车联网技术

本书将以车联网中的车与车、车与路、车与人的通信协作为系统模型，重点针对车辆移动模型、车联网物理层、MAC层、路由层、数据分发技术和车联网安全与隐私等关键技术进行深入阐述，并对车联网中的典型应用和国内外标准进行全面介绍。本书不仅适合移动通信、物联网和车联网等领域的专业技术人员阅读和参考，也适合于高等院校车联网、智能网联汽车等研究方向的研究生和高年级本科生作为教材使用。

 

车联网是汽车产业与互联网产业发展的重点方向，具有非常广阔的市场前景。本书从车联网的发展历史、现状、应用前景、关键技术、标准以及现有产品等方面编写，内容涉及国家产业布局、市场主流产品介绍以及专业学术知识，能够覆盖该领域不同层次的读者。

孙利民，男，博士生导师，中国科学院信息工程研究所研究员，北京市物联网重点实验室主任，中国计算机学会高级会员，传感器网络专业委员会副主任，中关村物联网产业联盟副理事长，国家物联网基础标准工作组成员，中国物联网研发中心（物联网安全研发中心）主任。近几年主持承担973重大研究课题、国家重大专项、国家863及国家自然科学基金项目10余项；出版学术专著3部，在国内外学术期刊和会议上发表高水平论文100多篇；申请国家专利20多项、软件著作权登记6项。目前的主要研究方向为：新一代互联网技术、无线移动网络（无线传感器网络和移动IP）、多媒体综合接入网络等。

第1章车联网概述

1.1车联网的发展历程

1.2车联网的国内外发展现状

1.2.1国外车联网进展

1.2.2我国车联网进展

1.3车联网的定义和架构

1.3.1车联网定义

1.3.2车联网系统架构

1.3.3车联网的特点

1.4车联网的关键技术

1.4.1车辆移动模型

1.4.2物理层

1.4.3MAC协议

1.4.4路由转发

1.4.5数据分发机制

1.4.6安全与隐私

第2章车联网应用

2.1车联网应用概述

2.1.1车联网应用介绍

2.1.2车联网应用分析

2.2车联网项目

2.2.1欧洲车联网项目

2.2.2美国车联网项目

2.2.3日本车联网项目

2.2.4中国车联网项目

2.3车载信息服务系统

2.3.1车载信息服务系统概况

2.3.2国外车载系统发展

2.3.3国内车载系统发展

2.3.4车载信息服务系统展望

2.4小结

 

 
 

