張雪茹 宋 梁

(河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院 河南 洛陽 471000)

0 引 言

在汽車和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)極速發(fā)展的時(shí)代背景下，車聯(lián)網(wǎng)(vehicle to everything，V2X)的概念應(yīng)運(yùn)而生,即以車輛為主體，實(shí)現(xiàn)車與車通信(vehicle to vehicle，V2V)、車與人通信(vehicle to pedestrian，V2P)、車與基礎(chǔ)設(shè)施通信(vehicle to infrastructure，V2I)以及車與網(wǎng)絡(luò)間的通信(vehicle to network，V2N)。其最終目的是緩解交通擁堵，降低車禍概率，提高出行及交通管理效率，同時(shí)滿足5G時(shí)代更高要求的應(yīng)用場景，如自動(dòng)駕駛、隊(duì)列編排等。

目前，車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域存在兩大技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，分別是基于802.11p的專用短距離通信技術(shù)DSRC和2017年3GPP提出的C-V2X(cellular-V2X)。DSRC的通信距離一般在數(shù)百米，適用于車聯(lián)網(wǎng)中的安全類應(yīng)用場景，如十字路口防碰撞預(yù)警、緊急車輛預(yù)警等。然而它的組網(wǎng)需要鋪設(shè)大量路側(cè)單元，這些硬件設(shè)備將大大增加建設(shè)成本。以蜂窩通信技術(shù)為基礎(chǔ)的C-V2X直接利用現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)、基站和頻譜，組網(wǎng)成本明顯降低。此外，C-V2X包含兩種通信模式，分別是網(wǎng)絡(luò)通信(Uu)和直接通信(PC5)。網(wǎng)絡(luò)通信模式借助已有蜂窩網(wǎng)絡(luò)能夠支持比DSRC更高帶寬、長距離的通信連接，滿足信號(hào)燈提示、車速引導(dǎo)等效率類應(yīng)用場景；直接通信模式在網(wǎng)絡(luò)覆蓋內(nèi)外皆可工作，實(shí)現(xiàn)車輛與周邊設(shè)備的直接通信，滿足安全類應(yīng)用場景。經(jīng)驗(yàn)證，在相同的測試環(huán)境下，當(dāng)通信距離在400米到1 200米之間時(shí)，C-V2X系統(tǒng)的誤碼率明顯低于DSRC系統(tǒng)，C-V2X在可靠性與穩(wěn)定性方面占據(jù)極大優(yōu)勢[1]。本文即是在C-V2X標(biāo)準(zhǔn)之上開展研究。

車聯(lián)網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分之一，除了能為未來智能交通管理系統(tǒng)提供幫助外，也具有一些明顯的缺陷：高速移動(dòng)的車輛節(jié)點(diǎn)將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁變化，鏈路連接時(shí)間相對較短，易產(chǎn)生中斷；易受地理環(huán)境和建筑物影響，導(dǎo)致車輛的通信覆蓋范圍受限；出行高峰期很難滿足所有通信車輛的實(shí)際帶寬需求。因此，考慮如何選擇具有最佳性能的中繼節(jié)點(diǎn)來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)以最大化保障車聯(lián)網(wǎng)的低延時(shí)、高可靠通信是很必要的。

本文針對城市道路中的V2I通信場景，考慮當(dāng)用戶車輛不能與基站或路邊基礎(chǔ)設(shè)施直接通信時(shí)，將大量的移動(dòng)車輛視為候選中繼，綜合考慮它們的時(shí)延、帶寬、節(jié)點(diǎn)切換預(yù)測值等性能參數(shù)以及用戶車輛的需求，并利用簡單線性加權(quán)方法找到最優(yōu)中繼。本方案將有利于提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，降低時(shí)延，同時(shí)緩解由車輛節(jié)點(diǎn)進(jìn)入陰影區(qū)域而引發(fā)的鏈路不穩(wěn)定。這種更加全面、多角度的中繼選擇方法，更能適用于未來車聯(lián)網(wǎng)的多種需求，并能有效提高用戶QoS滿意度。

1 相關(guān)工作

近年來，各國對車聯(lián)網(wǎng)的研究層出不窮，其目的多是為了實(shí)現(xiàn)車輛間的安全預(yù)警機(jī)制，同時(shí)滿足5G時(shí)代用戶更高要求的應(yīng)用需求，最終推動(dòng)自動(dòng)駕駛的實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)前，有許多研究者試圖將移動(dòng)自組網(wǎng)的相關(guān)中繼選擇方案應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)(特殊的移動(dòng)自組網(wǎng))。例如文獻(xiàn)[2]試圖將基于最短路徑的中繼選擇算法應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)，這種方法將距離用戶節(jié)點(diǎn)最小跳數(shù)的節(jié)點(diǎn)選為中繼，很難適應(yīng)于可能頻繁出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞的車聯(lián)網(wǎng)。因此，有研究者提出基于最小跳數(shù)和節(jié)點(diǎn)剩余能量的中繼選擇算法[3]及基于最小負(fù)載的中繼選擇方法[4]。

