面向車聯(lián)網(wǎng)的稀疏軌跡數(shù)據(jù)路徑預(yù)測(cè)

(江西江鈴集團(tuán)新能源汽車有限公司，南昌 330008)

0 引言

自IEEE提出專用短程通信(DSRC)以來(lái)，車載自組織網(wǎng)絡(luò)(ITS)受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。目前，車聯(lián)網(wǎng)的通信方式主要分為兩個(gè)類型：一是車-車(V2V)通信、二是車-基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)通信。利用以上車聯(lián)網(wǎng)通信可以有效地降低通信成本，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)事故預(yù)警、信息發(fā)布、輔助駕駛等基本功能。但由于車載自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常都處于高速移動(dòng)狀態(tài)，因此車載自組織網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信時(shí)間較短，并且各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行受道路拓?fù)涞挠绊懸草^大。以往的車載自組織網(wǎng)絡(luò)幾乎都是采用的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，但該協(xié)議在實(shí)際應(yīng)用中存在諸多的問題，尤其是在稀疏交通環(huán)境下車聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸問題。為了解決這一問題，本文提出了一種新的協(xié)議，即——基于數(shù)據(jù)軌跡的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，并期望以此改善在稀疏交通環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸延遲問題。

1 關(guān)于車輛往稀疏軌跡數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)方面的相關(guān)研究

通常來(lái)說(shuō)，車聯(lián)網(wǎng)都配設(shè)有定位系統(tǒng)，從而保證車聯(lián)網(wǎng)在動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸。此種傳輸方式主要是采用了地理路由協(xié)議，該協(xié)議是以GPRS為基礎(chǔ)，利用源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的地理位置，從而確定下一跳中繼節(jié)點(diǎn)。相對(duì)來(lái)說(shuō)，該協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。但事實(shí)上，基于地理位置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式卻面臨著局部最優(yōu)路由空洞的問題。隨后，Lochert等人提出了GSR位置查詢機(jī)制，GSR可以在數(shù)據(jù)包傳輸之前向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢請(qǐng)求，目的節(jié)點(diǎn)在收到請(qǐng)求后可以即時(shí)反饋位置信息，而這也正好成為了源節(jié)點(diǎn)計(jì)算最短路徑的依據(jù)，這在一定程度上解決了基于地理位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式的局部最優(yōu)路由空洞問題。在這之后，Shafiee等人有提出了CMGR地理路由協(xié)議，該協(xié)議主要是貢獻(xiàn)在于可以通過(guò)選擇連通度較高的數(shù)據(jù)傳輸路徑確保數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)率，在網(wǎng)絡(luò)密度較高的情況下，CMGR地理路由協(xié)議可以從不同的數(shù)據(jù)傳輸路徑中選取延遲最小的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。但事實(shí)上，以上路徑都僅僅適用于網(wǎng)絡(luò)密度較大的城市環(huán)境當(dāng)中，受節(jié)點(diǎn)通信范圍的限制較為明顯。在VANETs中，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議主要是采用“攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)”這一方式，在這類數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議中，數(shù)據(jù)包由車輛攜帶并移動(dòng)，車輛在移動(dòng)過(guò)程中遇到能夠更好的傳輸自身攜帶的數(shù)據(jù)包的車輛時(shí)，再利用DSRC技術(shù)將數(shù)據(jù)包傳輸給下一車輛。[1-3]

從現(xiàn)有的協(xié)議中來(lái)看，利用車輛密度、路段平均速度等道路網(wǎng)交通信息進(jìn)行車輛間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)在車流量較大的VANETs中效果較好。但在車流量較低的農(nóng)村地區(qū)，這類數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議則不完全適用。而Skordylis等人又提出了一種可以滿足用戶定義的延遲邊界并可以優(yōu)化通信道利用率的協(xié)議，但仍然難以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t要求。[8]SADV則提出在交叉路口部署靜態(tài)節(jié)點(diǎn)對(duì)車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行輔助的轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議。

