文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.172131
中文引用格式: 馬得森,沈正源,金曉晴,等. 一種車聯(lián)網(wǎng)分簇方法與簇內(nèi)中繼選擇方法[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,44(3):94-98.
英文引用格式: Ma Desen,Shen Zhengyuan,Jin Xiaoqing,et al. A clustering method and relay selection method in VANET[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(3):94-98.
0 引言
車載自組織網(wǎng)絡(luò)(Vehicular Ad Hoc Networks,VANET)是WAVE(Wireless Access in Vehicular Environments,WAVE)中通信設(shè)備、車輛和路邊基礎(chǔ)設(shè)施通過自組織無線通信共同組成的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)[1-2]。作為智能交通系統(tǒng)(Intelligence Transport System,ITS)的重要組成部分,VANET在交通安全預(yù)警、城市交通監(jiān)控、車內(nèi)娛樂等方面有著重要作用。
由于車對(duì)車(Vehicle to Vehicle,V2V)通信距離有限,車速較快,使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖僮兓?,但車輛只能在現(xiàn)有道路上行駛,運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有一定的限制[3]。鑒于這些特點(diǎn),對(duì)車輛采取分簇的策略是增加車輛通信時(shí)間、提高通信成功率的重要方法[4]。文獻(xiàn)[5]提出了一種以公交為簇頭的車聯(lián)網(wǎng)路由方法,該方法充分利用了公交車輛的特殊性,有良好的投遞性能,缺點(diǎn)是在沒有公交車的路段難以形成簇結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于運(yùn)動(dòng)一致性的車輛分簇方法,該方法考慮了車輛相對(duì)速度和預(yù)計(jì)在當(dāng)前道路的行駛距離,復(fù)雜度較低,且有效延長了車輛的通信時(shí)間。
對(duì)道路上的車輛進(jìn)行分簇,一定程度上增加了車輛通信成功率,但是車輛的快速移動(dòng)導(dǎo)致信道不穩(wěn)定、網(wǎng)絡(luò)連接中斷頻繁等問題依然使車輛間通信質(zhì)量難以達(dá)到要求。KHLASS A等指出當(dāng)車輛與路側(cè)單元(Rode Side Unit,RSU)的信道變差時(shí)可利用中繼來提高通信質(zhì)量,但未具體分析中斷性能[6]。文獻(xiàn)[7]研究了協(xié)作中繼系統(tǒng)中采用放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify-and-Forward,AF)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode-and-Forward,DF)方案的性能,AF方案在高信噪比情況下其性能不如DF方案,因?yàn)楹笳咴谥欣^處重新產(chǎn)生了發(fā)送信號(hào)的干凈版本,然而在低信噪比環(huán)境下,若中繼處解碼錯(cuò)誤則會(huì)造成錯(cuò)誤傳播,使目的節(jié)點(diǎn)接收錯(cuò)誤信息。近年來兼顧AF和DF兩者優(yōu)勢(shì)的混合譯碼方法轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議(Hybrid Decode Amplify Forward,HDAF)成為研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[8]提出了一種在多源多中繼智能交通系統(tǒng)中采用HDAF協(xié)議在最小化中斷概率的情況下減少總能量消耗的車輛功率分配方式。文獻(xiàn)[9]在AF網(wǎng)絡(luò)中,提出了一種低復(fù)雜度的PPRS(Pre-Power allocation and Relay Selection)中繼選擇方法,但只限于傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)采用AF協(xié)議的情況,并未考慮采用HDAF方式及應(yīng)用在VANET中的情況。
