車聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動態(tài)信道分配方法

朱發(fā)財(cái)

(福州理工學(xué)院 科技處,福建 福州 350506)

0 引 言

信道分配是一種利用信道質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、業(yè)務(wù)量參數(shù)等條件對已占用資源進(jìn)行優(yōu)化配置的技術(shù)手段。DCA是常見的信道分配運(yùn)行設(shè)備,完全遵照通用移動通信系統(tǒng)陸地接入執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn),可借助UE state transition傳輸結(jié)構(gòu)將真實(shí)的信道占用信息傳輸至中心處理主機(jī)。每一次信道的分配處理都使用一個完全獨(dú)立的按壓開關(guān)發(fā)送頻率,且在執(zhí)行下一次分配指令時(shí),所有已出現(xiàn)的開關(guān)發(fā)送頻率都保持為已占用狀態(tài)[1-2]。從數(shù)值角度來看,按壓開關(guān)發(fā)送頻率總量極為巨大,且不論核心分配準(zhǔn)則如何變化,與頻率系數(shù)相關(guān)的基礎(chǔ)利用率都不會發(fā)生改變。這項(xiàng)技術(shù)目前主要應(yīng)用于移動通信網(wǎng)絡(luò)搭建等多個領(lǐng)域。

目前已有專家學(xué)者提出了一些車聯(lián)網(wǎng)中的信道分配方法,如文獻(xiàn)[3]中提出的光載射頻-分布式天線系統(tǒng)(RoF-DAS，optical RF-distributed antenna system)的車載網(wǎng)絡(luò)中信道分配方法,對應(yīng)急通信中的所有通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行降序排列,并通過提升網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量的方式控制端到端通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溌坟?fù)載情況。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于RoF-DAS架構(gòu)的車聯(lián)網(wǎng)信道調(diào)度方法,對以往的等間隔的信道分配調(diào)度方法進(jìn)行了優(yōu)化,結(jié)合RoF-DAS架構(gòu)和車輛密度變化實(shí)現(xiàn)動態(tài)信道的分配；文獻(xiàn)[5]提出了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道動態(tài)分配方法,針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),對多址接入信道(MAC，multiple access channel)分配協(xié)議進(jìn)行改進(jìn),預(yù)留出控制信道對信息進(jìn)行封裝,并按照一定規(guī)則分配不同的數(shù)據(jù)信道。但隨著車聯(lián)網(wǎng)通信數(shù)據(jù)總量的逐漸增加,同信道干擾問題始終迫使網(wǎng)絡(luò)時(shí)延量和信息丟包率不斷升高,上述基礎(chǔ)信道分配方法已難以滿足使用需求。

為有效解決此問題,本文提出一種新型的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動態(tài)信道分配方法,通過搭建車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急環(huán)境、同步處理等步驟,將動態(tài)信道分配方法調(diào)試至最佳應(yīng)用狀態(tài)。

1 車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境構(gòu)建

在PRIME拓?fù)渫ㄐ趴蚣艽罱ā?yīng)急協(xié)議連接、動態(tài)數(shù)據(jù)接收與發(fā)送3個主要步驟的支持下,完成車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的搭建。

1.1 PRIME拓?fù)渫ㄐ趴蚣?/h3>

車聯(lián)網(wǎng)PRIME拓?fù)渫ㄐ偶軜?gòu)包含并放式系統(tǒng)互聯(lián)通信參考模型(OSI,open system interconnection reference model)區(qū)、可編程邏輯控制器(PLC,programmable logic controller)區(qū)2大主體組成單元。其中,OSI模型區(qū)可以細(xì)化為應(yīng)用層、表示層、傳輸層、數(shù)據(jù)層等8級通信子組織。應(yīng)急協(xié)議作為車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的唯一動態(tài)數(shù)據(jù)傳輸載體,可自由穿梭于OSI模型區(qū)的組織結(jié)構(gòu)中,這樣的通信架構(gòu)形式既能滿足車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的定向傳輸需求,也能保證相關(guān)連接協(xié)議應(yīng)用服務(wù)要求[4]。PLC體系區(qū)作為OSI模型區(qū)的并列結(jié)構(gòu),包含邏輯鏈路控制(LLC,logical link control)層、MAC層、PLC層、自動重傳請求(ARQ,automatic repeat-request)層4個主體子組織[5]。為了提升應(yīng)急協(xié)議在車聯(lián)網(wǎng)通信環(huán)境中的靜態(tài)連接速率,2個OSI子組織只能對應(yīng)一個PLC自組織,且所有用于連接處理的通信協(xié)議都可自行選擇接入位置,以突出車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的自主連通能力。具體車聯(lián)網(wǎng)PRIME拓?fù)浼軜?gòu)如圖1所示。