以上協(xié)議雖然都考慮到了道路交通流的宏觀信息，但對(duì)于車輛本身的圍觀信息卻沒有較多的關(guān)注。而近年來(lái)，隨著我國(guó)車載地理信息系統(tǒng)的普及，人們?cè)隈{駛車輛時(shí)可以選擇車輛行駛的最短路徑或車流量較低的路徑，這也表明車載信息數(shù)據(jù)包可以選擇更加優(yōu)質(zhì)的路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。部分研究人員采用高階馬爾可夫鏈預(yù)測(cè)車輛軌跡，并提出了具體的算法。而Jeong等人提出的TPD協(xié)議通過(guò)預(yù)測(cè)車輛相遇時(shí)間，并構(gòu)建車輛相遇圖，保持了特定的交互率，降低了數(shù)據(jù)傳輸延遲。之后Jeong等人又在TBD協(xié)議中引入了單個(gè)車輛的軌跡信息，并建立了數(shù)據(jù)傳輸延遲模型，并遵循最小延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)原則，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了密度較低的VANETs數(shù)據(jù)的傳輸。[10]但TBD協(xié)議僅僅只考慮了數(shù)據(jù)單向傳輸?shù)膯栴}，還缺乏在雙向路段環(huán)境下的數(shù)據(jù)雙向傳輸方面的研究。而這一問題，也是今后研究的重點(diǎn)。

2 雙向交通端對(duì)端傳輸延遲模型構(gòu)建

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型假設(shè)

假設(shè)路口設(shè)有一定數(shù)量的可臨時(shí)存放數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)，簡(jiǎn)稱AP；假設(shè)參與數(shù)據(jù)傳輸?shù)能囕v都裝配有GPS定位系統(tǒng)以及車載地理信息系統(tǒng)，確保車輛具備獲取路段交通流信息的功能。假設(shè)模型中均采用“攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)”的通信方式，路段長(zhǎng)度則可以確定為：車輛攜帶數(shù)據(jù)包運(yùn)動(dòng)距離lc加上無(wú)線通信轉(zhuǎn)發(fā)距離lf。車輛攜帶數(shù)據(jù)包的時(shí)間通常比數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)間較長(zhǎng)。在本模型中，數(shù)據(jù)包通過(guò)DSRC在車輛間轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)同樣存在傳輸延遲，但相對(duì)于由車輛攜帶數(shù)據(jù)包運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的傳輸延遲要小得多。

2.2 相關(guān)概念及計(jì)算

路段延遲：路段延遲主要是指數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)車輛轉(zhuǎn)發(fā)或攜帶后在相鄰路口之間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)延遲時(shí)間。

端對(duì)端延遲：端對(duì)端延遲主要是指當(dāng)數(shù)據(jù)包從當(dāng)前車輛節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)多個(gè)路段的數(shù)據(jù)傳輸，而到達(dá)目的短的傳輸延遲被稱為端對(duì)端延遲。EDD為傳輸期望值。

連通組件：聯(lián)通組件主要是指，能夠完成將一跳或多跳傳輸彼此通信任務(wù)的一組車輛群。

同向車輛：同一路段上運(yùn)動(dòng)方向和數(shù)據(jù)傳輸方向相同的車輛。

對(duì)向車輛：同一路段上運(yùn)動(dòng)方向和數(shù)據(jù)傳輸方向相反的車輛。

在同向車輛可連通的情況下數(shù)據(jù)包的輸出優(yōu)先選擇同向車輛，如圖1所示，車輛ni(i=1，……，k)構(gòu)成一個(gè)連通組件，當(dāng)前攜帶數(shù)據(jù)包的車輛為nc，車輛nc將數(shù)據(jù)包傳輸給連通組件，在此情況下，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)距離lf等于連通組件長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)包到達(dá)路口時(shí)，立即攜帶或轉(zhuǎn)發(fā)(情況A)。此時(shí)，路段延遲dij計(jì)算式為：

dij=dijc=lc/v

其中dijc為數(shù)據(jù)包在路段上的鞋帶延遲，v為鞋帶數(shù)據(jù)包車輛的行駛速度。而當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)路口時(shí)，并不立即攜帶或轉(zhuǎn)發(fā)，而是等待攜帶或轉(zhuǎn)發(fā)的情況下(情況B)，數(shù)據(jù)包等待下一車輛攜帶或轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)長(zhǎng)為1/λ,其中λ為車輛到達(dá)率，在該情況下，路段延遲dij為：

