車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化問題研究

林海霞（河北工程技術(shù)學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院，河北石家莊，050091）

車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化問題研究

林海霞
（河北工程技術(shù)學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院，河北石家莊，050091）

車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和有效傳輸是智能交通系統(tǒng)中的基礎(chǔ)。本文在分析原有移動(dòng)感知網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸存在不足的基礎(chǔ)上，描述了車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｐ停攸c(diǎn)分析了數(shù)據(jù)傳輸過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)沖突問題，利用構(gòu)建移動(dòng)聚集樹的方法來(lái)消除樹間的沖突，并采用仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此種方法的數(shù)據(jù)延時(shí)較小。

車聯(lián)網(wǎng) ；無(wú)線感知網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)傳輸； 沖突

0 引言

隨著智能交通時(shí)代的到來(lái)，車輛的實(shí)時(shí)導(dǎo)航、路障避讓、風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避、交通監(jiān)控等應(yīng)用都需要大量的實(shí)時(shí)車輛信息。如車輛的位置信息、速度信息、加速度信息、轉(zhuǎn)向信息等。這些信息如何快速而準(zhǔn)確地被收集并加之應(yīng)用是一個(gè)非常重要的實(shí)際問題。

車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是一種典型的無(wú)線移動(dòng)感知網(wǎng)絡(luò)，它具有傳統(tǒng)移動(dòng)自組織網(wǎng)的特點(diǎn)，又具備移動(dòng)頻繁、拓?fù)渥兓臁⑴R時(shí)組織性強(qiáng)等特點(diǎn)，是一種更為復(fù)雜的移動(dòng)感知網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)此類情況需要設(shè)計(jì)一種快速而可靠的數(shù)據(jù)聚集算法。

1 相關(guān)工作

為了解決車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通信的難點(diǎn)問題，文獻(xiàn)[1-7]中都提出了各種數(shù)據(jù)傳輸算法。如文獻(xiàn)[1-3]中運(yùn)用分簇的思想，將節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分，相互獨(dú)立的簇構(gòu)成了一個(gè)虛擬的的網(wǎng)絡(luò)來(lái)承載和轉(zhuǎn)發(fā)信息。這種思想雖然減少了轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，但是由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓奶於沟霉?jié)點(diǎn)不得不頻繁地交換信息，這樣就會(huì)消耗大量的網(wǎng)絡(luò)資源。文獻(xiàn)[4-5]中提出了一種基于概率P轉(zhuǎn)發(fā)的多跳數(shù)據(jù)傳輸算法，即當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后，它將以概率P將收到的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)出去，會(huì)以1-P的概率將數(shù)據(jù)包丟棄。此算法能有效減少中繼節(jié)點(diǎn)的比例。文獻(xiàn)[6]中提出了基于計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)傳輸思想。這種算法能有效地抑制節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)的重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)，減少對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)，但會(huì)影響數(shù)據(jù)的時(shí)延。文獻(xiàn)[7]中提出的算法考慮了車輛的空間分布和信道質(zhì)量等對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懀岢隽嘶谧赃m應(yīng)閾值的算法思想。這種思想是在節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)車輛的相對(duì)位置，如果相對(duì)位置大于某個(gè)閾值，則節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包；如果相對(duì)位置小于此閾值，則丟棄數(shù)據(jù)包。該思想是通過覆蓋區(qū)域的面積來(lái)衡量轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。文獻(xiàn)[8]提出了要考慮節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)特性，通過維護(hù)鄰居節(jié)點(diǎn)的位置信息、加速度信息、速度信息等來(lái)預(yù)測(cè)相鄰節(jié)點(diǎn)間的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，然后再選擇適合的節(jié)點(diǎn)做中繼節(jié)點(diǎn)。這種算法能夠提高數(shù)據(jù)傳輸信息的可靠性，但是會(huì)占用更多的網(wǎng)絡(luò)資源，需要增加開銷。

2 研究思想

本文在研究數(shù)據(jù)傳輸時(shí)考慮了車輛節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)軌跡和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)刻。現(xiàn)設(shè)計(jì)一個(gè)模型用于描述此思想：模型由一個(gè)固定AP節(jié)點(diǎn)和n個(gè)移動(dòng)感知節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過程中將所產(chǎn)生速度信息、加速度信息、位置信息、轉(zhuǎn)向信息等發(fā)送出去。這些信息經(jīng)過鄰居節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，路由到AP節(jié)點(diǎn)，AP節(jié)點(diǎn)將收到的這些信息進(jìn)行聚集后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)的處理中心，以便提供給車輛決策支持。如圖1所示。

圖1 車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模型

本文研究的問題重點(diǎn)放在這些移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)如何選擇下一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)，以及合適進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。解決好這兩個(gè)問題可以有效地減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的沖突，提高數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量。

