基于802.11p 協議的車聯網傳輸策略研究

劉文晶，黃河清

（重慶工商職業學院，重慶 401520）

0 引言

車聯網通過采用信息處理技術對道路車輛行人進行區分識別管理,提供有效的信息網絡服務。 運用技術包括電子標識技術、無線通信原理、大數據處理等。車聯網是車載自組網,用于實現移動車輛通信,為車輛提供多種安全應用。 人們對道路交通安全關注度提升,使得車聯網研究成為熱點課題。 傳統智能交通系統以監測為主輔助交通管理方式,VANET 網絡技術構建自組織開放無線通信網絡,減少交通事故危害。VANET 技術成熟后成為機動車標準配備［1］。 本文給出了一種車聯網移動性模型,并對該模型的有效性進行了分析。

1 車聯網研究

物聯網是近年來新興研究領域,被稱為世界信息產業第三次浪潮。 車聯網通過無線通信技術把車輛節點連接到網絡中,車輛交通控制中心可以自由交換信息。 VANET 具有MANET 普遍特征,同時具有車輛數目巨大,擁有多樣外部輔助儀器設備；易受到駕駛員個人行為影響,頻繁車流量變化導致網絡拓撲結構變化,車載單元無明顯電源約束等特征。

VANET 網絡可自組織建立臨時無線移動通信網絡,ITS 協會學界專家呼吁美國國會資助WAVE/802.11p 的ITS 系統研究。 ASTM 關于車載無線通信網絡研究始于1992 年,提出DSRC 技術采用915 MHz 頻段,對協議標準相關內容修訂適應無線通信過程。 美交通運輸部針對車輛安全服務等應用設計空中接口標準［2］。 DSRC 標準由日本TC204 委員會負責制定,中國政府提出加快交通信息類基礎設施建設。 WAVE 是下一代DSRC 技術,WAVE 系統工作頻段為5.850 ～5.925 GHz,可達到6～27 Mbit/s 信息傳輸速率。 IEEE 802.11p 協議定義物理層的絕大部分,IEEE 1069 與802.11p 協同配合,兼容IPv6 協議用于娛樂相關信息通信。 體系定義支持車載無線通信的相關信息,標準與IEEE 802.11p 構成WAVE 協議體系［3］。

車聯網是特殊的MANET,存在無線網絡固有隱藏終端等問題,VANET 具有其他物聯網不具備的特征,體現在無線信道質量波動較大,網絡拓撲結構變化較快,車輛節點運動規律可預測等。 車聯網應用包括先進交通管理系統、出行者信息系統,基于ITS 的交通收費系統等。 隨著我國汽車數量增加,交通事故死亡率呈上升趨勢。 事故報警在路段行駛車輛間能否可靠快速預測傳輸是減少交通事故的關鍵。 本文分析一種高速公路車聯網移動模型,設計車聯網報文格式,給出廣播消息報文的TTL 字段初始值設定方案［4］。

2 VANET 報文消息

考慮某路段消息廣播應用場景,報文考慮車輛移動速度矢量,記錄路由等報文頭信息,TTL 字段用于控制廣播報文泛濫。 廣播消息節點在L 路段進行廣播,bL 長度路上存在車輛數目期望為ρLb,假設不同連通集通過RSU 存儲轉發模式中繼廣播消息,TTL 字段用于控制報文最大轉發跳數,RSU 根據所在路段實際車輛交通流統計不同時間區間車輛密度ρ。 參數Lb 由廣播消息源節點給出廣播涉及地理范圍。 Option 字段記錄中繼轉發節點信息,車輛移動速度矢量等應用信息作為DATA 數據部分。 VANET 鏈路層報文格式如圖1所示。

圖1 VANET 鏈路層報文格式

3 基于802.11p 的車聯網連通性模型

FCC 將75MHz 頻段用于802.11p 車聯網通信,車聯網適配器使用信道接口技術尚無定論,單接口多信道模式信道切換大于傳播時延,多接口多信道模式對車聯網具有現實意義。 802.11p 協議滿足行駛速度為33 m/s 車輛通信。 基于802.11p 車輛組網需要考慮對向行駛車輛,建立連接保持時間短,多普勒效應增大［5］。 高速公路VANET 網絡組網時考慮同向行駛車輛組網符合實際。 FCC 分配6 個數據信道SCH,單向道路使用3 個SCH［6］。 考慮高速公路車輛前后距離為2～1 500 m,認為單向多車道車輛建模為一維單車道研究。 IEEE802.11p 信道頻譜分配如圖2 所示。

