基于車聯(lián)網的動態(tài)信道切換研究

謝于晨 何鍵

摘 要：智能交通的應用趨于普及化，對于智能交通的要求也越來越高。車聯(lián)網作為智能交通的主體，也是一個重要的研究對象。車聯(lián)網通信信道包括控制信道和業(yè)務信道，它們之間因為業(yè)務需求需要進行不定時的切換。本文對以往的等間隔的信道切換機制進行了優(yōu)化研究，提出了一種基于車輛密度變化而完成動態(tài)信道切換的方案，該方案可以在保證行車安全的前提下進行控制信道和業(yè)務信道的切換，同時文中對新的信道切換機制進行了仿真驗證。

關鍵詞：車聯(lián)網；信道切換；動態(tài)

1 概述

車聯(lián)網作為物聯(lián)網的延伸，是智能交通的核心技術之一。車聯(lián)網體系結構中存在遠距離的通信方式和短距離的通信方式。后者關系到車輛的行駛安全指標，用于保證車輛間成功發(fā)送安全消息。車聯(lián)網的媒體接入控制層采用信道切換和信道競爭相結合，這使得車聯(lián)網安全信息發(fā)送的成功率會受到車輛密度的影響。當車輛比較少時，會出現(xiàn)信道資源利用率低的情況；當車輛擁堵時，車輛密度大，信道利用率非常高甚至出現(xiàn)信道堵塞，這要在規(guī)定的時間內，尤其是信道切換時間范圍內無法成功完成安全信息數(shù)據(jù)包的發(fā)送，從而對行車安全會產生一定的影響。為了縮短信道切換時間，提高信道切換的及時性，我們將提出一種新的信道切換機制，以增強安全信息數(shù)據(jù)包的發(fā)送成功率，使行車安全系數(shù)更加穩(wěn)定。

2 傳統(tǒng)信道切換分析

2.1 車聯(lián)網信道模型

在標準的無線接入車聯(lián)網中，分配給專業(yè)短程通信的頻率資源被分成兩類信道：控制信道（CCH）和業(yè)務信道（SCH）[ 1-2 ]。故而，在一個周期的信道時間內，一個時隙被分為了控制時隙以及業(yè)務時隙，并且兩個時隙進行相互交替，如圖1所示。

在WAVE協(xié)議中規(guī)定，控制信道（CCH）主要是用來傳送車輛行車安全相關的信息，包括車輛位置信息、時間信息及行駛方向等信息。把所有在控制信道上傳輸?shù)男畔⒔y(tǒng)稱為安全信息，它又分為周期性和非周期性兩種。

周期性的信息主要指車輛的行駛狀況，并周期性的發(fā)送給其周圍行駛的車輛，車輛收到信息后，對信息進行分析處理，從而確定車輛之間的安全行駛。

業(yè)務信道傳輸?shù)氖桥c控制信道不同的信息，即與安全不相關的信息，主要是指傳統(tǒng)的網絡業(yè)務。就是因為它發(fā)送的是非安全信息，所以業(yè)務信道發(fā)送的消息就沒有控制信道上的安全信息重要。

2.2 信道切換機制分析

目前車聯(lián)網中普遍使用WAVE裝置是單物理層的，即在某一個時刻，車輛只能在某一個信道進行數(shù)據(jù)包的收發(fā)。WAVE協(xié)議嚴格限制了控制信道和業(yè)務信道發(fā)送的消息，所以為滿足駕駛員的各種需求，有時候必須進行信道切換。

協(xié)議IEEE1609.4提出了四種不同的信道切換機制可供使用[ 3-5 ]，四種機制如下：

2.2.1兩種信道分別持續(xù)占用方式

這種模式沒有引入信道切換的概念，某個設備持續(xù)使用一種信道，要么一直工作在控制信道，要么一直工作在業(yè)務信道。一般情況下，設備都是默認在CCH下，除非有特殊請求。

2.2.2兩種信道等間隔切換

如圖1所示，CCH和SCH兩種信道在一個時隙周期內，一半是業(yè)務周期，一半是控制周期，周期性的進行信道切換[ 3 ]。

2.2.3業(yè)務信道占用

這種模式是在第二種模式的基礎，在同一個時隙內不規(guī)律的插入業(yè)務信道的運行時間，以滿足大量非安全信息的需求，所以這種模式主要是用在對非安全信息需求大的情況下。

2.2.4業(yè)務信道擴展占用

在確保車輛間行駛安全的情況下，業(yè)務信道與控制信道不進行等間隔切換，業(yè)務信道可連續(xù)占用多個周期，這種模式同樣適用于對非安全信息需求大的應用中。

現(xiàn)有機制雖然有四種，但是當我們的車輛密度信息發(fā)生變化，有時無法保證安全信息能夠成功發(fā)送出去。為了盡量使所有車輛安全信息在規(guī)定的時間內發(fā)送出去，我們需要對信道切換機制就行優(yōu)化修改。

3 動態(tài)信道切換方案

從目前的研究來看，現(xiàn)有的關于信道切換的機制都是基于等間隔的信道切換方式，也就是在100ms的周期內，控制信道和業(yè)務信道各占50ms。但是交通路況不是一成不變的，車輛密度也是變化的，在交通擁堵狀況出現(xiàn)時，車輛之間的安全信息有時候很難在規(guī)定的時間內完整發(fā)送。而此時，車輛又由于業(yè)務需求需要切換到業(yè)務信道，這就給交通造成了一個很大的安全隱患。

