車聯(lián)網(wǎng)中協(xié)作數(shù)據(jù)分發(fā)方案研究

林 峰，丁鵬舉，梁吉申，羅鋮文，蔣建春

（1.重慶郵電大學 自動化學院，重慶 400065；2.重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065；3.陸軍工程大學通信士官學校，重慶 400035）

0 概述

智能網(wǎng)聯(lián)汽車作為智能交通系統(tǒng)（Intelligent Traffic System，ITS）不可缺少的重要組成部分［1］，通過配備無線通信設(shè)備，即車載單元（On Board Unit，OBU），可以完成交互通信、感應以及計算，同時將交通工具及路邊設(shè)施通過V2V（Vehicle to Vehicle）、V2I（Vehicle to Infrastructure）等通信技術(shù)有機結(jié)合，能夠大幅改善出行安全性和效率［2］。網(wǎng)絡中的車輛和路側(cè)單元（RSU）等資源節(jié)點具有很好的數(shù)據(jù)文件存儲和應用數(shù)據(jù)計算等能力，并且路側(cè)單元相對于車輛節(jié)點，具有更廣闊的通信范圍和更大的通信帶寬，可同時容納覆蓋范圍內(nèi)的多個資源節(jié)點接入其中進行信息數(shù)據(jù)的下載［3］。這些信息數(shù)據(jù)不僅包括天氣、地圖等應用信息，也有道路交通狀況或警報等安全信息［4］。但是，由于RSU 部署成本問題、車輛的高移動性及RSU 通信范圍有限，很難為所有車輛節(jié)點提供無縫覆蓋［5］，對于過大的數(shù)據(jù)會發(fā)生傳輸中斷的情況。為此，本文提出一種協(xié)作數(shù)據(jù)分發(fā)方案，利用網(wǎng)絡中雙向車輛和RSU 等資源節(jié)點的傳輸能力，為目標車輛傳輸數(shù)據(jù)，并分析資源節(jié)點的競爭接入與傳輸以及轉(zhuǎn)發(fā)完成時間等影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蛩?，使得車輛行駛在盲區(qū)時能持續(xù)進行數(shù)據(jù)下載，減少盲區(qū)數(shù)據(jù)傳輸中斷的影響。

1 相關(guān)研究

對于V2I 通信的協(xié)作數(shù)據(jù)分發(fā)即通過協(xié)調(diào)多個路側(cè)單元對用戶進行協(xié)助下載，而對于V2V 通信的協(xié)作數(shù)據(jù)分發(fā)則是通過多個協(xié)助車輛為節(jié)點提供協(xié)助數(shù)據(jù)下載。2 種協(xié)作方式對用戶下載數(shù)據(jù)量確有提升，但由于2 種通信方式連接的間歇性，一些資源密集型應用的數(shù)據(jù)分發(fā)仍有很大限制。因此，許多研究將重點轉(zhuǎn)移到V2I 和V2V 協(xié)作通信中，通過多個路設(shè)與車輛的協(xié)作，從而提升協(xié)作數(shù)據(jù)分發(fā)的性能［6］。

