车联网综述--IEEE Access

一、概述：
车联网：Internet of Vehicles（IoV）,IoV是VANETs（vehicular ad hoc networks：车用移动通信网络）的改进。
车联网包括5种类型的车辆通信方式：车辆 to 车辆、车辆 to 路边、车辆 to 蜂窝网络基本设施、车辆 to 个人设备、车辆 to 传感器。
协议栈结构考虑三个层面：管理、操作、安全层面。
二、IoV的五层结构：

1.Perception layer：在这一层有不同的传感器、驱动器等连接到车辆、RSUs、智能手机、和其他的私人设备，这一层的基本职责是获取信息：速度、方向、加速度、位置、引擎条件、旅游情况（道路车辆密集度、道路天气条件）；这一层也负责感知数据到协作层的电磁传输和安全传输。这一层主要是在能量和成本方面有效地收集和区分所获得的信息。

2.Coordination layer：这一层是将异构网络（涉及：WAVE、Wi-Fi、4G/LTE、卫星网络等）之间进行协作（即处理来自异构网络的不同结构的信息，并重新装配成能被所有网络识别并处理的统一结构），从而将来自底层的感知信息安全地传输到AI层进行处理。

3.Artificial Intelligence layer：这一层被描述为虚拟云基础结构，是IoV的核心部分，主要职责是存储、处理、分析来自底层的信息，并根据关键的信息作出判决。其作为信息管理中心，这里的计算分析技术包括：交通云计算、大数据分析、专家系统。

4.Application layer：这一层被描述为智能应用，范围从交通安全和效率到基于娱乐信息节目和网页的多媒体

5.Business layer：这一层被描述为IoV的操作管理模块，这一层的职责是去预测基于应用使用数据和数据的统计分析的商业模型的发展策略，不同的分析工具类型包括：图像、流程图、比较表格、使用例子图解。其他的职责包括：经济投资、资源使用、应用使用价值、操作和管理的总体预算、综合数据管理。

三、IoV的协议栈：
1.安全层面：
2.操作层面：
在感知层，考虑很多物理层协议，包括：WAVE的802.11p 、WLAN（无线本地局域网）的802.11a/b/g、WiMax（全球微波互联接入网，也叫无线城域网）、以太网、LTE、GSM、卫星通信。

在协作层，被分为三个子层，分别为：底层、中层、高层。
底层：不同的MAC层协议被应用于底层，包括：IEEE 802.11p,802.11 (a/b/g/n) 和伴随着GHM（全球切换管理）的1609.4，考虑到在感知层考虑的技术范围，GHM的设计是物联网中的开放式研究挑战；
中层：考虑应用LLC（逻辑链路控制）协议；
高层：执行除了传统的IP和UDP/TCP的结合的网络和传输层操作，需要考虑三个协议，包括：C2C网络协议、WSMP（短信协议）、FAST（快速应用和通信启动器）。这些协议在C2C、WAVE、CALM项目中被建议为网络层协议，WSMP和FAST不使用IP协议，而C2C-net在一些操作中使用IPv6协议。

在AI层，CALM服务层（CALM-SL）和WAVE-1609.6服务相关的协议在AI层的底层；VCC（交通云计算）和BDA（大数据分析）相关的协议在AI层的上层被利用，包括：STaaS（云服务存储服务）、INaaS（基础设施服务）、NaaS（网络服务）、CaaS（协作服务）、ENaaS（娱乐服务）、GaaS（网关服务）、PICaaS（图像服务）、COMaaS（计算服务）。由于没有适用于VCC和BDA的协议，AI层的协议是IoV中的正在研究的挑战。

在应用层，包括两个应用设置，即SSE（智能安全和效率）和SBO（面向智能业务），在应用层的上层，定义在WAVE的资源管理协议1609.1被用来管理智能应用中的资源。

在商业层，考虑四种类型的商业模型，包括INS（保险）、SAL（销售）、SER（服务）、ADV（广告）

3.管理层面：
在这个层面，可以考虑属于WAVE、CALM 和C2C中的管理操作的三个协议组。层管理 IEEE 1609.5 和 信道协作协议在WAVE中被开发；CALM提出了三个用于管理目的的协议，即应用、网络和接口管理者；信息连接器协议在C2C中也以管理为目的提出。

