车载网络的特点篇(1)

关键词：车载电子处理单元（EPU） CAN网络 EtherCAT网络 扩展功能模块

中图分类号：TP31 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（c）-0154-04

随着汽车工业与电子工业的不断发展，各种车载电子产品越来越多地进入到汽车里，从而提高了汽车的智能化程度和乘车的舒适性。然而由于没有统一的平台接口，使得这些车载电子产品没有通用性和兼容性，也无法方便实现对产品的维修升级。为此，我们首次提出了车载电子处理单元（EPU，Electronic Processing Unit）的概念，EPU实际就是一台开放式可扩展的车载电脑公共平台，但它有别于普通的车载电脑，EPU只集成了基本硬件功能和系统操作平台，其他电子产品（如倒车摄像头等）作为扩展功能模块挂接在EPU扩展的CAN网络或EtherCAT网络上，并通过开放式的通信协议，将这些扩展功能模块与EPU组成一个完整的车载电子处理单元系统，从而实现数据互用、资源共享。车载电子处理单元公共平台的开放性和可扩展性体现在各扩展功能模块以及各种软件的自由添加更换，它允许第三方，包括汽车扩展功能模块制造商在其上开发软件或硬件产品，以提供更加丰富，更为强大，更加实时的功能和特性。

1 车载电子处理单元系统总体结构

车载电子处理单元系统主要是由车载电子处理单元（EPU）、CAN网络和EtherCAT网络组成，其系统总体结构如图1所示。其他可扩展、可增减的扩展功能模块通过CAN网络或EtherCAT网络与车载电子处理单元（EPU）连接，组成一个完整的车载电子处理单元系统。

1.1 车载电子处理单元（EPU）

车载电子处理单元（也称为基本系统）是车载电子处理单元系统中的核心部件。车载电子处理单元（EPU）包括主控制板、电源、触摸液晶显示器和扬声器几部分。主控制板以中央处理器（CPU）为核心，集成了基本的硬件功能模块，包括DDR3存储器、FLASH存储器、固态硬盘、扩展了USB接口、OTG接口、SD卡、标准RJ45接口，并内置了WIFI模块、蓝牙模块、麦克风、AM/FM收音模块、GPS模块和蜂鸣器，同时还扩展了OBD-II接口以及以太网接口和CAN总线接口。主控制板通过OBD-II接口与电子控制单元（ECU）连接，以获取汽车运行和故障数据。因此，车载电子处理单元（EPU）已在汽车上实现了基本的车载电脑功能，通过在其上安装相应的公共软件系统，可实现如：GPS导航、影音播放、AM/FM收音以及车载办公等功能。

车载电子处理单元主控制板采用了CortexTM-A9架构的飞思卡尔i.MX6Q四核处理器芯片作为主处理器。i.MX6Q是飞思卡尔新推出的一款汽车级的处理器芯片，专用于车载娱乐系统。它基于ARM CortexTM-A9架构，40nm工艺制程，最高运行频率可达1.2GHz，具有ARMv7TM、Neon、VFPV3和Trustzone支持。处理器内部为64/32位总线结构，32/32KB一级缓存，1M二级缓存，可以实现12000DMIPS（每秒运算12亿条指令集）的高性能运算能力，并自带3D图形加速引擎，88M的图像多边形生成率，像素填充率为1.066G 像素/秒，2D图形加速，最大支持4096x4096 pixels分辨率。视频编码支持MPEG-4/H.263/H.264，达到1080p@30fps，解码MPEG2/VC1/Xvid等视频达到1080p@30fps，支持高清HDMI TV输出。

1.2 车载电子处理单元系统的CAN网络

对于数据通讯量较小、成本要求较低、实时性要求较高的扩展功能模块（如超声波倒车雷达、中控锁模块、胎压监测模块、防盗防劫持报警模块、遥控接收等功能模块），车载电子处理单元（EPU）通过CAN总线接口c它们相连接，组成CAN网络；CAN网络的数据传输速率在1Mbps以下。

⑴CAN网络的特点

CAN（Controller Area Network）即控制器局域网络，可以归属于工业现场总线的范畴，通常称为CAN bus，即CAN总线，是目前国际上应用最广泛的开放式现场总线之一。与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，它在汽车领域上的应用最为广泛，世界上一些著名的汽车制造厂商，都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。

CAN总线的特点：

多主机方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活；

网络上的节点（信息）可分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求；

采用非破坏性位仲裁总线结构机制，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据；

可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播几种传送方式接收数据；

直接通信距离长；

抗干扰能力强；

采用总线结构组网，可挂接多个节点，接口简单；

采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个；

每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，数据出错率极低；

通信介质可采用双绞线，同轴电缆和光导纤维，一般采用廉价的双绞线即可，无特殊要求；

节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上的其他操作不受影响。

⑵车载电子处理单元的CAN总线接口

如图2所示是车载电子处理单元（EPU）的CAN总线接口，该接口采用ISO1050芯片，它是一款隔离型的CAN总线驱动器，可提高CAN网络抗干扰能力。

⑶扩展功能模块的CAN总线接口

如图3所示是扩展功能模块的CAN总线接口，CAN总线接口电路是由CAN总线收发器MCP2515芯片和CAN总线驱动器ISO1050芯片来实现。图中功能电路是指实现某个具体功能的电路，CPU控制功能电路的运行，获取功能电路的实时数据，并通过CAN网络实现与其他模块的通讯。

1.3 车载电子处理单元系统的EtherCAT网络

对于数据通讯量较大、处理能力较强、实时性要求较高的扩展功能模块（如倒车摄像头、行车摄像头、车内摄像头、数字功放、数字电视、GSM模块、3G模块、4G模块、CD/DVD播放器、汽车黑匣子等功能模块），车载电子处理单元（EPU）系统通过EtherCAT实时以太网接口与它们相连接，组成EtherCAT网络。EtherCAT网络的数据传输速率可达到100Mbps，且实时性高。车载电子处理单元用作EtherCAT的主站，而各扩展功能模块作为从站挂接在EtherCAT网络上。

⑴EtherCAT网络的特点

EtherCAT是一种实时工业以太网技术，它充分利用了以太网的全双工特性。使用主从模式介质访问（MAC），主站发送以太网帧给各从站，从站从数据帧中抽取数据或将数据插入数据帧中。主站使用标准的以太网物理层器件，从站使用专用EtherCAT从站控制器ESC（EtherCAT Slave Controller）。

EtherCAT的主要特点：

通信方式灵活，可实现主/从、从/从通讯；

通信周期短，实时性高；

通讯实时性采用分布时钟机制实现，同步时间快；

可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播等多种传送方式接收数据；

直接通信距离长；

通信速率为100Mb/s；

可挂接节点数量多；

兼容TCP/IP。

从以太网的角度来看，一个EtherCAT网段就是一个以太网设备，它接收和发送标准的ISO/IEC8802.3以太网数据帧。但是，这种以太网设备并不局限于一个以太网控制器及相应的微处理器，它可由多个EtherCAT从站组成，如图4所示是一个非冗余的EtherCAT网络。这些从站可以直接处理接收的报文，并从报文中提取或插入相关的用户数，然后将该报文传输到下一个EtherCAT从站。最后一个EtherCAT从站发回经过完全处理的报文，并由第一个从站作为响应报文将其发送给主站。

