5G蜂窩網(wǎng)輔助的車載自組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制與路由算法

李 波，劉 雪，馮菁翠，孫 罡，虞紅芳

(電子科技大學(xué)光纖傳感與通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都611731)

近幾十年，隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展和交通需求的不斷增長，智能交通系統(tǒng)(intelligent transport system,ITS)得到迅速發(fā)展。車載自組織網(wǎng)絡(luò)(vehicular ad-hoc network,VANET)作為ITS的重要技術(shù)之一，成為了一個重要的研究課題[1]。目前已廣泛應(yīng)用于交通管理、緊急信息廣播及移動娛樂等多種場景，以此來提高道路交通安全、緩解交通擁堵、提供娛樂服務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)接入[2]。然而，由于VANET中節(jié)點(diǎn)移動性高，節(jié)點(diǎn)分布不均勻、運(yùn)動軌跡受限，導(dǎo)致車載網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)快速變化和鏈路頻繁斷開，如何提高VANET的路由性能是一項(xiàng)重要的挑戰(zhàn)[3-4]。

VANET中有兩種基本的通信類型，即車輛與車輛(vehicle to vehicle,V2V)之間通信和車輛與基礎(chǔ)設(shè)施(vehicle to infrastrucre,V2I)之間通信[5]?；趯Ｓ枚坛掏ㄐ?dedicated-short-range communication,DSRC)技術(shù)的IEE802.11p被提出作為V2V和V2I的通信標(biāo)準(zhǔn)[6-7]。在以車輛為拓?fù)涔?jié)點(diǎn)的移動自組織網(wǎng)絡(luò)中，每一個車輛節(jié)點(diǎn)都被視為一個單獨(dú)的移動通信載體，進(jìn)行數(shù)據(jù)包中繼轉(zhuǎn)發(fā)[8]。但由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的快速變化，以及DSRC有限的傳輸范圍和配套設(shè)施的缺乏，導(dǎo)致DSRC無法達(dá)到V2V通信的某些需求。第五代移動通信(5th generation mobile networks,5G)擁有連續(xù)廣域覆蓋、超高速移動、超高流量密度、超低能耗等特點(diǎn)，將其應(yīng)用到車聯(lián)網(wǎng)中，能夠在一定程度上優(yōu)化車聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，解決當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)中面臨的問題與挑戰(zhàn)。

車聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)可以分為兩種類型，即普通數(shù)據(jù)和緊急數(shù)據(jù)[2]。其中，緊急數(shù)據(jù)包括交通事故、道路損壞、救護(hù)車之間傳輸?shù)奈谋竞鸵曨l信息，必須以最小的延遲傳送到目的點(diǎn)[9]，這類緊急消息的傳輸對時延及可靠性的要求極為苛刻。另一種普通數(shù)據(jù)，諸如商業(yè)廣告宣傳、視頻新聞的獲取、數(shù)據(jù)信息備份，這類消息旨在為目的節(jié)點(diǎn)提供數(shù)據(jù)信息服務(wù)，對傳輸時延不敏感，針對此類普通數(shù)據(jù)消息，大部分研究采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)的方式進(jìn)行傳輸[10]。

現(xiàn)有研究將信息傳輸策略按照傳輸介質(zhì)分為基于VANET方案和集成蜂窩網(wǎng)VANET異構(gòu)方案兩類[11]。文獻(xiàn)[12]提出云輔助的下行安全信息傳輸框架，公交車配備蜂窩網(wǎng)接口和VANET接口，云在收集大量的交通流量信息后，選擇公交車作為網(wǎng)關(guān)，公交車收到來自蜂窩網(wǎng)的信息后進(jìn)一步通過V2V通信，將信息傳輸?shù)礁浇能囕v。同時為了減少廣播帶來的數(shù)據(jù)包冗余和丟失，設(shè)計了一種并行多點(diǎn)安全信息傳播方法。該方案能夠高效、快速傳輸信息，但是也在一定程度上增加了通信成本。文獻(xiàn)[13]提出一種混合方案，該方案將帶有5G蜂窩網(wǎng)的軟件定義VANET控制平面用于南向通信，為平衡自組網(wǎng)絡(luò)的傳輸時延和蜂窩網(wǎng)的傳輸成本，設(shè)計了一種帶寬補(bǔ)償策略平衡南向通信的成本和性能，將帶寬補(bǔ)償問題構(gòu)造為兩階Stackelberg博弈，并對博弈的均衡進(jìn)行了分析。

一些研究將車聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)包賦予不同的優(yōu)先級。文獻(xiàn)[14]提出一種新型蛛網(wǎng)緊急消息傳輸機(jī)制，使用動態(tài)多優(yōu)先級隊(duì)列管理方法，首先處理高優(yōu)先級的緊急消息，來降低緊急消息的傳輸延遲。文獻(xiàn)[15]將車輛的地理區(qū)域劃分為網(wǎng)格，通過強(qiáng)化學(xué)習(xí)得到關(guān)于網(wǎng)格的Q值表，然后基于Q值表選取下一跳中繼車輛，時延不敏感的數(shù)據(jù)包則采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)策略進(jìn)行傳輸。

