一種面向智能網(wǎng)聯(lián)汽車的自適應(yīng)車輛位置管理方案

趙 輝

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730060）

1 課題背景

智能網(wǎng)聯(lián)汽車系統(tǒng)是一種規(guī)范的，可為乘客、司機(jī)和交通管理人員提供大量安全信息和娛樂服務(wù)功能的下一代異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。在異構(gòu)無線接入技術(shù)及基于5G/6G 等標(biāo)準(zhǔn)的不同無線網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展的大背景下，汽車智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)作為一種為乘客、司機(jī)和交通管理人員提供大量安全信息和娛樂服務(wù)的下一代異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)［1-2］，其無線通信技術(shù)在密集網(wǎng)絡(luò)中的可擴(kuò)展性和通信效率成為目前棘手的問題［3］。如汽車應(yīng)用行業(yè)（汽車編隊(duì)和全自動(dòng)駕駛控制）目前面臨的挑戰(zhàn)是在提供準(zhǔn)確可靠的位置服務(wù)時(shí)存在期望延遲、成本過高和準(zhǔn)確性較差等問題，這需要在聯(lián)網(wǎng)的車輛網(wǎng)絡(luò)中通過有效的溝通及無縫的鏈接技術(shù)來解決。

下一代智能網(wǎng)聯(lián)汽車的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由異構(gòu)無線通信標(biāo)準(zhǔn)組成，其包括 IEEE 802.11P 協(xié)議［4-5］、長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)（LET）［6］和最近的第五、六代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（5G/6G）。在車輛與基礎(chǔ)設(shè)施的通信協(xié)議以及車輛與車輛的通信協(xié)議的協(xié)助下，這種異構(gòu)無線通信標(biāo)準(zhǔn)在為車輛提供可靠、流暢以及不間斷的通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)時(shí)，車輛與車輛、車輛與基站間需要一種高效的移動(dòng)性能和位置管理解決方案，以此滿足從用戶終端到應(yīng)用程序之間的訪問需求。

要討論和研究車輛內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理問題，更準(zhǔn)確地說，要研究在外部網(wǎng)絡(luò)中如何優(yōu)化車輛移動(dòng)過程中的無線通信問題，需將這種移動(dòng)性管理方案描述為由本地服務(wù)網(wǎng)關(guān)或云端提供的車輛與任意服務(wù)器之間正在進(jìn)行的無線會(huì)話的研究以及對(duì)于連接的技術(shù)維護(hù)問題。如許多車輛連接中，需要通過Internet 進(jìn)行通信才能提供有效地服務(wù)，因而需要無縫的移動(dòng)管理方案以避免產(chǎn)生通信中斷。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信情況和應(yīng)用方式的不同，移動(dòng)性管理方案可以分解為：使用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議將會(huì)話從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)卸載到另一個(gè)用于負(fù)載平衡目的網(wǎng)絡(luò)或者IP移動(dòng)管理。

IETF已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了一個(gè)名為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的基于主機(jī)的移動(dòng)管理協(xié)議，該協(xié)議提出了一種移動(dòng)性管理解決方案，以幫助車輛在網(wǎng)絡(luò)層內(nèi)快速、高效的移動(dòng)。首先用車輛自帶的服務(wù)器的IP 在訪問上定義一個(gè)臨時(shí)轉(zhuǎn)交地址（CoA），以支持由當(dāng)前CoA 的綁定鏈路的路由器和車輛的本地代理之間建立連接。這種連接的弱點(diǎn)是附加了切換延遲和數(shù)據(jù)包丟失，尤其是隨著車輛數(shù)量的增加，會(huì)導(dǎo)致到信令開銷的相應(yīng)增加。其余的許多研究提出，移動(dòng)IP 協(xié)議可以替代用于位置和路徑更新的協(xié)議而無需進(jìn)行切換管理。這樣的具體研究及功能模塊涉及相應(yīng)的應(yīng)用，包括分層移動(dòng)IP 和快速移動(dòng)IP，添加新的名稱為移動(dòng)錨點(diǎn)的實(shí)體，通過將多個(gè)路由器分配給一個(gè)路由器以減少切換延遲等措施，其都在努力克服前述方案的缺點(diǎn)。

