社群式車聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的LTE協(xié)作信息傳播模式

汪穎 劉澤良

摘要：本文探討了一種基于LTE 的社群式車聯(lián)網(wǎng)協(xié)作模式，并深入研究了其在信息傳播和系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的性能，細(xì)描述了LTE 技術(shù)的基本原理，提出了一個(gè)新的協(xié)作模式，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其性能。結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)通信模式相比，基于LTE 的協(xié)作模式在時(shí)延、信息傳播效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性方面都有顯著的優(yōu)勢(shì)。本文為車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路和方向。

關(guān)鍵詞：車聯(lián)網(wǎng)；LTE ；信息傳播；社群式

中圖分類號(hào)： TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

基金項(xiàng)目：江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目《基于社會(huì)網(wǎng)絡(luò)的車聯(lián)網(wǎng)安全信息傳播機(jī)制研究》（項(xiàng)目編號(hào)：GJJ201818）

0 引言

隨著現(xiàn)代交通系統(tǒng)的不斷發(fā)展，車輛之間的通信已經(jīng)成為了提高道路安全和交通效率的重要手段。傳統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要基于車與車（V2V）和車與基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）的通信，但隨著車輛數(shù)量的增加和交通環(huán)境的復(fù)雜化，這種結(jié)構(gòu)面臨著時(shí)延、信息傳播效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，研究者開(kāi)始探索新的車聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。社群式車聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)作為其中的一種新型結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是車輛可以根據(jù)自身的狀態(tài)和周圍環(huán)境形成臨時(shí)的通信社群，從而實(shí)現(xiàn)更高效和穩(wěn)定的信息傳播。

長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)（LTE）由于其高數(shù)據(jù)傳輸速率、低時(shí)延和高可靠性等優(yōu)勢(shì)，逐漸被應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)中。然而，如何將LTE 技術(shù)與社群式車聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的信息傳播模式，仍是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。因此，本文將深入探討社群式車聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的LTE 協(xié)作信息傳播模式，為車聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展提供有益的參考。

1 社群式車聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1.1 社群式車聯(lián)了結(jié)構(gòu)概述

在交通系統(tǒng)智能化的大背景下，車輛的通信需求在增加，相關(guān)的技術(shù)也在近些年得到了快速的發(fā)展。為了適應(yīng)更加復(fù)雜、多變的交通環(huán)境，社群式車聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，為車輛提供了一種更加靈活、高效的通信模式。

社群式車聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)是基于車輛間臨時(shí)通信群體的結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模式不同，它強(qiáng)調(diào)的是車輛根據(jù)實(shí)際行駛環(huán)境和需求，形成短暫、動(dòng)態(tài)的通信群體。社群式車聯(lián)網(wǎng)具有以下特點(diǎn)。

（1）動(dòng)態(tài)性：社群的形成和消失是非?？焖俸蛣?dòng)態(tài)化的，完全取決于車輛的移動(dòng)和通信需求。

（2）自組織：車輛可以根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)加入或離開(kāi)社群，無(wú)需中央控制。

（3）高效性：通過(guò)社群內(nèi)的協(xié)同工作，可以實(shí)現(xiàn)更高效的信息交換和資源共享。

（4）靈活性：能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的交通環(huán)境和通信場(chǎng)景。社群的形成主要基于3 個(gè)因素。地理位置：物理距離近的車輛更容易形成社群。行駛方向和速度：同方向、速度接近的車輛形成社群的可能性更高。通信需求：具有相似通信需求的車輛更傾向于組成社群。

根據(jù)社群的特性和形成機(jī)制，我們可以將其分類為靜態(tài)社群與動(dòng)態(tài)社群。前者主要形成于車輛在停車狀態(tài)或緩慢行駛狀態(tài)時(shí)，如在停車場(chǎng)、紅綠燈等場(chǎng)景中。后者主要形成于車輛的高速行駛狀態(tài)，如高速公路、城市快速路等場(chǎng)景。

1.2 社群內(nèi)與社群間的通信模式

在社群內(nèi)，車輛之間的通信主要依賴于短距離、高頻率的直接通信方式。這種方式可以確保信息的快速、準(zhǔn)確傳播，并且能夠有效地應(yīng)對(duì)復(fù)雜的交通環(huán)境。

