基于車聯(lián)網(wǎng)的動態(tài)信道切換研究

謝于晨 何鍵

摘 要：智能交通的應(yīng)用趨于普及化，對于智能交通的要求也越來越高。車聯(lián)網(wǎng)作為智能交通的主體，也是一個(gè)重要的研究對象。車聯(lián)網(wǎng)通信信道包括控制信道和業(yè)務(wù)信道，它們之間因?yàn)闃I(yè)務(wù)需求需要進(jìn)行不定時(shí)的切換。本文對以往的等間隔的信道切換機(jī)制進(jìn)行了優(yōu)化研究，提出了一種基于車輛密度變化而完成動態(tài)信道切換的方案，該方案可以在保證行車安全的前提下進(jìn)行控制信道和業(yè)務(wù)信道的切換，同時(shí)文中對新的信道切換機(jī)制進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：車聯(lián)網(wǎng)；信道切換；動態(tài)

1 概述

車聯(lián)網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)的延伸，是智能交通的核心技術(shù)之一。車聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中存在遠(yuǎn)距離的通信方式和短距離的通信方式。后者關(guān)系到車輛的行駛安全指標(biāo)，用于保證車輛間成功發(fā)送安全消息。車聯(lián)網(wǎng)的媒體接入控制層采用信道切換和信道競爭相結(jié)合，這使得車聯(lián)網(wǎng)安全信息發(fā)送的成功率會受到車輛密度的影響。當(dāng)車輛比較少時(shí)，會出現(xiàn)信道資源利用率低的情況；當(dāng)車輛擁堵時(shí)，車輛密度大，信道利用率非常高甚至出現(xiàn)信道堵塞，這要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，尤其是信道切換時(shí)間范圍內(nèi)無法成功完成安全信息數(shù)據(jù)包的發(fā)送，從而對行車安全會產(chǎn)生一定的影響。為了縮短信道切換時(shí)間，提高信道切換的及時(shí)性，我們將提出一種新的信道切換機(jī)制，以增強(qiáng)安全信息數(shù)據(jù)包的發(fā)送成功率，使行車安全系數(shù)更加穩(wěn)定。

2 傳統(tǒng)信道切換分析

2.1 車聯(lián)網(wǎng)信道模型

在標(biāo)準(zhǔn)的無線接入車聯(lián)網(wǎng)中，分配給專業(yè)短程通信的頻率資源被分成兩類信道：控制信道（CCH）和業(yè)務(wù)信道（SCH）[ 1-2 ]。故而，在一個(gè)周期的信道時(shí)間內(nèi)，一個(gè)時(shí)隙被分為了控制時(shí)隙以及業(yè)務(wù)時(shí)隙，并且兩個(gè)時(shí)隙進(jìn)行相互交替，如圖1所示。

在WAVE協(xié)議中規(guī)定，控制信道（CCH）主要是用來傳送車輛行車安全相關(guān)的信息，包括車輛位置信息、時(shí)間信息及行駛方向等信息。把所有在控制信道上傳輸?shù)男畔⒔y(tǒng)稱為安全信息，它又分為周期性和非周期性兩種。

周期性的信息主要指車輛的行駛狀況，并周期性的發(fā)送給其周圍行駛的車輛，車輛收到信息后，對信息進(jìn)行分析處理，從而確定車輛之間的安全行駛。

業(yè)務(wù)信道傳輸?shù)氖桥c控制信道不同的信息，即與安全不相關(guān)的信息，主要是指傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。就是因?yàn)樗l(fā)送的是非安全信息，所以業(yè)務(wù)信道發(fā)送的消息就沒有控制信道上的安全信息重要。

2.2 信道切換機(jī)制分析

目前車聯(lián)網(wǎng)中普遍使用WAVE裝置是單物理層的，即在某一個(gè)時(shí)刻，車輛只能在某一個(gè)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)包的收發(fā)。WAVE協(xié)議嚴(yán)格限制了控制信道和業(yè)務(wù)信道發(fā)送的消息，所以為滿足駕駛員的各種需求，有時(shí)候必須進(jìn)行信道切換。