一些研究工作提出了以公交車為主要通信骨干網(wǎng)絡(luò)的傳輸框架。文獻(xiàn)[16]提出基于社區(qū)的公交車系統(tǒng)，構(gòu)建了基于社區(qū)的公交骨干網(wǎng)，并在此基礎(chǔ)上提出公交骨干網(wǎng)上的路由方案。文獻(xiàn)[17]提出一種名為Vela的地理廣播路由機(jī)制，根據(jù)公交車行駛的歷史軌跡，建立了公交車行駛的時間和空間相遇模型，利用公交車間的時空關(guān)系增加轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的機(jī)率。

本文主要基于5G和VANET的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)框架，最大化車聯(lián)網(wǎng)的路由傳輸性能，提出針對不同種類數(shù)據(jù)包的路由轉(zhuǎn)發(fā)策略。

1 VANET混合消息傳輸機(jī)制

車載自組織網(wǎng)是由位置和行駛軌跡時刻變化的車輛節(jié)點(diǎn)組成的，其中每一個車輛節(jié)點(diǎn)既是消息的產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)，又是消息路由轉(zhuǎn)發(fā)的中繼節(jié)點(diǎn)。每一輛車都裝有高精度傳感器和車載單元(on board unit,OBU)，用于車輛之間的通信和信息采集[18]。

DSRC是一種專門用于車-車以及車-路之間的短距離無線通信技術(shù)[19-20]。在進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸時，車輛節(jié)點(diǎn)之間可以在DSRC所支持的通信范圍內(nèi)進(jìn)行直接通信。對于通信范圍外的車輛節(jié)點(diǎn)，可以通過其他節(jié)點(diǎn)的中繼逐跳傳輸，直至到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。由于車輛節(jié)點(diǎn)的行駛路線受道路結(jié)構(gòu)的約束，行駛軌跡和速度受駕駛員習(xí)慣以及主觀意識的影響，導(dǎo)致車輛節(jié)點(diǎn)的位置時刻變化，進(jìn)而使整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)改變，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包在傳輸過程中，會因已經(jīng)建立好的通信鏈路斷開而路由失敗，對長距離傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包影響尤為顯著[21-22]。

圖1為本文提出的城市場景下混合消息傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。針對此架構(gòu)作出如下假設(shè)：

1)5G蜂窩基站覆蓋城市的每一條街道，基站之間相互連接且存儲整個城市道路上的信息；

2)所有車輛都配備全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)，每輛車可以通過GPS獲取到自己以及周圍車輛的位置信息、速度信息，這些信息有助于在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時，做出路由決策，選取最佳下一跳；

3)道路上行駛的車輛包括普通車輛和有固定行駛軌跡以及固定行駛時刻表的公交車，每一輛車都配備蜂窩接口和VANET接口，車輛節(jié)點(diǎn)之間可以通過VANET接口進(jìn)行通信，車輛節(jié)點(diǎn)和5G基站之間可以通過蜂窩接口進(jìn)行通信；

4)下一跳路由選擇時，普通車輛節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級高于公交車節(jié)點(diǎn)。

由于5G蜂窩網(wǎng)具有低傳輸時延，因而適用于時延敏感型數(shù)據(jù)包的傳輸。如圖1所示，道路上高速行駛的黑色車輛，駕駛員突然身體不適，無法繼續(xù)正常駕駛，需要緊急救援，此時攜帶緊急消息的車輛立即向距離自己最近的5G蜂窩基站上傳緊急數(shù)據(jù)包，基站接收到數(shù)據(jù)包之后，獲取數(shù)據(jù)包的目的點(diǎn)信息，即圖中所示醫(yī)院位置。如果該目的點(diǎn)在其覆蓋范圍內(nèi)，則直接將數(shù)據(jù)包傳送到目的點(diǎn)，如果該目的點(diǎn)不在其覆蓋范圍內(nèi)，則將數(shù)據(jù)包交付給其他基站進(jìn)行傳輸。

圖1 混合消息傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G蜂窩網(wǎng)由于其通信成本高不適用傳輸普通數(shù)據(jù)包。針對普通數(shù)據(jù)包的傳輸，采用基于公交車輔助的路由策略。圖1所示為該策略在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時的一種傳輸場景。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)包要發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)時，由于周圍的一跳鄰居范圍內(nèi)沒有普通的車輛節(jié)點(diǎn)，為擴(kuò)大傳輸范圍，選擇公交車節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)，然后選取普通車輛作為中繼節(jié)點(diǎn)，逐跳進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，直到傳輸至目的節(jié)點(diǎn)為止。

