基于協作通信的車聯網數據分發綜述

馬芳菲，汪淑娟

（昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500）

0 引言

隨著我國社會經濟的持續發展、人們物質生活的日益豐富，越來越多的人在出行時選擇汽車作為代步工具。然而，汽車在為人們的出行帶來便利的同時也產生了一系列的交通問題，如交通擁堵、交通事故等[1]。此外，隨著人們精神生活的不斷豐富和經濟消費水平的不斷提高，在交通出行中，人們對車輛的要求已經從最初的交通工具向個性化的駕車和乘車體驗轉變。例如，駕車者想要獲取一些對駕車有益的實用信息，如天氣預報、前方道路情況、停車位以及服務站等信息；車上乘客為了提升自身的乘車體驗，想要獲取一些娛樂信息，如音樂、視頻、在線游戲等[2]。這一轉變使得對信息服務的需求大大提升。在此背景下，基于互聯網技術的蓬勃發展和車載設備的廣泛應用普及，智能交通系統（Intelligence Transportation System，ITS）[3]應運而生。當前的智能交通系統通過新興與傳統網絡技術相結合的手段來達到信息收集與傳輸的目的，并通過中央服務器實現對遠端基層節點的有效控制，可在一定程度上達到對人、車、路三元素協調控制的目標[4]。然而，ITS 的策略確定過程主要由中央決策部門完成，仍然需要人工的參與，暫時無法達到高度的智能化以及多點控制的目標。為了解決這一問題，智能交通系統迎來了新的成員——車聯網（Internet of Vehicles，IoVs）[5]。

車聯網是移動自組織網絡（Mobile Ad hoc Networks，MANETs）運用于道路交通領域的一種新型網絡形式，是一種智能化信息網絡服務[6]。車聯網基本架構如圖1 所示，在此網絡中，裝載有車載單元（On Board Unit，OBU）的車輛通過專用短程通信技術（Dedicated Short Range Communications，DSRC），可以實現車輛與車輛之間（Vehicle to Vehicle，V2V）、車輛與路邊基礎設施（Vehicle to Infrastructure，V2I）之間的信息交互，中央服務器可以對其服務內所有車輛的行駛信息或數據請求等進行收集、處理及共享，這一過程實現了對道路上行駛汽車的各種狀態的有效監管，可以實時根據用戶需求對其進行智能化的個性服務，不僅可以最大限度地降低交通擁堵的發生概率以及交通事故帶來的損失，同時能夠為用戶提供各類娛樂信息，從而實現安全、智能以及個性化兼備的駕駛和行車過程。因此，車聯網受到學術界和產業界的普遍關注。

圖1 車聯網基本架構示意圖

1 車聯網的數據分發機制概述

車聯網的主要目的是提供多種服務應用。根據對及時性的要求程度，這些服務應用大體上可以分為兩類，即安全類應用和非安全類應用。安全類應用主要包括安全與警報類應用，此類應用對及時性要求較高，比如前方路段交通擁堵提示、車輛碰撞預警及提供前方交通事故相關信息等；非安全類應用主要包括多媒體娛樂應用以及實時信息獲取，比如服務站信息、停車信息、生活資訊服務、在線游戲以及在線音頻服務等。顯然，無論哪種應用，其實現都是以高效的數據下載與分發為基礎。V2I 通信技術與V2V 通信技術是車聯網中兩種主流的數據分發技術。以下將針對車聯網中主流的數據分發技術以及數據下載分發方式進行分析與介紹。

1.1 基于V2V 通信的數據下載分發機制

V2V 通信指的是車輛與車輛之間的信息交互方式，主要通過DSRC 技術[7]來實現車與車之間實時的信息傳輸和熱點內容的共享[8]。首先，在行駛安全層面，通過V2V 的方式在車輛間發布緊急情況預警、危險路段警報等信息，可以在一定程度上降低通信時延，使車輛在第一時間獲得警報信息，從而給行駛車輛留下一定的制動時間，進而減少交通事故的發生。此外，V2V 通信可以為車輛提供短暫的網絡接入等，營造智能化且舒適的駕駛環境[1]。V2V 通信作為車聯網中內容下載分發依托的主要技術之一，一方面，由于其不依賴于基礎設施，且部署成本低，適用于鄰近車輛之間進行感興趣信息的共享[1]。另一方面，由于信道干擾以及車輛節點的高速移動和分布不均所造成的網絡拓撲不穩定等，使得車輛節點之間存在間接性鏈接，通信的可靠性無法確保。

