CN102724663A - 基于中继的车联网协同通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于中继的车联网协同通信系统，包括：车联网接入模块、车联网网络和传输模块、车联网管理模块、车联网基站设备、车联网信息安全模块及车联网应用模块，其中，所述车联网接入模块用于提供接入接口；所述车联网网络和传输模块用于对不同的车联网网络及路由策略提供与相应网络相似或可以完全兼容的网络传输体系；所述车联网信息安全模块用于为车联网通信提供密钥管理、身份认证等；所述车联网管理模块作为车联网的控制中心，用于管理和维护入网车辆信息、路况信息等；所述车联网应用模块用于提供车联网用户接入后备网的接口。本发明的优点包括：能实现车联网多种方式透明接入网络，保证通信的连续性，全网数据共享和提高车联网通信效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种车联网领域，特别涉及一种基于中继的车联网协同通信系统。
背景技术
车联网是以车辆为基本信息单元，通过传感器技术、信息采集技术、接入技术、传输技术、组网技术于一体，将行人、车辆、路边设施等道路实体与交通管理网络、移动网络与后备网络连接；服务于车辆安全、交通控制、信息服务、用户网络接入等应用；旨在改善交通状况、提高出行效率、拓展信息交互形式的智能综合网络体系。车联网具有广泛性、移动性和智能性三个特点。车联网就其本质而言是一种特殊的网络，广泛性指车联网所定义的车辆是广义的概念，包括飞机、船舶、铁路等交通工具。除了车辆外，车联网还包括路边设施、车载传感器、数据服务器等相关设施。对于不同通信设备与入网方式，车联网都提供相应的接口。移动性是车联网的根本特性，车辆的不断运动使得车联网的拓扑结构复杂、动态性高。车联网能为任何地点用户提供一个或多个接口以满足用户接入因特网通信需求，实现车辆与车联网服务器进行实时数据服务(如提供路况信息，基于位置信息的地图下载服务等)。智能性指的是车联网能够主动通过各种传感器，实时获取车辆和路况信息并作出相应反应，而不是被动的收集信息，等待信息被处理。
目前国内外对车联网研究主要有美国交通部自2009年起组织开展的IntelliDriveSM项目是为交通系统运行提供全新解决方案的大型ITS研发计划。该研发计划旨在建立车辆与车辆、车辆与基础设施之间的无线通信网络，并在此基础上实现增强交通安全、提升交通运行效率以及改善交通环境等方面的应用。车路协作系统研发计划是欧盟所支持的大型ITS研究与发展项目，主要目的是设计、开发和测试为了实现车辆之间通信以及车辆与附近的路边基础设施之间通信所需的技术，旨在提高旅客和货物的移动性以及道路交通运输系统的效率。该项目在车辆上安装实现车车通信和车路通信的统一标准的无线网络终端，同时实现多种功能的车辆定位和动态数字地图功能，在车路通信的基础上，实现路网监控和事件检测系统，同时，还将实现辅助驾驶、交通管理、出行服务和商用车管理等功能。日本政府以及相关产业正着手研发下一代的智能交通系统SMARTWAY，计划用5年的时间在重要道路上覆盖路况认知传感器，构建智能汽车系统、智能道路系统、车路间协调系统，并通过光纤网络与互联网连通，实现交通信息的实时发布。我国现在已有一部分高校和研究机构开展了相关的研究，例如，国家科技攻关专题“智能公路技术跟踪”，国家863课题“智能道路系统信息结构及环境感知与重构技术研究”、“基于车路协调的道路智能标识与感知技术研究”等，在车载通信方面也已有一些研究。
现有车辆网络因为缺少整体协同通信框架和协议栈，存在全网数据采集缺乏、信息共享不充分和数据交互实时性不足等影响车辆安全的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于中继的车联网协同通信系统，以实现车联网多种方式透明接入网络，保证通信的连续性，全网数据共享和提高车联网通信效率。