協(xié)議IEEE1609.4提出了四種不同的信道切換機(jī)制可供使用[ 3-5 ]，四種機(jī)制如下：

2.2.1兩種信道分別持續(xù)占用方式

這種模式?jīng)]有引入信道切換的概念，某個(gè)設(shè)備持續(xù)使用一種信道，要么一直工作在控制信道，要么一直工作在業(yè)務(wù)信道。一般情況下，設(shè)備都是默認(rèn)在CCH下，除非有特殊請求。

2.2.2兩種信道等間隔切換

如圖1所示，CCH和SCH兩種信道在一個(gè)時(shí)隙周期內(nèi)，一半是業(yè)務(wù)周期，一半是控制周期，周期性的進(jìn)行信道切換[ 3 ]。

2.2.3業(yè)務(wù)信道占用

這種模式是在第二種模式的基礎(chǔ)，在同一個(gè)時(shí)隙內(nèi)不規(guī)律的插入業(yè)務(wù)信道的運(yùn)行時(shí)間，以滿足大量非安全信息的需求，所以這種模式主要是用在對非安全信息需求大的情況下。

2.2.4業(yè)務(wù)信道擴(kuò)展占用

在確保車輛間行駛安全的情況下，業(yè)務(wù)信道與控制信道不進(jìn)行等間隔切換，業(yè)務(wù)信道可連續(xù)占用多個(gè)周期，這種模式同樣適用于對非安全信息需求大的應(yīng)用中。

現(xiàn)有機(jī)制雖然有四種，但是當(dāng)我們的車輛密度信息發(fā)生變化，有時(shí)無法保證安全信息能夠成功發(fā)送出去。為了盡量使所有車輛安全信息在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)發(fā)送出去，我們需要對信道切換機(jī)制就行優(yōu)化修改。

3 動態(tài)信道切換方案

從目前的研究來看，現(xiàn)有的關(guān)于信道切換的機(jī)制都是基于等間隔的信道切換方式，也就是在100ms的周期內(nèi)，控制信道和業(yè)務(wù)信道各占50ms。但是交通路況不是一成不變的，車輛密度也是變化的，在交通擁堵狀況出現(xiàn)時(shí)，車輛之間的安全信息有時(shí)候很難在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完整發(fā)送。而此時(shí)，車輛又由于業(yè)務(wù)需求需要切換到業(yè)務(wù)信道，這就給交通造成了一個(gè)很大的安全隱患。

這里我們給出了一種動態(tài)信道切換方法，該方法基于車輛密度進(jìn)行分析。方案流程圖如圖2所示。

假設(shè)在第一個(gè)起始時(shí)隙，所有的車輛都工作在控制信道CCH下，并且不進(jìn)行信道切換。車輛首先需要采集車輛的位置、速度、車輛ID等信息[ 6 ]，組成一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送出去。其他車輛收到數(shù)據(jù)包后對相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行計(jì)算分析，為安全程序服務(wù)。同時(shí)還會對收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行計(jì)數(shù)，為防止數(shù)據(jù)包的重復(fù)接收我們在每個(gè)數(shù)據(jù)包頭都加上車輛ID號，通過對比車輛ID，可以將重復(fù)的數(shù)據(jù)包丟棄并且不進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)。然后我們根據(jù)數(shù)據(jù)包計(jì)數(shù)總數(shù)，根據(jù)公式：

式中Num表示數(shù)據(jù)包總數(shù)，L表示車道的數(shù)量，d1和d2分別表示，在該車的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，該車前面距離最遠(yuǎn)的車的距離和該車后面距離最遠(yuǎn)的車的距離。

根據(jù)公式，我們可以算出車輛密度值，來判斷交通的路況情況。我們把交通路況進(jìn)行級別劃分，一級為無擁堵情況，二級為相對行駛緩慢，三級為交通嚴(yán)重?fù)矶隆８鶕?jù)等級的劃分，可以對車輛密度值進(jìn)行相應(yīng)的量化處理。

