劉國滿，盛 敬，白曉燃

（南昌工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，南昌330099）

車聯(lián)網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)中一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域，隨著其技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域和規(guī)模不斷擴(kuò)大，據(jù)專家初步估計，將來一兩年全球車聯(lián)網(wǎng)V2X市場將突破6500 億元，中國V2X 用戶將超過6000萬，滲透率超過20%，市場規(guī)模超過2000 億[1]。而無人駕駛技術(shù)是集人工智能、車輛工程、自動控制、信息通信、新能源、新材料等眾多技術(shù)于一體，是衡量一個國家科研水平和工業(yè)實(shí)力的一個重要標(biāo)志[2]。

當(dāng)前國內(nèi)外很多汽車企業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)公司從事無人駕駛汽車的開發(fā)和研究，并且取得了一定的成果，如谷歌公司開發(fā)的Waymo 和百度公司開發(fā)的Apollo 等無人駕駛汽車已在一定情況下，進(jìn)行實(shí)際路基測試，并在特定領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。但這兩者技術(shù)都離不開車輛之間通信技術(shù)，而當(dāng)前車輛之間通信性能不穩(wěn)定，其主要表現(xiàn)如以下兩點(diǎn)：

（1）通信信道不穩(wěn)定：車與車之間通信時很容易受到周邊障礙物或車輛運(yùn)動變化的影響，使得車輛之間通信信道很不穩(wěn)定。

（2）通信鏈路性能差：因?yàn)樵诟咚僖苿榆囕v之間通信，存在車輛的速度變化快，移動方向不確定，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓^于頻繁，使得通信鏈路連接時斷時好，節(jié)點(diǎn)之間的鏈路連接存在時間不長久[3]。

特別對相向行駛的兩個車輛來說，其相互通信鏈路持續(xù)時間LDT 很短。比如兩個相向行駛的車輛速度都為15 m/s 情況來說，其兩者通信有效半徑為20 m，其相互之間可以通信鏈路持續(xù)時間LDT 只有0.25 s 左右，如圖1所示。

圖1 相向行駛車輛通信鏈路持續(xù)時間仿真示意圖Fig.1 Simulation diagram of communication link duration of opposite vehicles

圖1中縱坐標(biāo)表示能夠與其通信的相向行駛的車輛ID 號，橫坐標(biāo)表示相向運(yùn)行車輛通信信號采集的時間，單位為s；從該仿真圖可以看出，其相向行駛的車輛之間通信鏈路持續(xù)時間LDT 比較短，嚴(yán)重地影響了車輛之間通信的效果。所以很有必要研究基于虛擬化的相向行駛車輛間通信機(jī)制和算法，來增加相向行駛車輛間通信的有效時間。文獻(xiàn)[4]提出了車與車間分簇路由通信機(jī)制，其簇內(nèi)成員采用可以直接相互通信，而簇外成員之間通信采用簇頭轉(zhuǎn)發(fā)方式來是實(shí)現(xiàn)通信；文獻(xiàn)[5]描述了車輛間主動式路由協(xié)議DSDV，要求每個車輛周期性地發(fā)送HELLO 報文，從而在車聯(lián)網(wǎng)中全部車輛都維護(hù)一張能夠通往任意車輛的路由信息；文獻(xiàn)[6]描述了DSR，AODV 兩種反應(yīng)式路由協(xié)議，僅僅在車輛需要發(fā)送信息時，才會啟動路由發(fā)現(xiàn)過程，建立與目的車輛間轉(zhuǎn)發(fā)路徑；文獻(xiàn)[7]提出了DBR 路由協(xié)議，該協(xié)議是根據(jù)車輛間距離和當(dāng)前的車輛速度來選擇下一跳，車輛間距離依賴于車輛間的相對速度；文獻(xiàn)[8]提出IGR（impproved geographical routing）協(xié)議，主要是結(jié)合了車輛間方向、距離及轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)度等因素來選擇下一跳；文獻(xiàn)[9]描述了GSR 路由協(xié)議，主要根據(jù)特定路由算法計算出一條距離最短的路徑，并在路由中包含路口信息，可以解決GPSR 沒考慮的方向問題。

