面向優(yōu)先級(jí)感知的車聯(lián)網(wǎng)多路徑傳輸機(jī)制探究

盧偉

（江西科技學(xué)院協(xié)同創(chuàng)新中心，南昌330098）

0 引言

隨著工業(yè)信息化的快速發(fā)展，越來越多的車輛裝備了多個(gè)不同標(biāo)準(zhǔn)的車載通信接口，為車載應(yīng)用提供更加高效便捷的數(shù)據(jù)傳輸體驗(yàn)［1］，從而使得高速運(yùn)行的車載節(jié)點(diǎn)通過車聯(lián)網(wǎng)可以及時(shí)獲取車輛行駛的實(shí)時(shí)信息（如位置、天氣以及車況等），極大地改善了車主的駕駛體驗(yàn)［2］。另一方面，隨著車聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，車主對(duì)車輛駕駛體驗(yàn)提出了更高的服務(wù)要求，如從單一車輛信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)容豐富的流媒體數(shù)據(jù)（語音、圖像以及視頻等）綜合傳輸，這就要求車聯(lián)網(wǎng)具有一定的服務(wù)質(zhì)量（QoS）保證能力［3］。

受限于其傳統(tǒng)固化的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，高速運(yùn)行的車載自組織網(wǎng)絡(luò)在高動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蜔o線鏈路帶寬窄的車載傳輸節(jié)點(diǎn)中提供具有高QoS保障、安全以及實(shí)時(shí)應(yīng)用等傳輸體驗(yàn)具有挑戰(zhàn)性。因此，在具有帶寬窄、內(nèi)存有限的車聯(lián)網(wǎng)中，如何有效利用車載節(jié)點(diǎn)多通信接入技術(shù)，在保障安全行駛的前提下，滿足車主對(duì)內(nèi)容豐富流媒體傳輸服務(wù)質(zhì)量是車聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化的必然趨勢(shì)［4］。本文借助多路徑傳輸機(jī)制的特點(diǎn)，探究了一種面向優(yōu)先級(jí)感知的車聯(lián)網(wǎng)多路徑傳輸機(jī)制（POVMPTCP），為高速運(yùn)行的異構(gòu)車聯(lián)網(wǎng)提供高QoS的傳輸服務(wù)優(yōu)化提供思路。

1 車聯(lián)網(wǎng)研究現(xiàn)狀和趨勢(shì)

車聯(lián)網(wǎng)是指車載設(shè)備在車輛上通過無線通信技術(shù)，利用無線通信技術(shù)對(duì)信息網(wǎng)絡(luò)中的各種車輛動(dòng)態(tài)信息（如車況、位置以及天氣等）進(jìn)行綜合利用，為車主車輛駕駛提供不同的信息化傳輸服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)車路通信、車車通信以及車與信息服務(wù)中心通信，提高了車主駕駛體驗(yàn)和交通通行安全性及效率［5］。但是，車載節(jié)點(diǎn)本身是由一組高動(dòng)態(tài)變化的無線節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)具有帶寬窄且無規(guī)律高速運(yùn)動(dòng)等特點(diǎn)，使得現(xiàn)有的車載節(jié)點(diǎn)具有鏈路不穩(wěn)定以及傳輸質(zhì)量低的特點(diǎn)。此外，為了提高傳輸效率，越來越多的車載節(jié)點(diǎn)裝備多個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信接扣，但是傳統(tǒng)固化的車聯(lián)網(wǎng)傳輸機(jī)制忽略了該特性，缺乏在內(nèi)存有限的節(jié)點(diǎn)上通過對(duì)多通信接口進(jìn)行多路并行傳輸?shù)膬?yōu)化考慮［4］。

為了優(yōu)化傳輸服務(wù)質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)車聯(lián)網(wǎng)傳輸優(yōu)化機(jī)制進(jìn)行了廣泛的研究和討論。其中針對(duì)如何利用車載節(jié)點(diǎn)裝備多通信接口的特性問題，有關(guān)學(xué)者提出了融合多路徑傳輸協(xié)議（MPTCP）［6］的優(yōu)化思路，通過MPTCP對(duì)傳統(tǒng)TCP協(xié)議的擴(kuò)展，利用車載節(jié)點(diǎn)多通信接口在傳輸兩端建立多條通信鏈路，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)傳輸協(xié)議在傳輸過程中多路徑并發(fā)。朱丹陽等［7］針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)多路徑傳輸機(jī)制優(yōu)化設(shè)計(jì)中，提出了一種面向車聯(lián)網(wǎng)的基于丟包區(qū)分的MPTCP多路徑傳輸解決方案，該方案有力的驗(yàn)證了在車載節(jié)點(diǎn)上利用其裝備多通信接口借助多路徑傳輸機(jī)制（MPTCP）實(shí)現(xiàn)多接口并行傳輸數(shù)據(jù)的方案，該方案證明了融合MPTCP的車聯(lián)網(wǎng)可以有效的車聯(lián)網(wǎng)的傳輸質(zhì)量和傳輸效率。融合MPTCP的車聯(lián)網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 融合MPTCP的車聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

