车联网通信系统中数据业务的新型传输策略研究*

李康飞 ，江晓明 ，江浩斌 ，朱 娜 ，童 欣

（1.江苏大学 计算机科学与通信工程学院，江苏 镇江 212013；2.江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013）

0 引 言

车载自组织网络（Vehicular Ad-hoc Networks，VANETs）是当前与未来智能交通系统（Intelligent Transport System，ITS）的基石[1]。VANETs系统将信息处理、网络通信以及人工智能等先进技术有效地进行集成应用，旨在建立一种实时、准确、高效、安全的智能交通与运输管理系统；还通过实现人、车、路协作式的信息交互，以达到提高交通效率、缓解拥塞、减少事故率、降低能耗与污染的目的[2-4]。在当前大数据智能移动物联网时代，对于智能交通行业的新业务应用，更加依赖于基于5G标准产生的新型自组织车联网通信技术。

由于带宽资源的严格限制与OBU数量的持续增加，在车联网环境下如何高效地利用有限的带宽资源，以满足日益增长的交通信息化服务需求，成为当前相关行业规划与系统应用的方向[5-6]。相关研究人员已经提出了一些方案来优化传统车联网的技术与架构，如基于动态中继的越区切换方法与数据传输方案[7]、基于新型信道预算模型的信息交互协议[8]、基于空时网络编码的数据传输策略[9]、基于终端直通技术（Device-to-Device，D2D）的通信链路共存方法以及基于限制区域的链路资源分配方案等[10-11]。显然，在一定条件设置下，这些优化方案能够有效提升动态车载互联的通信性能，为新型自组织车联网通信系统架构的改善提供了一定的理论支持。但是，在当前智能交通系统的传统通信网络架构中，如何在修改传输带宽周期分割方法的基础上，获取VANETs通信系统中优化的新型传输交互策略，进而提升交通大数据的传输效果与交互质量，研究成果鲜有报道。鉴于此，论文提出并评估了一种适用于自组织车联网通信系统的新型数据业务传输策略。

在新提出的数据业务传输策略研究中，首先基于车联网高速公路下的新型数据交互应用环境，对比传统的蜂窝移动车联网中的数据传输策略，介绍与说明这种新型数据传输策略的带宽分配技术原理与数据交互工作流程。其次，搭建大尺度功率衰落的3种典型通信信道模型，进行相应通信系统的动态参数设定与网络模型仿真，并且在传统的与新型的传输策略下，获取与分析了相应策略下的平均通信容量、信道带宽利用率、信息传输时延以及功率损耗等可度量数据。最后，总结说明该项新型传输策略能够有效提升自组织车联网通信系统中数据业务的传输效果与交互质量，并展望了后续相关研究工作。

1 带宽分配方法与数据传输策略

在VANETs物理信道的信息通信过程中，对于数据业务的带宽分配，需要综合考虑每个数据业务块受到对应通信系统时间与空间上的影响。因此，选择适合的方法来分配数据业务块的带宽周期，改进传统数据业务交互的传输策略，能够获得未来车联网通信系统更大的信息吞吐量、更高的带宽利用率以及更低的传输时延。

1.1 传统的带宽分配方法与数据传输策略

在基于传统移动蜂窝技术体系的车联网通信系统中，当任意OBU从基站A运动到相邻基站B的时候，该OBU一般会经过基站间的信号覆盖重叠区域，并且经历相邻基站区域内不同的带宽资源切换。在相应数据传输过程中，首先经历越区切换周期Tho，即基站B为OBU切换专用带宽资源，以保持数据传输的连续性。同时，该OBU仍继续使用基站A先前分配的带宽资源，该带宽周期为持续保持周期Tck。然后，在越区切换完成后，当OBU通过基站B进行数据传输或转发时，经历特定的带宽分配周期Tba，该分配周期表示为：

式中：num为OBUs之间数据传输次数，τ为任意OBUs之间每次进行带宽资源分配所需要的平均时长，T´ba为用于带宽分配所产生的控制信令时长。在Tba内，完成为数据业务传输服务的带宽分配工作后，才能进入后续专用的数据传输周期Ttr。此后，在基站B的覆盖范围内，随着OBUs之间网络拓扑的动态变化，用于OBUs之间数据业务块传输的带宽资源会交替经历Tba与Ttr这两个周期，直到相关OBU离开基站B的信号覆盖范围。以上所述传统数据业务块的带宽分配与传输策略的示意图，如图1所示。