在大量的研究中，人們通常利用路側(cè)單元RSU為車輛提供中繼服務(wù)，文獻(xiàn)[5]利用路徑持續(xù)時(shí)間和路由持續(xù)時(shí)間來評(píng)估鏈路穩(wěn)定性，選擇能夠提供最長鏈路生存周期的節(jié)點(diǎn)來提供中繼服務(wù)。這種方法的確可以極大程度上減少時(shí)延，但是車聯(lián)網(wǎng)具有動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、車輛節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)等特點(diǎn)，這些都將影響車輛與RSU之間的穩(wěn)定鏈接，導(dǎo)致鏈路頻繁切換，增加額外的時(shí)延。因此，有研究者提出將移動(dòng)車輛視為中繼節(jié)點(diǎn)，為用戶提供網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，不僅能夠降低設(shè)備成本還能更好地適應(yīng)車聯(lián)網(wǎng)的動(dòng)態(tài)變化[6]。

文獻(xiàn)[7]提出多目標(biāo)優(yōu)化的移動(dòng)中繼選擇方法，節(jié)點(diǎn)切換預(yù)測值越高(即中繼節(jié)點(diǎn)在用戶通信范圍與非陰影區(qū)交叉區(qū)域停留時(shí)間大于通信時(shí)間)吞吐量預(yù)測值越高則被選為最優(yōu)中繼。文獻(xiàn)[8]提出基于端到端最大容量的移動(dòng)中繼選擇算法，仿真結(jié)果表明該算法端到端容量提升率達(dá)到50%。文獻(xiàn)[9]也提出一種移動(dòng)中繼車輛的選擇算法，該算法利用車輛速度、信號(hào)強(qiáng)度和候選中繼車輛與用戶車輛間的鏈路穩(wěn)定性構(gòu)造線性加權(quán)函數(shù)，函數(shù)值最高的中繼被選為最優(yōu)中繼。

本文即是在上述研究的基礎(chǔ)上，提出了新的車聯(lián)網(wǎng)中繼選擇方案——車聯(lián)網(wǎng)中基于多參數(shù)決策的中繼選擇方案。

2 中繼選擇方案設(shè)計(jì)

本文提出的適用于車聯(lián)網(wǎng)的多參數(shù)決策中繼選擇方案，利用移動(dòng)車輛提供中繼服務(wù)。在選擇中繼的過程中，綜合考慮用戶車輛的帶寬、時(shí)延需求以及中繼車輛的切換預(yù)測值，將性能最優(yōu)的中繼車輛被選為最優(yōu)中繼。

上述中繼選擇過程中涉及三種重要的決策參數(shù)，它們能從多方面保障系統(tǒng)穩(wěn)定。所選中繼車輛的可用帶寬若能滿足用戶車輛的需求甚至遠(yuǎn)大于用戶需求，就能保障用戶較高的傳輸速率，這將極大地提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。同時(shí)，5G時(shí)代數(shù)據(jù)的海量傳輸，必須將傳輸時(shí)延控制在最低水平，才能保障某些通信應(yīng)用的實(shí)時(shí)有效性，例如安全預(yù)警類應(yīng)用。此外，城市交通環(huán)境中的密集建筑物會(huì)引發(fā)信號(hào)盲區(qū)和陰影問題，導(dǎo)致通信鏈路頻繁切換，降低系統(tǒng)性能。因此，利用中繼節(jié)點(diǎn)切換預(yù)測值來表示候選中繼在用戶通信范圍與非陰影交叉區(qū)域內(nèi)的停留時(shí)間，停留時(shí)間越長代表該候選中繼能夠維持通信鏈路穩(wěn)定的時(shí)間越長[7]。最后，將這三個(gè)決策參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，構(gòu)造簡單線性加權(quán)函數(shù)來評(píng)估候選中繼的性能，其中加權(quán)函數(shù)值最大的候選中繼即為最優(yōu)中繼。