2 數(shù)據(jù)包路由算法設(shè)計

2.1 算法流程圖

圖2為路由算法的執(zhí)行流程圖。當(dāng)有數(shù)據(jù)包需要傳輸時，首先確定數(shù)據(jù)包的類型，如果是時延敏感型數(shù)據(jù)包，則通過5G蜂窩網(wǎng)高速可靠傳輸，如果是時延非敏感的普通類型數(shù)據(jù)包，則使用基于公交車輔助的路由策略中繼轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2 路由算法流程

2.2 基于5G蜂窩網(wǎng)的時延敏感型數(shù)據(jù)包的路由

相比3G和4G，5G蜂窩網(wǎng)借助于網(wǎng)絡(luò)切片、移動邊緣計算和毫米波等核心技術(shù)，為車聯(lián)網(wǎng)提供多種類型的網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。毫米波的頻段處于30～300 GHZ范圍內(nèi)，對應(yīng)的波長為1～10 mm，文獻(xiàn)[23]指出，處于60 GHZ頻段的毫米波，每傳輸1 000 m，功率損耗為16 dB。5G可以實(shí)現(xiàn)低時延、高速率、大帶寬傳輸，其下行速率可以達(dá)到500 Mbit/s，上行速率可以達(dá)到100 Mbit/s，端到端最小延遲為1 ms[24]。圖3為5G蜂窩網(wǎng)在車聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用的系統(tǒng)模型，車輛節(jié)點(diǎn)可以通過5G蜂窩基站將信息數(shù)據(jù)上傳到云平臺，然后經(jīng)過MEC分析處理后，再按照不同業(yè)務(wù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切片，最后通過5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳送回到終端的車輛節(jié)點(diǎn)。

圖3 5G的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模型

時延敏感型數(shù)據(jù)包的傳輸時延，主要來自于車輛節(jié)點(diǎn)和5G蜂窩網(wǎng)間的無線傳輸。根據(jù)文獻(xiàn)[25-26]中關(guān)于毫米波無線傳輸信道模型，相距距離為d的發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)間的毫米波無線信道路徑損耗表示為：

根據(jù)文獻(xiàn)[27]，只考慮噪聲的條件下，接收節(jié)點(diǎn)即5G蜂窩基站處的信噪比SNR可以表示為：

式中，Ps表示發(fā)送端節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率；N0是高斯白噪聲功率譜的功率譜密度；WmW是5G蜂窩網(wǎng)中的毫米波頻率帶寬。接收端節(jié)點(diǎn)的信噪比SNR大于接收機(jī)的信噪比門限時，接收端節(jié)點(diǎn)便可以接收發(fā)送端節(jié)點(diǎn)的消息，即在一個單跳的無線傳輸鏈路中，消息傳輸?shù)某晒Ω怕蔖Success可以表示為：

使用毫米波進(jìn)行通信傳輸，消息從發(fā)送端到接收端的時間長度為tslot時，可以得到消息的單跳傳輸時延，即車輛節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到5G基站的傳輸時延Thop(d)表達(dá)式為：

2.3 基于公交車輔助的路由

經(jīng)典的貪婪周邊無狀態(tài)協(xié)議(greedy perimeter statelessrouting,GPSR)是一種基于地理位置的路由協(xié)議，主要利用鄰居節(jié)點(diǎn)的位置信息選擇下一跳中繼節(jié)點(diǎn)[28]。有兩種轉(zhuǎn)發(fā)模式：貪婪轉(zhuǎn)發(fā)模式和周邊轉(zhuǎn)發(fā)模式。一般情況下使用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)模式，即選擇鄰居節(jié)點(diǎn)中距離目的節(jié)點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)作為下一跳，且被選擇的下一跳節(jié)點(diǎn)距離目的節(jié)點(diǎn)的距離要小于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)距離目的節(jié)點(diǎn)的距離。如果不滿足此條件，則進(jìn)入周邊轉(zhuǎn)發(fā)模式，周邊轉(zhuǎn)發(fā)模式的主要思想是右手法則，之后數(shù)據(jù)包便交替地在貪婪轉(zhuǎn)發(fā)模式和周邊轉(zhuǎn)發(fā)模式之間切換，直到數(shù)據(jù)包被傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)為止。

GPSR只是單純地將距離作為下一跳選擇的約束條件，而沒有考慮到車輛行駛方向的影響，這很容易導(dǎo)致一種情況，即被選擇的下一跳滿足距離約束條件，但其行駛軌跡方向遠(yuǎn)離目的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)此節(jié)點(diǎn)被選作下一跳節(jié)點(diǎn)后，在其周圍一跳范圍內(nèi)沒有鄰居節(jié)點(diǎn)存在時，此被選作下一跳節(jié)點(diǎn)且背離目的節(jié)點(diǎn)行駛的車輛，就會攜帶數(shù)據(jù)包朝著不斷遠(yuǎn)離目的節(jié)點(diǎn)的方向行駛，致使數(shù)據(jù)包的路由路徑偏離正確的傳輸方向，帶來不必要的傳輸時延，甚至導(dǎo)致路由失敗。

