车辆通信：解决方案以及面临的挑战外文翻译资料

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车辆通信：解决方案以及面临的挑战

卢宁，学生成员，IEEE，程楠，学生成员，IEEE，张宁，学生成员，IEEE，沈学民，会士，IEEE，和Jon W. Mark，终身会士

摘要——为车辆提供各种无线连接，来保持车辆和他们的内部以及外部环境的通信。这样一个车辆通信的解决方案有望引发下一个前沿的汽车革命和下一代智能交通系统(ITSs)发展的关键。此外,车辆通信也是新兴的车联网(IoV)的基石。广泛的研究活动和大量的工业行动为即将到来的汽车通信时代铺平了道路。在本文中,我们着眼于于无线技术和vehicle-to-x通信技术中的潜在的挑战。特别是,我们讨论了可能风险并审查了车对传感器、车对车、车对网络以及车对交通设施的连接的最先进的无线解决方案。我们还确定未来构建连接车辆的研究方向。

关键字——车辆通信,智能交通系统(ITSs),车联网(IoV)、车辆内部的无线传感器网络、车载网络。

1. 简介

作为现代生活不可或缺的一部分,机动车辆自从在第二次工业革命发明后一直持续发展。如今,人们对汽车的期望不止于它们的质量和可靠性了。随着信息和通信技术（ICT）的快速发展,装备有无线通信功能的汽车有望成为下一个前沿汽车革命。来来去去的连接的汽车的积极性、合作性、消息灵通,和协调性，并且为支持道路安全的各种应用程序铺平道路（例如，碰撞检测、车道变化警告以及合作合并），智能和绿色运输（例如，交通信号控制、智能交通调度,和车队管理）定位服务（例如，目标点和路线选择）和车载互联网接入。汽车通信的市场正在蓬勃发展，并且根据一份最近的业务报告,全球市场预计将在2019年达到1319亿美元[1]。学术界和汽车工业通过探索可靠和高效的连接解决方案来迅速反应。

汽车通信的迫切需要主要有两种直接原因。第一个是迫切需要去提高道路交通的系统效率和安全性。随着城市土地增多，大城市里的汽车量也日益增长，并导致了交通拥堵和经济成本和环境问题的严重后果。据报道，在498个美国城市里，由于拥堵导致的额外的驾车时间和燃料的成本在2011年已经达到了1210亿美元，而拥堵中二氧化碳的排放量达到560亿磅,而相比于在1982年仅有24亿美元

和10亿磅的数字[2]。汽车通信的解决方案将可能通过智能

交通控制和管理来缓解交通拥挤[3]，以及通过车载自组织网络的先进的预警技术和驾驶辅助系统来提升道路安全[4]。第二种是不断增长的用户在道路上对移动数据的需求。

手稿日期2014年4月6日,确认2014年5月16日。日期

2014年5月30日出版,当前版本日期2014年8月1日。

作者：电子和计算机工程系,滑铁卢大学,滑铁卢N2L 3 g1,加拿大(电子邮件:n7lu@ uwaterloo。ca;n5cheng@uwaterloo。ca;n35zhang@uwaterloo。ca;sshen@ uwaterloo。ca;jwmark@uwaterloo.ca)。

颜色版本的一个或多个数据本文在网上都可以查阅,网址http://ieeexplore.ieee.org。

10.1109 / JIOT.2014.2327587数字对象标识符

近年来，对高速移动网络服务的需求急剧增加。人们期望在自己的私家车里能得到像在家里或者工作中一样的联网效果。将车辆连接到互联网的设想不仅可以满足用户移动数据需求[5]，也能产生大量安全应用程序，比如在线诊断[6]和智能反盗窃或跟踪[7]，需要的服务器可以是互联网上的云。自从综合联网汽车上市后，据预测，综合联网汽车所占比例将在2020年从10%跳到90%[8]。此外，政府授权更是把汽车通信革命通上了快车道。欧盟委员会提议从2015年开始实施强制性的车辆“eCall”系统，以防在发生车祸时，汽车可以自动建立紧急电话联系服务[9]。毫不奇怪，美国交通部(DOT)的国家公路交通安全管理局(NHTSA)最近宣布，它将开始采取措施使轻型车辆之间能够通信[10]。

