車載自組織網(wǎng)絡(luò)中基于簇的協(xié)作傳輸機(jī)制

尤麗萍

(泉州信息工程學(xué)院 電子與通信工程學(xué)院，福建 泉州 362000)

交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展為人們提供了便利，也帶來了嚴(yán)峻的問題[1-3]。車載自組織網(wǎng)絡(luò)(vehicular ad-hoc networks，VANET)可以將交通及環(huán)境信息實(shí)時提供給車輛用戶，是智能汽車、自動駕駛和智慧城市發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)[4]。交通信息服務(wù)質(zhì)量和用戶體驗(yàn)是現(xiàn)有VANET研究需要解決的關(guān)鍵問題，而數(shù)據(jù)傳輸效率是決定服務(wù)質(zhì)量和用戶體驗(yàn)的核心因素之一。在VANET中，車與車通信(vehicle to vehicle communication，VVC)和車與基礎(chǔ)設(shè)施通信(infrastructure communication of vehicles，ICV)在服務(wù)范圍、時延和能耗等方面各有優(yōu)勢，通過協(xié)作數(shù)據(jù)交換為車輛提供交通信息服務(wù)，從而協(xié)助提高交通安全和效率，而分簇基于擴(kuò)展性強(qiáng)、 數(shù)據(jù)融合簡單、 能量利用高效等特點(diǎn)，可以有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，從而提高VANET數(shù)據(jù)傳輸性能并降低能耗[5]。

在純ICV服務(wù)模式中，只有沿公路部署的RSU(路側(cè)單元)能夠直接為駕駛員提供數(shù)據(jù)服務(wù)，但服務(wù)過程因涉及大量ICV傳輸而影響傳輸效率[6]。雖然分簇和數(shù)據(jù)聚合方法均各有相關(guān)研究，但在VANET領(lǐng)域中，尚未有工作將這兩種算法同時結(jié)合在一起應(yīng)用[7]。本研究結(jié)合分簇與數(shù)據(jù)聚合，通過將VVC和ICV結(jié)合在一起為車輛提供交通/環(huán)境信息服務(wù)，分簇路由結(jié)合數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以大幅度的降低網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)冗余，分層路由使得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)有一定的方向性；二者相結(jié)合降低了網(wǎng)絡(luò)能耗和延長網(wǎng)絡(luò)生存周期。

1 車載自組織網(wǎng)絡(luò)挑戰(zhàn)

為提高公路車輛的數(shù)據(jù)服務(wù)效率和通信服務(wù)的能量利用率，J. Zhao 和 G. Cao 介紹了車輛輔助數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議 VADD，考慮多節(jié)點(diǎn)參與傳輸?shù)那闆r[8]，通過當(dāng)前交通和道路網(wǎng)絡(luò)預(yù)測車輛行駛，以擴(kuò)大傳輸距離、優(yōu)化傳輸效率。該協(xié)議適用于多跳數(shù)據(jù)傳播，但高動態(tài)的交通拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會導(dǎo)致延遲并影響傳輸效率，因此，還需要考慮更加高效的遠(yuǎn)距離傳輸方案。

在 VANET 中，頻繁改變的車輛速度、方向、相對位置會導(dǎo)致車輛之間的穩(wěn)定連接時間較短，給消息傳輸時延、重傳次數(shù)和傳輸效率帶來消極的影響，對維持 VANET 的服務(wù)質(zhì)量也帶來極大挑戰(zhàn)。合理規(guī)劃的傳輸功率有助于提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝浚岣吣茉蠢寐?，但是傳輸功率與車輛數(shù)量及傳輸距離密切相關(guān)。雖然能耗在傳統(tǒng)的燃油汽車領(lǐng)域中無需受限，但隨著混合動力及純電力驅(qū)動汽車的普及，車載通信單元的能耗也成為亟需考慮的問題。

為了向用戶提供實(shí)時的交通信息服務(wù)，并提高交通信息服務(wù)效率、降低傳輸能量消耗，需要建立有效的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，本研究探討在 VANET 環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。通過調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前 VANET 實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸仍存在較大的系統(tǒng)開銷，需要更加有效、 節(jié)能的傳輸機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)既保證服務(wù)質(zhì)量又提高傳輸效率和能源效率的目標(biāo)。