为了达到上述目的及其他目的，本发明提供的基于中继的车联网协同通信系统，包括：车联网接入模块、车联网网络和传输模块、车联网管理模块、车联网基站设备、车联网信息安全模块及车联网应用模块，其中，所述车联网接入模块与所述车联网网络和传输模块、车联网信息安全模块及车联网管理模块相连接，用于提供接入接口，以便能接入由不同类型网络传输至的与车辆及路况相关的信息；所述车联网网络和传输模块与所述车联网信息安全模块、车联网基站设备及车联网管理模块相连接，用于对不同的车联网网络、路由策略，提供与相应网络相似或可以完全兼容的网络传输体系；所述车联网信息安全模块与所述车联网基站设备及车联网应用模块相连接，用于为车联网通信提供密钥管理、身份认证以确保各交通实体间传输的保密；还用于提供安全路由、数据传播，以保证数据在传播过程中不被篡改、丢弃或者插入虚假数据；还用于提供定位和位置验证、安全的时间同步；所述车联网管理模块与所述车联网基站设备及车联网应用模块相连接，用于管理和维护入网车辆信息、路况信息，以实现车辆在异构网络中垂直切换和跨层资源管理机制；还用于协调车联网中所有为车辆提供服务的基站，以实现车辆在不同基站间水平的无缝切换及车联网通信的QoS机制，并根据入网车辆的信息和业务种类，提供不同优先级的服务；车联网基站设备，与车联网应用模块相连接、用于提供标准的会话支持、信息支持和统一的应用层接口；所述车联网应用模块用于提供车联网用户其他非安全或非实时的接入后备网的接口。
其中，所述车联网管理模块还包括：与媒介无关的切换单元，用于进行数据处理，并根据数据业务内容，为不同接入方式提供相应的资源，包括无线资源的分配、用户接入控制、地址管理、精确的位置管理、在不同基站间的切换和节点的选择。
综上所述，本发明的基于中继的车联网协同通信系统能够实现在信息网络平台上对所有车辆的属性信息和静、动态信息进行提取和有效利用，并根据不同的功能需求对所有车辆的运行状态进行有效的监管和提供综合服务。
附图说明
图1为本发明的基于中继的车联网协同通信系统的应用场景示意图。
图2为本发明的基于中继的车联网协同通信系统的结构示意图。
图3为本发明的基于中继的车联网协同通信系统的车联网协同通信协议栈结构图。
图4为本发明的基于中继的车联网协同通信系统的与媒介无关的切换示意图。
具体实施方式
本发明的基于中继的车联网协同通信系统的应用场景如图1所示，在该应用场景中的交通实体包括：传感器、、路边设施和车辆等。其中，传感器包括：检测车流量的埋地线圈、交叉路口的视频检测系统、车上的速度传感器等，用于负责收集车辆相关信息以及路况信息。路边设施根据不同无线接入方式分为：Wimax基站，3G基站，Wifi接入设备，用于通过无线方式发布路况信息并接收车辆相关信息，上传车联网服务器并为进入服务范围的车辆提供接入因特网接口。车辆作为车联网重要组成部分，一方面通过车载传感器收集路况信息，另一方面接收路边设施发送过来的信息，满足车辆用户不同数据业务的需求。
概括来说，车联网的通信分为三大类：车内通信，车辆内部控制单元与车辆传感器和无线收发设备之间的通信；车车通信，借由Ad hoc组网方式，不通过基础设施的直接通信；车路通信，车辆与路边设施通信，车辆以单跳或多跳的方式与路边设施通信。这也包括了车辆通过路边设施接入后备网。
基于上述三种不同的通信方式，本发明的基于中继的车联网协同通信系统包括：车联网接入模块、车联网网络和传输模块、车联网管理模块、车联网基站设备、车联网信息安全模块及车联网应用模块，如图2所示。