⑵车载电子处理单元（主站）的EtherCAT网络接口

EtherCAT主站使用标准的以太网控制器，如图5所示。通信控制器完成以太网数据链路的介质访问控制（MAC，Media Access Control）功能，物理层芯片PHY是实现数据编码、译码和收发，它们之间通过一个MII（Media Independent Ineterface）接互数据。MII是标准的以太网物理层接口，定义了与传输介质无关的标准电气和机械接口，使用这个接口将以太网数据链路层和物理层完全隔离开，提高通信的可靠性。因此，车载电子处理单元作为EtherCAT网络的主站，i.MX6Q CPU已集成了以太网通信控制器芯片和MII接口，可以与PHY直接连接。

⑶扩展功能模块（从站）的EtherCAT网络接口

扩展功能模块作为EtherCAT从站设备，需要实现EtherCAT通信和应用控制两部分电路，如图6所示，其硬件结构主要由物理层器件、从站控制器ESC 、CPU和相应功能电路四部分组成。其中，从站物理层包括PHY芯片和光纤接口电路；从站通信控制器芯片ESC负责处理EtherCAT网络通讯，并使用双端口实现与EtherCAT主站或其他从站的数据通信，从站CPU可直接从ESC读取控制指令或读写数据，因此，EtherCAT网络与从站CPU响应时间无关，从站CPU性能选择取决于功能模块的控制任务需求，可以使用8位、16位的单片机及32位的高性能CPU，功能电路是指扩展功能模块的具体实现电路，它与从站CPU相连并直接由CPU负责控制操作。

2 车载电子处理单元系统通讯协议

由EtherCAT数据帧结构可知，EtherCAT子报文数据域长度为32～1486 字节，此长度作为车载电子处理单元系统应用层协议定义的范围，如图7所示是EtherCAT网络应用层协议的基本格式，格式先定义了11位数据长度、并预留了1位保留位、4位数据类型，这三部分共计16位，占用2个字节，接着是8位功能码，剩余为数据域，其最大可使用字节长度为1486-3=1483字节。

在CAN 2.0B总线协议规范中， 定义了一种具有29位标识符ID的扩展帧格式。电子处理单元系统的CAN网络使用这种扩展格式数据帧，并对CAN报文的29位标识符ID和8字节数据域做出了具体定义。其中，标识符ID 定义为ID28为1位保留位，ID27-ID20为8位目的地址，ID19-ID12为8位源地址， ID11-ID8为4位数据类型，ID7-ID0为8位功能码，数据域第一字节分为三部分：先定义2位的段标识，接着是3位保留位，再是3位数据长度，第2字节为8位分段编号/数据，根据段标识的不同，该字节可作为段编号或数据使用，后48位（共6字节）为数据，这样每帧最多可传送7字节的数据。由于分段编号占用8位，最多可分256段，而分段数据每帧最多可传送6字节，这样CAN报文数据长度最多为6*256=1536字节，大于EtherCAT网络单帧传送数据最大值1483字节，从而解决了EtherCAT网络与CAN网络数据互传的问题。

3 车载电子处理单元系统软件设计

车载电子处理单元系统软件设计分为车载电子处理单元、EtherCAT网络和CAN网络扩展功能模块三种类型。其中，车载电子处理单元操作系统使用Linux3.0.35+QT4.8.5，并首先移植了IGH开源源码ethercat-1.5.2主站协议栈，再按车载电子处理单元系统通讯协议要求设计通讯程序、系统界面和应用程序。各扩展功能模块根据实际功能需求选取相应性能CPU芯片，并按车载电子处理单元系统通讯协议要求设计通讯程序和相应功能设计应用程序。

4 结语

该文提出了一种开放式可扩展的车载电脑公共平台系统：车载电子处理单元（EPU）系统，它规范了车载电子产品的连接接口和通讯协议，结束车载电子产品五花八门，杂乱无章的局面，并为汽车电子工业提供了全新的商机和更加广阔的发展空间，对未来汽车的发展和汽车电子工业的发展具有积极的推动作用，车载电子处理单元（EPU）系统项目在实际实施中取得了良好的效果。

参考文献

[1] 郇极，刘艳强.工业以太网现场总线EtherCAT驱动程序设计及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007，29（11）：79-82.

车载网络的特点篇(2)

关键词：隐私保护；信息通信；区块链；车载自组网；椭圆曲线签名

中图分类号：TP309文献标识码：A

1引言

车载自组网是一种特殊的自组织网络，可以看作是移动自组网（MobileAd-hocNetworks，MANET）的子集，与移动自组网不同的是车载自组网中的通信节点是车辆。车载自组网的主要思想是车辆通过传感器等器件感知所在环境中信息，然后车辆将信息发送给网络中的其它车辆节点和基础设施等，使得信息在车载自组织网络实现信息共享。车载自组网是一个点对点网络，车辆既可以作为信息的发送方，也可以作为信息的接收方。车载自组网具有无中心、多跳路由、网络拓扑结构变化快、网络容量有限、自治性、可扩展性等特点。

车载自组网的特性及应用决定车载自组网络中的车辆之间以及车辆与路边基础设施需要进行频繁信息通信，从而实现车载自组网的信息共享和智能服务。在车载自组网频繁进行信息通信过程中，攻击车辆可以截获通信消息，通过分析截获的消息分析出车辆的身份、行驶目的地等信息，造成车辆用户隐私泄露，严重的可能会威胁人身安全。此外，通过分析截获消息攻击车辆可以分析出用户的喜好，在车载自组网中投放恶意广告推销产品；攻击车辆也可以通过恶意修改截获消息，导致通信双方获得错误的消息。但是如果多辆攻击车辆加入到车载自网中，则可以通过诱导非攻击车辆的行驶轨迹，造成车载自组网道路拥堵、交通事故等后果。因此，车载自组织网络的部署是一把双刃剑，给人们生活带来便捷、舒适感的同时，也可能会导致车辆用户身份信息、位置信息、个人喜好信息等隐私信息，受到威胁、车载自组网服务瘫痪等危害。因此，寻找有效的方案解决车载自组网中信息通信隐私保护问题，能够保证车辆用户的个人隐私以及人身安全，使得车载自组网安全、稳定、高效地运行。

为了解决车载自组网中信息通信隐私保护问题，国内外学者已经进行了大量的研究。文献[1]提出了一个基于身份的车载自组网用戶隐私安全系统，基于身份的加密系统有助于提高通信和存储效率，通过假名技术、阈值签名和基于阈值认证的防御方案来实现车载自组网的隐私保护。文献[2]提出了一种有效的在社交点改变假名的策略，实现车载自组网中位置隐私的保护。文献[3]提出了在车载云广告传播过程中实现安全和隐私保护方案，该方案中在保留响应车辆的识别和配置隐私的条件下，利用有效的单属性访问控制协议来识别有能力传播广告任务的车辆，同时采用隐私保护秘密共享方案确认所选车辆的参与。文献[4]提出了基于驾驶员个人社交行为的隐私保护数据转发协议，实现了车载自组织网络中驾驶员的高可靠性传输和隐私保护。

本文针对车载自组网中的隐私保护问题，提出的解决方案包括两方面：一方面是车载自组网信息通信过程中车辆身份的隐私保护；另一方面是车载自组网信息通信过程中通信消息的隐私保护。通过实验结果及分析，可实现车载自组网信息通信的隐私保护并将车辆存储私钥、公钥的存储开销和追溯通信消息的时间开销均降低到常数级。

