一个改进的车联网系统架构设计

【摘要】近年来，物联网概念的不断推广，物联网技术不断进步，其所涉及的领域越来越广泛。从Telematics发展而来的车联网已经越来越被认作作为物联网的一个分支领域中，虽然是一个新生事物，但发展迅速，取得了巨大成绩，相关应用、服务、产品层出不穷。但是，在通过对现有应用、服务、产品进行分析后发现依旧存在一定的改进空间。特别是，在通讯技术飞速发展的技术背景下，如何综合利用已经存在的各类通讯网络，将车辆连接成一个网络，目前并没有一个整体的架构。本文就尝试对上述问题提出解决方案。

【关键词】物联网；车联网；系统架构

1.引言

国际上现有的对于车联网的研究某种意义上来说是由通常所说的Telematics发展而来的，Telematics是指应用无线通信技术的车载电脑系统。随着电脑和网络技术应用到汽车上，正在形成称之为Telema-

tics的新的电脑市场。Telematics是无线通信技术、卫星导航系统、网络通信技术和车载电脑的综合产物，被认为是未来的汽车技术之星。

Telematics特点在于应用了如通讯网路、卫星与广播等无线通信手段。而且终端设备可以下载应用系统或更新软体等，所耗的成本较低。但是，Telematics系统主要功能仍以行车安全与车辆保全为主。而且，Telematics最多只能是点对点的连接方式，而且大部分服务依赖于车辆驾乘人员与服务中心的坐席人员之间的语音通话，完全没有严格意义上的组网的概念，所以不能称之为完整意义上的车联网系统。

为实现真正意义上的车联网，在研究了当下车联网技术的新发展和对现有国内外车联网产品进行分析总结的基础上，本文首先对已经存在的和即将产生车辆的应用、服务做了一个详细的梳理和分类。然后，本文对现有的可供车联网领域使用的无线通讯手段做了分析，另外本文还做了基于车辆使用环境的通讯手段选择分析。

基于车辆的移动特性，这个车联网必然是一个基于无线通信技术的网络。所以本章首先对基于车辆使用环境的无线通信技术选择做一个总结，最后基于以上所有工作，本文提出了一个改进的车联网系统架构，以期实现车与路、车与车主、车主与车主、车主与第三方服务商的有效连接，从而构成实际意义上的车联网（如图1所示）。

总的来说，该框架可以解读为，综合利用多种通讯手段将车辆与服务实时连接起来。车辆作为终端节点，利用车载车联网终端设备，接入到车联网，以获取包括语音服务通讯服务、定位服务、导航服务、车辆服务中心连接服务（Telematics Service Provider）、移动互联网接入、车辆第三方信息管理服务、车辆紧急救援、车辆数据和管理服务、车载娱乐服务在内的多种服务。

2.车辆自组网

要解决车辆之间的组网问题，车辆作为典型的移动物体，Ad Hoc网络便天然的成为了首选。Ad Hoc是一种没有有线基础设施支持的移动网络，网络中的节点均由移动主机构成，通过移动主机之间自由组网实现通信。网络中的终端地位平等，可以在任何时刻、任何地点不需要现有信息基础网络设施的支持，快速构建起一个移动通信网络。Ad Hoc网络最初应用于军事领域，对它的研究始于战场环境下分组无线网数据通信项目。

3.车辆接入互联网

3.1 通过移动通信网接入互联网

随着全国范围的移动通信网络的建成，特别是3G移动通信网络的全面覆盖，以上问题似乎有了一个解决方案。在我国GSM、CDMA、WCDMA、TD-SCDMA等是主要移动网络。其中，GSM为第二代移动通讯技术。3G是第三代移动通信技术，是下一代移动通信系统的通称。3G系统致力于为用户提供更好的语音、文本和数据服务。与现有的技术相比较而言，3G技术的主要优点是能极大地增加系统容量、提高通信质量和数据传输速率。此外利用在不同网络间的无缝漫游技术，可将无线通信系统和Internet连接起来，从而可对移动终端用户提供更多更高级的服务。考虑到移动通讯网络的覆盖范围和车辆的移动特性。移动通信网，无论是第二代通讯网络还是第三代通讯网络都天然的是车联网的最重要的网络基础。某种意义上，车联网终端设备在通讯的角度看，基本可以认为是一个等同于手机的移动通信终端。在我国，第三代移动通讯网布局日益完善，分别是中国电信的CDMA2000，中国联通的WCDMA，中国移动的TD-SCDMA。第三代移动通讯网络，在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps（兆比特/每秒）、384kbps（千比特/每秒）以及144kbps的传输速度（此数值根据网络环境会发生变化）。基本可以满足车联网各项应用的数据传输需求。利用好移动通讯网络，就可以在车辆的移动特性和车联网应用数据的实时传输特性之间做到完美衔接。以下是我国使用的三种3G移动通信网的主要技术参数。

如何实现车载车联网终端设备接入3G移动通信网，一般来说可以通过在终端上设计一个3G通讯模块来实现。以WCDMA为例，WCDMA（宽带码分多址）是一个ITU（国际电信联盟）标准，它是从码分多址（CDMA）演变来的，从官方看被认为是IMT-2000的直接扩展，与现在市场上通常提供的技术相比，它能够为移动和手提无线设备提供更高的数据速率。WCDMA采用直接序列扩频码分多址（DS-CDMA）、频分双工（FDD）方式，码片速率为3.84Mcps，载波带宽为5MHz.基于Release 99/Release 4版本，可在5MHz的带宽内，提供最高384kbps的用户数据传输速率。W-CDMA能够支持移动/手提设备之间的语音、图象、数据以及视频通信，速率可达2Mb/s（对于局域网而言）或者384Kb/s（对于宽带网而言）。输入信号先被数字化，然后在一个较宽的频谱范围内以编码的扩频模式进行传输。窄带CDMA使用的是200Hz宽度的载频，而W-CDMA使用的则是一个5MHz宽度的载频。

