基于车队双车道V2V的VANETs网络连通性分析

马 宝 秋

(石家庄职业技术学院 机电工程系，河北 石家庄 050081)

基于车队双车道V2V的VANETs网络连通性分析

马 宝 秋

(石家庄职业技术学院 机电工程系，河北 石家庄 050081)

建立了基于车队的双车道V2V网络连通性数学模型，考察了网络的连通性概率随车辆密度、车辆通信半径、车队在网络中所占比例等参数变化的关系.通过仿真计算可知，当有车队存在时能大幅提高VANETs网络的连通性.以车队的方式组织行车对车联网的网络连通性具有极大的帮助.

车队；双车道；网络；连通性

0 引言

作为移动无线自组织网络MANET(Mobile Ad hoc Network)的一种特殊形式，车用无线自组织网络VANETs(Vehicular Ad hoc Networks)目前已经成为车联网的研究热点，在车联网信息共享和服务传递领域也受到越来越多的重视.VANETs的目标是实现车与车V2V(Vehicle-to-Vehicle)之间及车与路边基础设施V2I(Vehicle-to-Infrastructure)之间在车辆移动状态下的通信[1].通过V2I，在路上行驶的车辆可以从路旁基础设施接入Internet，同时车辆也可通过多跳的链接彼此通信.当汽车驶出路旁基础设施的覆盖范围时，就不能接入Internet，但可利用其能够接入Internet的邻近车辆，通过V2V通信将邻近车辆作为中继而接入Internet[2].这样，即使距离路边基础设施很远，只要公路上车辆的数量足够，则每辆车均可接入Internet，并可在相互之间传递路况、天气、娱乐等信息.

随着我国经济的增长及车辆的不断增加，交通越来越拥堵.而解决交通堵塞的方法之一就是车辆以车队(Platooning)的形式行驶.在这里，一个车队是多辆车编组的一个单位，一个车队中的所有车辆具有相同的行驶速度，而车队行驶的速度和方向由车队的第一辆车(通常为卡车)控制；没有加入任何车队的车辆则为普通车辆，见图1.

图1 车队与普通车辆

有报告显示，在高速公路上，当车辆行驶方向一致时，它们以车队行驶的概率高达70%[3].车辆在高速公路上以车队的形式行驶可以提高道路的安全性，降低燃油的消耗，提高驾驶的舒适度，并减少二氧化碳气体的排放[4]；在车队的行驶模式下，车队成员间相对固定的位置信息能够增强车辆之间潜在协作通信(例如数据共享和数据分发等)的可能性，提高VANETs网络数据传输的效率，减少数据的接入延迟[5].据预计，加入车队后，通过车联网，车队内部的车辆可以进入半自动驾驶模式，司机可以打电话、看书、看电影甚至打个盹[6].

由于车辆位置、速度及密度的动态变化，使得VANETs网络与普通固定位置的网络有很大的区别，网络能否连通成为衡量VANETs通信能力的一个重要指标.在V2V的通信环境下，网络连通性问题主要是要考虑车辆之间的连通情况.

1 网络连通性模型的建立

假设VANETs网络包含N个随机分布的车辆，其中包含K个普通车辆和M个车队.假设车队中的成员能够彼此通信，同时车队成员可以与车队头车保持直接通信，这样可以将每一个车队看作一个单独的普通车辆，令p表示网络中车队所占的比例，即在该VANETs网络中，某一个车辆为一个车队的概率为：

p=M/N=M/(M+K)

(1)

那么，某一个车辆为一个普通车辆的概率为1-p.

令R1和R2(R1

图2 有车队的双车道V2V网络连通性模型

在双车道的V2V通信环境下，假设两条道路上的车辆密度相同，ρ为道路上的车辆密度，单位为辆/米，且单个车道上的车辆遵循泊松分布.根据泊松分布的定义可以得到，在距离为x的道路上有k个车辆的概率为：

(2)

由(2)式可知，当k=0时，

f(0,x)=e-ρx

(3)

即车道上车辆之间的距离X遵循指数分布.

在距离为x的道路上至少能找到一辆车的概率即任意两辆车之间的距离小于x的概率为：

Pr{X≤x}=1-e-ρx

(4)

当连续的两辆车之间的距离大于车辆的通信半径R时，认为这两辆车之间的链接是断开的.令Pb为两辆连续车辆之间链接断开的概率，可以表示为：

Pb=Pr{X>R}=e-ρR=(1-p)e-ρR1+pe-ρR2

(5)

车道上的连通性概率小于1，表示道路上有断开的链接存在.令随机变量J表示车道上断开的链接数目，则N-1个链接中有J个链接断开的概率将遵循二项分布.