1 行駛車輛節(jié)點(diǎn)的虛擬化機(jī)制

1.1 虛擬化機(jī)制和原理

本文所述的虛擬化是指將路上行駛的具有同樣或相似運(yùn)行特征，如運(yùn)行的方向、速度以及相互間相對距離、方向角等的兩個或兩個以上運(yùn)行車輛節(jié)點(diǎn)，被看作一個虛擬的車輛節(jié)點(diǎn)與外界車輛節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，如圖2所示。

圖2 虛擬化機(jī)制示意圖Fig.2 Schematic diagram of virtualization mechanism

圖2中運(yùn)行的3 輛汽車A，B，C 以同一個方向進(jìn)行行駛，其相互之間距離相對穩(wěn)定，運(yùn)行速度相似等，就可以將這3 個車輛節(jié)點(diǎn)A，B，C 看作一個虛擬車輛節(jié)點(diǎn)，與外界車輛節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，且與外界車輛節(jié)點(diǎn)通信采用串行方式，虛擬車輛節(jié)點(diǎn)上任何子節(jié)點(diǎn)A，B，C，都可以與外界節(jié)點(diǎn)獨(dú)立通信，但同一信息報文只能選擇其中一個子節(jié)點(diǎn)與外界車輛節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信[10]。

另外，相向車輛間通信鏈路持續(xù)時間LDT，其計算公式為

式中：Tr表示車輛之間有效通信半徑；Vi和Vj分別表示兩個相向行駛車輛運(yùn)動平均速度[11]；φ 表示相向行駛車輛之間偏差角，由于相向行駛車輛之間存在偏差角，所以兩車實(shí)際距離Sd與水平距離L 存在一定差別，如圖3所示。

圖3 相向行駛車輛實(shí)際距離與水平距離關(guān)系示意圖Fig.3 Schematic diagram of relationship between actual distance and horizontal distance of vehicles driving opposite direction

所以Sd與L 之間關(guān)系為

1.2 虛擬空間拓?fù)涓聶C(jī)制

在車輛運(yùn)行過程中，虛擬空間上某一個子節(jié)點(diǎn)相對于其它子節(jié)點(diǎn)來說，出現(xiàn)了運(yùn)動特征的變化，如速度或方向上突然變化，而不能維持虛擬節(jié)點(diǎn)內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定狀態(tài)，這時候就需要對虛擬節(jié)點(diǎn)上拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行更新，刪除虛擬空間上一個或多個子節(jié)點(diǎn)。另一方面，當(dāng)外界其它車輛節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了與虛擬空間上節(jié)點(diǎn)相同或相似運(yùn)動性質(zhì)時，則虛擬空間將接收該車輛節(jié)點(diǎn)為虛擬空間上節(jié)點(diǎn)，更新虛擬空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但考慮到虛擬空間節(jié)點(diǎn)通信信道的穩(wěn)定性，則不易頻繁地更新虛擬空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這里采用3 個車輛運(yùn)動相關(guān)模糊參量變化情況來判斷虛擬空間拓?fù)涓碌目赡艽笮　＿@3 個模糊參量分別是虛擬空間內(nèi)相鄰子節(jié)點(diǎn)之間距離D、與虛擬空間內(nèi)所有子節(jié)點(diǎn)的相對速度差SV以及相鄰子節(jié)點(diǎn)之間角度θ，可根據(jù)這3 個模糊參量變化情況，可以將虛擬空間拓?fù)涓碌目赡苄苑殖? 檔：Very Small，Small，Normal，Big 和Very Big，制定了以下拓?fù)涓履：?guī)則[12]，如表1所示。

