基于802.11p 协议的车联网传输策略研究

刘文晶，黄河清

（重庆工商职业学院，重庆 401520）

0 引言

车联网通过采用信息处理技术对道路车辆行人进行区分识别管理,提供有效的信息网络服务。 运用技术包括电子标识技术、无线通信原理、大数据处理等。车联网是车载自组网,用于实现移动车辆通信,为车辆提供多种安全应用。 人们对道路交通安全关注度提升,使得车联网研究成为热点课题。 传统智能交通系统以监测为主辅助交通管理方式,VANET 网络技术构建自组织开放无线通信网络,减少交通事故危害。VANET 技术成熟后成为机动车标准配备［1］。 本文给出了一种车联网移动性模型,并对该模型的有效性进行了分析。

1 车联网研究

物联网是近年来新兴研究领域,被称为世界信息产业第三次浪潮。 车联网通过无线通信技术把车辆节点连接到网络中,车辆交通控制中心可以自由交换信息。 VANET 具有MANET 普遍特征,同时具有车辆数目巨大,拥有多样外部辅助仪器设备；易受到驾驶员个人行为影响,频繁车流量变化导致网络拓扑结构变化,车载单元无明显电源约束等特征。

VANET 网络可自组织建立临时无线移动通信网络,ITS 协会学界专家呼吁美国国会资助WAVE/802.11p 的ITS 系统研究。 ASTM 关于车载无线通信网络研究始于1992 年,提出DSRC 技术采用915 MHz 频段,对协议标准相关内容修订适应无线通信过程。 美交通运输部针对车辆安全服务等应用设计空中接口标准［2］。 DSRC 标准由日本TC204 委员会负责制定,中国政府提出加快交通信息类基础设施建设。 WAVE 是下一代DSRC 技术,WAVE 系统工作频段为5.850 ～5.925 GHz,可达到6～27 Mbit/s 信息传输速率。 IEEE 802.11p 协议定义物理层的绝大部分,IEEE 1069 与802.11p 协同配合,兼容IPv6 协议用于娱乐相关信息通信。 体系定义支持车载无线通信的相关信息,标准与IEEE 802.11p 构成WAVE 协议体系［3］。

车联网是特殊的MANET,存在无线网络固有隐藏终端等问题,VANET 具有其他物联网不具备的特征,体现在无线信道质量波动较大,网络拓扑结构变化较快,车辆节点运动规律可预测等。 车联网应用包括先进交通管理系统、出行者信息系统,基于ITS 的交通收费系统等。 随着我国汽车数量增加,交通事故死亡率呈上升趋势。 事故报警在路段行驶车辆间能否可靠快速预测传输是减少交通事故的关键。 本文分析一种高速公路车联网移动模型,设计车联网报文格式,给出广播消息报文的TTL 字段初始值设定方案［4］。

2 VANET 报文消息

考虑某路段消息广播应用场景,报文考虑车辆移动速度矢量,记录路由等报文头信息,TTL 字段用于控制广播报文泛滥。 广播消息节点在L 路段进行广播,bL 长度路上存在车辆数目期望为ρLb,假设不同连通集通过RSU 存储转发模式中继广播消息,TTL 字段用于控制报文最大转发跳数,RSU 根据所在路段实际车辆交通流统计不同时间区间车辆密度ρ。 参数Lb 由广播消息源节点给出广播涉及地理范围。 Option 字段记录中继转发节点信息,车辆移动速度矢量等应用信息作为DATA 数据部分。 VANET 链路层报文格式如图1所示。

图1 VANET 链路层报文格式

3 基于802.11p 的车联网连通性模型

FCC 将75MHz 频段用于802.11p 车联网通信,车联网适配器使用信道接口技术尚无定论,单接口多信道模式信道切换大于传播时延,多接口多信道模式对车联网具有现实意义。 802.11p 协议满足行驶速度为33 m/s 车辆通信。 基于802.11p 车辆组网需要考虑对向行驶车辆,建立连接保持时间短,多普勒效应增大［5］。 高速公路VANET 网络组网时考虑同向行驶车辆组网符合实际。 FCC 分配6 个数据信道SCH,单向道路使用3 个SCH［6］。 考虑高速公路车辆前后距离为2～1 500 m,认为单向多车道车辆建模为一维单车道研究。 IEEE802.11p 信道频谱分配如图2 所示。

