姜 旭，袁 靜，張振興

(中國(guó)石油大學(xué)海洋與空間信息學(xué)院，山東 青島 266555)

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)以及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求越來越高，依賴性日益增加。人們希望能隨時(shí)隨地接入網(wǎng)絡(luò)，即使是在行駛的汽車?yán)?。物?lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步提高了車輛系統(tǒng)的智能化，這對(duì)于提升駕乘人員的安全度和舒適度至關(guān)重要，同時(shí)，也使得車輛在通信盲區(qū)與互聯(lián)網(wǎng)的接入成為了可能。未來的車輛將配備高效的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和無線通信接口，且采用先進(jìn)的技術(shù)工具為車輛提供便于彼此通信的手段[1]。在高速公路環(huán)境下，車輛作為一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，可通過電信運(yùn)營(yíng)商的蜂窩網(wǎng)絡(luò)便捷地接入互聯(lián)網(wǎng)來獲取相應(yīng)的服務(wù)，但是有限的帶寬、較高的延遲、較差的服務(wù)質(zhì)量以及昂貴的費(fèi)用制約了這種接入方式的發(fā)展。然而，近些年來隨著路側(cè)單元(Roadside Units, RSU)的大規(guī)模部署，車聯(lián)網(wǎng)通信更多地利用IEEE 802.11p通信協(xié)議以及專用短距離無線通信DSRC技術(shù)將汽車通過路邊節(jié)點(diǎn)AP(Access Point)接入互聯(lián)網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)信息之間的交互[2]。

車載自組織網(wǎng)絡(luò)(Vehicular ad hoc Network, VANET)中的通信大致可以分為車輛到路邊單元(Vehicle to Roadside Unit, V2R)和車輛到車輛(Vehicle to Vehicle, V2V)通信。車載環(huán)境(Wireless Access in Vehicular Environment, WAVE)中的無線接入基于IEEE 802.11p協(xié)議以及IEEE 1609.4協(xié)議簇，IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)的物理和MAC層協(xié)議被指定用于單信道操作，但是，由于DSRC中有7個(gè)信道可用，為了使單個(gè)無線電設(shè)備能夠訪問DSRC頻譜中的多信道，IEEE 1609.4協(xié)議規(guī)定了多信道操作標(biāo)準(zhǔn)[3]。根據(jù)傳輸消息的類別將信道分為2種不同類型：用于傳輸安全相關(guān)消息的控制信道(Control Channel, CCH)(例如：緊急消息、信標(biāo)消息和其他控制消息，如WAVE服務(wù)廣告(WAVE Service Advertisement, WSA))，以及用于傳輸非安全(例如視頻和娛樂服務(wù))數(shù)據(jù)的6個(gè)服務(wù)信道(Service Channel, SCH)。準(zhǔn)確的多信道操作需要多個(gè)車輛之間的時(shí)間同步。多個(gè)車輛可以通過GPS將CCH和SCH間隔與協(xié)調(diào)世界時(shí)間(UTC)同步。如果UTC不可用，車輛可以從其他車輛發(fā)送的WAVE時(shí)間廣告(WTA)幀中獲取時(shí)間信息[4]。信道時(shí)間分為固定長(zhǎng)度為100 ms的同步間隔。同步間隔(SI)包括50 ms CCH間隔(CCHI)和50 ms SCH間隔(SCHI)。在CCHI期間，所有設(shè)備都需要調(diào)諧到CCH以傳輸安全相關(guān)消息、控制消息或WSA消息，而在SCHI中，設(shè)備可以選擇調(diào)諧到特定SCH以傳遞非安全消息[5]。

