車聯(lián)網(wǎng)中V2I通信路由的研究*

徐會(huì)彬,焦克瑩

(1.湖州師范學(xué)院信息工程學(xué)院,浙江 湖州 313000;2.駐馬店職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 駐馬店 463000)

作為移動(dòng)自組織最成功的商業(yè)應(yīng)用之一,車聯(lián)網(wǎng)VANETs(Vehicular Ad Hoc Networks)[1]已受到廣泛關(guān)注。VANETs提供車與車之間的車間通信 V2V(Vehicle-to-Vehicle)和車與路旁設(shè)施V2I(Vehicle-to-Roadside Infrastructure)間通信,VANETs典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。車輛通過V2V通信交互路況信息,提高交通效率,實(shí)現(xiàn)交通預(yù)警作用。而V2I通信使得車輛能夠接入外界Internet,并且通常采用IEEE 802.11p作為Internet接入技術(shù)。然而,由于車輛的快速移動(dòng),V2I通信受到挑戰(zhàn)[2-3]。

圖1 VANETs的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在VANETs中,現(xiàn)存多數(shù)路由協(xié)議是基于車輛移動(dòng)參數(shù)決策路由,但是它們忽略了一些因素,如信號(hào)接收質(zhì)量、路徑衰落以及干擾,其中多徑衰落是影響移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)吞吐量的主要因素。信道衰落會(huì)導(dǎo)致物理層PHY(Physical Layer)、介質(zhì)訪問控制MAC(Media Access Control)或網(wǎng)絡(luò)層的吞吐量的下降。如文獻(xiàn)[4]采用了基于概率模型的路由策略,先計(jì)算兩車輛間鏈路的連通概率,再估算它們的連通時(shí)間。而文獻(xiàn)[5]采用基于按需距離矢量AODV(Ad-hoc On-Demand Distance Vector)[6]的鏈路感知路由,通過收集車輛的移動(dòng)信息,計(jì)算鏈路的持續(xù)時(shí)間。類似地,文獻(xiàn)[7]面向高速場景,提出基于車輛移動(dòng)預(yù)測的路由。盡管這些路由從不同角度提出不同路由,對路由性能有一定的改善。但是,這些路由并沒有考慮到路徑衰落對路由的影響。

為此,本文提出面向Nakagmai衰落信道的V2I通信路由FCCR路由。FCCR路由利用車輛移動(dòng)參數(shù)和多徑衰落計(jì)算路由指標(biāo),這有利于路由穩(wěn)定性。仿真數(shù)據(jù)表明,提出的FCCR路由有效地提高吞吐量,也降低了路由開銷。

1 FCCR路由算法

首先依據(jù)信道統(tǒng)計(jì)衰落參數(shù)和鏈路期望時(shí)效計(jì)算鏈路有效壽命,然后再計(jì)算路徑的有效壽命,最后選擇壽命最長的路徑傳輸數(shù)據(jù)。

1.1 穩(wěn)定鏈路指標(biāo)

FCCR路由引用有效鏈路壽命(Effective Link Life Time,ELLT)作為鏈路指標(biāo)。通過移動(dòng)參數(shù)[8]和信道衰落[9]的統(tǒng)計(jì)值估計(jì)鏈路的ELLT。令ij表示移動(dòng)節(jié)點(diǎn)i、j的鏈路,則鏈路ij的ELLT:

ELLTij=LETij×(1-ε)

(1)

式中:LETij表示鏈路ij的期望時(shí)效[5],其等于在理想環(huán)境下鏈路的最長持續(xù)時(shí)間。所謂理想環(huán)境是指無衰落,即ε=0。而ε為衰落系數(shù)。在無障礙的高速環(huán)境中,ε值較小,而在城市環(huán)境,由于建筑物的影響,ε值一般較大[10]。從式(1)可知,實(shí)際上,LETij表示鏈路的最長持續(xù)時(shí)間。

1.1.1 計(jì)算LETij

假定在時(shí)刻t,車輛i、j的位置分別表示為(xi,yi)、(xj,yj)。它們的移動(dòng)方向分別表示為θi、θj,且瞬時(shí)移動(dòng)速度分別為?i、?j。依據(jù)文獻(xiàn)[5],LETij表示鏈路ij的期望時(shí)效,其定義如(2)所示。

(2)

