车载传感器网络是在车载自组织网络基础上构建的一个移动的、基于车辆的新型传感器网络。 一、车载传感器网络的定义。 由安装在移动车辆上的无线传感器节点自组织形成的网络称为车载传感器网络(VSN),它可以实现V2V、V2I之间的通信,如图2-34所示。
在车载传感器网络中,车辆都安装了无线的车载单元(OBU),车辆通过这种设备采用短距离无线通信技术与其他车辆通信,也可以与路侧单元(RSU)通信。
车辆上的各种传感器不但能够收集、感知和计算车辆节点周围的道路交通或者气候等因素,还能够通过车辆内的一些传感器感知车辆内部的状态。这些传感器根据各自的使用场景不同在各自的功能上都发挥着重大的作用。例如能够拍摄车辆附近的视频画面与动静态图像信息的行车记录仪;能够提供车辆行进时实时的加速度信息的加速度传感器:能够灵敏感知车辆行驶方向的行车陀螺仪;能够精确定位车辆地理位置并测算出车辆行驶即时速度的全球卫星定位系统终端设备GPS;能够探测车辆温度、湿度的车载环境感应仪;甚至能够感知驾驶员生理和心理状况的车载生物探测仪等。
二、车载传感器网络的特点。
由于车载传感器网络是基于车载自组织网络的一种新型的以数据为中心的无线传感器网络,因此,与传统传感器网络相比,具有以下特点。
(1)资源不受限的网络：车载传感器网络具有资源不受限的特点,这是与传统无线传感器网络最显著的区别之一。在传统无线传感器网络中,传感器节点通常采用电池供电,由于体积限制,节点通常只能携带容量十分有限的电池。同时,由于大多数传感器网络应用在恶劣环境里,更换电池以补充节点能量通常是不可行的,这就使得能量成为传感器网络中最为受限、最为珍贵的资源。而在车载传感器网络中,由于传感器节点可直接由车辆供电系统持续供电,这就解决了传统无线传感器网络中能量受限的问题。另一方面,传统的传感器节点通常只具有能力较弱的处理器模块,所配置的存储器容量也较小。而在车载传感器网络中,由于能量不受限的特点,处理器都具有较强的计算能力,存储设备也可改用大容量设备进行数据存储。
(2)自组织网络：车载传感器网络是一种特殊的车载自组织网络,传感器节点不具有固定的部署位置,而是随着车辆的行驶而移动。这就需要车载传感器节点具有自组织的能力,能够自动进行配置和管理,从而通过自组织的方式自动形成可采集并转发数据的多跳网络系统。
(3)节点数量大、分布范围广：与传统无线传感器网络类似,车载传感器网络也具有节点数量多、分布范围广的特点。举例来说,如果将城市公共交通车辆上都部署相应的传感器,以此形成的网络节点规模将达到数万计。同时,从覆盖规模上讲,由于车辆的移动,车载传感器网络理论上可覆盖整个城市路网,面积可达数百平方千米。通过在监测区域内部署密集的节点,可提高监测的精度,减少监视盲区,提高系统的容错性与鲁棒性。
(4)节点的高速移动性：传统无线传感器网络中的节点经常是静止不动或移动速度缓慢,速度范围在1~5m/s。在车载传感器网络中,节点是在城市或者高速公路上移动的车辆,其速度范围在10~30m/s。在传统的传感器网络中,大多数都是假设传感器节点在部署之后,整个网络是连通的,任意网络节点都能在网络拓扑中找到一条通往数据汇集点的路径。然而在车载传感器网络环境下,这种假设是不成立的。在车载网络中,很难像传统网络那样管理节点间的拓扑结构，建立相对稳定的路由表,从而解决网络中路由问题。
(5)基于机会性的数据传输：车载传感器网络是以数据为中心的网络,因此数据收集是车载传感器网络的基本功能。当车载传感器网络具有间歇连通的特性后,数据的传递不再是连续地通过多跳的中继节点转发到目的节点。由于DTN(时延容忍网络)中各节点之间的连通性随着节点的移动而频繁的变化,节点转发数据发生在与其他节点相遇的时候。因此,DTN通常采用存储转发的方式传送数据,当两个节点相遇时,两者建立无线连接,相互交换信息并将信息存储,随后将此信息转发至下一个遇到的节点,直至传送至目标点。显然,在这个场景下,传统的信息收集协议已无法适应新的网络条件,必须结合DTN的特点,设计新的信息收集协议。因为车载传感器网络的节点具有高速移动性,导致了网络的间歇连通性,所以车载传感器网络中的数据收集扩散协议和远程路由协议都是基于机会性的。然而,网络中车辆并不了解其周围邻居车辆未来的行驶路线,所以这种车辆移动的不确定性会导致基于存储转发方式利用移动节点传递数据也就不确定。一种解决方法就是复制数据并转发给更多的车辆以多路径的方式传递到目标点,虽然复制更多的数据到邻居车辆上会提高数据传递的效率,但是车载网络的资源是有限的,这种资源包括网络带宽和网络中移动节点的缓存空间,如果每辆车都复制了大量的数据,那么网络中这些有限的资源就会很快被耗尽,反而会影响数据传输的性能。
(6)复杂多样的数据收集：传统的信息收集绝大多数都是针对单一信息的收集,如周边环境的温度、湿度等信息,这些信息经多跳传输到信息接收者进行统一处理,信息接收者一般是汇聚节点或基站,具有较强的信息处理能力。然而在车载传感器网络中,随着传感器节点的计算能力的进一步提高,传感器网络不再局限于收集局部的简单的物理环境数据,而是向用户提供更加多样化和复杂化的信息和知识。而这些复杂数据的传递也不再是面向单一的汇聚节点,而是面向更多的分布在网络不同地理位置的用户。同时,这些信息的接收者往往不需要获得整个网络收集到的所有信息,而可能只对其中一类或几类信息感兴趣。
车载传感器网络具有广阔的应用背景,这些应用包括交通和通信两个主要方面,交通方面主要是保证驾驶员行车安全和交通顺畅,而通信方面是满足城市或高速公路通信需求提供服务支持,例如紧急的事故信息、救援信息以及普通的用户查询信息等。具体应用类型包括路况信息收集、交通安全、周边信息服务、交通事故紧急处理、互联网接入等。
