基于ZigBee的车载物联网技术应用研究_第1章绪论_10_14

第1章 绪论

1.1 国内外研究现状

随着计算机技术、通信技术和微电子技术的相互渗透和互相融合，通信网络技术得到快速发展，社会信息化的发展水平越来越高，并已渗透到人们日常生活的各个方面。近几年来，与人们生活密切相关的车辆交通工具，得到爆炸式增长，车载通信的服务需求逐渐增大和日益广泛，推动车辆与通信网络更加紧密结合，车载网络技术的研究和应用得到广泛关注，同时促进车辆信息系统向高智能化、网络化的方向发展。

在当前的研究中，作为车载物联网（Vehicular Networks）关键技术的车辆通信网络技术逐渐成为智能交通系统（ITS）领域中的热点问题[1]。许多发达国家都致力于将先进的通信网络技术应用到车辆交通系统中，并进行了卓有成效的研究和实践。在车辆网络通信协议标准方面，2004年，IEEE 802.11p工作组制定了车辆无线通信的基本协议构架；美国密歇根大学的郭锦华和向卫东教授开发了基于5.9GHz面向车载系统近距离通信的WAVE系统信道测试平台；美国洛杉矶加利福尼亚大学的G.Pau教授提出了车辆间特殊路由协议（PVRP），并搭建了系统测试平台进行了验证。在汽车网络信息化应用方面，在1998年， Clarion公司就与Microsoft合作，利用Windows操作系统开发出世界上第一台车载电脑系统“歌乐PC”，将汽车带人一个将音频、视频与通信三者相结合的信息网络空间。2000年，福特汽车公司（Ford）与高通公司（Qualcomm）合作推出概念车“24-7”，含义指车上的乘员利用当代信息技术，每时每刻都可以与外界联系。

相较于国外的车载通信网络的技术研究，国内的相关研究起步较晚。但随着这几年来国内信息技术的高速发展，各种针对车载网络的技术研究也逐渐增多，涉及到基础理论研究和技术应用实践的层出不穷。在基础理论研究方面，2008年，冯金生描述了一种基于可用的城市交通地图和节点地理位置的车载自组织网络的被动地理路由算法的设计与实现，并进行了模拟实验和性能测试[2]；2010年，钟婷提出了基于车载自组织网络的交通信息分发的高效算法ETDA[3]。在技术应用实践方面，铁路集装箱追踪系统、城市智能公交网络系统、高速公路智能收费等

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的应用和研究，也已纷纷投入市场应用。

总而言之，车载通信网络技术作为车载物联网的基础，是一种新的研究方向，具有重要的商业和产品价值，但也面临着诸多挑战。目前许多现存的方法都只是从某一个方面去研究和解决这个大问题的一部分，尚缺少针对整个系统整合研究以及相应的验证工作，更很少有人进行车载物联网应用模型的研究和设计。因此车载物联网技术是一个值得研究的课题。

1.2 课题来源、意义及可行性

传统应用比较广泛的车载通信网络，通常只是针对于公路计费等应用设计的封闭式网络。新近的技术发展，要求车辆网络能够支持车辆之间自主通信，从而互通安全信息。由于传统应用的车载通信网络在网络架构方面存在一定的缺陷，造成车载系统只能对区域内的行驶车辆进行少量的信息交互，尚无法提供诸如：车辆安全消息业务、智能交通信息业务、车载多媒体数字业务等更加广泛的车载增值业务。

受限于当前普遍应用的车辆通信网络技术，目前智能交通系统依赖于预先部署的基础设施，用于传播与位置相关信息的通信过程一般要横跨几个有线、无线通信系统，在多数的情况下，通过基础设施网络传输的信息源，信息发送与接收的实际距离只有几百米远，导致横跨多个基础通信系统进行的信息传送过程是低效的，而且基础设施的投入也极其昂贵。因此，架构具备短距离通信能力的车载网络系统，有利于以更直接的方式帮助信息的产生、传播和消费，提高信息传送的效率和降低传送成本。

ZigBee技术具有统一的技术标准，是一种新兴的短距离、低功耗、低速率、低成本、低复杂度的双向无线网络技术。它基于IEEE 802.15.4 无线标准，支持地理定位功能，可用于搭建车载通信网络，形成车载自组织网络（VANET）。与其他传统基础设施网络相比较，车载自组织网络有两个主要优势[4]：首先，车载自组织网络成本低廉、容易部署、操作方便，车载信息消费者可以通过广播接收的方式便捷地享受信息服务。其次，车载网络系统传播的多数信息与地理位置相关，车载自组织网络能够利用网络节点的位置信息在车辆之间建立短距离通信，搭建2

物理通信链路。因此，车载自组织网络不仅能够将车辆内部设备纳入到同一网络，也能与另一车辆的车载自组织网络相互通信，还可以与外部网络，如接入互联网进行通信，从而最终形成车载物联网。

笔者从事于通信行业多年，深刻体会到通信网络技术的发展所带来的市场机遇和产品进步。结合当前国家的物联网发展规划，本人立足于车载物联网的应用研究，采用新型的ZigBee技术作为支撑点，积极探索适合于车载物联网应用的通信技术并转化为技术应用模型，力争为我国的国民经济发展作贡献。本课题研究的意义主要体现在以下几个方面：

（1）建立基于新型通信技术的车载物联网的系统方案。采用ZigBee短距离通信技术，实现车载物联网的信息识别、信息通信、地理位置定位等关键技术的研究，并建立技术应用的系统模型。

（2）加强车载物联网的产品开发进行前瞻性研究。立足于成本经济的方案研究，并可转换为技术应用，使之具备市场广泛应用的可能性。

（3）加强物联网的应用范围的理论研究，填补车载物联网的应用空白。立足于车载物联网的应用研究，实现车载物联网的技术应用和商业应用，也是进一步丰富物联网的应用领域。

（4）有利于ZigBee通信技术和车载物联网技术的发展。将ZigBee通信技术应用于车载物联网中，既进一步拓展ZigBee技术的应用范围，推动对ZigBee技术的理论研究，也为车载网络技术和物联网技术的应用发展提供新的方向。

1.3 论文内容与创新点

论文正文的第一章介绍车载物联网技术的基本原理，提出一种车载物联网的总体设计方案；第二章介绍ZigBee无线传感网络技术和网络模型；第三章从路由算法的角度介绍了车载物联网的路由算法实现；第四章重点介绍了ZigBee路由节点接入技术的特点，并提出一种新的变步长LMS预测算法用于路由接入；第五章重点介绍本课题的基本设计与系统模型。

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第2章 车载物联网技术的研究和设计

2.1 车载物联网的基础知识

2.1.1 车载物联网概念

车载物联网是近几年来逐渐兴起的一项新技术，旨在提高未来交通系统的安全性、信息化及高效性，并可实现车辆网络系统与计算机网络的互联互通，使车载应用前景更加广阔。车载物联网能够搭建在行驶中的车辆之间，使区域内的车辆之间进行无线通信；也能够使行驶中的车辆固定的路边基站建立无线通信。车载通信网络的系统模型可以分为图2.1和图2.2所示的两种类型：

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2.1 车与车之间通信系统模型

图2.2 车辆与路边固定设施之间通信系统模型

如图2.1所示，区域内的车辆之间可通过中继传输方式互联，无需借助其他固定的通信设备，就可以独立组网实现区域内的车辆间的相互通信，对提高车辆行驶的安全性以及疏导交通流量能够发挥很大作用。同时，利用通信节点多跳转

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