然而在車載網(wǎng)絡(luò)中，路邊節(jié)點(diǎn)AP的覆蓋范圍有限，一般為300 m～1300 m，并且相鄰的AP距離較遠(yuǎn)，一般為8 km～16 km，而車輛只有在路邊單元的覆蓋范圍內(nèi)能夠接入AP以實(shí)現(xiàn)通信，因此當(dāng)車輛駛?cè)胂噜彽腁P通信范圍之間的區(qū)域，即通信盲區(qū)(Dark Area, DA)[6]時(shí)，車輛會(huì)有較長(zhǎng)的一段時(shí)間無法接入網(wǎng)絡(luò)。因此車輛只能間歇性地連接到網(wǎng)絡(luò)，這種延遲對(duì)于用戶是無法容忍的，尤其是下載大數(shù)據(jù)量的應(yīng)用或者需要提供在線實(shí)時(shí)服務(wù)時(shí)。一般地，當(dāng)車輛節(jié)點(diǎn)在一個(gè)AP通信范圍內(nèi)不能完成下載請(qǐng)求時(shí)，只能等待接入下一個(gè)AP后再繼續(xù)完成下載任務(wù)，這種較長(zhǎng)時(shí)間的延遲和通信的間斷性帶來很差的用戶體驗(yàn)，用戶很難享受便捷的實(shí)時(shí)信息交互。針對(duì)這種問題，使用車聯(lián)網(wǎng)協(xié)助下載能夠有效地解決通信盲區(qū)接入中斷的問題，并較好地滿足車載用戶對(duì)大數(shù)據(jù)量以及實(shí)時(shí)應(yīng)用的需求從而降低用戶的接入延遲。其次，由于車輛的大范圍快速移動(dòng)，車與車之間形成穩(wěn)定的連接時(shí)間相對(duì)較短，而且車輛之間形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)不穩(wěn)定，變化比較快。因此，盡可能延長(zhǎng)車與車之間的通信時(shí)間成為了協(xié)助下載傳輸較高數(shù)據(jù)量的重要保障，也是降低用戶獲取數(shù)據(jù)延遲的一種行之有效的方法。一般地，在高速公路環(huán)境下，車輛的通信半徑是250 m，車輛行駛速度為90 km/h～150 km/h，假設(shè)AP的通信半徑為800 m，車輛在AP中的下載速率為150 kB/s，則協(xié)助車輛可下載的數(shù)據(jù)量約為2880 kB～4800 kB，而對(duì)向行駛的協(xié)助車和目標(biāo)車的連接通信時(shí)長(zhǎng)約為6 s～10 s，對(duì)向協(xié)助下載速率為50 kB/s，那么可協(xié)助下載的數(shù)據(jù)量為300 kB～500 kB。而通常多信道切換是低于50 ms間隔的，且車對(duì)車的通信連接不會(huì)高于1 s，因此在通信盲區(qū)中利用多信道協(xié)助下載傳輸具有實(shí)際利用價(jià)值并且是可行的。

1 相關(guān)研究

SPAWN協(xié)議是協(xié)助下載方法的第一個(gè)具體應(yīng)用，其由Nandan等人[7]所提出，目前這一技術(shù)被廣泛應(yīng)用于城市道路和高速公路環(huán)境中的車輛通信。在城市道路環(huán)境中，文獻(xiàn)[8]采用了多層級(jí)的馬爾科夫鏈來預(yù)測(cè)車輛的下一位置狀態(tài)，從而為協(xié)助車的選車提供依據(jù)。文獻(xiàn)[9]將車輛的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)作為預(yù)測(cè)依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的行駛狀態(tài)的預(yù)測(cè)，并能夠針對(duì)目標(biāo)車來選取高概率相遇的車輛作為協(xié)助車實(shí)現(xiàn)協(xié)助下載，文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]主要根據(jù)城市道路模型中的AP/AP的分布來選擇合適的車輛提供協(xié)助下載。文獻(xiàn)[12]提出一種基于動(dòng)態(tài)時(shí)槽的對(duì)向協(xié)助下載方法。該方法將每個(gè)盲區(qū)作為單獨(dú)的區(qū)間，每輛車需要根據(jù)其對(duì)應(yīng)的目標(biāo)車的速度計(jì)算該車同目標(biāo)車的相遇時(shí)間及通信完成時(shí)間，并按照對(duì)向車輛與目標(biāo)車相遇時(shí)間先后順序進(jìn)行排序，由此選取恰當(dāng)?shù)能囕v作為協(xié)助車為目標(biāo)車提供協(xié)助下載。該方法拓寬了目標(biāo)車通信的范圍，由此提高了盲區(qū)利用率。當(dāng)然其對(duì)應(yīng)的缺陷也是非常顯著的，比如信號(hào)延時(shí)大，并且對(duì)環(huán)境敏感，尤其是車流密度較大的情況下容易發(fā)生通信擁堵的情況，而車流密度較低時(shí)對(duì)應(yīng)的盲區(qū)利用率則會(huì)降低。對(duì)于后者而言，相比前者，其最大的優(yōu)勢(shì)是目標(biāo)車同協(xié)助車相遇過程中，相對(duì)速度較大時(shí)對(duì)應(yīng)的通信質(zhì)量要好一些。文獻(xiàn)[13]利用同向車輛相對(duì)速率小、有較為穩(wěn)定快速連接的特點(diǎn)，通過能夠在盲區(qū)趕上目標(biāo)車的車輛將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)車實(shí)現(xiàn)同向車輛的協(xié)助下載。