(6)

图2中，车辆VA与VB之间的距离大于R时，车道上就存在断开的链接.在单车道的情况下，VA和VB不能直接相连，而在双车道的情况下，它们可以通过对面车道上位于其中间并且与它们两个都能连接的一个链路连接起来.如果VC与VD之间是一个相互连接的链路，且该链路位于VA与VB之间，则该链路可以携带并中继VA与VB之间传递的报文，实现VA与VB之间的通信.由公式(4)可以得到，VC位于VA通信范围内的概率为：

PAC=Pr{X≤R}=1-e-ρR

(7)

同样地，VD与VB可以彼此连接的概率为：

PDB=Pr{X≤R}=1-e-ρR

(8)

因为VA与VB之间的距离属于指数分布，因此在VA和VB之间位于对面车道上有k个车辆的概率为：

(9)

在此，若认为VA和VB能够通过对面车道上车辆的多跳中继彼此连接，即位于VA和VB之间的对面车道上的k个车辆是彼此连接的，则可以得到k个车辆彼此连接的概率Pkc为：

Pkc=Pr{X1≤R,X2≤R,…,XN-1≤R}

(10)

由Xi独立分布，可知：

(11)

令PCD表示VC与VD之间连接的概率，则：

(12)

其中，Q表示对面车道上位于该断开链接的两个车辆之间的彼此连接的车辆总数目.由此就能得到单个道路上如果有一个断开的链接，而该链接可以通过对面车道上位于该断开链接的两个车辆之间彼此连接的Q个车辆中继报文而实现连接的概率PAB为：

(13)

因为通信半径R的概率分布为：

(14)

由式(13)及式(14)可得：

(15)

令PS|J为单个道路上有J个断开的链接，且该J个链接都能通过对面车道上的车辆中继而实现连接的条件概率，假设每个断开的链接通过对面车辆进行连接的概率是相互独立的，则

(16)

如果断开的J个链接都能通过对面车道的车辆中继实现链接，那么车道上所有的车辆就能够全部彼此连接.实现彼此连接，可使用全概率计算公式：

(17)

若J=0，则在向右行驶的车道上没有断开的链接，即该车道上的所有普通车辆及车队都彼此连通，该车道上的车辆相互连接的概率为：

(18)

2 网络连通性仿真分析

VANETs网络本身具有高速动态变化的特性，数据中继过多，会使数据传输不可靠并发生延迟.因此，数据仿真分析仅考虑对面车道上车辆中继只有一次的情况，即假设如果某方向车道上连续两车之间的链接断开，两车通过对面车道上位于它们之间并且与它们都能连接的单个车辆进行数据中继，从而实现两车的通信，也即Q=1.当Q=1时，网络连通性概率随车辆密度的变化情况见图3.

图3 双车道V2V连通性概率

当Q=1时，图2中的VC和VD可以被看作是VC′.如果VC′能在左边连接VA并且在右边连接VB，就可以认为VA和VB是相互连接的.

从图3可以看出，由于可以借助对面车道上的车辆进行数据中继，双车道有车队通信环境下的网络连通性概率，较双车道无车队通信环境下的网络连通性概率有较大的提升，例如，当车辆密度ρ=0.02辆/m，R1=100 m，R2=800 m，并且道路上有60辆普通车辆和10个车队时，在双车道有车队存在的V2V网络中，网络连通性概率为0.982 1，有车队的网络连通性概率较没有车队的网络连通性概率增加约33.36%.

3 结语

本文通过建立基于车队的双车道V2V的VANETs网络连通性的数学模型，对其连通性的概率进行仿真分析得出，在有车队存在的情况下，可以增加VANETs网络的连通率，显著地提高VANETs网络的性能，对车联网的应用具有积极的意义.

[1] JIANG X X.BUS-VANET:A BUS Vehicular Network Integrated with Traffic Infrastructure[J].IEEE Intelligent Transportation Systems Magazine,2015,7(2):47-57.

[2] S C NG,ZHANG W X ,YANG Y,et al.Analysis of Access and Connectivity Probabilities in Infrastructure-Based Vehicular Relay Networks[J].Selected Areas in Communications IEEE,2011,29(1):140-150.

[3] HALL Chin.Vehicle Srting for Patoon Frmation: Ipacts on Highway Etry and Troughput [J].Transportation Research Part C: Emerging Technologies,2005,12(5-6):405-420.

[4] JIA Y K,WANG LU J .A disturbance-adaptive Design for VANET-enabled Vehicle Platoon [J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2014,63(2):527-539.

[5] AREM B V,C J G V DRIEL,VISSER R.The Impact of Cooperative Adaptive Cruise Control on Traffic-flow Characteristics [J].IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems,2006,7(4): 429-436.

[6] SARTRE-CONSORTIUM.The Sartre project [EB/OL].[2017-02-21]http://www.sartre-project.eu/en/Sidor/default.aspx.

责任编辑：金 欣

Connectivity analysis of VANETs based on the platoon and double-lane-V2V network

MA Bao-qiu

(Department of Mechanics and Electrics, Shijiazhuang University of Applied Technology, Shijiazhuang, Hebei 050081, China)

In this paper, we establish a mathematical model of connectivity of the double lane V2V network-based on platoon, and calculate the relationship between probability of connectivity of the network and vehicle density, radius of the vehicle communication, and the proportion of the platoon in the network. The simulation results show that the connectivity of VANETs network can be much improved when platoon exists. It is helpful to the connectivity of the network of vehicles when the vehicles in the platoon are organized.

platoon; double lane; network; connectivity

2017-03-16

2016年度河北省科学技术厅科技计划项目(16212212)

马宝秋(1973-)，男，河北石家庄人，石家庄职业技术学院讲师.

1009-4873(2017)02-0028-03

TN929.5

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