本文在文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[5]基礎(chǔ)上,提出了一種基于簇穩(wěn)定的車輛分簇方法。該方法優(yōu)先選擇公交車作為簇頭,在無公交車區(qū)域選取簇頭因子最小的車輛作為簇頭,既盡量利用了城市環(huán)境中公交車輛的特殊優(yōu)勢(shì),又保證了簇結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上,針對(duì)簇內(nèi)車輛協(xié)作,基于文獻(xiàn)[9]提出了應(yīng)用于協(xié)作車聯(lián)網(wǎng)的功率預(yù)分配中繼車輛選擇方法。該方法采用HDAF轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議,在中繼選擇之前先計(jì)算源車輛和潛在中繼車輛的功率分配因子,具有較小的中斷概和較低的復(fù)雜度。
1 基于簇穩(wěn)定的分簇方法
1.1 系統(tǒng)模型
車輛分簇及簇內(nèi)協(xié)作通信示意圖如圖1所示。假設(shè)每輛車都裝有衛(wèi)星定位裝置,能實(shí)時(shí)地確定自己的位置、速度和方向信息。駕駛?cè)硕疾捎脤?dǎo)航地圖,車輛能夠獲知自己的行駛路線與目的地。車輛可通過與周圍車輛交換信息,計(jì)算出與臨近車輛的距離[10]。當(dāng)前路段共N輛車,分別用ui表示,i=1,…N。這N輛車共可以分為M≤N個(gè)簇,用Sk表示,k=1,…,M。簇內(nèi)車輛用uk,j表示,j=1,…,wk,wk為簇中車輛個(gè)數(shù)。
定義車輛信息Vinf,包含車輛此刻的速度v、車輛此刻的位置、當(dāng)前道路預(yù)計(jì)行駛距離S、與附近簇頭的距離d。定義車輛入簇因子ηk,i:
1.2 分簇方法
車輛分簇方法分為兩個(gè)過程,分別為簇生成過程與簇維護(hù)過程。其中,簇維護(hù)過程又包括對(duì)已在簇車輛處理和對(duì)簇外入簇車輛處理。
在初始階段,道路上的車輛均為孤立節(jié)點(diǎn),這些孤立車輛通過導(dǎo)航衛(wèi)星等獲得自身車輛信息,包括位置、速度、方向等信息。將一定范圍內(nèi)的N輛車隨機(jī)分成M個(gè)簇,分別為Sk,k∈1,…,M。簇內(nèi)車輛個(gè)數(shù)為wk,然后進(jìn)行簇頭選取,具體過程為:若簇內(nèi)無公交,則選擇簇頭因子最小的車輛作為簇頭;若簇內(nèi)只有一個(gè)公交,則選擇該公交為簇頭;若簇內(nèi)有多于一輛公交,則選擇簇頭因子最小的公交為簇頭。
當(dāng)車輛簇形成后,計(jì)算各個(gè)簇的簇平均速度,并與簇成員車輛速度vkj相比較,如果簇內(nèi)車輛的速度與簇平均速度相差過大,就將該車輛從簇內(nèi)剔除。對(duì)于簇外車輛,簇頭車輛周期性廣播簇頭信息,周圍未加入任何簇的車輛上報(bào)自身車輛信息Vinf,計(jì)算其入簇因子,若結(jié)果滿足此簇的入簇門限ηth,則允許車輛加入此簇,否則自身成為一簇。
上述基于簇穩(wěn)定的車輛分簇方法用以提高VANET中車輛通信可靠性。該方法優(yōu)先采用公交車作為簇頭,在一定范圍內(nèi),若無公交車,則選擇簇頭因子最小的車輛作為簇頭;很好地考慮了車輛行駛過程中的關(guān)鍵因素d、v和s,使簇的結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定,同時(shí)具有較小的復(fù)雜度。
2 簇內(nèi)協(xié)作數(shù)據(jù)分發(fā)
2.1 協(xié)作過程
在圖1所示系統(tǒng)中存在一個(gè)源車輛Si、一個(gè)目的車輛D,以及n個(gè)中繼車輛Ri(i=1,…,n)。其中,源車輛和中繼車輛的發(fā)射功率分別為Ps、Pi,參與協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)的中繼車輛集合為G={1,2,…,g}。車輛之間的信道是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的,且服從頻率平坦衰落,車輛通信工作在半雙工狀態(tài)。協(xié)作過程分為兩個(gè)步驟:第一個(gè)步驟是源車輛廣播消息,中繼車輛和目的車輛同時(shí)接收該消息;第二個(gè)步驟是中繼車輛轉(zhuǎn)發(fā)信息,目的車輛接收信息。