在多任務(wù)環(huán)境下，除了盡可能提高系統(tǒng)吞吐量之外，還需考慮多個(gè)目標(biāo)車之間協(xié)助下載的平衡問題。綜合考慮2種因素，文獻(xiàn)[14]提出了一種近似全局最優(yōu)的多任務(wù)車聯(lián)網(wǎng)協(xié)助下載策略DSMov。DSMov采用二維矩陣方式表示盲區(qū)時(shí)空資源的狀態(tài)空間，并根據(jù)某一時(shí)刻的可能選車行為建立行為空間，通過建立馬爾科夫決策過程的優(yōu)化模型對(duì)盲區(qū)時(shí)空資源分配問題進(jìn)行求解，并利用車聯(lián)網(wǎng)通信特點(diǎn)簡(jiǎn)化選車行為空間以減少計(jì)算復(fù)雜度。

以上基于單信道的車聯(lián)網(wǎng)協(xié)助下載在多任務(wù)協(xié)助下載場(chǎng)景下會(huì)存在通信域疊加以及信道擁塞等問題，有較大的局限性。因此考慮多信道協(xié)助下載具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)于多信道協(xié)助下載，目前的研究相對(duì)較少，文獻(xiàn)[15]主要是對(duì)基于802.11p/WAVE的車聯(lián)網(wǎng)中AP下行流量的性能進(jìn)行分析。薛平[16]提出了CSCoDS多信道車聯(lián)網(wǎng)協(xié)助下載方案，該方案采用基于信道狀態(tài)的方式，將目標(biāo)車的2個(gè)可用信道分為5種狀態(tài)，簡(jiǎn)化了對(duì)向協(xié)助車選擇及通信信道的選擇，充分利用多信道通信的優(yōu)勢(shì)，有效提高用戶下載吞吐量，降低下載延遲。

對(duì)于多信道而言，目前車聯(lián)網(wǎng)通信中主要以IEEE 802.11p等相關(guān)的通信協(xié)議來進(jìn)行優(yōu)化，比如在文獻(xiàn)[17]和文獻(xiàn)[18]中分析這一協(xié)議下的車聯(lián)網(wǎng)信息傳輸?shù)幕拘阅?。而部分學(xué)者則是對(duì)這些基礎(chǔ)性的協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，以達(dá)到符合車聯(lián)網(wǎng)通信要求，如文獻(xiàn)[19]提出了MAC協(xié)議的改進(jìn)等協(xié)議方案，從而極大地豐富了車聯(lián)網(wǎng)中多信道下載的整體情況。當(dāng)然對(duì)于AP下載性能的優(yōu)化，也有很多新的方案被提出，最為典型的就是VCoDS協(xié)議[15]，即當(dāng)目標(biāo)車進(jìn)入AP通信區(qū)域時(shí)，其能夠直接從AP中獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。一旦其離開AP并進(jìn)入盲區(qū)時(shí)，AP能夠通過目標(biāo)車的當(dāng)前位置以及其周邊的車輛信息，來從與目標(biāo)車輛同向而行的車輛中找到距離合適的協(xié)助車，并通過多跳通信的方式來實(shí)現(xiàn)協(xié)助下載。這一方法的最大缺陷是沒有考慮多信道的情況。因此該方法的實(shí)際應(yīng)用范圍大大受限。當(dāng)然該方法可以作為協(xié)助下載的優(yōu)化方案，一旦能夠?qū)崿F(xiàn)同多信道通信模型的有效融合則可以顯著提升通信可靠性，并在此前提條件下實(shí)現(xiàn)AP下載吞吐量的顯著提升。

