基于無(wú)線車載網(wǎng)絡(luò)智能交通系統(tǒng)時(shí)延技術(shù)分析

余員琴 陳海文 張弘華 崔靜茹

摘 ? 要：經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的同時(shí)，各種交通問(wèn)題日益突顯。移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)將成為ITS的重要組成部分。安裝在車輛中的車載設(shè)備，主要側(cè)重?zé)o線通信和感知等功能，時(shí)延是WVNs的關(guān)鍵技術(shù)之一，以分層時(shí)延限制方案，文章對(duì)在MAC協(xié)議和街道場(chǎng)景下的WVNs組網(wǎng)進(jìn)行仿真分析。

關(guān)鍵詞：智能交通系統(tǒng);無(wú)線車載網(wǎng)絡(luò);時(shí)延限制

1 ? ?無(wú)線車載網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

無(wú)線車載網(wǎng)絡(luò)（Wireless Vehicle Networks，WVNs）[1]是集電子、計(jì)算機(jī)、通信、控制和信息技術(shù)一體的智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation System，ITS）[2]的核心技術(shù)基礎(chǔ)。WVNs是集傳感、通信、計(jì)算智能和控制技術(shù)等融合的新型車聯(lián)網(wǎng)，對(duì)車輛、道路和交通等進(jìn)行全方位感知，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、大容量、極時(shí)性的大數(shù)據(jù)交互，以提升ITS高效、便捷和安全地運(yùn)行。通過(guò)車與車（Vehicle to Vehicle，V2V）[3]，車與網(wǎng)（Vehicle to Infrastructure，V2I）的多跳無(wú)線通信方式傳送車輛間的消息，實(shí)現(xiàn)車輛的事故預(yù)警、交通管理、路況指示、因特網(wǎng)接入及車輛間多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷喾N安全性和非安全性應(yīng)用。

2 ? ?時(shí)延限制

時(shí)延限制對(duì)WVNs非常重要，以分層次方案優(yōu)化ITS。

2.1 ?應(yīng)用層方案

緊急警告信息在預(yù)警區(qū)域內(nèi)廣播是時(shí)延限制的首要問(wèn)題。使用方向感知廣播可避免廣播風(fēng)暴引發(fā)多余重播，在特定應(yīng)用中設(shè)計(jì)特定環(huán)境和約束參數(shù)，如信息只在受影響車輛存在的方向上轉(zhuǎn)發(fā)?；蚴褂脗鬏敺秶赃m應(yīng)，在發(fā)送前估計(jì)傳輸范圍，限制網(wǎng)絡(luò)交換的信息數(shù)量，減少總的傳輸時(shí)間。

多媒體應(yīng)用在增值網(wǎng)絡(luò)（Vehicular Addecl Network）[4]的QoS有3種不同分組：音頻、視頻和數(shù)據(jù)。IEEE802.11e增強(qiáng)了MAC層的QoS，以不同的值來(lái)加載各種數(shù)據(jù)包流的優(yōu)先權(quán)，在VAN較適合，而WVNs因鏈路質(zhì)量、車輛移動(dòng)性和多跳通信等因素不適合。WVNs節(jié)點(diǎn)高移動(dòng)性、易錯(cuò)的無(wú)線信道及信息共享安全風(fēng)險(xiǎn)，有線網(wǎng)絡(luò)的P2P方案不適用，Code Torrent基于網(wǎng)絡(luò)編碼的文件集群技術(shù)，單跳鄰節(jié)點(diǎn)間通信，移動(dòng)輔助數(shù)據(jù)傳播，減少時(shí)延。文件共享區(qū)域通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)等方擴(kuò)展，以低開銷來(lái)維持雙方的連接及最小下載時(shí)延傳輸數(shù)據(jù)。

2.2 ?網(wǎng)絡(luò)層方案

車輛高速移動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)延限制和保證時(shí)延的路由協(xié)議極具挑戰(zhàn)。已有基于位置的協(xié)議獲取統(tǒng)計(jì)路徑信息尋求最小端對(duì)端時(shí)延路由，如VADD和PROMPT在路徑選擇階段估計(jì)時(shí)延，VADD依車輛密度和速度等來(lái)估算，PROMPT統(tǒng)計(jì)實(shí)時(shí)包流量以尋找低流量時(shí)延路徑。D-Greedy和D-Min Cost協(xié)議只考慮有限時(shí)延內(nèi)的路徑，DeReq尋求一條高可靠、及時(shí)且時(shí)延限制允許最大的路徑協(xié)議，估算道路交通流量密度、相對(duì)車速和車輛流量。還有基于拓?fù)湓绰酚蓞f(xié)議，估算路由生命周期來(lái)管理鏈路穩(wěn)定性，發(fā)送節(jié)點(diǎn)選擇最可靠路徑以傳輸包，在當(dāng)前路由被破壞前，中繼節(jié)點(diǎn)為新路由發(fā)送請(qǐng)求。如首選組廣播PGB協(xié)議在AODV路由發(fā)現(xiàn)階段減少控制開銷，而通過(guò)允許首選組中節(jié)點(diǎn)重播或傳遞消息，減少基本洪泛的冗余重播次數(shù)，等待固定時(shí)間后，所有接收節(jié)點(diǎn)重播信息，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到信號(hào)功率來(lái)選擇等待時(shí)間。另一個(gè)高級(jí)貪心轉(zhuǎn)發(fā)AGF協(xié)議是GPSR的改進(jìn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)鄰節(jié)點(diǎn)時(shí)，綜合考慮位置、速度和方向。

