基于無線車載網絡智能交通系統時延技術分析

余員琴 陳海文 張弘華 崔靜茹

摘 ? 要：經濟增長的同時，各種交通問題日益突顯。移動自組織網絡將成為ITS的重要組成部分。安裝在車輛中的車載設備，主要側重無線通信和感知等功能，時延是WVNs的關鍵技術之一，以分層時延限制方案，文章對在MAC協議和街道場景下的WVNs組網進行仿真分析。

關鍵詞：智能交通系統;無線車載網絡;時延限制

1 ? ?無線車載網絡簡介

無線車載網絡（Wireless Vehicle Networks，WVNs）[1]是集電子、計算機、通信、控制和信息技術一體的智能交通系統（Intelligent Transportation System，ITS）[2]的核心技術基礎。WVNs是集傳感、通信、計算智能和控制技術等融合的新型車聯網，對車輛、道路和交通等進行全方位感知，實現復雜、大容量、極時性的大數據交互，以提升ITS高效、便捷和安全地運行。通過車與車（Vehicle to Vehicle，V2V）[3]，車與網（Vehicle to Infrastructure，V2I）的多跳無線通信方式傳送車輛間的消息，實現車輛的事故預警、交通管理、路況指示、因特網接入及車輛間多媒體數據傳輸等多種安全性和非安全性應用。

2 ? ?時延限制

時延限制對WVNs非常重要，以分層次方案優化ITS。

2.1 ?應用層方案

緊急警告信息在預警區域內廣播是時延限制的首要問題。使用方向感知廣播可避免廣播風暴引發多余重播，在特定應用中設計特定環境和約束參數，如信息只在受影響車輛存在的方向上轉發。或使用傳輸范圍自適應，在發送前估計傳輸范圍，限制網絡交換的信息數量，減少總的傳輸時間。

多媒體應用在增值網絡（Vehicular Addecl Network）[4]的QoS有3種不同分組：音頻、視頻和數據。IEEE802.11e增強了MAC層的QoS，以不同的值來加載各種數據包流的優先權，在VAN較適合，而WVNs因鏈路質量、車輛移動性和多跳通信等因素不適合。WVNs節點高移動性、易錯的無線信道及信息共享安全風險，有線網絡的P2P方案不適用，Code Torrent基于網絡編碼的文件集群技術，單跳鄰節點間通信，移動輔助數據傳播，減少時延。文件共享區域通過網絡對等方擴展，以低開銷來維持雙方的連接及最小下載時延傳輸數據。

2.2 ?網絡層方案

車輛高速移動，設計時延限制和保證時延的路由協議極具挑戰。已有基于位置的協議獲取統計路徑信息尋求最小端對端時延路由，如VADD和PROMPT在路徑選擇階段估計時延，VADD依車輛密度和速度等來估算，PROMPT統計實時包流量以尋找低流量時延路徑。D-Greedy和D-Min Cost協議只考慮有限時延內的路徑，DeReq尋求一條高可靠、及時且時延限制允許最大的路徑協議，估算道路交通流量密度、相對車速和車輛流量。還有基于拓撲源路由協議，估算路由生命周期來管理鏈路穩定性，發送節點選擇最可靠路徑以傳輸包，在當前路由被破壞前，中繼節點為新路由發送請求。如首選組廣播PGB協議在AODV路由發現階段減少控制開銷，而通過允許首選組中節點重播或傳遞消息，減少基本洪泛的冗余重播次數，等待固定時間后，所有接收節點重播信息，接收節點根據收到信號功率來選擇等待時間。另一個高級貪心轉發AGF協議是GPSR的改進，當發現鄰節點時，綜合考慮位置、速度和方向。