為解決上述問題，本文致力于研究VANET中高速公路環(huán)境下多車道雙向道路場(chǎng)景[20]，研究相反方向的車輛間協(xié)助下載的方案，提出一種基于協(xié)助車組的多信道協(xié)助下載系統(tǒng)架構(gòu)以及相應(yīng)的選車分配算法，以通過在特定場(chǎng)景中最佳地利用基于V2V的數(shù)據(jù)傳輸來增強(qiáng)數(shù)據(jù)服務(wù)的系統(tǒng)性能。具體而言，本文工作的主要內(nèi)容概括如下：

1)提出一種系統(tǒng)架構(gòu)，可以在高速公路雙向道路場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)V2V的多信道協(xié)助下載傳輸。此外，它將有助于協(xié)調(diào)多目標(biāo)用戶同時(shí)獲取協(xié)助車所攜帶的數(shù)據(jù)。

2)為了最大限度地提高用戶獲取數(shù)據(jù)量并降低用戶接入延遲，設(shè)計(jì)多信道接入機(jī)制以及對(duì)向協(xié)助車車組的選車策略。

3)進(jìn)行廣泛的模擬研究，以驗(yàn)證理論分析的合理性，并驗(yàn)證所提出的解決方案的有效性。

2 基于協(xié)助車組的多信道協(xié)助下載方法

2.1 系統(tǒng)模型分析

本文在對(duì)高速公路場(chǎng)景中協(xié)助下載方法深入研究的基礎(chǔ)上，提出一種基于協(xié)助車組的新型的多信道通信的車聯(lián)網(wǎng)協(xié)助下載方案McDvg (Multi-channel cooperative Downloading strategy of vehicle networking based on opposite cooperative vehicle group)。

美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)FCC(Federal Communications Commission)將5.9 GHz (5850 MHz～5925 MHz)頻段的75 MHz帶寬分為1個(gè)5 MHz的預(yù)留頻帶以及7個(gè)帶寬為10 MHz的信道[21]，其具體示意圖如圖1所示。在這7個(gè)信道中，Ch178為控制信道(CCH)，其作用在于傳輸控制信息實(shí)現(xiàn)對(duì)其它信道的管理；而其它信道為傳輸服務(wù)信息信道，即服務(wù)信道(SCH)。對(duì)于車聯(lián)網(wǎng)協(xié)助下載而言，其信息通信中的數(shù)據(jù)傳輸一般在普通服務(wù)信道中進(jìn)行，對(duì)此可以考慮多接口和多信道的協(xié)助下載形式。在多信道信息傳輸中，采用正交信道技術(shù)來降低各個(gè)信道之間的干擾。

圖1 FCC信道方案

在本文中，考慮采用Ch172、Ch174、Ch176、Ch180、Ch182以及Ch184等6個(gè)信道作為多信道模型基礎(chǔ)，并采用合并部分相鄰服務(wù)信道以減少多信道的干擾和增大帶寬，從而獲得更好的服務(wù)性能。其中信道Ch172和Ch184單獨(dú)用來傳輸服務(wù)信息，剩余的信道Ch174與Ch176合并為服務(wù)信道Ch175，Ch180和Ch182合并為服務(wù)信道Ch181，從而提升了帶寬。為了簡(jiǎn)化分析，本文僅考慮與目標(biāo)車對(duì)向協(xié)助車不多于4輛車進(jìn)行并行通信實(shí)現(xiàn)協(xié)助下載的情況，對(duì)此其對(duì)應(yīng)的多信道模型見圖2。