融合MPTCP的車聯(lián)網(wǎng)可以提高傳輸服務(wù)質(zhì)量，但是如上文所述，車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)是多樣化的，車主在駕駛旅途中常常需要傳輸內(nèi)容豐富、海量化并存的流媒體數(shù)據(jù)。對(duì)于不同類型的信息其在鏈路傳輸中往往具有不同的重要性，即在融合MPTCP的車聯(lián)網(wǎng)中信息的傳輸優(yōu)先級(jí)差異較大，如行駛安全性相關(guān)的信息應(yīng)該優(yōu)先提供傳輸保證。然而，現(xiàn)有融合MPTCP的車聯(lián)網(wǎng)協(xié)議并未結(jié)合車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟煌ㄐ判枨?，進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)分配。針對(duì)上述問題，本文在車聯(lián)網(wǎng)中融合MPTCP，并提出了一種面向優(yōu)先級(jí)感知的傳輸優(yōu)化機(jī)制，在保證車聯(lián)網(wǎng)通信安全性的前提下，考慮了應(yīng)用優(yōu)先級(jí)傳輸?shù)男枨?，從而增?qiáng)車聯(lián)網(wǎng)通信的傳輸服務(wù)質(zhì)量。

2 多路徑傳輸機(jī)制的研究基礎(chǔ)

2013年，國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)任務(wù)工程組在兼容傳統(tǒng)控制協(xié)議的思想下，發(fā)布了基于TCP協(xié)議擴(kuò)展的多路徑傳輸協(xié)議，旨在通過利用當(dāng)下各種通信終端裝備多宿主接口，使終端可以同時(shí)建立多條傳輸鏈路接入到多個(gè)通信網(wǎng)中并行傳輸數(shù)據(jù)。改方案實(shí)現(xiàn)終端多條鏈路的帶寬擬合、鏈路通信的負(fù)載均衡以及鏈路的自動(dòng)切換，有效的發(fā)揮了多宿主終端實(shí)現(xiàn)多接口的潛力，極大的提高了應(yīng)用數(shù)據(jù)的傳輸能力和保障了網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。在兼容傳統(tǒng)控制協(xié)議的思想下，MPTCP為高速移動(dòng)的車載節(jié)點(diǎn)在車聯(lián)網(wǎng)通信中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟⑿袀鬏斠约靶阅芨倪M(jìn)提供優(yōu)化的潛力［8-9］。

針對(duì)優(yōu)先級(jí)傳輸優(yōu)化問題，我們?cè)谇捌谘芯恐袑?duì)流媒體融合MPTCP實(shí)現(xiàn)按需優(yōu)先級(jí)傳輸進(jìn)行了探究，并取得了一定的研究成果。與車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)類似，流媒體數(shù)據(jù)同樣是多種多樣的，用戶在請(qǐng)求流媒體應(yīng)用數(shù)據(jù)需要請(qǐng)求各種類型的數(shù)據(jù)，這些應(yīng)用數(shù)據(jù)對(duì)用戶來說是有數(shù)據(jù)重要性不一且對(duì)數(shù)據(jù)傳輸具有優(yōu)先級(jí)傳輸需求。因此，課題組設(shè)計(jì)了一種面向優(yōu)先級(jí)的多路徑流媒體傳輸策略，并通過仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示該優(yōu)化策略在網(wǎng)絡(luò)的傳輸吞吐量、時(shí)延以及抖動(dòng)值上相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)均表現(xiàn)出一定的潛力，可以有效提高傳輸服務(wù)質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。該方案的設(shè)想和驗(yàn)證為在融合MPTCP的車聯(lián)網(wǎng)通信傳輸機(jī)制中提供面向優(yōu)先級(jí)傳輸服務(wù)提供借鑒思路。

圖2 面向優(yōu)先級(jí)的多路徑流媒體傳輸策略實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 面向優(yōu)先級(jí)感知的車聯(lián)網(wǎng)多路徑傳輸機(jī)制探究

