基于協(xié)助車組的車聯(lián)網(wǎng)多信道協(xié)助下載方法

姜 旭，袁 靜，張振興

(中國石油大學海洋與空間信息學院，山東 青島 266555)

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)以及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對網(wǎng)絡(luò)的需求越來越高，依賴性日益增加。人們希望能隨時隨地接入網(wǎng)絡(luò)，即使是在行駛的汽車里。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與進步提高了車輛系統(tǒng)的智能化，這對于提升駕乘人員的安全度和舒適度至關(guān)重要，同時，也使得車輛在通信盲區(qū)與互聯(lián)網(wǎng)的接入成為了可能。未來的車輛將配備高效的計算機系統(tǒng)和無線通信接口，且采用先進的技術(shù)工具為車輛提供便于彼此通信的手段[1]。在高速公路環(huán)境下，車輛作為一個通信節(jié)點，可通過電信運營商的蜂窩網(wǎng)絡(luò)便捷地接入互聯(lián)網(wǎng)來獲取相應(yīng)的服務(wù)，但是有限的帶寬、較高的延遲、較差的服務(wù)質(zhì)量以及昂貴的費用制約了這種接入方式的發(fā)展。然而，近些年來隨著路側(cè)單元(Roadside Units, RSU)的大規(guī)模部署，車聯(lián)網(wǎng)通信更多地利用IEEE 802.11p通信協(xié)議以及專用短距離無線通信DSRC技術(shù)將汽車通過路邊節(jié)點AP(Access Point)接入互聯(lián)網(wǎng)以實現(xiàn)信息之間的交互[2]。

車載自組織網(wǎng)絡(luò)(Vehicular ad hoc Network, VANET)中的通信大致可以分為車輛到路邊單元(Vehicle to Roadside Unit, V2R)和車輛到車輛(Vehicle to Vehicle, V2V)通信。車載環(huán)境(Wireless Access in Vehicular Environment, WAVE)中的無線接入基于IEEE 802.11p協(xié)議以及IEEE 1609.4協(xié)議簇，IEEE 802.11p標準的物理和MAC層協(xié)議被指定用于單信道操作，但是，由于DSRC中有7個信道可用，為了使單個無線電設(shè)備能夠訪問DSRC頻譜中的多信道，IEEE 1609.4協(xié)議規(guī)定了多信道操作標準[3]。根據(jù)傳輸消息的類別將信道分為2種不同類型：用于傳輸安全相關(guān)消息的控制信道(Control Channel, CCH)(例如：緊急消息、信標消息和其他控制消息，如WAVE服務(wù)廣告(WAVE Service Advertisement, WSA))，以及用于傳輸非安全(例如視頻和娛樂服務(wù))數(shù)據(jù)的6個服務(wù)信道(Service Channel, SCH)。準確的多信道操作需要多個車輛之間的時間同步。多個車輛可以通過GPS將CCH和SCH間隔與協(xié)調(diào)世界時間(UTC)同步。如果UTC不可用，車輛可以從其他車輛發(fā)送的WAVE時間廣告(WTA)幀中獲取時間信息[4]。信道時間分為固定長度為100 ms的同步間隔。同步間隔(SI)包括50 ms CCH間隔(CCHI)和50 ms SCH間隔(SCHI)。在CCHI期間，所有設(shè)備都需要調(diào)諧到CCH以傳輸安全相關(guān)消息、控制消息或WSA消息，而在SCHI中，設(shè)備可以選擇調(diào)諧到特定SCH以傳遞非安全消息[5]。