四、IoV的网络模型：
IoV的三个组成单元：

1.云：
车联网中，“云”单元主要实现信息的计算与处理功能，主要分为三部分：basic cloud services、smart application servers、information consumers and producers。下图为这三部分框架图：

1.基础云服务：包含智能流量应用服务器提供的服务，包括：CaaS（协作服务）、STaaS（存储服务）、GaaS（网关服务）、COaaS（计算服务）、NaaS（网络服务）、DaaS（数据服务）。
智能ITS（Intelligent Transport System）应用服务器被考虑开发并部署在云平台上，为IoV的应用程序提供基本的云服务。

2.智能ITS应用程序服务器：IoV的智能应用程序服务器被分为四个类别，分别为：流量安全、流量管理、服务订阅、娱乐；对于智能服务器有两个处理机，分别为：内部处理机和外部处理机。内部处理机包括：大数据单元、大数据处理单元、处理过的大数据分析单元，并且这三个单元的操作使用云平台上的基础云服务来执行。外部处理机包括信息传递单元（负责服务与客服应用程序的端到端信息传递）和信息收集单元（负责源数据收集）。

3.信息的生产者和消费者：IoV的智能设备（包括：交通工具、私人设备、路边单元）都是智能服务器提供智能信息的终端用户。这些设备负责从车辆交通环境中收集数据。与保险，汽车生产和维修以及其他基于互联网的服务相关的组织的商业模式的开发也是智能设备收集的数据的主要用途之一。

2.连接：
“连接”部分是用来建立并维护“云”和为了接入基于智能服务的“云”的交通工具在“连接”部分由两个重要组成部分（Third Party Network Inter Operator (TPNIO)和Gateway of Internetworking(GIN)）。TPNIO负责“连接”的管理，GIN代表“连接”。
1.Third Party Network Inter Operator (TPNIO)：
TPNIO支持无缝漫游，不会影响网络运营商服务的质量和安全性，其主要由5部分组成：GHM（Global Handoff Manager）、GAAB（Global Authentication, Authorization and Billing）、SM（Service Management）、NDB（Network Database）、ODB（Operator Database），其逻辑关系图如下所示：

Global Handoff Manager (GHM)：在车联网中主要负责不同网络运营商通信的不间断无缝切换。
Global Authentication Authorization and Billing (GAAB)：主要负责对交通工具的允许接入证书进行认证和网络服务使用的定价。
Service Management (SM)：负责提供并监控为车辆服务的质量。
Network Database (NDB)：NDB是在车联网中具有相关技术和协议的注册网络的数据库，当在不同网络运营商之间建立通信时，这个数据库被使用去识别网络。
Operator Database (ODB)：ODB是注册的不同网络类型的运营商的数据库，被用来识别运营商和服务等级协议从而提供有保证的服务质量。
2.Gateway of Internetworking(GIN)：每一个车载网络都有GIN和TPNIO来协作建立并维护连接。车联网包括5种类型的车载网络（包括：V2V, V2R, V2I, V2P, and V2S），不同的车载网络可能使用不同的无线接入技术，通过使用客户端应用程序的这些网络在GIN的帮助下可以接入智能服务器服务。

Mobility Management (MM)：负责提供移动IP相关的功能，在车联网中，具有网络运营商注册的车辆考虑HAV（Home Agent Vehicle），其他的运营商考虑FAV（Foreign Agent Vehicle）。
Local Authentication Authorization and Billing (LAAB)：提供网络中本地用户HAV的鉴定、授权、记录服务，也帮助TPNIO中的Global AAB (GAAB)的FAV提供相同的服务。
Traffic Management ™：提供网络流量监控服务，

3.无线技术的优先选择：
无线技术的优先性由6个参数特征化描述（如下表所示），这6个参数分别为：速率、通信覆盖范围、移动性支持、通信时延、安全支持、可扩展性。对于特定的客户应用程序，可通过无线技术的优先性来选择最合适的无线接入技术，从而达到维持QoS的目的。