這里我們給出了一種動態(tài)信道切換方法，該方法基于車輛密度進行分析。方案流程圖如圖2所示。

假設在第一個起始時隙，所有的車輛都工作在控制信道CCH下，并且不進行信道切換。車輛首先需要采集車輛的位置、速度、車輛ID等信息[ 6 ]，組成一個數(shù)據(jù)報發(fā)送出去。其他車輛收到數(shù)據(jù)包后對相應的數(shù)據(jù)信息進行計算分析，為安全程序服務。同時還會對收到的數(shù)據(jù)包進行計數(shù)，為防止數(shù)據(jù)包的重復接收我們在每個數(shù)據(jù)包頭都加上車輛ID號，通過對比車輛ID，可以將重復的數(shù)據(jù)包丟棄并且不進行統(tǒng)計計數(shù)。然后我們根據(jù)數(shù)據(jù)包計數(shù)總數(shù)，根據(jù)公式：

式中Num表示數(shù)據(jù)包總數(shù)，L表示車道的數(shù)量，d1和d2分別表示，在該車的網絡覆蓋范圍內，該車前面距離最遠的車的距離和該車后面距離最遠的車的距離。

根據(jù)公式，我們可以算出車輛密度值，來判斷交通的路況情況。我們把交通路況進行級別劃分，一級為無擁堵情況，二級為相對行駛緩慢，三級為交通嚴重擁堵。根據(jù)等級的劃分，可以對車輛密度值進行相應的量化處理。

我們假設在1000米的道路范圍內，有50輛以下的車，發(fā)送所有的安全信息需在40ms以內，這時可以設置為一級無擁堵狀態(tài)，統(tǒng)一要求在40ms的時候進行切換。當車輛數(shù)據(jù)增加到100時，發(fā)送所有的安全信息需在50ms以內，這時對應二級一般擁堵情況，我們默認二級路況在50ms進行信道切換。當車輛繼續(xù)增加，發(fā)送所有的安全信息需在大于50ms，超過了規(guī)定的時間范圍，這時可以說處于三級非常擁堵的情況下，無法保證非安全信息的發(fā)送，需延長控制信道的占用時間，這就是所謂的動態(tài)進行信道切換的方案。

4 仿真分析

接下來我們對前面的方案進行仿真，以驗證方案的可行性。首先，來看一下車輛數(shù)和發(fā)包成功率與發(fā)包時間之間的聯(lián)系。從圖3可以看到，在車輛數(shù)目在100輛以下，發(fā)包的成功率都是100%，用于發(fā)包的時間也在50ms以內，而在車輛數(shù)據(jù)在100輛以上時，發(fā)送包的時間越來越長，發(fā)包成功率越來越低。所以在信道切換時，要根據(jù)道路的擁堵情況進行實時的調整，也就達到了一個動態(tài)切換的目的。

再來看一下本文提出的信道切換機制與原有的等間隔信道切換模式之間的對比。

圖4表明了在相同的車輛數(shù)目的前提下前者較后者在發(fā)包成功率有明顯的提高，也就是說，當車輛數(shù)目增加時，車輛之間需要收到的安全信息包就多，前者發(fā)送的成功率高，帶來的行駛安全隱患就越低，不會因為漏發(fā)安全信息數(shù)據(jù)包而引發(fā)交通事故，也就將交通意外風險降低了。這也就表明本人提出的信道切換方案在行車安全方面有一定的優(yōu)勢。

5 結論

車聯(lián)網通信網包括控制信道和業(yè)務信道，二者之間由于業(yè)務需求需要進行切換，而控制信道發(fā)送與安全相關的信息，直接影響到車輛間的行駛安全，所以在不影響行車安全的前提下才能進行信道切換。本文提出了一種經優(yōu)化的動態(tài)的信道切換機制，該機制可根據(jù)路況信息隨時切換，當車輛數(shù)達到一定量的時候，即道路擁堵時，車輛間在控制信道上發(fā)送的安全信息成功率會降低，這時需要確保行車安全后才能切換到業(yè)務信道執(zhí)行業(yè)務服務。該機制經過仿真驗證，可以完成動態(tài)切換的要求，并同時有效的降低了行車安全所引發(fā)的交通意外。隨著車輛數(shù)目的急劇增加，基于行車安全方面的車聯(lián)網研究將繼續(xù)進行。

參考文獻：

[1] 張鵬濤.車聯(lián)網車車信道仿真模型概述[J].通信設計與應用，2016.

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[5] x.zhang，h.su and H.-H.chen，”cluster-based multichannel communications prtotocols in vehicle adhoc networks” ，IEEE Wireless Communications[J].2006.

[6] 陳東升.多車干擾下的車距信號采集方法仿真[J].計算機仿真，2014.

作者簡介：謝于晨（1983-），女，碩士，工作于江西科技學院信息工程學院，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，移動通信，車聯(lián)網技術等；何鍵（1989-），男，江西鄱陽人，碩士，工作于江西科技學院信息工程學院，所學專業(yè)為控制理論與控制工程，研究方向：過程控制與網絡集成自動化。