車聯(lián)網(wǎng)中基于多參數(shù)決策的中繼選擇方案

張雪茹 宋 梁

(河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院 河南 洛陽 471000)

0 引 言

在汽車和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)極速發(fā)展的時代背景下，車聯(lián)網(wǎng)(vehicle to everything，V2X)的概念應(yīng)運而生,即以車輛為主體，實現(xiàn)車與車通信(vehicle to vehicle，V2V)、車與人通信(vehicle to pedestrian，V2P)、車與基礎(chǔ)設(shè)施通信(vehicle to infrastructure，V2I)以及車與網(wǎng)絡(luò)間的通信(vehicle to network，V2N)。其最終目的是緩解交通擁堵，降低車禍概率，提高出行及交通管理效率，同時滿足5G時代更高要求的應(yīng)用場景，如自動駕駛、隊列編排等。

目前，車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域存在兩大技術(shù)標準，分別是基于802.11p的專用短距離通信技術(shù)DSRC和2017年3GPP提出的C-V2X(cellular-V2X)。DSRC的通信距離一般在數(shù)百米，適用于車聯(lián)網(wǎng)中的安全類應(yīng)用場景，如十字路口防碰撞預(yù)警、緊急車輛預(yù)警等。然而它的組網(wǎng)需要鋪設(shè)大量路側(cè)單元，這些硬件設(shè)備將大大增加建設(shè)成本。以蜂窩通信技術(shù)為基礎(chǔ)的C-V2X直接利用現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)、基站和頻譜，組網(wǎng)成本明顯降低。此外，C-V2X包含兩種通信模式，分別是網(wǎng)絡(luò)通信(Uu)和直接通信(PC5)。網(wǎng)絡(luò)通信模式借助已有蜂窩網(wǎng)絡(luò)能夠支持比DSRC更高帶寬、長距離的通信連接，滿足信號燈提示、車速引導(dǎo)等效率類應(yīng)用場景；直接通信模式在網(wǎng)絡(luò)覆蓋內(nèi)外皆可工作，實現(xiàn)車輛與周邊設(shè)備的直接通信，滿足安全類應(yīng)用場景。經(jīng)驗證，在相同的測試環(huán)境下，當通信距離在400米到1 200米之間時，C-V2X系統(tǒng)的誤碼率明顯低于DSRC系統(tǒng)，C-V2X在可靠性與穩(wěn)定性方面占據(jù)極大優(yōu)勢[1]。本文即是在C-V2X標準之上開展研究。

車聯(lián)網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分之一，除了能為未來智能交通管理系統(tǒng)提供幫助外，也具有一些明顯的缺陷：高速移動的車輛節(jié)點將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓撲頻繁變化，鏈路連接時間相對較短，易產(chǎn)生中斷；易受地理環(huán)境和建筑物影響，導(dǎo)致車輛的通信覆蓋范圍受限；出行高峰期很難滿足所有通信車輛的實際帶寬需求。因此，考慮如何選擇具有最佳性能的中繼節(jié)點來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)以最大化保障車聯(lián)網(wǎng)的低延時、高可靠通信是很必要的。

本文針對城市道路中的V2I通信場景，考慮當用戶車輛不能與基站或路邊基礎(chǔ)設(shè)施直接通信時，將大量的移動車輛視為候選中繼，綜合考慮它們的時延、帶寬、節(jié)點切換預(yù)測值等性能參數(shù)以及用戶車輛的需求，并利用簡單線性加權(quán)方法找到最優(yōu)中繼。本方案將有利于提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩档蜁r延，同時緩解由車輛節(jié)點進入陰影區(qū)域而引發(fā)的鏈路不穩(wěn)定。這種更加全面、多角度的中繼選擇方法，更能適用于未來車聯(lián)網(wǎng)的多種需求，并能有效提高用戶QoS滿意度。

1 相關(guān)工作

近年來，各國對車聯(lián)網(wǎng)的研究層出不窮，其目的多是為了實現(xiàn)車輛間的安全預(yù)警機制，同時滿足5G時代用戶更高要求的應(yīng)用需求，最終推動自動駕駛的實現(xiàn)。

