基于D2D技術(shù)的V2V中斷模式的信息傳輸機制

孫鑒, 肖增輝, 孫瀟, 張中山

( 1.山東理工大學計算機科學與技術(shù)學院, 淄博 255000; 2.北京理工大學信息與電子學院, 北京 100081)

目前,在移動互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的5G網(wǎng)絡中,“萬物互聯(lián)”時代正在成為現(xiàn)實,尤其是隨著無線通信和汽車技術(shù)的進步,人們對于智能交通系統(tǒng)(intelligent transportation system,ITS)的研究也邁上了一個新的臺階,引起了研究人員的極大興趣和關(guān)注。

車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(vehicular ad hoc networks,VANET)作為ITS中很重要的組成部分,也迅速發(fā)展起來[1]。VANETs是一種新型無線網(wǎng)絡——車載無線通信,主要是在專用短距離通信(dedicated short-range communication,DSRC)頻段上,滿足道路安全消息和控制的極短延遲要求[2]。VANETs就是通過信息采集與處理、無線通信與組網(wǎng)、數(shù)據(jù)路由與分發(fā)等技術(shù),實現(xiàn)車到車(vehicle-to-vehicle,V2V)、車到人(vehicle-to-pedestrian,V2P)、車到基礎(chǔ)設施(vehicle-to-infrastructure,V2I)、車到網(wǎng)絡(vehicle-to-network,V2N)以及車到云端(vehicle-to-cloud,V2C)之間的信息感知與交互,為車輛及駕駛者提供更為安全高效的服務[3]。

目前的車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)面臨的主要問題包括有限的移動性支持、健壯性、有限的帶寬、可靠性和延遲等。與傳統(tǒng)的無線移動終端相比,車聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡終端移動性高,路況信息復雜且對安全性與實時性提出了較高的要求。假設車輛以120 km/h的速度行駛,制動延時10 ms,汽車將多開行0.3 m,而如果延時縮減到1 ms,距離將縮減到3 cm,這樣將大大降低事故的發(fā)生概率。

在車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域,研究的關(guān)注點主要集中在降低信息的傳播延遲[4]、構(gòu)建網(wǎng)絡的體系架構(gòu)[5]、物理層中的信道估計[6]以及媒體訪問控制(medium access control,MAC)層中的信道預測[7]等。文獻[8]中假設一個子蜂窩用戶的頻譜資源只復用給一個端到端(device-to-device,D2D)車隊,且考慮小尺度衰落的影響,得到了準確的信道狀態(tài)信息(channel state information,CSI),對車聯(lián)網(wǎng)無線資源的優(yōu)化分配以及蜂窩系統(tǒng)的性能影響進行了研究。文獻[5]中,利用DSRC和長期演進(long term evolution,LTE)各自的優(yōu)點,提出了一種異構(gòu)車載網(wǎng)絡的接入方式,并提出了一種提高異構(gòu)車載網(wǎng)絡效率的新方法——載波監(jiān)聽多路訪問(carrier sense multiple acces carrier sense multiple accesss,CSMA)與時分多址(time division multiple access,TDMA)相互避讓的原則。

目前,車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)主要基于802.11p標準的點對點(ad hoc)通信以及基于LTE蜂窩標準的后端通信[9-10]。802.11p系統(tǒng)主要是針對移動性為零或非常低時,對WLAN類型的環(huán)境進行優(yōu)化,由于網(wǎng)絡拓撲的快速變化而引起連接中斷和信號擁塞,可能會導致VANET崩潰,尤其在高峰時段[11]。此外,在完全自組網(wǎng)中頻譜資源的利用率很低[12],且隨著接入車輛的增加,廣播風暴的發(fā)生頻率更高。文獻[13]針對高速公路的車聯(lián)網(wǎng)場景,分析了特定路段上任意兩車之間的連通性模型參數(shù)指標與車輛密度及傳輸距離之間關(guān)系,且提出了一種車聯(lián)網(wǎng)專用的報文格式,能夠有效地控制廣播報文的泛濫情形。但是對于傳統(tǒng)的蜂窩系統(tǒng),包必須由演進節(jié)點(eNB)轉(zhuǎn)發(fā),因此傳統(tǒng)的LTE不支持V2V通信。D2D技術(shù)是距離較近的兩個終端直接進行通信,而不通過基站轉(zhuǎn)發(fā),因此可以大大地降低延遲,提高可靠性以及頻譜效率。