式中:a=?icosθi-?jcosθj、b=xi-xj、c=?isinθi-?jsinθj、e=yi-yj。

1.1.2 估算參數(shù)ε

通過對衰落環(huán)境的統(tǒng)計(jì)計(jì)算參數(shù)ε,其定義如式(3)所示:

ε=1-E[φ]

(3)

式中:φ表示鏈路ij的連通概率。E[φ]表示概率φ的期望。具體而言,當(dāng)信號(hào)接收功率高于預(yù)定的門限值時(shí),此鏈路被認(rèn)為是連通的。

①成功接收消息概率φ

要計(jì)算式(3),首先得推導(dǎo)成功接收消息概率φ。本文利用Nakagami-m分布描述無線信道模型的多徑衰落問題。引用文獻(xiàn)[11]的面向衰落的數(shù)字通信分析,可得Nakagami-m的概率密度函數(shù)Fd(χ;m,Ω)為:

(4)

式中:χ表示信號(hào)的接收功率,而d為傳輸距離。Ω表示在離d處給定的平均功率強(qiáng)度。

當(dāng)接收信號(hào)的功率高于接收門限值Rth,則可成功接收此消息。換而言之,Rth也可理解成:在維持通信距離CR(Communication Range)的最小接收功率。因此,成功接收消息的概率可表示為PR(χ>Rth):

(5)

當(dāng)Nakagami信道m(xù)=3(快衰落)時(shí),可得:

(6)

依據(jù)Friss-模型[12],并考慮二次路徑衰落(Quadratic Path Loss),可計(jì)算Rth,如式(7)所示:

(7)

式中:Tp表示傳輸功率。而參數(shù)G的定義如式(8)所示:

(8)

式中:Gt、Gr分別表示發(fā)射器、接收器的天線增益。而λ為波長。L為路徑衰落因子,通常設(shè)為1。

再引用Friss-模型(式(7)),可得在離發(fā)射距離為d處平均功率Ω。即用d替換式的CR。

Ω=Ω(d)=(Tp/d2)G

(9)

最后,將式(7)和式(9)代入式(6)可得:

(10)

為了簡化描述,車輛的通信距離為R。并用φ表示成功接收消息的概率,因此,式(10)可轉(zhuǎn)換為:

(11)

②概率φ的期望E[φ]

由于車輛不斷地移動(dòng),車輛間的相對距離d隨時(shí)間在變化,因此概率φ也隨車輛移動(dòng)在變。為此,利用連續(xù)隨機(jī)變量z代替式(5)距離d。

因此,結(jié)合文獻(xiàn)[13],概率φ的期望可表示為:

(12)

式中:fZ(z)為概率密度函數(shù)。

接下來,依據(jù)3種不同的情況,計(jì)算E[φ]。

A.車輛i、j間距離是常數(shù),即兩車輛勻速同向行駛。在這種情況下,可依式(13計(jì)算E[φ]:

(13)

B.車輛i和j反向移動(dòng),且兩車間距離越來越遠(yuǎn),如圖2所示。在這種情況下,變量z的概率密度函數(shù)如式(14)所示:

(14)

依據(jù)式(14),可計(jì)算計(jì)算E[φ],如式(15)所示:

(15)

圖2 反向移動(dòng)的通信鏈路

C.如果兩車輛同向移動(dòng),如圖3所示。

圖3所示的這個(gè)情況可細(xì)化為兩個(gè)場景:(a)當(dāng)車輛j的行駛速度大于車輛i的行駛速度時(shí);(b)車輛i的行駛速度大于車輛j的行駛速度。第1個(gè)場景,會(huì)導(dǎo)致它們的距離逐步加大,而在第2個(gè)場景中,它們相的距離逐步減少。但不論距離加大還是減少,只要它們在彼此的通信范圍,內(nèi)變量z反映兩車輛間的距離信息。一旦超過通信范圍,則變量z的概率密度函數(shù)就為零。因此,變量z的概率密度函數(shù)如式(16)所示:

(16)

圖3 同向通信連接

依據(jù)式(16),E[φ]可依式(17)計(jì)算:

