YL8975  9787111563617 9787111545408

车联网通信技术

本书以DSRC为写作对象，主要介绍了车联网的体系架构、应用场景和通信机制，其中通信部分讲述了物理层和高层协议的基本工作原理，并重点介绍了adhoc网络中常用的路由协议，本书还对信息安全问题进行了讨论。尽管书籍内容简短精练，但融入了作者多年来在车联网理论研究和实践方面的丰富经验，可作为车联网相关研究人员快速了解DSRC工作原理的理想参考资料。
>译者的话 
第1章介绍 
1.1概述 
1.2为何引入车用通信 
1.3体系架构 
参考文献 
第2章车用通信应用 
2.1安全 
2.1.1关键交通情形 
2.1.2安全应用分类 
2.1.3正常传输机制 
2 .1.4双向通信机制 
2.1.5非自主系统 
2.1.6快速警告提醒 
2.2资源效率 
2.2.1 自主系统 
2.2.2正常交通提醒 
2.3信息娱乐 
2.3.1 ad hoc服务 
2.3.2供应商服务 
2.4应用需求总结 
参考文献 
第3章通信机制 
3.1双向通信机制 
3.2基于位置的通信机制 
3.3基于位置的多跳通信机制 
参考文献 
第4章车联网中的 
信息 
4.1信息精度 
4.2时间敏感信息 
4.3制动时间与距离 
4.4**车时间与距离 
4.5主动安全应用的时间区域 
4.5.1数据要求 
4.5.2网络要求 
4.5.3合作式避撞系统 
参考文献 
第5章路由 
5.1多跳路由协议 
5.1.1 ad hoc按需距离矢量路由(AODV) 
5.1.2网格位置服务( GLS) 
5.1.3贪婪周边无状态路 
由(GPSR) 
5.1.4地理源路由(GSR) 
5.1.5基于竞争的转发 
( CBF, Contention 
Based Forwarding) 
5.1.6Octopus（八爪鱼） 
5.1.7**贪婪转发 
( AGF, Advanced 
Greedy Forwarding) 
第6章车用通信媒质接入 
第7章物理层技术 
第8章安全

车辆网联技术
>

这部教科书的基础是在包括IEEECCNC,IEEEICC,IEEEGLOBECOM和IEEEVTC等所有主要IEEE会议上发表的有关这一专题的系列教程，以及FalkoDressler的在欧洲、美国、南美和亚太地区举办的IEEE杰出讲师讲座的内容。我们还设计了一个新的研究生水平的大学课程，在欧洲不同的大学里教授。这个也激发了我们以一本教科书的形式来汇集我们的经验，为广泛的读者—从希望进入这一激动人心的新领域的学生，到寻找一个综合概述的实际工作者，提供一个集中了过去和未来车辆网联专题共同概念的参考。
>译者序
前言
缩略语
第1章引言1
1.1术语和定义3
1.2Who is who4
1.2.1规则制定、法规和标准5
1.2.2研究6
1.3如何使用这本书7
1.3.1目标读者7
1.3.2给非专家们的概述7
1.3.3有经验的读者的深入研究8
第2章车内通信11
2.1车载网络12
2.2汽车总线系统14
2.2.1CAN14
2.2.2LIN20
2.2.3MOST22
2.2.4FlexRay24
2.3车载以太网29
2.3.1背景30
2.3.2车载网络的适应性32
2.3.3引入汽车33
2.4无线车载网络34
第3章车辆间通信35
3.1应用35
3.1.1交通信息系统36
3.1.2交叉路口碰撞预警系统43
3.1.3队列前进44
3.1.4交通灯信息与控制46
3.1.5娱乐应用49
3.2要求和组件51
3.2.1应用需求51
3.2.2评估IVC方案的指标57
3.2.3通信实体59
3.2.4通信原理62
3.3车辆间通信的概念65
3.3.1调频广播和数字音频广播65
3.3.2蜂窝网络71