然而在車載網(wǎng)絡(luò)中，路邊節(jié)點AP的覆蓋范圍有限，一般為300 m～1300 m，并且相鄰的AP距離較遠，一般為8 km～16 km，而車輛只有在路邊單元的覆蓋范圍內(nèi)能夠接入AP以實現(xiàn)通信，因此當車輛駛?cè)胂噜彽腁P通信范圍之間的區(qū)域，即通信盲區(qū)(Dark Area, DA)[6]時，車輛會有較長的一段時間無法接入網(wǎng)絡(luò)。因此車輛只能間歇性地連接到網(wǎng)絡(luò)，這種延遲對于用戶是無法容忍的，尤其是下載大數(shù)據(jù)量的應(yīng)用或者需要提供在線實時服務(wù)時。一般地，當車輛節(jié)點在一個AP通信范圍內(nèi)不能完成下載請求時，只能等待接入下一個AP后再繼續(xù)完成下載任務(wù)，這種較長時間的延遲和通信的間斷性帶來很差的用戶體驗，用戶很難享受便捷的實時信息交互。針對這種問題，使用車聯(lián)網(wǎng)協(xié)助下載能夠有效地解決通信盲區(qū)接入中斷的問題，并較好地滿足車載用戶對大數(shù)據(jù)量以及實時應(yīng)用的需求從而降低用戶的接入延遲。其次，由于車輛的大范圍快速移動，車與車之間形成穩(wěn)定的連接時間相對較短，而且車輛之間形成的拓撲結(jié)構(gòu)相對不穩(wěn)定，變化比較快。因此，盡可能延長車與車之間的通信時間成為了協(xié)助下載傳輸較高數(shù)據(jù)量的重要保障，也是降低用戶獲取數(shù)據(jù)延遲的一種行之有效的方法。一般地，在高速公路環(huán)境下，車輛的通信半徑是250 m，車輛行駛速度為90 km/h～150 km/h，假設(shè)AP的通信半徑為800 m，車輛在AP中的下載速率為150 kB/s，則協(xié)助車輛可下載的數(shù)據(jù)量約為2880 kB～4800 kB，而對向行駛的協(xié)助車和目標車的連接通信時長約為6 s～10 s，對向協(xié)助下載速率為50 kB/s，那么可協(xié)助下載的數(shù)據(jù)量為300 kB～500 kB。而通常多信道切換是低于50 ms間隔的，且車對車的通信連接不會高于1 s，因此在通信盲區(qū)中利用多信道協(xié)助下載傳輸具有實際利用價值并且是可行的。

1 相關(guān)研究

SPAWN協(xié)議是協(xié)助下載方法的第一個具體應(yīng)用，其由Nandan等人[7]所提出，目前這一技術(shù)被廣泛應(yīng)用于城市道路和高速公路環(huán)境中的車輛通信。在城市道路環(huán)境中，文獻[8]采用了多層級的馬爾科夫鏈來預(yù)測車輛的下一位置狀態(tài)，從而為協(xié)助車的選車提供依據(jù)。文獻[9]將車輛的歷史運行數(shù)據(jù)作為預(yù)測依據(jù)，從而實現(xiàn)對車輛的行駛狀態(tài)的預(yù)測，并能夠針對目標車來選取高概率相遇的車輛作為協(xié)助車實現(xiàn)協(xié)助下載，文獻[10]和文獻[11]主要根據(jù)城市道路模型中的AP/AP的分布來選擇合適的車輛提供協(xié)助下載。文獻[12]提出一種基于動態(tài)時槽的對向協(xié)助下載方法。該方法將每個盲區(qū)作為單獨的區(qū)間，每輛車需要根據(jù)其對應(yīng)的目標車的速度計算該車同目標車的相遇時間及通信完成時間，并按照對向車輛與目標車相遇時間先后順序進行排序，由此選取恰當?shù)能囕v作為協(xié)助車為目標車提供協(xié)助下載。該方法拓寬了目標車通信的范圍，由此提高了盲區(qū)利用率。當然其對應(yīng)的缺陷也是非常顯著的，比如信號延時大，并且對環(huán)境敏感，尤其是車流密度較大的情況下容易發(fā)生通信擁堵的情況，而車流密度較低時對應(yīng)的盲區(qū)利用率則會降低。對于后者而言，相比前者，其最大的優(yōu)勢是目標車同協(xié)助車相遇過程中，相對速度較大時對應(yīng)的通信質(zhì)量要好一些。文獻[13]利用同向車輛相對速率小、有較為穩(wěn)定快速連接的特點，通過能夠在盲區(qū)趕上目標車的車輛將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給目標車實現(xiàn)同向車輛的協(xié)助下載。