綜上所述,估算有效鏈路壽命ELLT的過程如圖4所示。

圖4 計(jì)算鏈路有效壽命過程示示意圖

1.2 路由策略

若節(jié)點(diǎn)i需向目的節(jié)點(diǎn)F發(fā)送數(shù)據(jù),節(jié)點(diǎn)i就需建立連通節(jié)點(diǎn)F的路徑。據(jù)此,節(jié)點(diǎn)i先傳輸路徑請求控制包PRP(Path Request Packet)。PRP控制包蘊(yùn)含了節(jié)點(diǎn)位置以及方向等移動(dòng)信息。一旦接收到PRP包,鄰居節(jié)點(diǎn)(假定為節(jié)點(diǎn)j)就依據(jù)式(1)計(jì)算與節(jié)點(diǎn)i連通鏈路的鏈路ELLT。

然后節(jié)點(diǎn)j就將ELLTij值和自己的ID號(hào)載入PRP包,再繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)。直到控制包被傳輸至目的節(jié)點(diǎn)F。目的節(jié)點(diǎn)F可能收到來自不同路徑的PRP包。為此,目的節(jié)點(diǎn)F先計(jì)算每條路徑的有效壽命ERLT(Effective Route Life Time)。路徑ERLT等于整條路徑中鏈路ELLT的最小值。

具體而言,令Rn-1表示由n-1條鏈路構(gòu)成的路由,并且這n-1條鏈路由n個(gè)車輛構(gòu)成。因此,路由Rn-1的有效壽命ERLT就是這n-1條鏈路壽命的最小值,如式(18)所示:

(18)

由于目的節(jié)點(diǎn)F可能獲取了多條連通節(jié)點(diǎn)i的路徑,節(jié)點(diǎn)F從這多條路徑中選擇一條ERLT時(shí)間最長的路徑傳輸數(shù)據(jù)包。

為了更好地闡述FCCR路由過程,引用圖例5說明[14]。如圖5所示,節(jié)點(diǎn)A需要向目的節(jié)點(diǎn)F傳輸數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)A先廣播PRP包,然后節(jié)點(diǎn)B接收了此包,再計(jì)算與節(jié)點(diǎn)A連通鏈路的有效時(shí)間(ELLTAB=4 s),再將此值載入PRP包,并轉(zhuǎn)播。重復(fù)此過程,直到目的節(jié)點(diǎn)F收到PRP。

圖5 路由選擇過程

從圖5可知,節(jié)點(diǎn)F總收到兩條路徑信息,分別為A→B→C→E→F、A→B→D→E→F。再依據(jù)式(18)可知,這兩條路徑的ERLT分別為3、4。這說明路徑A→B→D→E→F比路徑A→B→C→E→F具有更長的連通時(shí)間。為此,節(jié)點(diǎn)F就選擇A→B→D→E→F路徑回復(fù)確認(rèn)包,當(dāng)節(jié)點(diǎn)A收到此確認(rèn)包,就依據(jù)此路徑向節(jié)點(diǎn)F傳輸數(shù)據(jù)包。

2 數(shù)值仿真

2.1 仿真環(huán)境

為了更好地分析FCCR路由性能,利用NS2建立仿真平臺(tái)。再引用MOVE和SUMO[15]模擬8 000 m的高速公路上車輛移動(dòng)。所有車輛從高速公路一端移動(dòng)另一端。假定有N輛隨機(jī)分布于高速路上,且隨機(jī)選擇10輛車發(fā)送CBR,且傳輸率為20 packet/s。

每次實(shí)驗(yàn)獨(dú)立重復(fù)仿真100次,取平均值作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。此外,為了更好地分析FCCR路由性能,選擇基于壽命路由LRP(Lifetime Based Routing Protocol)和M-AODV+[16]進(jìn)行比較。LRP路由僅是依據(jù)移動(dòng)參數(shù)計(jì)算鏈路壽命。而M-AODV+是基于AODV+[17]路由的改進(jìn)版。

此外,網(wǎng)絡(luò)內(nèi)RSU每隔5 s在其1 000 m的區(qū)域內(nèi)廣播告知消息。具體地仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

2.1 數(shù)值分析

實(shí)驗(yàn)中,分析車輛數(shù)及車輛移動(dòng)速度對路由性能的影響,主要分析吞吐量、端到端傳輸時(shí)延和歸一化的路由開銷。

2.1.1 實(shí)驗(yàn)1

本實(shí)驗(yàn)分析變化的車輛數(shù)對路由性能的影響,其中車輛數(shù)從100至250變化,且步長為50。車輛的最大移動(dòng)速度為30 m/s。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6～圖8所示。