在協(xié)作數(shù)據(jù)傳輸和下載方面，文獻［7］提出車輛存儲-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)機制，通過選取同向及反向車輛進行輔助目標車輛的數(shù)據(jù)傳輸，但是同向和反向只選取了2 個中繼輔助接點，沒有充分利用V2V 通信資源。文獻［8］考慮具有延遲容忍的應用場景，提出一種協(xié)作通信策略，提升了具有有限流量密度的車載網(wǎng)絡的吞吐量，并對車載網(wǎng)絡基礎(chǔ)架構(gòu)的最佳部署以及協(xié)作通信策略的設(shè)計有指導作用。文獻［9］為減少間歇性車輛網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)下載延遲和回程鏈路流量，提出一種車輛與RSU 合作的內(nèi)容中繼和預取方案，根據(jù)車輛的移動性信息，通過下載和中繼時間選擇中繼車輛，以在RSU 覆蓋范圍內(nèi)實現(xiàn)內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)，并對下一個到達的RSU 進行數(shù)據(jù)預取，以實現(xiàn)即時數(shù)據(jù)下載。文獻［10］為了滿足在車載網(wǎng)絡中需要高吞吐量和低延遲的服務和應用，提出一種在同類車輛網(wǎng)絡中的V2V、V2I 協(xié)作下載機制，并基于車輛移動性預測和節(jié)點間吞吐量估計，構(gòu)造了存儲時間聚合圖計劃傳輸方案，然后設(shè)計一個迭代貪婪驅(qū)動算法以導出次優(yōu)解決方案，從而以近似最佳的方式分發(fā)給車輛。文獻［11］針對大文件的下載和傳輸，提出一種車載網(wǎng)絡協(xié)作通信策略，通過協(xié)調(diào)反向協(xié)助車輛和相鄰RSU 進行數(shù)據(jù)下載，從而最大化目標車輛的吞吐量。文獻［12］為了減少高清地圖傳輸時的網(wǎng)絡功耗，同時考慮到功率效率和通信效率，提出一種協(xié)作的V2I、V2V 傳輸方案，以實現(xiàn)低功耗的高速高清地圖傳輸，并在RSU 和車輛之間自適應分配功率，同時為減小解碼錯誤概率的影響，采用了更接近現(xiàn)實的傳輸速率的估計式。在協(xié)作內(nèi)容分發(fā)與緩存方面，針對時延敏感型任務，文獻［13］提出一種預測性緩存數(shù)據(jù)分發(fā)策略，基于接收信噪比門限及相對速度距離等參數(shù)對RSU 和周邊車輛的文件傳輸時延進行預測，并選取時延最小的節(jié)點作為數(shù)據(jù)傳輸源。為減少通信開銷，提高系統(tǒng)吞吐量，文獻［14］在協(xié)作數(shù)據(jù)分發(fā)調(diào)度策略中考慮了信道預測，同時利用遞歸最小二乘算法降低了計算復雜性，提高了數(shù)據(jù)分發(fā)效率，有效地減少了數(shù)據(jù)分發(fā)的延遲。

2 協(xié)作數(shù)據(jù)分發(fā)方案

目前多數(shù)研究關(guān)注于吞吐量和時延，但忽略了對于雙向節(jié)點資源的充分利用，以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中目標車輛集群內(nèi)部的車輛之間的數(shù)據(jù)流動問題。因此，對于資源節(jié)點，本文考慮選取多個雙向車輛節(jié)點，分析車輛與目標車輛之間速度等參數(shù)對數(shù)據(jù)傳輸量的影響，使資源節(jié)點得到充分利用，同時增加目標車輛盲區(qū)數(shù)據(jù)下載量。對于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中集群車輛之間的數(shù)據(jù)流動問題，分析同向協(xié)助車輛及目標車輛的競爭傳輸對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)帶來的影響，使之更加合理。并且，當前協(xié)助下載根據(jù)應用場景大致分為高速公路場景和城市道路場景［15］。城市道路結(jié)構(gòu)復雜，車輛行駛速度不一，軌跡多變，車流密度大，在這種情況下的研究一般圍繞車輛行駛軌跡和路側(cè)單元RSU 的部署展開。在高速環(huán)境中，由于RSU 部署稀疏，車輛行駛速度較為穩(wěn)定，車流密度不大，車輛軌跡易預測，因此該場景中的協(xié)助下載主要是研究如何提升相鄰RSU 之間的盲區(qū)利用率以及協(xié)助車輛的選擇。