下面對本文所提方案涉及的通信場景、中繼選擇過程及性能評(píng)估進(jìn)行詳細(xì)描述。

2.1 通信場景

起初，車聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)是為了實(shí)現(xiàn)車輛間的互聯(lián)互通。隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的出現(xiàn)，逐步實(shí)現(xiàn)車輛與路邊基礎(chǔ)設(shè)施的鏈接成為我們研究的重點(diǎn)。特別是在城市交通環(huán)境中，各種信號(hào)干擾或是建筑物遮擋都容易產(chǎn)生盲區(qū)或陰影阻礙用戶車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信。此時(shí)，處于陰影區(qū)域的用戶車輛可以根據(jù)本文提出的中繼選擇方法選擇最優(yōu)中繼來協(xié)助其轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。所選最優(yōu)中繼，一方面要滿足用戶帶寬和時(shí)延要求且優(yōu)于其他候選中繼；另一方面，所選中繼處于用戶通信范圍與非陰影區(qū)域交叉區(qū)的時(shí)長也要大于其他候選中繼。本文的通信場景如圖1所示。

圖1 通信場景

2.2 基于多參數(shù)決策的中繼選擇方案流程

(1) 判斷是否可以直接通信?；净蚧A(chǔ)設(shè)施向車輛發(fā)送信息，攜帶基站或基礎(chǔ)設(shè)施的信號(hào)強(qiáng)度RSS、帶寬、時(shí)延等。用戶車輛對收到的信息進(jìn)行分析，若RSS大于等于預(yù)設(shè)值,且?guī)捄蜁r(shí)延滿足用戶需求，則用戶車輛切換至直接通信模式與基站或基礎(chǔ)設(shè)施通信；相反，則需要選擇中繼來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

(2) 確定候選中繼。選擇中繼的過程如下：首先，用戶車輛向其周圍的車輛發(fā)送數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)請求消息，攜帶用戶車輛節(jié)點(diǎn)的帶寬、時(shí)延等信息。接著，接收到用戶車輛消息的中繼車輛節(jié)點(diǎn)，若能夠提供比用戶車輛的需求更高的帶寬和更低的時(shí)延，則向用戶車輛回復(fù)確認(rèn)消息，其中攜帶自己的帶寬、時(shí)延、速度、方向等信息，同時(shí)成為候選中繼之一。若用戶車輛沒有收到回復(fù)確認(rèn)消息，則結(jié)束本次請求。

(3) 確定最優(yōu)中繼。最后，由用戶車輛自行選擇最優(yōu)中繼來為自己轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。若候選列表中只有一個(gè)候選中繼，那么該中繼就是最優(yōu)中繼。若列表中有多個(gè)候選中繼，則分別對每個(gè)候選中繼的帶寬、時(shí)延、節(jié)點(diǎn)切換預(yù)測值三種屬性進(jìn)行簡單的線性加權(quán)分析。具體做法是，首先對這三種屬性進(jìn)行規(guī)范化處理消除量綱和數(shù)量級(jí)的差異，接著人為確定各屬性的權(quán)重值β，最后求得線性加權(quán)函數(shù)值Q。Q值最大的候選中繼被選為用戶車輛的最優(yōu)中繼。

圖2 基于多參數(shù)決策的中繼選擇流程圖

2.3 候選中繼的性能評(píng)估過程

對各候選中繼的多個(gè)參數(shù)特征進(jìn)行規(guī)范化處理，并分別分配加權(quán)系數(shù)后相加求和，求和數(shù)值最大的候選中繼即為最優(yōu)中繼。本方案中涉及的參數(shù)分別分配相同的加權(quán)系數(shù)。

(1) 候選中繼可用帶寬的規(guī)范化。第i個(gè)候選中繼可用帶寬的規(guī)范化表達(dá)式如下：

(1)

(2) 用戶車輛接入外網(wǎng)時(shí)延的規(guī)范化。用戶車輛與基站或基礎(chǔ)設(shè)施間的接入鏈路包括兩部分，分別是用戶車輛與移動(dòng)中繼車輛間的鏈路以及候選中繼車輛與基站或基礎(chǔ)設(shè)施間的鏈路。因此用戶車輛接入基站或基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延為上述兩部分鏈路的時(shí)延之和。其規(guī)范化表達(dá)式如下：

(2)

(3)

(4)

(3) 候選中繼切換預(yù)測值的規(guī)范化。當(dāng)用戶車輛處于陰影區(qū)域或信號(hào)盲區(qū)時(shí)，第i個(gè)候選中繼位于用戶通信范圍與非陰影區(qū)域交叉區(qū)域的停留時(shí)間，即中繼切換預(yù)測值可表示為[7]：

(5)

定義其規(guī)范化為：

(6)

(4) 最優(yōu)中繼的確定。對上述三個(gè)規(guī)范化參數(shù)進(jìn)行簡單的線性加權(quán)求和，即可評(píng)估各候選中繼的性能，進(jìn)而確定最優(yōu)中繼。