而社群間的通信則相對(duì)復(fù)雜。由于社群之間的物理間隔可能比較遠(yuǎn)，直接通信不太可行。為此，通常需要通過(guò)社群長(zhǎng)或其他特定車輛進(jìn)行中繼，將信息從一個(gè)社群傳遞到另一個(gè)社群。這種模式雖然增加了通信的復(fù)雜性，但也為信息的廣泛傳播提供了可能[1]。

2 LTE 技術(shù)基礎(chǔ)

隨著無(wú)線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，LTE 技術(shù)逐漸成為車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的重要通信手段，為車與車、車與基礎(chǔ)設(shè)施的通信提供了強(qiáng)大的支持。LTE，即長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)，是第四代（4G）移動(dòng)通信技術(shù)的一部分，旨在提供比其前代技術(shù)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更好的用戶體驗(yàn)。它采用了先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)、多入多出（MIMO）天線技術(shù)和高效的頻譜利用策略，從而實(shí)現(xiàn)了高速、低時(shí)延的數(shù)據(jù)通信。與傳統(tǒng)車聯(lián)網(wǎng)通信的對(duì)比，LTE 技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì)。

數(shù)據(jù)速率：傳統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，如DSRC（專用短距離通信），雖然可以滿足車輛的基本通信需求，但其數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)較低。而LTE 技術(shù)由于其先進(jìn)的物理層設(shè)計(jì)，能夠提供更高的數(shù)據(jù)速率，使得車輛可以進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的快速傳輸。

高效的頻譜利用：LTE 技術(shù)采用了先進(jìn)的調(diào)制和編碼技術(shù)，使得在同樣的頻譜資源下，可以傳輸更多的數(shù)據(jù)。

低時(shí)延：在緊急通信場(chǎng)景中，如碰撞預(yù)警，低時(shí)延是非常關(guān)鍵的。LTE 的設(shè)計(jì)重點(diǎn)之一是減少通信時(shí)延，這使得它非常適合需要實(shí)時(shí)反饋的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如自動(dòng)駕駛和安全預(yù)警。

廣泛的網(wǎng)絡(luò)覆蓋：由于LTE 是為移動(dòng)通信設(shè)計(jì)的，因此它具有廣泛的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，無(wú)論車輛在城市還是鄉(xiāng)村，都可以保持穩(wěn)定的通信連接。這意味著車輛在更大的地理區(qū)域內(nèi)可以保持穩(wěn)定的通信。

3 社群式車聯(lián)網(wǎng)中的LTE 協(xié)作模式

隨著車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，如何更高效地在車輛之間傳輸信息成為了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，傳統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)通信模式已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代復(fù)雜交通環(huán)境的需求。為此，結(jié)合LTE 的高速、低時(shí)延和高可靠性特點(diǎn)，本研究提出了一種新的協(xié)作模式[2]。

3.1 協(xié)作模式的提出

考慮到LTE 的明顯優(yōu)勢(shì)，本文認(rèn)為將其引入到社群式車聯(lián)網(wǎng)中，可以進(jìn)一步提高信息傳輸?shù)男屎头€(wěn)定性。基于這一思考，提出了一種基于LTE 的社群式車聯(lián)網(wǎng)協(xié)作模式。這種模式不僅充分利用了LTE 的技術(shù)特點(diǎn)，還結(jié)合了社群的動(dòng)態(tài)性和自組織特性。

3.2 LTE 協(xié)作模式的工作原理

如圖1 所示，在此協(xié)作模式下，車輛首先基于其行駛狀態(tài)和通信需求形成社群。每個(gè)社群內(nèi)的車輛都可以通過(guò)LTE 直接進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)快速的信息交換。與此同時(shí)，社群之間的通信則需要通過(guò)特定的車輛，即社群長(zhǎng)，來(lái)進(jìn)行中繼。這種模式不僅確保了社群內(nèi)的高效通信，還實(shí)現(xiàn)了社群間的穩(wěn)定連接。

3.3 社群長(zhǎng)的選舉及其角色

社群長(zhǎng)的選舉是此協(xié)作模式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。選舉的主要原則是確保社群長(zhǎng)具有良好的通信能力和中心位置，從而能夠有效地進(jìn)行社群內(nèi)外的信息交換。

選舉機(jī)制：車輛根據(jù)其通信能力、電池狀態(tài)、位置和行駛方向等參數(shù)，計(jì)算一個(gè)權(quán)重值。權(quán)重值最高的車輛被選為社群長(zhǎng)。

