面向优先级感知的车联网多路径传输机制探究

卢伟

（江西科技学院协同创新中心，南昌330098）

0 引言

随着工业信息化的快速发展，越来越多的车辆装备了多个不同标准的车载通信接口，为车载应用提供更加高效便捷的数据传输体验［1］，从而使得高速运行的车载节点通过车联网可以及时获取车辆行驶的实时信息（如位置、天气以及车况等），极大地改善了车主的驾驶体验［2］。另一方面，随着车联网的不断发展，车主对车辆驾驶体验提出了更高的服务要求，如从单一车辆信号数据传输到内容丰富的流媒体数据（语音、图像以及视频等）综合传输，这就要求车联网具有一定的服务质量（QoS）保证能力［3］。

受限于其传统固化的数据传输机制，高速运行的车载自组织网络在高动态变化的网络拓扑和无线链路带宽窄的车载传输节点中提供具有高QoS保障、安全以及实时应用等传输体验具有挑战性。因此，在具有带宽窄、内存有限的车联网中，如何有效利用车载节点多通信接入技术，在保障安全行驶的前提下，满足车主对内容丰富流媒体传输服务质量是车联网优化的必然趋势［4］。本文借助多路径传输机制的特点，探究了一种面向优先级感知的车联网多路径传输机制（POVMPTCP），为高速运行的异构车联网提供高QoS的传输服务优化提供思路。

1 车联网研究现状和趋势

车联网是指车载设备在车辆上通过无线通信技术，利用无线通信技术对信息网络中的各种车辆动态信息（如车况、位置以及天气等）进行综合利用，为车主车辆驾驶提供不同的信息化传输服务，从而实现车路通信、车车通信以及车与信息服务中心通信，提高了车主驾驶体验和交通通行安全性及效率［5］。但是，车载节点本身是由一组高动态变化的无线节点组成，节点具有带宽窄且无规律高速运动等特点，使得现有的车载节点具有链路不稳定以及传输质量低的特点。此外，为了提高传输效率，越来越多的车载节点装备多个网络通信接扣，但是传统固化的车联网传输机制忽略了该特性，缺乏在内存有限的节点上通过对多通信接口进行多路并行传输的优化考虑［4］。

为了优化传输服务质量，国内外研究学者对车联网传输优化机制进行了广泛的研究和讨论。其中针对如何利用车载节点装备多通信接口的特性问题，有关学者提出了融合多路径传输协议（MPTCP）［6］的优化思路，通过MPTCP对传统TCP协议的扩展，利用车载节点多通信接口在传输两端建立多条通信链路，实现传统传输协议在传输过程中多路径并发。朱丹阳等［7］针对车联网多路径传输机制优化设计中，提出了一种面向车联网的基于丢包区分的MPTCP多路径传输解决方案，该方案有力的验证了在车载节点上利用其装备多通信接口借助多路径传输机制（MPTCP）实现多接口并行传输数据的方案，该方案证明了融合MPTCP的车联网可以有效的车联网的传输质量和传输效率。融合MPTCP的车联网通信结构如图1所示。

图1 融合MPTCP的车联网结构

融合MPTCP的车联网可以提高传输服务质量，但是如上文所述，车联网应用服务是多样化的，车主在驾驶旅途中常常需要传输内容丰富、海量化并存的流媒体数据。对于不同类型的信息其在链路传输中往往具有不同的重要性，即在融合MPTCP的车联网中信息的传输优先级差异较大，如行驶安全性相关的信息应该优先提供传输保证。然而，现有融合MPTCP的车联网协议并未结合车联网应用数据传输的不同通信需求，进行相应的优先级分配。针对上述问题，本文在车联网中融合MPTCP，并提出了一种面向优先级感知的传输优化机制，在保证车联网通信安全性的前提下，考虑了应用优先级传输的需求，从而增强车联网通信的传输服务质量。