在多任務(wù)環(huán)境下，除了盡可能提高系統(tǒng)吞吐量之外，還需考慮多個目標車之間協(xié)助下載的平衡問題。綜合考慮2種因素，文獻[14]提出了一種近似全局最優(yōu)的多任務(wù)車聯(lián)網(wǎng)協(xié)助下載策略DSMov。DSMov采用二維矩陣方式表示盲區(qū)時空資源的狀態(tài)空間，并根據(jù)某一時刻的可能選車行為建立行為空間，通過建立馬爾科夫決策過程的優(yōu)化模型對盲區(qū)時空資源分配問題進行求解，并利用車聯(lián)網(wǎng)通信特點簡化選車行為空間以減少計算復(fù)雜度。

以上基于單信道的車聯(lián)網(wǎng)協(xié)助下載在多任務(wù)協(xié)助下載場景下會存在通信域疊加以及信道擁塞等問題，有較大的局限性。因此考慮多信道協(xié)助下載具有較大的現(xiàn)實意義。對于多信道協(xié)助下載，目前的研究相對較少，文獻[15]主要是對基于802.11p/WAVE的車聯(lián)網(wǎng)中AP下行流量的性能進行分析。薛平[16]提出了CSCoDS多信道車聯(lián)網(wǎng)協(xié)助下載方案，該方案采用基于信道狀態(tài)的方式，將目標車的2個可用信道分為5種狀態(tài)，簡化了對向協(xié)助車選擇及通信信道的選擇，充分利用多信道通信的優(yōu)勢，有效提高用戶下載吞吐量，降低下載延遲。

對于多信道而言，目前車聯(lián)網(wǎng)通信中主要以IEEE 802.11p等相關(guān)的通信協(xié)議來進行優(yōu)化，比如在文獻[17]和文獻[18]中分析這一協(xié)議下的車聯(lián)網(wǎng)信息傳輸?shù)幕拘阅?。而部分學者則是對這些基礎(chǔ)性的協(xié)議進行改進和優(yōu)化，以達到符合車聯(lián)網(wǎng)通信要求，如文獻[19]提出了MAC協(xié)議的改進等協(xié)議方案，從而極大地豐富了車聯(lián)網(wǎng)中多信道下載的整體情況。當然對于AP下載性能的優(yōu)化，也有很多新的方案被提出，最為典型的就是VCoDS協(xié)議[15]，即當目標車進入AP通信區(qū)域時，其能夠直接從AP中獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。一旦其離開AP并進入盲區(qū)時，AP能夠通過目標車的當前位置以及其周邊的車輛信息，來從與目標車輛同向而行的車輛中找到距離合適的協(xié)助車，并通過多跳通信的方式來實現(xiàn)協(xié)助下載。這一方法的最大缺陷是沒有考慮多信道的情況。因此該方法的實際應(yīng)用范圍大大受限。當然該方法可以作為協(xié)助下載的優(yōu)化方案，一旦能夠?qū)崿F(xiàn)同多信道通信模型的有效融合則可以顯著提升通信可靠性，并在此前提條件下實現(xiàn)AP下載吞吐量的顯著提升。

為解決上述問題，本文致力于研究VANET中高速公路環(huán)境下多車道雙向道路場景[20]，研究相反方向的車輛間協(xié)助下載的方案，提出一種基于協(xié)助車組的多信道協(xié)助下載系統(tǒng)架構(gòu)以及相應(yīng)的選車分配算法，以通過在特定場景中最佳地利用基于V2V的數(shù)據(jù)傳輸來增強數(shù)據(jù)服務(wù)的系統(tǒng)性能。具體而言，本文工作的主要內(nèi)容概括如下：

1)提出一種系統(tǒng)架構(gòu)，可以在高速公路雙向道路場景下實現(xiàn)V2V的多信道協(xié)助下載傳輸。此外，它將有助于協(xié)調(diào)多目標用戶同時獲取協(xié)助車所攜帶的數(shù)據(jù)。

