V2X通信中高效數(shù)據(jù)傳輸與低延遲算法研究

摘要：V2X通信技術(shù)作為智能交通系統(tǒng)的核心，包括C-V2X和DSRC兩種主要技術(shù)。在高效數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)中，多跳傳輸機制擴大通信范圍，自適應調(diào)度算法優(yōu)化資源分配，數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)可減少傳輸數(shù)據(jù)量。在低延遲算法研究方面，優(yōu)化路由算法可提高傳輸效率，邊緣計算技術(shù)將計算資源下沉到網(wǎng)絡邊緣。這些技術(shù)和算法的綜合應用有助于提高V2X通信的效率和可靠性，為構(gòu)建智能交通系統(tǒng)奠定基礎。

關鍵詞：V2X通信；多跳傳輸；自適應調(diào)度；數(shù)據(jù)壓縮；路由優(yōu)化

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.02.017

中圖分類號：TN 91；TN 92" " " " " 文獻標志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2025）02-00-03

Research on Efficient Data Transmission and Low Latency Algorithms

in V2X Communication

SHI Ruyu， JING Yu， ZHANG Yu， YOU Jiayi， TANG Jiatong

（Kewen College of Jiangsu Normal University， Xuzhou 221000， China）

Abstract： As the core of intelligent transportation systems， V2X communication technology includes two main technologies： C-V2X and DSRC. In efficient data transmission technologies， multi-hop transmission mechanisms expand communication range， adaptive scheduling algorithms optimize resource allocation， and data compression techniques reduce the volume of transmitted data. In terms of low latency algorithm research， optimizing routing algorithms improves transmission efficiency， and edge computing technology moves computational resources to the network edge. The integrated application of these technologies and algorithms helps improve the efficiency and reliability of V2X communication， laying the foundation for building intelligent transportation systems.

Keywords： V2X communication; multi-hop transmission; adaptive scheduling; data compression; routing optimization

0" "引言

隨著智能交通系統(tǒng)的興起，車輛與基礎設施間的通信（V2X通信）成為關鍵技術(shù)之一。V2X通信包括車對車（V2V）、車對基礎設施（V2I）、車對行人（V2P）和車對網(wǎng)絡（V2N）等多種形式，旨在通過信息共享和協(xié)作感知，實現(xiàn)更高效、更安全的交通系統(tǒng)。然而，V2X通信的高效數(shù)據(jù)傳輸和低延遲要求對現(xiàn)有的通信技術(shù)提出了巨大挑戰(zhàn)。

1" "V2X通信技術(shù)概述

V2X通信技術(shù)，即車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使車輛能夠與周圍環(huán)境進行通信，是實現(xiàn)自動駕駛汽車的關鍵。V2X通信的主要目標是使車輛能夠與其他車輛、交通基礎設施和云資源無縫交互，從而增強出行安全。為了實現(xiàn)這一目標，V2X技術(shù)采用了兩種主要的無線通信標準：專用短程通信（DSRC）和蜂窩V2X（C-V2X）。DSRC是一種基于IEEE 802.11p標準的無線通信技術(shù)，主要用于車輛與路邊基礎設施之間的通信，它在5.9 GHz頻段運行，通信范圍可達1 000 m，并配備集成的安全功能，確保可靠、安全的通信[1]。DSRC技術(shù)在包括美國和日本在內(nèi)的全球各個國家和地區(qū)得到了廣泛采用和部署，但在高密度場景下，車輛之間的通道爭奪強度顯著增加，導致性能下降。C-V2X基于長期演進（LTE）和現(xiàn)有的蜂窩基礎設施，被視為一種潛在的顛覆性技術(shù)，它有兩種傳輸模式：直接安全通信和網(wǎng)絡通信，直接安全通信可在5.9 GHz頻段中實現(xiàn)車輛對車輛（V2V）、車輛與基礎設施（V2I）和車輛對行人（V2P）通信；網(wǎng)絡通信則在移動運營商許可的頻譜中運行，實現(xiàn)車輛與網(wǎng)絡通信，C-V2X技術(shù)融合了蜂窩網(wǎng)絡和無線電基站的優(yōu)勢，可實現(xiàn)更好的安全服務和自動駕駛（如圖1所示）。

