基于车联网的动态信道切换研究

谢于晨 何键

摘 要：智能交通的应用趋于普及化，对于智能交通的要求也越来越高。车联网作为智能交通的主体，也是一个重要的研究对象。车联网通信信道包括控制信道和业务信道，它们之间因为业务需求需要进行不定时的切换。本文对以往的等间隔的信道切换机制进行了优化研究，提出了一种基于车辆密度变化而完成动态信道切换的方案，该方案可以在保证行车安全的前提下进行控制信道和业务信道的切换，同时文中对新的信道切换机制进行了仿真验证。

关键词：车联网；信道切换；动态

1 概述

车联网作为物联网的延伸，是智能交通的核心技术之一。车联网体系结构中存在远距离的通信方式和短距离的通信方式。后者关系到车辆的行驶安全指标，用于保证车辆间成功发送安全消息。车联网的媒体接入控制层采用信道切换和信道竞争相結合，这使得车联网安全信息发送的成功率会受到车辆密度的影响。当车辆比较少时，会出现信道资源利用率低的情况；当车辆拥堵时，车辆密度大，信道利用率非常高甚至出现信道堵塞，这要在规定的时间内，尤其是信道切换时间范围内无法成功完成安全信息数据包的发送，从而对行车安全会产生一定的影响。为了缩短信道切换时间，提高信道切换的及时性，我们将提出一种新的信道切换机制，以增强安全信息数据包的发送成功率，使行车安全系数更加稳定。

2 传统信道切换分析

2.1 车联网信道模型

在标准的无线接入车联网中，分配给专业短程通信的频率资源被分成两类信道：控制信道（CCH）和业务信道（SCH）[ 1-2 ]。故而，在一个周期的信道时间内，一个时隙被分为了控制时隙以及业务时隙，并且两个时隙进行相互交替，如图1所示。

在WAVE协议中规定，控制信道（CCH）主要是用来传送车辆行车安全相关的信息，包括车辆位置信息、时间信息及行驶方向等信息。把所有在控制信道上传输的信息统称为安全信息，它又分为周期性和非周期性两种。

周期性的信息主要指车辆的行驶状况，并周期性的发送给其周围行驶的车辆，车辆收到信息后，对信息进行分析处理，从而确定车辆之间的安全行驶。

业务信道传输的是与控制信道不同的信息，即与安全不相关的信息，主要是指传统的网络业务。就是因为它发送的是非安全信息，所以业务信道发送的消息就没有控制信道上的安全信息重要。

2.2 信道切换机制分析

目前车联网中普遍使用WAVE装置是单物理层的，即在某一个时刻，车辆只能在某一个信道进行数据包的收发。WAVE协议严格限制了控制信道和业务信道发送的消息，所以为满足驾驶员的各种需求，有时候必须进行信道切换。

协议IEEE1609.4提出了四种不同的信道切换机制可供使用[ 3-5 ]，四种机制如下：

2.2.1两种信道分别持续占用方式

这种模式没有引入信道切换的概念，某个设备持续使用一种信道，要么一直工作在控制信道，要么一直工作在业务信道。一般情况下，设备都是默认在CCH下，除非有特殊请求。

2.2.2两种信道等间隔切换

如图1所示，CCH和SCH两种信道在一个时隙周期内，一半是业务周期，一半是控制周期，周期性的进行信道切换[ 3 ]。

2.2.3业务信道占用

这种模式是在第二种模式的基础，在同一个时隙内不规律的插入业务信道的运行时间，以满足大量非安全信息的需求，所以这种模式主要是用在对非安全信息需求大的情况下。

2.2.4业务信道扩展占用

在确保车辆间行驶安全的情况下，业务信道与控制信道不进行等间隔切换，业务信道可连续占用多个周期，这种模式同样适用于对非安全信息需求大的应用中。

现有机制虽然有四种，但是当我们的车辆密度信息发生变化，有时无法保证安全信息能够成功发送出去。为了尽量使所有车辆安全信息在规定的时间内发送出去，我们需要对信道切换机制就行优化修改。

3 动态信道切换方案

从目前的研究来看，现有的关于信道切换的机制都是基于等间隔的信道切换方式，也就是在100ms的周期内，控制信道和业务信道各占50ms。但是交通路况不是一成不变的，车辆密度也是变化的，在交通拥堵状况出现时，车辆之间的安全信息有时候很难在规定的时间内完整发送。而此时，车辆又由于业务需求需要切换到业务信道，这就给交通造成了一个很大的安全隐患。