圖2 IEEE802.11p 信道頻譜分配

考慮一維車道頻譜分配情況,自組織分布頻譜分配算法下足夠分配。 車輛節點編序f1,f2,在相鄰鏈路間交替使用,Link(V3,V4)使用f1 后繼鏈路交替使用互不干擾頻段,頻譜使用中自組織方式動態分配算法,相鄰鏈路交替分配,Link(Vi,Vi(10)1)分配使用頻段f2,Link(Vi-1,Vi)產生干擾。 使用頻段f3 節點間Link(Vi-1,Vi)在觸發下判斷頻段f3 跳頻道(f1,f2)某頻段是否存在沖突干擾,完成Link(Vi-1,Vi)回退到(f1,f2)頻段。 設相鄰車輛節點使用某頻段通信,802.11p 網卡發射功率大,發生過率根據信道情況調整。 建立某時刻車輛位置坐標系,從右至左車輛位置為Vi,i＝1,2,路段車輛數目滿足λ＝rx泊松分布。 泊松過程對應計數過程,x路段車輛總數目K(x)期望與方差為λ。 圖3 高速公路單向車道交通場景一維網絡拓撲模型。

圖3 高速公路單向車道交通場景—維網絡拓撲模型

P(k)＝λke-λ/k！ ＝(ρρx)ke-px/k！E［K］＝λ＝ρx,D［K］＝E［K2］-(E［K］2)＝λ＝ρx。 令x＝R,R通信距離內有1 量車概率為Pr｛k1｝＝1-Pr｛k＝0｝＝1-e-ρR,可以把d(i,i+1)視為臨近車輛進入路段到達時間間隔,推導中以di代替d(i-1,i)d1…｜V1 ｜-｜V0 ｜,可省略取絕對值運算符,x 路段中出現車｛d1＞x的事件發生,Pr｛d1＞x｝＝Pr｛k(x)＝0｝＝e-ρ x,考慮Pr｛d2＞x｝ ＝E［Pr｛d2＞x｜d1｝］,d2 為具有均值/p的指數分布隨機變量。推論1｛di,i＝1,2,｝為獨立同分布指數隨機變量。 將研究結論用于VANET 連通性模型重要參數指標解析式推導。 VANET 網絡連通特性重要參數指標包括連通集個數期望與高速公路車輛密度具有密切關系。 L 路段任意兩車連通概率與車輛密度、傳輸距離關系如圖4所示。

圖4 L 路段任意兩車連通概率與車輛密度、傳輸距離關系

為驗證高速公路交通場景下移動模型與車輛網絡模型匹配性,利用Matlab 生成多條序列,存放在數組中,利用Matlab 生成多組滿足均值μ＝30 m/s 的正態分布數據,車輛進行速度Speedi,完成交通流模擬,實驗參數設定節點最大傳輸距離為1 000 m,ρ∈［0.001,0.05］,隨著車輛間最大通信距離增加,車輛連通概率增大。 路段任意兩輛車概率躍遷寬度明顯變窄。 分析連通集直徑與車輛最大通信距離關系,連通集直徑增速隨著車輛密度增加。 分析某廣播報文中TTL 字段設定可能值,TTL 與車輛密度密切相關。

4 結語

本文討論高速公路交通場景車聯網移動性模型,分析任意車輛連通性,連通集數目等方面,設計可用于車聯網報文格式,給出廣播消息報文的TTL 字段初始值設定方案。 近年來物聯網在世界范圍內得到迅速發展,車聯網是實現物聯網在交通工程領域的典型應用。車聯網對車輛通信可靠性提出更高的要求。IEEE8202.11p 為車聯網應用設計標準,現有針對IEEE802.11p 協議研究大多為實現設定傳輸距離取值,未對協議規定傳輸距離滿足通信要求理論分析。基于802.11p 車聯網VANET 網絡是涉及多學科研究課題,近景愿望成為機動車標準配備,相關研究成為業界關注的熱點。