盧偉

（江西科技學(xué)院協(xié)同創(chuàng)新中心，南昌330098）

0 引言

隨著工業(yè)信息化的快速發(fā)展，越來越多的車輛裝備了多個不同標(biāo)準(zhǔn)的車載通信接口，為車載應(yīng)用提供更加高效便捷的數(shù)據(jù)傳輸體驗［1］，從而使得高速運行的車載節(jié)點通過車聯(lián)網(wǎng)可以及時獲取車輛行駛的實時信息（如位置、天氣以及車況等），極大地改善了車主的駕駛體驗［2］。另一方面，隨著車聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，車主對車輛駕駛體驗提出了更高的服務(wù)要求，如從單一車輛信號數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)容豐富的流媒體數(shù)據(jù)（語音、圖像以及視頻等）綜合傳輸，這就要求車聯(lián)網(wǎng)具有一定的服務(wù)質(zhì)量（QoS）保證能力［3］。

受限于其傳統(tǒng)固化的數(shù)據(jù)傳輸機制，高速運行的車載自組織網(wǎng)絡(luò)在高動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蜔o線鏈路帶寬窄的車載傳輸節(jié)點中提供具有高QoS保障、安全以及實時應(yīng)用等傳輸體驗具有挑戰(zhàn)性。因此，在具有帶寬窄、內(nèi)存有限的車聯(lián)網(wǎng)中，如何有效利用車載節(jié)點多通信接入技術(shù)，在保障安全行駛的前提下，滿足車主對內(nèi)容豐富流媒體傳輸服務(wù)質(zhì)量是車聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化的必然趨勢［4］。本文借助多路徑傳輸機制的特點，探究了一種面向優(yōu)先級感知的車聯(lián)網(wǎng)多路徑傳輸機制（POVMPTCP），為高速運行的異構(gòu)車聯(lián)網(wǎng)提供高QoS的傳輸服務(wù)優(yōu)化提供思路。

1 車聯(lián)網(wǎng)研究現(xiàn)狀和趨勢

車聯(lián)網(wǎng)是指車載設(shè)備在車輛上通過無線通信技術(shù)，利用無線通信技術(shù)對信息網(wǎng)絡(luò)中的各種車輛動態(tài)信息（如車況、位置以及天氣等）進(jìn)行綜合利用，為車主車輛駕駛提供不同的信息化傳輸服務(wù)，從而實現(xiàn)車路通信、車車通信以及車與信息服務(wù)中心通信，提高了車主駕駛體驗和交通通行安全性及效率［5］。但是，車載節(jié)點本身是由一組高動態(tài)變化的無線節(jié)點組成，節(jié)點具有帶寬窄且無規(guī)律高速運動等特點，使得現(xiàn)有的車載節(jié)點具有鏈路不穩(wěn)定以及傳輸質(zhì)量低的特點。此外，為了提高傳輸效率，越來越多的車載節(jié)點裝備多個網(wǎng)絡(luò)通信接扣，但是傳統(tǒng)固化的車聯(lián)網(wǎng)傳輸機制忽略了該特性，缺乏在內(nèi)存有限的節(jié)點上通過對多通信接口進(jìn)行多路并行傳輸?shù)膬?yōu)化考慮［4］。

為了優(yōu)化傳輸服務(wù)質(zhì)量，國內(nèi)外研究學(xué)者對車聯(lián)網(wǎng)傳輸優(yōu)化機制進(jìn)行了廣泛的研究和討論。其中針對如何利用車載節(jié)點裝備多通信接口的特性問題，有關(guān)學(xué)者提出了融合多路徑傳輸協(xié)議（MPTCP）［6］的優(yōu)化思路，通過MPTCP對傳統(tǒng)TCP協(xié)議的擴(kuò)展，利用車載節(jié)點多通信接口在傳輸兩端建立多條通信鏈路，實現(xiàn)傳統(tǒng)傳輸協(xié)議在傳輸過程中多路徑并發(fā)。朱丹陽等［7］針對車聯(lián)網(wǎng)多路徑傳輸機制優(yōu)化設(shè)計中，提出了一種面向車聯(lián)網(wǎng)的基于丟包區(qū)分的MPTCP多路徑傳輸解決方案，該方案有力的驗證了在車載節(jié)點上利用其裝備多通信接口借助多路徑傳輸機制（MPTCP）實現(xiàn)多接口并行傳輸數(shù)據(jù)的方案，該方案證明了融合MPTCP的車聯(lián)網(wǎng)可以有效的車聯(lián)網(wǎng)的傳輸質(zhì)量和傳輸效率。融合MPTCP的車聯(lián)網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 融合MPTCP的車聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