第3章车联网物理层相关技术

3.1无线传播理论

3.1.1路径损耗模型

3.1.2确定性多径模型

3.1.3统计多径模型

3.1.4信道性能指标

3.2无线接入技术

3.2.1车内网络接入技术

3.2.2车间网络接入技术

3.3车联网连通性

3.3.1连通性定义

3.3.2移动性对连通性的影响

3.3.3其他影响连通性的因素

3.4无线定位技术

3.4.1道路级定位技术

3.4.2车道级定位技术

3.5小结

第4章车辆移动模型

4.1车辆移动模型定义及要素

4.2车辆移动模型分类

4.3合成移动模型

4.3.1合成移动模型中使用的符号表示

4.3.2合成移动模型的分类

4.3.3随机移动模型

4.3.4交通流模型

4.3.5车辆跟驰模型

4.3.6行为模型

4.3.7队列模型

4.4基于调查的移动模型

4.4.1UDel模型

4.4.2基于日程的移动模型

4.5基于轨迹的移动模型

4.6基于交通仿真器的移动模型

4.7移动模型与网络仿真器

4.7.1交通仿真器与网络仿真器交互的分类

4.7.2交通仿真器VanetMobisim

4.8小结

第5章车联网MAC协议

5.1车联网MAC协议概述

5.1.1车联网MAC协议需求与功能

5.1.2车联网MAC协议应对的挑战

5.1.3车联网MAC协议评价指标

5.1.4MAC协议设计考虑的因素

5.1.5车联网MAC协议分类

5.2基于CSMA的车联网MAC协议

5.2.1IEEE 802.11标准

5.2.2IEEE 802.11车载环境适应性分析

5.2.3IEEE 802.11p标准

5.2.4基于IEEE 802.11p的改进型MAC协议

5.3基于TDMA的车联网MAC协议

5.3.1TDMA概述

5.3.2TDMA车载环境适应性分析

5.3.3RALOHA协议

5.3.4FPRP协议

5.3.5ADHOC MAC协议

5.3.6VeMAC协议

5.4基于SDMA的车联网MAC协议

5.4.1SDMA概述

5.4.2ASDM协议

5.4.3LDMA协议

5.4.4RCM协议

5.5小结

第6章车联网路由协议

6.1车联网路由协议概述

6.1.1车联网路由协议基本功能

6.1.2车联网路由协议应对的挑战

6.1.3车联网路由协议设计考虑的因素

6.1.4车联网路由协议评价指标

6.1.5车联网路由协议发展历史

6.2基于相邻拓扑关系的路由

6.2.1DSDV

6.2.2AODV

6.2.3Epidemic Routing

6.2.4PROPHET

6.3基于地理位置的路由

6.3.1GPSR

6.3.2GSR 

6.3.3GPCR

6.3.4GVGrid

6.4基于道路交通流量的路由

6.4.1CAR

6.4.2RBVT

6.4.3VADD

6.4.4OPERA

6.4.5DIR

6.5基于行驶轨迹的路由

6.5.1TBD

6.5.2TSF

6.6小结

第7章车联网数据分发

7.1概述

7.1.1数据分发模型

7.1.2数据分发协议分类

7.1.3数据分发所面对的挑战

7.1.4数据分发的过程和系统框架

7.2数据获取与融合

7.2.1数据获取方式

7.2.2数据融合分类

7.2.3数据融合方法

7.3显式数据分发协议

7.3.1有状态显式分发

7.3.2无状态显式分发

7.4隐式数据分发协议

7.5周期性数据分发协议

7.6链路时间感知数据分发协议

7.7时延容忍数据分发协议

7.8数据恢复

7.9小结

第8章车联网安全

8.1车联网面临的安全问题

8.1.1车联网面临的安全威胁

8.1.2车联网安全需求

8.2车联网安全体系架构

8.2.1车联网PKI架构

8.2.2车联网可信网络架构

8.2.3车联网密钥管理

8.2.4其他方案

8.3车联网安全认证机制

8.3.1基于加密的认证机制

8.3.2基于签名的认证机制

8.3.3基于验证的认证机制

8.3.4认证机制总结

8.4车联网恶意节点检测和撤销机制

8.4.1恶意节点检测

8.4.2撤销机制

8.5小结

第9章车联网隐私保护

9.1概述

9.1.1车联网隐私问题的分类及特征

9.1.2车联网隐私保护的手段及目标

9.1.3车联网隐私保护的挑战

9.2车联网隐私保护方法

9.2.1车联网身份隐私保护

9.2.2车联网位置隐私保护

9.3小结

第10章车联网标准

10.1标准化的进程

10.2车联网标准体系

10.3WAVE标准

10.3.1IEEE 802.11p

10.3.2IEEE 1609协议族

10.3.3SAE J2735： DSRC消息集

10.4CALM标准

10.4.1CALM概念及特点(CALM_Handbook)