本文針對高速公路場景，結(jié)合V2I、V2V 通信，提出一種兩者協(xié)作進行數(shù)據(jù)分發(fā)的機制，建立理論分析框架，推導目標車輛可獲得的數(shù)據(jù)量，從而提升盲區(qū)利用率，減少盲區(qū)數(shù)據(jù)傳輸中斷的影響。其主要思路是：通過M/D/C/C 排隊系統(tǒng)模擬車輛經(jīng)過路設(shè)范圍的過程，當目標車輛進入RSU 覆蓋范圍時，通過競爭接入的方式，與RSU 進行V2I 通信從而獲得所需文件的部分數(shù)據(jù)，若在目標車輛駛出RSU 覆蓋范圍時還未完成文件下載，則通過同向協(xié)助車輛進行V2V 通信進行輔助下載，其中協(xié)助車輛經(jīng)過RSU時為目標車輛下載部分數(shù)據(jù)，并且愿意為目標車輛提供幫助的一個集群，在經(jīng)過盲區(qū)時將所下載數(shù)據(jù)競爭性地轉(zhuǎn)發(fā)給目標車輛。同時，充分利用反向行駛車輛的資源可用性，由目標車輛行駛方向的下一個RSU 選定反向協(xié)助車輛，并下載部分數(shù)據(jù)，在盲區(qū)與目標車輛相遇時通過轉(zhuǎn)發(fā)的方式傳輸給目標車輛，進一步增加目標車輛下載數(shù)據(jù)量。

2.1 模型建立

2.1.1 系統(tǒng)模型

本文系統(tǒng)模型考慮雙向高速道路，如圖1 所示，RSU 部署在路側(cè)，并具有相同間隔d，2 個RSU 之間盲區(qū)距離為U，且RSU 可以通過無線或者有線連接到核心網(wǎng)。每個車輛進入到RSU 覆蓋范圍內(nèi)時將向RSU 注冊自身信息，包括ID、車速以及進入該RSU的時間，則RSU 中應有注冊信息維護列表List=并能實時進行更新。當目標車輛在RSUi覆蓋范圍內(nèi)發(fā)起下載請求后，RSUi根據(jù)同向車輛數(shù)量與車輛停留時間計算同向協(xié)助車輛以及目標車輛可下載的總數(shù)據(jù)量，將同向車輛未下載完的部分數(shù)據(jù)文件分發(fā)給RSUi+1，然后再由預取到剩余數(shù)據(jù)文件的RSUi+1根據(jù)車輛注冊參數(shù)選定合適的反向協(xié)助車輛進行目標文件的片段下載，在經(jīng)過盲區(qū)時對目標車輛進行輔助轉(zhuǎn)發(fā)。本文主要關(guān)注目標車輛在1 個下載周期（從駛?cè)氲? 個RSU 到駛出第2 個RSU 的覆蓋范圍）內(nèi)的各個階段所獲取數(shù)據(jù)量大小以及轉(zhuǎn)發(fā)時間，并給出具體分析。

圖1 本文系統(tǒng)模型Fig.1 System model in this paper

2.1.2 移動模型

本文假設(shè)目標車輛行駛方向車流密度為ρsveh/m，反向車流密度為ρrveh/m，車輛到達近似服從參數(shù)為λs和λr的泊松分布［16］，與目標車輛同向車輛車速為νs，反向車輛車速為νr。根據(jù)Greenshield宏觀交通流模型［17］，可知到達率與速度存在如下線性關(guān)系：

并且基于上述關(guān)系，有：

其中：νf表示道路暢通時車輛速度；ρjam表示交通堵塞時車輛密度。為避免干擾其他車道交通流行駛，將低速車道作為協(xié)助下載車道，同向及反向車輛可共同參與協(xié)助下載及轉(zhuǎn)發(fā)，同時設(shè)RSU 覆蓋半徑為Ri，車輛通信半徑為Rν，相鄰RSU 間隔為d，間隔中無法被RSU 覆蓋到的區(qū)域稱為盲區(qū)，用U表示，則U=d-2Ri。