圖8 歸一化開銷隨車輛數(shù)的變化

圖6 吞吐量隨車輛數(shù)的變化

圖7 端到端傳輸時(shí)延隨車輛數(shù)的變化

圖6描述了變化的車輛數(shù)對吞吐量的影響。從圖6可知,車輛數(shù)的增加,降低路由的吞吐量。原因在于:車輛越多,信道競爭越激烈,導(dǎo)致數(shù)據(jù)包傳輸擁塞,這必然降低了系統(tǒng)吞吐量。與LRP和M-AODV+相比,提出的FCCR的吞吐量得到有效地提高。這要?dú)w功于FCCR路由選擇了更穩(wěn)定的路由,降低了路由斷裂概率。

車輛數(shù)對端到端傳輸時(shí)延的曲線如圖7所示。從圖7可知,車輛數(shù)的增加,提高了端到端傳輸時(shí)延。原因與上述類似。車輛數(shù)的增加,提高信道擁塞概率,增加了數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延。然而,與LRP和M-AODV+相比,提出的FCCR路由的端到端傳輸時(shí)延得到控制。而M-AODV+協(xié)議的端到端時(shí)延最高,原因在于:M-AODV+路由是依據(jù)路徑路數(shù)選擇路由,這降低了路由的穩(wěn)定性,會(huì)導(dǎo)致路由頻繁地?cái)嗔?增加了傳輸時(shí)延。

最后,分析歸一化路由開銷受車輛數(shù)的變化情況,如圖8所示。從圖8可知,FCCR開銷最低,而M-AODV+最高,LRP路由介于兩者之間。盡管LRP路由選擇最穩(wěn)定路由,但是它們可能一些衰減,降低了數(shù)據(jù)包的接收概率,這加劇了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而M-AODV+的路由開銷最高,主要是因?yàn)镸-AODV+總是路徑跳數(shù)選擇路由,路徑缺乏穩(wěn)定性。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)二

本實(shí)驗(yàn)分析最大車速對路由性能的影響,其中車速從10至40變化,且車輛數(shù)為200,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖9～圖11所示。

圖9 吞吐量隨最大車速的變化

圖10 端到端傳輸時(shí)延隨最大車速的變化

圖11 歸一化開銷隨最大車速的變化曲線

從圖9可知,車輛對系統(tǒng)吞吐量有較大的影響。在車速不快時(shí)(最大車速在10 m/s～20 m/s期間),有更多車輛進(jìn)入自己的通信范圍,這有利于路由的建立,并且FCCR和LRP路由是依據(jù)車輛移動(dòng)參數(shù)決策路由。因此,在低速移動(dòng)時(shí),FCCR和LRP路由協(xié)議的吞吐量隨車速移動(dòng)而上升。但是,當(dāng)最大車速達(dá)到20 m/s后,車速的增加降低了吞吐量,原因在于:當(dāng)車速過快時(shí),車輛間的通信時(shí)間就越短,即鏈路連通時(shí)間變短,這不利于數(shù)據(jù)傳輸,因此降低了吞吐量。然而,M-AODV+路由相比于LRP和FCCR路由,它的路由性能最差。原因在于:M-AODV+路由并沒有考慮了穩(wěn)定路由指標(biāo),而LRP和FCCR路由在決策路由均考慮了移動(dòng)參數(shù),提高了路由穩(wěn)定性。

相比于M-AODV+路由,LRP路由性能具有較好的性能,原因在于:LRP路由使用基于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的穩(wěn)定指標(biāo)選擇路由,這提高了路徑的穩(wěn)定性。但是,LRP的路由性能低于FCCR路由,因?yàn)長RP路由并沒有考慮了信道衰落問題。

3 總結(jié)

本文針對車聯(lián)網(wǎng)VANETs的V2I通信,提出面向Nakagmai衰落信道的V2I通信路由FCCR。FCCR路由在決策路由時(shí)不僅融合了車輛移動(dòng)參數(shù),還考慮路徑衰落信息。先計(jì)算鏈路的壽命,再選擇壽命最長的鏈路構(gòu)建最穩(wěn)定的路由。仿真數(shù)據(jù)表明,提出的FCCR路由降低了開銷,降低了時(shí)延。實(shí)驗(yàn)仿真是針對高速場景,在今后工作中改善FCCR路由,擴(kuò)大它的應(yīng)用場景,這將是后期研究工作的方向。