3 傳輸模型描述

3.1 數(shù)據(jù)傳輸模型

首先本文模擬出車輛的移動(dòng)模型。令移動(dòng)節(jié)點(diǎn)n在時(shí)刻i處于的位置為(x(i),y(i))處，隨著移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，車輛n會(huì)形成一nn個(gè)運(yùn)動(dòng)位置軌跡為T=((X(0),y(0)),(X(1),y(1)),...,(X(i),y(i)))，車輛nnnnnn n與車輛m在j時(shí)刻通信的條件應(yīng)滿足，當(dāng)且僅當(dāng)j時(shí)刻節(jié)點(diǎn)n和節(jié)點(diǎn)m之間的歐式距離小于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信半徑R時(shí)。假如已知s個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過移動(dòng)通信軌跡集TJ以及半徑為R的圓盤通信模型，可以得出d個(gè)時(shí)刻的通信拓?fù)湫蛄小Ｈ缓罄么送負(fù)浣Y(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)造出移動(dòng)通信的拓?fù)鋱D。

下面給出移動(dòng)通信節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋱D的定義。

定義1：移動(dòng)節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋱DMCPG。圖G=（V，E），其中V為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)集，包括N個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)AP節(jié)點(diǎn)；E為形成的鏈路集，E={(n, m, CTnm)|n, m∈V }，其中n,m是兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，CTnm是節(jié)點(diǎn)n與節(jié)點(diǎn)m之間的鏈路連通集，CTnm={P|≤R},表示節(jié)點(diǎn)n在移動(dòng)通信節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋱DG上的鄰居節(jié)點(diǎn)集，圖G中邊E表示一條鏈路，假設(shè)每條鏈路容量為常數(shù)，設(shè)置其值為1，被調(diào)度節(jié)點(diǎn)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)差不超過鏈路的容量。

3.2 構(gòu)建樹狀路由并消除沖突

在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，以AP為根節(jié)點(diǎn)構(gòu)造鏈路樹。節(jié)點(diǎn)n到節(jié)點(diǎn)m存在一條可達(dá)路徑Pnm=（nm| e1,v1,e2,v2,….,eR, vR）,且該路徑上存在一個(gè)連通的遞增時(shí)刻序列，即：t1, t2,……tk,t1∈CT`1, t2∈CT`2, ……, tk∈CT`k。并且使t1＜t2＜……tk.。

下面通過移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到達(dá)AP節(jié)點(diǎn)的可達(dá)路徑構(gòu)建聚集樹。

定義2：移動(dòng)節(jié)點(diǎn)聚集樹由AP節(jié)點(diǎn)和所有的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到AP節(jié)點(diǎn)的可達(dá)路徑用T=（V，ET）表示。其中V為節(jié)點(diǎn)集，ET為鏈路集。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)間的沖突，沖突分為兩種情況。一種是同一個(gè)節(jié)點(diǎn)不能同時(shí)接收多個(gè)數(shù)據(jù)；另一種是一個(gè)節(jié)點(diǎn)在接收數(shù)據(jù)時(shí)不能和其它節(jié)點(diǎn)互相干擾。

利用移動(dòng)節(jié)點(diǎn)聚集樹來(lái)描述沖突問題：當(dāng)不同子樹上的節(jié)點(diǎn)存在無(wú)線鏈路時(shí)，某個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向它的父節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，另一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)不能接收其兒子節(jié)點(diǎn)傳送過來(lái)的數(shù)據(jù)，即沖突圖中節(jié)點(diǎn)之間的鏈路邊在同一時(shí)刻集之間不能重疊。所以，在聚集樹中將邊的兩個(gè)端點(diǎn)中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的候選傳輸時(shí)刻集中的相交區(qū)域進(jìn)行劃分，對(duì)相交的區(qū)域在一個(gè)端點(diǎn)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的候選傳輸時(shí)刻集中保留，而在另一個(gè)端點(diǎn)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的候選時(shí)刻集中去掉，即達(dá)到了避免沖突的目的。

4 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

本文仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)來(lái)源于cabspotting項(xiàng)目組，數(shù)據(jù)集包括舊金山大約600輛出租車采集的20多天的GPS數(shù)據(jù)，每輛車的移動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)保存在以該輛車的ID號(hào)命名的文件中，此文件的每一條記錄便是一個(gè)時(shí)刻該車輛的GPS軌跡數(shù)據(jù)。

首先需要對(duì)整個(gè)采集的數(shù)據(jù)根據(jù)時(shí)間段進(jìn)行分片，將每一個(gè)時(shí)間片中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)整理為一個(gè)文件，以便形成單時(shí)間片數(shù)據(jù)文件。再根據(jù)給出的通信半徑R和圓盤模型，生成單時(shí)間片通信節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖文件。仿真采用NS2模擬器來(lái)模擬無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，MAC層采用802.11g協(xié)議，隨后將處理的數(shù)據(jù)集導(dǎo)入NS2中，并在NS2上運(yùn)行規(guī)劃算法，按照實(shí)際得到的結(jié)果進(jìn)行輸出。