2.1.3 通信模型

對于V2I 通信，參考IEEE 802.11b 協(xié)議，通信過程采用自適應的V2I 傳輸速率模型［5］，其中在車輛經(jīng)過路設(shè)覆蓋范圍時，考慮RSU 和車輛之間的距離對傳輸速率的影響，即傳輸速率隨距離增大而減小，并呈對稱的階梯狀。如圖2 所示，即劃分為左右對稱的7 個區(qū)域，則各個區(qū)域相對應的傳輸速率為集合B={B1，B2，…，B7}。具體區(qū)域的長度及其對應的傳輸速率數(shù)值在后續(xù)參數(shù)中給出。并且考慮理想的MAC 協(xié)議，RSU 的時空資源平均分配給覆蓋區(qū)域內(nèi)的車輛［16］。

圖2 自適應傳輸速率的區(qū)域劃分Fig.2 Regional division of adaptive transmission rate

對于V2V 通信，考慮恒定的數(shù)據(jù)傳輸速率，主要關(guān)注于交互時間對傳輸數(shù)據(jù)量的影響。車輛之間通過配備車載傳感器可以進行距離感知，以及與其他車輛進行車速、位置等信息的交換，因此，車輛節(jié)點之間的歐式距離只要不大于通信半徑Rν即可進行通信［18］。并且車輛為單天線模式，不能同時進行信號的收發(fā)工作，因此車輛在同一時刻僅能與單個通信設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換，而且由于RSU 連接至核心網(wǎng)可進行網(wǎng)絡資源下載，因此目標車輛在RSU 覆蓋范圍內(nèi)將優(yōu)先與RSU 建立通信連接，并進行數(shù)據(jù)下載，在駛出RSU 覆蓋范圍時才與協(xié)助車輛建立V2V 通信。

2.2 階段分析

圖3 所示為1 個下載周期內(nèi)協(xié)助下載流程。

圖3 協(xié)助下載流程Fig.3 Procedure of assisting download

協(xié)助下載流程主要有以下3 個階段：

階段1主要關(guān)注于目標車輛如何協(xié)調(diào)同向車輛形成協(xié)助集群。目標車輛首先對通信范圍內(nèi)的車輛廣播協(xié)助下載請求，協(xié)助車輛接收到請求之后，向目標車輛發(fā)送確認消息。至此，協(xié)助下載車輛將加入集群，并且車輛單元OBU 可實時獲取行駛車輛的信息。集群車輛經(jīng)過RSUi時將根據(jù)自身情況下載部分數(shù)據(jù)，以在經(jīng)過盲區(qū)時轉(zhuǎn)發(fā)給目標車輛。

階段2RSUi協(xié)調(diào)同向車輛數(shù)量及可下載的數(shù)據(jù)量，將目標車輛請求文件分為2 個部分：一部分分發(fā)給覆蓋范圍內(nèi)的集群車輛；未下載完的一部分傳輸給目標車輛行駛方向上的RSUi+1，由于RSU 之間有大容量回程連接，因此該部分數(shù)據(jù)傳輸時延可忽略［18］。由RSUi+1根據(jù)反向協(xié)助車輛數(shù)量及可轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)量將這部分數(shù)據(jù)分發(fā)給各個反向協(xié)助車輛。

階段3當目標車輛駛出RSUi的覆蓋范圍時，同向的協(xié)助車輛將競爭性地將自己所下載數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給目標車輛，目標車輛接收完畢，反向協(xié)助車輛將以轉(zhuǎn)發(fā)方式將自己所攜帶數(shù)據(jù)順序轉(zhuǎn)發(fā)給目標車輛。

本文主要關(guān)注通過協(xié)助通信所能增加的下載數(shù)據(jù)量，所以假設(shè)文件在1 個下載周期內(nèi)不能完成，否則將無意義。

2.3 協(xié)作傳輸過程分析

在1 個下載周期內(nèi)，目標車輛接收到的數(shù)據(jù)主要來源于3 個部分，分別是經(jīng)過RSUi時下載的數(shù)據(jù)，以及同向和反向協(xié)助車輛下載并轉(zhuǎn)發(fā)給目標車輛的數(shù)據(jù)。而目標車輛也處在同向集群中，獲取到RSU的時空資源和其他協(xié)助車輛相同。因此，將目標車輛自身下載的數(shù)據(jù)量歸并至同向集群下載的總數(shù)據(jù)量。所以，1 個周期內(nèi)可獲得的總數(shù)據(jù)量為：

