高速移動場景下車聯網低時延的數據傳輸方案設計

張勇 張靜 蘇穎

摘 要： 設計了自動駕駛車輛在高速移動場景下車聯網的低時延數據傳輸方案.采用多徑開環的數據傳輸方式，依靠功能強大的霧結點服務器，將宏結點與微結點組合接入點群，對用戶的請求資源做出分配及調度.仿真實驗表明，該方案數據傳輸的誤碼率略高于傳統的長期演進（LTE）車聯網方案的誤碼率，但時延可以降到1 ms以內.

關鍵詞： 高速移動場景車聯網; 開環通信; 霧結點服務器

中圖分類號： TN 929.5文獻標志碼： A文章編號： 1000-5137（2019）01-0033-05

Abstract： In this paper，a low-latency data transmission scheme for autonomous vehicles in high-speed mobile scenarios was designed.In this proposed scheme the macro-nodes and micro-nodes were combined to form an access group dependent on a powerful fog node server so as to implement allocation and schedule of user-requested resources.The simulating experiment demonstrated that the delay of the present scheme was reduced to less than 1 ms compared to the traditional long term evolution （LTE） scheme while the data transmission error rate was slightly higher.

Key words： high-speed mobile vehicle network; open-loop communication; fog node server

0 引 言

車聯網融合了物聯網、智能交通、車載信息服務和云計算等技術，其加強了汽車對周圍環境的感知判斷，避免交通的堵塞和碰撞，已成為當前國內外企業研究的熱點.傳統的長期演進（LTE）通信系統允許的最大傳輸時延為100 ms，而車聯網需要對實時數據進行處理，要將時延控制在1 ms以內[1].

車聯網的網絡接入方案通常基于LTE 設備間（D2D）通信網絡.D2D通信可在蜂窩系統的控制下，允許終端用戶通過共享小區資源在一定范圍內直接進行通信，它的數據流量不經過基站和核心網，因而可減小通信時延，減輕基站壓力，緩解核心網負載，提高頻譜利用率和系統吞吐量[2-3].基于 LTE的 D2D 通信系統可為混合智能交通的車聯網系統排除故障[4]，還可根據高速行駛車輛中的地理位置信息，通過信道復用和功率控制，最大化系統總速率[5].在分布式 D2D 通信架構中，對車輛進行分簇，使不同車輛之間形成多個動態簇，可有效減少車聯網的通信時延[6].

本文作者為自動駕駛車輛在高速移動場景下的車聯網系統，提出了一套新的數據傳輸方案，將分布式霧結點服務器中的宏結點與微結點相結合，實現資源調度.通過仿真實驗，驗證了方案的有效性.

1 高速移動場景下的低時延數據傳輸方案設計

高速移動場景下，車聯網通信低時延的數據傳輸方案如圖1所示.圖1中，由接入點與宏結點完成對自動駕駛車輛的通信，并以接入點代替D2D通信，有效提高邊緣用戶接入的穩定性.每個宏結點管理范圍內的接入點群，每個接入點群由n個接入點組成.

該方案采用開環無線通信，車輛終端采用路徑分集的接收方式，保證接收信號的完整性.每個接入點群可控制的資源調度范圍有限，并且每個接入點能夠自行對可控范圍內的自動駕駛車輛進行資源調度，若車輛在每個接入點群都能夠完成數據的收發，不進行切換，則接入點群就可實現自動駕駛車輛低時延高可靠的數據傳輸.

LTE車聯網通信的總數據傳輸時延D計算方法如下：

在該方案中，宏結點為LTE宏基站，通信范圍能夠覆蓋幾十公里，處理在覆蓋范圍內的接入點群的業務數據以及超出接入點群調度能力范圍的車輛終端請求資源數據.接入點是一種霧結點接入服務器，具有本地緩存、鄰近終端、計算存儲功能強大等特點.宏結點與接入點群采用松耦合的資源調度方式，從而在空間上解決車輛穿越不同接入點群時的快速切換問題.

2 基于多徑分集的開環通信方式

在高速移動場景下，小范圍的接入點群內的數據傳輸對象為網頁、自動駕駛車輛的環境感知等數據資源較小的業務，而宏結點數據傳輸對象為視頻、游戲等數據資源較大的業務，仍然要求可靠的數據傳輸.為滿足用戶實時的業務需求，同時由于自動駕駛車輛對環境的敏感程度高，故在接入點群范圍內采取路徑分集的開環通信方式.

設在高速移動場景下n個接入點服從泊松分布，則經由第j條信道不中斷地傳輸數據的概率Pj可以表示為：

3 實驗仿真與分析

本研究仿真參數和通信方式如表1所示.

4 結 論

本文作者針對高速移動場景下的車聯網提出了一種低時延的數據傳輸方案.采取宏結點與霧結點相結合的數據傳輸方式，可有效地解決由于信道的快速時變所導致的小區不穩定切換問題。采用多徑分集的開環通信方式，以較小的數據傳輸可靠性代價換得網絡傳輸時延的大幅降低，霧結點服務器作為微結點可使移動網邊緣接入不穩定的問題得到一定改善.

參考文獻：

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（責任編輯：郁 慧，包震宇）