如圖4所示，假設(shè)節(jié)點(diǎn)A是源節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)B、C、D分別為節(jié)點(diǎn)A的鄰居節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)E是目的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A有數(shù)據(jù)包要發(fā)送時，節(jié)點(diǎn)A應(yīng)選擇鄰居節(jié)點(diǎn)C而非節(jié)點(diǎn)D作為下一跳中繼節(jié)點(diǎn)，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)D雖然距離目的點(diǎn)最近，但節(jié)點(diǎn)D的行駛方向與目的節(jié)點(diǎn)的行駛方向相反。假設(shè)此時將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居節(jié)點(diǎn)D，在節(jié)點(diǎn)D收到數(shù)據(jù)包后由于距離目的節(jié)點(diǎn)還有一段距離，而此時其鄰居范圍內(nèi)不存在一跳中繼節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)D將會選擇攜帶數(shù)據(jù)包，然后向與目的節(jié)點(diǎn)相反的方向移動，最終導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟棄。本文提出基于行駛方向和距離的路由算法。當(dāng)傳輸范圍內(nèi)同時存在多個節(jié)點(diǎn)時，將行駛方向和距離作為下一跳選擇的約束條件。圖5給出了下一跳中繼節(jié)點(diǎn)的選擇過程。

圖4 節(jié)點(diǎn)行駛方向的影響

圖5 下一跳中繼節(jié)點(diǎn)的選擇

假定當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)為S，目的節(jié)點(diǎn)為D，下一跳中繼節(jié)點(diǎn)為R，三者的速度分別為VS,VD,VR，位置分別為PS,PD,PR，ΔRD為節(jié)點(diǎn)R和D之間的相對距離：

下一跳中繼節(jié)點(diǎn)R和目的節(jié)點(diǎn)D間的距離記為DistanceRD，源節(jié)點(diǎn)S和目的節(jié)點(diǎn)D間的距離記為DistanceSD，則：

下一跳中繼節(jié)點(diǎn)R速度VR與目的節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)之間的相對距離ΔRD夾角 Angle(VR,ΔRD)，記為θ，則：

此夾角能夠反映出下一跳中繼節(jié)點(diǎn)相對于目的節(jié)點(diǎn)的行駛方向。當(dāng)角度θ大于90°時，cosθ值為負(fù)值，沿著此方向行駛，二者之間距離增大，表明下一跳中繼車輛節(jié)點(diǎn)正在駛離目的節(jié)點(diǎn)。反之當(dāng)角度θ大于90°時，表明在駛向目的節(jié)點(diǎn)。

最后綜合考慮距離與行駛方向的影響，計算出每一個鄰居節(jié)點(diǎn)的權(quán)重值Weightvalue：

擁有最大權(quán)重值的節(jié)點(diǎn)將被選為下一跳中繼節(jié)點(diǎn)，其中α、β分別為方向和距離的權(quán)重影響因子。

公交車具有固定的行駛軌跡，能夠覆蓋整個城市的主干道，且其通信傳輸范圍較普通車輛大。因此當(dāng)一跳范圍內(nèi)沒有合適的鄰居節(jié)點(diǎn)時，可以將公交車作為輔助的中繼節(jié)點(diǎn)，擴(kuò)大傳輸范圍，提高端到端的傳輸成功率。

時延非敏感型數(shù)據(jù)包，在沒有合適的下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)策略，攜帶數(shù)據(jù)包，直到遇到合適的中繼節(jié)點(diǎn)。

2.4 鄰居表的更新時間預(yù)測

VANET中的節(jié)點(diǎn)，受道路環(huán)境的影響行駛速度和位置時刻變化，節(jié)點(diǎn)之間的通信鏈路頻繁斷開。本文中，車輛節(jié)點(diǎn)間通過周期性發(fā)送Hello數(shù)據(jù)包，獲取鄰居節(jié)點(diǎn)的信息，維護(hù)鄰居列表。因此Hello數(shù)據(jù)包的發(fā)送周期對路由決策有重要影響。如果周期設(shè)置太長，鄰居表中的信息停滯時間過長，會導(dǎo)致鄰居節(jié)點(diǎn)在中繼數(shù)據(jù)包前已經(jīng)離開通信范圍，但由于長時間未更新鄰居表，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)仍然將其選為中繼節(jié)點(diǎn)，從而導(dǎo)致路由失敗。如果周期設(shè)置過短，將會增加網(wǎng)絡(luò)中的開銷，同時也會影響正常數(shù)據(jù)包的傳輸。