2 通信模式

VVC通信通信模式中裝載 OBU (車載單元)的車輛之間可以在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)直接通信。VVC 通信可以隨時實(shí)現(xiàn)，無需任何基礎(chǔ)設(shè)施，可隨時交換實(shí)時信息。在這種通信模式下，車輛之間的數(shù)據(jù)傳輸靈活并具有低時延的特點(diǎn)。大多數(shù)VVC 應(yīng)用是通過車輛網(wǎng)絡(luò)與附近的其它車輛交換信息，然而，如果有車輛不能發(fā)送和接收消息(例如，車輛沒有 OBU 裝置或其收發(fā)裝置存在故障時)，VVC 通信可能是非常不可靠的，尤其是在車輛的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的時候。另外，單純的VVC 通信不能提供對用戶的外部網(wǎng)絡(luò)資源的訪問。

ICV通信是指車輛與道路附近的基礎(chǔ)設(shè)施之間的數(shù)據(jù)交換。ICV 通信可通過整個車輛網(wǎng)絡(luò)為遠(yuǎn)端車輛提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)：車輛向路邊單元發(fā)送信息或請求，并通過 ICV 接收從路邊單元返回的信息服務(wù)。沿路部署的路邊單元可以支持車輛的請求，如提供道路狀況、其它區(qū)域的交通信息、停車場的可用性和收費(fèi)站收費(fèi)資訊等。另外，路邊單元還可以充當(dāng)外部網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)，使車輛可以接觸更豐富的網(wǎng)絡(luò)資源。然而，ICV 需要比 VVC 消耗更多的功率和端到端時延才能實(shí)現(xiàn)對車輛信息的無縫傳輸，大量路邊單元和其它基礎(chǔ)設(shè)施的部署也會造成較高的代價。

3 分簇算法

分簇算法綜合考慮移動性、傳輸功率和節(jié)點(diǎn)能量等因素進(jìn)行簇頭選舉，各因素所占比重可以動態(tài)調(diào)整[9]。網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議中，分簇路由具有擴(kuò)展性強(qiáng)、 數(shù)據(jù)融合簡單、 能量利用高效等特點(diǎn)，分簇就是以簇為單位進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分。相比于平面型路由協(xié)議，分簇路由與分層路由明顯減少了網(wǎng)絡(luò)能 量消耗。 然而，在分簇的條件下節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)只在簇頭節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行，分層的目的是使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)具有一定的方向性，所以只需對簇頭節(jié) 點(diǎn)進(jìn)行分層處理即可。

每個節(jié)點(diǎn)具有不同數(shù)量的鄰居節(jié)點(diǎn)，體現(xiàn)了一個節(jié)點(diǎn)的連接度。當(dāng)一個簇頭的鄰居數(shù)量達(dá)到理想水平時，這個簇的整體性能可以達(dá)到預(yù)期的效果，而不會使簇頭過載。這個理想鄰居數(shù)與節(jié)點(diǎn)真實(shí)鄰居數(shù)之間的差異Δv反映了節(jié)點(diǎn)在簇頭接入中的潛在競爭力，可以用式(1)來表示：

Δv=|dv-δ|

(1)

其中，δ是簇頭可以連接的理想鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量，dv是實(shí)際節(jié)點(diǎn)連接數(shù)。

節(jié)點(diǎn)v與其所有鄰居v'(v'∈N(v))之間的距離總和Δv體現(xiàn)了該節(jié)點(diǎn)為維持與其鄰居的通信的發(fā)送功率代價，距離越遠(yuǎn)表示需要越高的發(fā)射功率。具體可由式(2)表示：

Dv=∑{dist(v,v')}

(2)

移動性Mv由節(jié)點(diǎn)從開始到當(dāng)前時刻的平均速度來說明，如式(3)所示。在一段持續(xù)時間T內(nèi)，平均速度越低，節(jié)點(diǎn)移動性越穩(wěn)定，因此更適合作為簇頭。

(3)

式中，x、y代表位置坐標(biāo)軸。

簇頭是控制和傳遞消息的關(guān)鍵角色，而數(shù)據(jù)在車間傳輸過程需要電池供能支持，其中，簇頭節(jié)點(diǎn)需要承擔(dān)的負(fù)荷更大。在簇頭節(jié)點(diǎn)處的傳輸過程越多，耗能就越多。隨著電池功率消耗，作為簇頭的節(jié)點(diǎn)的持續(xù)時間可由Pv表示。

結(jié)合所有這些因素，選擇簇頭的復(fù)合度量Wv如式(4)所示：

Wv=w1Δv+w2Δv+w3Δv+w4Δv

(4)