2.2 中斷概率分析
若潛在的中繼車輛都采用HDAF方案進(jìn)行協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)。假設(shè)有N個(gè)中繼車輛,則源車輛到目的車輛的鏈路容量可以用互信息量[12]表示為:
2.3 功率優(yōu)化
總功率一定,設(shè)法找到最佳的源車輛和中繼車輛的功率分配因子,使得系統(tǒng)總的中斷概率最小,約束模型如下[9]:
在通信環(huán)境確定以后,上式有幾項(xiàng)結(jié)果為常數(shù),對(duì)優(yōu)化結(jié)果無影響,可以忽略。因此,可定義拉格朗日代價(jià)函數(shù)為:
2.4 中繼選擇算法
3 數(shù)值仿真與分析
本節(jié)對(duì)前面所提的車輛分簇方法和簇內(nèi)數(shù)據(jù)分發(fā)時(shí)中繼選擇方法進(jìn)行仿真,以下結(jié)果均為隨機(jī)運(yùn)行1 000次后取平均值的結(jié)果。仿真所考慮的場(chǎng)景如下:道路行駛車輛個(gè)數(shù)為100個(gè),車輛行駛速度0~30 m/s,車輛通信范圍150 m,仿真時(shí)間為50 s。
圖2表示的是隨時(shí)間的增加,簇內(nèi)車輛剩余百分比。從圖中可以看出,本文所提分簇方法比基于地理位置分簇方法車輛剩余比下降得更慢,在15 s以后一直高于后者,且保持在50%左右,具有更穩(wěn)定的簇結(jié)構(gòu)。
圖3比較了采用本文方法在不同中繼車輛個(gè)數(shù)時(shí)的中斷概率情況。由于式(12)是在高信噪比的條件下導(dǎo)出的,故在低信噪比的情況下中斷概率會(huì)大于1。從圖中可知當(dāng)信噪比低于16 dB時(shí),兩個(gè)中繼車輛參與協(xié)作可使系統(tǒng)的中斷概率最?。恍旁氡却笥?6 dB且小于23.2 dB時(shí),3個(gè)中繼車輛參與協(xié)作可使系統(tǒng)中斷概率最小;當(dāng)信噪比大于23.2 dB時(shí),4個(gè)中繼車輛參與協(xié)作可使系統(tǒng)的中斷概率最小。
圖4、圖5分析了車聯(lián)網(wǎng)分簇系統(tǒng)中簇內(nèi)車輛數(shù)據(jù)分發(fā)時(shí),采用HDAF協(xié)議的功率預(yù)分配中繼車輛選擇方法與其他中繼方法的中斷概率情況。這里設(shè)中繼個(gè)數(shù)為3,信息速率R為0.5 bit/s,圖4對(duì)比了采用AF協(xié)議[9]和采用HDAF的功率預(yù)分配中繼選擇的中斷概率性能;圖5分析了SAF中繼選擇方法、AAF中繼選擇方法[14]與該方法的中斷概率的性能對(duì)比。
從圖4可以看到,采用HDAF協(xié)議的功率預(yù)分配方法在信噪比等于13 dB時(shí)與采用AF協(xié)議的功率預(yù)分配方法具有相同的中斷該率,隨著信噪比的增加采用HDAF協(xié)議的方法的中斷概率始終小于后者。從圖5可以看出本文提出的采用HDAF協(xié)議的功率預(yù)分配中繼選擇方法始終比傳統(tǒng)的SAF中繼選擇方法具有更小的中斷概率,而當(dāng)信噪比高于13 dB時(shí)其信噪比也小于AAF方案,符合前文推導(dǎo)的在高信噪比條件下本文所提方案具有最優(yōu)的中斷性能。
4 結(jié)論
本文針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖僮兓瘜?dǎo)致車輛通信不穩(wěn)定的問題,提出了基于簇穩(wěn)定的車輛分簇算法,充分利用了城市公交的優(yōu)勢(shì),又有效增加了簇結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。針對(duì)簇內(nèi)車輛的協(xié)作數(shù)據(jù)分發(fā)情況,提出了采用HDAF協(xié)議的功率預(yù)分配的中繼車輛選擇方法。仿真結(jié)果表明,基于簇穩(wěn)定的車輛分簇方法比基于地理位置的分簇方法具有更穩(wěn)定的簇結(jié)構(gòu);所提中繼選擇方法在高信噪比條件下中斷概率始終小于采用AF協(xié)議的功率預(yù)分配方法,以及SAF、AAF算法。
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作者信息:
馬得森,沈正源,金曉晴,張玉冰,任嬋嬋
(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院,廣西 桂林541004)