3.3.3自组织路由73
3.3.4广播78
3.3.5地理路由88
3.4基本的限制92
3.4.1迈向异构网络92
3.4.2广播风暴问题94
3.4.3VANET的扩展性96
第4章无线接入技术98
4.1蜂窝网络98
4.1.1GSM101
4.1.2UMTS103
4.1.3LTE104
4.1.4未来发展106
4.1.5蜂窝网络在IVC中的使用106
4.2短程无线电技术109
4.2.1无线局域网(WLAN)109
4.2.2IEEE 802.11p112
4.2.3高层协议114
4.3空白频段和认知无线电119
4.3.1认知无线电119
4.3.2TV空白频段120
4.3.3空白频段在IVC中的应用121
第5章信息传递124
5.1自组织（ad-hoc）路由125
5.1.1主动路由协议126
5.1.2被动路由协议128
5.1.3车载自组织网络（VANET）
中的应用132
5.2地理位置路由139
5.2.1地理位置路由140
5.2.2基于虚拟坐标路由143
5.3信标152
5.3.1自组织的交通信息系统153
5.3.2协同感知消息157
5.4自适应信标158
5.4.1自适应交通信标159
5.4.2分散式拥塞控制（DCC）169
5.4.3动态信标174
5.5地理多播180
5.5.1ETSI地理网络180
5.5.2分布式环境通知信息182
5.5.3拓扑辅助地理机会路由183
5.6基础设施支持187
5.6.1路侧单元188
5.6.2停泊车辆192
5.7DTN与对等网络198
5.7.1分布式车联广播199
5.7.2MobTorrent201
5.7.3PeerTIS205
第6章性能评估208
6.1性能测试208
6.1.1概念和策略208
6.1.2现场运行试验210
6.1.3仿真技术220
6.2仿真工具231
6.2.1网络仿真232
6.2.2道路交通仿真235
6.2.3IVC仿真框架237
6.3场景、模型和指标240
6.3.1场景240
6.3.2信道模型249
6.3.3驾驶人行为259
6.3.4指标262
第7章安全与隐私275
7.1安全的基本要素275
7.1.1安全目标和技术要求276
7.1.2安全关系279
7.1.3证书280
7.1.4安全与隐私283
7.2保障车辆网络安全283
7.2.1IVC的证书应用283
7.2.2性能问题285
7.2.3证书撤销287
7.2.4位置验证288
7.3隐私289
7.3.1位置隐私290
7.3.2跟踪方法291
7.3.3临时假名292
7.3.4交换假名294
参考文献296

《智慧出行：车联网通信技术与安全解析》 第一章 绪论：车联网的时代浪潮与核心驱动 我们正身处一个万物互联的时代，而“车联网”（Internet of Vehicles，简称V2X）无疑是这场变革中最令人瞩目、最具潜力的领域之一。它不仅仅是将车辆简单地接入互联网，更是一种集通信、计算、控制、感知、服务于一体的复杂生态系统。本书旨在深入剖析车联网通信技术的底层逻辑，揭示其蓬勃发展的驱动因素，并对其中蕴含的安全挑战与应对策略进行详尽的阐述，为读者勾勒出一幅关于智慧出行未来的清晰蓝图。 1.1 车联网的定义与内涵 车联网，顾名思义，是指通过各种通信技术，将车辆与车辆（V2V）、车辆与基础设施（V2I）、车辆与行人（V2P）、车辆与网络（V2N）以及车辆与传感器（V2S）等连接起来，实现信息交互、数据共享和智能协同的下一代交通通信网络。它打破了传统车辆孤立运行的模式，赋予了车辆“感知”和“思考”的能力，从而催生了自动驾驶、智能交通管理、车载信息娱乐等一系列颠覆性的应用。 