當前，有許多研究者試圖將移動自組網(wǎng)的相關(guān)中繼選擇方案應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)(特殊的移動自組網(wǎng))。例如文獻[2]試圖將基于最短路徑的中繼選擇算法應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)，這種方法將距離用戶節(jié)點最小跳數(shù)的節(jié)點選為中繼，很難適應(yīng)于可能頻繁出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞的車聯(lián)網(wǎng)。因此，有研究者提出基于最小跳數(shù)和節(jié)點剩余能量的中繼選擇算法[3]及基于最小負載的中繼選擇方法[4]。

在大量的研究中，人們通常利用路側(cè)單元RSU為車輛提供中繼服務(wù)，文獻[5]利用路徑持續(xù)時間和路由持續(xù)時間來評估鏈路穩(wěn)定性，選擇能夠提供最長鏈路生存周期的節(jié)點來提供中繼服務(wù)。這種方法的確可以極大程度上減少時延，但是車聯(lián)網(wǎng)具有動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)、車輛節(jié)點高速移動等特點，這些都將影響車輛與RSU之間的穩(wěn)定鏈接，導(dǎo)致鏈路頻繁切換，增加額外的時延。因此，有研究者提出將移動車輛視為中繼節(jié)點，為用戶提供網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，不僅能夠降低設(shè)備成本還能更好地適應(yīng)車聯(lián)網(wǎng)的動態(tài)變化[6]。

文獻[7]提出多目標優(yōu)化的移動中繼選擇方法，節(jié)點切換預(yù)測值越高(即中繼節(jié)點在用戶通信范圍與非陰影區(qū)交叉區(qū)域停留時間大于通信時間)吞吐量預(yù)測值越高則被選為最優(yōu)中繼。文獻[8]提出基于端到端最大容量的移動中繼選擇算法，仿真結(jié)果表明該算法端到端容量提升率達到50%。文獻[9]也提出一種移動中繼車輛的選擇算法，該算法利用車輛速度、信號強度和候選中繼車輛與用戶車輛間的鏈路穩(wěn)定性構(gòu)造線性加權(quán)函數(shù)，函數(shù)值最高的中繼被選為最優(yōu)中繼。

本文即是在上述研究的基礎(chǔ)上，提出了新的車聯(lián)網(wǎng)中繼選擇方案——車聯(lián)網(wǎng)中基于多參數(shù)決策的中繼選擇方案。

2 中繼選擇方案設(shè)計

本文提出的適用于車聯(lián)網(wǎng)的多參數(shù)決策中繼選擇方案，利用移動車輛提供中繼服務(wù)。在選擇中繼的過程中，綜合考慮用戶車輛的帶寬、時延需求以及中繼車輛的切換預(yù)測值，將性能最優(yōu)的中繼車輛被選為最優(yōu)中繼。

上述中繼選擇過程中涉及三種重要的決策參數(shù)，它們能從多方面保障系統(tǒng)穩(wěn)定。所選中繼車輛的可用帶寬若能滿足用戶車輛的需求甚至遠大于用戶需求，就能保障用戶較高的傳輸速率，這將極大地提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｍ瑫r，5G時代數(shù)據(jù)的海量傳輸，必須將傳輸時延控制在最低水平，才能保障某些通信應(yīng)用的實時有效性，例如安全預(yù)警類應(yīng)用。此外，城市交通環(huán)境中的密集建筑物會引發(fā)信號盲區(qū)和陰影問題，導(dǎo)致通信鏈路頻繁切換，降低系統(tǒng)性能。因此，利用中繼節(jié)點切換預(yù)測值來表示候選中繼在用戶通信范圍與非陰影交叉區(qū)域內(nèi)的停留時間，停留時間越長代表該候選中繼能夠維持通信鏈路穩(wěn)定的時間越長[7]。最后，將這三個決策參數(shù)進行歸一化處理，構(gòu)造簡單線性加權(quán)函數(shù)來評估候選中繼的性能，其中加權(quán)函數(shù)值最大的候選中繼即為最優(yōu)中繼。