2 問題描述

傳統(tǒng)的移動(dòng)管理解決方案由2部分組成：位置和切換過程管理。車輛行駛過程中要穿過許多復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這些網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無論是否有相同的標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議，車輛自身的移動(dòng)管理協(xié)議均要求可在不同的網(wǎng)絡(luò)之間傳輸正在進(jìn)行的通信指令。此外，網(wǎng)絡(luò)必須能夠定位車輛并及時(shí)推送數(shù)據(jù)包到其就近位置。傳統(tǒng)的位置管理協(xié)議在未考慮車輛的個(gè)體運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)和方向的情況下，只是通過通信指令定期尋呼車輛的位置，并在其預(yù)定義的生命周期內(nèi)處理數(shù)據(jù)包。這會(huì)導(dǎo)致車輛在超密集網(wǎng)絡(luò)中行駛時(shí)極易丟包且產(chǎn)生大量的通信數(shù)據(jù)冗余。這時(shí)，在由電池驅(qū)動(dòng)的汽車中，也會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)高的功耗。

為了解決這個(gè)問題，本論述提出了一種自適應(yīng)的以車輛為中心的智能車載網(wǎng)絡(luò)位置管理方案（ADVICE-LOC）。通過監(jiān)測(cè)和計(jì)算車輛在接入點(diǎn)通信范圍內(nèi)的剩余時(shí)間，根據(jù)車輛行駛狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)狀況以及交通狀況等智能地調(diào)整位置管理協(xié)議，并通過對(duì)車輛移動(dòng)軌跡的預(yù)測(cè)來更新車輛位置并保證車輛與外部網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)信息之間的通信冗余。該協(xié)議由2部分組成：（1）利用車輛的移動(dòng)性數(shù)據(jù)估計(jì)車輛在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施單元內(nèi)的剩余時(shí)間；（2）按照知識(shí)網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)和更新條款的信息更新位置管理方案，同時(shí)通過周圍網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)和車輛機(jī)動(dòng)性能的變化預(yù)先調(diào)整車輛會(huì)話時(shí)間，以減少通信數(shù)據(jù)量并消除位置更新時(shí)對(duì)當(dāng)前接入點(diǎn)的信息冗余。此外，還評(píng)估了城市交通環(huán)境中的幾個(gè)時(shí)間序列預(yù)測(cè)器，使用預(yù)測(cè)器來導(dǎo)出鏈路估計(jì)時(shí)間，并分析了其優(yōu)缺點(diǎn)。最后，對(duì)所提出的協(xié)議在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)和準(zhǔn)確性指標(biāo)下進(jìn)行模擬和評(píng)估。

2.1 鏈路估計(jì)時(shí)間

假設(shè)車輛在預(yù)定的道路環(huán)境中行駛，接入點(diǎn)部署在使路線圖覆蓋范圍最大化的點(diǎn)上。本論述中將車輛停留在接入路由器（AP）通信范圍內(nèi)的持續(xù)時(shí)間稱為鏈路估計(jì)時(shí)間（LET）［7-8］。為了推導(dǎo)出車輛與接入點(diǎn)或路由器之間的鏈路估計(jì)時(shí)間，首先預(yù)定義一組假設(shè)，將車輛運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)的特征描述為時(shí)間序列預(yù)測(cè)方法的數(shù)據(jù)輸入。

此鏈路估計(jì)時(shí)間受以下因素的影響：車輛速度、接入路由器的距離、信號(hào)質(zhì)量等。假設(shè)車輛運(yùn)動(dòng)投影的示例如圖1 所示，假設(shè)每輛車都配備了車載GPS 定位系統(tǒng)并能夠?qū)崟r(shí)獲取車輛當(dāng)前位置坐標(biāo)A點(diǎn)(xi,yi)，路旁單元（RSU）或接入路由器（AP）具有標(biāo)準(zhǔn)通信范圍R。如果只考慮車輛和接入路由器之間的距離，得出的LET 是圖中所示陰影區(qū)域，這并不能正確反映車輛在接入路由器通信范圍內(nèi)的真實(shí)剩余時(shí)間。故需要根據(jù)圖1中信息，以車輛的兩個(gè)連續(xù)位置定期計(jì)算車輛運(yùn)動(dòng)軌跡，從而得出車輛最小鏈路估計(jì)時(shí)間的推導(dǎo)公式。

圖1 鏈路估計(jì)時(shí)間LET

在車輛視線范圍內(nèi)，車輛與在其通信范圍內(nèi)的接入點(diǎn)路由器進(jìn)行通信。接入路由器的位置O 點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)通信范圍R 可以描述為式（1）圓的方程：

將車輛沿直線從點(diǎn)A(xi-1,yi-1) 移動(dòng)到點(diǎn)B(xi,yi)的多點(diǎn)線運(yùn)動(dòng)路徑（即連續(xù)的位置系列）計(jì)算如式（2）：