1.2 基于V2I 通信的數據下載分發機制

V2I 通信主要是指車輛與路側基礎設施之間的信息交互[9]。目前，得益于無線通信技術的高速發展，基于無線局域網（Wireless Local Area Networks，WLAN）的路側基礎設施可以為車輛在高速行駛時所產生的數據下載需求提供服務支持，如基于IEEE 802.11 技術的路側單元RSU[10]。當裝載了車載單元（Vehicular on board Units，OBU）的車輛駛入RSU的覆蓋范圍時，能夠接入互聯網并以此來獲取自身所需數據。基于V2I 通信的數據下載分發也具有自身的優勢和局限性[11]。優勢在于，路邊基礎設施與車輛節點相比具有更廣闊的通信范圍和更大的通信帶寬，能夠同時滿足其覆蓋范圍內的多個節點接入網絡[12]，同時由于V2I 通信具有更穩定的信道條件，在數據傳輸時，相對于V2V 通信來說具有更高的可靠性和高效性。局限性在于，一方面，由于RSU 高額的部署成本以及維護成本等因素，其部署極為受限，加之RSU 的平均通信覆蓋直徑為500～600 m，通信范圍有限[13]，因此存在連接間接性，導致車輛節點只有在RSU 通信覆蓋的范圍內才能接入網絡獲取數據，而在沒有基礎設施覆蓋的范圍內只能通過蜂窩網絡等昂貴的網絡接入方式或通過V2V 通信接入網絡；另一方面，由于車輛節點高速移動的特性，使得車輛在RSU 覆蓋范圍內停留的時間極為短暫，同時各個車輛節點之間存在通信資源競爭的問題，使得單個車輛節點的下載性能受到極大的限制。

1.3 基于V2X 混合通信的數據下載分發機制

由于上述兩種通信技術在單獨應用時都存在明顯缺陷，如V2V 的可靠性無法保障，V2I 的通信盲區過長等，采用單一通信方式的數據下載分發，一般情況下只能為車輛提供對數據量要求不高的服務如天氣預報、新聞預覽等，而一些數據量要求高的服務則無法被滿足。同時，一些及時性不高、截止時間較長的數據請求也會因為車輛駛出路邊基礎設施的覆蓋范圍而無法得到應答，大大影響行車體驗。鑒于此，進一步結合V2V 與V2I 的混合協作通信即V2X 通信受到越來越多研究者的關注。研究表明，聯合使用V2V 和V2I 通信，可以顯著提高車聯網的數據下載和分發性能，如減少下載延遲、增加下載量等[13，15-16]。