汽车通信指的是能够无线连接网络的车辆使得他们的，内部和外部环境可以通信，即，支持汽车和车载传感器之间(V2S)、车对车(V2V)、汽车对道路基础设施(V2R)和车联网(V2I)的交互，正如如图1所示。这些交互,为了车载信息系统建立了一个多层次的数据管道,提高了车的情况感知，并且为司机和乘客提供了一个信息丰富的乘车环境。进一步说，汽车通信，即一个特征为收集、共享、处理、计算和安全地发布信息的动态的移动通信系统，不仅被视为新兴的车联网(IoV)的基石，还能使下一代智能交通系统(ITSs)得到发展[11]。完全汽车通信的开发和调度需要各种已有的和新兴技术的结合，和主要的不确定性，代表每种技术的可行性。在本文中,我们为了建立vehicle-to-x(V2X)连接，着眼于无线技术和发表了一份关于现有的工业和学术进展的概述。针对每个选项的优缺点提出了证明其可行性。我们还讨论潜在的挑战并确定了构建车辆通信研究方向。我们的目标是进一步促进汽车通信的领域的研究活动以及提升它的重要性。文章[12]，及其[13]作的目标都是相似,但是有不同的着眼点。本文的其余部分组织如下。第二部分讨论了现有的/潜在的挑战和解决车辆内部通信。第三部分侧重于车辆间的通信。V2I和V2R通信解决方案在本文的第四章和第五章分别进行了陈诉。第六部分讨论将要面临的挑战并提供结论。

1. 车内通信

随着人工智能增长，现代汽车配备了更多的传感器，像是检测路况和驾驶疲劳的传感器，监测轮胎压力和冷却系统中的水温的传感器，以及先进的可以自动控制传感器。传感器的数量预测到2020年将达到每辆车200个[14]。需要这么大量的传感器元素向电子控制单元(ECU)[15]报告事件驱动或时间驱动消息，甚至接收反馈。这样做,一个车内通信网络就能够仔细完整地设计出了。连接解决方案[16],[17],如控制器局域网总线(CAN)协议，FlexRay，TTEthernet，要求在ECU

图1 车辆通信的概览

和传感器之间建立电缆连接。加上电缆以及其他配件，车辆的)售后的安装和维修使用电缆连接也不方便。而如今无线传感器通信和网络技术的进步已经为一个出乎意料的替代铺平了道路，即由车载无线传感器网络的ECU和传感器，显著降低了部署成本及其复杂性。已有的用来构建车内无线传感器网络的多个候选无线技术来,和车载环境中可选的不同的无线方式的可能性一直是研究的关注点。

A. 特点和挑战

不同于一般的无线传感器网络,车内无线传感器网络拥有空间优化的独特的特点。

1)传感器是固定的，所以网络拓扑结构不随时间变化。

2)传感器通常是一跳连接到ECU，这产生了一个简单的星形拓朴。

3)传感器连线连接到汽车能量系统的过程中没有能源约束。尽管有这些有利因素,车内无线传感器网络的设计和部署的仍具有挑战性。

1)车内通信环境十分恶劣。由于在有限的空间里的严重的散射,常常造成非视距。这是确立车内无线频道花了大量努力的主要原因[18],[19]。2)数据传输需要低延迟和高可靠性,以满足实时车内的控制系统所需的严格要求。3)邻近车辆的干扰在一个高度密集的城市场景不可能忽略不计。4)安全是至关重要的，以保护车载网络和控制系统免受恶意攻击[20]。

面对这些挑战，车内无线传感器网络已经成为智能车辆系统领域的一个研究热点，本文研究了以下的大量的无线技术。

B. 最先进的替代品

1. 蓝牙：蓝牙是一种基于IEEE 802.15.1标准的短距离无线技术并且应用于工业、科学和医学领域(ISM)频带(2.4 GHz)。重量可以再明显地加上50公斤。此外,传感器(提供附加功能它支持移动设备之间以3 Mb / s的数据率来通信，并在电子商品里高度商业化[21]。蓝牙设备在现代汽车领域应用很普遍,如蓝牙耳机和后视镜。然而，蓝牙传输需要高功率，所以它并不适用于汽车中仅靠电池驱动的传感器[12]。此外，由于缺乏可伸缩性、蓝牙网络只能支持八个活跃设备(7个附属设备和一个主设备)[22]。
2. 物联网：实现V2S通信的一个可选方法就是通过使用物联网技术，其基于IEEE 802.15.4标准并在ISM无线电频段上运营(868 MHz、915兆赫和2.4 GHz)[28]。第一次在车载环境下评估物联网性能的研究报告了[29]在不同地点和场景下(考虑不同的传感器汽车引擎位置以及汽车的开/关状态)在一辆汽车中使用物联网传感器节点进行包传输实验的结果。这项研究表明物联网是一个可行的并有望实现车内无线传感器网络的解决方案。物联网不仅低成本，还可以提供一个不错的数据率(2.4 GHz频段的250 kb / s)。如在[29]中所述，然而，实现物联网传感器的困难在于应对发动机噪音和干扰蓝牙设备。在[30]中，车内物联网中的传感器网络的性能彻底考虑了蓝牙干扰的存在，是基于一条现实的频道模型。车载传感器应用的数据延迟是一个网络设计中需要重要考虑的因素。为了努力满足延迟需求，[31]需要基于星型拓扑结构介质访问控制(MAC)协议的设计参数。在[15]中针对使用物联网传输延迟的进行了深入分析。此外[15]还讨论了工程问题，例如与现有的CAN骨干网的交互。
3. 射频识别：[25]和[32]研究了利用无线射频识别(RFID)技术的可行性构建车内传感器网络。无源RFID解决方案的基本原理是，每个传感器都是配备了一个RFID标签和一个连接到ECU读取，通过向每个标记发送一个激励脉冲来定期检索感知数据。大量实验已经对理解射频识别技术的功能和限制进行了这两项研究，包括无线信道特征在不同的位置的读取器和射频识别标签之间，数据包接收率和最大数据包延迟。

