关于车载物联网的技术探讨(2)

3车载物联网面临的挑战

车载网络所独有的特性给人们提来了前所未有的挑战，然而，与此同时，这些特性也使人们能够从与以往不同的角度去思考和解决问题。

车载网络分3层：链路层、网络层和应用层。各网络协议层面临不同的挑战。

3.1链路层面临的挑战

在链路层，面临的主要挑战是如何使链路层协议适应独特的车辆运行环境，使链路层获得最佳性能。链路层协议包括3个主要设计目标：响应能力、可靠性和可扩展性。首先，链路层协议需要能够对信道条件和车辆的移动性快速响应，同时协议的可靠性和可扩展性对与安全相关的应用也起着重要的作用。一些传统的链路层协议的设计方法，如无线接入点(AP)握手、媒体访问控制(MAC)层超时管理、地址解析协议(ARP)超时等，在高速移动的车载环境中已显示出低下的性能。这些传统的设计方法通常会导致增加的启动延时、未充分利用的带宽，以及带宽的不公平分配。

实际上，可扩展性和可靠性在一定程度上互相影响，互相作用。可靠广播技术也是重要的研究问题之一。目前的可靠广播技术一般包括重复广播、合作式传递、发射功率自适应等。可靠性和可扩展性仍然值得进一步深入研究，特别是针对车辆安全系统的应用，因为最终用户对车辆安全系统要求很高。

3.2网络层面临的挑战

在网络层，面临的主要挑战是建立一个新的路由模式，以促进车载网络的信息传播。在过去10年中，无线自组织网络方面得到广泛研究。特别是，研究人员为车载网络提出了许多具有环境自适应能力的路由协议，如MDDV[8]和VADD[9]。这些协议利用车辆的移动性，通过GPS定位技术、数字地图技术，在车载网络环境中提高数据包的转发性能。从本质上讲，这些协议都是针对以数据包为基本单位而设计。数据包在从源到目的地的整个转发过程中都保持不变。然而，这种基于分组转发的模式已不能适应以信息为中心的应用需求。首先，对于某些应用转发路由没有明确的数据源和目的地。信息由某些节点共同产生，然后传递给另一些节点。其次，信息在传递的过程中会被修改。如在交通阻塞的检测中，每部车都能产生交通拥塞报告，而这个报告可以和其他临近的车辆产生的报告相融合。所有向拥塞地点行驶的车辆是这些报告的接收者。在这类应用中，人们事先并不知道什么时间、什么地点、哪些车辆会产生报告，人们也不知道谁会成为接收者。有一些基于分组转发的路由协议，例如多播技术和基于位置的广播技术，能够部分解决这类应用的需求。然而，从本质上讲，人们需要一个新的路由模式，能够为以信息为中心的数据传输提供支持，这个模式将能够有助于信息的产生，融合，传播和删除。

3.3应用层面临的挑战

在应用层，人们所面临的主要挑战是如何效地表示、发现、存储和更新整个网络的信息。

命名和寻址是车载网络的核心问题。如何有效地将真实世界的信息建立索引，以方便信息存储和传播，是一个有待研究的问题。本文认为寻址将采用混合型、多层次的方案，真实世界的环境信息将起重要作用。命名和寻址政策对系统中的其他协议，如路由和信息发现有重大影响。由于车辆的高移动性，另一个挑战是如何动态地将车辆的标签(ID)映射到基于位置的地址，如在基于位置的广播中，人们需要知道在某一区域内的所有车辆列表。这个问题对于整个混合网络体系都有非常重要的影响。本文认为可以在车辆以及路边基站上实现类似地址解析协议/反向地址解析协议(ARP/RARP)来帮助解决这个问题。

分布式数据管理是另一个车载网络中具有挑战性的问题。它包括数据复制、数据删除、缓存管理等一系列问题。传统的分布式数据管理假定在地理上分散的多台服务器连接在同一网络，这在车载自组织网络中不再成立。从本质上讲，人们可以把车载网络看作一个巨大的分布式数据库系统，其中每个车辆维护一个本地的数据库。车和车间不定期交换数据，从而逐步更新全局数据库系统。从全局的角度来说，不一致性不可避免。为此，一个研究问题是如何以最小的开销来维护一个相对一致的分布式数据库。

4车载物联网中的信息传播

本文认为车载网络是一个以信息为中心的分布式系统，信息在网络的不同位置生成、收集和发布。人们可以把信息传播分为两个不同的层次：宏观信息传播和微观信息传播。以信息为中心来发现系统需求十分重要。表1列出了宏观和微观层次上主要的研究课题和及其代表性的工作。