1.2 车联网发展的驱动力 推动车联网飞速发展的因素是多方面的，既有技术层面的突破，也有社会需求的驱动： 技术革新： 5G通信技术的成熟和普及，为车联网提供了前所未有的高速、低延迟、大连接的网络基础。同时，人工智能、大数据、云计算、边缘计算等技术的融合，极大地提升了车辆的数据处理和决策能力。 政策引导与产业支持： 各国政府纷纷将车联网列为国家战略，出台相关政策鼓励研发和应用。汽车制造商、通信运营商、科技公司等纷纷加大投入，形成强大的产业合力。 用户需求升级： 消费者对出行安全、效率、舒适性和个性化服务的需求日益增长。车联网提供的自动驾驶、智能导航、远程诊断、在线娱乐等功能，正好契合了这些需求。 交通挑战的应对： 城市交通拥堵、交通事故频发、环境污染等问题，迫切需要通过智能化手段来缓解。车联网通过优化交通流量、提升驾驶安全，为解决这些难题提供了新的思路。 1.3 车联网的核心要素 要理解车联网，必须抓住其核心要素： 通信技术： 这是车联网的基石，包括车内通信（如CAN、LIN）、车间通信（如DSRC、C-V2X）、蜂窝通信（如4G、5G）以及卫星通信等。 数据处理与分析： 海量交通数据的采集、传输、存储、处理和分析是车联网发挥作用的关键。 感知与决策： 车辆需要通过传感器（摄像头、雷达、激光雷达等）感知周围环境，并通过计算单元进行分析和决策。 应用与服务： 基于以上基础，衍生出各种面向用户和社会的智能应用与服务。 安全与隐私： 随着互联互通程度的加深，网络安全和数据隐私保护成为车联网发展必须解决的关键问题。 本书将围绕这些核心要素，层层深入，力求为读者提供一个全面而深刻的理解。 --- 第二章 车联网通信技术：连接你我，驱动未来 通信技术是车联网的血脉，它决定了信息能否高效、可靠地在各个节点之间传递。本章将详细解析车联网所涉及的各类通信技术，从近距离的车内通信到远距离的蜂窝通信，再到新兴的通信标准，逐一剖析其原理、特点与应用场景。 2.1 车内通信技术（Intra-Vehicle Communication） 车辆内部的各个电子控制单元（ECUs）需要协同工作，实现车辆的各项功能。车内通信技术负责连接这些ECUs，实现数据的实时交换。 CAN（Controller Area Network）总线： 作为一种现场总线，CAN总线在汽车领域得到广泛应用。它具有总线型拓扑、多主方式、冲突检测与仲裁、错误检测与处理等特点，能够满足汽车内部对数据传输速率和可靠性的基本要求。例如，发动机控制单元、制动防抱死系统（ABS）、安全气囊控制单元等都可以通过CAN总线进行通信。 LIN（Local Interconnect Network）总线： LIN总线是一种成本较低、带宽较低的车内通信协议，通常用于连接一些非关键性的传感器和执行器，如车窗升降、座椅调节、车门锁等。它采用主从式结构，主节点控制通信过程，可以有效地降低布线成本和功耗。 FlexRay： FlexRay是一种高性能、容错性强的通信总线，旨在满足汽车对更高带宽、更低延迟和更高可靠性的需求，尤其适用于线控转向、电子稳定程序（ESP）等关键系统。其特点是采用时间触发通信机制，能够保证通信的确定性。 以太网（Automotive Ethernet）： 随着汽车电子化和智能化程度的提高，对车内通信带宽的需求不断增加。车载以太网凭借其高带宽、低延迟和成熟的生态系统，正逐渐成为高级驾驶辅助系统（ADAS）和信息娱乐系统等新一代应用的重要通信方式。 2.2 车外通信技术（V2X Communication） 车外通信是车联网的核心，它实现了车辆与外部环境的信息交互，是实现高级自动驾驶和智能交通的关键。 DSRC（Dedicated Short-Range Communications）： DSRC是一种基于IEEE 802.11p标准的短距离无线通信技术，专门为车辆环境设计。