其中：E[Dsame]同向協(xié)助下載總數(shù)據(jù)量，包含目標車輛自身下載數(shù)據(jù)量；E[Drev]是反向車輛轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量。下文將對傳輸過程分別進行分析。

2.3.1 同向集群協(xié)助下載數(shù)據(jù)量

目標車輛可獲得的同向協(xié)助下載數(shù)據(jù)量與集群內(nèi)部車輛數(shù)及單個車輛可下載數(shù)據(jù)量相關(guān)，可表示為：

其中：E[Nsame]為集群內(nèi)部車輛數(shù)量，包括目標車輛；為單個車輛節(jié)點下載的數(shù)據(jù)量。

而對于協(xié)助車輛數(shù)量，可表示為［19］：

其中：Pd是車輛成為集群內(nèi)部最后一輛車的概率，可表示為：

車輛到達近似服從參數(shù)為λs的泊松分布，因此在停留時間T內(nèi)，即RSU 覆蓋范圍內(nèi)同時有k個車輛的穩(wěn)態(tài)概率為：

其中：λs=ρsνs為泊松分布中車輛到達率；T=車輛經(jīng)過RSU 覆蓋范圍的停留時間。定義RSU 的利用率p為RSU 至少為一輛車服務的概率，由于RSU 覆蓋范圍的車輛爭奪其帶寬資源，因此p也就是在RSU 覆蓋范圍內(nèi)至少有一輛車的穩(wěn)態(tài)概率，可通過式（8）計算在停留時間t內(nèi)平均每輛車可接收到的數(shù)據(jù)量：

其中：Ttotal代表截止到時間t，路側(cè)單元為其覆蓋范圍內(nèi)至少一輛車服務的總時間；ntotal代表截止到時間t，被服務的總的車輛數(shù)；λeff為RSU 覆蓋范圍內(nèi)的車輛有效到達率；f(0)和f(c)即為系統(tǒng)空閑和阻塞的概率，c表示RSU 覆蓋范圍所能容納的最大車輛數(shù)，c=2Ri·ρjam。因此，式（10）即表示每輛車可接收到的數(shù)據(jù)量為數(shù)據(jù)傳輸速率與此輛車被RSU 服務的時間的乘積，而數(shù)據(jù)傳輸速率B又與所處區(qū)域相關(guān)，區(qū)域ci對應的車輛停留時間為Ti=其中Li為區(qū)域ci的長度，并且是車輛在RSU 內(nèi)停留的總時間，即每輛車在RSU 覆蓋范圍內(nèi)所得到的服務時間有的部分是以速率Bi進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹Ｃ總€車輛經(jīng)過RSU 時可下載的平均數(shù)據(jù)量為：

2.3.2 同向協(xié)助下載數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)時間

反向協(xié)助車輛數(shù)的計算與同向協(xié)助車輛轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)束時間有關(guān)，因為考慮反向協(xié)助車輛轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)生在同向協(xié)助車輛完成轉(zhuǎn)發(fā)之后，會減少傳輸沖突。因此，要先計算同向協(xié)助車輛的轉(zhuǎn)發(fā)時間，可表示為：

其中：Γi，j為集群內(nèi)除目標車輛外任意2 個節(jié)點傳輸?shù)耐掏铝浚疵看蝹鬏斨袉蝹€節(jié)點發(fā)送的有效載荷量。由于進入盲區(qū)時協(xié)助車輛將爭相向目標車輛轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，在協(xié)助車輛間勢必會引起傳輸碰撞，因此本文考慮將IEEE 802.11b DCF（分布式協(xié)調(diào)功能）協(xié)議應用于MAC 層競爭轉(zhuǎn)發(fā)過程，并采用RTS/CTS 機制消除傳輸?shù)碾[藏終端［20］。令W表示車輛節(jié)點指數(shù)退避過程中最小競爭窗口大小，τ表示每個車輛節(jié)點的平均傳輸概率，則有：