所述车联网管理模块作为车联网的控制中心，分别管理和维护入网车辆信息、路况信息；实现车辆在异构网络中垂直切换和跨层资源管理机制；协调车联网中所有为车辆提供服务的基站，实现车辆在不同基站间水平的无缝切换；实现车联网通信的QoS机制，根据入网车辆的信息和业务种类，提供不同优先级的服务等。
所述车联网信息安全模块为车联网通信提供密钥管理、身份认证确保车联网传感器、车辆、基站等交通实体间传输的保密；提供安全路由、数据传播，保证数据在传播过程中不被篡改、丢弃或者插入虚假数据；提供定位和位置验证，车联网大部分应用依赖准确的位置信息，位置信息的准确性对车联网有着重要意义；提供安全的时间同步，车联网的实时业务，尤其是安全应用要求高度精确的整网同步。
所述车联网应用模块提供车联网用户其他非安全或非实时的接入后备网的接口。模块有前后向兼容性，能够兼容现有网络体系和未来可能的新应用。
所述车联网网络和传输模块基于底层不同的车联网网络、路由策略，提供与现有网络相似或可以完全兼容的网络传输体系。所述车联网网络和传输模块将基本的TCP/UDP协议、智能交通信息等，融合成统一的数据格式。
所述车联网接入模块用于为底层传感器网络、无线网络和有线网络提供统一的接入接口。
此外，与所述车联网网络和传输模块、车联网管理模块、车联网信息安全模块及车联网应用模块连接的车联网基站设备，用于为上层应用提供标准的会话支持、信息支持和统一的应用层接口。车联网基站设备可以是WIMAX设备、WIFI接入设备、2G/3G基站及其他能够为车辆提供接入和信息服务的基站。
所述基于中继的车联网协同通信系统的车联网协同通信协议栈如图3所示。从物理层、MAC层、网络层、传输层为车路协同通信定义相应的功能和结构，根据图3所示的车联网协同架构，协议栈为车联网管理模块、车联网信息安全模块和上层车联网各种应用提供统一接口。车联网管理接口负责车联网内部各层间，多种通信协议的融合，提供数据业务的差错控制、资源调度和路由机制等；物理层和MAC层负责车联网底层通信的工作。车辆间通信主要使用IEEE802.11协议，IEEE802.11a/b/g协议被大量用于无线组网，802.11p更是专门为车辆自组织网络指定的协议。车路通信可以使用2G/3G技术，来满足长距离车辆与路边设施间的通信。车内通信可以使用蓝牙、红外等技术；网络层和传输层协议，融合底层不同车辆接入方式的数据，把有效负载上传给应用层接口，传输层需同步车联网的同步和提供高效的路由机制，移动性管理等。考虑车联网的物联特性，网络层使用扩展性较好的IPv6协议。协议栈上层应用接口为车联网上层交通安全、数据业务提供统一的接口，接口除了包含交通信息、控制信息等相关协议，还能够与现有的因特网兼容。自定义协议为了提高车联网协议栈的前后向兼容性，应用层接口除了现有网络体系常用协议，还支持用户自定义的协议。这种协同通信协议栈，通过对车辆网实际业务流的分析，参照现有网络体系分层设计适用于车载环境的协议，拥有良好的扩展性。
从实际车联网场景考虑，移动车辆上可能同时拥有多个不同网络的接口(ZigBee，Wi-Fi，Bluetooth，红外等)，在车联网引入中继技术后，基站和终端将通过中继站点进行信令的交互，而不是两者间的直接通信。由车辆中继充当网关作用，融合多模的通信方式，对于车辆终端使用者，网络细节是透明的。基于中继多模技术的融合可以使得不同无线传输技术互补。此外，所述基于中继的车联网协同通信系统能辅助基站设备对用户终端做出资源分配优化的相应判决，减轻对基站的负担，提高系统的吞吐量和数据传输速度，并能根据不同类型的业务提供不同的服务质量保证。所述基于中继的车联网协同通信系统的另一优势在于，不需要对现有网络体系标准做出更改就能实现异构网络的融合，从经济角度来说，所述基于中继的车联网协同通信系统使得车联网异构融合成为可能。