下面對本文所提方案涉及的通信場景、中繼選擇過程及性能評估進行詳細描述。

2.1 通信場景

起初，車聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)是為了實現(xiàn)車輛間的互聯(lián)互通。隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的出現(xiàn)，逐步實現(xiàn)車輛與路邊基礎(chǔ)設(shè)施的鏈接成為我們研究的重點。特別是在城市交通環(huán)境中，各種信號干擾或是建筑物遮擋都容易產(chǎn)生盲區(qū)或陰影阻礙用戶車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信。此時，處于陰影區(qū)域的用戶車輛可以根據(jù)本文提出的中繼選擇方法選擇最優(yōu)中繼來協(xié)助其轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。所選最優(yōu)中繼，一方面要滿足用戶帶寬和時延要求且優(yōu)于其他候選中繼；另一方面，所選中繼處于用戶通信范圍與非陰影區(qū)域交叉區(qū)的時長也要大于其他候選中繼。本文的通信場景如圖1所示。

圖1 通信場景

2.2 基于多參數(shù)決策的中繼選擇方案流程

(1) 判斷是否可以直接通信?；净蚧A(chǔ)設(shè)施向車輛發(fā)送信息，攜帶基站或基礎(chǔ)設(shè)施的信號強度RSS、帶寬、時延等。用戶車輛對收到的信息進行分析，若RSS大于等于預(yù)設(shè)值,且?guī)捄蜁r延滿足用戶需求，則用戶車輛切換至直接通信模式與基站或基礎(chǔ)設(shè)施通信；相反，則需要選擇中繼來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

(2) 確定候選中繼。選擇中繼的過程如下：首先，用戶車輛向其周圍的車輛發(fā)送數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)請求消息，攜帶用戶車輛節(jié)點的帶寬、時延等信息。接著，接收到用戶車輛消息的中繼車輛節(jié)點，若能夠提供比用戶車輛的需求更高的帶寬和更低的時延，則向用戶車輛回復(fù)確認消息，其中攜帶自己的帶寬、時延、速度、方向等信息，同時成為候選中繼之一。若用戶車輛沒有收到回復(fù)確認消息，則結(jié)束本次請求。

(3) 確定最優(yōu)中繼。最后，由用戶車輛自行選擇最優(yōu)中繼來為自己轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。若候選列表中只有一個候選中繼，那么該中繼就是最優(yōu)中繼。若列表中有多個候選中繼，則分別對每個候選中繼的帶寬、時延、節(jié)點切換預(yù)測值三種屬性進行簡單的線性加權(quán)分析。具體做法是，首先對這三種屬性進行規(guī)范化處理消除量綱和數(shù)量級的差異，接著人為確定各屬性的權(quán)重值β，最后求得線性加權(quán)函數(shù)值Q。Q值最大的候選中繼被選為用戶車輛的最優(yōu)中繼。

圖2 基于多參數(shù)決策的中繼選擇流程圖

2.3 候選中繼的性能評估過程

對各候選中繼的多個參數(shù)特征進行規(guī)范化處理，并分別分配加權(quán)系數(shù)后相加求和，求和數(shù)值最大的候選中繼即為最優(yōu)中繼。本方案中涉及的參數(shù)分別分配相同的加權(quán)系數(shù)。

(1) 候選中繼可用帶寬的規(guī)范化。第i個候選中繼可用帶寬的規(guī)范化表達式如下：

(1)

(2) 用戶車輛接入外網(wǎng)時延的規(guī)范化。用戶車輛與基站或基礎(chǔ)設(shè)施間的接入鏈路包括兩部分，分別是用戶車輛與移動中繼車輛間的鏈路以及候選中繼車輛與基站或基礎(chǔ)設(shè)施間的鏈路。因此用戶車輛接入基站或基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的時延為上述兩部分鏈路的時延之和。其規(guī)范化表達式如下：

(2)

(3)

(4)

(3) 候選中繼切換預(yù)測值的規(guī)范化。當用戶車輛處于陰影區(qū)域或信號盲區(qū)時，第i個候選中繼位于用戶通信范圍與非陰影區(qū)域交叉區(qū)域的停留時間，即中繼切換預(yù)測值可表示為[7]：

(5)

定義其規(guī)范化為：

(6)

(4) 最優(yōu)中繼的確定。對上述三個規(guī)范化參數(shù)進行簡單的線性加權(quán)求和，即可評估各候選中繼的性能，進而確定最優(yōu)中繼。

Qi=β1χi1+β2(1-χi2)+β3χi3i=1,2，…,N

(7)