我們假設(shè)在1000米的道路范圍內(nèi)，有50輛以下的車，發(fā)送所有的安全信息需在40ms以內(nèi)，這時(shí)可以設(shè)置為一級無擁堵狀態(tài)，統(tǒng)一要求在40ms的時(shí)候進(jìn)行切換。當(dāng)車輛數(shù)據(jù)增加到100時(shí)，發(fā)送所有的安全信息需在50ms以內(nèi)，這時(shí)對應(yīng)二級一般擁堵情況，我們默認(rèn)二級路況在50ms進(jìn)行信道切換。當(dāng)車輛繼續(xù)增加，發(fā)送所有的安全信息需在大于50ms，超過了規(guī)定的時(shí)間范圍，這時(shí)可以說處于三級非常擁堵的情況下，無法保證非安全信息的發(fā)送，需延長控制信道的占用時(shí)間，這就是所謂的動態(tài)進(jìn)行信道切換的方案。

4 仿真分析

接下來我們對前面的方案進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證方案的可行性。首先，來看一下車輛數(shù)和發(fā)包成功率與發(fā)包時(shí)間之間的聯(lián)系。從圖3可以看到，在車輛數(shù)目在100輛以下，發(fā)包的成功率都是100%，用于發(fā)包的時(shí)間也在50ms以內(nèi)，而在車輛數(shù)據(jù)在100輛以上時(shí)，發(fā)送包的時(shí)間越來越長，發(fā)包成功率越來越低。所以在信道切換時(shí)，要根據(jù)道路的擁堵情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整，也就達(dá)到了一個(gè)動態(tài)切換的目的。

再來看一下本文提出的信道切換機(jī)制與原有的等間隔信道切換模式之間的對比。

圖4表明了在相同的車輛數(shù)目的前提下前者較后者在發(fā)包成功率有明顯的提高，也就是說，當(dāng)車輛數(shù)目增加時(shí)，車輛之間需要收到的安全信息包就多，前者發(fā)送的成功率高，帶來的行駛安全隱患就越低，不會因?yàn)槁┌l(fā)安全信息數(shù)據(jù)包而引發(fā)交通事故，也就將交通意外風(fēng)險(xiǎn)降低了。這也就表明本人提出的信道切換方案在行車安全方面有一定的優(yōu)勢。

5 結(jié)論

車聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)包括控制信道和業(yè)務(wù)信道，二者之間由于業(yè)務(wù)需求需要進(jìn)行切換，而控制信道發(fā)送與安全相關(guān)的信息，直接影響到車輛間的行駛安全，所以在不影響行車安全的前提下才能進(jìn)行信道切換。本文提出了一種經(jīng)優(yōu)化的動態(tài)的信道切換機(jī)制，該機(jī)制可根據(jù)路況信息隨時(shí)切換，當(dāng)車輛數(shù)達(dá)到一定量的時(shí)候，即道路擁堵時(shí)，車輛間在控制信道上發(fā)送的安全信息成功率會降低，這時(shí)需要確保行車安全后才能切換到業(yè)務(wù)信道執(zhí)行業(yè)務(wù)服務(wù)。該機(jī)制經(jīng)過仿真驗(yàn)證，可以完成動態(tài)切換的要求，并同時(shí)有效的降低了行車安全所引發(fā)的交通意外。隨著車輛數(shù)目的急劇增加，基于行車安全方面的車聯(lián)網(wǎng)研究將繼續(xù)進(jìn)行。

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作者簡介：謝于晨（1983-），女，碩士，工作于江西科技學(xué)院信息工程學(xué)院，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)開發(fā)，移動通信，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等；何鍵（1989-），男，江西鄱陽人，碩士，工作于江西科技學(xué)院信息工程學(xué)院，所學(xué)專業(yè)為控制理論與控制工程，研究方向：過程控制與網(wǎng)絡(luò)集成自動化。