2" "高效數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

2.1 多跳傳輸機制

V2X通信中的多跳傳輸機制是一種創(chuàng)新的數(shù)據(jù)傳輸方法，旨在克服傳統(tǒng)單跳通信的局限性，在復雜的城市環(huán)境或高速公路場景中，車輛之間的直接通信可能受到建筑物、地形或其他車輛的阻礙，多跳傳輸允許數(shù)據(jù)通過中間節(jié)點（即其他車輛或路側(cè)單元）進行轉(zhuǎn)發(fā)，從而繞過障礙物，擴大了通信范圍。這種機制顯著提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院托剩纾斠惠v車需要向遠處的車輛發(fā)送緊急警告信息時，多跳傳輸可以確保信息快速、可靠地傳遞，即使接收車輛不在發(fā)送車輛的直接通信范圍內(nèi)，多跳傳輸還能有效解決網(wǎng)絡覆蓋不均勻的問題，特別是在車輛密度較低的區(qū)域，通過中繼傳輸可以維持網(wǎng)絡連通性。然而，多跳傳輸機制也帶來了一些挑戰(zhàn)，每增加一跳，都會增加通信延遲和系統(tǒng)復雜度，數(shù)據(jù)在多個節(jié)點間傳遞可能導致累積延遲，這對于某些對時間敏感的應用（如碰撞預警）可能造成負面影響，因此，在實施多跳傳輸時，需要仔細考慮對路由算法的優(yōu)化，以平衡傳輸效率和延遲[2]。優(yōu)化路由算法是提高多跳傳輸性能的關鍵，地理位置路由是一種常用的方法，它利用車輛的位置信息來選擇最佳的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。另一種方法是基于預測的路由，通過預測車輛的移動軌跡來選擇穩(wěn)定的通信鏈路，這些算法需要考慮車輛密度、移動速度、通信質(zhì)量等多個因素，以動態(tài)調(diào)整路由策略。

2.2 自適應調(diào)度算法

自適應調(diào)度算法是V2X通信中提高數(shù)據(jù)傳輸效率的另一關鍵技術(shù)，這類算法通過動態(tài)調(diào)整通信資源分配，使系統(tǒng)能夠靈活應對變化的通信環(huán)境和需求，在車聯(lián)網(wǎng)場景中，通信條件和需求可能因車輛密度、行駛速度、天氣狀況等因素而快速變化，自適應調(diào)度算法能夠?qū)崟r響應這些變化，優(yōu)化資源利用。基于信道狀態(tài)的調(diào)度是一種常見的自適應調(diào)度方法，該方法通過實時監(jiān)測信道質(zhì)量，將通信資源優(yōu)先分配給信道條件較好的用戶，在V2X通信中，這意味著系統(tǒng)會優(yōu)先為信號強度高、干擾小的車輛分配資源，從而提高整體的傳輸效率，例如，當一輛車行駛到信號覆蓋較好的區(qū)域時，系統(tǒng)會增加其資源分配，以充分利用良好的信道條件。基于車輛速度的調(diào)度是另一種重要的自適應調(diào)度策略，該方法考慮到車輛速度對通信性能的影響，為不同速度的車輛分配合適的資源，高速行駛的車輛通常需要更頻繁的信息更新和更可靠的通信鏈路，因此系統(tǒng)會為這些車輛分配更多資源，相反，對靜止或低速行駛的車輛可能分配較少資源，以提高整體資源利用效率。基于通信需求的調(diào)度是自適應調(diào)度算法的第三種常見形式，這種方法根據(jù)不同應用的優(yōu)先級和帶寬需求動態(tài)調(diào)整資源分配，例如，安全相關的應用（如碰撞預警）通常具有較高的優(yōu)先級，系統(tǒng)會確保這些應用獲得足夠的資源，以保證信息的及時傳遞，同時，對于娛樂或非關鍵信息傳輸，系統(tǒng)可能會在資源緊張時適當降低其優(yōu)先級。

2.3 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)

數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)在V2X通信中扮演著關鍵角色，通過減少傳輸數(shù)據(jù)量，顯著提高通信效率，在帶寬有限的車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，數(shù)據(jù)壓縮可以有效緩解網(wǎng)絡擁塞，降低傳輸延遲，提高系統(tǒng)容量。壓縮技術(shù)的應用范圍廣泛，從基本的狀態(tài)信息到復雜的多媒體內(nèi)容都可以受益。無損壓縮是一種保持數(shù)據(jù)完整性的壓縮方法，這種技術(shù)通過識別和消除數(shù)據(jù)中的冗余信息來減少數(shù)據(jù)量，而不會丟失任何原始信息，在V2X通信中，無損壓縮特別適用于對數(shù)據(jù)準確性要求高的應用，如車輛定位信息、交通信號狀態(tài)等，常見的無損壓縮算法包括霍夫曼編碼、算術(shù)編碼和LZW壓縮等，這些算法通過分析數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性，為常見數(shù)據(jù)模式分配短編碼，從而實現(xiàn)壓縮[3]。有損壓縮則在一定程度上犧牲數(shù)據(jù)精度，以換取更高的壓縮比，這種方法在處理圖像、視頻等多媒體數(shù)據(jù)時特別有效，在V2X場景中，有損壓縮可用于壓縮車載攝像頭捕獲的圖像或視頻數(shù)據(jù)，以便快速傳輸給其他車輛或基礎設施，常見的有損壓縮技術(shù)包括JPEG圖像壓縮和MPEG視頻壓縮，這些算法通過去除人眼不敏感的高頻細節(jié)，大幅減少數(shù)據(jù)量，同時保持視覺質(zhì)量。

