基于802.11p 協(xié)議的車聯(lián)網(wǎng)傳輸策略研究

劉文晶，黃河清

（重慶工商職業(yè)學(xué)院，重慶 401520）

0 引言

車聯(lián)網(wǎng)通過采用信息處理技術(shù)對道路車輛行人進行區(qū)分識別管理,提供有效的信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。 運用技術(shù)包括電子標識技術(shù)、無線通信原理、大數(shù)據(jù)處理等。車聯(lián)網(wǎng)是車載自組網(wǎng),用于實現(xiàn)移動車輛通信,為車輛提供多種安全應(yīng)用。 人們對道路交通安全關(guān)注度提升,使得車聯(lián)網(wǎng)研究成為熱點課題。 傳統(tǒng)智能交通系統(tǒng)以監(jiān)測為主輔助交通管理方式,VANET 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建自組織開放無線通信網(wǎng)絡(luò),減少交通事故危害。VANET 技術(shù)成熟后成為機動車標準配備［1］。 本文給出了一種車聯(lián)網(wǎng)移動性模型,并對該模型的有效性進行了分析。

1 車聯(lián)網(wǎng)研究

物聯(lián)網(wǎng)是近年來新興研究領(lǐng)域,被稱為世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮。 車聯(lián)網(wǎng)通過無線通信技術(shù)把車輛節(jié)點連接到網(wǎng)絡(luò)中,車輛交通控制中心可以自由交換信息。 VANET 具有MANET 普遍特征,同時具有車輛數(shù)目巨大,擁有多樣外部輔助儀器設(shè)備；易受到駕駛員個人行為影響,頻繁車流量變化導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化,車載單元無明顯電源約束等特征。

VANET 網(wǎng)絡(luò)可自組織建立臨時無線移動通信網(wǎng)絡(luò),ITS 協(xié)會學(xué)界專家呼吁美國國會資助WAVE/802.11p 的ITS 系統(tǒng)研究。 ASTM 關(guān)于車載無線通信網(wǎng)絡(luò)研究始于1992 年,提出DSRC 技術(shù)采用915 MHz 頻段,對協(xié)議標準相關(guān)內(nèi)容修訂適應(yīng)無線通信過程。 美交通運輸部針對車輛安全服務(wù)等應(yīng)用設(shè)計空中接口標準［2］。 DSRC 標準由日本TC204 委員會負責(zé)制定,中國政府提出加快交通信息類基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。 WAVE 是下一代DSRC 技術(shù),WAVE 系統(tǒng)工作頻段為5.850 ～5.925 GHz,可達到6～27 Mbit/s 信息傳輸速率。 IEEE 802.11p 協(xié)議定義物理層的絕大部分,IEEE 1069 與802.11p 協(xié)同配合,兼容IPv6 協(xié)議用于娛樂相關(guān)信息通信。 體系定義支持車載無線通信的相關(guān)信息,標準與IEEE 802.11p 構(gòu)成WAVE 協(xié)議體系［3］。

車聯(lián)網(wǎng)是特殊的MANET,存在無線網(wǎng)絡(luò)固有隱藏終端等問題,VANET 具有其他物聯(lián)網(wǎng)不具備的特征,體現(xiàn)在無線信道質(zhì)量波動較大,網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化較快,車輛節(jié)點運動規(guī)律可預(yù)測等。 車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用包括先進交通管理系統(tǒng)、出行者信息系統(tǒng),基于ITS 的交通收費系統(tǒng)等。 隨著我國汽車數(shù)量增加,交通事故死亡率呈上升趨勢。 事故報警在路段行駛車輛間能否可靠快速預(yù)測傳輸是減少交通事故的關(guān)鍵。 本文分析一種高速公路車聯(lián)網(wǎng)移動模型,設(shè)計車聯(lián)網(wǎng)報文格式,給出廣播消息報文的TTL 字段初始值設(shè)定方案［4］。

2 VANET 報文消息

考慮某路段消息廣播應(yīng)用場景,報文考慮車輛移動速度矢量,記錄路由等報文頭信息,TTL 字段用于控制廣播報文泛濫。 廣播消息節(jié)點在L 路段進行廣播,bL 長度路上存在車輛數(shù)目期望為ρLb,假設(shè)不同連通集通過RSU 存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式中繼廣播消息,TTL 字段用于控制報文最大轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù),RSU 根據(jù)所在路段實際車輛交通流統(tǒng)計不同時間區(qū)間車輛密度ρ。 參數(shù)Lb 由廣播消息源節(jié)點給出廣播涉及地理范圍。 Option 字段記錄中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點信息,車輛移動速度矢量等應(yīng)用信息作為DATA 數(shù)據(jù)部分。 VANET 鏈路層報文格式如圖1所示。

圖1 VANET 鏈路層報文格式

3 基于802.11p 的車聯(lián)網(wǎng)連通性模型

FCC 將75MHz 頻段用于802.11p 車聯(lián)網(wǎng)通信,車聯(lián)網(wǎng)適配器使用信道接口技術(shù)尚無定論,單接口多信道模式信道切換大于傳播時延,多接口多信道模式對車聯(lián)網(wǎng)具有現(xiàn)實意義。 802.11p 協(xié)議滿足行駛速度為33 m/s 車輛通信。 基于802.11p 車輛組網(wǎng)需要考慮對向行駛車輛,建立連接保持時間短,多普勒效應(yīng)增大［5］。 高速公路VANET 網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)時考慮同向行駛車輛組網(wǎng)符合實際。 FCC 分配6 個數(shù)據(jù)信道SCH,單向道路使用3 個SCH［6］。 考慮高速公路車輛前后距離為2～1 500 m,認為單向多車道車輛建模為一維單車道研究。 IEEE802.11p 信道頻譜分配如圖2 所示。