3.客户：分为面向安全和管理和面向商业的。
1.面向安全和管理的客户：
安全：提供一些应用，能够提高驾驶员的驾驶能力和质量，包括对车轮的自动控制操作，减少驾驶员需要操作的工作量。应用如下：
事故预防：通过车辆之间的实时信息交换实现防止交通事故的发生，能够进行不同的自动操作，比如：速度控制、变换车道、停车、转变方向。
紧急呼叫：在紧急情况下，会联系警察、火警、家人、朋友，可以自动也可以手动，这个系统可以提供现在或者过去车辆情景的全部信息，包括：乘客数量、方向、速度、位置、车道、事故发生的原因。这个被认为是车辆的黑匣子。

导航：导航应用的性能很大程度上取决于定位的准确性，应用程序如下所示：
实时交通信息：这是一个交通信息系统，使用车辆的视频传感器和异构通信网络来实时地提供交通信息。
停车辅助器：通过跟已停的车辆进行通信，来寻找最近的可用的停车位，这个系统依赖于停车场内的车辆准确定位，从而减少找停车位时的燃油和时间的浪费。
多种交通方式：这是面向大众的交通系统，目的是最优化资源（包括：时间、金钱、舒适度、燃油、娱乐等），从而制定最佳路线。

诊断：车辆诊断相关的应用程序主要是针对于车辆的健康检查。车辆条件的实时监控和车辆条件的云数据管理，是这些应用程序最关键的操作。基于云诊断的数据被用来进行车辆的在线预测和维修咨询，这些应用程序将会减少车辆的维修费用。这些应用程序会周期性地提醒是否需要维修以及维修的点。
自己维修：这是基于云平台的一步步维修指导系统，帮助车主维修硬件和软件的问题，通过语音和视频技术对各种车辆进行清晰的指导。

远程信息处理：通过使用高度安全的远程信息处理应用从而能够远程地使用车辆的非驾驶操作，这些应用程序基于远程跟踪、验证和授权。举例：车辆的远程锁定和解锁、车辆监控。

2.面向商业的客户：包括保险、汽车共享、娱乐节目信息、其他应用。
保险：通过对车辆驾驶员的驾驶行为、驾驶地点、驾驶周期、违反交通规则的次数的分析，从而降低保险费用，最优化车主的保险花费。

汽车共享：就是以顺风车的形式，避免资源浪费。

娱乐资讯：同步车辆和家里的、办公室的、私人的设备，从而提高工作效率和旅游体验。

五、IoV的优势：
IoV的优势分为两个方面：1）IoV与传统VANET比较；2）IoV评估的两种新模式，即Cyber-Physical System (CPS) 和Named Data Networking(NDN)。
1. IoV优于 VANETs：
利用15个参数进行评估：CM（Commercialization：商业化）、OB（Objectives：目标）、NA（Network Architecture：网络结构）、IS（网络服务：Internet Service）、CT（通信类型：Communication Types）、DC（设备兼容性：Device Compatibility）、PC（处理能力：Processing Capability）、DS（数据大小：Data Size）、DM（做判决：Decision Making）、CC（云计算：Cloud Computing）、AC（Autonomous Cloud）、AS（应用服务：Application Service）、SC（可扩展性：Scalability）、CO（连通性：Connectivity）、NAW（Network Awareness）

从评估中可以得到的结论：
1）IoV具有高度商业化，这是因为IoV除了智能安全、管理、效率应用程序还有智能商业化和娱乐节目应用程序。
2）IoV的车辆通信网络可以整合其他的车辆通信网络。
3）由于包含V2I通信，IoV可以提供可靠的网络服务。
4）现在日常使用的计算和通信设备都能跟IoV的车载网络兼容。
5）车辆的处理和判决能力、车载网络的容量、网络数据的容量将会在IoV中极大地提升。

2. IoV在CPS和NDN中：
VCPS（车辆网络物理系统：Vehicular Cyber Physical System）：在大流量数据和下一代网络信息的有效传输背景下，基于云智能计算的重要性逐渐增长，所以出现VCPS。VCPS包括5个部分，即传感、数据管理、下一代网络、服务和应用。VCPS的核心是在大流量数据非安全情景下使用云计算，安全场景下使用雾计算。VCPS的网络情景和物理情景如下图所示：

VNDN（Vehicular Named Data Networking）：能够实现车辆之间无地址化通信，VNDN基于寻址兴趣数据而不是基于寻址车辆的概念，从而减少地址管理，有效地减少网络负载和优化网络性能。扩展的VNDN如下图所示：