2 車聯網的協作通信技術相關研究

2.1 基于單一通信模式的協作通信機制

文獻[17]提出的SPAWN 協議首次在車聯網引入協作下載的概念，至此，越來越多的研究者開始了對車聯網協作下載的相關研究。SPAWN 協議引入流言傳播機制，該機制通過結合位置感知來實現點對點場景下的同一資源共享，進而提升網絡性能。為了使各種通信模式之間能夠有效地合作，LUO等[18]引入了邊緣計算來輔助5G-VANET 的協作數據共享，提出了一種在5G-VANET 中由軟件定義的協作數據共享架構，并且通過圖論的方法有效地解決了數據共享問題。LIU 等[19]提出了一種使用連接DFC 的協作下載方法，源車輛和協作車輛在直接或間接向目標車輛傳輸數據之前使用分層噴泉碼對原始數據進行編碼。該方法在有數據包丟失的情況下，目標車輛只要接收了一定數量的數據包就可以恢復出原始數據，有效避免了由于數據包丟失而導致的數據重傳，提升了傳輸效率。文獻[20]是第一個將社會屬性和熱區域訪問概率結合到車輛內容中心網絡VCCN 協作緩存方案中的研究。該方案基于車輛的社會屬性和軌跡歷史記錄對車輛的社會相似性和橋接中心性進行分析，同時對車輛下次訪問該熱點地區的可能性進行預測，選擇適當的車輛來緩存經常訪問的數據項目，有效提升了緩存，降低了內容訪問延遲。為了進行高效的協作數據下載，YUE 等[21]提出了BMA 算法和TSA 算法，可以實現在滿足車輛用戶需求的同時，降低下載成本。文獻[22]針對如何有效處理城市事件，提出了一個在SIOV 網絡中運行的關鍵城市事件的強大數據傳播系統。在該系統中，具有共同利益的車輛將創建臨時虛擬社區，同時通過選擇中繼車輛來加速數據傳遞，將來自關鍵城市事件的數據傳遞到外部實體，提高了用戶滿意度以及提高事件傳播的性能和穩定性。此外，基于城市場景的相關研究也有很多，例如文獻[23-27]，通過對車輛的行駛軌跡進行預測來選擇中繼車輛或根據城市中路側基礎設施的部署調度，最大限度地為車輛提供協助下載服務。總體來說，利用單一通信模型的協作通信方式多通過感興趣信息的車間共享或路側基礎設施協作進行內容預取來提升數據下載性能，該方式主要針對于網絡中流行內容的傳播，通過車輛節點對流行內容進行轉發或RSU 對流行內容進行預取、廣播，可以使網絡中多個車輛節點的請求被滿足。

2.2 基于V2X 通信模式的協作通信機制

為了減少車輛在兩個RSU 之間黑暗區域行駛時的通信中斷時間，WANG 等[28]提出一種合作存儲結轉方案，該方案通過RSU 之間的合作，在雙向上各自選擇一輛中繼車輛。當目標車輛駛離RSU通信范圍后，可繼續通過中繼車輛下載數據，縮短了通信中斷時間，進而提升了請求車輛的數據下載量。文獻[29]研究了一種車聯網中基于聚類的協作下載方案，該方案同樣考慮了協調多個基礎設施之間的合作以及利用同向、反向車輛之間進行數據轉發來滿足目標車輛的大尺寸文件下載請求。與文獻[28]的不同之處在于，文獻[29]將同方向上愿意參與協作的車輛形成簇，增加了目標車輛的數據下載量的同時，也保證了數據傳輸的穩定性，而且在反方向上選擇多個協作車輛，相較于文獻[28]而言，協作車輛數更多，數據下載量的效果提升更加顯著。但是該方法采用恒速的移動模型，不夠貼合實際場景。LIU 等[30]的主要工作集中在協作車輛的選擇上，當目標車輛駛離RSU 的通信范圍但仍未完成數據下載時，RSU 通過考慮車輛的速度和位置，選擇目標車輛后方能夠追上目標車輛的一組車輛作為協作車輛，以此協助目標車輛完成完整文件的下載。文獻[31]允許RSU 根據其覆蓋范圍內的車輛位置與移動信息來選擇中繼車輛，同時通過預判請求車輛是否能在當前RSU 內完成下載任務來判斷是否通知下一跳RSU 預取未能下載的內容。通過車輛與RSU 之間合作的預取協議，提高了數據下載性能。但是仍存在下載時延過長的問題。WANG 等[32]利用RSU 協調不同方向的車輛通過V2V 通信共享緩存數據項，通過對并發廣播車輛之間成功共享數據的機會進行分析，有效緩解了V2V通信的干擾問題。文獻[33]提出了一個集合了車輛與車輛之間、車輛與RSU 之間、RSU 與RSU 之間協作的數據分發系統，該系統允許RSU之間共享未被服務的請求信息，有效地緩解了RSU 之間工作負載不均的問題，同時也有效地利用了反向車輛之間的合作緩存，提高了整體服務性能。為了提高車載網絡吞吐量，CHEN等[34]提出了一種利用V2I 通信、V2V 通信及車輛移動性提高車載網絡吞吐量的新型協同通信策略。使用所提出的合作通信策略，當目標車輛進入基礎設施的通信范圍時，它通過V2I 通信接收來自基礎設施的數據，當駛出基礎設施覆蓋范圍時利用選定的反向車輛作為反向協作助手進行V2V 通信以提高整體數據下載量。而在實際中，同向車輛與目標車輛間的相對速度較小，有更長的通信時間以及更穩定的傳輸條件，該方法僅利用其反向車輛作為助手，沒有充分利用同向車輛。文獻[35]在文獻[34]的基礎上將只考慮單個車輛有下載請求的場景擴展到了有多個車輛有下載請求的場景，通過對V2I 通信、V2V 通信、車輛移動性以及車輛與基礎設施之間合作的分析，提高了車輛網絡的能力。