圖2 IEEE802.11p 信道頻譜分配

考慮一維車道頻譜分配情況,自組織分布頻譜分配算法下足夠分配。 車輛節(jié)點編序f1,f2,在相鄰鏈路間交替使用,Link(V3,V4)使用f1 后繼鏈路交替使用互不干擾頻段,頻譜使用中自組織方式動態(tài)分配算法,相鄰鏈路交替分配,Link(Vi,Vi(10)1)分配使用頻段f2,Link(Vi-1,Vi)產(chǎn)生干擾。 使用頻段f3 節(jié)點間Link(Vi-1,Vi)在觸發(fā)下判斷頻段f3 跳頻道(f1,f2)某頻段是否存在沖突干擾,完成Link(Vi-1,Vi)回退到(f1,f2)頻段。 設(shè)相鄰車輛節(jié)點使用某頻段通信,802.11p 網(wǎng)卡發(fā)射功率大,發(fā)生過率根據(jù)信道情況調(diào)整。 建立某時刻車輛位置坐標系,從右至左車輛位置為Vi,i＝1,2,路段車輛數(shù)目滿足λ＝rx泊松分布。 泊松過程對應(yīng)計數(shù)過程,x路段車輛總數(shù)目K(x)期望與方差為λ。 圖3 高速公路單向車道交通場景一維網(wǎng)絡(luò)拓撲模型。

圖3 高速公路單向車道交通場景—維網(wǎng)絡(luò)拓撲模型

P(k)＝λke-λ/k！ ＝(ρρx)ke-px/k！E［K］＝λ＝ρx,D［K］＝E［K2］-(E［K］2)＝λ＝ρx。 令x＝R,R通信距離內(nèi)有1 量車概率為Pr｛k1｝＝1-Pr｛k＝0｝＝1-e-ρR,可以把d(i,i+1)視為臨近車輛進入路段到達時間間隔,推導(dǎo)中以di代替d(i-1,i)d1…｜V1 ｜-｜V0 ｜,可省略取絕對值運算符,x 路段中出現(xiàn)車｛d1＞x的事件發(fā)生,Pr｛d1＞x｝＝Pr｛k(x)＝0｝＝e-ρ x,考慮Pr｛d2＞x｝ ＝E［Pr｛d2＞x｜d1｝］,d2 為具有均值/p的指數(shù)分布隨機變量。推論1｛di,i＝1,2,｝為獨立同分布指數(shù)隨機變量。 將研究結(jié)論用于VANET 連通性模型重要參數(shù)指標解析式推導(dǎo)。 VANET 網(wǎng)絡(luò)連通特性重要參數(shù)指標包括連通集個數(shù)期望與高速公路車輛密度具有密切關(guān)系。 L 路段任意兩車連通概率與車輛密度、傳輸距離關(guān)系如圖4所示。

圖4 L 路段任意兩車連通概率與車輛密度、傳輸距離關(guān)系

為驗證高速公路交通場景下移動模型與車輛網(wǎng)絡(luò)模型匹配性,利用Matlab 生成多條序列,存放在數(shù)組中,利用Matlab 生成多組滿足均值μ＝30 m/s 的正態(tài)分布數(shù)據(jù),車輛進行速度Speedi,完成交通流模擬,實驗參數(shù)設(shè)定節(jié)點最大傳輸距離為1 000 m,ρ∈［0.001,0.05］,隨著車輛間最大通信距離增加,車輛連通概率增大。 路段任意兩輛車概率躍遷寬度明顯變窄。 分析連通集直徑與車輛最大通信距離關(guān)系,連通集直徑增速隨著車輛密度增加。 分析某廣播報文中TTL 字段設(shè)定可能值,TTL 與車輛密度密切相關(guān)。

4 結(jié)語

本文討論高速公路交通場景車聯(lián)網(wǎng)移動性模型,分析任意車輛連通性,連通集數(shù)目等方面,設(shè)計可用于車聯(lián)網(wǎng)報文格式,給出廣播消息報文的TTL 字段初始值設(shè)定方案。 近年來物聯(lián)網(wǎng)在世界范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展,車聯(lián)網(wǎng)是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在交通工程領(lǐng)域的典型應(yīng)用。車聯(lián)網(wǎng)對車輛通信可靠性提出更高的要求。IEEE8202.11p 為車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計標準,現(xiàn)有針對IEEE802.11p 協(xié)議研究大多為實現(xiàn)設(shè)定傳輸距離取值,未對協(xié)議規(guī)定傳輸距離滿足通信要求理論分析。基于802.11p 車聯(lián)網(wǎng)VANET 網(wǎng)絡(luò)是涉及多學(xué)科研究課題,近景愿望成為機動車標準配備,相關(guān)研究成為業(yè)界關(guān)注的熱點。