面向優先級感知的車聯網多路徑傳輸機制探究

盧偉

（江西科技學院協同創新中心，南昌330098）

0 引言

隨著工業信息化的快速發展，越來越多的車輛裝備了多個不同標準的車載通信接口，為車載應用提供更加高效便捷的數據傳輸體驗［1］，從而使得高速運行的車載節點通過車聯網可以及時獲取車輛行駛的實時信息（如位置、天氣以及車況等），極大地改善了車主的駕駛體驗［2］。另一方面，隨著車聯網的不斷發展，車主對車輛駕駛體驗提出了更高的服務要求，如從單一車輛信號數據傳輸到內容豐富的流媒體數據（語音、圖像以及視頻等）綜合傳輸，這就要求車聯網具有一定的服務質量（QoS）保證能力［3］。

受限于其傳統固化的數據傳輸機制，高速運行的車載自組織網絡在高動態變化的網絡拓撲和無線鏈路帶寬窄的車載傳輸節點中提供具有高QoS保障、安全以及實時應用等傳輸體驗具有挑戰性。因此，在具有帶寬窄、內存有限的車聯網中，如何有效利用車載節點多通信接入技術，在保障安全行駛的前提下，滿足車主對內容豐富流媒體傳輸服務質量是車聯網優化的必然趨勢［4］。本文借助多路徑傳輸機制的特點，探究了一種面向優先級感知的車聯網多路徑傳輸機制（POVMPTCP），為高速運行的異構車聯網提供高QoS的傳輸服務優化提供思路。

1 車聯網研究現狀和趨勢

車聯網是指車載設備在車輛上通過無線通信技術，利用無線通信技術對信息網絡中的各種車輛動態信息（如車況、位置以及天氣等）進行綜合利用，為車主車輛駕駛提供不同的信息化傳輸服務，從而實現車路通信、車車通信以及車與信息服務中心通信，提高了車主駕駛體驗和交通通行安全性及效率［5］。但是，車載節點本身是由一組高動態變化的無線節點組成，節點具有帶寬窄且無規律高速運動等特點，使得現有的車載節點具有鏈路不穩定以及傳輸質量低的特點。此外，為了提高傳輸效率，越來越多的車載節點裝備多個網絡通信接扣，但是傳統固化的車聯網傳輸機制忽略了該特性，缺乏在內存有限的節點上通過對多通信接口進行多路并行傳輸的優化考慮［4］。

為了優化傳輸服務質量，國內外研究學者對車聯網傳輸優化機制進行了廣泛的研究和討論。其中針對如何利用車載節點裝備多通信接口的特性問題，有關學者提出了融合多路徑傳輸協議（MPTCP）［6］的優化思路，通過MPTCP對傳統TCP協議的擴展，利用車載節點多通信接口在傳輸兩端建立多條通信鏈路，實現傳統傳輸協議在傳輸過程中多路徑并發。朱丹陽等［7］針對車聯網多路徑傳輸機制優化設計中，提出了一種面向車聯網的基于丟包區分的MPTCP多路徑傳輸解決方案，該方案有力的驗證了在車載節點上利用其裝備多通信接口借助多路徑傳輸機制（MPTCP）實現多接口并行傳輸數據的方案，該方案證明了融合MPTCP的車聯網可以有效的車聯網的傳輸質量和傳輸效率。融合MPTCP的車聯網通信結構如圖1所示。

圖1 融合MPTCP的車聯網結構

融合MPTCP的車聯網可以提高傳輸服務質量，但是如上文所述，車聯網應用服務是多樣化的，車主在駕駛旅途中常常需要傳輸內容豐富、海量化并存的流媒體數據。對于不同類型的信息其在鏈路傳輸中往往具有不同的重要性，即在融合MPTCP的車聯網中信息的傳輸優先級差異較大，如行駛安全性相關的信息應該優先提供傳輸保證。然而，現有融合MPTCP的車聯網協議并未結合車聯網應用數據傳輸的不同通信需求，進行相應的優先級分配。針對上述問題，本文在車聯網中融合MPTCP，并提出了一種面向優先級感知的傳輸優化機制，在保證車聯網通信安全性的前提下，考慮了應用優先級傳輸的需求，從而增強車聯網通信的傳輸服務質量。

