根據世界衛(wèi)生組織所提供的統(tǒng)計數(shù)據，全球每年因車禍而喪生的人數(shù)大約有120萬，受傷的人數(shù)在5000萬左右。在1990年，各類死亡原因當中車禍只排第9位，而有機構預測到2020年，如果汽車交通系統(tǒng)的安全措施沒有顯著的提高，車禍所導致的死亡人數(shù)會升至死亡原因第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絡和數(shù)據處理能力，提高交通系統(tǒng)的整體效率，降低能量損耗，增加運輸?shù)陌踩捅憬?。近階段，智能交通系統(tǒng)的開發(fā)將主要集中在智能公路交通系統(tǒng)領域，也就是俗稱的車聯(lián)網。

 

 

車聯(lián)網有很多應用場景，有些是現(xiàn)在已經看到的，有些是預測的。毋庸置疑，提高交通安全是最主要的應用，其中包括：一，車輛當發(fā)現(xiàn)有危險臨近，例如前方有障礙物時，能夠及時提醒其他車輛；二，車輛能夠告知其他車輛自己所行進的方向，以幫助其他車輛的司機做更準確的判斷；三，靠近交叉路口時，向其他車輛提醒；四，駛離高速路時，向其他車輛提示；五，臨時/突然停車的預警；六，車輛變線時的提醒；七，事故匯報；八，汽車司機對路邊行人/騎自行車人的提醒。

 

在交通管理方面，車聯(lián)網可以幫助疏通車流，實時地對擁塞采取有效措施。管理部門可以根據一些具體的條件靈活地實施交通規(guī)則，例如：可調的時速限制、可變的信號燈周期和燈閃順序、交叉路口自動車流控制、救護車/消防車/警車的開道。

 

在司機輔助方面，智能交通可以提供自動泊車、導航狀態(tài)、路標識別等。對于警察等執(zhí)法部門，車聯(lián)網有助于監(jiān)控、超速提醒、禁區(qū)管理、勒停命令的實施等。通過電子支付的方式，車聯(lián)網使過路費/停車費的收集更加快捷方便，從一定程度上減輕車流的擁塞，減少收費站附近常發(fā)生的低速追尾事故。

 

隨著汽車電子突飛猛進的發(fā)展，車輛本身的運算能力也有長足的提高，只要車聯(lián)網能提供充足大量的路況信息，根據車上的電子地圖和以往的數(shù)據，車子自身系統(tǒng)可以通過復雜的優(yōu)化算法，規(guī)劃出最佳的路徑，某些情況下還能實現(xiàn)在高速公路上的自動駕駛。例如一個大貨車隊，只有最前方的車里有駕駛員，后面的貨車里只有若干傳感器和通信器與第一輛車聯(lián)系，及時更新信息，順應路況，實現(xiàn)合理駕駛。

 

 

V2V，或者拓展到V2X，指的是汽車車輛之間，或者汽車與路邊行人/騎車者的通信系統(tǒng)。這類系統(tǒng)就是所謂的車輛臨時網絡（Vehicular Ad-hoc Networks, VANETs），它屬于一種移動臨時網絡（Mobile Ad-hoc Networks, MANETs）。在這個網絡中，每一輛入網的車可以成為一個網絡節(jié)點，具有移動性。每個節(jié)點與其他節(jié)點協(xié)同，減少盲區(qū)，避免事故。

 

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

 

車聯(lián)網的發(fā)展是跨行業(yè)的，涉及的技術眾多，在這里我們著重介紹與無線通信及系統(tǒng)密切相關的，分別從物理層和網絡層入手。

 

 

當前，由IEEE 802.11p和IEEE 1609組成的協(xié)議框架能夠完成車聯(lián)網的一些最基本的功能。IEEE802.11p是IEEE 802.11系列的一個版本，可謂專門為車聯(lián)網而“定制”。這樣，WiFi的關鍵技術IEEE802.11技術正通過802.11p拓展到車聯(lián)網的V2X應用上。IEEE802.11p傳承了WiFi大部分的物理幀結構設計，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，在美國的頻段是5850MHz~5925MHz，工作帶寬均為10MHz，共支持7個，其中2個只能由公共安全部門所使用。相比一般的蜂窩網絡，IEEE802.11p所能覆蓋的半徑并不大，在500m以內，因而被稱為短距離通信（DSRC）技術。同時IEEE802.11p協(xié)議中引入了時鐘廣播和增強的信道抑制技術，以加強車聯(lián)網的物理層。其中時鐘廣播技術可以幫助節(jié)點與公共的時間參考保持同步；而信道抑制目的是提高接收器對5GHz左右的帶外干擾的抵抗能力。

 

由于車輛的快速移動性，車輛與路邊的網絡基礎設施所組成的通信鏈路也都是臨時性的，即只在很短的時間之內存在。所以這個鏈路必須在極短的時間建立連接，發(fā)送數(shù)據。而IEEE802.11技術中的那些繁瑣的連接認證過程耗時過長，難以使用在車聯(lián)網。為此，IEEE 1609填補了高層協(xié)議的空白，形成一套完整的協(xié)議棧。IEEE1609包括4個子協(xié)議，其中IEEE1609.1定義了資源管理，將遠端的應用層與當前的車輛聯(lián)系起來；IEEE1609.2為應用層和管理信息提供安全服務；IEEE1609.3是IEEE802.11p的網絡層；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，適用于更遠距離的通信技術，如WiMAX（IEEE 802.16）、GSM或者3G/4G，都曾被考慮作為潛在的車聯(lián)網技術。但是這些技術都需要廣泛而耗資的基礎網絡部署以及針對車聯(lián)網具體需求的技術改進。