所述车联网管理模块还包括与媒介无关的切换单元，如图4所示。对于现有无线网络，不同类型的接入方式和无线网络拥有不同的媒体访问控制层(MAC)和移动性管理协议，网络层及以上协议基本相同的。因此，在第二层和第三层协议之间，使用所述与媒介无关的切换单元，能很好的屏蔽车联网底层不同接入方式的差异性，满足异构网络融合的问题。如图4所示，物理层包含有传感器网络、蓝牙、3G等不同的无线技术，当这些异构接入方式将数据发送到MAC层时，由所述与媒介无关的切换单元(MIHF)统一进行数据的处理，根据数据业务内容，为不同接入方式提供相应的资源，如无线资源的分配、用户接入控制、地址管理等等。对于移动的车辆或用户，还需要提供精确的位置管理、在不同基站间的切换和节点的选择。最后，数据由QoS管理子层向上层传输数据。
综上所述，本发明的基于中继的车联网协同通信系统通过行人、车辆和路边设施的实时、高效和双向的信息交互，结合车内传感器网络和车内控制器，能为交通参与者提供全实时的、可靠的交通信息，实现人、车、路协同工作，以实现在信息网络平台上对所有车辆的属性信息和静、动态信息进行提取和有效利用，并根据不同的功能需求对所有车辆的运行状态进行有效的监管和提供综合服务。而且，由于具有与媒介无关的切换单元，可很好的屏蔽车联网底层不同接入方式的差异性，满足异构网络融合的问题。
上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
Claims (4)
1.一种基于中继的车联网协同通信系统，其特征在于包括：车联网接入模块、车联网网络和传输模块、车联网管理模块、车联网基站设备、车联网信息安全模块及车联网应用模块，其中，
所述车联网接入模块与所述车联网网络和传输模块、车联网信息安全模块及车联网管理模块相连接，用于提供接入接口，以便能接入由不同类型网络传输至的与车辆及路况相关的信息；
所述车联网网络和传输模块与所述车联网信息安全模块、车联网基站设备及车联网管理模块相连接，用于对不同的车联网网络、路由策略，提供与相应网络相似或可以完全兼容的网络传输体系；
所述车联网信息安全模块与所述车联网基站设备及车联网应用模块相连接，用于为车联网通信提供密钥管理、身份认证以确保各交通实体间传输的保密；还用于提供安全路由、数据传播，以保证数据在传播过程中不被篡改、丢弃或者插入虚假数据；还用于提供定位和位置验证、安全的时间同步；
所述车联网管理模块与所述车联网基站设备及车联网应用模块相连接，用于管理和维护入网车辆信息、路况信息，以实现车辆在异构网络中垂直切换和跨层资源管理机制；还用于协调车联网中所有为车辆提供服务的基站，以实现车辆在不同基站间水平的无缝切换及车联网通信的QoS机制，并根据入网车辆的信息和业务种类，提供不同优先级的服务；
车联网基站设备与车联网应用模块相连接、用于提供标准的会话支持、信息支持和统一的应用层接口；
所述车联网应用模块用于提供车联网用户其他非安全或非实时的接入后备网的接口。
2.如权利要求1所述的基于中继的车联网协同通信系统，其特征在于：所述车联网基站设备包括：WIMAX基站、WIFI接入设备、2G基站及3G基站中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的基于中继的车联网协同通信系统，其特征在于：所述车联网管理模块还包括：与媒介无关的切换单元，用于进行数据处理，并根据数据业务内容，为不同接入方式提供相应的资源，包括无线资源的分配、用户接入控制、地址管理、精确的位置管理、在不同基站间的切换和节点的选择。
4.如权利要求1所述的基于中继的车联网协同通信系统，其特征在于：所述交通实体包括：传感器、车辆、及车联网基站设备。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20121010 |