2车载自组网

2.1车载自组网系统架构

车载自组网的系统架构可以分为三层：车辆网络层、基础设施层、云端网络层。如图1所示为车载自组网系统架构示意图。

车辆网络层由各种车辆组成，每个车辆上都安装了车载通信单元（OnBoardUnit，OBU），车载通信单元不仅可以用于车辆之间进行通信，而且还可以用于处理车辆从各种传感器收集来的数据。车辆之间通信采用专用短程通信（DedicatedShort-RangeCommunications，DSRC），其中包括IEEE802.11等无线通信标准。虽然车辆网络层通过车辆之间通信可以提供有效的信息传输，但是处理车载自组网中的某些问题需要车辆与基础设施进行通信、车辆之间通信。这两种通信方式增加了车载自组织网络部署的灵活性，通过高速基础设施骨干网络路由数据，而不是纯粹在车辆网络层上处理数据，可以更好地实现长距离多跳车辆之间通信的严格延时要求。车辆网络层的车辆通过分层的网络协议、分布式算法等相互协调，实现车辆自动组织以及车辆网络自动运行。车辆网络层有四个特点。

（1）无中心。网络中的节点具有相同的地位，不仅可以作为信息的接收方也可以作为信息的发送方，不需要设置中心控制节点，即点对点网络。节点可以随时加入或离开网络，且网络中某一节点出现故障时，不会影响整个网络的正常运行，具有很强的抗击毁性。

（2）自组织性。节点不依赖于网络的布局和设施，通过分层协议、分布式算法和各自的行为等，快速、自动地组成一个独立的网络。

（3）多跳路由进行通信。网络中的普通节点可以通过多跳转发的方式，实现节点之间的通信。

（4）动态拓扑快速变化。网络中的节点快速移动、节点加入网络或者退出网络以及某个节点出现故障等情况，造成网络中节点拓扑结构无时无刻都在快速变化。

基础设施层主要有路边单元（RemoteSubscriberUnit，RSU），路边单元是车辆网络层和基础设施层之间的网关。基础设施层的每个路边单元均有自己的管理区域，路边单元负责所涵盖地理区域内的车辆的管理和维修。网络层负责车载自组网中数据的存储，同时为车辆用户提供服务。

云端网络层主要由多个服务器组成，用于存储车载自组网中共享信息、为车辆网络层和基础设施层提供服务等。

2.2车载自组网信息通信隐私保护目标

实现车载自组网中信息通信隐私保护，可以为车辆营造一个安全的网络环境，提高人们出行效率。针对车载自组网的系统架构特点，车载自组网中信息通信隐私保护应达到的安全目标包括七个方面。

（1）通信消息的机密性。在车载自组网中，通信消息中往往会包含车辆用户的身份信息、位置信息等敏感信息，这些敏感信息被第三方获取会给车辆用户带来麻烦。保证消息的机密性就是只有通信双方知道通信消息，任何第三方对通信消息一无所知，即使截获通信消息，也无法获取通信消息的内容。

（2）通信消息的可用性。车载自组网中的车辆节点的拓扑结构不断进行变化，车载自组网中的通信消息具有实时性。这就要求车载自组网中的车辆节点和基础设施对通信节点的传输具有高度的敏感性，保证通信消息在一定时间内完成消息验证、车辆节点的身份验证等并到达目的节点。

（3）通信消息的完整性。在车载自组网中，保证通信消息的正确性和完整性是车载自织网中通信的首要前提。车载自组网通信双方进行消息传递时，通信有可能被未授权的第三方修改，造成接收方收到错误的消息。保证消息的完整性就是保证通信消息在传递过程中不被未授权的第三方修改。

（4）通信消息的可追溯性。消息的可追溯性是指车辆节点要对自己发送的消息负责任，当消息出现错误时可以找到是谁发送的消息。车载自组网通信过程中发现攻击车辆发送错误的通信消息，可以根据某些信息查找到此辆车。消息的可追溯性保证车载自组网中的车辆按照规定文明驾驶，促进了车载自组网安全有序地运行。

（5）车辆用户的个人隐私。车载自组网的目标是通过车辆之间通信以及车辆和基础设施之间通信实现信息共享，使得车辆用户能够得到更加便捷、增加人们出行的效率。实现车載自组网目标首先要保证车辆用户的个人安全和个人隐私，否则车载自组网的部署是毫无意义的。

（6）车辆管理中心的可撤销性。当车载自组网中的车辆用户出现恶意行为时，车辆管理中心可以查找到是哪个车辆用户实施的恶意行为，车辆管理中心有权撤销车辆用户在车载自组网中的合法身份。

（7）访问控制。车载自组网可以为车辆用户提供路况信息、智能家居等服务，车辆用户也可以为车载自组网提供路况信息等。此外，车载自组网中的车辆包括警车、急救车、公交车以及私家车等不同车辆，不同车辆对于服务的需求和提供服务的类别是不一样的。因此，可以对车载自组网中的车辆节点进行分类，为其分配不同的权限，避免非法用户访问范围以外的资源。

3区块链系统架构及特点

3.1区块链系统架构

区块链发展到3.0阶段，可以把区块链系统看成一个五层结构，如图2所示为区块链系统架构示意图。区块链系统架构包括网络层、共识层、数据层、合约层以及应用层。网络层封装了组网机制、数据的传播和校验机制等，区块链网络一般为点对点网络；共识层封装了可插拔的多种共识算法；数据层将底层数据以区块链的形式进行存储；合约层对不同的脚本、算法、智能合约等进行封装，实现了区块链系统的可编程特性；应用层封装了区块链适用的场景，包括可编程货币、可编程金融、可编程社会等。

区块结构[5，6]是由散列指针构造的一系列块中的链接列表。每个区块包含一系列事务数据，且通过密码学知识确保每个区块中的事务不会被篡改。如图3所示为区块结构示意图。区块链系统数据层区块链的区块结构由区块头和区块体两部分，区块体存储了每笔交易两两进行哈希运算的哈希值，最后形成Merkle根存储在区块头中。区块头还包括版本号、时间戳、难度系数、随机数以及前一个区块的Merkel根组成。版本号用于软件的更新；时间戳表示区块生成时间，时间戳能够保证区块按照时间有序地形成区块链；难度系数表示生成区块的难度；随机数表示生成区块时解决的数学难题的解；通过区块头中存储前一个区块的Merkle根形成区块链。

3.2区块链系统架构特点

区块链架构整合了分布式存储、分布式共识算法、密码学技术等技术，为企业提供了一种透明的、可信的商业逻辑框架。区块链架构能够保证数据的安全，同时能够简化企业交易流程、节约交易费用。区块链的架构特点有七个。

（1）去中心化。区块链系统采用点对点的网络模式，系统中每个节点具有相同的地位，没有中心化的管理机构。区块链中每个区块的形成需要满足区块链系统中节点之间的共识机制，否则，数据不能打包成区块。区块链系统中的所有节点共同维护区块链系统的正常运行，当区块链系统中某个节点出现故障时，由于区块链系统的共识机制能够容忍部分节点出现故障，因此，区块链系统仍然可以正常运行。

（2）去信任。区块链系统中节点之间的交易、数据交换等操作通过数字签名，因此节点之间不需要互相信任就可以进行交易、数据交换等操作，且在区块链系统正常运行的条件下，节点之间不可能有欺骗行为。

（3）开放性。区块链系统是一个开放的系统，除节点的私有信息被加密外，区块链系统中所有数据均是公开的，任何节点均可查询区块链中的数据，整个区块链系统处于高度透明的状态，此外，区块链系统中节点可以随时加入或者退出区块链网络，不会影响区块链系统的正常运行。

（4）匿名性。区块链系统中采用密码学方法实现节点之间交换数据等操作，不需要公开节点的真实身份就可以实现节点之间交换数据等操作。此外，由于区块链系统节点之间通过地址交换数据，地址时通过密码学处理过的数据，能够实现隐私保护，因此交易双方以外的节点获得此次记录也无法知道交易双方的真实身份。

（5）自治性。区块链系统中节点通过透明公开的规范和共识算法存储相同的区块链，使得节点可以在双方不信任条件下进行数据的交换、交易等，任何人为的干预都会被区块链系统中节点发现。