其中，w1,w2,w3,w4>0均可以調(diào)整，以決定上述討論的每個因素影響比重。

分簇過程如下：

(1)統(tǒng)計(jì)各節(jié)點(diǎn)的連接度dv；

(2)計(jì)算每個節(jié)點(diǎn)v的連接差異度Δv；

(3)計(jì)算每個節(jié)點(diǎn)與各個鄰節(jié)點(diǎn)間的總間距Dv；

(4)計(jì)算每個節(jié)點(diǎn)在行駛時間內(nèi)的平均速度Mv；

(5)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的簇頭身份持續(xù)時間Pv，這表示已消耗的電池電量；

(6)計(jì)算每個節(jié)點(diǎn)的復(fù)合權(quán)重Wv；

(7)選擇Wv最小的節(jié)點(diǎn)作為簇頭。簇頭的所有鄰節(jié)點(diǎn)確定自己身份為簇成員，不再進(jìn)行選舉；

(8)對尚未被選為簇頭或成為簇成員的其余節(jié)點(diǎn)重復(fù)步驟(2)-(7)至全部節(jié)點(diǎn)確定身份。

分簇算法在分簇過程中，會因?qū)嶋H多變的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境遇到許多不穩(wěn)因素，結(jié)合遺傳算法將分簇進(jìn)行優(yōu)化(GA-分簇)。父簇首和父簇成員信息將記錄在由適應(yīng)度函數(shù)定義的染色體中，這些染色體通過遺傳算法被傳遞。每個簇頭盡可能地覆蓋附近的節(jié)點(diǎn)，使簇頭總數(shù)保持在較低的水平。與原始的分簇算法相比，該算法在分簇中表現(xiàn)出更優(yōu)的穩(wěn)定性[10]。

4 實(shí)時雙向傳輸設(shè)計(jì)

4.1 上行鏈路

上行鏈路中各部分工作流程如圖1所示。上行鏈路由簇成員收集本地交通/環(huán)境信息、產(chǎn)生服務(wù)請求開始，各簇成員節(jié)點(diǎn)生成的數(shù)據(jù)包包括：車輛ID、服務(wù)請求ID和簇頭ID。簇成員將服務(wù)請求連同收集的信息一起發(fā)送到簇頭后設(shè)置定時器等待服務(wù)響應(yīng)。在收到成員發(fā)來的數(shù)據(jù)包后，簇頭首先進(jìn)行數(shù)據(jù)聚合處理，合并、歸納重復(fù)數(shù)據(jù)以減少數(shù)據(jù)量，將整合后的數(shù)據(jù)包發(fā)送到RSU。當(dāng)RSU接收到簇頭發(fā)來的數(shù)據(jù)包時，便會用收集的信息來更新數(shù)據(jù)庫中相關(guān)的服務(wù)信息，并根據(jù)所有的請求數(shù)據(jù)生成服務(wù)信息包。

圖1 上行鏈路工作流程Fig.1 Uplink workflow

4.2 下行鏈路

下行鏈路中各部分的工作流程如圖2所示。首先，RSU向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器更新信息，生成簇成員請求的服務(wù)數(shù)據(jù)。隨后RSU將這些數(shù)據(jù)通過ICV發(fā)送給簇頭。最后，由簇頭通過VVC向其成員廣播服務(wù)數(shù)據(jù)包。當(dāng)對應(yīng)簇頭監(jiān)聽到相應(yīng)的服務(wù)ID時，簇成員將存儲這些數(shù)據(jù)包，并將接收到的服務(wù)請求標(biāo)記為滿足狀態(tài)。如果簇成員的請求在等待期間不能滿足(即簇成員在等待時間內(nèi)沒有收到所請求的服務(wù)數(shù)據(jù))，則認(rèn)為該請求失敗，簇成員將生成新的請求并再次發(fā)送到對應(yīng)簇頭。

圖2 下行鏈路工作流程Fig.2 Downlink workflow

由于多個車輛可以請求同一個服務(wù)(例如，3個車輛對同一區(qū)域的交通信息感興趣)，簇頭通過廣播向簇成員發(fā)布數(shù)據(jù)，從而降低傳輸成本。當(dāng)簇頭廣播服務(wù)數(shù)據(jù)時，標(biāo)記相同簇頭ID和請求服務(wù)ID的簇成員將接收并保存服務(wù)信息。這種傳輸機(jī)制可以為車輛提供實(shí)時信息服務(wù)，使司機(jī)可以有效地管理他們的行程、合理安排時間，從而減緩交通壓力，提高出行效率。