文獻[14]針對多信道車聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸需求,提出了一種 V2R/V2V 協(xié)作通信的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度算法。根據(jù)車輛的請求構(gòu)建初始調(diào)度沖突圖,在此基礎(chǔ)上,結(jié)合 V2R/V2V 協(xié)作傳輸?shù)姆绞椒謺r完成調(diào)度,有效地改善了網(wǎng)絡服務容量。文獻[15]針對車聯(lián)網(wǎng)中車輛節(jié)點服務質(zhì)量(quality of service,QoS)的不同需求,提出了一種基于應用優(yōu)先級與吞吐量評估的按需驅(qū)動的多路徑傳輸控制協(xié)議(multipath transport control protocol,MPTCP)擁塞控制算法,保證了車聯(lián)網(wǎng)通信的安全性,并通過吞吐量評估的方式提高了網(wǎng)絡傳輸效率,提高了高優(yōu)先級應用的網(wǎng)絡傳輸實時性。

由于車輛具有高移動性和有限的移動范圍,為了支持車聯(lián)網(wǎng)中不斷增長的業(yè)務量,提高交通效率,文獻[16]提出了一種基于非正交多址接入技術(shù)的簇重疊區(qū)域性能改進方案,能有效地降低相鄰兩個簇間沖突的概率和傳輸延遲。文獻[17]中,針對D2D通信的集群內(nèi)傳輸資源,設計了一種車輛聚類算法,提高簇內(nèi)資源效率,消除簇內(nèi)干擾;通過分析VANET中的無線業(yè)務,提出一種資源利用率優(yōu)化的協(xié)同通信方案,以最大限度地提高簇內(nèi)頻譜效率,顯著提高了吞吐量。文獻[18]考慮了基于D2D的車載用戶自主可靠地復用蜂窩車載用戶資源的新場景,并對用戶進行合理的選擇,以確定車對車鏈路和車對基礎(chǔ)設施鏈路的資源分配,提出一種啟發(fā)式算法來處理接入模式選擇和資源管理問題,通過考慮鏈路的可靠性,在保證D2D車載通信服務質(zhì)量的同時,最大化整個系統(tǒng)的和傳輸速率;針對移動性引起的信道狀態(tài)信息難以獲取的問題,提出基于大尺度慢衰落和小尺度快速衰落統(tǒng)計特性信道模型實現(xiàn)功率控制和頻譜共享的頻譜資源管理模型。

在車聯(lián)網(wǎng)中車輛的高速移動性,提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性與可靠性尤為重要。在車聯(lián)網(wǎng)中,只有距離較近的車輛之間才會產(chǎn)生影響,而D2D通信也是距離較近的兩個終端之間建立連接,D2D通信在提高頻譜利用率以及減低時延方面具有得天獨厚的優(yōu)勢,兩者之間具有相似性[19]。現(xiàn)針對車聯(lián)網(wǎng)的連接性分析,將D2D技術(shù)的通信模式引入車聯(lián)網(wǎng)中進行消息傳輸,降低空口傳輸時延以及網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)時延,且采用有效的傳輸機制避免網(wǎng)絡堵塞。在車輛的覆蓋范圍內(nèi)聯(lián)合完全自組網(wǎng)與混合車聯(lián)網(wǎng)兩種通信模式,提出一種中斷模式的信息傳輸機制,只有當車輛的行駛狀態(tài)發(fā)生改變時才向其他車輛發(fā)送信息,同時為了避免車輛之間通信鏈路斷開或者已經(jīng)處于保護圈外部,需要每隔一定時間向其他車輛發(fā)送一個信息來確認保護圈內(nèi)車輛之間的鏈路是否通暢。該機制利用車輛的相對移動來觸發(fā)信息發(fā)送,降低發(fā)送信息的頻率,并因此減少鏈路之間的干擾。同時,信令開銷也得到了降低,系統(tǒng)的信道容量得以提高,從而增加車輛的連接數(shù)目。