10.4.2通信模式

10.4.3通信媒介

10.4.4Networking: IPv6

10.4.5管理实体： 资源之间的协调与融合

10.5小结

附录缩写术语列表

参考文献

万物互联万物生，车辆与人、路互联则路智能。随着全球汽车保有量的急剧增加，道路安全、交通拥堵和尾气污染等已成为世界各国亟待解决的共同难题。借助新一代信息和通信技术，实现人、车、路之间的互联互通，实现人、车、路之间协同合作，是解决上述难题的有效手段之一，这就是所谓的“车联网”。通过车联网技术的应用，能够有效提升汽车的智能化水平和道路交通管理水平，构建汽车和交通服务新业态，从而提高交通效率、减少交通事故、保障节能减排，改善汽车驾乘感受，为人们提供智能、舒适、安全、节能、高效的“车生活”服务。
早在20世纪80年代初，日本和欧美一些国家产业界和学术界就陆续开始研究车车、车路互联的车载自组织网络（Vehicular Ad Hoc Network，VANET），并探索VANET在安全驾驶、交通管理和车载娱乐等方面的创新应用，以提升道路安全，改善交通管理，增强驾乘乐趣。经过30多年的发展，VANET的概念延伸为“车联网”，并在国际标准、典型应用、关键技术和工程示范等方面都取得了巨大的成果，为未来无人驾驶、智慧交通等提供了强有力的技术支撑。近年来，中国政府和产业界也高度重视车联网的关键技术研究和产业发展，并以网联汽车、新能源汽车和无人驾驶为切入点，研究水平已达到国际领先。
车联网涉及汽车、互联网、电子、通信、云计算和大数据等多个领域，所涵盖的技术也错综复杂，大而广。本书主要以车车通信和车路通信为模型，就车联网主要应用、车辆移动模型、车联网网络技术、车联网信息安全和车联网标准展开论述，主要章节安排如下： 
第1章对车联网的发展历程、进展、网络架构和关键技术进行了阐述。
第2章讨论车联网在交通环境中的应用，并介绍车载信息服务系统及其发展方向。
第3章介绍车联网物理层的相关技术，相较于传统无线通信系统，车联网通信系统具有更严格的应用服务质量需求，相应地在物理层方面有更高的设计要求。
第4章介绍车辆移动模型的定义及要素、车辆移动模型的分类、合成移动模型、基于调查的移动模型、基于轨迹的移动模型、基于交通仿真器的移动模型，以及移动模型与网络仿真器之间的关系。
第5章介绍车联网MAC协议的基础，包括MAC协议功能需求、面临的挑战性问题、性能评价指标及协议设计原则等，并根据信道多路复用的方式，介绍不同的车联网MAC协议。
第6章针对车车通信和车路通信介绍路由机制，本章仅讨论单播路由协议。
第7章讨论车联网数据分发的特点以及解决方案。
第8章从车联网安全需求、安全威胁、安全体系结构、密钥管理、认证机制和恶意节点检测等方面论述车联网安全方面的问题。
第9章介绍车联网隐私保护问题的分类与特征，以及车联网隐私保护的挑战和应对方法。
第10章介绍车联网的标准。

本书由孙利民、杨卫东、胡淼、陈颖文和何云华共同编著。其中，第1章由孙利民、杨卫东编著，第2章由严茂水、孙利民编著，第3章和第7章由胡淼编著，第4、8、9章由杨卫东编著，第5章和第6章由陈颖文编著，第10章由何云华编著，全书由孙利民、杨卫东统稿。此外，我们要感谢很多人的帮助，他们有见地的意见和建议，帮助我们更好地提高了本书的写作水平。
我们坚信车、路、人之间的智能互联和协同合作终会变为现实，车联网必将实现。将来车联网是采用本书所讨论的技术，还是未来的研究成果，非常难以预料。但毋庸置疑的是，本书所编写的关键技术必将对车联网后续的发展起到引导作用，这也是我们编写此书的初衷。随着传感器技术、通信技术、人工智能、无人驾驶、绿色能源等的发展，车联网的明天一定会更加灿烂，也必将对解决全世界日益紧张的交通问题提供支撑。
 本书可作为车联网专业以及车辆工程专业高年级本科生、研究生的教材，也可作为研究人员的参考资料。如果书中有不妥之处，请广大读者和各界人士批评指正，并提出宝贵的建议，欢迎就相关技术问题进行切磋交流。
编者
2020年1月