这里我们给出了一种动态信道切换方法，该方法基于车辆密度进行分析。方案流程图如图2所示。

假设在第一个起始时隙，所有的车辆都工作在控制信道CCH下，并且不进行信道切换。车辆首先需要采集车辆的位置、速度、车辆ID等信息[ 6 ]，组成一个数据报发送出去。其他车辆收到数据包后对相应的数据信息进行计算分析，为安全程序服务。同时还会对收到的数据包进行计数，为防止数据包的重复接收我们在每个数据包头都加上车辆ID号，通过对比车辆ID，可以将重复的数据包丢弃并且不进行统计计数。然后我们根据数据包计数总数，根据公式：

式中Num表示数据包总数，L表示车道的数量，d1和d2分别表示，在该车的网络覆盖范围内，该车前面距离最远的车的距离和该车后面距离最远的车的距离。

根据公式，我们可以算出车辆密度值，来判断交通的路况情况。我们把交通路况进行级别划分，一级为无拥堵情况，二级为相对行驶缓慢，三级为交通严重拥堵。根据等级的划分，可以对车辆密度值进行相应的量化处理。

我们假设在1000米的道路范围内，有50辆以下的车，发送所有的安全信息需在40ms以内，这时可以设置为一级无拥堵状态，统一要求在40ms的时候进行切换。当车辆数据增加到100时，发送所有的安全信息需在50ms以内，这时对应二级一般拥堵情况，我们默认二级路况在50ms进行信道切换。当车辆继续增加，发送所有的安全信息需在大于50ms，超过了规定的时间范围，这时可以说处于三级非常拥堵的情况下，无法保证非安全信息的发送，需延长控制信道的占用时间，这就是所谓的动态进行信道切换的方案。

4 仿真分析

接下来我们对前面的方案进行仿真，以验证方案的可行性。首先，来看一下车辆数和发包成功率与发包时间之间的联系。从图3可以看到，在车辆数目在100辆以下，发包的成功率都是100%，用于发包的时间也在50ms以内，而在车辆数据在100辆以上时，发送包的时间越来越长，发包成功率越来越低。所以在信道切换时，要根据道路的拥堵情况进行实时的调整，也就达到了一个动态切换的目的。

再来看一下本文提出的信道切换机制与原有的等间隔信道切换模式之间的对比。

图4表明了在相同的车辆数目的前提下前者较后者在发包成功率有明显的提高，也就是说，当车辆数目增加时，车辆之间需要收到的安全信息包就多，前者发送的成功率高，带来的行驶安全隐患就越低，不会因为漏发安全信息数据包而引发交通事故，也就将交通意外风险降低了。这也就表明本人提出的信道切换方案在行车安全方面有一定的优势。

5 结论

车联网通信网包括控制信道和业务信道，二者之间由于业务需求需要进行切换，而控制信道发送与安全相关的信息，直接影响到车辆间的行驶安全，所以在不影响行车安全的前提下才能进行信道切换。本文提出了一种经优化的动态的信道切换机制，该机制可根据路况信息随时切换，当车辆数达到一定量的时候，即道路拥堵时，车辆间在控制信道上发送的安全信息成功率会降低，这时需要确保行车安全后才能切换到业务信道执行业务服务。该机制经过仿真验证，可以完成动态切换的要求，并同时有效的降低了行车安全所引发的交通意外。随着车辆数目的急剧增加，基于行车安全方面的车联网研究将继续进行。

參考文献：

[1] 张鹏涛.车联网车车信道仿真模型概述[J].通信设计与应用，2016.

[2] 张磊.车联网中控制信道接入和认知中继选择研究[D].北京邮电大学，2015.

[3] 苗晓峰，罗志辉，洪亮.”基于SUMO的路由仿真研究”[J].计算机工程，2011.

[4] Lakas， A.， Shaqfa， M.，"Geocache： Sharing and Exchanging Road Traffic Information Using Peer-to-Peer Vehicular Communication"， Vehicular Technology Conference （VTC Spring），2011.

[5] x.zhang，h.su and H.-H.chen，”cluster-based multichannel communications prtotocols in vehicle adhoc networks” ，IEEE Wireless Communications[J].2006.

[6] 陈东升.多车干扰下的车距信号采集方法仿真[J].计算机仿真，2014.

作者简介：谢于晨（1983-），女，硕士，工作于江西科技学院信息工程学院，主要研究方向为嵌入式系统开发，移动通信，车联网技术等；何键（1989-），男，江西鄱阳人，硕士，工作于江西科技学院信息工程学院，所学专业为控制理论与控制工程，研究方向：过程控制与网络集成自动化。