进行通信，可获取车辆信息并进行控制，也可与车载终端连接共享网络和车联网应用.各子区域间可使用短距离通信技术，通过自组织网络进行数据交换，也可使用中长距离通信技术，通过公共网络进行数据交换.其他手持设备主要是便携式读卡器等多功能终端，通过无线通信方式获取车辆信息，并将信息传送到服务平台，对车辆进行信息管理.

4.5 公共网络与服务平台

公共网络包括固定和移动网络，其主要功能是提供车辆与服务平台远程通信的网络通道，同时也提供一些基本的电信服务，如短信、语音、视频等.服务平台提供车联网业务的能力支撑及应用，以及交通信息、车辆防盗、车辆监控、商务娱乐等业务.车辆通过公共网络接入服务平台获取服务.

5 结 语

对交通基础设施运行状态监控和提供车辆信息服务是车联网的研究目标.本研究对车联网的现状进行了一定的分析，包括车联网的概念、技术优势、信息服务结构以及车联网的网络架构等.可以看出，车联网是今后智能交通系统的发展方向，其必将带动汽车和交通产业的高速发展，促进汽车、交通和信息技术产业向更加现代化、网络化和智能化的方向发展.

:

[1]诸彤宇，王家川，陈智宏.车联网现状与发展研究[J].公路交通科技(应用技术版)，2011，7(5):266-268.

[2]Lee K C，Lee U，Gerla M ，et al.Geo-Opportunistic Routing for Vehicular Networks[J].IEEE Communications Magazine，2010，48(5):164-170.

[3]程刚，郭达.车联网现状与发展研究[J].移动通信，2010，35(17):23-26.

[4]武锁宁.车联网:值得关注的课题[J].中国电信业，2010，11(8):17-19.

[5]王云鹏.车路协同系统关键技术与发展趋势[J].ITS世界，2011 ，5(3):1-8.

[6]李清泉，熊炜，李宇光.智能道路系统的体系框架及其关键技术研究[J].交通运输系统工程与信息，2008，8(1):40-48.

Analysis of Network Architecture of Internet of Vehicles

MENGYuan1，CHAI Shuyang2，LUO Zhenghua1，LEI Lin1

(1.School of Electronic and Infor mation Engineering，Chengdu University，Chengdu 610106，China；2.Faculty of Science，Hong Kong Baptist University，Hong Kong 999077，China)

Internet of vehicles was used to collect operating parameters，the information of road and other transport infrastructure usage and to learn real-time road traffic，which can effectively reduce traffic to realize green travel and provide rich intelligent transportation information service.Internet of vehicles will promote the further development of vehicles，transportation ，and information technology industries to more modernized ，networking ，intelligent way.The present situation of internet of vehicleswas analyzed and discussed comprehensively，including concept of internet of vehicles，technical superiority ，information services and network architecture and so on.

internet of vehicles；information services；types of communication ；network architecture

TP393

A

1004-5422(2012)04-0346-04

2012-03-25.

四川省科技厅科技支撑计划(2011GZ0260)资助项目.

孟 源(1980—)，男，硕士，从事计算机网络及应用技术研究.