因此，某一車輛節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)沖突的概率為余下節(jié)點中至少有1 個節(jié)點也在同一時隙內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的概率，則數(shù)據(jù)包傳輸沖突的概率為：

某一車輛節(jié)點在某一時隙內(nèi)成功傳輸?shù)母怕蕿椋?/p>

集群內(nèi)部某一車輛節(jié)點向目標車輛發(fā)送數(shù)據(jù)的MAC 層吞吐量為：

其中：L為有效負載即數(shù)據(jù)包長度；E[Tslot]為1 個時隙的平均長度。式（14）表示在1 個時隙的持續(xù)時間內(nèi)，集群內(nèi)部某一節(jié)點以概率Psuc傳輸數(shù)據(jù)成功，并將傳遞有效負載L，對于E[Tslot]有：

其中：Tslot為DCF 協(xié)議中單位時隙的持續(xù)時間；Tcol為傳輸沖突的平均時間長度；Tsuc為傳輸成功的平均時間長度，而：

其中：SIFS 和DIFS 是為DCF 信令和操作保留的預定義時間間隔；SIFS 是短幀間間隔；DIFS 是分布式幀間間隔；RTS、CTS、ACK 分別表示RTS、CTS、ACK 幀傳輸?shù)臅r間間隔，具體數(shù)值將在后續(xù)給出。所以，經(jīng)上述分析可得最終的同向協(xié)助車輛的轉(zhuǎn)發(fā)時間Tsame。因此，同向協(xié)助方式獲得的吞吐量為：

2.3.3 反向協(xié)助車輛下載數(shù)據(jù)量

同向協(xié)助車輛轉(zhuǎn)發(fā)完成之后，目標車輛將陸續(xù)與反向車輛相遇，從而進行交互通信。轉(zhuǎn)發(fā)反向協(xié)助車輛下載總數(shù)據(jù)量為：

其中：E[Nrev]為反向協(xié)助車輛數(shù)；為單個反向車輛節(jié)點下載的數(shù)據(jù)量。

而對于RSUi+1給每個反向協(xié)助車輛分發(fā)的數(shù)據(jù)量，應該足夠反向協(xié)助車輛在與目標車輛相遇的時間內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)，即：

對于反向協(xié)助車輛的選擇，當同向集群協(xié)助車輛向目標車輛轉(zhuǎn)發(fā)完畢時，目標車輛即開始接收所相遇的反向協(xié)助車輛的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。當RSUi+1收到RSUi發(fā)來的數(shù)據(jù)即收到協(xié)助下載請求時，計算其List 列表中每輛車與目標車輛的相遇時間等信息，并選取適當車輛按序存入集合M=中，其中：Sn、En分別表示反向第n輛車與目標車輛開始通信和結(jié)束通信的時間；Tn表示第n輛車在RSUi+1中被選為協(xié)助車輛的時間［21］。根據(jù)注冊表中的車輛信息，可得：

其中：ts是目標車輛進入RSUi的時間。

為避免傳輸沖突，造成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)失敗，在協(xié)助車輛節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時，應該在前一節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)完成之后進行，所以對于反向協(xié)助車輛i和其后車輛j，有：

而對于反向協(xié)助車輛與目標車輛通信，應該發(fā)生在同向協(xié)助車輛給目標車輛轉(zhuǎn)發(fā)完畢之后，所以應滿足：

對于反向協(xié)助的最后一個車輛節(jié)點，應該在目標車輛駛?cè)隦SUi+1之前就轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)束，因為目標車輛一旦進入RSUi+1的覆蓋范圍，則可以從RSUi+1直接下載未完成的數(shù)據(jù)量，享受更大帶寬，所以得出：

因此，對于RSUi+1選擇的反向協(xié)助車輛數(shù)E[Nrev]，通過式（19）即可得出反向協(xié)助車輛下載總數(shù)據(jù)量E[Drev]。因此，在反向協(xié)助方式下可獲取的吞吐量為：