2)為了最大限度地提高用戶獲取數(shù)據(jù)量并降低用戶接入延遲，設(shè)計多信道接入機制以及對向協(xié)助車車組的選車策略。

3)進行廣泛的模擬研究，以驗證理論分析的合理性，并驗證所提出的解決方案的有效性。

2 基于協(xié)助車組的多信道協(xié)助下載方法

2.1 系統(tǒng)模型分析

本文在對高速公路場景中協(xié)助下載方法深入研究的基礎(chǔ)上，提出一種基于協(xié)助車組的新型的多信道通信的車聯(lián)網(wǎng)協(xié)助下載方案McDvg (Multi-channel cooperative Downloading strategy of vehicle networking based on opposite cooperative vehicle group)。

美國聯(lián)邦通信委員會FCC(Federal Communications Commission)將5.9 GHz (5850 MHz～5925 MHz)頻段的75 MHz帶寬分為1個5 MHz的預(yù)留頻帶以及7個帶寬為10 MHz的信道[21]，其具體示意圖如圖1所示。在這7個信道中，Ch178為控制信道(CCH)，其作用在于傳輸控制信息實現(xiàn)對其它信道的管理；而其它信道為傳輸服務(wù)信息信道，即服務(wù)信道(SCH)。對于車聯(lián)網(wǎng)協(xié)助下載而言，其信息通信中的數(shù)據(jù)傳輸一般在普通服務(wù)信道中進行，對此可以考慮多接口和多信道的協(xié)助下載形式。在多信道信息傳輸中，采用正交信道技術(shù)來降低各個信道之間的干擾。

圖1 FCC信道方案

在本文中，考慮采用Ch172、Ch174、Ch176、Ch180、Ch182以及Ch184等6個信道作為多信道模型基礎(chǔ)，并采用合并部分相鄰服務(wù)信道以減少多信道的干擾和增大帶寬，從而獲得更好的服務(wù)性能。其中信道Ch172和Ch184單獨用來傳輸服務(wù)信息，剩余的信道Ch174與Ch176合并為服務(wù)信道Ch175，Ch180和Ch182合并為服務(wù)信道Ch181，從而提升了帶寬。為了簡化分析，本文僅考慮與目標車對向協(xié)助車不多于4輛車進行并行通信實現(xiàn)協(xié)助下載的情況，對此其對應(yīng)的多信道模型見圖2。

圖2 多信道協(xié)助下載模型

2.2 協(xié)助車組選車策略

對于協(xié)助下載策略而言，主要涵蓋目標車組選車策略和協(xié)助車車組選車策略。在目標車組選車過程中，當車輛進入AP通信覆蓋區(qū)域時，需要注冊自身的標識idn、平均速度vn以及進入該AP的時刻tn，因此AP最終得到其通信覆蓋范圍內(nèi)所有注冊車輛對應(yīng)的信息列表List={(id0,v0,t0),…,(idn,vn,tn)}。在高速公路場景下，行駛的車輛可以獲得這一列表信息，從而得到周圍車輛的基本信息，并為形成目標車組提供了條件。當然在一跳通信區(qū)域內(nèi)由于可能存在多輛車，這樣需要采用選車策略來實現(xiàn)目標車組內(nèi)的車輛選擇。對于目標車組內(nèi)車輛選擇而言，一般需要充分考慮2車之間的相對速度以及通信綜合情況從而來進行選擇。假設(shè)存在一個量化的值s，可以通過該值來衡量目標車組內(nèi)車輛的選擇，即選擇該值最大化下的車輛，這一數(shù)值可以通過如下數(shù)學公式求?。?/p>

(1)