1.2 應(yīng)急協(xié)議連接

車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的應(yīng)急通信協(xié)議存在載波偵聽多路訪問/沖突避免(CSMA,carrier sense multiple access)、載波偵聽多路訪問(CSMA/CA,carrier sense multiple access with collision detection)、載波監(jiān)聽多路訪問(CSMA/CD,carrier sense multiple access with collision detection)、時(shí)分多址(TDMA,time division multiple access)4種連接狀態(tài)。隸屬于CSMA狀態(tài)下的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急通信協(xié)議具備較強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)幀判斷能力,可以根據(jù)PRIME拓?fù)浼軜?gòu)中信道的綜合占比情況對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行載波監(jiān)聽處理,并根據(jù)核心處理計(jì)算機(jī)的忙碌情況控制每次傳輸任務(wù)中的通信數(shù)據(jù)總量[6-7]。隸屬于CSMA/CA狀態(tài)下的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急通信協(xié)議無向控制能力較強(qiáng),可對PRIME拓?fù)浼軜?gòu)傳輸大量的RTS報(bào)文,并以此為條件,確定后續(xù)的信道動態(tài)分布比率。隸屬于CSMA/CD狀態(tài)下的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急通信協(xié)議，不可以對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行集中控制處理,但可以通過協(xié)調(diào)偏差數(shù)據(jù)幀的方式,將網(wǎng)絡(luò)信道的占用量調(diào)節(jié)至可控范圍。隸屬于TDMA狀態(tài)下的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急通信協(xié)議，始終與已占用的動態(tài)信道保持一一對應(yīng)關(guān)系,即每一個分配操作都必須在該項(xiàng)應(yīng)急協(xié)議的輔助下進(jìn)行應(yīng)用[8-9]。完整的應(yīng)急協(xié)議連接原理如表1所示。

表 1 應(yīng)急協(xié)議連接原理表

1.3 車聯(lián)網(wǎng)動態(tài)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送

車聯(lián)網(wǎng)動態(tài)數(shù)據(jù)接收與發(fā)送處理是應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境搭建的重要物理環(huán)節(jié),可以輔助核心信道分配計(jì)算機(jī)進(jìn)行隊(duì)列消息壓縮操作。在信道處于空閑狀態(tài)時(shí),車聯(lián)網(wǎng)OSI模型區(qū)會建立多項(xiàng)消息控制區(qū)組織,并在其中詳細(xì)分析通信數(shù)據(jù)的目的動態(tài)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址(IP,internet protocol address),在滿足應(yīng)急協(xié)議連接要求的基礎(chǔ)上,對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行退避發(fā)送處理,當(dāng)2項(xiàng)或2項(xiàng)以上應(yīng)急協(xié)議達(dá)到額定利用度上限時(shí),完成一次車聯(lián)網(wǎng)動態(tài)數(shù)據(jù)的發(fā)送處理,并以此時(shí)的信道占用量作為最大分配應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)[10-11]。對于車聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的反向處理機(jī)制來說,當(dāng)信道分配計(jì)算機(jī)的發(fā)送數(shù)據(jù)總量達(dá)到額定限度條件時(shí),信道會由空閑轉(zhuǎn)變?yōu)榉泵顟B(tài),此時(shí)已建立的數(shù)據(jù)序列會自動分解成多個不相關(guān)的信息節(jié)點(diǎn),并散亂分布在動態(tài)信道的各個角落[12]。當(dāng)退避時(shí)間不再增長時(shí),已分散的信息會再次集合成數(shù)據(jù)鏈形式,并借助已進(jìn)入空閑狀態(tài)的動態(tài)信道進(jìn)入目標(biāo)計(jì)算機(jī),進(jìn)而完成一次車聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收處理。完整的數(shù)據(jù)接收與發(fā)送流程如圖2所示。