1 車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模型分析

D2D通信的信息傳輸分為分布式(完全自組網(wǎng))與集中式(基站輔助)兩種方式,如圖1所示。分布式通信方式是D2D終端之間自主完成D2D鏈路的建立和維持,如圖1中的D3與D4所示,該方式可以容易獲取D2D終端之間的鏈路信息,但相應地增加了設備的復雜度;而集中式通信方式則由基站根據(jù)獲取的所有鏈路信息,決定是否建立D2D鏈路,如圖1中D1與D2之間的D2D鏈路在基站控制下進行數(shù)據(jù)傳輸,該方式便于資源分配和干擾管理,可以充分發(fā)揮出D2D通信的技術(shù)優(yōu)勢,但增加了信令開銷。

基于D2D通信的車聯(lián)網(wǎng)也可以分為自組車聯(lián)網(wǎng)與混合車聯(lián)網(wǎng)兩種方式。在無基礎(chǔ)設施支持的場景下可以自組車聯(lián)網(wǎng),每個節(jié)點(車輛)之間自主地協(xié)調(diào)并選擇節(jié)點建立直接連接,也可以作為中繼節(jié)點為其他車輛轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),如圖2所示。隨著相鄰節(jié)點距離、信號強度等參數(shù)改變,可以實時調(diào)整節(jié)點之間的路由關(guān)系,該架構(gòu)正好可以滿足車輛移動場景中節(jié)點移動性快,組網(wǎng)速度快、修復能力強的需求,還能避免中心節(jié)點出故障全網(wǎng)癱瘓的問題。在路邊基礎(chǔ)設施——路側(cè)單元(roadside unit,RSU)比較完備時,基于D2D通信的車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)也可以通過基礎(chǔ)設施擴展車車之間的通信,使其接入互聯(lián)網(wǎng),從而為每個車輛提供無處不在的網(wǎng)絡接入、實時安全消息、多媒體業(yè)務、輔助控制等,如圖2所示。

圖2 車聯(lián)網(wǎng)模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of internet of vehicles model

車聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)D2D網(wǎng)絡最大的區(qū)別就是車輛的分布局限性與移動性,對應著車流量分布與車速分布模型。在車流量建模過程中,最初的車流量可以用靜態(tài)的分布模型來表示,然后配合速度模型來表示。

在單車道中采用泊松分布來簡化分析,當車流量密度為ρ輛/m時,長度為x的路段上有k輛車的概率為

(1)

在車輛在行駛過程中往往不是勻速運動,但也并不是每時每刻都會發(fā)生變化,因此做如下的假設:在車輛的初始位置固定后,除非車輛接收到RSU的指揮信號或者遇到突發(fā)情況,在一個周期T內(nèi)的行駛狀態(tài)是固定的。

車輛i的速度函數(shù)可以表示為

vi=vi0+δΔvi

(2)

式(2)中:vi為t時刻的瞬時速度;vi0為給定的初始速度;Δvi為速度的隨機變化量;δ為速度變化系數(shù),表達式為

(3)

式(3)中:Ti為車輛行駛狀態(tài)發(fā)生變化的周期,無特殊情況時車輛的行駛速度在一個周期內(nèi)是恒定的,速度變化僅僅發(fā)生在周期初始點(末點);n為變化周期的倍數(shù)。如果遇到突發(fā)情況,則速度會發(fā)生突變,往往都是急速減速。