表 I

现有替代品的特征摘要

无源RFID解决方案有明显的优点:低成本以及RFID标签不需要电力供应。此外，实验结果在相干带宽和传输可靠性表现出可行的结果。这些研究也确定了两大挑战:1)由于在某些位置的大功率损失导致的连接中断2)难以保证同时传输中碰撞中关键数据的传输。应对挑战的建议解决方案1)是使用先进的天线或有源射频识别技术[33](汽车电池需要额外的电线)；对于第二个挑战，应该为RFID传感器网络开发有效的和可靠的MAC协议[34]。

1. 超宽带：超宽带(UWB)是指无线电技术在3.1-10.6 GHz 频带(7.5 GHz的超宽带宽)，可以支持在数据率高达480 Mb / s的短距离通信,并在一个非常低能级[12]。超宽频系统有许多独特的优点，如抗严重无线信道衰落和阴影，适合定位和跟踪应用程序高时域分辨率,低成本和低处理复杂性[35]。超宽频在WiMedia联盟指定的ecma - 368标准中采用了关键物理(PHY)层技术[26]。对于车内场景，大量的研究[36]-[44]证明了超宽频技术的可行性，满足了严格的可靠性和车载传感器网络的能源需求。在[36]报道了车内超宽频通讯测试平台的设计和实现。试验台用来传输从四个车轮速度传感器得到的汽车速度数据给ECU。测量结果表明了高数据传输的可靠性。大多数现有的研究[37]-[43]着眼于提出可行的可以抓住车载环境传播特性的信道模型。这些研究关注汽车的不同部分,包括乘客舱[37]、[41]、引擎部分[38]、[40]、行李箱[39]、和底盘部分[40]、[42]、[43]，位置不同，信道统计信息也是完全不同。最近的测试研究[43]也模拟了在车内的在之前是从未考虑过的小模型衰落。给定了一个底层无线模型后，如何在物理层定义最适合传输技术是超宽带车内传感器网络的关键问题。在这方面[44]是第一个试图探讨最优功率控制，速率适配和调度。

5） 60 GHz毫米波：在60 GHz频带的通信，通常被称为毫米波(mmWave)通信，是另一种构建车内通信的方式。在57和64 GHz mmWave之间的频带通信可以支持Gb / s级速率，在无线超宽带视频多媒体应用实现短距离通信[45]。物理层的毫米波被指定在IEEE 802.15.3c[46][47]和IEEE 802.11ad。已经有越来越多的研究对毫米波通信技术应用到车载环境中的多媒体传输感兴趣，比如对于车内座位监控器的高清视频传输。

随着在60 GHz频段传播损失越来越严重，第一个也是最重要的是更好地了解车内的传播特性。在[48]-[51]里执行了传播测量活动，探讨了小规模参数[48]-[50]，[50]大规模参数，以及乘客和天线位置的影响[49]，[51]。结果表明,毫米波应用在车内多媒体传播是一种很有前途的无线解决方案。表格1总结了现有的V2S的解决方法。

1. 跨车辆通信

人们普遍认为跨车辆通信的进步将重塑未来的道路交通系统，相互关联的汽车不再是信息孤岛。通过跨车辆通信或V2V通信，汽车负荷计算机产生的信息，控制系统，车载传感器，或乘客可以有效地在邻近的车辆中传播，或在车载ad hoc网络(VANET)中的多个跳外。没有任何基础设施的援助，各种道路安全应用程序(如，碰撞检测，车道改变警告和合作合并)[52]和信息娱乐应用程(如，交互游戏，和文件以及其他有价值的信息的共享)[53]因为跨车辆无线通信变为可能。

A. 特点和挑战

吸引了广泛的研究关注多年的VANETs，和如何建立高效、可靠的无线车辆之间的通信是一个研究的主要重点。最繁琐的困难就是怎么应对恶劣的通信环境。在城市里，V2V通信的视距内(LOS)路径往往被交错的建筑遮挡。在公路上，通信路径上的卡车可能引入重要的信号衰减和包丢失[54]。在[55]中进行的实地测试表明，多路径衰落、阴影和多普勒效应由于车辆快速移动和复杂的城市环境导致严重的无线损失，而且大规模的车辆同时传输也造成了不良后果。适合的通信环境的建模首先要建立设计可靠的V2V通信系统。请参考[56]概述了最先

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