2.3 考慮經濟行為的協作通信機制

車輛與車輛之間、車輛與RSU 之間的協作是混合協作通信中必要的一環，但是實際上，單個車輛節點都是理性、自私的節點，參與協作其他車輛的數據下載與分發需要耗費自身的網絡資源，出于自身的考慮，車輛節點并不愿意無償地提供協助，因此引入經濟手段是解決該問題的有效方式。根據車輛節點自身的協作條件以及協作下載的數據量大小給予相應的報酬，車輛節點會因此愿意參與到協作中。同時，對于請求車輛來說，如何在滿足其下載需求的同時盡可能地降低下載成本，也是需要重點考慮的問題。拍賣被廣泛運用到無線網絡的高效資源分配及系統整體或系統中某參與者的效用提升[36]，如文獻[37]通過拍賣來解決信道分配與功率控制問題。文獻[38-41]旨在通過拍賣實現系統整體或系統中某參與者的效用最大化。為了促進車輛間的協作，JING 等[42]引入了激勵機制，首先將合作下載的過程建模為一種交易，其中客戶應該為合作下載服務提供一些好處，合作車輛可以通過向客戶傳輸內容來獲得一定數量的獎勵。這種機制極大可能會使車輛產生合作下載的動機。此外，考慮到客戶提供的利益有限，通過優化車輛選擇過程，最大限度地提高下載吞吐量，減少合作車輛選擇持續時間，最大限度地利用客戶提供的利益。文獻[43]也充分考慮了車輛的自私行為，提出了一種安全激勵方案，極大地促進了車輛之間的協作通信，該方案還強調了支付安全問題，并給出了相關的解決方案。

3 現階段所存在的問題與未來展望

通過上述對于車聯網協作通信相關研究的分析，目前相關的研究工作大多是通過延長車輛間可通信時間或感興趣信息的車間共享來提高整體的數據分發性能，但是仍然存在不足之處，具體分析如下。

3.1 下載時延過長

下載時延過長主要針對單一通信模式而言。單一通信模式多采用熱點信息共享或RSU 預取的方式來提升數據下載性能，然而車輛之間對于多媒體等大尺寸內容相互之間并不感興趣，即車輛間幾乎沒有感興趣信息，即使RSU 之間進行預取內容，車輛駛離當前RSU 到達下一個RSU 之間仍然存在很長的通信盲區，導致下載時延過長，嚴重影響用戶體驗。

3.2 車輛移動模型與實際場景貼合度過低

現階段，車聯網對于車輛節點的運動模型研究不夠充分，多數研究采用恒速直線移動模型，而且沒有考慮到受周圍事故等環境的影響，與實際場景相差過大。

3.3 節點利用率低

只考慮車輛的服務請求產生于進入RSU 通信范圍之前，沒有考慮車輛已經處于RSU 通信范圍內時產生服務請求的情況，且當車輛產生請求服務時，未考慮將已經處于RSU 通信范圍之內的車輛作為協作車輛，沒有充分利用下載資源，造成網絡中的資源浪費。

3.4 不考慮成本問題

對于大尺寸文件的下載，多數文獻的目光集中在如何提升數據下載量而忽略了成本問題。

4 結語

基于V2X 混合協作通信機制分析車輛可能存在的經濟行為，對于考慮成本問題、優化移動模型以及提高節點利用率有重要意義，將是非常值得研究的熱點問題。