綜上，可得所提方案下目標車輛可獲得的總體吞吐量為：

3 仿真結(jié)果與分析

本節(jié)將對所提方案進行實驗仿真，以驗證所提方案的性能以及理論分析的準確性。仿真工作基于MATLAB 進行，仿真場景為雙向高速公路場景。相鄰RSU 之間的間距范圍為2～16 km，取定值時設(shè)定為8 km，則中間盲區(qū)距離為7 200 m。RSU 覆蓋半徑取值范圍為300～500 m，取定值時為400 m，低速單車道擁塞狀態(tài)下車流密度為0.071 vehicle/m，維持順暢行駛時車輛速度為108 km/h［16］。V2I自適應通信速率及區(qū)域劃分如表1 所示，具體場景參數(shù)設(shè)置如表2 所示，同向車輛轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)過程中的相關(guān)MAC 層參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表1 V2I 通信區(qū)域長度和數(shù)據(jù)傳輸速率Table 1 V2I communication area length and data transmission rate

表2 仿真參數(shù)設(shè)置Table 2 Simulation parameters setting

表3 MAC 層參數(shù)設(shè)置Table 3 MAC layer parameters setting

圖4 所示為不同速度下單個協(xié)助車輛的數(shù)據(jù)下載量隨RSU 內(nèi)停留時間的變化情況。其中RSU 覆蓋半徑固定為400 m。可以看出，隨著車輛速度的增大，單個車輛下載數(shù)據(jù)量在不斷減少，當速度分別為60 km/h、80 km/h、100 km/h 時，所下載數(shù)據(jù)量大約為15 MB、11.5 MB、9 MB。主要原因在于：隨著車輛速度的增大，車輛在RSU 內(nèi)停留時間減少。并且，由于考慮了車輛移動性對數(shù)據(jù)傳輸速率的影響，車輛行駛在RSU 覆蓋范圍時采用自適應通信速率，因此在RSU 覆蓋范圍的中部比兩邊下載數(shù)據(jù)量多。因此，為最大限度地提升數(shù)據(jù)下載量，可對車輛行駛速度進行相應控制。

圖4 不同速度下單個車輛數(shù)據(jù)下載量的變化情況Fig.4 Changes in data downloads of single vehicle at different speeds

圖5 所示為固定車輛行駛速度為90 km/h 時，單個車輛數(shù)據(jù)下載量隨RSU 覆蓋范圍的變化情況?？梢钥闯觯琑SU 的覆蓋范圍變化對單個車輛數(shù)據(jù)下載量影響不大。當RSU 通信半徑從300 m 增加到500 m 時，數(shù)據(jù)下載量最大值均在10.3 MB 左右。主要原因在于：隨著RSU 通信半徑的擴大，車輛停留時間增大，本應下載更多的數(shù)據(jù)量，但覆蓋范圍內(nèi)競爭接入RSU 的車輛也增多，導致單個車輛被服務時間減少，并且競爭接入帶來的數(shù)據(jù)傳輸碰撞可能性增大，影響數(shù)據(jù)下載量。

圖5 不同RSU下單個車輛數(shù)據(jù)下載量的變化情況Fig.5 Changes in data download volume of single vehicle under different RSU

圖6 所示為盲區(qū)間隔對目標車輛總數(shù)據(jù)吞吐量的影響，而盲區(qū)間隔又與RSU 部署間距相關(guān)。當盲區(qū)間隔為0 時，目標車輛僅從RSU 內(nèi)下載數(shù)據(jù)；當盲區(qū)間隔較小時，由于未與反向車輛相遇，數(shù)據(jù)下載量主要來自于目標車輛自身和同向協(xié)助車輛，雖然盲區(qū)間距的增大使得目標車輛接收同向轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)量增多，但也造成了停留時間的增長，因此對吞吐量影響不大。而目標車輛能夠接收反向轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)得益于間隔的持續(xù)增大，并且由于反向協(xié)助方式不存在競爭轉(zhuǎn)發(fā)，因此吞吐量略高于同向協(xié)助。而當間距繼續(xù)增大，同向轉(zhuǎn)發(fā)完成，還未與反向車輛相遇時，則會造成吞吐量的持續(xù)下降。