图1 传统数据业务块的带宽分配与传输策略

1.2 新型的带宽分配方法与数据传输策略

不同于基于移动蜂窝技术体系的车联网通信系统，在当前智能交通高速公路应用场景中，将来的VANETs通信系统具有以下3个主要特点：（1）高速公路内每个基站一般有2个相邻的路侧基站；（2）高速运动车辆导致的网络拓扑急剧变化，使得带宽资源的切换更加频繁；（3）智能交通环境下的OBU位置变化，更具有可预测性。所以，基于车辆速度与位置等实时信息，基站能够预测信号覆盖范围内OBU通信节点的网络拓扑变化，并且通过VANETs通信系统中基站级联的回程网络，可以实时获取即将到达的OBU动态信息[12-14]。

因此，论文通过优化通信带宽周期分割方法，提出了一种适用于高速公路环境下VANETs通信系统的新型数据业务传输策略。一方面，当OBU在基站信号重叠区域内进行切换时，基站应该及时释放相应的带宽资源，并同时自动占用相邻基站分配的带宽资源；另一方面，在基站信号覆盖范围内，由于采用的终端直通V2V通信方式具有一定的直通距离限制，一旦超过限制距离，OBUs之间的数据业务块传输需要经过蜂窝基站转发。在它对应的终端直通V2V方式与移动蜂窝方式下，VANETs通信系统需要不断切换相应的带宽资源。因此，在基站内进行相应带宽资源的切换中，基站应该及时释放相应的带宽资源，并同时自动占用不同通信方式下分配的带宽资源。

根据OBU速度与位置等实时信息的可预测性，新型数据业务传输策略通过优化信道带宽周期分割方法，节省了带宽分配过程中的持续保持周期Tck。改变后的带宽分配总周期需要经历三个子信道带宽周期，即信息传输中的新型切换周期Tnho、带宽分配周期Tba以及相应的数据传输周期Ttr。Tnho包含两种含义：（1）在基站间进行越区切换中，表示相邻基站为OBUs切换带宽资源所经历的时间；（2）在基站内进行相应通信方式的切换过程中，表示在OBUs间进行数据业务块传输时，为OBU切换对应带宽周期资源所经历的时间。以上所述新型数据业务带宽分配与传输策略的示意图，如图2所示。

图2 新型数据业务块的带宽分配与传输策略

如图1、图2所示，根据车联网高速道路环境下车辆运动的典型特点，改进了通信带宽周期分割方法，进而提出一种新型数据业务的带宽分配与传输策略。显然，这种新策略具有更加高效的带宽资源利用率，能够有效提升车路网络节点间的数据业务通信性能，以期更好地满足智能交通与车载互联应用场景下大数据、高速率、低时延的信息化服务需求。

2 通信性能指标的仿真计算与分析

由文献[15]，在高速移动的VANETs应用环境中，相比NS2网络仿真器，相关研究工作采用NS3网络仿真平台，一般具有更好的可行性。为了比较与论证所述带宽分配与传输策略下的通信系统性能，研究工作基于大尺度功率衰落[16-17]的3种典型通信信道，采用NS3网络平台，搭建了一种能够承载当前交通数据业务传输与交互的通信网络系统。系统基础仿真环境的主要参数设置为：在长50 km、宽34 m的双向三车道路况下，以道路中心绿化带为距离参考点，第1、第2、第3车道的平均时速分别为110 km/h、90 km/h与60 km/h；所有车辆节点的初始速度、初始位置坐标以及数据业务的排队到达率等参数均服从泊松分布；基站位于路侧200 m处，高度为10 m，如图3所示。

图3 通信网络系统仿真环境模型

根据国际电联与我国交通通信部门的无线电频谱分配标准，在系统仿真环境中，设置直联V2V方式与移动蜂窝方式下的工作频段分别为5.85 GHz与3.5 GHz；对于6基站复用同频的蜂窝小区网络，单个基站范围内，可分配总带宽分别设定为10 MHz与20 MHz[18-19]。

基于上述基础通信环境模型，在高速道路应用场景下OBUs之间或基站与OBU间的数据传输过程中，对3种典型信道模型（分别为expend-3、rayleigh与nakagami-m信道模型[20-23]）进行仿真建模，通过数值计算获取对应通信性能指标，并进行相应的对比分析。

