基于车联网的位置监控系统

郑兰芳++袁月++陈飞++饶天强

摘 要：车联网产业的快速发展在给人们生活带来方便的同时，车辆的隐私安全被暴露等问题也日益凸显。基于上述情况，文中拟研发一套基于车联网的位置监控系统，包括Android通信App地图定位，后台监控平台实现车辆注册，用户管理和车辆监控等功能。该系统Android端使用集成4G与802.11p双网卡的车载单元。通信过程将进行加密处理，保障系统的安全性，通过车载设备、路边单元、后台监控系统与服务端紧密结合，为用户提供更加便捷、安全的定位与监控服务。

关键词：车联网；802.11p；4G；位置监控系统

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）09-00-04

0 引 言

随着我国步入汽车社会，与汽车相关联的社会问题和矛盾也随之而来，其中汽车与环境、汽车与道路、汽车与行人、汽车与能源之间的矛盾亦不断突出。這些现象都表明我国车联网市场蕴含着极大的发展空间。与此同时，国家政府已明确规定了相关政策，大力支持车联网产业发展。国家“十三五”规划明确提出，将推进运输工具、交通基础设施等的互联网化，加快构建车联网，推进交通智能化。

车联网产业蓬勃发展使得车辆运行效率大大提高的同时，其存在的安全隐患和隐私风险问题也不容忽视。汽车信息数据涵盖汽车去过的地方，行驶的距离和时间，最近的泊车位置，输入导航系统的目的地清单等大量相关汽车诊断数据，这些信息的收集、传输、存储以及非法利用等都存在着极大的安全隐患。只有充分考虑保护信息安全的车联网应用才会被用户接受并得到大力推广。

本文设计的基于车联网的位置监控系统的Android端使用WiFi+4G双网卡，可同时通信。通信过程将进行加密处理，以保障系统的安全性，通过车载设备、路边单元、后台监控系统与服务端的紧密结合，为用户提供更加便捷、安全的定位与监控服务。

1 预备知识

1.1 车联网的概念

车联网（VANETs）是由车辆位置、车辆速度和行驶路线等基本信息构成的巨大的以车辆为中心的交互网络。通过RFID、GPS、传感器、摄像头及图像处理等设备，车辆能够完成对自身环境和自身状态信息的采集工作；通过互联网技术，系统中的所有车辆可将其信息传输到中央处理器；我们可以通过计算机技术分析并处理车辆信息，计算出系统中不同车辆的最佳路线等问题。本文设计的基于车联网的位置监控系统能够很好的对车辆实施全程监控，确保道路安全。

1.2 双网卡车载单元介绍

当车辆周边具有路边单元组网时，车载单元可通过802.11p协议与路边单元通信，通过路边单元作为信息中转从而与后台监控系统完成信息交流；当车辆行驶至偏僻路段，即无路边单元组网时，车载单元通过移动网络基站进行传输，并将信息存储到服务器，后台监控系统通过访问相关服务获取传输至服务器的信息。

随着车载单元技术的飞速发展，用户对车载单元的通信功能提出了更高的要求。而现有的车载单元却无法同时为用户提供4G通信和车际用户通信服务，无法满足用户对车载单元通信功能的要求。

现有的车载单元基本都采用一体化设备，在嵌入式开发板上以控制平台为中心集成其他各模块，形成车载单元。当前的车载单元主要分为两类，一类是使用SIM进行4G通信，连接到Internet进行交互；另一类是在高速或园区管理中使用DSRC通信的车载单元进行管理，但无法实现车际通信。由上述描述可知，目前车载单元所使用的通信模块较为单一，能够实现的功能有限，无法满足用户对于多种通信方式的追求。

4G技术作为目前已发展成熟的通信技术，具有统一的通信协议标准且无需进行额外的基础设施搭建，故采取4G通信模块用于车辆与应用服务器和管理中心的通信更为便捷。

针对现有车载单元存在的问题，本文设计了一种集成4G与802.11p双网卡通信的车载单元，以满足用户对车载单元通信功能的相关要求，为用户提供4G通信服务和车际通信服务。系统采用一种集成4G与802.11p双网卡的车载单元：4G通信模块、车际通信网卡和控制平台。其中车载单元的计算控制中心是控制平台，控制平台用于对各个模块进行控制处理以及数据处理，控制平台包括嵌入式Linux开发板、Android平板、Linux开发板集成串口、Mini-PCI 接口，Android平板集成4G通信模块；车际通信网卡通过控制平台的Mini-PCI 接口与控制平台相连，以进行车辆间的车际通信；4G通信模块集成在控制平台中的Android平板中，可与应用服务器和管理中心通信。其工作模式如图1所示。