（6）不可篡改性。区块链系统中某个节点将数据打包进区块需要区块链系统中其它节点的验证，验证通过后才能形成区块，添加到区块链上。由于区块链形成时每个区块的区块头中均存储前一个区块的Merkle根，故存储在区块中的数据很难被修改，一旦区块中的某个数据被修改，Merkle根将发生改变，区块链系统中其它节点发现数据被篡改。

（7）可追溯性。区块链账本在区块链网络中是公开的，任何人都可以查阅区块链账本的任何内容，且区块链账本具有不可篡改性保证区块链账本中的交易正确，因此可以通过查阅区块链账本寻找某笔交易是否存在，实现了某笔交易的可追溯性。

4车载自组网信息通信隐私保护

4.1车载自组网信息通信车辆身份隐私保护

车载自组网中车辆之间以及车辆与路边基础设施之间进行频繁的信息通信过程中很容易泄露车辆的身份，车辆的身份一旦泄露，车载自组网中的攻击者会根据车辆的身份关联到车辆的个人隐私信息[7]，例如身份证号、车辆用户家庭情况等，攻击者就可以伪装成车辆进行一些非法行为，还有可能对车辆进行敲诈勒索。在车载自组网信息通信过程中保证车辆的身份隐私是车载自组网部署的首要前提。为了保护信息通信中车辆身份不被泄露采用假名的方式[8]，如图4所示为车辆产生假名的过程，如表1所示为本文用到的符号变量列表。

（1）车辆Vehicle选定一条椭圆曲线Ep（a，b），并取椭圆曲线上的一个阶为n（n为素数）点G（x，y）作为基点；车辆Vehicle利用随机数生成器产生一个[1，n-1]之间32bytes的随机数作为车辆Vehicle的私钥SKv。

（2）车辆Vehicle根据公式（4-1）计算车辆的公钥PKv；

（3）根据公钥64bytes的PKv产生车辆Vehicle的假名IDv的过程：将公钥PKv依次进行SHA256和RIPEMD160两次哈希算法产生20bytes的摘要，然后在摘要首部添加1byte的版本号前缀，在摘要末尾添加4bytes的校驗和组成25bytes的二进制车辆假名；校验和的产生过程：20bytes的摘要经过两次SHA256得到32bytes的摘要，取前4bytes作为校验和；25bytes的二进制车辆假名，通过Base58格式转换生成34bytes的车辆Vehicle假名IDv。

4.2车载自组网中通信消息隐私保护

在车载自组网信息通信过程中，发送方发送的通信消息有可能被攻击车辆截获，恶意篡改通信消息，使得接收方收到错误的通信消息，达到攻击车辆的不当目的。区块链不仅具有去中心化、开放性、自治性等点对点网络的特点，而且具有去信任、匿名性、不可篡改性、可追溯性等安全性特点，适合应用于车载自组网中。本文采用区块链式存储结构来存储通信消息，能够保证提供一个正确的通信消息区块链账本，从而实现通信消息的可追溯性。

在车载自组网信息通信过程中，发送方首先用自己的私钥对通信消息进行签名，将签名附在通信消息后发送给接收方和所属路边单元，接收方接收到附有发送方签名的通信消息，首先用发送方的公钥进行消息的认证，如果认证成功，确定通信消息确实来源于发送方，选择相信该通信消息。如图5所示为通信消息签名和认证过程。发送方对通信消息的签名过程：

（1）发送方选取随机数k[1，n-1]，根据公式（4-2）计算点（x1，y1）；

（2）根据公式（4-3）计算r，若r=0，返回1）重新选择随机数k；

（3）若r≠0，根据公式（4-4）计算通信消息m的哈希值h（m）；

（4）根据随机数k、通信消息的哈希值h（m）以及发送方的私钥SKv，根据公式（4-5）计算Sv，若Sv=0，返回1）重新选择随机数k；

（5）若Sv≠0，则发送方对路况预警消息的哈希值h（m）的签名为{r，Sv}。然后将发送方对通信消息哈希值h（m）的签名{r，Sv}发送给接收方。

接收方收到带有发送方签名的通信消息后，对通信消息进行认证。接收方对通信消息的认证过程：

（1）若通信消息的签名{r，Sv}均是[1，n-1]之间的整数，对发送方发来的通信消息m根据公式（4-4）计算通信消息的哈希值h（m）；

（2）根据接收方计算的通信消息m的哈希值h（m）、发送方发来的通信消息的签名{r，Sv}以及发送方的公钥PKv，根据公式（4-6）计算X；

（3）如果X=0或∞，则拒绝签名，否则，计算X在直角坐标系下x轴的投影，记为x’；

（4）根据公式（4-7）计算f，若f=r，接收方认证通过。

路边单元接收到附有发送方签名的通信消息，也会对通信消息进行认证，认证过程与接收方对通信消息的认证过程相同，认证成功后，路边单元将通信消息以区块链的结构进行存储。如图6所示为通信消息的链式存储结构示意图。

车载自组网中通信消息的链式存储结构的区块由区块头和区块体组成。区块体中存储多条通信消息，将多条通信消息进行哈希运算，最后形成Merkle根存储在区块头中。此外，区块头中还包括：版本号、时间戳、区块数以及前一个路况预警消息区块的Merkle根。通过存储前一个区块的Merkle根形成通信消息的链式结构。表2为通信消息区块头字段及含义。

5仿真实验结果及分析

5.1仿真实验平台

本文实验采用Goland平台进行代码编写，实现基于区块链的VANET路况预警方案。Goland是JetBrains公司为Go语言开发的IDE，其为Go语言提供编码辅助功能、工具集成功能以及IntelliJ插件生态系统等。Go语言，又称Golang语言，是由谷歌公司开发的开源编程语言，于2009年11月正式推出。Go语言的语法与C语言相似，但Go语言的变量声明与C语言不同，此外Go语言增加了切片、并发、管道、垃圾回收、接口等。Go语言的特点包括：思想简单，没有多态、继承、类等；语法简洁，代码的可读性和可维护性高，从而提高开发效率；语法级支持并发，具有同步并发Channel类型；包含丰富的库、强大的工具和命令等。

5.2仿真实验结果

假设通信消息为路况预警消息，发送方将路况预警消息FirstRoadCongestion发送给接收方。发送方将路况预警消息FirstRoadCongestion打包并用自己的私钥签名，然后将签名附在路况预警消息后一起发送给接收方，接收方收到附有签名的路况预警消息后，对路况预警消息进行认证，若认证通过，则证明此条路况预警消息是发送方发送的路况预警消息。同时，发送方将附有签名的路况预警消息发送给所属路边单元，路边单元认证通过后，将路况预警消息以区块链的链式结构进行存储。车载自组网中所有路边单元存储相同的通信消息区块链账本，并定时更新通信消息区块链账本。通信消息的链式存储结构保证了通信消息账本的正确性。当区块中存储的某个通信消息发生改变时，区块头中的Merkle根都会发生变化，由于每个路边单元都存储相同的通信消息区块链账本，故某个路边单元通信消息区块链账本发生变化，其它路边单元会察觉到，此时，会重新同步通信消息区块链账本，从而保证了通信消息区块链账本的正确性，以便实现通信消息的可追溯性。如图7所示为通信消息区块链账本。

通信消息区块链账本包括三个区块，每个区块包括Index（区块数）、Timestamp（时间戳）、HashRoot（Merkle根）和PrevHashRoot（前一个区块Merkle根）。区块0为创世区块，HashRoot和PrevHashRoot均为0。如图8所示为区块1存储的路况预警消息。当接收方疑发送方发送的通信消息发生篡改时，可以根据接收方收到通信消息的时间戳定位到通信消息存储的区块，通过查询区块中通信消息，通过对比可知通信消息是否发生篡改，实现了通信消息的可追溯性。

