基于行車軌跡通信算法

費云利

（炎黃職業(yè)技術(shù)學(xué)院通識教育中心，淮安市223400）

隨著汽車數(shù)量的日益增多，當(dāng)前的交通管理系統(tǒng)不再適用車輛日益增多的情形，因此提出一種智能有效的交通管理以及通信系統(tǒng)迫在眉睫。在此情形下，車載自組網(wǎng)應(yīng)運而生，其目的是提高現(xiàn)代交通的安全性和有效性。該自組網(wǎng)在當(dāng)代交通中，例如，行車節(jié)點間、行車與信號基站間、行車與行人間的相互通信起到重要的作用。該技術(shù)主要利用了靈活移動的設(shè)備支持、行車過程中快速實時構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)以便行車中的交流與通信。本文對車輛行駛軌跡進行研究與分析，例如通信車輛之間的距離、所連車輛的數(shù)量分布以及聚集指標(biāo)，根據(jù)指標(biāo)的構(gòu)建與分析得到一定的規(guī)律，例如所連車輛的數(shù)量服從指數(shù)分布等。然后根據(jù)不同的規(guī)律得到有效的通信算法，最后根據(jù)行車運動蹤跡將數(shù)據(jù)進行集合，并應(yīng)用仿真軟件對這些數(shù)據(jù)進行仿真分析，得到相應(yīng)的算法。

1 車載自組網(wǎng)

1.1 自組網(wǎng)特性

在行程自組網(wǎng)中，用不同的節(jié)點代表網(wǎng)絡(luò)中的每一輛行車，如圖1 所示，由于行車具有復(fù)雜快速隨機的行駛特性，所以該網(wǎng)絡(luò)必須具備一些適應(yīng)行車復(fù)雜性的特點。

圖1 車載自組網(wǎng)

首先自組網(wǎng)要針對車輛密度的變化做出相應(yīng)的調(diào)整，因為在某一個區(qū)域內(nèi)，車的數(shù)量會時時刻刻變化著，因此自組網(wǎng)要及時應(yīng)對該參數(shù)的變化。汽車自組網(wǎng)的信號會受到高樓建筑物的影響，建筑物會對信號產(chǎn)生折射、吸收和反射，所以自組網(wǎng)也要適應(yīng)信號衰減的問題。最后自組網(wǎng)是以每個行車作為節(jié)點的，所以龐大的網(wǎng)絡(luò)不僅要對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)的調(diào)整，也要對節(jié)點的實時變化做出相應(yīng)的改變。由于上述這些問題的存在，因此車載自組網(wǎng)的通信系統(tǒng)是一套非常復(fù)雜的工程，該網(wǎng)絡(luò)中的通信延時也會對實時通信造成很大的負面影響，并且足夠的電力保障也會對節(jié)點車輛的良好通信起到至關(guān)重要的作用。

1.2 自組網(wǎng)中的車輛

在如此龐大復(fù)雜的自組網(wǎng)中，車輛作為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點具有很多特性，例如車輛與車輛形成的結(jié)構(gòu)較為混雜，并且隨著車輛的實時移動，在不同方向和速度的運動下，就會導(dǎo)致自組網(wǎng)的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，這就要求網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)要能夠快速應(yīng)對這種變化所帶來的負面影響。在上下班高峰期，車輛的增多會引起自組網(wǎng)在交互通信中存在不同的延長時間，在錯綜復(fù)雜的城市交通中，再由于信號的各種反射與折射，有可能造成車輛與車輛間傳輸數(shù)據(jù)的丟失，產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象，如圖2 所示。

圖2 多數(shù)車輛情況

2 車載自組網(wǎng)內(nèi)的指標(biāo)分析

2.1 相互通信車輛數(shù)量的分布

在自組網(wǎng)中，設(shè)i 為所研究的第i 輛車，ni表示與第i 輛汽車所相互通信汽車的數(shù)量。通常情況下，用函數(shù)F(n)表示相互通信車輛數(shù)量的分布函數(shù)，則有以下公式：

其中P(n)表示能夠連接n 個車輛的汽車數(shù)目，N 表示網(wǎng)絡(luò)中總的通信車輛個數(shù)。盡管在理論上服從的是指數(shù)分布，而在實際操作中用冪分布代替指數(shù)分布能夠起到簡化的效果。因此能夠得到以下公式：

其中A 和k 表示在不同網(wǎng)絡(luò)中所設(shè)置的系數(shù)。在一個適宜的自組網(wǎng)中，一般情況下，一個汽車所連接的節(jié)點數(shù)量比較少（4-5 個），有很少的汽車連接超過10 個以上，這樣的自組網(wǎng)被稱為非均勻自組網(wǎng)，也是我們所研究的重點。

