面向車聯(lián)網(wǎng)路由的轉(zhuǎn)發(fā)鏈路增強(qiáng)算法

于家培 王萍 祝捷

摘? 要： 在未來(lái)車聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)中，基于安全類消息集對(duì)高可靠低時(shí)延的要求，可以在車聯(lián)網(wǎng)路由設(shè)計(jì)中引入V2V機(jī)制。針對(duì)V2V鏈路不穩(wěn)定的問(wèn)題，提出了一種基于信道感知的轉(zhuǎn)發(fā)鏈路增強(qiáng)算法FLEA （Forward Link Enh anced Algorithm）。首先，基于對(duì)周邊車輛的歷史位置及速度信息的采集對(duì)車輛進(jìn)行記憶性位置預(yù)測(cè)，然后結(jié)合信道感知計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻通信覆蓋范圍，預(yù)測(cè)位置在通信覆蓋范圍內(nèi)的車輛通信鏈路是可靠的。將貪婪轉(zhuǎn)發(fā)算法與FLEA算法結(jié)合引入到車聯(lián)網(wǎng)路由設(shè)計(jì)中，仿真結(jié)果表明所提算法可以提升數(shù)據(jù)包投遞率，并且有效降低端到端時(shí)延。

關(guān)鍵詞： 車聯(lián)網(wǎng)路由;V2V;記憶性位置預(yù)測(cè);信道感知;貪婪算法

中圖分類號(hào)： TP393.02? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.01.032

【Abstract】： In the design of the future internet of vehicles， based on the security message set requirements for high reliability and low latency， V2V mechanism can be introduced in the vehicle network routing design. Aiming at the problem of V2V link instability， an environment-aware forward link enhanced algorithm is proposed. Firstly， based on the collection of historical location and speed information of surrounding vehicles， the memory position predic tion is performed， and then the communication coverage of the current time is calculated in combination with radio channel sensing. The vehicle whose position predicted is within the communication coverage is reliable to be chosen. The greedy forwarding algorithm and FLEA algorithm are combined into the routing design of the internet of vehi cles and the simulation results show that the proposed algorithm can improve the packet delivery rate and effectively reduce the end-to-end delay.

【Key words】： VANET routing; V2V; Memory position prediction; Radio channel sensing; Greedy algorithm

0? 引言

隨著5G時(shí)代的到來(lái)，人工智能、大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)的快速發(fā)展，使得低延遲通信、大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、交通預(yù)測(cè)等技術(shù)成為可能，新的城市交通控制系統(tǒng)正在漸漸浮現(xiàn)[1]。然而5G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)與跨層數(shù)據(jù)交互有較大困難，為了在解決上述問(wèn)題的同時(shí)滿足車聯(lián)網(wǎng)低時(shí)延高可靠的特性，在未來(lái)的城市交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中采用5G與AD HOC網(wǎng)絡(luò)相融合的方案[2]具有較為明朗的研究前景，并且在基礎(chǔ)設(shè)施無(wú)法接入的情況下，通過(guò)OBU（On- Board Unit）設(shè)備[3]實(shí)現(xiàn)V2V（Vehicle to Vehicle）通信的車載自組織網(wǎng)絡(luò)會(huì)是一種重要的通信方式[4]。但是車載自組織網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化較快并且鏈路連接質(zhì)量不穩(wěn)定，因此在端與端通信中存在很大的困難[5]。

針對(duì)V2V鏈路不穩(wěn)定的問(wèn)題，Menouar等人[6]利用車輛的速度和車輛間的距離提出基于車輛位置的預(yù)測(cè)算法，分析了鄰居車輛駛出車輛通信覆蓋范圍的概率，將概率小的車輛作為優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)車輛。Wang Xiufeng等人[7]通過(guò)假設(shè)同一時(shí)刻同一條道路上車輛的速度為正態(tài)分布來(lái)預(yù)測(cè)鄰居車輛的位置變動(dòng)。黎陽(yáng)，王哲等國(guó)內(nèi)研究人員[8]通過(guò)分析加速度的分布情況，發(fā)現(xiàn)加速度分布較速度分布擁有更明顯的正態(tài)性，因此提出基于加速度的鄰居車輛位置預(yù)測(cè)模型。以上的研究?jī)?nèi)容模型較為簡(jiǎn)單，并不能及時(shí)地反映車輛位置的動(dòng)態(tài)變化，并且沒有考慮復(fù)雜路況下電波損耗對(duì)鏈路穩(wěn)定性的影響。

鑒于人工智能及圖像處理[9]等技術(shù)愈漸成熟，環(huán)境感知技術(shù)開始逐漸應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)中。本文所提FLEA算法根據(jù)車輛歷史及當(dāng)前的速度信息與歷史位置信息記憶性預(yù)測(cè)車輛位置的動(dòng)態(tài)變化。進(jìn)而，考慮到在實(shí)際車輛運(yùn)行中通信覆蓋質(zhì)量發(fā)生變化引起通信距離變化的問(wèn)題[10]，引入對(duì)信道的感知，利用信道的路徑損耗模型及干擾分量來(lái)計(jì)算當(dāng)前運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有效通信距離的變化。將FLEA算法與貪婪算法[11]結(jié)合引入到路由設(shè)計(jì)中，解決了車輛位置的快速變化造成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變的問(wèn)題及通信覆蓋質(zhì)量變化的問(wèn)題，提高了鏈路可靠性，降低了轉(zhuǎn)發(fā)失敗的概率。本文使用NS-3開源軟件[12]設(shè)計(jì)仿真代碼給出了算法設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果。

1? 問(wèn)題分析及系統(tǒng)建模

V2V通信中車輛之間可以通過(guò)周期性的發(fā)送信標(biāo)Beacon來(lái)進(jìn)行相互感知[13]，Beacon中包含車輛當(dāng)前時(shí)刻的位置及速度信息。頻繁發(fā)送Beacon會(huì)帶來(lái)較高的路由開銷，而Beacon發(fā)送周期過(guò)長(zhǎng)則會(huì)降低路由協(xié)議的及時(shí)性同時(shí)增加鏈路中斷的概率，從而影響路由決策。為了在不增加路由開銷的基礎(chǔ)上，保證鏈路連接質(zhì)量及路由協(xié)議的及時(shí)性，需要及時(shí)感知車輛位置的動(dòng)態(tài)變化及通信覆蓋質(zhì)量的變化。