5.3對比分析

5.3.1车载自组网信息通信车辆身份隐私保护

本文采用假名的方式来对车载自组网中车辆的身份信息进行隐藏，根据车辆的假名不能关联到任何有关车辆的真实身份信息，车载自组网中车辆与外界进行通信，外界只能得知车辆的假名，假名是车辆在车载自组网中的唯一标识，实现了车辆身份的隐私保护。

文献[9～11]提出的车载自组网通信消息传播路由协议中，均未考虑通信消息的隐私保护以及车辆身份的隐私保护问题。本文与文献[9～11]相比保证了车载自组网中车辆身份的隐私保护，从而保护了车辆用户的人身安全。

5.3.2车载自组网中通信消息隐私保护

（1）通信消息的可认证性。为保证接收方收到的通信消息一定来自发送方，本文采用数字签名的方式。数字签名需要车辆存储私钥和公钥。文献[12]提出一种基于公钥基础设施的信息通信方案，该方案中车辆必须存储大量的私钥和公钥，造成大量存储开销的浪费，本文中车辆只需要存储车辆本身的私钥和公钥。如图9所示为车辆私钥、公钥存储开销示意图。当车载自组织网络中车辆数目增多时，文献[12]的存储私钥和公钥所需的存储开销不断增加，本方案存储私钥和公钥所需存储开销不变。相比于文献[12]本文将存储私钥和公钥的存储开销提高到一个常数。

（2）通信消息的可追溯性。本文将正确的通信消息以区块链的形式进行存储，形成一个不可篡改的通信消息区块链账本。当车载自组网中车辆怀疑通信消息被篡改时，可以通过访问通信消息区块链账本，来检查通信消息是否被篡改，从而保证了通信消息的可追溯性。

文献[12]提出的消息追溯方法是在整个数据库中查找消息记录，再根据消息记录找到车辆的相关信息。本文对通信消息的追溯方法是，首先根据通信消息的时间戳定位到此条通信消息存储的通信消息区块链账本的区块，然后在区块中查找此条通信消息的相关信息。如图10所示为追溯通信消息的时间开销。

如图10（a）所示云端的路况预警消息区块链账本中存储较少的路况预警消息，由图10（a）可知，文献[12]中追溯路况预警消息的时间开销为O（n）（n为路宽预警消息的数目），本文中追溯路况预警消息的时间开销

账本存储较多的路况预警消息，由图10（b）可知，文献[12]中追溯路况预警消息的时间开销依然为O（n）（n为路宽预警消息的数目），本文中追溯路况预警消息的时间开销接近一个常数。

6结束语

车载网络的特点篇(3)

【关键词】 车载自组网 路由机制 人防应急移动指挥

一、车载移动自组网简介

车载移动自组网是专门为移动车辆间通信而设计的自组织网络，它创造性地将adhoc自组网技术应用于车辆间通信。adhoc自组网是一种无线分布式结构，强调的是多跳、自组织、无中心、动态拓扑的概念。车载自组网的基本思想是在一定通信范围内的车辆可以相互交换各自的数据，并自动的连接建立起一个移动的网络，网络中所有结点的地位平等，无需设置任何的中心控制结点。网络中的结点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有报文转发能力。每个节点的单跳通信范围有几百米到一千米，每一个节点（车辆）不仅是一个收发器，同时还是一个路由器，因此采用多跳的方式把数据转发给更远的车辆。

二、基本路由机制

通过对已有车载移动自组网路由协议的分析，可以发现表驱动、按需驱动及洪泛算法几乎是所有路由协议的基础，不同的协议在不同程度上采用了以上一种或几种算法。

表驱动路由协议的特点是网络中每个节点都维护一张路由表，记录本节点到网络中所有节点的最新路由信息；周期性广播路由更新分组，维持路由的有效性。按需驱动路由的特点是：只有节点有发送需求时才启动路由发现，只在通信过程中才维护路由，一旦通信结束就不再维护路由。

DSDV（Destination Sequenced Distance Vector Routing）是表驱动路由的典型代表协议，特点是采用目的节点序列号机制，始终选择最新路由，并避免路由环路。

DSR（Dynamic Source Routing） 协议是按需驱动路由的典型代表协议，特点是通过源节点广播路由请求分组RREQ和目的节点反向回复路由应答分组RREP完成新路由的发现过程，采用源路由机制所有路由信息都记录在RREQ和RREP中，避免了环路的产生。

AODV（Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing） 协议是结和表驱动和按需驱动的混合路由的典型代表协议，也是目前唯一被IETF作为MANET实验标准 （RFC3561） 的协议。AODV结合了DSR和DSDV的优点：路由建立过程采用了DSR协议中的RREQ-RREP方式，不同的是，采用了DSDV协议的逐跳机制，路由维护阶段采用了DSR的按需维护机制。

MFLOOD无线路由通讯协议是一种典型的泛洪路由协议。当节点需要发送数据包时，节点就向整个网络广播该数据包。分析洪泛路由的意义在于分析泛洪分组的效果和对网络性能的影响。

三、仿真性能比较

以下是对城市和郊区两种通信环境作简要的描述：

（l）城市环境：以北京的城市情况为例。密集繁多的城市建筑和绿化带使无线信号衰减明显，道路规划有明显的规率，且道路较为密集，同时车辆密度较大。正常情况下，受各路段限速规定和车辆密集度影响，车速大多在40km/ h-60km/h之间。

（2）郊区环境：以北京郊区的交通情况为例。郊区环境的路面比较宽敞，通常有多条行车道，行车环境比较优越，建筑和绿化带的影响也相对较小，车速大多在80km/ h-100km/h之间。

通过阅读大量仿真实验文献，可以发现：

在城市环境中，MFLOOD由于采用的是洪泛机制，所有节点都转发数据包，丢包率最低，在5%左右；AODV协议的表现要优于DS DV和DSR协议，丢包率多在20%；DSDV和DSR的丢包率太高，网络几乎不可用。

在郊区环境中，AODV和DSR的丢包率多在10%～30%；DSDV多在10%左右；当业务量和移动速度低时，DSDV几乎可以成功传输所有的数据包；洪泛协议在比较剧烈的网络场景中显示了较好的性能，但丢包极其严重。因此需要根据车辆密度、车速、车辆行驶路线分布、障碍物情况等选择不同的路由机制。

四、在人防应急移动指挥中的应用展望

目前在人防应急移动指挥中使用的联网信号传输方式主要有卫星、微波、3G及有线组网方式。

卫星组网需要所有接入网络的应急指挥车辆都配备静中通或动中通及卫星接收发射设备，在各种方式中资金投入最大，对车辆的负重及空间要求最高，且静中通设备只能在移动指挥车停车固定不动时才可联网，动中通设备目前价格昂贵，不适合每辆车都配备，同时卫星的使用也需要提前申请。

微波组网方式需要提前根据地势建立微波转发站，且信号受大气层及障碍物影响较大，如遇阴天或多云气象，甚至无法正常通信。

车载网络的特点篇(4)

一、应用于武广高铁GSM-R通信系统的特点

GSM-R(Globle System of Mobile foRRailway)专门针对铁路移动通信的需求而推出的专用通信系统，由国际铁路联盟(UIC)和欧洲电信标准化组织制定技术标准，并被许多欧洲国家采纳。它基于GSM并在其功能上有所超越，是成熟的通过无线通信方式实现移动话音和数据传输的一种技术体制。