針對此問題，本文提出鄰居表的更新時間預(yù)測機(jī)制。該機(jī)制利用節(jié)點(diǎn)的位置信息和狀態(tài)信息，對Hello數(shù)據(jù)包的發(fā)送周期Thello進(jìn)行預(yù)測，避免因鄰居表中信息失效導(dǎo)致通信鏈路斷開。

圖6為車輛節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動模型，假設(shè)車輛節(jié)點(diǎn)間的通信范圍為R，t時刻兩節(jié)點(diǎn)M,N的速度和位置坐標(biāo)分別為VM,VN和(PMx,PMy),(PNx,PNy)，兩節(jié)點(diǎn)的速度矢量與水平方向夾角分別為θM,θN。

圖6 節(jié)點(diǎn)運(yùn)動模型

首先計算出車輛節(jié)點(diǎn)經(jīng)過Δt時間后的位置坐標(biāo)，再根據(jù)位置坐標(biāo)信息推導(dǎo)鏈路的存活時間。

計算經(jīng)過Δt時間后兩車之間的距離，若兩車之間的距離L大于通信范圍R，則表明原來建立的通信鏈路斷開。可以得出節(jié)點(diǎn)M和鄰居節(jié)點(diǎn)N間的鏈路存活時間Tlive(M→N)，則：

式中，1≤N≤NeighborNums，NeighborNums表示節(jié)點(diǎn)M的鄰居節(jié)點(diǎn)總數(shù)。

通過對Hello數(shù)據(jù)包的發(fā)送時間進(jìn)行預(yù)測，可以將鄰居表的更新時間控制在合理范圍內(nèi)，增加鄰居節(jié)點(diǎn)信息的時效性，從而避免因更新時間過長造成的路由失敗以及頻繁更新帶來的開銷問題。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 仿真環(huán)境

本論文仿真基于64位win7系統(tǒng)，使用網(wǎng)絡(luò)仿真模擬器(OMNet++5.4.1)和車載網(wǎng)絡(luò)仿真框架(Veins 4.7.1)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬；使用道路交通模擬器(Sumo 0.30.0)生成公交車線路和普通車輛的行駛軌跡；仿真地圖的大小為2 000 m×2 000 m，包含64個路口。表1為本文的仿真參數(shù)設(shè)置。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

每一個車輛節(jié)點(diǎn)都有一個初始位置、速度、加速度和行駛方向，整個網(wǎng)絡(luò)每隔一秒隨機(jī)產(chǎn)生一對源目節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)包的傳輸。將本文提出的基于5G蜂窩網(wǎng)的混合消息傳輸機(jī)制及路由算法記為5GHCT算法，將基于公交車輔助的路由算法記為CT算法。選取文獻(xiàn)[29]中提出的V2R算法作為對比算法，該算法主要以RSU作為輔助基礎(chǔ)設(shè)施，將無線傳輸和有線傳輸結(jié)合，通過對節(jié)點(diǎn)的位置狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測來選擇下一跳。

3.2 仿真結(jié)果分析

為分析路由算法的性能，選取數(shù)據(jù)包傳輸成功率、端到端時延、平均傳輸跳數(shù)作為衡量路由性能的指標(biāo)。本論文仿真了不同網(wǎng)絡(luò)場景對路由算法數(shù)據(jù)包傳輸成功率、端到端時延以及平均端到端傳輸跳數(shù)的影響。

3.2.1數(shù)據(jù)包傳輸成功率

數(shù)據(jù)包傳輸成功率是指目的節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包總數(shù)與從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)的比值。本文分別仿真了不同數(shù)據(jù)包比例、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、節(jié)點(diǎn)速度、數(shù)據(jù)包傳輸距離下的數(shù)據(jù)包傳輸成功率，結(jié)果如圖7所示。

圖7a表示在數(shù)據(jù)包總數(shù)目一定下，數(shù)據(jù)包傳輸成功率隨著數(shù)據(jù)包比例(時延敏感型：時延非敏感型)的變化?？梢钥闯觯S著時延敏感型數(shù)據(jù)包比例的增加，5GHCT算法的數(shù)據(jù)包傳輸成功率逐漸增大，CT算法和V2R算法的數(shù)據(jù)包傳輸成功率逐漸減小。CT算法性能優(yōu)于V2R算法。這是因?yàn)?GHCT算法使用不同的傳輸機(jī)制傳輸不同類型的數(shù)據(jù)包，避免了全部采用單一傳輸方式導(dǎo)致的鏈路擁塞。且在數(shù)據(jù)包總數(shù)目一定的情況下，隨著時延敏感型數(shù)據(jù)包數(shù)目的增加，5GHCT算法使用具有傳輸時延低、可靠性高的蜂窩網(wǎng)傳輸時延敏感型數(shù)據(jù)包，而另外兩種算法的傳輸時延由于無法滿足時延敏感型數(shù)據(jù)包的時延需求，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包在未到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)之前便由于存活時間達(dá)到而被丟棄，數(shù)據(jù)包傳輸成功率下降。CT算法的數(shù)據(jù)包傳輸成功率優(yōu)于V2R算法，是因?yàn)镃T算法通過對鄰居表的更新時間進(jìn)行預(yù)測，保證了通信鏈路的穩(wěn)定性，且在一跳范圍內(nèi)沒有普通車輛節(jié)點(diǎn)時，使用公交車作為輔助轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，擴(kuò)大了通信范圍，提高了數(shù)據(jù)包的傳輸成功率。