5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

5.1 仿真工具與環(huán)境搭建

目前，已有許多功能強(qiáng)大的仿真器可被用來評估VANET的性能。本研究通過將移動仿真和網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)合在一起來模擬VANET性能，即將OMNET++、SUMO和Veins框架的組合[11]。Veins是一個為研究VANET建立的仿真框架，它可以在OMNET++中運(yùn)行，并和SUMO的流量控制接口結(jié)合。實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)定為一條三車道的單向直行公路，每條車道上一條車輛流。考慮到VVC的最大通信范圍通常為300 m，高速公路上每個簇中的車輛數(shù)目也與車速有關(guān)，為接近實(shí)際情況，根據(jù)公路法規(guī)中安全停車距離和速度的關(guān)系，定義了車流速度分別為32、48、64、80、96、112 km/h的環(huán)境下6個V2X模擬場景。

為更好分析設(shè)計(jì)的傳輸機(jī)制的性能，設(shè)置一組對照組進(jìn)行比較。對照組設(shè)置來自文獻(xiàn)[12]，是一種無車輛間協(xié)作過程的純ICV傳輸機(jī)制，如圖3所示。一旦車輛進(jìn)入RSU的通信范圍，他們便會將收集的數(shù)據(jù)和產(chǎn)生的服務(wù)請求直接上傳到RSU，RSU解析數(shù)據(jù)后直接通過ICV將請求的服務(wù)傳送回車輛。在這個無協(xié)作組中，每個場景都和V2X組設(shè)定相同的參數(shù)。

圖3 無協(xié)作純 ICV 傳輸Fig.3 Pure ICV transmission without cooperation

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境基于DSRC中IEEE802.11p和IEEE1609系列進(jìn)行配置，其中包括PHY層和MAC層的參數(shù)。VVC的發(fā)射功率取決于簇頭與最遠(yuǎn)端成員之間的距離，其它仿真參數(shù)如表1所示，使用Two-ray模型用作信號傳輸模型。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置Tab.1 Simulation parameter setting

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為對仿真結(jié)果進(jìn)行更好的分析，定義了如下4種性能評價參數(shù)，以評估服務(wù)機(jī)制在仿真中的性能表現(xiàn)。

服務(wù)率是成功完成的請求數(shù)量ns與所請求的服務(wù)的總量n的比值，這是評估V2X系統(tǒng)有效性的一個重要度量標(biāo)準(zhǔn)。服務(wù)率(γ)可通過以下公式衡量：

(5)

平均服務(wù)時延被定義為從提交請求到最終接收到服務(wù)數(shù)據(jù)的平均使用時間，包括服務(wù)傳輸時間和因失敗重傳等原因的等待時間，該時延(τ)可以表達(dá)為：

(6)

其中，tsi是第i個成功的服務(wù)傳輸?shù)臅r間持續(xù)時間，nus是失敗的服務(wù)請求的數(shù)量，而tp是車輛在傳輸失敗的服務(wù)中消耗的等待時間。

對等待請求服務(wù)的計(jì)時器設(shè)定要確保系統(tǒng)平均服務(wù)時延不會過高從而影響系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量，由于1 s完全足夠進(jìn)行一次數(shù)據(jù)請求和發(fā)放過程，而超過1 s服務(wù)質(zhì)量會明顯受到影響，因此tp最大邊界值由τ=1 s時的狀態(tài)決定：

(7)

其中，tsi、ns和nus由數(shù)據(jù)大小、傳輸速率和鏈路質(zhì)量決定。

吞吐量是一種被廣泛應(yīng)用的度量傳輸效率的指標(biāo)，在此定義為在一個時間單位中實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的平均大?。?/p>

(8)

其中Ps是成功傳輸?shù)姆?wù)數(shù)據(jù)的總大小，T是總傳輸時間。

能耗效率是傳輸1比特數(shù)據(jù)所需要消耗的能量(焦耳/比特)，綜合考慮上下鏈路傳輸能耗，整個系統(tǒng)的綜合能耗效率EC如下所示：

EC=EUb+EDb

(9)

(10)

(11)

其中，EU和ED分別是上、下行鏈路的總能耗，BU和BD分別是上、下行鏈路總傳輸數(shù)據(jù)大小。

圖4顯示了在不同的車流速度和車輛密度的情況下，V2X組和ICV組的服務(wù)率。在6 、12 Mbps的數(shù)據(jù)速率下，V2X組在所有場景中都比ICV組表現(xiàn)出了更高、更穩(wěn)定的服務(wù)率。隨著車速的不斷增加，ICV組服務(wù)率呈上升趨勢，這是由于車輛密度的降低減少了數(shù)據(jù)傳輸需求，從而減少了信道中的傳輸沖突和擁塞。而當(dāng)車速較低時車輛之間的距離相對較短，在相同的范圍內(nèi)參與傳輸?shù)能囕v較多，因此需要滿足更多的服務(wù)請求。在這種情況下，通過將車輛分成簇，可減少車輛和RSU之間的傳輸負(fù)載，故V2X組中有比ICV組更少的沖突。另外，不在RSU的通信范圍中的車輛不能直接收到服務(wù)數(shù)據(jù)，但是在簇中，由于簇頭已經(jīng)存儲了來自RSU的服務(wù)數(shù)據(jù)，所以只要簇成員和簇頭在同一個簇中，離開RSU覆蓋范圍后的簇成員仍然可以從簇頭獲取服務(wù)。