(一)铁路GSM-R相对公网GSM有着特殊的需求

用户级别不同(语音呼叫，包括：组呼、群呼、增强多优先级与强拆)。功能寻址(调度)。基于位置的寻址(机车呼叫前方车站、后方车站)。高速列车运行情况下的移动通信。大量特殊的数据业务需求(列控、车次号等)。

(二)武广高速铁路GSM-R无线网络采用单层交织冗余覆盖

在列控系统中,无线闭塞中心(RBC)与车载设备无线连接中断,主要是由于GSM-R的无线网络连接失效,即车载ATP(列控车载系统)与BTS(基站)的连接中断,可能是ATP或BTS发生了故障,其中BTS故障的影响可能性大,因为它的故障会造成整个BTS无线网络覆盖区域内的无线连接中断,导致ATP无线连接超时由CTCS-3级转入CTCS-2级控车，影响该区段内的所有列车运行。武广高铁对无线连接失效采取的技术方案是采用单层交织冗余覆盖，铁路沿线由一层无线网络进行覆盖，但在系统设计时加密基站，使得两相邻基站的场强相互覆盖到对方站址，这样可保证在非连续基站故障的情况下，GSM-R网络仍能够正常工作。而且采用不同路由的奇偶数基站保护“环型”结构，在这种无线网络结构下，基站单点故障时不会出现无线网络覆盖盲区，只有连续基站故障或BSC(基站控制器)故障时才会影响无线覆盖，因而系统可靠性很高;同时由于基站加密，覆盖电平较高，抗干扰能力也较强。保证了动车350km/h运行速度车-地之间双向数据传输安全。

(三)CTCS-3级高速运行情况下的移动通信

使CRH3(中国铁路高速)型动车组在武广高速铁路上以350km/h的速度安全运行。基于承载CTCS-3业务的GSM-R系统确保行车安全。今天武广高铁采用GSM-R通信网络创造了CRH3型动车运行时速394公里的世界记录。

二、在武广高铁GSM-R通信网络的功能及其应用

我国GSM-R铁路数字移动通信系统由：网络交换子系统(NSS)、基站子系统(BSS)、运行和维护操作支持子系统(OSS)三个子系统构成。

(一)GSM-R系统网络结构见下图

(二)GPRS在GSM-R网络中的重要作用

GPRS(通用分组无线业务)高效、低成本、资源配置灵活，特别适用于间断、突发性、频繁、数据量小的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。将GPRS分组交换模式引入到GSM-R网络中,GSM-R在数据传输上产生了由电路交换到分组交换的质的飞跃,数据传输速率从原来的9.6kb/s提高到最大传输速率171.2kb/s(理论上)。GPRS方式的数据传输链路，可以为铁路运输行车指挥提供数据通信业务，包括列车控制系统信息传输、机车同步控制信息传输、调度命令传输、调车无线机车信号和监控信息传输、无线车次号传输、进站停稳信息及接车进路信息的传输等数据通信通信业务。在高铁CTCS-3级模式下，车载设备通过GSM-R无线通信GPRS子系统向RBC发送司机选择输入和确认的数据(如车次号)，列车固有性质数据(列车类型、列车最大允许速度、牵引类型等)，车载设备在RBC的注册、注销信息，定期向RBC报告列车位置、列车速度、列车状态(正常时)和车载设备故障类型(非正常时)信息，列车限制性信息以及文本信息等。

三、中国铁路GSM-R网络的规划

铁道部按国家《中长期铁路网规划》在全国建设三个移动汇接交换中心(TMSC)，分别设在北京、武汉、西安。采用铁路专用900MHz工作频段，885-889MHz(移动台发，基站收)，930-934MHz(基站发，移动台收)。共4MHz频率带宽。在全国18个铁路局所在地以及拉萨设置共计19个MSC(移动交换中心),GSM-R核心网络采用二级网络结构。建立全国铁路统一的GSM-R移动通信平台,在铁路内部实现全国漫游,加快高速铁路信息化建设,实现高速铁路跨越式发展。

参考文献：

[1]钟章队,李旭,蒋文怡.铁路综合数字移动通信系统.中国铁道出版社,2003.

车载网络的特点篇(5)

[关键词]车联网;专用短程通信（DSRC）;LTE-advanced

中图分类号：TN925 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）22-0209-01

0 引言

车联网作为有一种有巨大发展的新兴网络，是未来智能交通系统的主要载体。车联网可以全程监控每辆车和每条道路，进而改善交通效率，提高交通安全，提供更加愉悦的乘车体验。车联网的实现需要车辆之间频繁及时可靠的信息交互，因此选定合适的无线通信技术则显得极为重要。用于支持车辆网通信的无线通信技术可以涵盖现有的任何无线通信技术，如2G，3G，卫星，红外，5GHZ微波，移动无线宽带技术等。

1 车联网概述

车联网（Vehicle Ad Hoc Networks，VANET）是移动自组织通信网络的一种特例，是一种自组织、结构开放的车间通信网络，主要是由车载单元（On-board units，OBUs）和路边单元（Roadside units，RSUs）组成。VANET运用车载传感器和GPS卫星定位系统，通过无线通信技术、信息采集和传输技术将车辆工具交通基础设施、交通管理人员有机结合起来，形成智能化新型移动互联网络，从而实现移动通信，信息管理，增值服务的综合应用，提高道路交通效率与驾驶安全性、舒适性，满足用户在车载环境中的服务质量和娱乐需求。

VANET主要的特点是节点移动具有规律性，即车辆沿着既有的道路行驶，运动路径受到道路分布的限制，有明显的规律性，可以基于路径规划或地图等信息进行预测;网络拓扑受限，车辆移动速度快，VANET的拓扑始终处于频繁的变化中，网络的连通性也会不断发生变化，网络连接难以维持;消息传播具有方向性，受地理位置的限制，VANET的数据通信往往与地理位置有关，有一定的方向性。

2 车联网的通信技术

车联网无线通信技术主要依赖两种技术：短距离无线通信和远距离的移动通信。前者主要是RFID和WIFI等短距离通信技术，专门针对车辆运动特性和时延敏感特性制定，在车辆密度适当的环境下可以提供可靠的安全信息传输服务，可以通过无线射频设备感知识别对象目标，并获取数据。而后者主要是GPRS、3G、LIE、4G等移动通信技术。随着大数据、云计算、无线通信技术的快速发展，为车联网络的具体服务应用提供了坚实的网络支撑。

3.1专用短程通信（DSRC）

专用短程通信（Dedicated short range communications， DSRC）技术是针对于智能交通系统领域（ITS）中，车辆和道路基础设施间的信息交换而开发的一种适用于短距离的快速移动的目标识别技术。它可以提供高速的无线通信服务，并且能保持传输延时短和系统的可靠性。其在延迟、移动性、通信距离方面有着无可替代的优势，特别适用于车辆安全应用。目前全球范围内的大多车路协同项目的研究，均采用DSRC技术建立车辆网络。

DSRC是基于IEEE制定和完善的WAVE/802.11p协议族。IEEE 802.11p具有易部署、成本低、技术成熟及ad-hoc模式下支持V2V通信的优势。其定义了汽车与其它实体进行无线通信的物理层与MAC层，在这个标准协议之上是IEEE 1609，其定义了MAC层一直到应用层的通信协议栈。DSRC可以在车辆数量不是很多的情况下，完成交通管理通信服务。然而，该技术在车辆密度比较大的场景中，不能保证安全信息可靠及时的传输，有时也会引起广播风暴、无法保证QoS等问题。此外，由于其有限的覆盖范围及缺乏像蜂窝网一样无处不在的路边设备，IEEE 802.11p只能提供间歇性和短暂性的V2I链接。这便引发了对LTE-advanced作为车联网无线通信技术的研究。