它能够在车辆之间以及车辆与路侧单元之间提供低延迟、高可靠性的通信。DSRC是较早提出的V2X通信技术之一，在美国和日本等地得到了较广泛的部署和测试。其主要通信模式包括V2V、V2I、V2P等。 C-V2X（Cellular Vehicle-to-Everything）： C-V2X是基于蜂窝通信技术（如LTE和5G）的V2X解决方案。它有两种主要的通信模式： PC5（Sidelink）模式： 类似于DSRC，允许设备之间直接通信，无需经过基站。这种模式具有低延迟和高可靠性，适用于V2V、V2I、V2P等场景，在信号覆盖不佳或无网络覆盖的区域也能工作。 Uu模式： 通过蜂窝网络与基站进行通信，适用于需要更远通信距离和更高吞吐量的场景，如远程信息服务、车载信息娱乐、地图更新等。 C-V2X技术在可靠性、覆盖范围、安全性以及与现有蜂窝网络的兼容性方面具有优势，并且能够随着5G技术的发展而不断演进，成为当前车联网通信的主流技术方向。 Wi-Fi（IEEE 802.11系列）： Wi-Fi技术也可用于车联网的某些场景，例如车辆与路侧热点或家庭Wi-Fi的连接，用于车载信息娱乐内容的下载或软件更新。但其在低延迟和车辆移动性方面的表现不如DSRC或C-V2X。 蜂窝通信（4G/5G）： 4G LTE和5G NR技术为车联网提供了广域覆盖和高速率的通信能力。5G的低延迟（URLLC）、高带宽（eMBB）和海量连接（mMTC）特性，为自动驾驶、高清地图实时更新、车路协同等高级应用提供了强大的技术支撑。5G的引入也催生了更多创新性的车联网服务，如高清视频流、云游戏等。 2.3 通信协议栈与标准 为了实现不同厂商、不同设备之间的互联互通，车联网通信需要遵循一套完整的协议栈和标准。 IEEE 802.11p： DSRC的基础标准。 3GPP Release 14及后续版本： C-V2X基于3GPP的标准，例如R14定义了LTE-V2X，R15及后续版本则涵盖了5G NR V2X。 ETSI ITS-G5： 欧洲在DSRC领域的主导标准。 SAE J2735： 定义了DSRC和C-V2X的消息集（Message Set Dictionary），规范了消息的格式和内容，确保不同设备间信息的准确理解。 ISO 21177： 国际标准化组织（ISO）关于车联网安全通信的系列标准。 TC（Telematics Control Unit）： 车载通信单元，集成了多种通信模块，是车联网通信的载体。 2.4 未来通信技术展望 随着技术的发展，下一代车联网通信将更加强调： 高可靠性与低延迟： 尤其对于自动驾驶等安全至关的应用，通信的可靠性和延迟至关重要。 更广阔的覆盖范围： 结合卫星通信等技术，实现更全面的网络覆盖。 更高的安全性与隐私保护： 随着通信数据的增加，安全与隐私将面临更大的挑战。 边缘计算与云协同： 在车辆边缘和云端进行计算和决策，提升响应速度和效率。 AI与通信的深度融合： 利用AI优化通信调度、资源分配和信号处理。 --- 第三章 车联网安全：守护数字旅程的每一程 在享受车联网带来的便利与智能的同时，我们必须正视其潜在的安全风险。网络攻击、数据泄露、隐私侵犯等问题，都可能对人身安全和财产安全造成严重威胁。本章将深入探讨车联网面临的主要安全威胁，并系统性地分析各种安全防护技术与策略。 3.1 车联网面临的主要安全威胁 车联网的互联互通特性，也带来了广阔的攻击面。主要的威胁包括： 通信安全威胁： 数据篡改与伪造： 攻击者可能截获并篡改车辆发送或接收的通信数据，例如伪造交通信号灯信息，导致车辆做出错误决策。 拒绝服务（DoS/DDoS）攻击： 通过发送大量无效或恶意请求，瘫痪车联网通信网络，使车辆无法正常通信。 窃听与信息泄露： 攻击者可能窃听车辆的通信数据，获取敏感信息，如车辆位置、驾驶习惯、乘员信息等。 