2.3 ?MAC層方案

IEEE802.11p修訂版應用于交通安全，要求低時延、可靠和實時通信，但其CSMA/CA機制并不能保證有限期內接入信道。有朱晨等[5]研究提出使用自組織時分多址（Self-Organized Time-Division Multiple，Access，STDMA），車輛根據自身位置和鄰節信息來確定自身的時隙分配。該技術可預測信道接入時延，適于實時VAN。有研究利用多向天線來快遞傳輸數據。如RPB-MAC協議利用多天線減少控制開銷，并保證最小信道接入時延。由于不同方向的車輛通信使用不同天線，信道碰撞次數減少。此外，發射功率自適應地調整以維持與鄰節的通信。

2.4 ?物理層方案

使用長范圍頻率預留信道，短范圍頻率用來傳輸數據包，如事故警告系統利用定向無線通信來傳輸數據包（事故報告、文本信息和JPEC圖像等）。也可使用功率適應，計算車輛通過開銷序列號，監測無線電信道信息。接收車輛記錄鄰節點（收發范圍內使用相同無線電信道的鄰節點）成功傳輸的數據包。通過識別和計數成功收到的包，接收車輛可探測失敗包并確定網絡狀況，如平均接收率和傳輸失敗率。接收節點也可計算出使用同一無線信道的節點最小數量。同一車輛可使用計算出的無線電信道狀況來調整自身發送功率。

控制信標的車載環境分布式公平功率調整D-FPAV算法有效傳輸緊急信息。每個節點估算一個信標傳輸后的接收信道利用率γ，γ可通過鏈路層或網絡層統計數據得到。每個傳輸信標攜帶γ，每個節點維持一個目標信道利用率ζ。如γ小于ζ，則增大傳輸功率;如γ大于ζ，則減小傳輸功率;如γ等于ζ，不改傳輸功率。D-FPAV允許緊急信息比周期性信息更具優先權。通過選取接收信標間功率分配等級的最小觀測值，可計算出車輛最小功率等級分配。另使用爭用策略EMDV算法，其與D-FPAV合作，支持在一個目標地理區域內快速有效傳播警報。EMDV中，一個需發送緊急警報的源車輛選擇一個盡可能遠和接收概率高的中繼節點，如果成功接收，中繼節點重播緊急信息;如果接收失敗，則收到信息的其他車輛被考慮為潛在中繼節點，這些節點等待一個預定時間，如重傳時延超時，并在等待期中未聽到任何重播，就會重播信息。

3 ? ?無線車載網絡仿真實驗

實驗拓撲圖1主要分析MAC層采用IEEE 802.11p協議時移動節點間的數據傳輸情況，節點的運動方向如箭頭所指。實驗開始后，節點2與節點0，節點3與節點1分別建立路由，并進行數據傳輸，如圖2所示。運行一段時間后，由于節點移動產生干擾，造成信道爭用，使得節3與節點1間的數據傳輸停止，如圖3所示。節點繼續移動，節點3、節點1與節點2、節點0的位置發生改變，如圖4所示。實驗即將結束，節點移動使干擾消除，數據傳輸恢復正常，如圖5所示。

4 ? ?結語

歐美國家已經實施多年ITS，經驗和技術遠超發展中國家，未來發展方向應結合中國的交通狀況特點引進國外的技術和產品，再開發與創新，緊跟國際最新技術的發展，慎重選擇技術路線和交通基礎設施進行部署，走創新的中國特色道路。

[參考文獻]

[1]陳瑞鳳.車載網絡系統性能分析與組網部署研究[D].北京：北京交通大學，2016.

[2]金光，江先亮.無線網絡技術教程[M].3版.北京：清華大學出版社，2014.

[3]MORENO M T，MITTAG J，SANTI P，et al.Vehicle-to-vehicle communication：fair transmit power control for safety-critical information[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2009（7）：3684-3703.

[4]HARTENSTEIN H，LABERTEAUX K P.VANET車載網技術及應用[M].北京：清華大學出版社，2013.

[5]朱晨，涂治招，唐余亮.基于時分同步的碼分多址技術的網絡鄰區規劃覆蓋強度準則算法[J].廈門大學學報（自然科學版），2011（5）：834-837.