推導(dǎo)二次方程式（3）：

其中將式（4）代入式（3），

后使用替代的二次公式求解T得式（5）：

此外，通過考慮數(shù)據(jù)包交付時(shí)間和到往返時(shí)間等的延遲，調(diào)整LET，扣除往返包時(shí)間得式（7）：

2.2 車輛運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)

為提供更加準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)，捕獲更長(zhǎng)時(shí)間、更復(fù)雜的時(shí)間序列數(shù)據(jù)以及將其應(yīng)用于高度智能化的應(yīng)用程序。目前主流的開發(fā)技術(shù)是：機(jī)器學(xué)習(xí)如模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和狀態(tài)空間模型如卡爾曼濾波器等。機(jī)器學(xué)習(xí)中尤其是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用技術(shù)，是要求從基于規(guī)則的機(jī)器學(xué)習(xí)模型到數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，都能夠捕獲更長(zhǎng)和更大數(shù)量的時(shí)間序列數(shù)據(jù)集，而大多數(shù)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)需要大型數(shù)據(jù)集才能有效執(zhí)行。

本論述在不考慮車輛即將發(fā)生的軌跡變化的情況下，僅使用車輛運(yùn)動(dòng)的當(dāng)前測(cè)量值。上述車輛的LET還與當(dāng)前接入路由器的會(huì)話時(shí)間有關(guān)，故需在當(dāng)前接入的路由器內(nèi)估計(jì)LET，可得到更精確的預(yù)測(cè)車輛軌跡（即位置、速度、方向）。

假設(shè)一個(gè)表示車輛在當(dāng)前接入路由器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)（位置、方向和速度）的時(shí)間向量序列，其中t 是采樣率，t 因每個(gè)序列的大小而異，該向量序列表示車輛在當(dāng)前接入路由器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)（位置、方向和速度）。為了準(zhǔn)確定位車輛，進(jìn)行追蹤的時(shí)間設(shè)置間隔都很短，通常規(guī)定一個(gè)采樣時(shí)間間隔在1～5 s內(nèi)。通過如圖2所示的協(xié)議，使用嵌入在車輛中的隊(duì)列來記錄持續(xù)了k 觀察時(shí)間的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，以此來收集車輛在每個(gè)觀察時(shí)間間隔內(nèi)的向量序列。

圖2 接入路由器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)測(cè)量

2.3 ADIVE-LOC：以車輛為中心的適應(yīng)性位置管理方案

基于前面導(dǎo)出的測(cè)量值，以下研究車輛在所接入路由器的范圍內(nèi)，優(yōu)化移動(dòng)通信開銷，保持高傳輸率和低丟包率的移動(dòng)性位置管理方案。該移動(dòng)性管理過程可以分為兩個(gè)主要階段：發(fā)現(xiàn)和注冊(cè)階段、位置和會(huì)話更新階段。

在移動(dòng)IP 中，首先賦予車輛一個(gè)初始代理網(wǎng)絡(luò)的永久地址，當(dāng)車輛通過不同網(wǎng)絡(luò)時(shí)，注冊(cè)一個(gè)新的訪問點(diǎn)以連接該通信。此時(shí)，需要一個(gè)新的轉(zhuǎn)交地址CoA來注冊(cè)新接入的路由器并通知初始代理通過無線網(wǎng)絡(luò)將正在進(jìn)行的通信傳輸?shù)叫陆尤氲穆酚善?。?dāng)車輛在兩個(gè)路由器的通道之間切換時(shí)，還需要一個(gè)切換機(jī)制來注冊(cè)一個(gè)新的CoA 并從舊接入的路由器連接到新接入的路由器。

這種切換機(jī)制規(guī)定如下：車輛通過訪問路由器廣告消息和訪問請(qǐng)求這兩種主要方式發(fā)現(xiàn)并注冊(cè)新的訪問權(quán)限，當(dāng)發(fā)現(xiàn)車輛位置變化時(shí)，使用相鄰接入路由器的緩存或通過請(qǐng)求一個(gè)廣播消息來建立新的連接。后通過比較待接入路由器的距離和接收信號(hào)的強(qiáng)度，選擇最合適的接入路由器并發(fā)送一個(gè)注冊(cè)請(qǐng)求，使得車輛CoA 配置和分配資源。接入的路由器將回復(fù)注冊(cè)回復(fù)包并啟動(dòng)綁定部分的更新。此時(shí)，車輛通過其初始代理從接入路由器的相應(yīng)服務(wù)器上接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。綜上所述，發(fā)現(xiàn)和注冊(cè)過程如圖3所示。