式(1)中，α、β為影響因子。Vl表示2車之間的相對速度，其對應(yīng)的單位為km/h，而W表示2車之間的通信帶寬，對應(yīng)的單位為kB/s。根據(jù)文獻[22]可知，當Vl越小時，其對應(yīng)的通信效果越好。為簡化選車策略可以忽略帶寬的影響，由此可見Vl對該環(huán)節(jié)的選車策略的影響是首要的。根據(jù)文獻[17]在多跳通信中對應(yīng)的相應(yīng)通信性能指標，對目標車組的頭尾節(jié)點要求如下：1)對向協(xié)助車同目標車之間的通信跳數(shù)不大于4跳，并且要求首節(jié)點和尾節(jié)點跳數(shù)滿足h3；2)當前車輛對應(yīng)的跳數(shù)h<3時，要求在其方位延伸線一跳的范圍內(nèi)沒有其他的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接入。對此，目標車組內(nèi)，會定期進行信息廣播，通過上述約束條件來確定新的首尾節(jié)點由此來實現(xiàn)目標車組的信息維護，并將目標車的速度作為整個車組的速度。

當目標車進入AP1通信區(qū)域時，此時目標車會對該AP1提出協(xié)助下載請求并提交當前目標車組長度L，忽略高速公路路寬，L的取值可近似為式子L=dhead+dtail。其中，dhead表示頭部節(jié)點長度，dtail表示尾部節(jié)點長度。若AP1計算出目標車在AP1區(qū)域內(nèi)無法將整個內(nèi)容進行完全下載時，它就會根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，如車速和帶寬等計算出在該AP1通信覆蓋區(qū)域能夠下載的數(shù)據(jù)量，并將這一相應(yīng)文件塊進行傳輸，同時告知該目標車行駛方向的相鄰的下一個AP2該目標車列表信息以及剩余未下載完成的數(shù)據(jù)塊。相鄰的AP2會將相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊下載到所選擇的對應(yīng)的協(xié)助車組上，并通過該對向協(xié)助車組把相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊傳輸給目標車，從而實現(xiàn)完整的協(xié)助下載任務(wù)。

當下一個AP2收到目標車輛通過所在AP1發(fā)出的請求后，會獲取自身的注冊車輛的信息列表，并能夠根據(jù)目標車和協(xié)助車組內(nèi)車輛之間的相遇時間將這些數(shù)據(jù)塊順次存入。假設(shè)Bn、En為協(xié)助車和目標車的開始與結(jié)束通信時間，則可以得到如下表達式：

(2)

(3)

其中，Tn表示選車時間，LDA表示通信盲區(qū)長度，D表示路邊節(jié)點的通信半徑，r表示車輛的通信半徑，ts、tn分別為協(xié)助車與目標車的進入時間，vs、vn分別為協(xié)助車與目標車進入時對應(yīng)的速度。因此對應(yīng)的協(xié)助車選車策略可以表述如下：

1)以提升DA通信數(shù)據(jù)利用率最大為目標，選定的協(xié)助車所攜帶的數(shù)據(jù)信息量不能低于其同目標車相遇之時對應(yīng)的通信數(shù)據(jù)量。假設(shè)Dn表示協(xié)助車的數(shù)據(jù)通信量，因此上述約束關(guān)系可以表述如下：

(4)

其中，BAP表示AP的下載帶寬，BV表示車輛間通信帶寬。

2)滿足式(4)的車輛則可以作為協(xié)助車的備選車。當然為了有效降低傳輸沖突，要求相鄰的2車之間的通信區(qū)域不能存在重疊區(qū)域，因此對于下一協(xié)助車輛而言，其通信開始時間要稍晚于上一協(xié)助車輛通信時刻。

3)滿足上述條件的協(xié)助車輛作為備選集。從通信角度而言，車輛同AP之間的通信質(zhì)量要好于車輛之間的通信，因此需要保證目標車在AP區(qū)域沒有其它車輛在請求下載。對此要求在該集合中的任何車輛同目標車之間的相遇時間要滿足如下公式：

(5)

根據(jù)公式(5)可知，當該車同目標車組相遇的時刻位于AP通信區(qū)域時，此時需要舍棄后續(xù)的備選集中的車輛。在此基礎(chǔ)上通過相應(yīng)的策略進行優(yōu)化處理從而實現(xiàn)最優(yōu)配置的選車過程。