圖4 不同場景下服務(wù)率Fig.4 Service rates in different scenarios

平均服務(wù)時延如圖5所示，其中包括花費(fèi)在傳輸服務(wù)數(shù)據(jù)上的時間以及當(dāng)服務(wù)失敗時等待重傳的時間。在ICV組中，每個車輛必須等待來自RSU依次提供服務(wù)數(shù)據(jù)。在相同數(shù)據(jù)發(fā)送速率下的平均服務(wù)時延在V2X組中比ICV組均有所減少，最多一組減少了130 ms。在V2X組中只有簇頭參與了耗時更多的ICV過程，另外，簇頭將前面的服務(wù)請求聚合在一起，有相同請求的車輛可以在簇頭廣播服務(wù)數(shù)據(jù)時一起接收到請求的服務(wù)數(shù)據(jù)，這也減少了成員的等待時間。由圖5中ICV組較低的服務(wù)率可以看出，在ICV組中重新傳輸服務(wù)數(shù)據(jù)的次數(shù)也多于V2X組。當(dāng)車速增加時，隨著道路上車輛密度的減少，通信碰撞和擁塞將減少，進(jìn)行V2X協(xié)作通信的車輛在平均服務(wù)時延上表現(xiàn)出的時延優(yōu)點(diǎn)不像在大密度車流下時明顯。實(shí)際上，當(dāng)傳輸負(fù)載較小時，簇對服務(wù)延遲貢獻(xiàn)不明顯是因?yàn)榇刂械臄?shù)據(jù)聚合和重新分配也是花費(fèi)時間資源的。從整體來說，V2X組中所有車輛的平均服務(wù)時延比ICV組短。

圖5 不同場景下平均服務(wù)時延Fig.5 Average service delay in different scenarios

如圖6所示，在所有6種不同場景下，V2X組的吞吐量明顯優(yōu)于ICV組，V2X組的吞吐量比ICV組保持在更高、更穩(wěn)定的水平上。發(fā)送速率在6 Mbps時，V2X組的吞吐量比ICV組普遍高出2倍以上，而使用12 Mbps數(shù)據(jù)速率發(fā)送時，這種差異增大到ICV組的2到4倍以上。在速度較快的場景下，當(dāng)服務(wù)請求數(shù)量較少時，ICV組可以在相同的傳輸時間單元內(nèi)完成更多的數(shù)據(jù)傳輸。在車速超過80 km/h的場景中，數(shù)據(jù)傳輸需求較少，而分簇和數(shù)據(jù)聚合對系統(tǒng)開銷的占用相對增加，因此吞吐量反而產(chǎn)生了小幅下降。但在總體上，V2X組仍有更高的吞吐量。

圖6 不同場景下的吞吐量Fig.6 Throughput in different scenarios

6 結(jié)語

針對公路環(huán)境，應(yīng)用分簇和數(shù)據(jù)聚合，進(jìn)行了實(shí)時的雙向數(shù)據(jù)協(xié)作傳輸在公路上的應(yīng)用設(shè)計(jì)，將本地信息上傳服務(wù)器進(jìn)行信息更新，為公路上行駛的車輛提供實(shí)時有效的交通服務(wù)信息，同時兼顧了傳輸效率和能耗效率優(yōu)化。分別從交通和通信兩方面搭建VANET仿真環(huán)境，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過建立一系列評估指標(biāo)分析這種基于簇的協(xié)作傳輸機(jī)制性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將結(jié)合了分簇和數(shù)據(jù)聚合的協(xié)作傳輸機(jī)制應(yīng)用在公路上能有效實(shí)現(xiàn)高效而節(jié)能的實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。這種混合機(jī)制的有效實(shí)現(xiàn)，既實(shí)現(xiàn)了大數(shù)據(jù)的清洗、分析、挖掘與服務(wù)，也展現(xiàn)出擴(kuò)展性好、控制負(fù)載低、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞€(wěn)定的優(yōu)勢。