車聯(lián)網(wǎng)分簇方法與簇內(nèi)中繼選擇方法

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態(tài)網(wǎng)絡(luò)。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，運動狀態(tài)具有一定的限制[3]。鑒于這些特點，對車輛采取分簇的策略是增加車輛通信時間、提高通信成功率的重要方法[4]。文獻[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，缺點是在沒有公交車的路段難以形成簇結(jié)構(gòu)。文獻[3]提出了一種基于運動一致性的車輛分簇方法，該方法考慮了車輛相對速度和預(yù)計在當(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間。

對道路上的車輛進行分簇，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[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，因為后者在中繼處重新產(chǎn)生了發(fā)送信號的干凈版本，然而在低信噪比環(huán)境下，若中繼處解碼錯誤則會造成錯誤傳播，使目的節(jié)點接收錯誤信息。近年來兼顧AF和DF兩者優(yōu)勢的混合譯碼方法轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議(Hybrid Decode Amplify Forward，HDAF)成為研究熱點。文獻[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[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，又保證了簇結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上，針對簇內(nèi)車輛協(xié)作，基于文獻[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。

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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，能實時地確定自己的位置、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過程，分別為簇生成過程與簇維護過程。其中，簇維護過程又包括對已在簇車輛處理和對簇外入簇車輛處理。

在初始階段，道路上的車輛均為孤立節(jié)點，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輛車隨機分成M個簇，分別為Sk，k∈1，…，M。簇內(nèi)車輛個數(shù)為wk，然后進行簇頭選取，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，計算各個簇的簇平均速度kj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自身車輛信息Vinf，計算其入簇因子，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)相對穩(wěn)定，同時具有較小的復(fù)雜度。

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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)中存在一個源車輛Si、一個目的車輛D，以及n個中繼車輛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)計獨立的，且服從頻率平坦衰落，車輛通信工作在半雙工狀態(tài)。協(xié)作過程分為兩個步驟：第一個步驟是源車輛廣播消息，中繼車輛和目的車輛同時接收該消息；第二個步驟是中繼車輛轉(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方案進行協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)。假設(shè)有N個中繼車輛，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，上式有幾項結(jié)果為常數(shù)，對優(yōu)化結(jié)果無影響，可以忽略。因此，可定義拉格朗日代價函數(shù)為：

2.4 中繼選擇算法

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數(shù)值仿真與分析

本節(jié)對前面所提的車輛分簇方法和簇內(nèi)數(shù)據(jù)分發(fā)時中繼選擇方法進行仿真，以下結(jié)果均為隨機運行1 000次后取平均值的結(jié)果。仿真所考慮的場景如下：道路行駛車輛個數(shù)為100個，車輛行駛速度0~30 m/s，車輛通信范圍150 m，仿真時間為50 s。

圖2表示的是隨時間的增加，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數(shù)時的中斷概率情況。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大于1。從圖中可知當(dāng)信噪比低于16 dB時，兩個中繼車輛參與協(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，3個中繼車輛參與協(xié)作可使系統(tǒng)中斷概率最??；當(dāng)信噪比大于23.2 dB時，4個中繼車輛參與協(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，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)中繼個數(shù)為3，信息速率R為0.5 bit/s，圖4對比了采用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。

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結(jié)論

本文針對車聯(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，又有效增加了簇結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。針對簇內(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。