随着社会经济的发展，汽车数量在众多城市都呈现爆发式的增长。汽车的大规模普及带来了交通安全、道路建设、环境保护等各种问题。传统的智能交通管理系统已不能满足城市智能交通化的发展需求。在此形势下，车联网^[1]作为解决城市交通问题的关键技术，带动了汽车产业的智能化变革，推动了城市智能交通体系的建立和发展。

在车辆不断增加、车辆通信需求急速扩张的万物联网时代^[2]，如何克服高速移动下车辆无线信道变化快、网络拓扑结构变化频繁、多普勒效应严重，保证车辆间通信时延短、可靠性高、传输速率快、传输范围广，是车联网无线通信的关键。设计了一种基于中继技术的车载无线通信系统，实现车辆之间的无线自组织网络和自适应协同通信。

车载无线通信架构如图 1所示。图 1包括6个模块：车载无线网络智能控制模块、自适应车载通信系统、车载无线网络传感器模块、车载无线网络组网与传输通信模块、车载无线网络数据管理模块和车载无线网络应用模块。

图 1(Figure 1)

图 1 车载无线通信架构

1) 车载无线网络智能控制模块

智能控制模块中自适应控制包括信息感知、信息分级、网络管理、中继传输、应用支持。作为车载无线通信系统的控制中心，用于整个通信系统的数据管理和自适应控制，其中智能模块会根据数据处理结果自适应地进行无线资源分配、车辆接入控制和组网管理，不同车辆之间形成临时移动自组织网络，根据自组织网内的信息优先级进行无线通信。

2) 自适应车载通信系统

将自适应协同通信模式引入车载无线网络，把车辆均视作潜在中继节点，自适应地选择中继转发与中继协作策略。根据车流密度、路况信息等提出了基于簇的中继选择算法^[3]，使得路由算法的设计适应车联网车辆运动速度快、路径变化频繁、无线信道衰落影响加重等情况。基于簇的中继选择算法是根据源节点接收信息的不同给源节点分配不同的优先级，根据信息的优先级确定簇的范围和中继节点的选择。

3) 车载无线网络传感器模块

车载无线传感器模块包括车辆性能传感器模块和车辆外部传感器模块。其中车辆性能传感器模块包括车速状态传感器、轮胎状态传感器、车锁状态传感器、油箱状态传感器、车灯状态传感器；车外环境信息传感器模块包括车外温度传感器、车外湿度传感器、车外风速传感器、车外图像传感器、车距测量传感器。传感器模块主要用于车辆和路况信息的采集，为智能控制中心的信息分级提供基础数据。

4) 车载无线网络组网与传输模块

车载无线网络组网与传输通信模块作为临时移动自组织网络中组网的关键技术，根据信息分级的结果自适应进行路由协议、传输协议和发送模式的选择。用于车辆临时移动自组织网络的构建，自适应控制中的网络管理和中继传输，便于辅助车辆安全驾驶。

5) 车载无线网络数据管理模块

数据管理模块包括数据采集与融合、数据传输、数据利用，在临时移动自组织网内用于整个无线通信系统中传感器数据的采集与接收信息的融合、组网中信息传输和应用模块的利用，用于提供车辆行驶过程中的车辆信息和路况信息，以确定信息的实效性和优先级。

6) 车载无线网络应用模块

车载无线网络应用模块基于数据管理和组网传输的基础上服务于驾驶安全和休闲娱乐，进行车辆预警、辅助驾驶及乘客的部分娱乐活动。

车载无线通信协议栈按照开放层系统互联(OSI)七层模型标准制定了协议栈^[4]，如图 2所示。协议栈分别在物理层、网络传输层、应用层定义了功能、结构。智能控制中心作为核心负责各层通信协议的融合，提供数据管理和资源整合，自适应控制。物理层结合MAC层负责底层通信协议。车辆之间通信采用IEEE802.11p^[5]协议。车内信息感知采用传感器感知，传输采用CAN总线协议^[6]。网络传输层融合组网中不同车辆的数据，按照信息优先级的判定协议，自适应地选择发送模式，通过GPS^[7]实时同步传输提供高效的路由协议和传输协议。应用层作为协议栈的上层提供道路预警、信息广播和为其他自定义的应用提供接口。这种自适应通信协议栈参照现有的物联网体系分层设计，适应于车载无线网络的协议，具有良好的扩展性^[8]。

图 2(Figure 2)

图 2 车载无线通信协议栈

在车辆之间形成的临时移动自组织网络中，车辆之间会进行各种信息的广播与接收。在这种大范围的多种信息的多个节点网络中，特别容易出现多个节点同时发送不同信息的情形，同时在信息的中继转发过程中，会出现中继节点重合，造成中继碰撞的问题^[9]。为解决车载无线通信中继传输时中继碰撞的问题，将车辆感知的信息采用优先级划分，依次从高到低为交通事故、道路信息、环境信息、生活信息。发送信息优先级高的车辆有优先选择中继节点的权利。

如表 1所示，根据源节点接收信息的不同给源节点分配不同的优先级:交通事故信息为1级，标识符为FS；道路信息为2级，标识符为SS；环境信息为3级，标识符为ES；生活信息为4级，标识符为LS。

表 1

表 1 信息分类优先级

表 1 信息分类优先级 信息分类 优先级 标识符 交通事故 1 FS 道路信息 2 SS 环境信息 3 ES 生活信息 4 LS

如图 3所示：在基于簇的中继选择算法中，源节点对自身采集的信息进行分类，确定信息的优先级别。判断是否发生中继碰撞，若发生中继碰撞，在自组织网内建簇，确立簇头和簇成员，并选择最佳中继节点。优先级别为1源节点FS在选择中继节点的时候，具备最高的优先级。以此类推，选择中继节点的先后顺讯为道路信息、环境信息、生活信息。FS优先选择中继节点，在其选择完成后，优先级别为2的再进行中继选择，依次类推，直至所有的源节点都选择到最佳中继为止。基于簇的中继选择算法优化了车载无线通信的连续性和自适应性，保证了通信过程中的高效性和实效性。

图 3(Figure 3)

图 3 基于簇的中继选择流程图

基于中继技术的车载无线通信系统能够实现对组网内车辆的实时信息进行分析，在形成的临时移动自组织网络中，车辆之间的通信能够自适应中继传输，保证了车辆之间通信的连续性和信息的共享与传播。通过采用信息优先级别划分形式避免中继碰撞问题，提高了车载无线网络的通信效率和质量，从而提高了交通运行速率，减少了交通阻塞，避免交通事故的发生。车载无线通信系统运行不依靠路边设施，节约了交通建设成本，提高了信息传播效率，实现车辆预警、辅助驾驶等安全保护，是未来实现城市交通智能化、智能无人驾驶的重要技术支撑。