3" "低延遲算法研究

3.1 優(yōu)化路由算法

在V2X通信系統(tǒng)中，低延遲是確保實時性和安全性的關鍵要求，優(yōu)化路由算法是實現(xiàn)低延遲通信的核心策略之一，通過精心設計的路由算法，可以顯著減少數(shù)據(jù)傳輸過程中的延遲，提高整體通信效率。最短路徑算法是優(yōu)化路由的基礎方法，在V2X網(wǎng)絡中，最短路徑不僅指地理距離最短，還可能考慮鏈路質(zhì)量、網(wǎng)絡擁塞程度等因素，Dijkstra算法和Bellman-Ford算法是兩種常用的最短路徑算法，這些算法通過評估網(wǎng)絡中各節(jié)點間的連接狀況，計算出最優(yōu)傳輸路徑，在V2X環(huán)境中，最短路徑算法需要快速適應網(wǎng)絡拓撲的變化，因此往往采用分布式實現(xiàn)，每個節(jié)點只需維護局部網(wǎng)絡信息，從而減少計算復雜度和更新開銷。基于位置的路由算法充分利用了V2X系統(tǒng)中車輛位置信息易于獲取的特點，這類算法使用GPS或其他定位技術(shù)獲取車輛的實時位置，然后根據(jù)源節(jié)點和目標節(jié)點的位置關系選擇最佳的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。貪婪轉(zhuǎn)發(fā)（Greedy Forwarding）是一種典型的基于位置的路由方法，它選擇距離目標節(jié)點最近的鄰居節(jié)點作為下一跳，為了克服網(wǎng)絡中可能出現(xiàn)的局部最優(yōu)問題，面向位置的路由（GPSR）等改進算法被提出，這些算法在遇到通信盲區(qū)時可以切換到周邊模式，繞過障礙物繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)[4]。

3.2 邊緣計算技術(shù)

邊緣計算技術(shù)是降低V2X通信延遲的另一關鍵策略，通過將計算資源和服務下沉到網(wǎng)絡邊緣，靠近數(shù)據(jù)源和用戶，邊緣計算能夠顯著減少數(shù)據(jù)傳輸距離，降低網(wǎng)絡擁塞，從而實現(xiàn)低延遲通信和實時數(shù)據(jù)處理。在V2X系統(tǒng)中，邊緣節(jié)點的部署是實現(xiàn)邊緣計算的基礎，常見的邊緣節(jié)點包括路側(cè)單元（RSU）、智能信號燈、邊緣服務器等。這些節(jié)點不僅作為通信中繼，還承擔了數(shù)據(jù)處理和決策功能，例如，RSU可以收集周圍車輛的狀態(tài)信息，進行實時交通流分析，并向車輛發(fā)送優(yōu)化的路徑建議；智能信號燈可以根據(jù)實時交通狀況調(diào)整信號周期，提高交叉路口的通行效率。任務分配是邊緣計算中的關鍵問題，在V2X環(huán)境中，需要根據(jù)任務類型、計算復雜度、數(shù)據(jù)量和延遲要求等因素，決定任務是在車載單元、近端邊緣節(jié)點還是遠端云服務器上執(zhí)行，對于要求極低延遲的安全關鍵任務，如碰撞預警，應優(yōu)先在車載單元或最近的邊緣節(jié)點上處理，對于需要大量歷史數(shù)據(jù)或全局信息的任務，如交通流預測，可以在具有更強計算能力的邊緣服務器上執(zhí)行[5]。資源管理是確保邊緣計算有效運行的重要環(huán)節(jié)，在動態(tài)變化的V2X環(huán)境中，需要靈活調(diào)度計算、存儲和網(wǎng)絡資源，以適應不同場景的需求，虛擬化技術(shù)，如容器化，可以實現(xiàn)邊緣資源的快速部署和動態(tài)分配；軟件定義網(wǎng)絡（SDN）技術(shù)可以提供靈活的網(wǎng)絡資源管理，根據(jù)應用需求動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡路徑和帶寬分配。

4" "結(jié)束語

V2X通信技術(shù)的發(fā)展為智能交通系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了強有力的支持。高效數(shù)據(jù)傳輸和低延遲算法的研究成果顯著提升了通信效率和可靠性。多跳傳輸機制克服了傳統(tǒng)單跳通信的局限性，自適應調(diào)度算法實現(xiàn)了資源的動態(tài)優(yōu)化分配，數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)有效緩解了網(wǎng)絡擁塞。在低延遲算法方面，優(yōu)化的路由算法加快了數(shù)據(jù)傳輸速度，邊緣計算技術(shù)降低了處理延遲。這些技術(shù)和算法的集成應用為V2X通信系統(tǒng)的性能提升開辟了新的途徑，為智能交通系統(tǒng)的廣泛部署和應用奠定了堅實的技術(shù)基礎，有望在提高道路安全、改善交通效率方面發(fā)揮重要作用。

參考文獻

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作者簡介：侍如玉（2004-），女，漢族，江蘇宿遷人，本科在讀，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)工程。

經(jīng)" " 玉（2024-），女，漢族，江蘇南京人，本科在讀，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)工程。

張" " 鈺（2024-），女，漢族，江蘇鹽城人，本科在讀，研究方向為電氣工程自動化。

尤佳怡（2004-），女，漢族，江蘇蘇州人，本科在讀，研究方向為會計。

唐佳桐（2004-），女，漢族，四川大竹人，本科在讀，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)工程。