融合MPTCP的車聯(lián)網(wǎng)可以提高傳輸服務(wù)質(zhì)量，但是如上文所述，車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)是多樣化的，車主在駕駛旅途中常常需要傳輸內(nèi)容豐富、海量化并存的流媒體數(shù)據(jù)。對于不同類型的信息其在鏈路傳輸中往往具有不同的重要性，即在融合MPTCP的車聯(lián)網(wǎng)中信息的傳輸優(yōu)先級差異較大，如行駛安全性相關(guān)的信息應(yīng)該優(yōu)先提供傳輸保證。然而，現(xiàn)有融合MPTCP的車聯(lián)網(wǎng)協(xié)議并未結(jié)合車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟煌ㄐ判枨?，進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)先級分配。針對上述問題，本文在車聯(lián)網(wǎng)中融合MPTCP，并提出了一種面向優(yōu)先級感知的傳輸優(yōu)化機制，在保證車聯(lián)網(wǎng)通信安全性的前提下，考慮了應(yīng)用優(yōu)先級傳輸?shù)男枨螅瑥亩鰪娷嚶?lián)網(wǎng)通信的傳輸服務(wù)質(zhì)量。

2 多路徑傳輸機制的研究基礎(chǔ)

2013年，國際互聯(lián)網(wǎng)任務(wù)工程組在兼容傳統(tǒng)控制協(xié)議的思想下，發(fā)布了基于TCP協(xié)議擴(kuò)展的多路徑傳輸協(xié)議，旨在通過利用當(dāng)下各種通信終端裝備多宿主接口，使終端可以同時建立多條傳輸鏈路接入到多個通信網(wǎng)中并行傳輸數(shù)據(jù)。改方案實現(xiàn)終端多條鏈路的帶寬擬合、鏈路通信的負(fù)載均衡以及鏈路的自動切換，有效的發(fā)揮了多宿主終端實現(xiàn)多接口的潛力，極大的提高了應(yīng)用數(shù)據(jù)的傳輸能力和保障了網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。在兼容傳統(tǒng)控制協(xié)議的思想下，MPTCP為高速移動的車載節(jié)點在車聯(lián)網(wǎng)通信中實現(xiàn)應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟⑿袀鬏斠约靶阅芨倪M(jìn)提供優(yōu)化的潛力［8-9］。

針對優(yōu)先級傳輸優(yōu)化問題，我們在前期研究中對流媒體融合MPTCP實現(xiàn)按需優(yōu)先級傳輸進(jìn)行了探究，并取得了一定的研究成果。與車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)類似，流媒體數(shù)據(jù)同樣是多種多樣的，用戶在請求流媒體應(yīng)用數(shù)據(jù)需要請求各種類型的數(shù)據(jù)，這些應(yīng)用數(shù)據(jù)對用戶來說是有數(shù)據(jù)重要性不一且對數(shù)據(jù)傳輸具有優(yōu)先級傳輸需求。因此，課題組設(shè)計了一種面向優(yōu)先級的多路徑流媒體傳輸策略，并通過仿真實驗的實驗數(shù)據(jù)顯示該優(yōu)化策略在網(wǎng)絡(luò)的傳輸吞吐量、時延以及抖動值上相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)均表現(xiàn)出一定的潛力，可以有效提高傳輸服務(wù)質(zhì)量，實驗結(jié)果如圖2所示。該方案的設(shè)想和驗證為在融合MPTCP的車聯(lián)網(wǎng)通信傳輸機制中提供面向優(yōu)先級傳輸服務(wù)提供借鑒思路。

圖2 面向優(yōu)先級的多路徑流媒體傳輸策略實驗結(jié)果

3 面向優(yōu)先級感知的車聯(lián)網(wǎng)多路徑傳輸機制探究

針對車聯(lián)網(wǎng)中，車主在行駛過程中對車載應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)先級及重要性（尤其是駕駛安全數(shù)據(jù)）需求不同導(dǎo)致用戶網(wǎng)絡(luò)體驗問題，本文在借鑒前期研究的基礎(chǔ)上，對融合可區(qū)分優(yōu)先級的MPTCP多路徑車聯(lián)網(wǎng)傳輸機制進(jìn)行優(yōu)化，以實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)通信可以區(qū)分車載應(yīng)用數(shù)據(jù)的重要性和安全性，優(yōu)先保證安全駕駛和優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)在質(zhì)量最好的路徑上傳輸，提高車載應(yīng)用數(shù)據(jù)的傳輸性能。該方案的主要設(shè)計思路如下：