 

車聯(lián)網下層網絡中，節(jié)點主要分為兩大類：車載單元（Vehicular on-board unit）和路邊單元（road-side unit）。路邊單元如同WiFi網絡中的錨點，提供與基礎網絡的通信。如果需要，路邊單元有責任為車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”（beacon）信號，以便車載單元監(jiān)聽識別。這個過程和物理層信號與WiFi的有一些不同。另外還有一種比較特殊的節(jié)點，一般置于應急場景中的警察、消防或急救車輛上，他們盡管是車載單元，但也具備路邊單元的許多功能。

 

 

 

為了更好地滿足低時延的要求，車聯(lián)網物理層協(xié)議需要靠慮對幀結構的適配。當前LTE的子幀長度為1ms，因為支持自適應重傳，一來一回，每次時延至少8ms，幾次下來，光是空中接口的時延就有十幾ms。為降低時延，物理幀的長度需進一步縮短，如果采用自適應重傳，來回時間每次應遠小于5ms。

 

在高可靠傳輸應用中，LTE對一般數(shù)據在空口誤塊率（FER）要求是初始傳輸為10%，經過幾次重傳后（當然增加了時延），誤塊率如果低于1%即可。顯然這遠遠無法滿足99.999%可靠度的要求。為進一步改進系統(tǒng)性能，首先可以考慮使用新的信道編碼技術，在不明顯增大時延的條件下，把誤塊率降到十萬分之一?；蛘呤褂酶行У那跋蚣m錯編碼技術（FEC）的低時延高可靠傳輸機制：通過犧牲速率（或帶寬），可以極大降低信息重傳的概率，從而有效降低傳輸時延。

 

通過設計較短的連接建立信令流程及終端與網絡的身份鑒定方法可以進一步降低時延。

 

另外，采用跨信令棧的自適應路由機制，在低時延及高可靠性兩者之中進行適時的調整，優(yōu)化網資源的使用，提高傳輸性能。增強MAC協(xié)議的業(yè)務保障能力與多業(yè)務資源合理分配功能，可以在可靠傳輸?shù)那疤嵯?，進一步降低時延。

 

 

反過來，車聯(lián)網對傳統(tǒng)網絡的演進也提出了新的挑戰(zhàn)。車聯(lián)網的無線空口具有短程特征，而且有短時延與高可靠度的需求，這導致無線蜂窩網的建網理念不能完全適用。無線基站并非合適的路邊站，導致很多現(xiàn)有設施難以被重復使用。如何利用已有的網絡設施，如何經濟地鋪設新的設施（光纖傳輸網/微波傳輸網/光纖接入網/IP網/傳統(tǒng)電話網等）是建立智能交通基礎設施必須考慮的實際問題。減少基礎設施的投資和提高已有設備的復用能力，需要新的組網技術、網絡實現(xiàn)技術和網絡管理技術。軟件控制網絡（SDN）和虛擬網絡（NFV）技術必將在這里得到恰當?shù)膽煤瓦M一步的發(fā)展。網絡架構需要進一步扁平化和虛擬化，通過優(yōu)化端到端數(shù)據傳輸路徑，從而減小數(shù)據傳輸經過的網絡設備，從而降低數(shù)據傳輸時延；通過優(yōu)化數(shù)據傳輸路徑，保證數(shù)據動態(tài)選擇可靠性最優(yōu)路徑進行傳輸，從而提高通信的可靠性。

 

 

車聯(lián)網也可以看成是終端直通通信（D2D）的一種應用，每一個車載單元與附近其他車輛上的車載單元進行直接的通信。因為無需通過基站或者路邊單元的轉發(fā)，車輛之間通信的延時可以大大降低，傳輸速率也可提高，尤其當車輛距離較近時。D2D的未來技術，例如，基站可控的直通通信、終端間的互發(fā)現(xiàn)、基于分布式調度的移動臨時網絡等，都可以運用到車聯(lián)網當中。車聯(lián)網還可以看成機器間通信（MTC）的一種應用，也會有大量終端（這里即車載單元）存在于系統(tǒng)當中，需要系統(tǒng)的維護和支持，小的控制信令包不斷，系統(tǒng)負擔很大。而在交通擁堵時，同時會有很多車載單元競爭接入，對系統(tǒng)帶來巨大的沖擊。因此，未來MTC的技術發(fā)展，尤其在控制信令優(yōu)化和“接入風暴”處理方面的創(chuàng)新將會極大地提高車聯(lián)網的性能。

 

智能交通系統(tǒng)是一項前途廣闊的新技術領域，是通信和信息技術的新的應用領域。不同于傳統(tǒng)技術，智能交通是一個跨行業(yè)、跨技術領域、跨國界的巨大的系統(tǒng)工程。完成這一工程，需要車輛制造行業(yè)、公路建造管理部門、城市建筑規(guī)劃部門、通信設備廠商和網絡公路運營部門的合作，共同開發(fā)完善這一技術，使之走向成熟，形成新的產業(yè)鏈和商業(yè)模式。