dij=1/λ+lc/v。

圖1 連通組件模型

大量實(shí)踐證明，車輛間時(shí)間間隔T與車輛到達(dá)率λ的指數(shù)分布相似。[9]這說(shuō)明數(shù)據(jù)包在達(dá)到路口時(shí)并不能夠立即被轉(zhuǎn)發(fā)，而是更加趨近于情況B，用th表示第h輛車到達(dá)路口的時(shí)間，T為車輛間的時(shí)間間隔，Th為th+1和th的差值，P[B]為攜帶概率，其計(jì)算式為：

式中，R為車輛網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信半徑，V為車輛平均行駛速度。F(x,λ)為車輛到達(dá)率的指數(shù)分布函數(shù)。由此可以得出，數(shù)據(jù)包在到達(dá)路口后，立即被攜帶或轉(zhuǎn)發(fā)的概率P[A]計(jì)算式為：

稀疏交通環(huán)境：在稀疏交通環(huán)境下，車輛密度不超過(guò)1/R，且連通組件僅僅有同向車輛組成，轉(zhuǎn)發(fā)距離較小，但數(shù)據(jù)傳輸延遲較大。雖然在對(duì)象車輛的協(xié)助下，連通組件基數(shù)逐漸增大，但由于對(duì)向車輛性行駛方向和數(shù)據(jù)傳輸方向是相反的，因此，在稀疏交通環(huán)境下對(duì)象車輛并不能對(duì)數(shù)據(jù)包的傳輸起到任何作用。當(dāng)對(duì)向車輛不能將數(shù)據(jù)包傳遞至下一路口時(shí)，同向車輛必須要接收對(duì)向車輛的數(shù)據(jù)包，并進(jìn)行攜帶或轉(zhuǎn)發(fā)。[4-6]在這種情況下，攜帶數(shù)據(jù)包的車輛必須要遇到同向行駛的車輛和數(shù)據(jù)傳輸方向一致的車輛才能夠?qū)崿F(xiàn)將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。但在稀疏交通環(huán)境下，與單向交通的情況存在較大的差異，通常來(lái)說(shuō)，在車輛行駛至入口連通組件時(shí)，車輛會(huì)攜帶數(shù)據(jù)包運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間，但攜帶數(shù)據(jù)包的車輛可能會(huì)與下一個(gè)路口的對(duì)向車輛組成連通組件。

2.3 對(duì)向車輛協(xié)助下路段數(shù)據(jù)包傳輸模型

“攜帶+連通組件”定義：“攜帶+連通組件”是指車輛在離開上一個(gè)連通組件并攜帶數(shù)據(jù)傳輸包開始，再到下一個(gè)連通組件結(jié)束，可參與數(shù)據(jù)包傳輸?shù)能囕v。 如圖2所示，數(shù)據(jù)包經(jīng)由車輛n1逐漸傳輸?shù)絥2,n3,……，n7,n8車輛的這一過(guò)程為一個(gè)“攜帶+連通組件”。在該模式下，數(shù)據(jù)包在路段上的傳輸事實(shí)上就是多個(gè)“攜帶+連通組件”的組合。[12]

假設(shè)攜帶有數(shù)據(jù)包的車輛n1在其傳輸方向行駛是遇到對(duì)向可轉(zhuǎn)發(fā)車輛的概率為P1-2，數(shù)據(jù)包在對(duì)向車輛間進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)距離可視為圖2中n2,……，n4的長(zhǎng)度。而當(dāng)對(duì)向車輛不能進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，數(shù)據(jù)包將會(huì)傳回?cái)?shù)據(jù)包傳輸方向上的車輛，而之后該車輛在傳輸方向上能夠遇到可轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包車輛n5的概率設(shè)為P2-1。

圖2 雙向交通數(shù)據(jù)包傳輸模型

假設(shè)攜帶數(shù)據(jù)包的車輛在傳輸方向上行駛遇到對(duì)向可轉(zhuǎn)發(fā)車輛為轉(zhuǎn)發(fā)條件α；假設(shè)數(shù)據(jù)包經(jīng)對(duì)向車輛轉(zhuǎn)發(fā)后，遇到同向可轉(zhuǎn)發(fā)車輛為轉(zhuǎn)發(fā)條件β；則P1-2和P2-1可表示為：