图1 工作模式图

与现有车载单元相比，本文系统设计的集成4G与802.11p双网卡的车载单元不仅可以实现车际之间的通信，还可以使用4G通信模块与管理中心通信，从而获取更多多元、丰富的服务，并能够根据用户的需要增加相应的服务功能，满足用户对车载单元通信功能的要求。

1.3 802.11p协议简介

IEEE 802.11p协议是IEEE 802.11标准经扩充而来，主要作用在车载电子无线通信过程中，符合智能交通系统（Intelligent Transportation Systems，ITS）的相关应用。应用层面有高速行驶的车辆间、车辆与ITS路边基础设施间相关数据的交换。IEEE 1609标准基于IEEE 802.11p通信协议的上层应用标准。

IEEE 802.11p协议是车载自组织网络MAC和PHY规范。IEEE 802.11p 协议是对 IEEE 802.11协议的改进，以满足车辆在高速行驶环境下的通信需求。可以对IEEE 802.11a协议进行直接修改，将传统的无线局域网技术用于车辆协同通信环境中。协议仍采用OFDM作为传输方案，但为了适应高速移动环境，IEEE 802.11p在数据链路层（MAC）和物理层都做了相应的改进。在数据链路层设置了不加入BSS的通信方式，以此来解决接入时延的问题。数据链路层中引入了IEEE802.11e中的相关增强型分布式信道接入机制来保障服务质量。物理层将相应的保护间隔扩大了一倍，为1 600 ns，以此来包容更大的多径时延。endprint

2 系统方案

2.1 系统概述

基于4G与802.11p的安全可追溯车联网系统是将传感技术、网络技术、智能技术、通信技术、感知与控制技术等有机融合在车辆和交通道路管理体系中建成的一种实时、高效、智能的交通管理系统。它能很好的对车辆实施全程监控和信息交互操作，实现车与路、车与车、车与人之间的联系，确保道路安全与管理。车联网设施架构如图2所示。

图2 车联网设施架构图

2.2 功能介绍

本系统分为车载设备、路边单元、后台管理系统和服务端四部分。系统框架如图3所示。

图3 系统框架图

2.2.1 车载设备

车载设备包括Android端和车载通信单元两个模块。Android端拥有车与路边单元通信、车车通信以及与服务端4G通信三项功能，车载通信单元主要用于GPS获得车辆位置及信息的采集与转发，用以同路边单元进行信息交互。对Android端功能的具体描述如下：

（1）车车通信：智能移动终端能够实现车车通信，互相了解信息，做好交通预警、车路协同等工作；

（2）车与路边单元通信：路边单元安装在路侧，采用专用短程通信技术，可与车载单元进行通讯，可实现车辆身份识别；

（3）与服务器端4G通信：通过现有移动网络基站与服务端通信，完成位置信息的实时上传及与其他车辆通信时的信息交换。

2.2.2 路边单元

路边单元（RSU）与车载通信单元（OBU）通过802.11p协议进行无线通信，路边单元（RSU）与后台管理系统也通过802.11p协议进行通信。即具有路边单元与车量间通信、路边单元与后台通信功能。具体功能描述如下：

（1）路边单元与系统中的车辆进行通信：路边单元与系统中车辆安装的车载设备上的车载通信单元通过802.11p协议进行通信，获取车载通信单元所传输的车辆位置信息及车主用户之间互发的消息，并将消息转发至周边车辆；

（2）路边单元与后台通信：路边单元将接收到的车辆位置信息及车主用户之间互发的消息传输至后台管理系统，同时将后台管理系统所发的公告等信息传输至周边车辆。

2.2.3 后台管理系统

后台管理系统包括通信模块、车辆管理模块和实时监控模块。通信模块包括后台与路边单元通信、消息广播、与服务端通信等功能；车辆管理包括车辆的入网注册、车辆查询、用户撤销等功能；实时监控包括对车辆位置监控及车主间的消息监控。具体功能描述如下：

（1）后台与路边单元通信：实时获取车辆位置信息及车主用户之间相互发送的消息，用于车辆的位置和消息监控；

（2）消息广播：将后台管理系统所发布的公告等信息通过消息广播的方式传输至各车辆；

（3）入网注册：当车辆进入车联网系统时，要先到后台管理系统中完成相应的车辆注册操作；

（4）车辆查询：后台管理系统可以从数据库中查询已注册车辆的相关信息；

（5）用户撤销：根据实际需求，可对一些已注册的车辆用户进行身份撤销的操作并核对信息，完成相应的撤销任务；

（6）位置监控：后台管理系统通过接收并处理路边单元转发的车辆GPS消息以定位每一辆车的位置，并在地图上显示。对车辆道路进行实时监控，及时发现可能存在的问题，并在第一时间给出相应的解决方案，快速发现并解决问题；

