高速移动场景下车联网低时延的数据传输方案设计

张勇 张静 苏颖

摘 要： 设计了自动驾驶车辆在高速移动场景下车联网的低时延数据传输方案.采用多径开环的数据传输方式，依靠功能强大的雾结点服务器，将宏结点与微结点组合接入点群，对用户的请求资源做出分配及调度.仿真实验表明，该方案数据传输的误码率略高于传统的长期演进（LTE）车联网方案的误码率，但时延可以降到1 ms以内.

关键词： 高速移动场景车联网; 开环通信; 雾结点服务器

中图分类号： TN 929.5文献标志码： A文章编号： 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

车联网融合了物联网、智能交通、车载信息服务和云计算等技术，其加强了汽车对周围环境的感知判断，避免交通的堵塞和碰撞，已成为当前国内外企业研究的热点.传统的长期演进（LTE）通信系统允许的最大传输时延为100 ms，而车联网需要对实时数据进行处理，要将时延控制在1 ms以内[1].

车联网的网络接入方案通常基于LTE 设备间（D2D）通信网络.D2D通信可在蜂窝系统的控制下，允许终端用户通过共享小区资源在一定范围内直接进行通信，它的数据流量不经过基站和核心网，因而可减小通信时延，减轻基站压力，缓解核心网负载，提高频谱利用率和系统吞吐量[2-3].基于 LTE的 D2D 通信系统可为混合智能交通的车联网系统排除故障[4]，还可根据高速行驶车辆中的地理位置信息，通过信道复用和功率控制，最大化系统总速率[5].在分布式 D2D 通信架构中，对车辆进行分簇，使不同车辆之间形成多个动态簇，可有效减少车联网的通信时延[6].

本文作者为自动驾驶车辆在高速移动场景下的车联网系统，提出了一套新的数据传输方案，将分布式雾结点服务器中的宏结点与微结点相结合，实现资源调度.通过仿真实验，验证了方案的有效性.

1 高速移动场景下的低时延数据传输方案设计

高速移动场景下，车联网通信低时延的数据传输方案如图1所示.图1中，由接入点与宏结点完成对自动驾驶车辆的通信，并以接入点代替D2D通信，有效提高边缘用户接入的稳定性.每个宏结点管理范围内的接入点群，每个接入点群由n個接入点组成.

该方案采用开环无线通信，车辆终端采用路径分集的接收方式，保证接收信号的完整性.每个接入点群可控制的资源调度范围有限，并且每个接入点能够自行对可控范围内的自动驾驶车辆进行资源调度，若车辆在每个接入点群都能够完成数据的收发，不进行切换，则接入点群就可实现自动驾驶车辆低时延高可靠的数据传输.

LTE车联网通信的总数据传输时延D计算方法如下：

在该方案中，宏结点为LTE宏基站，通信范围能够覆盖几十公里，处理在覆盖范围内的接入点群的业务数据以及超出接入点群调度能力范围的车辆终端请求资源数据.接入点是一种雾结点接入服务器，具有本地缓存、邻近终端、计算存储功能强大等特点.宏结点与接入点群采用松耦合的资源调度方式，从而在空间上解决车辆穿越不同接入点群时的快速切换问题.

2 基于多径分集的开环通信方式

在高速移动场景下，小范围的接入点群内的数据传输对象为网页、自动驾驶车辆的环境感知等数据资源较小的业务，而宏结点数据传输对象为视频、游戏等数据资源较大的业务，仍然要求可靠的数据传输.为满足用户实时的业务需求，同时由于自动驾驶车辆对环境的敏感程度高，故在接入点群范围内采取路径分集的开环通信方式.

设在高速移动场景下n个接入点服从泊松分布，则经由第j条信道不中断地传输数据的概率Pj可以表示为：

3 实验仿真与分析

本研究仿真参数和通信方式如表1所示.

4 结 论

本文作者针对高速移动场景下的车联网提出了一种低时延的数据传输方案.采取宏结点与雾结点相结合的数据传输方式，可有效地解决由于信道的快速时变所导致的小区不稳定切换问题。采用多径分集的开环通信方式，以较小的数据传输可靠性代价换得网络传输时延的大幅降低，雾结点服务器作为微结点可使移动网边缘接入不稳定的问题得到一定改善.

参考文献：

[1] FETTWEIS G P.The tactile internet：applications and challenges [J].IEEE Vehicular Technology Magazine，2014，9（1）：64-70.

[2] LIU J，KATO N，MA J，et al.Device-to-device communication in LTE-advanced networks：a survey [J].IEEE Communications Surveys & Tutorials，2014，17（4）：1923-1940.

[3] SEPPL J，CHEN T，KOSKELA T，et al.Network controlled device-to-device（D2D） and cluster multicast concept for LTE and LTE-A networks [C]//2011 IEEE Wireless Communications and Networking Conference.Cancun：IEEE，2011：986-991.

[4] ABD-ELRAHMAN E，SAID A M，TOUKABRI T，et al.Assisting V2V failure recovery using device-to-device communications [C]//Wireless Days.Rio de Janeiro：IEEE，2014：1-3.

[5] REN Y，LIU F，LIU Z，et al.Power control in D2D-based vehicular communication networks [J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2015，64（12）：5547-5562.

[6] SUN W L，YUAN D，ERIK G，et al.Cluster-based radio resource management for D2D-supported safety-critical V2X communications [J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2016，15（4）：2756-2769.

[7] HAENGGI M，ANDREWS J，BACCELLI F，et al.Stochastic geometry and random graphs for the analysis and design of wireless networks [J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2009，27（7）：1029-1046.

（責任编辑：郁 慧，包震宇）