本文將PTSDP-PEI算法、PTSDP-S算法和DB-VDG算法進(jìn)行了比較。從圖2中可以看出本文提出的數(shù)據(jù)聚集優(yōu)化模型具有一定的優(yōu)勢(shì)，隨著車輛節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，三種算法的數(shù)據(jù)收集率都有所下降，但是PTSDP-PEI算法的數(shù)據(jù)收集率下降的較快，PTSDP-S算法數(shù)據(jù)收集率下降的不明顯。

圖2 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)聚集延遲的影響

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和有效傳輸，因數(shù)據(jù)在聚集時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖突，本文利用構(gòu)建聚集樹的方式來(lái)消除沖突，充分考慮了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置信息、速度信息、加速度信息、轉(zhuǎn)向信息等，對(duì)數(shù)據(jù)的聚集和傳輸進(jìn)行了優(yōu)化。

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在已有的水平井生產(chǎn)測(cè)井中，主要有兩種送入的方法，即是爬行器和連續(xù)油管。爬行器的輸入工藝是將爬行形態(tài)器與井下儀器相綜合，經(jīng)過電纜的向下放落直到感覺有阻力，之后再利用爬行器推儀器到井底實(shí)行測(cè)量工藝。這個(gè)方法的工藝簡(jiǎn)單，對(duì)深度的把握很精準(zhǔn)，測(cè)井所產(chǎn)生的費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。它也存在不足之處，對(duì)井壁的光整程度、井液的清潔度的標(biāo)準(zhǔn)很高，遇到阻力而卡到的風(fēng)險(xiǎn)比較大；并且其推力也比較小，爬行器的滾輪受磨損耗大，一次下井的爬行間距比較短，很難實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)測(cè)井的多種速度與多次的起和下的需求。連續(xù)的油管測(cè)井工作主要分兩種，一是存儲(chǔ)的測(cè)量方法，連續(xù)的油管不用穿電纜，經(jīng)過井下電池來(lái)對(duì)儀器供電，井下的存儲(chǔ)短接對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)行采集存儲(chǔ)，施工完在儀器出井后，對(duì)測(cè)井的數(shù)據(jù)下載與處理。其優(yōu)點(diǎn)是可連續(xù)油管穿電纜的時(shí)候不受限制，只要有適合的連續(xù)油管裝置就能夠?qū)嵤┎僮鞴ぷ鳎渌鶓?yīng)用的范圍大。它的缺點(diǎn)是井下的儀器所運(yùn)用電池來(lái)為其供電，不能隨時(shí)的對(duì)井下儀器的作業(yè)情況進(jìn)行監(jiān)控，在進(jìn)行測(cè)量采集數(shù)據(jù)期間產(chǎn)生特殊的狀況也不能及時(shí)的給予解決，測(cè)量的結(jié)果只有把儀器取出井后才可以獲得。另一個(gè)是實(shí)時(shí)的在線測(cè)量的方法，在連續(xù)油管中穿上電纜，井下的儀器與地面的系統(tǒng)利用電纜來(lái)完成實(shí)時(shí)的通訊，對(duì)施工中的測(cè)井資料質(zhì)量與儀器的工作情況實(shí)時(shí)的監(jiān)控，對(duì)特殊狀況可以及時(shí)解決。確保測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的真實(shí)性與施工的安全性。缺點(diǎn)是在使用時(shí)需受電纜連續(xù)油管長(zhǎng)度的制約，所應(yīng)用的范圍受限制。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過應(yīng)用MAPS陣列成像儀的應(yīng)用，對(duì)采集資料進(jìn)行有效的分析，不僅可以獲得了井產(chǎn)氣、產(chǎn)液剖面，還得到了各射孔段產(chǎn)氣、產(chǎn)液的貢獻(xiàn)，還明確了主要的產(chǎn)水位，并對(duì)各級(jí)儲(chǔ)層改造效果評(píng)價(jià)提供較為直觀的參考依據(jù)。

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Research on Optimization of vehicle network data transmission

Lin Haixia
(Information and Technology Department, Hebei Polytechnic Institute , Shijiazhuang Hebei,050091)

The real-time collection and effective transmission of mobile node data in vehicle networks is the basis of Intelligent Transportation Systems. Based on the analysis of the existing problems of data transmission in mobile sensing network, the model of data transmission in vehicle network is described in this paper, The problem of data conflict in the process of data transmission is analyzed emphatically. The method of constructing mobile aggregation tree is used to eliminate the conflict between trees, and the simulation experiment shows that the method has less data delay.

vehicle Ad hoc networks; wireless sensor network； data transmission；collision

本文受河北教育廳自然科學(xué)基金（編號(hào)：Z20171638），河北省科技支撐項(xiàng)目（編號(hào)：16210804）資助。