2.2 互通車輛的平均連接長度

互通車輛的平均連接長度是指自組網(wǎng)中所有互通車輛兩兩連接的距離之和除以汽車數(shù)量得到的數(shù)值。當(dāng)總的通信車輛數(shù)量越多時，則平均路程長度越小。通常情況下，在平均路程長度較小的情況下，自組網(wǎng)中的通信效果比較良好，因此在實際研究中，我們應(yīng)當(dāng)適量增大每個自組區(qū)域網(wǎng)中通信車輛的數(shù)量，以便于減小平均路程長度。

2.3 聚集指標(biāo)

聚集指標(biāo)K 指的是用來描述車載自組網(wǎng)中車輛節(jié)點的聚集情況，表示自組網(wǎng)中有通信行車的密度大小。聚集指標(biāo)的大小介于0 到1 之間。在實際當(dāng)中，如果一輛車所連接的汽車它們本身之間也存在著較多的通信聯(lián)系，則聚集指標(biāo)比較大，反之，當(dāng)一輛車所連接的汽車它們本身之間存在著較少的通信聯(lián)系，則聚集指標(biāo)比較?。▓D3）。

圖3 聚集指標(biāo)大小對比圖

3 基于行車軌跡的通信算法

3.1 設(shè)計思想

首先，我們設(shè)定一個變量值c，當(dāng)車輛A 與車輛B 之間的行車距離小于c 時，則表示該兩車存在通信關(guān)系，并在兩者之間建立一條邊。其次，當(dāng)某一輛車從自組網(wǎng)中離開時，表示該車與所有其他車輛切除通信聯(lián)系，即表示與該車相互通信的關(guān)系邊線被刪除。最后如果我們所圈定的自組網(wǎng)范圍擴大或縮小時，相應(yīng)的通信車輛增加或刪除。該方法的思想主要考慮了車載自組網(wǎng)的復(fù)雜特性，根據(jù)復(fù)雜特性來擴大還是縮小網(wǎng)絡(luò)通信半徑，這樣有利于有效通信的結(jié)果。根據(jù)三個指標(biāo)即路程長度、通信車輛數(shù)量、聚集指標(biāo)來進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與通信。當(dāng)車輛數(shù)量增多時，需要適當(dāng)擴大通信半徑或者建立多個自組網(wǎng)；當(dāng)聚集指標(biāo)較小時，縮小自組網(wǎng)通信范圍。

3.2 算法仿真與分析

根據(jù)上述算法思想，本文采用MATLAB 對真實淮安市的出租車進行仿真分析。其中模擬仿真場景為4000m*2000m，每輛車的速度小于等于30m/s，采集數(shù)據(jù)時間為50 分鐘，車輛在此范圍內(nèi)的個數(shù)為20 個。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸有效率

圖4 表示了自組網(wǎng)中車輛與車輛數(shù)據(jù)傳輸有效率示意圖，傳輸有效率表示的是成功接收到的數(shù)據(jù)除以發(fā)送的數(shù)據(jù)，從上圖可以看出，當(dāng)采集時間越長時，數(shù)據(jù)傳輸越有效，在最后采集時間段內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸有效率能達到百分之七十五左右，并且維持在該值上下。從500s 到2000s 這個時間段內(nèi)，有效率處于快速增長時期，稱為數(shù)據(jù)傳輸成長階段，相當(dāng)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕ㄔO(shè)時期，過了該時期，數(shù)據(jù)傳輸達到穩(wěn)定狀態(tài)。因此在此情形下，我們應(yīng)當(dāng)在大約三十分鐘以后再進行有效數(shù)據(jù)傳輸與車輛的相互通信，這樣才能保證車與車之間的實時有效通信，達到方便準(zhǔn)確快捷的目的。

4 結(jié)語

本文基于真實行車軌跡進行了仿真與分析，主要根據(jù)互通車輛數(shù)量、車輛聚集指標(biāo)和行車路程長度三指標(biāo)提出相應(yīng)的算法，并對淮安市某一特定區(qū)域內(nèi)的出租車進行了仿真分析，得到了車輛相互通信的數(shù)據(jù)傳輸有效率，并設(shè)置不同的參數(shù)得到了相似的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果。結(jié)論為隨著時間的增加，傳輸有效率快速增大，并在一個時間點以后達到穩(wěn)定的狀態(tài)，這表明在某個時間點以后可以進行可靠快速準(zhǔn)確的車輛通信。