重放攻击： 攻击者截获合法通信数据包，并在稍后将其重新发送，以欺骗接收方。 车辆控制安全威胁： 远程控制与劫持： 攻击者可能利用网络漏洞，远程控制车辆的关键功能，如转向、制动、加速等，造成严重事故。 传感器欺骗： 攻击者通过干扰或伪造传感器信号（如GPS信号、摄像头图像），误导车辆的感知系统。 数据安全与隐私威胁： 数据泄露： 存储在车辆、服务器或云端的个人数据、驾驶数据、位置信息等被非法获取。 身份冒充： 攻击者冒充合法用户或设备，访问受限资源或执行非法操作。 隐私侵犯： 持续追踪车辆和司机的活动，侵犯个人隐私。 基础设施安全威胁： 路侧单元（RSU）被攻击： 攻击者可能攻击负责信息播报和交通管理的RSU，导致区域性交通混乱。 云平台与后台系统被攻击： 攻击者攻击支持车联网服务的云平台或后台管理系统，影响整个生态系统的运行。 3.2 车联网安全防护技术与策略 为了应对上述威胁，车联网安全需要采用多层次、全方位的防护策略： 身份认证与访问控制： 数字证书与公钥基础设施（PKI）： 为车辆、设备、用户和服务器颁发唯一的数字身份，并通过 PKI 对其进行管理和验证，确保通信的真实性和完整性。 MAC（Message Authentication Code）/HMAC： 对消息进行完整性校验，防止数据被篡改。 安全令牌与多因素认证： 增强用户和设备访问的安全性。 通信安全： 加密技术： 传输层安全（TLS/SSL）： 对数据在传输过程中进行加密，防止窃听。 端到端加密： 确保数据在源端到目的端传输过程中始终处于加密状态。 安全通信协议： 采用如IPsec等安全协议，为IP网络通信提供安全保障。 安全消息认证： 使用数字签名技术，确保消息的发送方身份和消息内容的真实性。 车辆安全： 安全网关（Secure Gateway）： 作为车辆内部通信的防火墙，隔离外部网络与车内网络的访问。 入侵检测与防御系统（IDS/IPS）： 实时监测车辆网络流量，发现并阻止潜在的攻击行为。 安全启动（Secure Boot）： 确保车辆启动过程中加载的软件是可信的，防止恶意软件注入。 软件更新与补丁管理： 及时更新车辆软件，修复已知的安全漏洞。 硬件安全模块（HSM）： 用于安全地存储密钥和执行加密操作。 数据安全与隐私保护： 数据加密与脱敏： 对存储的敏感数据进行加密，并对个人身份信息进行脱敏处理。 隐私保护技术： 采用差分隐私、匿名化等技术，在数据分析的同时保护个人隐私。 访问控制策略： 严格控制对敏感数据的访问权限。 基础设施与平台安全： 安全加固： 对服务器、云平台等基础设施进行安全加固，防止未经授权的访问。 安全审计与监控： 对系统进行持续的安全审计和实时监控，及时发现异常行为。 安全开发生命周期（SDL）： 在软件开发过程中融入安全考虑，从源头减少安全漏洞。 安全管理与运营： 安全策略与规范： 制定并执行严格的车联网安全策略和操作规程。 安全培训与意识提升： 对开发人员、运营人员和用户进行安全意识培训。 应急响应机制： 建立有效的安全事件应急响应机制，快速处理安全事故。 3.3 未来车联网安全发展趋势 零信任安全模型： 不信任任何节点，所有访问都需要验证。 AI驱动的安全： 利用人工智能进行威胁预测、检测和响应。 区块链技术： 用于构建更安全、透明、不可篡改的身份认证和数据管理系统。 安全软件定义汽车（SDCAR）： 将安全能力集成到软件定义汽车的架构中。 跨行业安全合作： 加强汽车、通信、IT等行业的安全信息共享与协同防御。 车联网安全并非一蹴而就，而是一个持续演进、不断优化的过程。只有将安全理念贯穿于车联网的整个生命周期，才能真正构建一个安全可靠的智慧出行环境。 --- 第四章 车联网应用与发展前景 在通信技术和安全保障的双重驱动下，车联网的应用场景日益丰富，正在深刻地改变我们的出行方式和生活体验。