3.2 LTE-advanced

随着移动通信应用的不断发展，人们对网络容量、带宽和速率提出了更高要求，为了满足不断增长的需求，3GPP提出并制定LTE-advanced标准。LTE-advanced技术采用了载波聚合、上下行多天线增强、多点协作传输、中继等关键技术，极大优化了系统容量，提高网络峰值速率、频谱效率和传输时延等关键性能，同时也提高整个网络的组网效率。这使得LTE-advanced系统成为未来无线通信发展的潮流。

LTE-advanced标准的上、下行峰值速率分别可以达到500Mbps和1Gbps，可以支持大量终端同时接入并提供服务，还可以提供高密度、可管理的通信，支持保障。此外，3GPPLTE/LTE-advanced还引入了一些新的技术特性，包括多媒体广播多播业务MBMS，机器类通信语言MTC，D2D等，这些都将为实现车联网通信提供思路和技术手段。MBMS是一个重要特性，是为了实现从数据源向特定范围内多个用户同时传送数据的一种点到多点的业务，可以共享网络资源，提高资源利用率，实现以较少的资源为大量具有相同需求的用户同时提供业务;MTC是3GPP中对M2M的别称，标准规定了一些适用于车联网通信的特性，如小数据量传输，组优化，优先警示等。在一些场景中和车联网通信具有相似性，如短时间内大量终端同时接入需求，高频次小数据通信等。在更高的数据信道带宽之外，针对车联网通信，移动通信网络的改进目标主要针对大量终端的接入以及时延敏感的小数据应用所需要的QoS保证需求。MTC中基于组的通信机制可以有效减小eNodeB接入信道的阻塞，并减小信令开销。这些特征都为移动通信技术支持车联网通信提供了更可靠的保证。Device-to- Device（D2D）是LTE-advanced网络中的一种端到端通信技术，是通过重用宏蜂窝用户资源来实现的。D2D技术支持小区用户之间直接进行通信，通过重用网络频带资源带来很多优点，可以增加LTE-advanced的频谱利用效率，有效改善无线通信系统频谱资源匮乏的问题，并且可以降低终端发射功率，节能降耗，减小小区负载并保证QoS提供新的服务。在一些场景中和车联网通信具有相似性。因此，LTE-advanced技术的不断发展和新特性的不断引入为移动蜂窝网络支持车联网提供了无限可能。

4 结语

IEEE WAVE/802.11p是目前支持车联网通信的主要通信协议，但在车辆密度较大的场景中，该协议族不能保证安全信息的及时可靠送达。因此，我们探讨了新一代移动通信网络LTE-advanced系统所具有的一系列关键技术和新特性，如MTC，MBMS和D2D和技术，这些新技术拥有支持车联网通信的巨大潜力。

随着移动互联网、物联网技术的快速发展，车联网产业的不断壮大，接入网络的车辆节点和路边单元节点也越来越多，引入的网络结构多种多样，将形成不同网络结构共存的局面，影响车联网内各子网络之间的信息共享和数据互联，需要车联网在不同的应用场景下匹配到相应的通信技术，将LTE-advanced技术与DSRC技术结合可以实现车辆识别，车间通信，车路通信，车辆道路信息的传输和共享，搭建车联网数据传输的立体化模式，构建一个有效并且智能的交通体系，为用户提供更好的通信保障。

参考文献

[1] 王彬，陈力，张欣，等 在LTE-advanced网络下的Device-to- Device通信[J].现代电信科技，2010

[2] 许.LTE-advanced关键技术对车联网通信的支持与改进[D] 北京邮电大学，2013

[3] 任开明，李纪舟，刘玲艳，宋文颖 车联网通信技术发展现状及趋势研究[J].通信技术 2015（5）

车载网络的特点篇(6)

早在2009年日本新干线高铁线路即采用沿途泄露电缆铺设的方式实现了高铁车厢中无线信号的覆盖，最高可实现2Mbps的下载速度。但是随着智能设备的普及，用户对于高铁无线接入有了更高的需求。WiFi接入可有效减少铁路沿线基站运营成本，但另一方面由于无线桥接的覆盖范围较小，且车厢高速运行会在无线链路层（二层）和网络层（三层）间做频繁的切换，这两种切换一旦同时发生将导致通讯的暂时中止，故在高速运行环境下的保证通信质量是非常困难的。本文给出了一个基于WiFi的高铁无线数据交换系统，其最大特点为能够利用WiFi接入实现最大16Mbps的UDP数据包吞吐量。该实验系统主要包括以下部分：1）智能天线部署；2）行车区间WiFi信号覆盖及优化；3）支持无线链路层快速切换的无线网桥；4）高速移动IP切换网络。

1.1智能天线的部署每节车厢在轨道上的轨迹都是一致的，这可以使得车载天线能够与地面对应的天线良好的对接。从而当列车通过天线阵列时，在存在多普勒频移的条件下能够保证良好的无线通信条件。在该过程中充分利用智能天线良好的自适应指向特点，使之能够有效的覆盖列车轨道范围。结合实际应用所设计的智能天线满足11.5dBi的方向性增益及40度左右的半值角。

1.2WiFi桥接及地面天线部署在该实验系统中共包含11个地面WiFi无线桥接，由于各个天线所发射的信号方向与铁轨互相平行，且接收信号强度指标（RSSI）会随着天线间距增大而降低，故在系统中每两个无线桥接间间距大约为500m。这其中包含车厢箱体所引致的8.3dB的穿透衰减。此时的最大菲涅尔半径为：r=姨λd/2=3.94m。考虑到地面以及车载天线本身具有一定的高度，所以在我们的试验中使用更为严苛的半径条件。

1.3WiFi桥接及车载天线在驾驶员车厢中也同样安装了WiFi桥接设备及智能天线。在本测试系统中考虑列车车厢的屏蔽作用，将其量化为箱体及挡风玻璃会引致8.3dB左右的衰减。

1.4使用移动IPv4地址进行网络配置采用IP路由协议进行移动IPv4地址的网络配置。其中HA表示本地，FA表示外部。共包含了一个本地和三个外部，皆部署在同一个网段下，每个FA下面部署有3-4个WiFi无线网桥设备。同时为完成网络层切换（L3HO）的性能测试，在试验中将系统划分为3个外部子网络，从每个外部过来的路由器请求报文间隔时间设置为3-6s。网络中WiFi无线网桥设备采用串联形式通过2层的交换机进行连接。移动路由和WiFi无线桥接安装在列车上,系统所使用的三层设备都需要支持移动IPv4(即PFC3344)地址。

2链路层切换流程在网络配置中使用思科

AIR-BR1310G-J-K9-R作为WiFi无线网桥设备，该设备能够很好的支持无线链路层的快速切换。其大致工作流程为：外部触发切换，该切换请求来源于数据请求量超过预先设定阈值，或者RSSI接收值低于阈值等原因。如果是数据请求量过大所导致的切换，无线连接将会被一直处于激活状态直到该切换引致物理连接的失败，在这种情形下，车载天线将在失去连接之后主动搜索新的可用WiFi无线网桥设备。此时车载天线和地面天线仍将保持连接，但车载天线将在之前的连接断开前开始主动搜索新的可用WiFi网桥设备。此时链路层（L2HO）切换时间将会较短。在我们的仿真实验中将L2HO阈值设置为-85dBm,这也是在我们所示的最小RSSI接收量。不管是哪一种触发方式，L2HO都将以以下的流程进行切换：扫描可用的无线网桥设备检查SSID（ServiceSetIdentifier）和密码并丢弃无效的密码匹配在搜索结果中连接最优的无线网桥车载BR发送使用子网接入协议（SNAP）的数据链路层广播帧地面网桥接收到特定广播帧后主动更新无线网桥设备和第二层交换机（L2SWs）的MAC地址链表地面和列车间便可在各设备间进行网络流量的交换。