2 多路徑傳輸機制的研究基礎

2013年，國際互聯網任務工程組在兼容傳統控制協議的思想下，發布了基于TCP協議擴展的多路徑傳輸協議，旨在通過利用當下各種通信終端裝備多宿主接口，使終端可以同時建立多條傳輸鏈路接入到多個通信網中并行傳輸數據。改方案實現終端多條鏈路的帶寬擬合、鏈路通信的負載均衡以及鏈路的自動切換，有效的發揮了多宿主終端實現多接口的潛力，極大的提高了應用數據的傳輸能力和保障了網絡的傳輸性能。在兼容傳統控制協議的思想下，MPTCP為高速移動的車載節點在車聯網通信中實現應用數據傳輸的并行傳輸以及性能改進提供優化的潛力［8-9］。

針對優先級傳輸優化問題，我們在前期研究中對流媒體融合MPTCP實現按需優先級傳輸進行了探究，并取得了一定的研究成果。與車聯網應用數據類似，流媒體數據同樣是多種多樣的，用戶在請求流媒體應用數據需要請求各種類型的數據，這些應用數據對用戶來說是有數據重要性不一且對數據傳輸具有優先級傳輸需求。因此，課題組設計了一種面向優先級的多路徑流媒體傳輸策略，并通過仿真實驗的實驗數據顯示該優化策略在網絡的傳輸吞吐量、時延以及抖動值上相較于傳統網絡均表現出一定的潛力，可以有效提高傳輸服務質量，實驗結果如圖2所示。該方案的設想和驗證為在融合MPTCP的車聯網通信傳輸機制中提供面向優先級傳輸服務提供借鑒思路。

圖2 面向優先級的多路徑流媒體傳輸策略實驗結果

3 面向優先級感知的車聯網多路徑傳輸機制探究

針對車聯網中，車主在行駛過程中對車載應用數據傳輸優先級及重要性（尤其是駕駛安全數據）需求不同導致用戶網絡體驗問題，本文在借鑒前期研究的基礎上，對融合可區分優先級的MPTCP多路徑車聯網傳輸機制進行優化，以實現車聯網通信可以區分車載應用數據的重要性和安全性，優先保證安全駕駛和優先級高的數據在質量最好的路徑上傳輸，提高車載應用數據的傳輸性能。該方案的主要設計思路如下：

（1）在融合多路徑傳輸協議的車聯網中實現對車載應用數據的重要性感知，以滿足在多路徑并行傳輸車載鏈路實現對數據優先級傳輸調度服務

在數據的傳輸服務中，我們可以先對車載應用的數據包進行優先級標記P={P1,P2,…,Pn}，以實現車載應用數據的重要性的區分。當需要傳輸的車載應用數據進入發送隊列時,發送端通過跨層協同通信機制［10］從隊列中獲取每一條數據的優先級標記并保存到優先級隊列中POlist={PO1,PO2,…,POn}，同時對隊列中數據包按優先級進行排序，使高優先級的數據包優先進入發送隊列。

（2）在多通信鏈路并行傳輸服務中實現對鏈路傳輸服務質量的感知和切換，以達到待發送的數據包盡可能在傳輸質量最好的通道進行。

融合多路徑傳輸協議的車聯網，可以在發送端和接收端建立多條并行傳輸的通信鏈路，但是由于異構無線網絡的復雜性，鏈路之間的傳輸服務質量存在差異性（即鏈路通信質量有優劣之分）。為了實現重要數據的優先傳輸，我們可以在根據獲取鏈路的RTT和CWND值用于記錄鏈路的傳輸質量Path={Path1,Path2,…,Pathn}，然后對路徑質量進行排序后選取和切換出質量最好的路徑用于重要性高的數據優先傳輸。

（3）基于上述（1）（2）步實現基于鏈路傳輸質量的數據優先級調度

即當發送端窗口空閑且可以發送數據包時，數據調度模塊會先對優先級隊列的POlist數據包進行優先級判斷并選擇相應的調度策略。如具有優先級標識（如安全駕駛數據）的數據包優先出列并將當前傳輸路徑切換成質量最好的子流用于數據包的發送；若發送的數據包沒有優先級需求，則繼續使用標準的傳輸調度策略進行數據分發。

4 結語

本文針對在融合MPTCP的車聯網中缺乏對車載應用數據具有重要性不一、傳輸優先級不同的考慮，探究了一種面向優先級感知的車聯網多路徑并行傳輸機制，根據數據包按需優先傳遞的需求，對多路徑車聯網傳輸進行相關優化討論，旨在為未來車聯網在多路并發、保證傳輸服務質量等傳輸性能方面的優化提供思路，為車主駕駛體驗提供更好的QoS。基于上述思想，在未來的工作中，課題組將搭建網絡仿真平臺來對面向優先級感知的車聯網多路徑傳輸機制進一步驗證和優化，為在車聯網中融合多路徑并行傳輸在實際車載應用中的部署打好基礎。