圖2 多信道協(xié)助下載模型

2.2 協(xié)助車組選車策略

對(duì)于協(xié)助下載策略而言，主要涵蓋目標(biāo)車組選車策略和協(xié)助車車組選車策略。在目標(biāo)車組選車過程中，當(dāng)車輛進(jìn)入AP通信覆蓋區(qū)域時(shí)，需要注冊(cè)自身的標(biāo)識(shí)idn、平均速度vn以及進(jìn)入該AP的時(shí)刻tn，因此AP最終得到其通信覆蓋范圍內(nèi)所有注冊(cè)車輛對(duì)應(yīng)的信息列表List={(id0,v0,t0),…,(idn,vn,tn)}。在高速公路場(chǎng)景下，行駛的車輛可以獲得這一列表信息，從而得到周圍車輛的基本信息，并為形成目標(biāo)車組提供了條件。當(dāng)然在一跳通信區(qū)域內(nèi)由于可能存在多輛車，這樣需要采用選車策略來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)車組內(nèi)的車輛選擇。對(duì)于目標(biāo)車組內(nèi)車輛選擇而言，一般需要充分考慮2車之間的相對(duì)速度以及通信綜合情況從而來進(jìn)行選擇。假設(shè)存在一個(gè)量化的值s，可以通過該值來衡量目標(biāo)車組內(nèi)車輛的選擇，即選擇該值最大化下的車輛，這一數(shù)值可以通過如下數(shù)學(xué)公式求?。?/p>

(1)

式(1)中，α、β為影響因子。Vl表示2車之間的相對(duì)速度，其對(duì)應(yīng)的單位為km/h，而W表示2車之間的通信帶寬，對(duì)應(yīng)的單位為kB/s。根據(jù)文獻(xiàn)[22]可知，當(dāng)Vl越小時(shí)，其對(duì)應(yīng)的通信效果越好。為簡(jiǎn)化選車策略可以忽略帶寬的影響，由此可見Vl對(duì)該環(huán)節(jié)的選車策略的影響是首要的。根據(jù)文獻(xiàn)[17]在多跳通信中對(duì)應(yīng)的相應(yīng)通信性能指標(biāo)，對(duì)目標(biāo)車組的頭尾節(jié)點(diǎn)要求如下：1)對(duì)向協(xié)助車同目標(biāo)車之間的通信跳數(shù)不大于4跳，并且要求首節(jié)點(diǎn)和尾節(jié)點(diǎn)跳數(shù)滿足h3；2)當(dāng)前車輛對(duì)應(yīng)的跳數(shù)h<3時(shí)，要求在其方位延伸線一跳的范圍內(nèi)沒有其他的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接入。對(duì)此，目標(biāo)車組內(nèi)，會(huì)定期進(jìn)行信息廣播，通過上述約束條件來確定新的首尾節(jié)點(diǎn)由此來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)車組的信息維護(hù)，并將目標(biāo)車的速度作為整個(gè)車組的速度。

當(dāng)目標(biāo)車進(jìn)入AP1通信區(qū)域時(shí)，此時(shí)目標(biāo)車會(huì)對(duì)該AP1提出協(xié)助下載請(qǐng)求并提交當(dāng)前目標(biāo)車組長(zhǎng)度L，忽略高速公路路寬，L的取值可近似為式子L=dhead+dtail。其中，dhead表示頭部節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)度，dtail表示尾部節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)度。若AP1計(jì)算出目標(biāo)車在AP1區(qū)域內(nèi)無法將整個(gè)內(nèi)容進(jìn)行完全下載時(shí)，它就會(huì)根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，如車速和帶寬等計(jì)算出在該AP1通信覆蓋區(qū)域能夠下載的數(shù)據(jù)量，并將這一相應(yīng)文件塊進(jìn)行傳輸，同時(shí)告知該目標(biāo)車行駛方向的相鄰的下一個(gè)AP2該目標(biāo)車列表信息以及剩余未下載完成的數(shù)據(jù)塊。相鄰的AP2會(huì)將相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊下載到所選擇的對(duì)應(yīng)的協(xié)助車組上，并通過該對(duì)向協(xié)助車組把相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊傳輸給目標(biāo)車，從而實(shí)現(xiàn)完整的協(xié)助下載任務(wù)。