圖7b表示數(shù)據(jù)包傳輸成功率隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的變化?？梢钥闯觯S著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，3種算法的傳輸成功率逐漸增大。這是因?yàn)殡S著節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加，網(wǎng)絡(luò)的連通度增大，節(jié)點(diǎn)間逐跳傳輸?shù)某晒β试黾?。由于蜂窩網(wǎng)的覆蓋范圍大，傳輸距離遠(yuǎn)，因而在節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少的情況下，其傳輸性能不受影響。相比于V2R算法，CT算法在網(wǎng)絡(luò)連通度較低的情況下采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)策略，使用行駛軌跡經(jīng)過目的點(diǎn)的公交車攜帶數(shù)據(jù)包，提高了數(shù)據(jù)包的傳輸成功率。

圖7 數(shù)據(jù)包傳輸成功率的變化

圖7c表示數(shù)據(jù)包傳輸成功率隨著節(jié)點(diǎn)速度的變化情況?？梢钥闯?，3種算法的數(shù)據(jù)包傳輸成功率幾乎不受節(jié)點(diǎn)速度的影響，5GHCT算法和CT算法性能優(yōu)于V2R算法。這是因?yàn)橄鄬τ赩2R算法而言，CT算法通過計算鄰居節(jié)點(diǎn)間通信鏈路的生存時間，及時更新鄰居列表的信息，避免了因節(jié)點(diǎn)運(yùn)動速度快而導(dǎo)致的通信鏈路失效。5GHCT算法使用基于公交車輔助的路由策略轉(zhuǎn)發(fā)普通類型的數(shù)據(jù)包，所以有著和CT算法相似的變化趨勢，但由于其使用蜂窩網(wǎng)傳輸時延敏感型數(shù)據(jù)包，所以比單一傳輸方式的CT算法具有更高的數(shù)據(jù)包傳輸成功率。

圖7d表示數(shù)據(jù)包傳輸成功率隨著數(shù)據(jù)包傳輸距離的變化?？梢钥闯?，當(dāng)數(shù)據(jù)包傳輸距離小于500 m時，3種算法的數(shù)據(jù)包傳輸成功率相近。之后隨著傳輸距離的逐漸增大，3種算法的數(shù)據(jù)包傳輸成功率逐漸下降。5GHCT算法和CT算法的性能優(yōu)于V2R算法。這是因?yàn)?GHCT算法使用蜂窩網(wǎng)傳輸時延敏感型數(shù)據(jù)包，能夠保證長距離傳輸?shù)目煽啃?，避免了多跳轉(zhuǎn)發(fā)造成的路由失敗。相比于V2R算法，CT算法在長距離傳輸過程中，使用具有固定行駛軌跡的公交車輔助轉(zhuǎn)發(fā)，擴(kuò)大傳輸范圍，并在一跳范圍內(nèi)無可用中繼節(jié)點(diǎn)時，攜帶數(shù)據(jù)包直到目的節(jié)點(diǎn)。

3.2.2數(shù)據(jù)包端到端時延

數(shù)據(jù)包端到端時延是指，從數(shù)據(jù)包發(fā)送開始，到目的點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包為止的整個傳輸過程中，成功傳輸數(shù)據(jù)包的總時延與成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包總數(shù)目之比(即平均時延)。