（7）消息监控：对车主用户之间互发的消息进行监控，防止用户发布非法信息；

（8）消息追溯：后台管理系统能够对802.11p协议组网上的消息进行验证，对消息的发送车辆进行真实身份的追溯。

2.2.4 服务端

服务端具有位置信息存储及信息转发功能，具体功能描述如下：

（1）位置信息存储：将车辆通过4G网络实时上传的位置信息等数据进行存储，用于后台管理系统获取车辆位置；

（2）信息转发：转发车辆位置信息及车主用户间的聊天信息。

2.3 系统防护

本文系统提出了一种基于车联网系统中匿名身份的消息认证方案，本文方案可以有效解决发生在车联网系统中的安全通信、隐私保护等问题，能够更好的适用于车联网系统。

2.3.1 初始化

首先给每辆车配备一个防篡改设备，防篡改设备可在任何情况、任何形式的攻击下保障其数据的安全性。车辆装载了防篡改设备后，攻击者便不能获得存储在该设备上的任何数据。

2.3.2 假名生成

为了实现隐私保护，我们通过使用由认证模块，假名生成模块，私钥生成模块组成的防篡改设备，由它负责生成随机的伪标识，并相应生成基于身份加密的专用密钥。

2.3.3 消息签名

当车辆在道路上行驶时会定期广播相关交通信息，可能会潜在地影响交通控制中心的决策和流量分布的优化。为确保消息的完整性，车辆对发送的每一个消息都需要签名，并在接收时进行验证。

2.3.4 认证

基于系统网络结构，当路边单元从车辆接收到与交通有关的消息时，路边单元必须验证该消息的签名，以确保对应车辆未模仿任何其它合法车辆或传播虚假消息。

2.3.5 身份追溯

对于给定的假名，只有信任中心能够通过私密钥计算以确定、追踪发送者的真实身份。一旦签名有争议，信任中心有能力从有争议的消息中追踪到这辆车，可追溯性可以很好的满足车辆跟踪的要求。

2.4 系统测试

软件错误经常发生，软件质量出现重大问题屡见不鲜。所以本文监控系统必须经过严格测试，尽可能发现相关错误，减少系统内部各模块间的功能与逻辑错误，保证每个模块都能正确實现其预期的功能及操作，保证其性能可满足用户要求。endprint

分别对车载设备端和后台管理系统进行性能测试。测试流程如图4和图5所示。

3 安全性分析

车联网中的消息错综复杂，各种攻击方式会对系统造成不同程度的破坏，因此为了确保基于4G与802.11p的可追溯车联网系统的安全性，从以下几个方面进行分析：

（1）消息认证和完整性。这是车联网远程安全监控系统最为重要的安全目标，对消息进行认证可保证接收到的消息是否为发送者发送的消息，消息的完整性保证了消息是否被攻击者修改过。系统对802.11p组网及4G网络上的消息进行认证，确保所传输的信息真实、完整。

（2）不可抵赖性。可抵赖性即发送者可以不承认该消息是其发送的，并且系统中没有任何证据可以证明该消息由谁发送。不可抵赖性就是发送者对自己发送的消息负责，系统中留有证据，使消息发送者无法否认自己已发送的消息。消息的不可抵赖性在安全通信中意义重大，在调查道路交通事故时不可抵赖性的作用尤为突出，我们可以调查事故发生前当事人及相关人员发送或接收的消息，高度还原案发前的局势，为案件的合理审判提供真实证据。

（3）条件隐私保护及可追责性。隐私保护是指系统可以保护用户的隐私不被第三方非法窃取而采取的必要措施。授权机构在获取用户消息的同时，也能够追溯消息的来源，即可追责性。

（4）实时高效性。由于移动节点——车辆是高速行驶的，而路边单元的通信范围有限，且通信过程中车辆间或车辆与路边单元等发送或广播的消息通常都具有时效性，所以对发送的消息需快速分析处理并做出相应的回复，即满足实时高效性。

图4 后台管理系统测试流程

图5 车载设备测试流程

4 结 语

本文设计的基于车联网的位置监控系统不同于传统的基于车联网的系统，该系统集成了4G和802.11p双网卡通信的车载单元，解决了远程监控系统无法获取未形成车联网网络车辆数据的问题，同时还可以满足用户在不同场景下的通信需求，顺利度过车联网初期阶段，即使在车联网完备阶段，仍可作为补充通信方式。

（1）车载设备加入更多传感器。通过车载设备中传感器的增加，完成更多的车辆信息数据采集，如对车辆速度、车内空气等进行监测，可更全面、方便的查看车辆信息。

（2）增加路边单元信息验证功能。路边单元对验证未通过的信息可不转发，减少了通信中非法用户产生的垃圾信息，同时大大增加了路边单元的信息负载能力。

（3）更加灵活、方便的車与车交流方式。系统增加了车车之间的私人聊天等功能，满足了用户点对点通信的需求。

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