2 多路径传输机制的研究基础

2013年，国际互联网任务工程组在兼容传统控制协议的思想下，发布了基于TCP协议扩展的多路径传输协议，旨在通过利用当下各种通信终端装备多宿主接口，使终端可以同时建立多条传输链路接入到多个通信网中并行传输数据。改方案实现终端多条链路的带宽拟合、链路通信的负载均衡以及链路的自动切换，有效的发挥了多宿主终端实现多接口的潜力，极大的提高了应用数据的传输能力和保障了网络的传输性能。在兼容传统控制协议的思想下，MPTCP为高速移动的车载节点在车联网通信中实现应用数据传输的并行传输以及性能改进提供优化的潜力［8-9］。

针对优先级传输优化问题，我们在前期研究中对流媒体融合MPTCP实现按需优先级传输进行了探究，并取得了一定的研究成果。与车联网应用数据类似，流媒体数据同样是多种多样的，用户在请求流媒体应用数据需要请求各种类型的数据，这些应用数据对用户来说是有数据重要性不一且对数据传输具有优先级传输需求。因此，课题组设计了一种面向优先级的多路径流媒体传输策略，并通过仿真实验的实验数据显示该优化策略在网络的传输吞吐量、时延以及抖动值上相较于传统网络均表现出一定的潜力，可以有效提高传输服务质量，实验结果如图2所示。该方案的设想和验证为在融合MPTCP的车联网通信传输机制中提供面向优先级传输服务提供借鉴思路。

图2 面向优先级的多路径流媒体传输策略实验结果

3 面向优先级感知的车联网多路径传输机制探究

针对车联网中，车主在行驶过程中对车载应用数据传输优先级及重要性（尤其是驾驶安全数据）需求不同导致用户网络体验问题，本文在借鉴前期研究的基础上，对融合可区分优先级的MPTCP多路径车联网传输机制进行优化，以实现车联网通信可以区分车载应用数据的重要性和安全性，优先保证安全驾驶和优先级高的数据在质量最好的路径上传输，提高车载应用数据的传输性能。该方案的主要设计思路如下：

（1）在融合多路径传输协议的车联网中实现对车载应用数据的重要性感知，以满足在多路径并行传输车载链路实现对数据优先级传输调度服务

在数据的传输服务中，我们可以先对车载应用的数据包进行优先级标记P={P1,P2,…,Pn}，以实现车载应用数据的重要性的区分。当需要传输的车载应用数据进入发送队列时,发送端通过跨层协同通信机制［10］从队列中获取每一条数据的优先级标记并保存到优先级队列中POlist={PO1,PO2,…,POn}，同时对队列中数据包按优先级进行排序，使高优先级的数据包优先进入发送队列。

（2）在多通信链路并行传输服务中实现对链路传输服务质量的感知和切换，以达到待发送的数据包尽可能在传输质量最好的通道进行。

融合多路径传输协议的车联网，可以在发送端和接收端建立多条并行传输的通信链路，但是由于异构无线网络的复杂性，链路之间的传输服务质量存在差异性（即链路通信质量有优劣之分）。为了实现重要数据的优先传输，我们可以在根据获取链路的RTT和CWND值用于记录链路的传输质量Path={Path1,Path2,…,Pathn}，然后对路径质量进行排序后选取和切换出质量最好的路径用于重要性高的数据优先传输。

（3）基于上述（1）（2）步实现基于链路传输质量的数据优先级调度

即当发送端窗口空闲且可以发送数据包时，数据调度模块会先对优先级队列的POlist数据包进行优先级判断并选择相应的调度策略。如具有优先级标识（如安全驾驶数据）的数据包优先出列并将当前传输路径切换成质量最好的子流用于数据包的发送；若发送的数据包没有优先级需求，则继续使用标准的传输调度策略进行数据分发。

4 结语

本文针对在融合MPTCP的车联网中缺乏对车载应用数据具有重要性不一、传输优先级不同的考虑，探究了一种面向优先级感知的车联网多路径并行传输机制，根据数据包按需优先传递的需求，对多路径车联网传输进行相关优化讨论，旨在为未来车联网在多路并发、保证传输服务质量等传输性能方面的优化提供思路，为车主驾驶体验提供更好的QoS。基于上述思想，在未来的工作中，课题组将搭建网络仿真平台来对面向优先级感知的车联网多路径传输机制进一步验证和优化，为在车联网中融合多路径并行传输在实际车载应用中的部署打好基础。