車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)探秘：V2X通信和智能交通系統(tǒng)

　　根據(jù)世界衛(wèi)生組織所提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全球每年因車(chē)禍而喪生的人數(shù)大約有120萬(wàn)，受傷的人數(shù)在5000萬(wàn)左右。在1990年，各類死亡原因當(dāng)中車(chē)禍只排第9位，而有機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)到2020年，如果汽車(chē)交通系統(tǒng)的安全措施沒(méi)有顯著的提高，車(chē)禍所導(dǎo)致的死亡人數(shù)會(huì)升至死亡原因第3位。

　　為了提升交通系統(tǒng)的安全性和智能化，智能交通的系統(tǒng)理念逐漸興起。智能交通可以利用新一代的通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)處理能力，提高交通系統(tǒng)的整體效率，降低能量損耗，增加運(yùn)輸?shù)陌踩捅憬?。近階段，智能交通系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)將主要集中在智能公路交通系統(tǒng)領(lǐng)域，也就是俗稱的車(chē)聯(lián)網(wǎng)。

　　應(yīng)用場(chǎng)景

　　車(chē)聯(lián)網(wǎng)有很多應(yīng)用場(chǎng)景，有些是現(xiàn)在已經(jīng)看到的，有些是預(yù)測(cè)的。毋庸置疑，提高交通安全是最主要的應(yīng)用，其中包括：一，車(chē)輛當(dāng)發(fā)現(xiàn)有危險(xiǎn)臨近，例如前方有障礙物時(shí)，能夠及時(shí)提醒其他車(chē)輛;二，車(chē)輛能夠告知其他車(chē)輛自己所行進(jìn)的方向，以幫助其他車(chē)輛的司機(jī)做更準(zhǔn)確的判斷;三，靠近交叉路口時(shí)，向其他車(chē)輛提醒;四，駛離高速路時(shí)，向其他車(chē)輛提示;五，臨時(shí)/突然停車(chē)的預(yù)警;六，車(chē)輛變線時(shí)的提醒;七，事故匯報(bào);八，汽車(chē)司機(jī)對(duì)路邊行人/騎自行車(chē)人的提醒。

　　在交通管理方面，車(chē)聯(lián)網(wǎng)可以幫助疏通車(chē)流，實(shí)時(shí)地對(duì)擁塞采取有效措施。管理部門(mén)可以根據(jù)一些具體的條件靈活地實(shí)施交通規(guī)則，例如：可調(diào)的時(shí)速限制、可變的信號(hào)燈周期和燈閃順序、交叉路口自動(dòng)車(chē)流控制、救護(hù)車(chē)/消防車(chē)/警車(chē)的開(kāi)道。

　　在司機(jī)輔助方面，智能交通可以提供自動(dòng)泊車(chē)、導(dǎo)航狀態(tài)、路標(biāo)識(shí)別等。對(duì)于警察等執(zhí)法部門(mén)，車(chē)聯(lián)網(wǎng)有助于監(jiān)控、超速提醒、禁區(qū)管理、勒停命令的實(shí)施等。通過(guò)電子支付的方式，車(chē)聯(lián)網(wǎng)使過(guò)路費(fèi)/停車(chē)費(fèi)的收集更加快捷方便，從一定程度上減輕車(chē)流的擁塞，減少收費(fèi)站附近常發(fā)生的低速追尾事故。

　　隨著汽車(chē)電子突飛猛進(jìn)的發(fā)展，車(chē)輛本身的運(yùn)算能力也有長(zhǎng)足的提高，只要車(chē)聯(lián)網(wǎng)能提供充足大量的路況信息，根據(jù)車(chē)上的電子地圖和以往的數(shù)據(jù)，車(chē)子自身系統(tǒng)可以通過(guò)復(fù)雜的優(yōu)化算法，規(guī)劃出最佳的路徑，某些情況下還能實(shí)現(xiàn)在高速公路上的自動(dòng)駕駛。例如一個(gè)大貨車(chē)隊(duì)，只有最前方的車(chē)?yán)镉旭{駛員，后面的貨車(chē)?yán)镏挥腥舾蓚鞲衅骱屯ㄐ牌髋c第一輛車(chē)聯(lián)系，及時(shí)更新信息，順應(yīng)路況，實(shí)現(xiàn)合理駕駛。

　　技術(shù)方向

　　V2V，或者拓展到V2X，指的是汽車(chē)車(chē)輛之間，或者汽車(chē)與路邊行人/騎車(chē)者的通信系統(tǒng)。這類系統(tǒng)就是所謂的車(chē)輛臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)(Vehicular Ad-hoc Networks， VANETs)，它屬于一種移動(dòng)臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)(Mobile Ad-hoc Networks， MANETs)。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，每一輛入網(wǎng)的車(chē)可以成為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，具有移動(dòng)性。每個(gè)節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)同，減少盲區(qū)，避免事故。