表1 虛擬空間拓?fù)涓履：?guī)則Tab.1 Virtual space topology updates fuzzy rule

1.3 虛擬空間節(jié)點(diǎn)形成機(jī)制

在成立虛擬空間之前，需要每個車輛節(jié)點(diǎn)向其直接相鄰節(jié)點(diǎn)廣播其本車輛節(jié)點(diǎn)行駛的性質(zhì)[13]，包括其當(dāng)前運(yùn)動平均速度、運(yùn)行的方向以及當(dāng)前所在位置以及其已知的相鄰其它車輛節(jié)點(diǎn)的行駛性質(zhì)，以便在其可通信范圍內(nèi)所有車輛節(jié)點(diǎn)學(xué)習(xí)到整個通信范圍內(nèi)所有車輛節(jié)點(diǎn)的行駛性質(zhì)，根據(jù)自組織網(wǎng)絡(luò)方式，將行駛性質(zhì)相似的幾個車輛節(jié)點(diǎn)組成一個虛擬空間節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)車輛所處的位置和其他子節(jié)點(diǎn)通信距離、時間等參數(shù)，系統(tǒng)將會選擇虛擬空間范圍內(nèi)接近中間位置的車輛節(jié)點(diǎn)作為該虛擬空間控制節(jié)點(diǎn)，維護(hù)和管理該虛擬空間。當(dāng)控制節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)異?；驈脑撎摂M空間中刪除，則根據(jù)車輛所處的中間位置，重新選擇一個車輛節(jié)點(diǎn)作為虛擬空間控制節(jié)點(diǎn)。其整個流程如圖4所示。

圖4 虛擬空間形成流程Fig.4 Formation flow chart of virtual space

1.4 虛擬空間內(nèi)通信機(jī)制

對于虛擬空間內(nèi)子節(jié)點(diǎn)之間通信機(jī)制，主要分成兩種：一種針對其直接相鄰的虛擬空間內(nèi)子節(jié)點(diǎn)來說，采用特定頻段的組播方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，以便周圍的虛擬空間內(nèi)子節(jié)點(diǎn)能接收到組播報文；另一種對于沒有直接相鄰的虛擬空間子節(jié)點(diǎn)來說，若采用逐跳轉(zhuǎn)發(fā)方式，可能帶來較大拓?fù)涓碌膹?fù)雜性和傳送延遲[14]。所以對于部分虛擬空間子節(jié)點(diǎn)之間，也可以考慮建立邏輯上端到端傳送路徑方式，實(shí)現(xiàn)部分虛擬空間子節(jié)點(diǎn)之間通信，減少拓?fù)渥兓挠绊?，提高了報文的傳送效率?/p>

1.5 虛擬空間節(jié)點(diǎn)與外界節(jié)點(diǎn)通信機(jī)制

由于虛擬空間節(jié)點(diǎn)對于外界車輛節(jié)點(diǎn)來說，相對于一個車輛節(jié)點(diǎn)與外界車輛節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，從而減少了信息傳遞的節(jié)點(diǎn)跳數(shù)[15]。且虛擬空間節(jié)點(diǎn)與外界車輛節(jié)點(diǎn)之間通信，可以根據(jù)虛擬空間上子節(jié)點(diǎn)與外界通信車輛節(jié)點(diǎn)之間實(shí)際距離，選擇虛擬空間任何一個子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，如圖5所示。

圖5 虛擬空間節(jié)點(diǎn)與外界通信機(jī)制Fig.5 Communication mechanism between virtual space node and outside

對于一個A，B，C 三個車輛節(jié)點(diǎn)組成一個虛擬空間與對向行駛的D 車輛通信來說，車輛D 將根據(jù)虛擬空間上子節(jié)點(diǎn)A，B，C 是否在其通信有效范圍內(nèi)或通信的性能來選擇不同的子節(jié)點(diǎn)作為虛擬空間節(jié)點(diǎn)實(shí)際通信的節(jié)點(diǎn)。另外，虛擬空間上子節(jié)點(diǎn)接收到相向行駛的車輛發(fā)送過來的信息，再通過虛擬空間內(nèi)部通信機(jī)制，將所收到信息進(jìn)行內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā)，以便虛擬空間上所有車輛節(jié)點(diǎn)接收到該信息。