上述過程中詳細分析了協(xié)助車組下進行協(xié)助下載的策略。對于上述過程，本節(jié)對此進行總結(jié)，得到如下選車策略優(yōu)化步驟。

1)根據(jù)對應(yīng)的DA長度和AP通信范圍D以及協(xié)助車進入AP通信區(qū)域的時間和速度，通過如下公式得到允許的通信時間：

(6)

2)對結(jié)束通信時間和下一協(xié)助車開始的通信時間En、Bn進行判斷，如果存在En>E>Bn則可以得到對應(yīng)的協(xié)助下載通信數(shù)據(jù)量，具體通過如下公式進行計算：

Dn=(E-Bn)BV

(7)

3)確定下一通信開始時間，即：En=E，從而實現(xiàn)協(xié)助下載過程。

2.3 McDvg方案分析

McDvg是一種在多信道融合下的選車方案，在這一方案中，主要是從協(xié)助車組中選取適合的協(xié)助車為目標車提供協(xié)助下載服務(wù)。根據(jù)前文所述的協(xié)助車組選車策略，引入多信道融合背景，二者結(jié)合形成了本文所提出的McDvg方案。這一方案的具體內(nèi)容如下所示：

1)確定協(xié)助車協(xié)助傳輸數(shù)據(jù)最大化目標，并得到協(xié)助車所攜帶的數(shù)據(jù)量如下：

(8)

其中，RRSU表示路邊單元的通信半徑，ROBU表示車輛的通信半徑，wR2O表示路邊單元的下載速率，wO2O表示對向協(xié)助下載速率。

2)選擇周邊范圍中滿足公式(8)的第1輛車作為協(xié)助車放入車組集合中，其對應(yīng)的信息包含進入AP的時間、速度、攜帶數(shù)據(jù)量、通信綜合狀態(tài)信息以及識別號等，同時也包含目標車輛的信道狀態(tài)s，把傳輸服務(wù)信息的信道Ch172、Ch175、Ch181、Ch184分別編號為信道1、信道2、信道3、信道4。當s=0時表示無信道接口被占用，s=1表示信道1被占用，s=2表示信道2被占用，s=3表示信道3被占用，s=4表示信道4被占用；而s>5，則表示上述4個信道均被占用，s=5.1表示協(xié)助車占用信道1，s=5.2表示協(xié)助車占用信道2，s=5.3表示協(xié)助車占用信道3，s=5.4表示協(xié)助車占用信道4。為了降低通信沖突問題，要求為目標車提供協(xié)助下載服務(wù)的協(xié)助車輛數(shù)目不能超過4輛。

3)當目標車進入AP通信區(qū)域時，此時提供協(xié)助下載的協(xié)助車不能超過1輛，以此避免目標車的AP通信擁堵問題，對于這一問題的處理需要采用相應(yīng)的處理方法，此處主要采用上述過程進行處理。

上述方案就是本文所提出的McDvg，該方案考慮在協(xié)助車組提供協(xié)助下載的前提條件下，確定了多個協(xié)助車同目標車進行通信的處理過程，并同時在AP通信區(qū)域中，對目標車同協(xié)助車之間的通信選擇、信道狀態(tài)分析等環(huán)境問題進行探討，從而實現(xiàn)了高速公路場景中多車協(xié)助模式下的車輛之間的通信質(zhì)量的有效改善，由此提升了這一系統(tǒng)中車聯(lián)網(wǎng)的通信系統(tǒng)吞吐量，并為更為復(fù)雜的通信場景提供了可能。

3 性能評估

本文通過仿真實驗對McDvg方法的性能進行評估。車輛行駛數(shù)據(jù)一部分采用中國科學院電動汽車研發(fā)中心(上海)2010年9月—12月在高速公路G15上海段的測試數(shù)據(jù)，另一部分采用數(shù)據(jù)生成器自動生成的。該方案采用Matlab軟件進行相關(guān)仿真。具體仿真參數(shù)如下：AP/AP通信半徑RAP=800 m，車輛之間的節(jié)點通信半徑r=250 m,對應(yīng)的AP/AP通信下載速率和協(xié)助下載速率分別為wV2I=150 kB/s、wV2V=50 kB/s，協(xié)助車車速范圍為90 km/h～150 km/h，假設(shè)目標車車速為90 km/h，在間距為LDA路段中車流密度為ρ，其中ρ=λ/LDA。λ表示LDA長度內(nèi)的車輛數(shù)，且λ服從泊松分布[23]。

