基于无线车载网络智能交通系统时延技术分析

余员琴 陈海文 张弘华 崔静茹

摘   要：经济增长的同时，各种交通问题日益突显。移动自组织网络将成为ITS的重要组成部分。安装在车辆中的车载设备，主要侧重无线通信和感知等功能，时延是WVNs的关键技术之一，以分层时延限制方案，文章对在MAC协议和街道场景下的WVNs组网进行仿真分析。

关键词：智能交通系统;无线车载网络;时延限制

1    无线车载网络简介

無线车载网络（Wireless Vehicle Networks，WVNs）[1]是集电子、计算机、通信、控制和信息技术一体的智能交通系统（Intelligent Transportation System，ITS）[2]的核心技术基础。WVNs是集传感、通信、计算智能和控制技术等融合的新型车联网，对车辆、道路和交通等进行全方位感知，实现复杂、大容量、极时性的大数据交互，以提升ITS高效、便捷和安全地运行。通过车与车（Vehicle to Vehicle，V2V）[3]，车与网（Vehicle to Infrastructure，V2I）的多跳无线通信方式传送车辆间的消息，实现车辆的事故预警、交通管理、路况指示、因特网接入及车辆间多媒体数据传输等多种安全性和非安全性应用。

2    时延限制

时延限制对WVNs非常重要，以分层次方案优化ITS。

2.1  应用层方案

紧急警告信息在预警区域内广播是时延限制的首要问题。使用方向感知广播可避免广播风暴引发多余重播，在特定应用中设计特定环境和约束参数，如信息只在受影响车辆存在的方向上转发。或使用传输范围自适应，在发送前估计传输范围，限制网络交换的信息数量，减少总的传输时间。

多媒体应用在增值网络（Vehicular Addecl Network）[4]的QoS有3种不同分组：音频、视频和数据。IEEE802.11e增强了MAC层的QoS，以不同的值来加载各种数据包流的优先权，在VAN较适合，而WVNs因链路质量、车辆移动性和多跳通信等因素不适合。WVNs节点高移动性、易错的无线信道及信息共享安全风险，有线网络的P2P方案不适用，Code Torrent基于网络编码的文件集群技术，单跳邻节点间通信，移动辅助数据传播，减少时延。文件共享区域通过网络对等方扩展，以低开销来维持双方的连接及最小下载时延传输数据。

2.2  网络层方案

车辆高速移动，设计时延限制和保证时延的路由协议极具挑战。已有基于位置的协议获取统计路径信息寻求最小端对端时延路由，如VADD和PROMPT在路径选择阶段估计时延，VADD依车辆密度和速度等来估算，PROMPT统计实时包流量以寻找低流量时延路径。D-Greedy和D-Min Cost协议只考虑有限时延内的路径，DeReq寻求一条高可靠、及时且时延限制允许最大的路径协议，估算道路交通流量密度、相对车速和车辆流量。还有基于拓扑源路由协议，估算路由生命周期来管理链路稳定性，发送节点选择最可靠路径以传输包，在当前路由被破坏前，中继节点为新路由发送请求。如首选组广播PGB协议在AODV路由发现阶段减少控制开销，而通过允许首选组中节点重播或传递消息，减少基本洪泛的冗余重播次数，等待固定时间后，所有接收节点重播信息，接收节点根据收到信号功率来选择等待时间。另一个高级贪心转发AGF协议是GPSR的改进，当发现邻节点时，综合考虑位置、速度和方向。

2.3  MAC层方案

IEEE802.11p修订版应用于交通安全，要求低时延、可靠和实时通信，但其CSMA/CA机制并不能保证有限期内接入信道。有朱晨等[5]研究提出使用自组织时分多址（Self-Organized Time-Division Multiple，Access，STDMA），车辆根据自身位置和邻节信息来确定自身的时隙分配。该技术可预测信道接入时延，适于实时VAN。有研究利用多向天线来快递传输数据。如RPB-MAC协议利用多天线减少控制开销，并保证最小信道接入时延。由于不同方向的车辆通信使用不同天线，信道碰撞次数减少。此外，发射功率自适应地调整以维持与邻节的通信。

2.4  物理层方案

使用长范围频率预留信道，短范围频率用来传输数据包，如事故警告系统利用定向无线通信来传输数据包（事故报告、文本信息和JPEC图像等）。也可使用功率适应，计算车辆通过开销序列号，监测无线电信道信息。接收车辆记录邻节点（收发范围内使用相同无线电信道的邻节点）成功传输的数据包。通过识别和计数成功收到的包，接收车辆可探测失败包并确定网络状况，如平均接收率和传输失败率。接收节点也可计算出使用同一无线信道的节点最小数量。同一车辆可使用计算出的无线电信道状况来调整自身发送功率。

控制信标的车载环境分布式公平功率调整D-FPAV算法有效传输紧急信息。每个节点估算一个信标传输后的接收信道利用率γ，γ可通过链路层或网络层统计数据得到。每个传输信标携带γ，每个节点维持一个目标信道利用率ζ。如γ小于ζ，则增大传输功率;如γ大于ζ，则减小传输功率;如γ等于ζ，不改传输功率。D-FPAV允许紧急信息比周期性信息更具优先权。通过选取接收信标间功率分配等级的最小观测值，可计算出车辆最小功率等级分配。另使用争用策略EMDV算法，其与D-FPAV合作，支持在一个目标地理区域内快速有效传播警报。EMDV中，一个需发送紧急警报的源车辆选择一个尽可能远和接收概率高的中继节点，如果成功接收，中继节点重播紧急信息;如果接收失败，则收到信息的其他车辆被考虑为潜在中继节点，这些节点等待一个预定时间，如重传时延超时，并在等待期中未听到任何重播，就会重播信息。

3    无线车载网络仿真实验

实验拓扑图1主要分析MAC层采用IEEE 802.11p协议时移动节点间的数据传输情况，节点的运动方向如箭头所指。实验开始后，节点2与节点0，节点3与节点1分别建立路由，并进行数据传输，如图2所示。运行一段时间后，由于节点移动产生干扰，造成信道争用，使得节3与节点1间的数据传输停止，如图3所示。节点继续移动，节点3、节点1与节点2、节点0的位置发生改变，如图4所示。实验即将结束，节点移动使干扰消除，数据传输恢复正常，如图5所示。

4    结语

欧美国家已经实施多年ITS，经验和技术远超发展中国家，未来发展方向应结合中国的交通状况特点引进国外的技术和产品，再开发与创新，紧跟国际最新技术的发展，慎重选择技术路线和交通基础设施进行部署，走创新的中国特色道路。

[参考文献]

[1]陈瑞凤.车载网络系统性能分析与组网部署研究[D].北京：北京交通大学，2016.

[2]金光，江先亮.无线网络技术教程[M].3版.北京：清华大学出版社，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车载网技术及应用[M].北京：清华大学出版社，2013.

[5]朱晨，涂治招，唐余亮.基于时分同步的码分多址技术的网络邻区规划覆盖强度准则算法[J].厦门大学学报（自然科学版），2011（5）：834-837.