該速度模型如圖3所示,車輛i在0時刻進入覆蓋范圍,以速度v5行駛,第一個與第二個行駛周期速度沒有變化,第三個周期內(nèi)速度提高到v6,以此類推。特別注意的是T4周期內(nèi)遇到突發(fā)情況車輛急剎車,然后緩慢加速到v4。

圖3 速度模型圖Fig.3 Speed model diagram

2 通信模式

在該系統(tǒng)模型下,根據(jù)有無RSU輔助的兩種車聯(lián)網(wǎng)情況分別討論。

2.1 無RSU的自組車聯(lián)網(wǎng)

在無路邊基礎(chǔ)設施的自組車聯(lián)網(wǎng)中,車輛之間的干擾主要是來自周圍車輛,車輛j接收到信干噪比(signal-to-interference-plus-noise ratio,SINR)可以寫為

(4)

從式(4)可以看出:車輛j接收到的信干噪比存在一個極小值(預先規(guī)定的閾值βj),即滿足SINRj≥βj才可以建立鏈路,即

(5)

可以發(fā)現(xiàn):發(fā)射車輛i的覆蓋區(qū)域存在一個最大的發(fā)射范圍,超出該區(qū)域則發(fā)射信號無法傳遞到車輛j,則車輛i與j之間無法建立通信鏈路。

為了保證車聯(lián)網(wǎng)的連接性需求,最好是所有車輛之間均建立連接進行數(shù)據(jù)傳輸,但是從上文分析可知:①對于車輛節(jié)點來講,由于受到發(fā)射功率的限制,都存在一個發(fā)送信息的最大范圍;②在車輛在其覆蓋范圍內(nèi),與其他車輛建立的鏈路之間相互存在干擾;③隨著周圍車輛增加,覆蓋范圍內(nèi)鏈路之間的干擾越大,則該覆蓋范圍相應地隨之減小。

由于車輛的行駛速度較大,往往還需要考慮中繼模式,即在覆蓋范圍外,車輛之間的信息傳輸可以采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼模式。本文研究僅考慮二跳中繼場景,其兩個階段的SINR表達式分別為

(6)

2.2 RSU輔助的混合車聯(lián)網(wǎng)

混合車聯(lián)網(wǎng)在市區(qū)車流量較大時,尤其是在十字路口時可以通過RSU預先給一定范圍內(nèi)的車輛發(fā)信息,可以減少自組網(wǎng)中車輛之間的信息交流引起網(wǎng)絡阻塞;同時在高速或者部分鄉(xiāng)道車流量較少時,利用RSU可以解決通信距離有限以及信道質(zhì)量不穩(wěn)定而導致鏈路頻繁斷開的問題。如果RSU與車輛復用同一頻譜資源,會造成額外干擾,則接受車輛j接收到的SINR表達式可以寫成

(7)

在行駛過程中,車輛的行駛狀態(tài)、速度以及路徑是時刻變化的,因此處于輻射范圍內(nèi)的車輛并不是一成不變的,當車輛駛出該區(qū)域時,則由直接鏈路變成中繼鏈路,直至距離較遠而沒有必要建立連接。由于RSU引入的額外干擾,發(fā)射車輛的覆蓋范圍會進一步減小。范圍以外的車輛通過中繼模式與RSU建立連接,類似地,SINR表達式可以寫為

(8)

由于車輛在行駛過程中,行駛參數(shù)變化較快,導致數(shù)據(jù)發(fā)送信息頻繁。由于發(fā)送數(shù)據(jù)時信息量越大或者越頻繁,其占用的時隙資源越多,則越容易造成網(wǎng)絡堵塞,可能導致一些關(guān)鍵信息無法上傳,而發(fā)生意外。