圖 2 車聯(lián)網(wǎng)動態(tài)數(shù)據(jù)接收與發(fā)送處理流程圖Fig.2 Flow chart of vehicle network dynamic data receiving and sending processing

2 應(yīng)急環(huán)境下動態(tài)信道分配方法

在車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,按照多播樹信道節(jié)點(diǎn)選擇、分配轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)重計(jì)算、同步分配處理的操作流程,完成動態(tài)信道分配方法的搭建。

2.1 應(yīng)急多播樹信道節(jié)點(diǎn)選擇

應(yīng)急多播樹是一種具備依附性的物理協(xié)調(diào)組織,可以在車聯(lián)網(wǎng)動態(tài)信道分配過程中,對相關(guān)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)配比處理[13-14]。作為動態(tài)負(fù)載調(diào)節(jié)成分,應(yīng)急多播樹包含一個初級節(jié)點(diǎn)和多個下級附屬節(jié)點(diǎn)。其中,初級節(jié)點(diǎn)直接與車聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的處理主機(jī)相連,在接收信道分配指令數(shù)據(jù)的同時(shí),部署下級節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)排列形式。所有下級附屬節(jié)點(diǎn)都具備集中分配和單獨(dú)分配2種連接形式,既能在信道分配過程中保持良好的動態(tài)調(diào)節(jié)能力,也能更好適應(yīng)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的連環(huán)傳輸行為[15]。如圖3所示,清晰反映了完整的應(yīng)急多播樹節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。

圖 3 應(yīng)急多播樹結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Emergency multicast tree structure

(1)

2.2 信道分配轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)重計(jì)算

(2)

式中:p為信道節(jié)點(diǎn)的平均分配占用量;χ為通信網(wǎng)絡(luò)信道的動態(tài)分配比。在此基礎(chǔ)上,設(shè)Δx為已占用信道中的通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)變化量,N為固定分配節(jié)點(diǎn)的數(shù)量級參數(shù),利用上述變量,可將信道分配的轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)重表示為

(3)

式中:f為車聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)信道分配指標(biāo)的平均數(shù)量算子;g為信道節(jié)點(diǎn)的常項(xiàng)分配系數(shù)。

2.3 動態(tài)信道的同步分配處理

同步處理是車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動態(tài)信道分配方法搭建過程中的唯一信息細(xì)化流程,可以按照應(yīng)急多播樹傳輸結(jié)構(gòu),對所有信道節(jié)點(diǎn)所處位置進(jìn)行重新調(diào)節(jié)分配,以保證車聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)始終具備較強(qiáng)的信道分配能力[18]。在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中,當(dāng)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)具備良好的數(shù)據(jù)傳輸能力時(shí),PRIME拓?fù)浼軜?gòu)會根據(jù)相關(guān)信道節(jié)點(diǎn)所處位置,選擇最為適宜的應(yīng)急通信協(xié)議,并以此為依據(jù)對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收或發(fā)送處理,再利用應(yīng)急多播樹組織計(jì)算相關(guān)信道節(jié)點(diǎn)的匹配信息,當(dāng)信道分配轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)重?cái)?shù)值達(dá)到理想標(biāo)定區(qū)間時(shí)開啟所有未進(jìn)入占用情況的網(wǎng)絡(luò)信道,并在滿足車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸需求的前提下,完成網(wǎng)絡(luò)信道的動態(tài)分配操作[19-20]。至此,完成車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動態(tài)信道分配方法的搭建,具體的信道同步分配原理如圖4所示。

圖 4 動態(tài)信道同步分配原理圖Fig.4 Synchronous distribution diagram of dynamic channels

3 測試與分析

為驗(yàn)證車聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動態(tài)信道分配方法的有效性,設(shè)計(jì)如下對比實(shí)驗(yàn)。將車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動態(tài)信道分配方法與文獻(xiàn)[3]中的基礎(chǔ)信道分配方法作對比,用以驗(yàn)證本文方法的有效性。以2臺配置相同的PC主機(jī)作為實(shí)驗(yàn)對象,分別令其搭載本文的動態(tài)信道分配方法和文獻(xiàn)[3]的基礎(chǔ)分配方法。其中,本文方法為實(shí)驗(yàn)組,文獻(xiàn)[3]方法為對照組。在其他影響因素不變的條件下,分別記錄應(yīng)用實(shí)驗(yàn)組、對照組分配方法后,相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化情況。