式中：β1、β2、β3為各項參數(shù)的權(quán)重值，且β1+β2+β3=1。

當存在多個候選中繼車輛時，Q值最大的候選中繼則選為最優(yōu)中繼，即滿足下式：

(8)

3 仿真分析

本文使用MATLAB仿真工具對所提出的車聯(lián)網(wǎng)中繼選擇方案進行性能評估，分別從吞吐量和中繼切換次數(shù)方面將所提方案與隨機中繼選擇方案和最短路徑中繼選擇方案進行對比，仿真結(jié)果證實本文提出的方案更具優(yōu)越性。

選擇1.5 km的城市道路作為仿真中的車輛行駛道路，同時假設(shè)道路中陰影區(qū)域半徑為100 m。初始條件下用戶車輛和中繼車輛隨機分布在道路上且行駛方向一致，汽車最低時速20 km,最高時速60 km。由用戶車輛發(fā)起通信，通信時長服從泊松分布。仿真過程中，車輛循環(huán)出入仿真道路。本仿真歷時250 s。其他具體仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

圖3顯示了不同中繼選擇方法下的系統(tǒng)吞吐量變化。0 s至100 s內(nèi)，用戶車輛開始發(fā)起通信，數(shù)據(jù)量激增，系統(tǒng)吞吐量增大，曲線呈上升趨勢；隨后由于各用戶車輛完成通信或是切換中繼受阻會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)減少，吞吐量降低，曲線呈下降趨勢。如圖所示，雖然三種方法下的系統(tǒng)吞吐量變化趨勢相似，但本文提出的多參數(shù)決策中繼選擇方法能夠比其他兩種傳統(tǒng)方法獲得更高的吞吐量。這是因為本文提出的中繼選擇方法將候選中繼的可用帶寬作為中繼選擇依據(jù)，保障了較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，才使得系統(tǒng)吞吐量提高。

圖3 吞吐量對比

圖4顯示了中繼車輛通信范圍的變化對系統(tǒng)吞吐量的影響?？梢钥闯?，隨著中繼車輛通信范圍的擴大，用戶通信范圍內(nèi)的可用中繼增多，用戶選中最優(yōu)中繼機會增大，系統(tǒng)吞吐量逐漸提高，三種中繼選擇方法的曲線都呈上升趨勢。但是，本文提出的中繼選擇方法優(yōu)勢更加明顯。這是因為，本方法考慮了節(jié)點的切換預(yù)測值，選擇可用帶寬最高、能夠協(xié)助用戶轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的時間最長的候選中繼作為最優(yōu)中繼，使得用戶通信過程中的中繼切換次數(shù)減少，丟包率降低，更多的數(shù)據(jù)能夠準確傳輸，系統(tǒng)吞吐量也就比其他兩種中繼選擇方法高。

圖4 中繼車輛通信范圍對吞吐量的影響

圖5顯示了用戶車輛最大速度的變化對中繼切換次數(shù)的影響。其中，中繼車輛的通信范圍固定不變，取100 m。隨著用戶車輛相對速度的提高，中繼切換得更加頻繁。三種中繼選擇方法中，本文提出的多參數(shù)決策中繼選擇方法的累積切換次數(shù)最少，這是因為本方法將節(jié)點切換預(yù)測值作為最優(yōu)中繼的選擇依據(jù)。

圖5 用戶最大速度對中繼切換次數(shù)的影響

4 結(jié) 語

本文提出了一種適用于車聯(lián)網(wǎng)、基于多參數(shù)決策的中繼選擇方案，綜合考慮候選中繼節(jié)點的帶寬、時延、節(jié)點切換預(yù)測值以及用戶節(jié)點的相應(yīng)需求，利用簡單的線性加權(quán)函數(shù)評估候選中繼的性能，最終得到最優(yōu)中繼。仿真結(jié)果表明，本文提出的中繼選擇方案在系統(tǒng)吞吐量和中繼切換次數(shù)方面比傳統(tǒng)方案更具優(yōu)越性。這將從多個角度提高用戶的QoS滿意度。

未來我們將在更多的實際環(huán)境下將本文所提方案與其他方案進行對比分析，同時進一步研究不同應(yīng)用場景與各個參數(shù)權(quán)重配置之間的關(guān)系。