3 信息傳輸機制

3.1 傳輸機制

在車聯(lián)網(wǎng)中,每隔一定的時間間隔發(fā)送全部數(shù)據(jù)信息會造成信息冗余,導致傳輸時間較長,占用頻譜資源幾率大,鏈路之間干擾變大。在該機制中,提出一種中斷模式,即在信息傳輸?shù)牟襟E中,若車輛的行駛狀態(tài)不發(fā)生變化,只需在固定時刻上報一個確認信息0000驗證鏈路正常即可;在其他時間,只有當狀態(tài)發(fā)生改變時才進行信息傳輸,能夠在確保車輛行駛安全的前提下大大地節(jié)省網(wǎng)絡資源。當車輛行駛發(fā)生變化或者遇到意外情況,需要及時地傳遞給其他車輛,如:當車輛發(fā)現(xiàn)有障礙物時,需要及時提醒其他車輛;將車輛的行駛狀態(tài)(包括速度、變道等)提前預告給其他車輛,從而能夠提前預判;靠近交叉路口時,提醒其他車輛指揮信號和行人信息;路況以及事故匯報等。因此在信息傳輸時只需傳遞變化的參數(shù)即可,如此可以大大地降低車輛之間傳遞的信息量,從而有效地降低干擾,且保證關(guān)鍵參數(shù)能夠及時傳遞給其他車輛。

車輛與覆蓋范圍內(nèi)的其他車輛建立D2D鏈路,并建立路由表,如表1所示。假定車輛V的發(fā)送信息為S,發(fā)送的信息主要包括車輛的行駛參數(shù),如速度、路徑、路況與預警等。

3.2 信息格式

信息格式包含幀頭、標志位、數(shù)據(jù)、幀尾。數(shù)據(jù)部分包含的車輛的行駛參數(shù)。由于車輛行駛狀態(tài)發(fā)生改變時,并不是所有的參數(shù)同時改變,可能只有一個參數(shù)發(fā)生變化,而其他的數(shù)值仍然是0,如果每次都同時發(fā)送所有的參數(shù)數(shù)據(jù),首先信息傳輸時延比較長,且占有頻譜資源的時間較長,導致鏈路之間的干擾會加大,容易造成車輛鏈路斷開;其次,傳輸數(shù)據(jù)量大,容易造成網(wǎng)絡堵塞。

為了避免每次都發(fā)送所有信息,在該機制中數(shù)據(jù)包含參數(shù)位(前兩位)與數(shù)值位(后兩位)兩部分,其中參數(shù)位為00時表示無變化,01、02、03、…依次表示位置、速度、方向等。

車輛j向車輛i只發(fā)送行駛參數(shù)發(fā)生變化的信息,車輛i接收到后更新路由表信息;若車輛j的行駛參數(shù)不發(fā)生改變則無需上報其信息,則車輛i的路由表保持不變,但是在固定間隔內(nèi)也必須發(fā)送一個無變化標識,以確保與該車輛的連接正常,車輛i收到無變化標識時路由表也維持不變。車輛行駛狀態(tài)發(fā)生改變時只發(fā)送相應變化的參數(shù)及數(shù)據(jù),如果同時幾個參數(shù)發(fā)生改變時,則依次發(fā)送。利用本文提出的信息格式能夠大大地降低數(shù)據(jù)長度,降低時延與鏈路干擾。

車輛在行駛過程中位置是實時變化的,但在車聯(lián)網(wǎng)中更關(guān)心是兩個車輛的相對位置,因此這里的位置指的是在行駛過程中的車輛之間相對位置;預警信息是車輛下一步將要采取的加速超車、變道改徑、剎車減速或停車等行為,可以將其提前通知其他車輛,讓其他車輛預知其運動狀態(tài)或軌跡,并根據(jù)自己的狀態(tài)提前避讓或者反饋無法避讓信息。

表1 車輛的行駛信息路由表及數(shù)據(jù)格式信息Table 1 Vehicle driving information routing table and data format information