社群長(zhǎng)的角色：社群長(zhǎng)負(fù)責(zé)接收社群內(nèi)的信息，并將其中繼到其他社群或基礎(chǔ)設(shè)施。社群長(zhǎng)還負(fù)責(zé)管理社群內(nèi)的通信資源，如頻譜、時(shí)間片等，確保信息傳輸?shù)母咝Ш凸?。隨著車輛的移動(dòng)和通信需求的變化，社群長(zhǎng)可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，如重新選舉、資源重新分配等[3]。

總之，社群式車聯(lián)網(wǎng)中的LTE 協(xié)作模式提供了一個(gè)新的思路，將LTE 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與社群的動(dòng)態(tài)性和自組織性完美結(jié)合，為車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展打開(kāi)了新的可能。

4 LTE 協(xié)作模式下的信息傳播機(jī)制

在社群式車聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，信息的傳播是至關(guān)重要的。結(jié)合LTE 的協(xié)作模式，我們可以更高效地進(jìn)行信息的傳遞和交換，滿足車輛通信的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性要求。

4.1 信息的分類與傳播要求

在車聯(lián)網(wǎng)中，車輛需要傳遞的信息可以大致分為兩類。

緊急信息：這類信息通常與車輛的安全和行駛狀態(tài)有關(guān)，如碰撞預(yù)警、緊急制動(dòng)等。對(duì)于這類信息，傳播的時(shí)延要求非常低，且必須確保其傳輸?shù)目煽啃院蜏?zhǔn)確性。

常規(guī)信息：這類信息主要包括車輛的一般狀態(tài)、路況信息和天氣信息等。雖然其傳播的時(shí)延要求相對(duì)較低，但仍需要確保其傳輸?shù)耐暾院蜏?zhǔn)確性。

4.2 社群內(nèi)信息的快速傳播

在一個(gè)社群內(nèi)，車輛之間的距離通常較近，這為信息的快速傳播提供了條件。利用LTE 技術(shù)，車輛可以實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率的通信，使得信息可以在極短的時(shí)間內(nèi)完成傳播。此外，LTE 的高可靠性也確保了信息傳輸準(zhǔn)確，避免因?yàn)樾盘?hào)干擾或丟包導(dǎo)致的信息傳播失敗。

4.3 社群間的信息交互與融合

當(dāng)涉及到不同社群間的信息交互時(shí)，情況會(huì)變得復(fù)雜。由于社群之間可能存在較遠(yuǎn)的物理距離和通信障礙，直接的車輛間通信不太可行。為此，我們引入了社群長(zhǎng)這一角色。社群長(zhǎng)負(fù)責(zé)接收并存儲(chǔ)其所在社群內(nèi)的信息，并與其他社群的社群長(zhǎng)進(jìn)行信息交互。通過(guò)這種方式，不同社群的信息可以得到交互和融合，從而實(shí)現(xiàn)了全局的信息共享[4]。

此外，為了確保信息交互的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，社群長(zhǎng)之間的通信還需要采用特定的協(xié)議和策略，如時(shí)間同步、數(shù)據(jù)校驗(yàn)等，以確保信息的完整性和一致性。

總體來(lái)看，LTE 協(xié)作模式為社群式車聯(lián)網(wǎng)中的信息傳播提供了強(qiáng)大的支持，使車輛可以更加高效、準(zhǔn)確地進(jìn)行信息交換和共享[5]。

5 性能評(píng)估

為了驗(yàn)證基于LTE 協(xié)作模式的社群式車聯(lián)網(wǎng)的有效性和可行性，進(jìn)行了一系列的性能評(píng)估。性能評(píng)估是科研中的關(guān)鍵步驟，它可以提供模式的實(shí)際效果和可能存在的問(wèn)題，從而指導(dǎo)后續(xù)的研究和優(yōu)化。

5.1 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)與指標(biāo)

在性能評(píng)估中，主要關(guān)注以下幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。

時(shí)延：衡量信息從發(fā)送到接收所需的時(shí)間。對(duì)于車聯(lián)網(wǎng)，尤其是涉及安全的應(yīng)用，低時(shí)延是非常關(guān)鍵的。

信息傳播效率：評(píng)估信息在車輛之間傳播的速度和范圍。高的傳播效率意味著信息可以在更短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)更多的車輛。系統(tǒng)穩(wěn)定性：考察在各種不同條件下，系統(tǒng)的運(yùn)行是否穩(wěn)定，是否容易出現(xiàn)掉線、數(shù)據(jù)丟失等問(wèn)題。