2.1 平均通信容量

在基站与OBU间进行数据传输时，第k个基站信号覆盖范围内的系统通信容量为：

式中，c为监测时间点的数量，ta是时间间隔设定为10 s的时间监测点，Q(k,ta)为在相应监测点之间的平均通信容量，表示为：

式中，num为基站k信号覆盖范围内OBUs数量；Ni与Mi表示在系统测算时间内分别采用移动蜂窝方式与V2V方式，对应的OBU i与基站范围内其他节点之间进行数据交互的次数；分别表示对应通信方式下的传输时延；为在相应通信时延下接收到的信息吞吐量。通过对基础仿真环境的建模，在3种典型通信信道模型中，采用上述两种不同传输策略的情况下，获得了系统平均通信容量与OBU数量的对应关系，如图4所示。

图4 两种不同传输策略下，平均通信容量与OBU数量的关系

如图4所示，在相同的功率损耗信道模型中，对比传统蜂窝技术体系与带宽分配方法下的数据传输策略，采用新型带宽分配方法下的数据传输策略，系统平均通信容量能够提升7%左右；在满足同样通信容量的条件下，系统能够容纳的OBU数量显然有所增加。

2.2 信道带宽利用率

在基站与OBU间进行数据传输时，根据式（2）和式（3），推导得出第k个基站覆盖范围内的信道带宽利用率为：

在移动蜂窝通信系统中，采用移动蜂窝方式与V2V方式的信道带宽分别为：

对应数据传输方式下的平均通信容量占比分别为：

在3种典型通信信道模型中，计算获得了两种不同传输策略下信道带宽利用率与OBU数量的对应关系，如图5所示。

图5 两种不同数据业务传输策略下，信道带宽利用率与OBU数量的关系

如图5所示，在相同信道模型中，对比传统传输策略，采用新型传输策略的信道带宽利用率能够提高12%左右；同样，在满足相同信道带宽利用率的条件下，系统能够容纳的OBU数量显然有所增加。

2.3 信息传输时延

在基站与OBU间进行数据传输时，第k个基站覆盖范围内的信息传输时延为：

在VANETs系统的数据业务传输需求下，重要安全信标业务的传输时延要求不超过100 ms[3,24]。在3种典型信道模型中，采用上述两种不同的传输策略，计算了安全信标业务数据传输时延与OBU数量的对应关系，如图6所示。

图6 两种不同数据业务传输策略下，信息传输时延与OBU数量的关系

如图6所示，在满足安全信标业务传输时延的要求下，采用新型带宽分配方法与数据传输策略，基站内可以容纳OBU数量增加19%～23%；当使用传统策略的数据传输时延等于100 ms时，相应采用新型传输策略的数据时延降低5%～10%。

此外，综合分析图4、图5和图6，当6根数据曲线的系统平均通信容量达到最大时，对比传统传输策略，新型策略下的信息传输时延降低32%～42%；当6根数据曲线的信道带宽利用率达到最大时，新型策略下的信息传输时延同样有所下降。因此，新型带宽分配方法下的数据传输策略具有更加良好的通信性能表现。

2.4 功率损耗

在当前VANETs系统的信息传输过程中，不同的带宽分配方法产生不同的数据发送带宽周期，损耗的系统功率显然也不同。在NS3系统仿真平台上的基础网络环境中，设置路侧基站为15 W，设置基站与OBU的信号接收门限功率分别为-27 dBm与-23 dBm。在3种典型信道模型中，采用上述两种不同的传输策略，得到了基站功耗与OBU数量的对应关系，如图7所示。

图7 两种不同数据业务传输策略下，功率损耗与OBU数量的关系

如图7所示，在基站功耗相同的情况下，对比传统传输策略，基站内可以容纳的OBU数量有了明显提升；在基站内OBU数量相同时，采用新型传输策略的基站功耗，显然比传统传输策略有所降低。

3 结 语

（1）根据VANETs系统中OBU速度与位置等实时信息具有可预测性的特点，文章提出一种适用于高速公路应用环境下自组织车联网通信系统的新型传输策略。其中，业务信道带宽周期经历了三个子带宽周期，分别为新型切换周期Tnho、带宽分配周期Tba以及数据传输周期Ttr。

（2）基于传统与新型的数据业务传输策略，在3种典型通信信道衰落模型中进行仿真计算，对比分析了相应策略下的平均通信容量、信道带宽利用率、信息传输时延及功率损耗，说明新型传输策略可以有效提升车路网络节点之间数据业务的通信性能，进而能够更好地满足智能交通与车载互联应用场景下大数据、高速率、低时延的信息化服务需求。

（3）由于车联网通信带宽的限制与车载终端数量的增加，VANETs系统需要优化设计出更加符合通信性能指标的带宽分配方法与数据传输策略，以满足日益增长的交通信息化服务需求[2,4,12]。因而，相关的研究设计与工程应用工作正在不断开展中。