4 信息傳輸流程

基于上面的分析,以車輛i為發(fā)射源節(jié)點為例說明,該機制的具體步驟如下。

(1)初始化:車輛i根據(jù)其發(fā)射功率、周圍車輛的數(shù)目以及相對位置等參數(shù)確定其覆蓋范圍,建立初始路由表。

(2)車輛i與列表中的車輛建立D2D鏈路。

(3)判斷車輛的行駛狀態(tài),及時發(fā)送信息:① 如果車輛i的行駛參數(shù)發(fā)生改變,則及時發(fā)送給其他車輛;若不發(fā)生改變則不需要重新發(fā)送信息,只需在一定時間間隔上報無變化信息0;除非有新的車輛進入覆蓋范圍,只需單獨發(fā)送信息給新加入的車輛n;② 若列表中其他車輛j的行駛參數(shù)發(fā)生改變或者其他突發(fā)情況,要及時發(fā)送信息給車輛i;若沒有變化,則不發(fā)送信息,在一定時間間隔上報無變化信息0;③ 如果有新車輛n進入該覆蓋范圍,將其行駛參數(shù)發(fā)送給車輛i;④ 車輛的預警信息如果與當前的行駛參數(shù)不一致,提前發(fā)送給其他車輛,并等待其他車輛的反饋信息;車輛的預警信息與當前信息一致時,則向其他車輛發(fā)送信息0。

(4)根據(jù)車輛行駛參數(shù),及時反饋信息:① 車輛j接收到車輛i的行駛狀態(tài)發(fā)生改變時,根據(jù)信息判斷行駛參數(shù)發(fā)生變化的車輛是否超出覆蓋范圍,若超出范圍則由直接鏈路變成中繼鏈路,若中繼鏈路也不滿足則不傳遞信息;及時更新路由表;② 車輛i接收到車輛j上報信息后,將發(fā)生變化的車輛信息在路由表信息中及時更新,無變化的車輛信息保持不變;③ 接收到新接入車輛n發(fā)送的信息,車輛i要及時地更新路由表,并將其反饋給車輛n;④ 車輛接收到其他車輛的預警信息變化時,若同意該車輛預警信息發(fā)生改變,則回復信息1;如果不同意其行為,即無法躲避其參數(shù)改變,則回復信息0。

重復步驟(3),與上報信息的車輛實時傳遞信息。

(5)車輛行駛狀態(tài)的改變:其他車輛發(fā)生改變時,如果影響不到自身的行駛,則繼續(xù)保持原狀態(tài);若無法躲避,則調(diào)整自己的行駛參數(shù),并及時上報其信息,更新路由表,重復步驟(2)。

(6)判斷是否進入RSU覆蓋范圍:如果進入RSU的覆蓋范圍,所有車輛在RSU調(diào)度管理下實時更新信息,并傳遞給其他車輛,防止緊急制動,以避免事故發(fā)生。

(7)駛出RSU覆蓋范圍后,重復步驟(1)。

基于D2D技術(shù)的中斷模式的信息傳輸機制的流程圖如圖4所示。

圖4 傳輸機制流程圖Fig.4 Flow chart of the transmission mechanisms

5 仿真結(jié)果

假定所有車輛配備了多個無線電接口,都能夠同時進行V2V和V2I連接。采用 MATLAB仿真平臺對提出的傳輸機制算法進行仿真驗證。主要研究基于D2D技術(shù)的自組車聯(lián)網(wǎng)以及RSU輔助的混合車聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸機制。仿真場景采用雙 RSU 的十字交叉路段,道路采用雙向4車道,車輛在道路上的初始位置按照泊松分布隨機分布,車速均固定在v0=45 km/h,按照±15 km/h隨機變化,在路口時,受RSU指揮燈指揮。仿真的其他參數(shù)設置如表2所示。