式中，λ1，λ2同向車輛到達(dá)率和對(duì)向車輛到達(dá)率，v1，v2分別是指同向車輛行駛速度和對(duì)象車輛行駛速度。

假設(shè)數(shù)據(jù)包傳輸方向?yàn)?，數(shù)據(jù)包傳輸反方向?yàn)?，在圖2中，想要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包進(jìn)行1-2-1的傳輸過(guò)程，轉(zhuǎn)發(fā)條件α和轉(zhuǎn)發(fā)條件β均需要滿足，數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)概率用Pf表示，攜帶概率用Pc表示，其計(jì)算式如下：

3 DDBT協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)原則

DDBT協(xié)議的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)原則必須要要求車輛保存數(shù)據(jù)包副本，當(dāng)EDD接近廣播的EDDmin車輛時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。值得注意的是，EDDmin的車輛車速不一定最大，但DDBT協(xié)議在同一路段上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，優(yōu)先選擇車速較大的車輛攜帶數(shù)據(jù)包，進(jìn)而減少在該路段的數(shù)據(jù)傳輸延遲。但考慮到EDD較小的車輛在后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸中有可能繼續(xù)攜帶或轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，因此為了避免車輛二次傳輸占用信道資源，EDD較小的車輛在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)，應(yīng)保留副本，當(dāng)車輛遇到EDD更小的車輛時(shí)再次轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，并判斷路口AP是否存在該數(shù)據(jù)包副本。[7]如果路口AP中不包含該數(shù)據(jù)包副本則直接轉(zhuǎn)發(fā)給路口AP，并在一定范圍內(nèi)廣播該數(shù)據(jù)包的EDDmin。此外，路口AP在收到數(shù)據(jù)包之后的短時(shí)間內(nèi)，應(yīng)定時(shí)地將數(shù)據(jù)包的EDD傳輸給經(jīng)過(guò)路口的車輛，并判斷經(jīng)過(guò)車輛是否攜帶有數(shù)據(jù)包副本，若無(wú)，則向其轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包副本，而受到數(shù)據(jù)包副本的車輛則進(jìn)行下一路口的運(yùn)動(dòng)。若有，所有攜帶有該數(shù)據(jù)包副本的車輛其本身的EDD小于EDDmin時(shí)，則廣播其EDD。當(dāng)車輛和路口AP無(wú)法收到EDDmin廣播時(shí)則丟棄該副本。[13-14]

4 稀疏交通環(huán)境下各協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸性能對(duì)比

在稀疏交通環(huán)境下，造成車輛數(shù)據(jù)包丟失的主要影響因素并非是缺乏路口AP的協(xié)助，以及數(shù)據(jù)包的吞吐量。對(duì)此，本文主要從平均傳輸延遲的角度對(duì)數(shù)據(jù)傳輸性能進(jìn)行評(píng)估。圖3為VanetMobiSim生成的交通場(chǎng)景仿真區(qū)域。

圖3 交通場(chǎng)景仿真區(qū)域

圖形比例為2 000 m×2 000 m，密度值為4×10-5，并在圖中10個(gè)交叉路口處隨即部署網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)AP，所有道路網(wǎng)均為雙向交通。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

4.1 車輛平均速度對(duì)數(shù)據(jù)傳輸延遲的影響

圖4為車輛到達(dá)率到達(dá)0.05輛/s，車輛通信范圍為200時(shí)，平均車速對(duì)數(shù)據(jù)傳輸延遲的影響。從下圖中，我們可以發(fā)現(xiàn)，DDBT協(xié)議、TBD協(xié)議、BADD協(xié)議在平均車速較高時(shí)傳輸延遲相對(duì)更低。從客觀上來(lái)看，車速的提高雖然在一定程度上會(huì)造成車輛密度降低，但在確保車輛到達(dá)率的情況下，卻可以彌補(bǔ)這一問題，在這種情況下，車輛車速的增加則可以大大減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t。[11]但在不同平均車速下，DDBT協(xié)議的傳輸延遲至少比TBD協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸延遲低了6個(gè)百分點(diǎn)，而與VADD協(xié)議相比竟然低了29個(gè)百分點(diǎn)。這也說(shuō)明，DDBT協(xié)議叫TBD和BADD協(xié)議更加適用于稀疏交通環(huán)境。