5.2 仿真環(huán)境與實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為了進(jìn)行性能評(píng)估，我們使用MATLAB 建立了一個(gè)仿真環(huán)境。該環(huán)境模擬了真實(shí)的交通場(chǎng)景，包括車輛的移動(dòng)、通信以及各種可能的干擾。實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置如下。

車輛密度：設(shè)置了從低到高的不同車輛密度，以考察車輛數(shù)量對(duì)性能的影響。

移動(dòng)速度：考慮到車輛在不同的道路和場(chǎng)景下會(huì)有不同的行駛速度，我們?cè)O(shè)置了從慢到快的不同移動(dòng)速度。

通信模式：為了驗(yàn)證LTE 協(xié)作模式的優(yōu)勢(shì)，我們還設(shè)置了傳統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)通信模式作為對(duì)比。

在仿真實(shí)驗(yàn)中，讓車輛按照預(yù)設(shè)的參數(shù)進(jìn)行移動(dòng)和通信，并記錄相關(guān)的性能數(shù)據(jù)。通過(guò)分析這些數(shù)據(jù)，可以得到基于LTE 協(xié)作模式的社群式車聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際性能，并與傳統(tǒng)模式進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證其優(yōu)勢(shì)和效果。

5.3 結(jié)果分析

（1）時(shí)延評(píng)估

時(shí)延這一關(guān)鍵指標(biāo)如圖2 所示。從仿真結(jié)果中可以明顯看出，相比于傳統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)通信模式，LTE 協(xié)作模式在時(shí)延上有了顯著的改善。具體來(lái)說(shuō)，平均時(shí)延減少了約40%，最大時(shí)延減少了約30%。這主要?dú)w功于LTE 技術(shù)的高數(shù)據(jù)速率和低時(shí)延特性，使得信息可以在更短的時(shí)間內(nèi)完成傳輸。

（2）信息傳播效率

如表1 所示，在信息傳播效率方面，仿真結(jié)果也十分令人滿意?；贚TE 的協(xié)作模式下，信息的傳播速度提高了約50%，覆蓋范圍增加了約60%。這意味著在相同的時(shí)間內(nèi)，更多的車輛可以接收到信息，從而實(shí)現(xiàn)更廣泛的信息共享。這一結(jié)果驗(yàn)證了我們的假設(shè)，即利用LTE 技術(shù)和社群結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更高效的信息傳播。

（3）系統(tǒng)穩(wěn)定性

系統(tǒng)穩(wěn)定性是評(píng)估任何通信系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。如圖3 所示，在LTE 協(xié)作模式下，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了很好的保證。具體來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的掉線率減少了約70%，數(shù)據(jù)丟失率減少了約50%。這一結(jié)果表明，基于LTE 的協(xié)作模式不僅可以提高信息傳播的效率，還可以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

綜上，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了基于LTE 協(xié)作模式的社群式車聯(lián)網(wǎng)在時(shí)延、信息傳播效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面都具有顯著的優(yōu)勢(shì)。這為其在實(shí)際應(yīng)用中的推廣提供了有力的支撐。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，如何提高信息傳播的效率和準(zhǔn)確性已經(jīng)成為了研究的熱點(diǎn)。本文深入探討了基于LTE 的社群式車聯(lián)網(wǎng)協(xié)作模式，并通過(guò)一系列的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其性能。

從研究中可以明確地看到，與傳統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)通信模式相比，LTE 協(xié)作模式在時(shí)延、信息傳播效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面都有顯著的優(yōu)勢(shì)。特別是在高車輛密度和復(fù)雜的交通環(huán)境下，LTE 協(xié)作模式展現(xiàn)出了其優(yōu)異的性能。

社群長(zhǎng)的角色和選舉機(jī)制確保了社群內(nèi)外的高效通信和信息交互。與此同時(shí)，提出了幾種性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，并在仿真環(huán)境中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

總的來(lái)說(shuō)，基于LTE 的社群式車聯(lián)網(wǎng)協(xié)作模式為車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展打開(kāi)了新的可能。隨著LTE 技術(shù)和車聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，這一模式將在未來(lái)的交通系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：

汪穎，碩士，副教授，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)。

劉澤良，碩士，副教授，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)。