本章将聚焦于车联网的典型应用，并展望其未来的发展前景。 4.1 智能交通管理 交通信号灯优化： 通过V2I通信，车辆可以获取实时的交通信号灯信息，并与信号灯系统进行协同，实现信号灯的动态配时，减少拥堵和等待时间。 交通流量监控与预测： 海量车辆的交通数据汇聚到云端，通过大数据分析，可以实现对交通流量的实时监控和未来趋势的预测，为交通管理者提供决策支持。 事件检测与预警： 车联网能够快速检测交通事故、道路施工等突发事件，并通过V2V、V2I通信及时向附近车辆和交通管理部门发布预警信息。 停车诱导与管理： 车辆可以获取实时空余车位信息，并进行预约，减少寻找车位的时间和燃油消耗。 电子收费（ETC）与路径规划： 更加智能化的ETC系统，以及基于实时交通信息的动态路径规划，可以显著提升出行效率。 4.2 自动驾驶技术 自动驾驶是车联网最重要的应用之一，它高度依赖于车联网提供的各种信息和通信能力。 环境感知： 除了车辆自身的传感器，车联网可以接收来自其他车辆、路侧传感器、高清地图等的信息，提供更全面、更准确的环境感知能力，弥补单车感知的局限性。 协同决策： 在复杂交通场景下，例如交叉路口、车道合并等，车辆之间可以通过V2V通信协同决策，避免冲突，提高通行效率和安全性。 高精度定位： 结合GNSS、IMU、高精度地图和V2X通信，实现厘米级的高精度定位，是自动驾驶的基础。 远程驾驶： 在极端情况下，如车辆遇到无法处理的复杂场景，可以由远程驾驶员进行接管，并由车联网提供必要的通信支持。 4.3 车载信息娱乐与服务 高清地图与实时更新： 车联网支持下载和更新高精度地图、实时路况信息、POI（兴趣点）信息等，为导航和出行提供便利。 在线影音娱乐： 高速网络连接使得车辆可以提供丰富的在线音乐、视频、游戏等娱乐服务，提升驾乘体验。 远程诊断与OTA升级： 车辆可以通过车联网进行远程故障诊断，并进行软件（OTA）升级，提高车辆的可靠性和可用性。 个性化服务： 基于用户驾驶习惯和偏好，车联网可以提供个性化的新闻推送、音乐推荐、路况提醒等服务。 车载支付与电子商务： 在线支付功能可以用于加油、停车、购物等场景，为用户提供便捷的交易体验。 4.4 智慧出行与共享经济 共享出行平台： 车联网是共享汽车、网约车等共享出行模式的基础，能够实现车辆的精细化管理、实时调度和用户便捷使用。 车队管理： 对于物流、出租车等车队，车联网能够实现对车队成员的实时监控、任务分配和效率优化。 绿色出行： 通过优化交通流量、推广电动汽车（V2G技术）等，车联网有助于降低交通能耗和排放，促进绿色出行。 4.5 未来发展前景展望 车联网的未来发展潜力巨大，将与5G、人工智能、云计算、边缘计算等技术深度融合，呈现出以下趋势： 大规模普及与生态构建： 随着技术的成熟和成本的下降，车联网将从高端车型逐步普及到大众市场，形成庞大的用户基础和丰富的应用生态。 从“连接”到“智能”的跃迁： 车联网将不再仅仅是简单的信息连接，而是更加注重车辆的智能化、决策化和自主化。 人车路的协同进化： 车辆、道路基础设施、交通管理系统、用户将形成一个高度协同的智能交通生态系统。 汽车成为移动的智能终端： 汽车将演变成一个集通信、计算、娱乐、办公于一体的移动智能终端，深度融入人们的数字生活。 数据价值的深度挖掘： 收集和分析的海量交通数据将产生巨大的商业价值，催生新的商业模式和服务。 安全与隐私的持续保障： 随着应用场景的扩展，安全与隐私保护将成为车联网持续发展的关键。 车联网正以前所未有的速度改变着交通运输行业，并对社会生活产生深远影响。理解其核心技术、应对其安全挑战、把握其应用机遇，对于把握未来出行脉搏至关重要。本书旨在为读者提供一个全面、深入的视角，共同迎接智慧出行的新时代。