圖4 平均車速對(duì)傳輸延遲的影響

4.2 車輛到達(dá)率對(duì)數(shù)據(jù)傳輸延遲的影響

從下圖中，我們可以發(fā)現(xiàn)，隨著車輛到達(dá)率的不斷增加，車輛節(jié)點(diǎn)開始也開始增加，同時(shí)節(jié)點(diǎn)之間的連通率也開始增加，并且隨著車輛的移動(dòng)，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)距離開始增大，總體上來(lái)說(shuō)車輛數(shù)據(jù)的傳輸延遲有所下降。從實(shí)驗(yàn)中的采用的三種協(xié)議來(lái)看，DDBT協(xié)議幾乎在所有的節(jié)點(diǎn)密度下，傳輸延遲性能都是由于TBD協(xié)議和VADD協(xié)議的。從數(shù)據(jù)上看，DDBT協(xié)議的平均數(shù)據(jù)傳輸延遲叫TBD協(xié)議低了15個(gè)百分點(diǎn)，與VADD協(xié)議對(duì)比結(jié)果同樣是DDBT協(xié)議性能更加優(yōu)越。但事實(shí)上，這是因?yàn)門BD協(xié)議和VADD協(xié)議都僅僅只考慮了數(shù)據(jù)的單向傳輸，而DDBT協(xié)議考慮到了數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

圖5 車輛到達(dá)率對(duì)數(shù)據(jù)傳輸延遲的影響

4.3 通信范圍對(duì)數(shù)據(jù)傳輸延遲的影響

圖6為車輛到達(dá)率為0.05，平均車速為20 m/s時(shí)，各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸延遲的影響。從圖中我們可以看出，隨著通信節(jié)點(diǎn)的通信范圍逐漸擴(kuò)大，各個(gè)協(xié)議下的數(shù)據(jù)傳輸延遲都有所下降，但通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用DDBT協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸延遲在不同節(jié)點(diǎn)通信范圍下的通信延遲都要低于TBD協(xié)議和VADD協(xié)議，而TBD協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸延遲又低于VADD協(xié)議。從數(shù)據(jù)上看，DDBT協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸延遲較TBD協(xié)議低了16個(gè)百分點(diǎn)，較VADD協(xié)議低了20個(gè)百分點(diǎn)。

圖6 通信范圍對(duì)數(shù)據(jù)傳輸延遲的影響

4.4 路口接入點(diǎn)AP數(shù)量對(duì)數(shù)據(jù)傳輸延遲的影響

圖7為車輛到達(dá)率為0.05，平均車速為20 m/s時(shí)，增加路口網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)AP數(shù)量對(duì)數(shù)據(jù)傳輸延遲的影響。從圖中可以看出，隨著路口網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)AP數(shù)量的不斷增加，各協(xié)議下數(shù)據(jù)傳輸延遲均有所下降。但總體來(lái)說(shuō)，DDBT協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸延遲仍然是遠(yuǎn)低于TBD協(xié)議和VADD協(xié)議的。

圖7 路口接入點(diǎn)AP數(shù)量對(duì)數(shù)據(jù)傳輸延遲的影響

5 結(jié)論

針對(duì)目前大多數(shù)車聯(lián)網(wǎng)協(xié)議難以適應(yīng)稀疏交通環(huán)境的現(xiàn)狀，本文提出一種可以適用于稀疏交通環(huán)境的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議——DDBT協(xié)議。該協(xié)議主要是利用“攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)”的思想，通過(guò)端到端的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)與鄰居節(jié)點(diǎn)共享軌跡信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的DDBT協(xié)議在各變量下的數(shù)據(jù)傳輸延遲都要低于TBD協(xié)議和VADD協(xié)議，這說(shuō)明雙向交通端對(duì)端數(shù)據(jù)傳輸延遲性能是優(yōu)于傳統(tǒng)的單向數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹?/p>

參考文獻(xiàn)：

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