圖3 車輛位置適應(yīng)性管理方案

3 績(jī)效評(píng)估

使用由網(wǎng)絡(luò)模擬器生成的由從高德地圖提取的車輛在蘭州城市道路場(chǎng)景中的移動(dòng)軌跡［9］。車輛從連接到初始地址開始，接收相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流。為確保網(wǎng)絡(luò)覆蓋所有的道路，設(shè)置由35個(gè)分布在沿網(wǎng)絡(luò)路段的接入路由器組成該網(wǎng)絡(luò)。由于車輛加速度的穩(wěn)定增加，速度是受所選間隙大小（即時(shí)間步長(zhǎng)值）影響的最低測(cè)量值，因此車輛速度無法在5 s內(nèi)從0 增加到30 m/s。這表明就車輛的位置而言，小于5 s 時(shí)不會(huì)有太大區(qū)別，故選擇速度范圍為0～30 m s。車輛數(shù)量設(shè)置為100～700 輛，數(shù)據(jù)包頻率為250 pkt s，數(shù)據(jù)包尺寸為160 byte packet。物理協(xié)議設(shè)置為IEEE 802.11P，接入路由器的傳輸范圍250 m。

采用的是多特征輸入和多特征輸出的一般回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GRNN），將其作為評(píng)估該車輛位置的預(yù)測(cè)模型。為評(píng)估軌跡預(yù)測(cè)模型的精確度，使用均方根誤差（RMSE）作式（8）為計(jì)算其準(zhǔn)確度的一種手段。

使用的數(shù)據(jù)集從以上移動(dòng)性環(huán)境中生成，使用Python軟件的Keras模型和neupy算法對(duì)預(yù)測(cè)器進(jìn)行精度評(píng)估。生成的數(shù)據(jù)集包含以下信息：時(shí)間集、車輛ID、位置(x,y)、速度和當(dāng)前注冊(cè)的接入路由器。生成數(shù)據(jù)的誤差結(jié)果如圖4 所示。選擇采樣時(shí)間間隔為1 s，有一個(gè)特征輸入，多個(gè)特征輸出時(shí)，GRNN 模型的預(yù)測(cè)模型得到的平均誤差為最小，顯示出最低的錯(cuò)誤率。

圖4 GRNN預(yù)測(cè)模型的誤差率

4 結(jié)論

無線網(wǎng)絡(luò)連接在自動(dòng)駕駛汽車的導(dǎo)航服務(wù)和娛樂化應(yīng)用中提供了快速、高效的聯(lián)網(wǎng)通信服務(wù)，也為各種基于自動(dòng)駕駛技術(shù)應(yīng)用的無線接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供了可靠的、精確的通信解決方案。然而，車輛數(shù)量的無限增加以及車輛在不同接入路由器之間的快速移動(dòng)會(huì)影響此類無線網(wǎng)絡(luò)的性能?；诖?，本論述提出了一種面向智能網(wǎng)聯(lián)汽車的高效自適應(yīng)車輛位置管理協(xié)議。應(yīng)用此管理協(xié)議，預(yù)測(cè)車輛模型在調(diào)整車輛網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)和位置生命周期更新時(shí)的鏈路持續(xù)時(shí)間，通過評(píng)估在不同間隙和窗口大小下的時(shí)間序列預(yù)測(cè)器和估計(jì)的鏈接持續(xù)時(shí)間，后采用多特征輸入和多特征輸出的一般回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GRNN），將其作為評(píng)估該車輛位置的預(yù)測(cè)模型。結(jié)果表明，提出的自適應(yīng)位置管理方案能夠降低通信開銷，即冗余數(shù)據(jù)在源數(shù)據(jù)中占有的比例，同時(shí)保持了低的端到端延遲率以及高的數(shù)據(jù)包傳輸率。

通過在預(yù)測(cè)模型中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，隨著車輛數(shù)量的增加以及車輛在不同接入路由器之間的快速移動(dòng)，基于5G/6G 網(wǎng)絡(luò)的無線技術(shù)的接入為自動(dòng)駕駛的智能化應(yīng)用提供一種可行的通信解決方案。通過一種適用于智能網(wǎng)聯(lián)汽車的高效自適應(yīng)位置管理協(xié)議，調(diào)整車輛網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)和位置生命周期更新時(shí)的鏈路持續(xù)時(shí)間。結(jié)果表明，這種自適應(yīng)位置管理方案在保證車輛位置及時(shí)更新的同時(shí)，剔除了冗余的位置尋呼信號(hào)，極大地降低了通信開銷，即冗余數(shù)據(jù)在源數(shù)據(jù)中占有的比例，同時(shí)保持了低的端到端延遲以及高的數(shù)據(jù)包傳輸率，是一種更高效的移動(dòng)管理解決方案。