3.1 前期測試準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)在Matlab模擬仿真軟件中進(jìn)行,以Windows為應(yīng)用平臺。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性,實(shí)驗(yàn)設(shè)備配置和實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定如下:實(shí)驗(yàn)主機(jī)為PC主機(jī),通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定級別為V級,車聯(lián)網(wǎng)響應(yīng)率為99.99%,實(shí)驗(yàn)時(shí)間為100 min,通信數(shù)據(jù)總量為8.0×1013T,通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急系數(shù)為0.61,理想網(wǎng)絡(luò)時(shí)延量為8～13 ms,通信數(shù)據(jù)傳輸系數(shù)為0.29,理想信息丟包率低于50%。出于公平性考慮,實(shí)驗(yàn)組、對照組實(shí)驗(yàn)參數(shù)始終保持一致。

3.2 通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延量對比

在通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急系數(shù)等于0.61的條件下,記錄車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)總量達(dá)到8.0×1013T之前,實(shí)驗(yàn)組、對照組的PC主機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延量的變化情況。詳細(xì)實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果如表2所示。

表 2 通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延量對比表

從表2可知,在整個實(shí)驗(yàn)的前半部分,實(shí)驗(yàn)組通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延量始終保持穩(wěn)定上升的變化趨勢,數(shù)值結(jié)果達(dá)到4.96 ms后,開始出現(xiàn)小幅度的波動趨勢;實(shí)驗(yàn)后半部分,實(shí)驗(yàn)組通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延量始終保持穩(wěn)定下降的變化趨勢,但波動一直較小,而對照組的通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延量持續(xù)上升,當(dāng)數(shù)值結(jié)果達(dá)到12.46 ms時(shí),開始出現(xiàn)明顯的水平狀態(tài)。整個實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)組的通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延量均低于理想?yún)^(qū)間的下限數(shù)值。對照組通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延量總是出現(xiàn)階段性的穩(wěn)定狀態(tài),但整體變化幅度始終不可控,整個實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)值結(jié)果雖然都處在理想?yún)^(qū)間內(nèi),但與實(shí)驗(yàn)組相比數(shù)值結(jié)果提升明顯。綜上可知,車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動態(tài)信道分配方法在應(yīng)急系數(shù)等于0.61物理?xiàng)l件下,具備控制網(wǎng)絡(luò)時(shí)延量上升幅度的能力。

3.3 車聯(lián)網(wǎng)信息丟包率對比

在通信數(shù)據(jù)傳輸系數(shù)等于0.29的條件下,記錄100 min內(nèi),實(shí)驗(yàn)組、對照組的車聯(lián)網(wǎng)信息丟包率的變化情況。實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果如圖5所示。

圖 5 車聯(lián)網(wǎng)信息丟包率對比圖Fig.5 Comparison of car network information packet loss rate

從圖5可知,對照組車聯(lián)網(wǎng)信息丟包率呈現(xiàn)較為明顯的兩極分化情況,最大值88.63%與最小值39.51%間的差值達(dá)到49.12%;而實(shí)驗(yàn)組計(jì)算機(jī)車聯(lián)網(wǎng)信息丟包率則呈現(xiàn)較為集中的分布狀態(tài),最大值35.23%與最小值15.70%間的差值僅達(dá)到19.53%,遠(yuǎn)低于對照組,且實(shí)現(xiàn)丟包率低于50%的理想狀態(tài)。綜上可知,車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動態(tài)信道分配方法在傳輸系數(shù)等于0.29的條件下,具備迫使信息丟包率不斷下降的能力。

4 結(jié) 語

針對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)動態(tài)信道分配方法存在的同信道干擾問題,并在減小網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的同時(shí)控制信息丟包率,在車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,建立完善的PRIME拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),選擇適宜的應(yīng)急多播樹信道節(jié)點(diǎn),通過轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)重計(jì)算、信道節(jié)點(diǎn)選擇等步驟,建立一種新型的動態(tài)信道分配方法。從信息丟包率、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延量看,該動態(tài)信道分配方法不僅可以削弱車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸受到同信道干擾的影響,也能在一定程度上鞏固應(yīng)急協(xié)議的連接過程,具有較強(qiáng)的實(shí)用意義。