表2 仿真參數(shù)表Table 2 Simulation parameters table

圖5分別描述了車輛總數(shù)量與信令開銷、節(jié)點容量以及車輛鏈路連接數(shù)目的關(guān)系曲線。在提出的中斷傳輸機制模式下,每隔一定時間周期性地向其他車輛直接發(fā)送信息,或者車輛的行駛狀態(tài)發(fā)生改變時不需要發(fā)送請求指令而直接向?qū)Ψ桨l(fā)送信息,從而大大地降低了指令開銷,相比較傳統(tǒng)模式,該模式能夠大大地降低信令開銷,尤其在車輛數(shù)量較大時,效果更顯著,如圖5(a)所示。此外,由于車輛之間發(fā)送信息復用同一頻譜資源,鏈路之間彼此存在干擾,而采用該中斷模式,在車輛行駛過程中,如果行駛狀態(tài)不發(fā)生改變,則無需向同一覆蓋圈的其他車輛發(fā)送信息,不僅降低了發(fā)送信息的數(shù)量,同時也減小了發(fā)送信息的時隙,減少了信息發(fā)送次數(shù),從而有效地避免了相互鏈路之間的干擾,一方面增加了保護圈的節(jié)點容量,如圖5(b)所示;另一方面也增加了覆蓋圈內(nèi)車輛建立鏈路的最大數(shù)目,如圖5(c)所示。此外,從圖5(b)還可以發(fā)現(xiàn),保護圈中復用同一資源的連接數(shù)目存在一個最優(yōu)值。

圖5 中斷模式與傳統(tǒng)模式的傳輸性能對比圖Fig.5 Transmission performance comparison between interrupt mode and traditional mode

車聯(lián)網(wǎng)區(qū)別于無線網(wǎng)絡的主要特點之一就是節(jié)點的移動性,從而導致網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)變化較大。車輛之間的相對速度對于性能參數(shù)的影響非常大,圖6描述了車輛之間相對速度變化對信令開銷與節(jié)點連接數(shù)量的影響程度。從圖6(a)中可以看出:車輛的相對速度越大,意味著車輛的速度變化量大,則在提速(或減速)過程中發(fā)送信息指令更加頻繁,故相應的信令開銷就越大,車輛的總數(shù)目越大消耗的信令差距越大;另一方面速度變化越大,信息發(fā)送的次數(shù)增多,則在同一時刻占用鏈路的幾率增大,相應鏈路之間的干擾就會增加,如圖6(b)所示,隨著車輛相對速度的增大,覆蓋圈內(nèi)車輛的連接數(shù)目也會相應地減少。

圖6 在不同相對速度下中斷模式的信令開銷與連接數(shù)目Fig.6 Signaling overhead and number of connections in interrupt mode at different relative speeds

除此之外,圖7描述了在不同相對速度下時車輛連接數(shù)目與時間的變化關(guān)系,從圖7中可以發(fā)現(xiàn):當車輛總數(shù)固定時,相比較于車輛行駛狀態(tài)相對靜止來說,車輛在隨機運動狀態(tài)下,不考慮特殊情況時,覆蓋圈內(nèi)建立連接的車輛數(shù)目會減小,但是數(shù)量變化不大。但是隨著相對速度越大,覆蓋圈內(nèi)建立連接的車輛數(shù)目變化。

6 結(jié)論

在混合架構(gòu)車聯(lián)網(wǎng)中,車輛節(jié)點數(shù)量較少時鏈路容易中斷,即網(wǎng)絡魯棒性較差,即鏈路容易失去聯(lián)系,而隨著車輛的移動以及數(shù)量的增多,導致鏈路干擾增加從而降低節(jié)點容量,以及信令急劇增多消耗大量的網(wǎng)絡資源。在此,提出了一種基于D2D技術(shù)的中斷信息傳輸模式,只有當車輛的行駛狀態(tài)發(fā)生改變時才向其他車輛發(fā)送,同時為了避免車輛之間通信鏈路斷開或者已經(jīng)處于保護圈外部,需要每隔一定時間向其他車輛發(fā)送一個信息0,以此來確認保護圈內(nèi)車輛之間的鏈路是否通暢。由于該機制利用車輛的相對移動來觸發(fā)發(fā)送信息,降低了信息發(fā)送的頻率,從而降低了鏈路之間的相互干擾,減少了信令開銷,提高了系統(tǒng)的信道容量,增加了車輛的連接數(shù)目。