Qi=β1χi1+β2(1-χi2)+β3χi3i=1,2，…,N

(7)

式中：β1、β2、β3為各項(xiàng)參數(shù)的權(quán)重值，且β1+β2+β3=1。

當(dāng)存在多個(gè)候選中繼車輛時(shí)，Q值最大的候選中繼則選為最優(yōu)中繼，即滿足下式：

(8)

3 仿真分析

本文使用MATLAB仿真工具對所提出的車聯(lián)網(wǎng)中繼選擇方案進(jìn)行性能評(píng)估，分別從吞吐量和中繼切換次數(shù)方面將所提方案與隨機(jī)中繼選擇方案和最短路徑中繼選擇方案進(jìn)行對比，仿真結(jié)果證實(shí)本文提出的方案更具優(yōu)越性。

選擇1.5 km的城市道路作為仿真中的車輛行駛道路，同時(shí)假設(shè)道路中陰影區(qū)域半徑為100 m。初始條件下用戶車輛和中繼車輛隨機(jī)分布在道路上且行駛方向一致，汽車最低時(shí)速20 km,最高時(shí)速60 km。由用戶車輛發(fā)起通信，通信時(shí)長服從泊松分布。仿真過程中，車輛循環(huán)出入仿真道路。本仿真歷時(shí)250 s。其他具體仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

圖3顯示了不同中繼選擇方法下的系統(tǒng)吞吐量變化。0 s至100 s內(nèi)，用戶車輛開始發(fā)起通信，數(shù)據(jù)量激增，系統(tǒng)吞吐量增大，曲線呈上升趨勢；隨后由于各用戶車輛完成通信或是切換中繼受阻會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)減少，吞吐量降低，曲線呈下降趨勢。如圖所示，雖然三種方法下的系統(tǒng)吞吐量變化趨勢相似，但本文提出的多參數(shù)決策中繼選擇方法能夠比其他兩種傳統(tǒng)方法獲得更高的吞吐量。這是因?yàn)楸疚奶岢龅闹欣^選擇方法將候選中繼的可用帶寬作為中繼選擇依據(jù)，保障了較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，才使得系統(tǒng)吞吐量提高。

圖3 吞吐量對比

圖4顯示了中繼車輛通信范圍的變化對系統(tǒng)吞吐量的影響?？梢钥闯?，隨著中繼車輛通信范圍的擴(kuò)大，用戶通信范圍內(nèi)的可用中繼增多，用戶選中最優(yōu)中繼機(jī)會(huì)增大，系統(tǒng)吞吐量逐漸提高，三種中繼選擇方法的曲線都呈上升趨勢。但是，本文提出的中繼選擇方法優(yōu)勢更加明顯。這是因?yàn)?，本方法考慮了節(jié)點(diǎn)的切換預(yù)測值，選擇可用帶寬最高、能夠協(xié)助用戶轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)間最長的候選中繼作為最優(yōu)中繼，使得用戶通信過程中的中繼切換次數(shù)減少，丟包率降低，更多的數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確傳輸，系統(tǒng)吞吐量也就比其他兩種中繼選擇方法高。

圖4 中繼車輛通信范圍對吞吐量的影響

圖5顯示了用戶車輛最大速度的變化對中繼切換次數(shù)的影響。其中，中繼車輛的通信范圍固定不變，取100 m。隨著用戶車輛相對速度的提高，中繼切換得更加頻繁。三種中繼選擇方法中，本文提出的多參數(shù)決策中繼選擇方法的累積切換次數(shù)最少，這是因?yàn)楸痉椒▽⒐?jié)點(diǎn)切換預(yù)測值作為最優(yōu)中繼的選擇依據(jù)。

圖5 用戶最大速度對中繼切換次數(shù)的影響

4 結(jié) 語

本文提出了一種適用于車聯(lián)網(wǎng)、基于多參數(shù)決策的中繼選擇方案，綜合考慮候選中繼節(jié)點(diǎn)的帶寬、時(shí)延、節(jié)點(diǎn)切換預(yù)測值以及用戶節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)需求，利用簡單的線性加權(quán)函數(shù)評(píng)估候選中繼的性能，最終得到最優(yōu)中繼。仿真結(jié)果表明，本文提出的中繼選擇方案在系統(tǒng)吞吐量和中繼切換次數(shù)方面比傳統(tǒng)方案更具優(yōu)越性。這將從多個(gè)角度提高用戶的QoS滿意度。

未來我們將在更多的實(shí)際環(huán)境下將本文所提方案與其他方案進(jìn)行對比分析，同時(shí)進(jìn)一步研究不同應(yīng)用場景與各個(gè)參數(shù)權(quán)重配置之間的關(guān)系。