　　目前，車(chē)聯(lián)網(wǎng)中最重要的目的是提高交通安全，其需求集中體現(xiàn)在：一，低時(shí)延，端到端時(shí)延在5ms以內(nèi);二，高可靠，誤包率在99.999%以下，而且能在車(chē)輛發(fā)生擁塞，大量節(jié)點(diǎn)共享有限頻譜資源時(shí)，仍能夠保證傳輸?shù)目煽啃?三，可能需要支持高速移動(dòng)，考慮到汽車(chē)之間的相對(duì)移動(dòng)，最高相對(duì)時(shí)速可達(dá)500km/h;四，傳輸數(shù)據(jù)包至少能承載1600字節(jié)的信息數(shù)據(jù)。

　　車(chē)聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展是跨行業(yè)的，涉及的技術(shù)眾多，在這里我們著重介紹與無(wú)線通信及系統(tǒng)密切相關(guān)的，分別從物理層和網(wǎng)絡(luò)層入手。

　　已有的技術(shù)

　　當(dāng)前，由IEEE 802.11p和IEEE 1609組成的協(xié)議框架能夠完成車(chē)聯(lián)網(wǎng)的一些最基本的功能。IEEE802.11p是IEEE 802.11系列的一個(gè)版本，可謂專門(mén)為車(chē)聯(lián)網(wǎng)而“定制”。這樣，WiFi的關(guān)鍵技術(shù)IEEE802.11技術(shù)正通過(guò)802.11p拓展到車(chē)聯(lián)網(wǎng)的V2X應(yīng)用上。IEEE802.11p傳承了WiFi大部分的物理幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括OFDM發(fā)射，以及基本媒體接入控制(MAC)層協(xié)議，目前支持5MHz/10MHz/20MHz的帶寬，在美國(guó)的頻段是5850MHz~5925MHz，工作帶寬均為10MHz，共支持7個(gè)，其中2個(gè)只能由公共安全部門(mén)所使用。相比一般的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，IEEE802.11p所能覆蓋的半徑并不大，在500m以內(nèi)，因而被稱為短距離通信(DSRC)技術(shù)。同時(shí)IEEE802.11p協(xié)議中引入了時(shí)鐘廣播和增強(qiáng)的信道抑制技術(shù)，以加強(qiáng)車(chē)聯(lián)網(wǎng)的物理層。其中時(shí)鐘廣播技術(shù)可以幫助節(jié)點(diǎn)與公共的時(shí)間參考保持同步;而信道抑制目的是提高接收器對(duì)5GHz左右的帶外干擾的抵抗能力。

　　由于車(chē)輛的快速移動(dòng)性，車(chē)輛與路邊的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施所組成的通信鏈路也都是臨時(shí)性的，即只在很短的時(shí)間之內(nèi)存在。所以這個(gè)鏈路必須在極短的時(shí)間建立連接，發(fā)送數(shù)據(jù)。而IEEE802.11技術(shù)中的那些繁瑣的連接認(rèn)證過(guò)程耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，難以使用在車(chē)聯(lián)網(wǎng)。為此，IEEE 1609填補(bǔ)了高層協(xié)議的空白，形成一套完整的協(xié)議棧。IEEE1609包括4個(gè)子協(xié)議，其中IEEE1609.1定義了資源管理，將遠(yuǎn)端的應(yīng)用層與當(dāng)前的車(chē)輛聯(lián)系起來(lái);IEEE1609.2為應(yīng)用層和管理信息提供安全服務(wù);IEEE1609.3是IEEE802.11p的網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)距離的通信技術(shù)，如WiMAX(IEEE 802.16)、GSM或者3G/4G，都曾被考慮作為潛在的車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。但是這些技術(shù)都需要廣泛而耗資的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)部署以及針對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)具體需求的技術(shù)改進(jìn)。

　　車(chē)聯(lián)網(wǎng)下層網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)主要分為兩大類：車(chē)載單元(Vehicular on-board unit)和路邊單元(road-side unit)。路邊單元如同WiFi網(wǎng)絡(luò)中的錨點(diǎn)，提供與基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的通信。如果需要，路邊單元有責(zé)任為車(chē)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(fā)射“信標(biāo)”(beacon)信號(hào)，以便車(chē)載單元監(jiān)聽(tīng)識(shí)別。這個(gè)過(guò)程和物理層信號(hào)與WiFi的有一些不同。另外還有一種比較特殊的節(jié)點(diǎn)，一般置于應(yīng)急場(chǎng)景中的警察、消防或急救車(chē)輛上，他們盡管是車(chē)載單元，但也具備路邊單元的許多功能。