圖8a表示端到端時延隨數(shù)據(jù)包比例的變化。可以看出，3種算法的端到端時延隨著數(shù)據(jù)包比例(時延敏感型：時延非敏感型)的增加而降低。相比于CT算法和V2R算法，5GHCT算法的性能最優(yōu)，而CT算法優(yōu)于V2R算法。這是因?yàn)閿?shù)據(jù)包總數(shù)目一定的情況下，隨著時延敏感型數(shù)據(jù)包數(shù)目的增加，普通類型數(shù)據(jù)包數(shù)量減少，5GHCT算法使用具有低時延的蜂窩網(wǎng)傳輸時延敏感型數(shù)據(jù)包，極大地縮短了平均端到端時延。相比于V2R算法，CT算法在進(jìn)行中繼節(jié)點(diǎn)選擇時，選取距離目的節(jié)點(diǎn)最近，且行駛方向和目的節(jié)點(diǎn)同向的節(jié)點(diǎn)作為下一跳，減少了反向行駛的車輛節(jié)點(diǎn)攜帶數(shù)據(jù)包帶來的傳輸時延。圖8b表示端到端時延隨節(jié)點(diǎn)數(shù)目的變化?？梢钥闯觯?種算法的端到端時延隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加而增大。這是因?yàn)殡S著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，CT算法和V2R算法進(jìn)入周邊轉(zhuǎn)發(fā)模式時，中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)會產(chǎn)生大量的冗余，這一過程會導(dǎo)致傳輸時延增加。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目為100、150和200時，CT算法的傳輸時延高于V2R算法，這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)數(shù)目少，網(wǎng)絡(luò)連通度小，在找不到合適的中繼節(jié)點(diǎn)時，CT算法采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)策略，導(dǎo)致端到端時延增大。之后隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加，CT算法的端到端時延低于V2R算法，這是因?yàn)殡S著節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加，V2R算法網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大，RSU的緩存隊(duì)列因?yàn)閿?shù)據(jù)包過多而產(chǎn)生較長的排隊(duì)等待時間，導(dǎo)致端到端傳輸時延增加。5GHCT算法使用基于公交車輔助的路由策略轉(zhuǎn)發(fā)普通類型的數(shù)據(jù)包，所以有著和CT算法相似的變化趨勢，但由于其使用5G蜂窩網(wǎng)傳輸時延敏感型數(shù)據(jù)包，所以比CT算法具有更低的端到端時延。

圖8 數(shù)據(jù)包端到端傳輸?shù)淖兓?/p>

圖8c表示端到端時延隨節(jié)點(diǎn)運(yùn)動速度的變化?？梢钥闯觯S著節(jié)點(diǎn)運(yùn)動速度的增加，3種算法的端到端時延呈現(xiàn)上升趨勢。這是因?yàn)殡S著節(jié)點(diǎn)速度的增加，節(jié)點(diǎn)間通信鏈路的穩(wěn)定性下降，鏈路斷開的機(jī)率變大，重新路由的過程增加了端到端時延。相比于V2R算法，一方面，CT算法通過計算鄰居節(jié)點(diǎn)間通信鏈路的生存時間，及時更新鄰居列表的信息，避免無效節(jié)點(diǎn)的選?。涣硪环矫?，CT算法使用公交車作為輔助節(jié)點(diǎn)，相比于普通車輛，公交車的行駛速度均勻緩慢，因而能夠在一定程度上保證通信鏈路穩(wěn)定，減少了重新路由的過程，從而改善了端到端時延。

圖8d表示端到端時延隨數(shù)據(jù)包傳輸距離的變化。可以看出傳輸距離小于500 m時，3種算法的端到端時延差異不大，之后隨著數(shù)據(jù)包傳輸距離的增加，3種算法的端到端時延呈現(xiàn)上升趨勢。與V2R算法和CT算法相比，5GHCT算法的性能最佳。這是因?yàn)殚L距離傳輸時，數(shù)據(jù)包在經(jīng)過一系列節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)過程中，由于目的節(jié)點(diǎn)的位置是時變的，所以在制定路由路徑時，要不斷地根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)位置信息的變化選取合適的中繼節(jié)點(diǎn)，因而增加了端到端傳輸時延。5GHCT算法使用蜂窩網(wǎng)傳輸時延敏感型數(shù)據(jù)包，其覆蓋范圍大，傳輸距離長，數(shù)據(jù)包無需經(jīng)過多跳轉(zhuǎn)發(fā)便可到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，所以端到端時延最小。V2R算法使用RSU進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸，但RSU的覆蓋范圍有限，在長距離傳輸時，RSU無法把數(shù)據(jù)包直接傳送至距離目的節(jié)點(diǎn)最近的中繼節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包需要經(jīng)過多跳通信才能到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，從而增加了端到端時延。CT算法在選擇中繼節(jié)點(diǎn)時，通過對鄰居列表的更新時間進(jìn)行計算，可以實(shí)時地獲取到目的節(jié)點(diǎn)的位置信息，并選取合適的中繼節(jié)點(diǎn)，減少了重新路由的次數(shù)，從而降低了端到端時延。

3.2.3數(shù)據(jù)包平均傳輸跳數(shù)

平均傳輸跳數(shù)是指，在數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)至目的節(jié)點(diǎn)傳輸過程中，所經(jīng)過的中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)總次數(shù)與成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包總數(shù)目之比。本小節(jié)分別仿真了不同數(shù)據(jù)包比例、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、節(jié)點(diǎn)速度、數(shù)據(jù)包傳輸距離下端到端的平均傳輸跳數(shù)，結(jié)果如圖9所示。