2.3 ?MAC層方案

IEEE802.11p修訂版應(yīng)用于交通安全，要求低時(shí)延、可靠和實(shí)時(shí)通信，但其CSMA/CA機(jī)制并不能保證有限期內(nèi)接入信道。有朱晨等[5]研究提出使用自組織時(shí)分多址（Self-Organized Time-Division Multiple，Access，STDMA），車輛根據(jù)自身位置和鄰節(jié)信息來(lái)確定自身的時(shí)隙分配。該技術(shù)可預(yù)測(cè)信道接入時(shí)延，適于實(shí)時(shí)VAN。有研究利用多向天線來(lái)快遞傳輸數(shù)據(jù)。如RPB-MAC協(xié)議利用多天線減少控制開銷，并保證最小信道接入時(shí)延。由于不同方向的車輛通信使用不同天線，信道碰撞次數(shù)減少。此外，發(fā)射功率自適應(yīng)地調(diào)整以維持與鄰節(jié)的通信。

2.4 ?物理層方案

使用長(zhǎng)范圍頻率預(yù)留信道，短范圍頻率用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)包，如事故警告系統(tǒng)利用定向無(wú)線通信來(lái)傳輸數(shù)據(jù)包（事故報(bào)告、文本信息和JPEC圖像等）。也可使用功率適應(yīng)，計(jì)算車輛通過(guò)開銷序列號(hào)，監(jiān)測(cè)無(wú)線電信道信息。接收車輛記錄鄰節(jié)點(diǎn)（收發(fā)范圍內(nèi)使用相同無(wú)線電信道的鄰節(jié)點(diǎn)）成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包。通過(guò)識(shí)別和計(jì)數(shù)成功收到的包，接收車輛可探測(cè)失敗包并確定網(wǎng)絡(luò)狀況，如平均接收率和傳輸失敗率。接收節(jié)點(diǎn)也可計(jì)算出使用同一無(wú)線信道的節(jié)點(diǎn)最小數(shù)量。同一車輛可使用計(jì)算出的無(wú)線電信道狀況來(lái)調(diào)整自身發(fā)送功率。

控制信標(biāo)的車載環(huán)境分布式公平功率調(diào)整D-FPAV算法有效傳輸緊急信息。每個(gè)節(jié)點(diǎn)估算一個(gè)信標(biāo)傳輸后的接收信道利用率γ，γ可通過(guò)鏈路層或網(wǎng)絡(luò)層統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到。每個(gè)傳輸信標(biāo)攜帶γ，每個(gè)節(jié)點(diǎn)維持一個(gè)目標(biāo)信道利用率ζ。如γ小于ζ，則增大傳輸功率;如γ大于ζ，則減小傳輸功率;如γ等于ζ，不改傳輸功率。D-FPAV允許緊急信息比周期性信息更具優(yōu)先權(quán)。通過(guò)選取接收信標(biāo)間功率分配等級(jí)的最小觀測(cè)值，可計(jì)算出車輛最小功率等級(jí)分配。另使用爭(zhēng)用策略EMDV算法，其與D-FPAV合作，支持在一個(gè)目標(biāo)地理區(qū)域內(nèi)快速有效傳播警報(bào)。EMDV中，一個(gè)需發(fā)送緊急警報(bào)的源車輛選擇一個(gè)盡可能遠(yuǎn)和接收概率高的中繼節(jié)點(diǎn)，如果成功接收，中繼節(jié)點(diǎn)重播緊急信息;如果接收失敗，則收到信息的其他車輛被考慮為潛在中繼節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)等待一個(gè)預(yù)定時(shí)間，如重傳時(shí)延超時(shí)，并在等待期中未聽到任何重播，就會(huì)重播信息。

3 ? ?無(wú)線車載網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D1主要分析MAC層采用IEEE 802.11p協(xié)議時(shí)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸情況，節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向如箭頭所指。實(shí)驗(yàn)開始后，節(jié)點(diǎn)2與節(jié)點(diǎn)0，節(jié)點(diǎn)3與節(jié)點(diǎn)1分別建立路由，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如圖2所示。運(yùn)行一段時(shí)間后，由于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)產(chǎn)生干擾，造成信道爭(zhēng)用，使得節(jié)3與節(jié)點(diǎn)1間的數(shù)據(jù)傳輸停止，如圖3所示。節(jié)點(diǎn)繼續(xù)移動(dòng)，節(jié)點(diǎn)3、節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)0的位置發(fā)生改變，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)即將結(jié)束，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)使干擾消除，數(shù)據(jù)傳輸恢復(fù)正常，如圖5所示。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

歐美國(guó)家已經(jīng)實(shí)施多年ITS，經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)遠(yuǎn)超發(fā)展中國(guó)家，未來(lái)發(fā)展方向應(yīng)結(jié)合中國(guó)的交通狀況特點(diǎn)引進(jìn)國(guó)外的技術(shù)和產(chǎn)品，再開發(fā)與創(chuàng)新，緊跟國(guó)際最新技術(shù)的發(fā)展，慎重選擇技術(shù)路線和交通基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行部署，走創(chuàng)新的中國(guó)特色道路。

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