（1）在融合多路徑傳輸協(xié)議的車聯(lián)網(wǎng)中實現(xiàn)對車載應(yīng)用數(shù)據(jù)的重要性感知，以滿足在多路徑并行傳輸車載鏈路實現(xiàn)對數(shù)據(jù)優(yōu)先級傳輸調(diào)度服務(wù)

在數(shù)據(jù)的傳輸服務(wù)中，我們可以先對車載應(yīng)用的數(shù)據(jù)包進(jìn)行優(yōu)先級標(biāo)記P={P1,P2,…,Pn}，以實現(xiàn)車載應(yīng)用數(shù)據(jù)的重要性的區(qū)分。當(dāng)需要傳輸?shù)能囕d應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)入發(fā)送隊列時,發(fā)送端通過跨層協(xié)同通信機制［10］從隊列中獲取每一條數(shù)據(jù)的優(yōu)先級標(biāo)記并保存到優(yōu)先級隊列中POlist={PO1,PO2,…,POn}，同時對隊列中數(shù)據(jù)包按優(yōu)先級進(jìn)行排序，使高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包優(yōu)先進(jìn)入發(fā)送隊列。

（2）在多通信鏈路并行傳輸服務(wù)中實現(xiàn)對鏈路傳輸服務(wù)質(zhì)量的感知和切換，以達(dá)到待發(fā)送的數(shù)據(jù)包盡可能在傳輸質(zhì)量最好的通道進(jìn)行。

融合多路徑傳輸協(xié)議的車聯(lián)網(wǎng)，可以在發(fā)送端和接收端建立多條并行傳輸?shù)耐ㄐ沛溌罚怯捎诋悩?gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，鏈路之間的傳輸服務(wù)質(zhì)量存在差異性（即鏈路通信質(zhì)量有優(yōu)劣之分）。為了實現(xiàn)重要數(shù)據(jù)的優(yōu)先傳輸，我們可以在根據(jù)獲取鏈路的RTT和CWND值用于記錄鏈路的傳輸質(zhì)量Path={Path1,Path2,…,Pathn}，然后對路徑質(zhì)量進(jìn)行排序后選取和切換出質(zhì)量最好的路徑用于重要性高的數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸。

（3）基于上述（1）（2）步實現(xiàn)基于鏈路傳輸質(zhì)量的數(shù)據(jù)優(yōu)先級調(diào)度

即當(dāng)發(fā)送端窗口空閑且可以發(fā)送數(shù)據(jù)包時，數(shù)據(jù)調(diào)度模塊會先對優(yōu)先級隊列的POlist數(shù)據(jù)包進(jìn)行優(yōu)先級判斷并選擇相應(yīng)的調(diào)度策略。如具有優(yōu)先級標(biāo)識（如安全駕駛數(shù)據(jù)）的數(shù)據(jù)包優(yōu)先出列并將當(dāng)前傳輸路徑切換成質(zhì)量最好的子流用于數(shù)據(jù)包的發(fā)送；若發(fā)送的數(shù)據(jù)包沒有優(yōu)先級需求，則繼續(xù)使用標(biāo)準(zhǔn)的傳輸調(diào)度策略進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)。

4 結(jié)語

本文針對在融合MPTCP的車聯(lián)網(wǎng)中缺乏對車載應(yīng)用數(shù)據(jù)具有重要性不一、傳輸優(yōu)先級不同的考慮，探究了一種面向優(yōu)先級感知的車聯(lián)網(wǎng)多路徑并行傳輸機制，根據(jù)數(shù)據(jù)包按需優(yōu)先傳遞的需求，對多路徑車聯(lián)網(wǎng)傳輸進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化討論，旨在為未來車聯(lián)網(wǎng)在多路并發(fā)、保證傳輸服務(wù)質(zhì)量等傳輸性能方面的優(yōu)化提供思路，為車主駕駛體驗提供更好的QoS?；谏鲜鏊枷?，在未來的工作中，課題組將搭建網(wǎng)絡(luò)仿真平臺來對面向優(yōu)先級感知的車聯(lián)網(wǎng)多路徑傳輸機制進(jìn)一步驗證和優(yōu)化，為在車聯(lián)網(wǎng)中融合多路徑并行傳輸在實際車載應(yīng)用中的部署打好基礎(chǔ)。