3网络层切换流程

由于列车限定在车轨上前行，因此除开列车突然脱离轨道的情形外，外部FA到车载MR的无线访问都是较为稳定的。其网络层切换延迟几乎为零。三个外部分别属于不同的子网，在相邻的FA间建立了快捷通道，并使用思科Catalyst2960交换机作为旁路系统。在第二层交换机中，该过程中会丢弃保护端口间的广播帧和组播帧。这一配置方式能够使得相邻的无线网桥设备间接收并转发移动IPv4报文，并且能够保持各广播域的尺寸最小化。举例而言，WiFi连接顺序为BR1-11然后是BR1-12。同样的一个移动IPv4隧道会通过外部FA1建立。当车运行到BR1-13区域时，车载MR可以侦听到FA2及FA1的移动IPv4报文。之后车载MR通过向FA2发送一个注册请求开始第三层切换。值得强调的是，除更新路由表所需的大约20ms外，整个过程中数据流量是一直保持传输的。

4小结

车载网络的特点篇(7)

关键词：车辆安全辅助 ZigBee

引言：车辆在城市交通行驶及起步停车等阶段易发生刮蹭、碰撞，因雨雪雾等天气造成的路面湿滑及视野受阻环境下，更易发生事故导致财产损失及人身伤害。事故发生典型场景有：1.直线行驶车辆与侧方驶离停车位/社区出入口车辆、侧方停靠车门突然开启车辆发生碰撞；2.直线行驶车辆与侧方并线车辆、前方逆转方向车辆发生碰撞。安全辅助系统可实现上述场景中车辆行车状态自动识别与信息互动警示，减免意外事故发生。

一、系统方案设计

系统由车载终端、参考节点、协调器节点和数据服务器构成。车载终端负责收集/处理车辆行车状态信息，作为网络移动节点对车辆进行跟踪定位辅助；参考节点位于区域固定位置，起网络定位参考作用；协调器节点建立网络，负责处理节点位置信息并将信息传输至数据服务器；数据服务器可接入互联网，实现计算机终端对网络的远程访问与控制。系统无线通信采用ZigBee网型拓扑网络，置于道路侧的协调器节点为网络核心，主导无线网络的建立与配置管理。协调器节点与车载终端、参考节点采用自组织方式组建无线通信网络。

主要功能原理如下：车辆启动后车载终端开始工作，并通过总线系统收集车辆车速/轮速/转向灯开关/倒车开关/车门开关等信号以及GPS系统定位信息，经过微处理器计算车辆行驶状态与位置信息。车载终端搜索并加入附近区域协调器节点建立的网络，借助参考节点辅助定位，通过网络向区域内其他车辆发送本车行驶状态与位置信息。其他车辆终端微处理器分析获取信息，识别相邻接近车辆与本车是否存在行驶路线交叉与汇合，提醒驾驶员注意邻近车辆行驶路线并适时建议驾驶操作。

二、系统硬件设计

1.车载终端设计：系统需满足大量实时数据收发与低功耗要求，同时为实现硬件平台功能可扩展性，设计采用MCU模块+HMI模块方案。MCU模块负责车辆状态信息采集与处理、数据无线通信等；HMI模块负责人机交互功能例如语音播报等。模块间通过RS485总线连接。

MCU模块采用LPC2366微处理器与CC2431射频芯片构建硬件平台，结构如图1所示。MCU模块由负责数据采集与处理的CPU模块、存储数据的储存模块、采集车辆状态参数的CAN总线接口模块、负责数据收发的射频模块和电源管理模块组成，射频模块与CPU模块是系统核心。CPU模块自动采集CAN总线接口模块传来信号，经调制电路由CPU处理，处理与分析结果通过ZigBee网络传输。LPC2366集成CAN控制器与CAN电平转换芯片TJA1040T相连，接收车辆状态参数。TJA1040T是NXP公司推出的用于汽车电子的高性能CAN收发器。射频模块采用Ti公司CC2431，单芯片整合ZigBee射频前端、微控制器与GPS定位引擎硬件，采用较少电路即可实现无线信号收发，利用内置定位引擎基于RSSI技术，根据接收信号强度与已知网络参考节点位置计算车辆终端位置，实现车辆定位信息的多路输入辅助。CPU模块设计有RS232接口可用于连接独立GPS模块，GPS模块采用联发科技GS-92m，拥有SIRF3电路，具有20个卫星信号通道，热启动模式平均定位时间为1s，具有搜星快速、接收能力强等特点。数据采集模块包含4路模拟量采集通道与8路开关量采集通道，用于扩展终端系统实用性。

2.协调器/参考节点设计：节点采用CC2430芯片，包括电源模块、射频天线RF模块以及晶振电路等模块。电源模块用于为协调器节点的其它功能模块供电，保证节点正常运行。RF模块用于数据的无线收发与传送。协调器晶振模块是两个不同频率晶振，用于无线收发数据和休眠状态。

3.数据服务器设计：数据服务器与网络通过以太网接口连接，采用RTL8019AS网络芯片，实现远程数据传输。服务器采用三星S3C44BO芯片，芯片规格为16/32Bit RISC。内部集成USB设备端与主机端，可提供点对点连接，USB接口芯片采用ISP1161。

三、系统软件设计

1.车载终端软件设计：车载终端上电硬件初始化，CPU模块通过SPI接口发送初始化指令，使CC2431进入工作状态，搜索其通信范围内是否存在网络并申请入网。终端成功入网后等待轮询信息并发送应答信息到协调器。LPC2366完成初始化后对采集到的CAN总线的数据以及开关量或模拟量进行解析，数据依次进行协议封装，并将分析结果实时通过CC2431传送至协调器节点。

2、参考节点软件设计：参考节点上电初始化，申请加入网络。搜索信号，接收并判断数据是否发给自身，是则从数据包中提取RSSI值，不是则丢弃。接收某一车载终端节点数据达到10次时计算平均值。将平均值运用定位算法计算出本节点与该车载终端节点间的距离。将自身坐标信息和移动节点与本节点间的距离值发送给协调器和该车载终端节点。

3.协调器节点的软件设计：协调器节点负责无线网络建立、网络参数设定、网络信息管理与维护等功能。协调器节点上电完成协调器硬件和协议栈的初始化后，开始进行信道能量检测与信道扫描。选择空闲信道中能量最强的作为所建立的无线网络的信道，从而建立无线网络并生成无线网络编号PAN ID和配置无线网络参数。建立ZigBee无线网络成功后，协调器节点进入监听状态，如有子节点申请入网，则允许子节点加入并为其分配无线网络地址，建立绑定文件。

四、总结

本文介绍一种车辆安全辅助系统，车辆间以ZigBee模块为基础，实现车辆实时行车状态信息的无线发送，在局部区域内完成车车通信，预先提醒驾驶员附近车辆行车状况并适时调整驾驶操作以避免安全风险。系统通信采用网状网络拓扑，具有可靠性强、组网灵活性高、自愈能力强等优点，适用于网域内动态移动变化的节点间通信与监测应用。

参考文献

[1]张威奕，陈秀万，李颖，李智慧. 基于GPS和Zigbee融合的无缝定位方法研究[J].宁夏大学学报，2013，34（1）：40-44.

[2]崔文韬，曹海. Zigbee无线定位技术应用[J].机械与电子，2008，26：85.