W-CDMA由ETSI NTT DoCoMo作为无线介面为他们的3G网路FOMA开发。后来NTTDocomo提交给ITU一个详细规范作为一个象IMT-2000一样作为一个候选的国际3G标准。国际电信联盟（ITU）最终接受W-CDMA作为IMT-2000家族3G标准的一部分。后来W-CDMA被选作UMTS的无线介面，作为继承GSM的3G技术或者方案。误解尽管名字跟CDMA很相近，但是W-CDMA跟CDMA关系不大。多大多小要看不同人的立足点。在行动电话领域，术语CDMA可以代指码分多址扩频复用技术，也可以指美国高通（Qual-

comm）开发的包括IS-95/CDMA1X和CDMA2000

（IS-2000）的CDMA标准族。

3.2 通过无线局域网接入互联网

在城市中，随着无线局域网技术的日益成熟及覆盖范围的增加，通过在车载车联网终端设备上集成相关通讯模块，在特定的使用环境中车辆也可以使用基于IEEE802.11的短距离无线通讯技术以接入互联网。如IEEE802.11b、IEEE802.11a和HIPERLAN2等。将来，车辆的相关技术参数可以通过车辆网终端发送到相关服务提供商处，由专业人员读取信息后可以实现对车辆状态的实时管理。另外，乘员的个人电脑、PDA等，可以借助于车联网终端作为互联网接入点，有效实现移动办公。

需要注意的是IEEE802.11客观上存在一些全新的技术难题，为此IEEE802.11协议规定了一些至关重要的技术机制如下。

（1）CSMA/CA协议

我们知道总线型局域网在MAC层的标准协议是CSMA/CD，即载波侦听多路存取/冲突检测（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）。但由于无线产品的适配器不易检测信道是否存在冲突，因此802.11全新定义了一种新的协议，即载波侦听多路存取/冲突避免CSMA/CA（with Collision Avoidance）。一方面，载波侦听--查看介质是否空闲；另一方面，冲突避免--通过随机的时间等待，使信号冲突发生的概率减到最小，当介质被侦听到空闲时，优先发送。不仅如此，为了系统更加稳固，IEEE802.11还提供了带确认帧ACK的CSMA/CA。在一旦遭受其他噪声干扰，或者由于侦听失败时，信号冲突就有可能发生，而这种工作于MAC层的ACK此时能够提供快速的恢复能力。

（2）RTS/CTS协议

RTS/CTS协议即请求发送/允许发送协议，相当于一种握手协议，主要用来解决“隐藏终端”问题。“隐藏终端”（Hidden Stations）是指，基站A向基站B发送信息，基站C未侦测到A也向B发送，故A和C同时将信号发送至B，引起信号冲突，最终导致发送至B的信号都丢失了。“隐藏终端”多发生在大型单元中（一般在室外环境），这将带来效率损失，并且需要错误恢复机制。当需要传送大容量文件时，尤其需要杜绝“隐藏终端”现象的发生。WaveLAN802.11提供了如下解决方案。在参数配置中，若使用RTS/CTS协议，同时设置传送上限字节数--一旦待传送的数据大于此上限值时，即启动RTS/CTS握手协议：首先，A向B发送RTS信号，表明A要向B发送若干数据，B收到RTS后，向所有基站发出CTS信号，表明已准备就绪，A可以发送，其余基站暂时“按兵不动”，然后，A向B发送数据，最后，B接收完数据后，即向所有基站广播ACK确认帧，这样，所有基站又重新可以平等侦听、竞争信道了。

（3）信道重整

当传送帧受到严重干扰时，必定要重传。因此若一个信包越大时，所需重传的耗费（时间、控制信号、恢复机制）也就越大；这时，若减小帧尺寸--把大信息包分割为若干小信包，即使重传，也只是重传一个小信包，耗费相对小得多。这样就能大大提高WirelessLAN产品在噪声干扰地区的抗干扰能力。当然，作为一个可选项，用户若在一个“干净”地区，也可以关闭这项功能。

（4）多信道漫游

人类是无限追求自由的，随着移动计算设备的日益普及，我们希望出现一种真正无所羁绊的网络接入设备。WaveLAN802.11就是这样的一种设备。传输频带是在接入设备AP（Access Point）上设置的，而基站不须设置固定频带，并且基站具有自动识别功能，基站动态调频到AP设定的频带，这个过程称之为扫描（Scan）。IEEE802.11定义了两种模式：被动扫描和主动扫描。被动扫描是指，基站侦听AP发出的指示信号，并切换到给定的频带；主动扫描是指，基站提出一个探视请求，接入点AP回送一个包含频带信息的响应，基站就切换到给定的频带。WaveLAN802.11采用的是主动扫描，并且能结合天线接收灵敏度，以信号最佳的信道确定为当前传输信道。这样，当原来位于接入点AP（A）覆盖范围内的基站漫游到接入点AP（B）时，基站能自适应，重新以AP（B）为当前接入点。

参考文献

[1]张登银等.一种基于区分服务的天基综合信息网QoS模型[J].江苏大学学报,2011(2).

[2]张登银等.新型网络模拟器NS-3研究[J].计算机技术与发展,2009(11).

[3]Chul-Su Kim等.Development of Open Telematics Service Based on Gateway and Framework[J].ICACT,2006(2).

[4]中华人民共和国通信行业标准YD/T1292-

2003《基于H.248的媒体网关控制协议技术要求》.

作者简介：顾振飞（1984—），男，江苏泰州人，助教，主要从事物联网及通信工程的研究。