當(dāng)下一個(gè)AP2收到目標(biāo)車輛通過所在AP1發(fā)出的請(qǐng)求后，會(huì)獲取自身的注冊(cè)車輛的信息列表，并能夠根據(jù)目標(biāo)車和協(xié)助車組內(nèi)車輛之間的相遇時(shí)間將這些數(shù)據(jù)塊順次存入。假設(shè)Bn、En為協(xié)助車和目標(biāo)車的開始與結(jié)束通信時(shí)間，則可以得到如下表達(dá)式：

(2)

(3)

其中，Tn表示選車時(shí)間，LDA表示通信盲區(qū)長(zhǎng)度，D表示路邊節(jié)點(diǎn)的通信半徑，r表示車輛的通信半徑，ts、tn分別為協(xié)助車與目標(biāo)車的進(jìn)入時(shí)間，vs、vn分別為協(xié)助車與目標(biāo)車進(jìn)入時(shí)對(duì)應(yīng)的速度。因此對(duì)應(yīng)的協(xié)助車選車策略可以表述如下：

1)以提升DA通信數(shù)據(jù)利用率最大為目標(biāo)，選定的協(xié)助車所攜帶的數(shù)據(jù)信息量不能低于其同目標(biāo)車相遇之時(shí)對(duì)應(yīng)的通信數(shù)據(jù)量。假設(shè)Dn表示協(xié)助車的數(shù)據(jù)通信量，因此上述約束關(guān)系可以表述如下：

(4)

其中，BAP表示AP的下載帶寬，BV表示車輛間通信帶寬。

2)滿足式(4)的車輛則可以作為協(xié)助車的備選車。當(dāng)然為了有效降低傳輸沖突，要求相鄰的2車之間的通信區(qū)域不能存在重疊區(qū)域，因此對(duì)于下一協(xié)助車輛而言，其通信開始時(shí)間要稍晚于上一協(xié)助車輛通信時(shí)刻。

3)滿足上述條件的協(xié)助車輛作為備選集。從通信角度而言，車輛同AP之間的通信質(zhì)量要好于車輛之間的通信，因此需要保證目標(biāo)車在AP區(qū)域沒有其它車輛在請(qǐng)求下載。對(duì)此要求在該集合中的任何車輛同目標(biāo)車之間的相遇時(shí)間要滿足如下公式：

(5)

根據(jù)公式(5)可知，當(dāng)該車同目標(biāo)車組相遇的時(shí)刻位于AP通信區(qū)域時(shí)，此時(shí)需要舍棄后續(xù)的備選集中的車輛。在此基礎(chǔ)上通過相應(yīng)的策略進(jìn)行優(yōu)化處理從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)配置的選車過程。

上述過程中詳細(xì)分析了協(xié)助車組下進(jìn)行協(xié)助下載的策略。對(duì)于上述過程，本節(jié)對(duì)此進(jìn)行總結(jié)，得到如下選車策略優(yōu)化步驟。

1)根據(jù)對(duì)應(yīng)的DA長(zhǎng)度和AP通信范圍D以及協(xié)助車進(jìn)入AP通信區(qū)域的時(shí)間和速度，通過如下公式得到允許的通信時(shí)間：

(6)

2)對(duì)結(jié)束通信時(shí)間和下一協(xié)助車開始的通信時(shí)間En、Bn進(jìn)行判斷，如果存在En>E>Bn則可以得到對(duì)應(yīng)的協(xié)助下載通信數(shù)據(jù)量，具體通過如下公式進(jìn)行計(jì)算：

Dn=(E-Bn)BV

(7)

3)確定下一通信開始時(shí)間，即：En=E，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)助下載過程。

2.3 McDvg方案分析

McDvg是一種在多信道融合下的選車方案，在這一方案中，主要是從協(xié)助車組中選取適合的協(xié)助車為目標(biāo)車提供協(xié)助下載服務(wù)。根據(jù)前文所述的協(xié)助車組選車策略，引入多信道融合背景，二者結(jié)合形成了本文所提出的McDvg方案。這一方案的具體內(nèi)容如下所示：