六、IoV的挑战和问题：
1. 定位精度：
相比于GPS定位：
1）GPS提供5m的定位精度，而IoV的要求是50cm；
2）GPS不会考虑物体的运动速度，而IoV中，车辆的速度是一项很重要的条件；
3）在密集的城区，GPS信号恶化甚至不可用。
2. 位置隐私：
由于在高度移动的网络环境，车辆通信基于周期发送的指示信息（包括：位置、速度、方向、加速度、车辆类型），这些位置信息的展露会导致巨大的隐私担忧，车辆需要经过位置信息来进行通信同时不暴露自己，现存的技术包括：笔名、沉默期、混合区域。但是还是存在以下问题：
1）笔名转换技术在高度密集的场景下是有效的，但在低密度场景下很容易被检测出来；
2）沉默期适用于非实时的智能传输系统（ITS），对于实时系统不适用；
3）混合区域适用于大区域的多线道路，对于单向道无效。
3. 位置认证：
邻车辆的位置认证是另外一项挑战，这是因为缺乏车辆通信的权威认证，现有的一些位置认证的技术有：定向天线、基于信任发送的指示信息、合作方法。下面为担心的问题：
1）定向天线基础设施建设的成本限制了这项技术的覆盖范围；
2）涉及发送指示信息可能会造成过载问题；
3）与邻车辆进行合作认证不太可靠。
4. 无线电传播模型：
由于现代的道路结构和车速，无线电传播正在逐步退化。无线障碍主要包括路中和路边的移动的障碍物（卡车、巴士、其他大型车辆）和静止的障碍物（包括：路边建筑、过街天桥、地下通道、隧道）。而且目前的车辆通信的WAVE标准使用5.9G的频率，穿透力差。下面为担心的问题：
1）车辆通信中，移动和静止障碍物的共同作用；
2）在无线电传播的低穿透能力的条件下，需要维持精确的视线。
5. 操作管理：
在IoV中，由于是多种类型的网络之间进行协作，IoV的数据量激烈增长，安全并且可信的操作管理将是一个挑战，车辆将会配备大量的传感器、不同类型的无线终端和转换器，从而会出现传统的网络运营商。除了设备复杂度，在大量移动环境下，云计算复杂度也是一个挑战。另外还有一些挑战，比如：减少损坏、随机框架、基于地理信息路由、MAC层标准。

七、未来展望：
未来的车辆通信将从以下几个方面引入：
1）在线车辆：每辆车都是在线的，其服务包括：车辆状态、权威机构的年度检修报告、公路税支付状态、维修或者服务历史等。由于周期性地在线告知车辆的状态，所以车辆的维修管理费用也会减少。
2）全球网络ID：每个车辆将有一个全球网络ID，这样是车辆在线的前提条件。全球网络ID将会消除GPS认证的需要，在交通事故中，歪曲事实以及非权威地修改将会被更加可信地处理，黑匣子中可能将会包含全球网络ID。
3）RFID+GPS：这二者的整合将会极大地扩展当前智能传输系统框架。RFID基于全球网络ID的安全标识并且GPS基于实时位置将会重新定义协议的性能。
4）道路网络：车辆的可靠网络服务将增添大量的新设备，这是由于网络中接入全部的车辆，这将产生一个新的研究方向在保护在线隐私和可信ID。
5）大量商业数据：基于车辆异构网络的整合的云将会产生巨大的数据资源，这些资源将会被以具有广泛商业模式的生产方式利用，包括：自动驾驶、网络、保险、商业分析。巨大商业数据在云存储、处理、数字分配的方面的管理也是一个有价值的挑战。
6）智能终端：基于智能终端的机器与机器之间的通信可以用车辆的用法也可以用手机的用法，通过与车联网协作，终端能够提供合适基于位置的服务。
7）汽车支付：驾驶员跟车主的信息将会成为的可选项，这将车辆获取经济身份的重要一步。汽车支付将会增强交通管理效率，这将是无忧收费，加油费，停车收费，过路费，甚至支付服务和管理费。

八、结论：
车联网的两大主要目标是：
1）实现车辆安全和效率特点的自动化；
2）实现车载网络的商业化。