針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)中，車主在行駛過程中對(duì)車載應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)先級(jí)及重要性（尤其是駕駛安全數(shù)據(jù)）需求不同導(dǎo)致用戶網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)問題，本文在借鑒前期研究的基礎(chǔ)上，對(duì)融合可區(qū)分優(yōu)先級(jí)的MPTCP多路徑車聯(lián)網(wǎng)傳輸機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)通信可以區(qū)分車載應(yīng)用數(shù)據(jù)的重要性和安全性，優(yōu)先保證安全駕駛和優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)在質(zhì)量最好的路徑上傳輸，提高車載應(yīng)用數(shù)據(jù)的傳輸性能。該方案的主要設(shè)計(jì)思路如下：

（1）在融合多路徑傳輸協(xié)議的車聯(lián)網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)車載應(yīng)用數(shù)據(jù)的重要性感知，以滿足在多路徑并行傳輸車載鏈路實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)傳輸調(diào)度服務(wù)

在數(shù)據(jù)的傳輸服務(wù)中，我們可以先對(duì)車載應(yīng)用的數(shù)據(jù)包進(jìn)行優(yōu)先級(jí)標(biāo)記P={P1,P2,…,Pn}，以實(shí)現(xiàn)車載應(yīng)用數(shù)據(jù)的重要性的區(qū)分。當(dāng)需要傳輸?shù)能囕d應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)入發(fā)送隊(duì)列時(shí),發(fā)送端通過跨層協(xié)同通信機(jī)制［10］從隊(duì)列中獲取每一條數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)標(biāo)記并保存到優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中POlist={PO1,PO2,…,POn}，同時(shí)對(duì)隊(duì)列中數(shù)據(jù)包按優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序，使高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包優(yōu)先進(jìn)入發(fā)送隊(duì)列。

（2）在多通信鏈路并行傳輸服務(wù)中實(shí)現(xiàn)對(duì)鏈路傳輸服務(wù)質(zhì)量的感知和切換，以達(dá)到待發(fā)送的數(shù)據(jù)包盡可能在傳輸質(zhì)量最好的通道進(jìn)行。

融合多路徑傳輸協(xié)議的車聯(lián)網(wǎng)，可以在發(fā)送端和接收端建立多條并行傳輸?shù)耐ㄐ沛溌?，但是由于異?gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，鏈路之間的傳輸服務(wù)質(zhì)量存在差異性（即鏈路通信質(zhì)量有優(yōu)劣之分）。為了實(shí)現(xiàn)重要數(shù)據(jù)的優(yōu)先傳輸，我們可以在根據(jù)獲取鏈路的RTT和CWND值用于記錄鏈路的傳輸質(zhì)量Path={Path1,Path2,…,Pathn}，然后對(duì)路徑質(zhì)量進(jìn)行排序后選取和切換出質(zhì)量最好的路徑用于重要性高的數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸。

（3）基于上述（1）（2）步實(shí)現(xiàn)基于鏈路傳輸質(zhì)量的數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)調(diào)度

即當(dāng)發(fā)送端窗口空閑且可以發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，數(shù)據(jù)調(diào)度模塊會(huì)先對(duì)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的POlist數(shù)據(jù)包進(jìn)行優(yōu)先級(jí)判斷并選擇相應(yīng)的調(diào)度策略。如具有優(yōu)先級(jí)標(biāo)識(shí)（如安全駕駛數(shù)據(jù)）的數(shù)據(jù)包優(yōu)先出列并將當(dāng)前傳輸路徑切換成質(zhì)量最好的子流用于數(shù)據(jù)包的發(fā)送；若發(fā)送的數(shù)據(jù)包沒有優(yōu)先級(jí)需求，則繼續(xù)使用標(biāo)準(zhǔn)的傳輸調(diào)度策略進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)。

4 結(jié)語

本文針對(duì)在融合MPTCP的車聯(lián)網(wǎng)中缺乏對(duì)車載應(yīng)用數(shù)據(jù)具有重要性不一、傳輸優(yōu)先級(jí)不同的考慮，探究了一種面向優(yōu)先級(jí)感知的車聯(lián)網(wǎng)多路徑并行傳輸機(jī)制，根據(jù)數(shù)據(jù)包按需優(yōu)先傳遞的需求，對(duì)多路徑車聯(lián)網(wǎng)傳輸進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化討論，旨在為未來車聯(lián)網(wǎng)在多路并發(fā)、保證傳輸服務(wù)質(zhì)量等傳輸性能方面的優(yōu)化提供思路，為車主駕駛體驗(yàn)提供更好的QoS。基于上述思想，在未來的工作中，課題組將搭建網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)來對(duì)面向優(yōu)先級(jí)感知的車聯(lián)網(wǎng)多路徑傳輸機(jī)制進(jìn)一步驗(yàn)證和優(yōu)化，為在車聯(lián)網(wǎng)中融合多路徑并行傳輸在實(shí)際車載應(yīng)用中的部署打好基礎(chǔ)。