1)確定協(xié)助車協(xié)助傳輸數(shù)據(jù)最大化目標(biāo)，并得到協(xié)助車所攜帶的數(shù)據(jù)量如下：

(8)

其中，RRSU表示路邊單元的通信半徑，ROBU表示車輛的通信半徑，wR2O表示路邊單元的下載速率，wO2O表示對(duì)向協(xié)助下載速率。

2)選擇周邊范圍中滿足公式(8)的第1輛車作為協(xié)助車放入車組集合中，其對(duì)應(yīng)的信息包含進(jìn)入AP的時(shí)間、速度、攜帶數(shù)據(jù)量、通信綜合狀態(tài)信息以及識(shí)別號(hào)等，同時(shí)也包含目標(biāo)車輛的信道狀態(tài)s，把傳輸服務(wù)信息的信道Ch172、Ch175、Ch181、Ch184分別編號(hào)為信道1、信道2、信道3、信道4。當(dāng)s=0時(shí)表示無信道接口被占用，s=1表示信道1被占用，s=2表示信道2被占用，s=3表示信道3被占用，s=4表示信道4被占用；而s>5，則表示上述4個(gè)信道均被占用，s=5.1表示協(xié)助車占用信道1，s=5.2表示協(xié)助車占用信道2，s=5.3表示協(xié)助車占用信道3，s=5.4表示協(xié)助車占用信道4。為了降低通信沖突問題，要求為目標(biāo)車提供協(xié)助下載服務(wù)的協(xié)助車輛數(shù)目不能超過4輛。

3)當(dāng)目標(biāo)車進(jìn)入AP通信區(qū)域時(shí)，此時(shí)提供協(xié)助下載的協(xié)助車不能超過1輛，以此避免目標(biāo)車的AP通信擁堵問題，對(duì)于這一問題的處理需要采用相應(yīng)的處理方法，此處主要采用上述過程進(jìn)行處理。

上述方案就是本文所提出的McDvg，該方案考慮在協(xié)助車組提供協(xié)助下載的前提條件下，確定了多個(gè)協(xié)助車同目標(biāo)車進(jìn)行通信的處理過程，并同時(shí)在AP通信區(qū)域中，對(duì)目標(biāo)車同協(xié)助車之間的通信選擇、信道狀態(tài)分析等環(huán)境問題進(jìn)行探討，從而實(shí)現(xiàn)了高速公路場(chǎng)景中多車協(xié)助模式下的車輛之間的通信質(zhì)量的有效改善，由此提升了這一系統(tǒng)中車聯(lián)網(wǎng)的通信系統(tǒng)吞吐量，并為更為復(fù)雜的通信場(chǎng)景提供了可能。

3 性能評(píng)估

本文通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)McDvg方法的性能進(jìn)行評(píng)估。車輛行駛數(shù)據(jù)一部分采用中國(guó)科學(xué)院電動(dòng)汽車研發(fā)中心(上海)2010年9月—12月在高速公路G15上海段的測(cè)試數(shù)據(jù)，另一部分采用數(shù)據(jù)生成器自動(dòng)生成的。該方案采用Matlab軟件進(jìn)行相關(guān)仿真。具體仿真參數(shù)如下：AP/AP通信半徑RAP=800 m，車輛之間的節(jié)點(diǎn)通信半徑r=250 m,對(duì)應(yīng)的AP/AP通信下載速率和協(xié)助下載速率分別為wV2I=150 kB/s、wV2V=50 kB/s，協(xié)助車車速范圍為90 km/h～150 km/h，假設(shè)目標(biāo)車車速為90 km/h，在間距為L(zhǎng)DA路段中車流密度為ρ，其中ρ=λ/LDA。λ表示LDA長(zhǎng)度內(nèi)的車輛數(shù)，且λ服從泊松分布[23]。

