1.7 各章概述

1. 绪论

车联网有时也称为车间通信，不仅涉及车车通信，也涉及车路、车人和车云通信，所以也称之为V2X，即Vehicle to Everything。在定义方面，有从控制网络角度把车联网理解成物联网在汽车领域的应用；也有从通信网络方面把车联网理解成车辆子系统、道路子系统、旅客子系统和后台中心子系统，通过多种网络技术互联形成一个大系统网络。车联网是一种交叉学科，与智能汽车、智能交通系统、5G等都有关联，特别是发展到现在，车联网与智能网联汽车关系非常密切，包含了更多的人工智能内容。

车联网主要有两种不同的标准体系，其一是以美国牵头的DSRC标准，其二是中国主导的C-V2X标准。以美国为代表的政府已经在DSRC方面开展了大量的尝试，包括IntelliDrive五年战略规划，中国也不甘落后，以华为、大唐为主的电信企业已经纷纷针对C-V2X标准进行了测试验证。此外，为了更好开展测试评估工作，各国纷纷在筹建相应的封闭测试场，测试场的特色却各不相同。本章将对车联网定义、范畴、标准、进展及测试场展开描述

2. IEEE 802.11p标准

IEEE 802.11p标准是由IEEE 802.11a演变而来的，在物理层方面同样采用了正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）技术，只是为了适应车辆通信环境中较高的时延扩展而加大了符号周期和保护间隔（802.11a标准的两倍）。在MAC子层方面，IEEE 802.11p标准同样采用了CSMA/CA机制，同时在服务质量方面引入了IEEE 802.11e标准中的多信道机制，以期为交通安全类应用提供低延迟的传输保障。本章节围绕IEEE 802.11p标准展开描述。

3. IEEE 1609标准

车联网行业中拥有WiFi、WAVE和WiMAX等多种多样的通信技术，其中以美国电子电气工程师协会（IEEE）制定的基于IEEE 1609.x/802.11p的DSRC标准最具有代表性。美标DSRC包括两大组成部分：接入层的IEEE 802.11p标准和网络传输层的IEEE 1609.x标准。我们对IEEE 1609.x标准进行详细的介绍与描述：其中IEEE 1609.1定义了控制信道消息的格式和数据存储的格式，并且制定了多个远程应用和资源管理之间的控制互换过程规范；IEEE 1609.2涉及WAVE通信中的安全问题，包括签名、加密等工作过程；IEEE 1609.3规定了WAVE网络层和传输层的标准，包括WAVE的连接设置和管理；IEEE 1609.4中主要规定了多信道的操作。本章围绕IEEE 1609系列标准展开描述。

4. 欧盟车联网标准

智能交通系统是信息与通信技术与传统交通技术的结合，在欧洲，协作式智能交通系统的定义是：基于车车通信、车路通信和车云通信的智能运输系统，各系统之间能够进行信息交互，可以向出行者提出建议，让设施进行有效运行，与单个系统相比，可以提高交通安全性、可持续性、效率及舒适性。

欧洲标准组织CEN于1991年成立CEN/TC278委员会，开始针对道路运输信息通信（Road Transport and Traffic Telematics, RTTT）进行标准化工作。2009年欧委会委托欧洲标准化机构CEN、CENELEC和ETSI制订一套欧盟层面统一的标准、规格和指南来支持合作性ITS体系的实施和部署。2013年，ETSI和CEN/ISO完成首版标准Release1的制订。

欧标ITS通信模块由五个主要部分组成。

（1）Access接入 OSI物理层和数据链路层。

（2）网络和传输 OSI网络层和传输层。网络层利用IP协议描述了如何寻址并路由数据；传输协议定义数据是如何传输和控制的。

（3）Facilities OSI会话层，表示层，应用层。通信信息共享的支持，应用的支持，包括消息协议（如CAM, DENM和SPAT）和LDM。

（4）管理 一个垂直支柱，管理ITS-S内所有进程，从底层到顶层。

（5）安全 一个垂直支柱，管理ITS-S内端到端安全，从底层到顶层。

本章主要针对这五个部分介绍欧标。

5. LTE-V2X

本章就目前3GPP（3rd Generation Partnership Project）正在制定的LTE-V标准进行介绍。首先对3GPP在V2X上的标准化进程和LTE-V的应用场景做了简单的描述；其次分别对标准中提出的两种V2X架构（PC5架构和LTE-Uu架构）及相应的关键问题做了详细的介绍；之后，对应LTE-V两种不同的架构，我们列举了无线空口的关键技术；最后，分析了LTE-V的安全设计问题和未来的发展趋势。通过对标准化的了解，希望可以帮助读者对未来通信的发展方向有进一步清晰的认识。