圖9a表示在數(shù)據(jù)包總數(shù)目一定下，端到端平均傳輸跳數(shù)隨著數(shù)據(jù)包比例(時延敏感型：時延非敏感型)的變化。可以看出，隨著時延敏感型數(shù)據(jù)包比例的增加，3種算法的數(shù)據(jù)包端到端平均跳數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢。相比于CT算法和V2R算法，5GHCT算法的性能最優(yōu)，而CT算法優(yōu)于V2R算法。這是因?yàn)?GHCT算法使用蜂窩網(wǎng)傳輸時延敏感型數(shù)據(jù)包，其覆蓋范圍大，傳輸距離長，數(shù)據(jù)包無需經(jīng)過多跳轉(zhuǎn)發(fā)便可到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，因而端到端平均傳輸跳數(shù)最小。相比于V2R算法，CT算法在進(jìn)行中繼節(jié)點(diǎn)選擇時，一方面，基于相對目的節(jié)點(diǎn)的距離和行駛方向，選擇下一跳，避免了冗余節(jié)點(diǎn)的選擇。另一方面使用公交節(jié)點(diǎn)進(jìn)行輔助轉(zhuǎn)發(fā)，擴(kuò)大了通信范圍。從而減小了端到端的平均傳輸跳數(shù)。

圖9b表示端到端的平均傳輸跳數(shù)隨節(jié)點(diǎn)數(shù)目的變化?？梢钥闯?，3種算法的端到端的平均傳輸跳數(shù)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加而增大。這是因?yàn)殡S著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，CT算法和V2R算法進(jìn)入周邊轉(zhuǎn)發(fā)模式時，中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)會產(chǎn)生大量的冗余，這一過程會導(dǎo)致平均端到端跳數(shù)增加。V2R算法使用RSU進(jìn)行有線傳輸，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，RSU的負(fù)載變大，當(dāng)傳輸容量低于閾值時，數(shù)據(jù)包被重新傳輸?shù)礁浇囕v節(jié)點(diǎn)，增加了轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，導(dǎo)致端到端的平均傳輸跳數(shù)增大。而CT算法使用公交車節(jié)點(diǎn)輔助轉(zhuǎn)發(fā)，擴(kuò)大了傳輸范圍，在一定程度上減小了端到端的平均傳輸跳數(shù)。

圖9c表示端到端的平均傳輸跳數(shù)隨節(jié)點(diǎn)運(yùn)動速度的變化?？梢钥闯觯S著節(jié)點(diǎn)運(yùn)動速度的增加，3種算法端到端的平均跳數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢。這是因?yàn)殡S著速度增加，節(jié)點(diǎn)間通信鏈路的穩(wěn)定性下降，鏈路斷開機(jī)率變大，重新路由的過程增加了數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)，從而導(dǎo)致端到端的平均傳輸跳數(shù)增加。5GHCT算法使用蜂窩網(wǎng)傳輸時延敏感型數(shù)據(jù)包，其覆蓋范圍大，傳輸距離長，數(shù)據(jù)包無需經(jīng)過多跳轉(zhuǎn)發(fā)便可到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，因此端到端的平均傳輸跳數(shù)最小。CT算法相比于V2R算法有較好的性能，這是因?yàn)镃T算法通過計算鄰居節(jié)點(diǎn)間通信鏈路的生存時間，及時更新鄰居列表，避免無效節(jié)點(diǎn)的選取，減少了數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)。

圖9 數(shù)據(jù)包平均傳輸跳數(shù)的變化

圖9d表示端到端的平均傳輸跳數(shù)隨數(shù)據(jù)包傳輸距離的變化?？梢钥闯鰝鬏斁嚯x小于500 m時，3種算法端到端的平均傳輸跳數(shù)差異不大，之后隨著數(shù)據(jù)包傳輸距離的增加，3種算法端到端的平均傳輸跳數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢。與V2R算法和CT算法相比，5GHCT算法的性能最佳。結(jié)合圖8d數(shù)據(jù)包傳輸距離對端到端傳輸時延影響的結(jié)果分析，很容易得出圖9d中所示的結(jié)果。

4 結(jié)束語

本文提出了車聯(lián)網(wǎng)中基于5G蜂窩網(wǎng)的混合消息傳輸機(jī)制。首先將車聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)包分為時延敏感型和非敏感型兩種類型，使用5G蜂窩網(wǎng)高效可靠地傳輸緊急時延敏感型消息。針對普通數(shù)據(jù)包的傳輸，提出基于公交車輔助的路由算法，綜合考慮距離和行駛方向選擇下一跳中繼節(jié)點(diǎn)，為擴(kuò)大傳輸范圍，使用具有固定行駛軌跡的公交車節(jié)點(diǎn)輔助轉(zhuǎn)發(fā)，進(jìn)一步提高了傳輸可靠性。同時使用預(yù)測機(jī)制計算Hello數(shù)據(jù)包周期性的發(fā)送時間，避免控制包的路由開銷和通信鏈路斷開造成的路由失敗。通過仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提算法在數(shù)據(jù)包的傳輸成功率、端到端時延以及端到端的平均傳輸跳數(shù)方面，性能優(yōu)于已有算法。