圖3給出了λ=35時的無協(xié)助下載、單信道協(xié)助下載和本文的McDvg多信道協(xié)助下載等3種策略下的吞吐量變化圖。從圖中可知，在無協(xié)助下載模式下40 s～360 s內(nèi)該目標車無任何數(shù)據(jù)下載；采用協(xié)助下載時在150 s處開始進行數(shù)據(jù)下載，單信道下載策略在150 s～360 s的區(qū)間中，對應(yīng)的吞吐量僅僅為本文所提出的McDvg的下載策略的一半。理想情況下，目標進入AP通信區(qū)域則會開始下載，此時對應(yīng)的下載數(shù)據(jù)量很少，在40 s處對應(yīng)的下載量為12 MB，對應(yīng)的平均下載速率為300 kB/s。此后車輛通過AP通信區(qū)域，進入通信盲區(qū)，在無協(xié)助下載情況下，則無數(shù)據(jù)下載，因此如圖3中所示，無協(xié)助過程在40 s～360 s內(nèi)下載量沒有提升，而在360 s后提升的原因則是進入下一個AP通信區(qū)域，而采用協(xié)助下載方式后，150 s處數(shù)據(jù)開始繼續(xù)增加的原因在于有車輛相遇而實現(xiàn)了協(xié)助下載過程，而單信道下載由于通信容量不足，因此多信道協(xié)助下載相比其下載量增加明顯，由此可見多信道協(xié)助下載能夠顯著提升車輛數(shù)據(jù)信息下載量。

圖3 λ=35時的各種協(xié)助下載策略下的吞吐量

圖4展示了不同密度下的McDvg性能。在無協(xié)助下載策略下，其對應(yīng)的吞吐量和車流無關(guān)，主要原因在于車輛之間的通信不起作用。但λ從20增加到80的過程中，對應(yīng)吞吐量不斷增加?？梢钥闯鲭S著車流密度的減小，對應(yīng)的通信質(zhì)量也越來越好，這其中的主要原因在于通信沖突的減少，能夠改善通信質(zhì)量，提升協(xié)助車的協(xié)助下載效率，因而對應(yīng)的下載量大。反之，隨著車輛數(shù)量的增加，車輛之間的協(xié)助下載效率由于通信擁堵而下降，導(dǎo)致對應(yīng)協(xié)助下載效果不佳。因此在進行多信道協(xié)助下載過程中，適當?shù)膮f(xié)助車密度對于改善協(xié)助下載效果有較大的增益。

圖4 不同車流密度下的McDvg的吞吐量

4 結(jié)束語

車聯(lián)網(wǎng)協(xié)助下載技術(shù)是解決當前高速公路環(huán)境中通信質(zhì)量不佳的重要舉措，其通過協(xié)助下載的方式彌補了通信盲區(qū)獲取不到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)導(dǎo)致目標車輛獲取數(shù)據(jù)量低的缺陷。本文基于對向協(xié)助車組，立足于提升通信質(zhì)量這一研究目標，重點研究了協(xié)助下載的基本策略、通信信道模型等相關(guān)內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上，提出了一種新的協(xié)助下載策略，其采用了新的協(xié)助車組合目標車的選車策略進行協(xié)助下載的車輛匹配，并考慮到通信環(huán)境的復(fù)雜性和多信道通信模型，將這些技術(shù)進行有機組合形成了一種的新的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的具體實現(xiàn)方案。最后，通過對比不同方案的協(xié)助下載吞吐量和不同車流密度下的網(wǎng)絡(luò)吞吐量的實驗仿真結(jié)果，得出了本文提出的McDvg協(xié)助下載顯著提升了目標車輛的下載數(shù)據(jù)量。該方案的可靠性得到了有效驗證，其有望對當前的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的具體實踐提供有效性支持。