圖3給出了λ=35時(shí)的無協(xié)助下載、單信道協(xié)助下載和本文的McDvg多信道協(xié)助下載等3種策略下的吞吐量變化圖。從圖中可知，在無協(xié)助下載模式下40 s～360 s內(nèi)該目標(biāo)車無任何數(shù)據(jù)下載；采用協(xié)助下載時(shí)在150 s處開始進(jìn)行數(shù)據(jù)下載，單信道下載策略在150 s～360 s的區(qū)間中，對(duì)應(yīng)的吞吐量?jī)H僅為本文所提出的McDvg的下載策略的一半。理想情況下，目標(biāo)進(jìn)入AP通信區(qū)域則會(huì)開始下載，此時(shí)對(duì)應(yīng)的下載數(shù)據(jù)量很少，在40 s處對(duì)應(yīng)的下載量為12 MB，對(duì)應(yīng)的平均下載速率為300 kB/s。此后車輛通過AP通信區(qū)域，進(jìn)入通信盲區(qū)，在無協(xié)助下載情況下，則無數(shù)據(jù)下載，因此如圖3中所示，無協(xié)助過程在40 s～360 s內(nèi)下載量沒有提升，而在360 s后提升的原因則是進(jìn)入下一個(gè)AP通信區(qū)域，而采用協(xié)助下載方式后，150 s處數(shù)據(jù)開始繼續(xù)增加的原因在于有車輛相遇而實(shí)現(xiàn)了協(xié)助下載過程，而單信道下載由于通信容量不足，因此多信道協(xié)助下載相比其下載量增加明顯，由此可見多信道協(xié)助下載能夠顯著提升車輛數(shù)據(jù)信息下載量。

圖3 λ=35時(shí)的各種協(xié)助下載策略下的吞吐量

圖4展示了不同密度下的McDvg性能。在無協(xié)助下載策略下，其對(duì)應(yīng)的吞吐量和車流無關(guān)，主要原因在于車輛之間的通信不起作用。但λ從20增加到80的過程中，對(duì)應(yīng)吞吐量不斷增加?？梢钥闯鲭S著車流密度的減小，對(duì)應(yīng)的通信質(zhì)量也越來越好，這其中的主要原因在于通信沖突的減少，能夠改善通信質(zhì)量，提升協(xié)助車的協(xié)助下載效率，因而對(duì)應(yīng)的下載量大。反之，隨著車輛數(shù)量的增加，車輛之間的協(xié)助下載效率由于通信擁堵而下降，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)協(xié)助下載效果不佳。因此在進(jìn)行多信道協(xié)助下載過程中，適當(dāng)?shù)膮f(xié)助車密度對(duì)于改善協(xié)助下載效果有較大的增益。

圖4 不同車流密度下的McDvg的吞吐量

4 結(jié)束語

車聯(lián)網(wǎng)協(xié)助下載技術(shù)是解決當(dāng)前高速公路環(huán)境中通信質(zhì)量不佳的重要舉措，其通過協(xié)助下載的方式彌補(bǔ)了通信盲區(qū)獲取不到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)導(dǎo)致目標(biāo)車輛獲取數(shù)據(jù)量低的缺陷。本文基于對(duì)向協(xié)助車組，立足于提升通信質(zhì)量這一研究目標(biāo)，重點(diǎn)研究了協(xié)助下載的基本策略、通信信道模型等相關(guān)內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上，提出了一種新的協(xié)助下載策略，其采用了新的協(xié)助車組合目標(biāo)車的選車策略進(jìn)行協(xié)助下載的車輛匹配，并考慮到通信環(huán)境的復(fù)雜性和多信道通信模型，將這些技術(shù)進(jìn)行有機(jī)組合形成了一種的新的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方案。最后，通過對(duì)比不同方案的協(xié)助下載吞吐量和不同車流密度下的網(wǎng)絡(luò)吞吐量的實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果，得出了本文提出的McDvg協(xié)助下載顯著提升了目標(biāo)車輛的下載數(shù)據(jù)量。該方案的可靠性得到了有效驗(yàn)證，其有望對(duì)當(dāng)前的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的具體實(shí)踐提供有效性支持。