图2 IEEE802.11p 信道频谱分配

考虑一维车道频谱分配情况,自组织分布频谱分配算法下足够分配。 车辆节点编序f1,f2,在相邻链路间交替使用,Link(V3,V4)使用f1 后继链路交替使用互不干扰频段,频谱使用中自组织方式动态分配算法,相邻链路交替分配,Link(Vi,Vi(10)1)分配使用频段f2,Link(Vi-1,Vi)产生干扰。 使用频段f3 节点间Link(Vi-1,Vi)在触发下判断频段f3 跳频道(f1,f2)某频段是否存在冲突干扰,完成Link(Vi-1,Vi)回退到(f1,f2)频段。 设相邻车辆节点使用某频段通信,802.11p 网卡发射功率大,发生过率根据信道情况调整。 建立某时刻车辆位置坐标系,从右至左车辆位置为Vi,i＝1,2,路段车辆数目满足λ＝rx泊松分布。 泊松过程对应计数过程,x路段车辆总数目K(x)期望与方差为λ。 图3 高速公路单向车道交通场景一维网络拓扑模型。

图3 高速公路单向车道交通场景—维网络拓扑模型

P(k)＝λke-λ/k！ ＝(ρρx)ke-px/k！E［K］＝λ＝ρx,D［K］＝E［K2］-(E［K］2)＝λ＝ρx。 令x＝R,R通信距离内有1 量车概率为Pr｛k1｝＝1-Pr｛k＝0｝＝1-e-ρR,可以把d(i,i+1)视为临近车辆进入路段到达时间间隔,推导中以di代替d(i-1,i)d1…｜V1 ｜-｜V0 ｜,可省略取绝对值运算符,x 路段中出现车｛d1＞x的事件发生,Pr｛d1＞x｝＝Pr｛k(x)＝0｝＝e-ρ x,考虑Pr｛d2＞x｝ ＝E［Pr｛d2＞x｜d1｝］,d2 为具有均值/p的指数分布随机变量。推论1｛di,i＝1,2,｝为独立同分布指数随机变量。 将研究结论用于VANET 连通性模型重要参数指标解析式推导。 VANET 网络连通特性重要参数指标包括连通集个数期望与高速公路车辆密度具有密切关系。 L 路段任意两车连通概率与车辆密度、传输距离关系如图4所示。

图4 L 路段任意两车连通概率与车辆密度、传输距离关系

为验证高速公路交通场景下移动模型与车辆网络模型匹配性,利用Matlab 生成多条序列,存放在数组中,利用Matlab 生成多组满足均值μ＝30 m/s 的正态分布数据,车辆进行速度Speedi,完成交通流模拟,实验参数设定节点最大传输距离为1 000 m,ρ∈［0.001,0.05］,随着车辆间最大通信距离增加,车辆连通概率增大。 路段任意两辆车概率跃迁宽度明显变窄。 分析连通集直径与车辆最大通信距离关系,连通集直径增速随着车辆密度增加。 分析某广播报文中TTL 字段设定可能值,TTL 与车辆密度密切相关。

4 结语

本文讨论高速公路交通场景车联网移动性模型,分析任意车辆连通性,连通集数目等方面,设计可用于车联网报文格式,给出广播消息报文的TTL 字段初始值设定方案。 近年来物联网在世界范围内得到迅速发展,车联网是实现物联网在交通工程领域的典型应用。车联网对车辆通信可靠性提出更高的要求。IEEE8202.11p 为车联网应用设计标准,现有针对IEEE802.11p 协议研究大多为实现设定传输距离取值,未对协议规定传输距离满足通信要求理论分析。基于802.11p 车联网VANET 网络是涉及多学科研究课题,近景愿望成为机动车标准配备,相关研究成为业界关注的热点。