圖6 目標車輛吞吐量隨DA 間距的變化情況Fig.6 Change of target vehicle throughput with distance between DA

圖7 所示為在1 個下載周期內(nèi)下載數(shù)據(jù)總量在不同協(xié)助下載策略下的比較。車速設(shè)定為25 m/s，整個下載周期為320 s，目標車輛在RSU 內(nèi)停留時間為32 s。因此，在無協(xié)助方式下，車輛僅能依靠所處RSU 進行數(shù)據(jù)下載。在初始32 s 之內(nèi)，可下載數(shù)據(jù)量為10 MB 左右，之后便無法進行數(shù)據(jù)下載，只能等待進入下一個下載周期。由于目標車輛可獲得的數(shù)據(jù)總量受同向協(xié)助和反向協(xié)助的影響，而盲區(qū)前程由同向協(xié)助方式占主導，反向協(xié)助在同向轉(zhuǎn)發(fā)完成后才開始。因此，雖然兩者單獨作用時下載數(shù)據(jù)量分別可達209 MB 和178 MB 左右，但總的協(xié)助數(shù)據(jù)下載量約為302 MB 左右，略低于同向與反向單獨作用之和?？梢钥闯?，本文所提方案相較于已有的同向協(xié)助下載和反向協(xié)助下載數(shù)據(jù)下載量提升均在40%以上。

圖7 目標車輛獲得數(shù)據(jù)總量隨時間的變化曲線Fig.7 Curve of total amount of data obtained by target vehicle over time

圖8 所示為目標車輛與反向車輛進行通信時，數(shù)據(jù)吞吐量隨時間的變化情況。在同向車流速度設(shè)定為90 km/h 時，整個下載周期為320 s，由圖7 可知，同向轉(zhuǎn)發(fā)完成時間在246 s 左右，因此，目標車輛與反向車輛有效通信時間為74 s 左右。由于車流密度的存在，反向車輛節(jié)點與目標車輛相遇進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的連續(xù)性會受到影響，即反向車輛節(jié)點之間會出現(xiàn)間隔，因此數(shù)據(jù)吞吐量隨時間增長略有下降。當反向車流速度降為72 km/h 時，雖然兩者通信時間變長，但是由于相應的車流密度有所增大，反向車輛與目標車輛相遇連續(xù)性受影響較小，因此數(shù)據(jù)吞吐量較速度大時略有增長。

圖8 目標車輛與反向車輛通信時吞吐量隨時間的變化曲線Fig.8 Throughput curve of the target vehicle communicating with the reverse vehicle over time

4 結(jié)束語

為減少車輛在RSU 部署稀疏區(qū)域的盲區(qū)數(shù)據(jù)傳輸中斷的影響，本文提出一種協(xié)作數(shù)據(jù)分發(fā)方案。結(jié)合同向協(xié)助下載和反向協(xié)助下載，與目標車輛同向的車輛形成協(xié)助集群，反向協(xié)助車輛利用轉(zhuǎn)發(fā)的方式為目標車輛提供協(xié)助下載，并考慮車輛與路側(cè)單元之間的競爭接入與傳輸速率、車輛間傳輸?shù)母偁庌D(zhuǎn)發(fā)、同向轉(zhuǎn)發(fā)完成時間等對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽７抡娼Y(jié)果表明，該方案相較于同向協(xié)助下載和反向協(xié)助下載機制，可有效提升目標車輛在1 個下載周期內(nèi)的數(shù)據(jù)下載量，提高了盲區(qū)利用率，減少了盲區(qū)中數(shù)據(jù)傳輸中斷的影響。本文考慮的是移動穩(wěn)定性較高的高速公路場景，下一步將研究更結(jié)合實際的城市道路場景，對復雜的交通狀況加以分析，并考慮多普勒頻移對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽?/p>