2 驗(yàn)證和測試

本部分主要采用對比分析的方法來分析相向行駛車輛之間通信連接的可靠性以及它們之間鏈路持續(xù)時間LDT 的仿真測量[16-17]。首先對沒有虛擬化獨(dú)立相向行駛的車輛運(yùn)行場景進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果如圖1所示；然后采用將2 個運(yùn)行行駛的車輛虛擬化成1 個虛擬節(jié)點(diǎn)，與對向行駛的車輛進(jìn)行通信時，且3 個車輛運(yùn)動速度均為15 m/s，為了保證車輛之間通信可靠性，設(shè)定車輛有效通信半徑為20 m，則Prescan 設(shè)定場景如圖6所示，Matlab 仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 基于2 個車輛虛擬機(jī)制相向通信場景Fig.6 Communication scenario based on two vehicles virtual mechanism

圖7 兩個車輛虛擬化的仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of two vehicles virtualization

圖7中縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)的坐標(biāo)值與圖1一樣，從仿真結(jié)果可以看出，其相向行駛的車輛與兩個車輛組成虛擬空間之間鏈路持續(xù)時間為0.7 s 左右，幾乎比前者單個車輛之間通信鏈路持續(xù)時間LDT 擴(kuò)大2 倍以上。

下面以3 個車輛組成虛擬空間與相向行駛的車輛進(jìn)行通信時，其設(shè)定Prescan 運(yùn)動場景如圖8所示；其運(yùn)行速度也都設(shè)定為15 m/s，其車載通信設(shè)備有效通信半徑為20 m。則虛擬空間節(jié)點(diǎn)與相向行駛車輛之間通信的仿真結(jié)果如圖9所示。

圖8 基于3 個車輛虛擬機(jī)制相向通信場景Fig.8 Communication scenario based on three vehicles virtual mechanism

從圖9仿真結(jié)果來說，3 個車輛虛擬化后，其組成的虛擬空間節(jié)點(diǎn)與相向獨(dú)立車輛通信的鏈路持續(xù)時間LDT 接近于1.1 s 左右，幾乎為虛擬化前鏈路持續(xù)時間的4～5 倍，所以有力地說明了本文所述虛擬化機(jī)制能增加相向行駛車輛之間通信鏈路持續(xù)時間LDT，有利于相向行駛車輛之間的通信可靠性。

圖9 三個車輛虛擬化的仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of three vehicles virtualization

3 結(jié)語

根據(jù)Prescan/Matlab 對相向行駛車輛的運(yùn)動場景的仿真，可以明顯地看出將多個具有相同方向、相似的運(yùn)動速度以及相近位置的車輛，虛擬成一個具有多個子節(jié)點(diǎn)組成的虛擬空間節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)與相向行駛車輛之間通信。通過仿真結(jié)果表明，將2 個或3個車輛組成虛擬化空間后，能顯著地增加相向行駛車輛之間通信鏈路持續(xù)時間LDT，有利于相向行駛車輛之間通信的可靠性。但當(dāng)前實(shí)驗(yàn)主要是在虛擬空間內(nèi)子節(jié)點(diǎn)之間通信正常情況下所做的仿真，假如虛擬空間內(nèi)子節(jié)點(diǎn)通信出現(xiàn)異常情況，也可能會影響到虛擬空間節(jié)點(diǎn)與外界車輛節(jié)點(diǎn)通信的可靠性[18-19]，所以這也是將來需要考慮虛擬空間內(nèi)子節(jié)點(diǎn)之間通信機(jī)制和方案。