4.1宏观信息传播

宏观信息传播指在一个特定的地理区域里将信息传递给一个或一组节点。信息传播的目的地是网络中的特定的单个节点或者一组指定的节点组，甚至可能是一组未知节点。宏观信息传播的目的是减少信息传递延时，减少传递开销(包括存储开销和通信开销)，并提高未来查询的成功率(如果接收节点是事先未知的)。宏观信息传播的研究课题通常包括信息路由、数据缓存、数据融合等。

信息传播可以建立在基础设施之上，也可以不依赖基础设施。Jedrzej等[10]提出建立于蜂窝网络基础设施上的P2P叠加网络。车辆通过蜂窝网络的基础设施建立到互联网的可靠链接，然后这些车辆之间可以以P2P叠加网络的方式来实现非安全应用的信息共享、发现和交换。然而，由于基础设施提供的服务通常是付费订阅的方式，这实际上限制了消费者的数量。与基于基础设施的网络服务相比，相对廉价的自组织网络方案显得更有吸引力。另一方面，大多数的非安全应用没有严格的实时性要求，因而，当前的一项研究热点是以容迟的方式来实现车载自组织网络的信息传播。研究者提出了一些通用的容迟网络路由协议，如流行性路由[12]。还有一些前摄的办法，如文献[13]、文献[14]利用预知的地理位置、连接模式和可能的运动方向来帮助信息传播。一些现有的容迟网络(DTN)路由协议假定一个预定义源和目的地。如Small和Hass的研究[11]建立了监控野生鲸鱼的DTN网络。他们在鲸鱼的背上安装一个传感器节点，鲸鱼的运动信息就以容迟的方式一跳一跳地传递到接收站。

数据缓存和数据融合也是车载自组织网络中热门的研究方向。Zhao等人[15]使用了定期广播和缓冲的方法从数据中心分发信息到车载自组织网络。根本上来说，它是一个从数据中心到车辆的单向信息传播。Lochert等人[21]提出了一个层次性的数据融合方案。该方案定义了一组地标来帮助计算旅行时间。他们还提出了一个路边基站的部署算法来优化信息融合。

在车载自组织网络中，信息的传播、缓存和融合都有过相应的研究。然而，在车载自组织网络中，大多数类型的信息中并不包括任何目标车辆的先验知识，因而容迟的数据传播、数据查询、数据缓存以及数据融合密切地联系在了一起。任何车辆可能会产生并发出一个查询，且希望其临近车辆能尽快响应。

传统的包路由已不能适应以信息为中心的应用，人们需要建立一个全新信息路由模式。首先，需要定义信息路由的目的地。对大多数人而言，传播的目的地是一个虚拟的概念。它受时间、空间和车辆的限制。换句话说，目的地包括的是所有满足当时时空条件的车辆。有两个基本的信息传播模式：拉(Pull)模式和推(Push)模式。拉是指一辆车定期广播它感兴趣的查询，并从邻居车辆中获取数据。推模式是指车辆有目的地把信息推入周边的车辆，使得对此信息感兴趣的用户可以更方便地得到这些信息。在车载网络技术市场化的初级阶段，只有较少比例的车辆具备车载通信能力，通信仅限于一跳，因此推模式更为重要。当制订推模式的策略时，人们必须考虑到数据缓存和融合的潜在影响。人们可以利用启发式的周边信息(如行驶方向、速度、经常光顾的地方等)或社交网络信息来预测和控制传播。

4.2微观信息传播

微观信息传播指涉及一跳或者几跳的局部信息传递。在车载网络技术市场化的初级阶段，车辆很少有机会遇到其他车辆或路边基站。所以，提高两车相遇时信息传播的效率十分重要。

最近的一些研究关注于车载环境中的单跳通信性能。Bychkovsky等人[3]研究了在公共Wi-Fi无线网络中提高单跳通信的数据吞吐量的技术。他们进行了一系列的实地测试来调查在MAC握手、获取IP地址、建立IP路由等时候可能的性能损失。Hadaller等人[4]进行了以802.11协议为基础的单跳通信的实验，并提供了详细的实验分析。通过实验，他们发现了一些现有无线访问机制在数据吞吐量方面低效的根本原因。以上这些工作从底层协议(物理层、MAC地址、路由)的角度来分析和改进链路吞吐量。

微观信息传播也涉及局部多跳通信。一般来说，本地多跳通信的主要任务是协调本地车辆并帮助信息沿预定方向传播。VADD[9]是一种利用车流模式和道路拓扑来找到传递数据包的最优道路的转发协议。MDDV[8]利用车辆的流动性来帮助信息传播。MDDV使周边的车辆协作转发数据包，以此来提高数据包转发的可靠性。Zhao等人[18]研究了如何以路边基站作为中继的方式来提高吞吐量。(责任编辑：admin)