6. 移动场景下的信道特征

作为车联网的重要组成部分，在高铁、地铁、无人机、车车等场景中的大带宽、低时延、高可靠性的通信是车联网满足工作、娱乐需求以及实现智能化交通的基本保证。对于这些场景下的无线传播信道的认知和准确的建模对通信系统的设计和验证起着至关重要的作用。与传统的蜂窝通信场景如宏小区、微小区、和微微小区等不同，对于这些新兴移动场景下的信道建模工作依然处于较为初始的阶段。本章主要围绕这些移动环境下的场景，从信道特征分析、信道估计、信道跟踪、被动信道测量和信道建模几个角度展开了叙述。

7. 接入层关键技术

MAC层为VANET中的节点提供了物理寻址和信道接入控制操作功能，为上层提供了快速、可靠的报文传输支持。在VANET中如何控制节点接入信道，以及如何利用有限的无线信道资源，对车载自组织网络的性能有着重要的影响。本章首先介绍了MAC层的三种信道接入协议，目前的信道接入协议主要有IEEE 802.11p中采用的CSMA/CA协议、基于调度的MAC协议以及混合协议，有不少MAC协议都是在IEEE 802.11p的基础上进行的改进；其次本章还关注了拥塞控制的问题，拥塞控制主要是从功率控制、速率控制和功率-速率联合控制三个方向来解决，这几种方法各有优劣。拥塞控制的目标就是要控制信道负载，保证在高负载的条件下依然能够实现健壮性通信；本章节还将从多信道协调机制和多信道分配机制两个方面，对MAC扩展子层的相关技术进一步详细地阐述，并对优先级机制进行介绍。

8. 网络传输技术

网络层具有路由选择、中继和服务选择等功能，而在VANET中，车辆节点具有较高的移动性，整个网络的拓扑变化比较频繁，并且VANET中的路由需要满足两个要求：低时延和高可靠，这些都对路由选择、中继和服务选择带来了极大的挑战。本章介绍了VANET中的信息分发技术，主要分成消息分发和内容分发两类做相关介绍；然后介绍VANET中的路由技术，包括拓扑路由和位置路由，一些常用的路由策略放在位置路由中讨论；此外，还针对VANET的一些特性，专门介绍了经典路由算法的改进措施。

9. 网络安全技术

VANET在为用户提供便捷服务的同时，也带来了安全隐患。本章从VANET网络的安全方面入手，带领读者了解安全需求，掌握攻击类型，同时介绍为提高VANET网络的安全性所采用的关键技术，包括PKI系统简介及密钥管理方式。此外，除了加强对密钥的管理之外，车辆的身份认证及消息认证也是一大难题，本章着重介绍对VANET网络安全性影响较大的两个因素——安全认证和隐私保护。安全认证中的身份认证不允许有不良行为的节点或恶意节点加入网络并完成通信，消息认证验证通信节点所发信息是否可靠，降低因恶意节点发送的虚假信息而损害网络安全性的可能性。最后分别介绍两种基于用户身份和用户位置的隐私保护方式，比如采用匿名和Mix-zone内更换假名的方法来隐藏用户的身份信息和位置信息等。

10. 移动建模与网络仿真

不同的应用研究对仿真的需求不同。在主动道路安全类和交通效率类应用中，车辆间（V2V）以及车辆与基础设施间（V2I）无线通信的结果会影响车联网中拓扑的变化。例如，在交通事故预警、实时交通状况更新和任何需要驾驶员间协同的应用中，驾驶员需要对无线通信发送的控制信息进行反应并导致车联网拓扑变化。这就需要在车联网的建模和仿真中实现交通仿真与网络仿真间的双向耦合和实时交互。而娱乐类应用只是利用车联网作为传输增值服务的媒介，不会影响车联网的拓扑，所以只需要通过车辆运动轨迹确定网络仿真中节点的位置就可以满足建模和仿真的需求；另一方面，娱乐应用的建模和仿真实现需要网络仿真平台中包含由完整的通信协议栈。

因此，车联网的建模和仿真中需要考虑的因素包括以下三点：

1）实现车辆运动模型的交通仿真。

2）实现通信协议栈网络仿真。

3）交通仿真与通信仿真间的交互模式。

本章在后续的内容中将针对以上三点分别进行介绍，并基于SUMO和OMNeT++仿真平台给出车联网建模和仿真实例。

11. V2X应用开发

车联网是以车内网、车际网和车载移动互联网为基础，按照约定的通信协议和数据交互标准，在车-车、车辆与互联网之间进行无线通信和信息交换，以实现智能交通管理控制、车辆智能化控制和智能动态信息服务的一体化网络。作为整个架构中的最顶层，应用层承载着算法分析、场景判断、决策预警等关键作用。整个应用开发系统分为车载子系统, 路侧子系统、行人子系统和后台中心子系统。通过传感器包括CAN总线、GPS、交通信号灯等感知车辆状态信息及周围环境信息，将消息进行编码，利用DSRC通信技术传输，并在接收端进行解析。借助中间件，对相关数据进行融合，针对不同的业务场景进行算法分析，并做出下一步决策，从而完成应用层的数据流动作。由于车联网环境包含众多的应用场景，因此如何对场景进行整合，进而覆盖实际场景中的多个功能显得尤为重要。本章将针对以上内容，展开具体描述。