一種城市場景中有基礎(chǔ)設(shè)施的車聯(lián)網(wǎng)連通性模型推演方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明設(shè)及車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 車聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)和特性決定了車聯(lián)網(wǎng)是一個龐大、復(fù)雜、由不同的分層網(wǎng)絡(luò)組成的 一個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它的組成包含=部分:①車體域，主要由車內(nèi)各種傳感器和終端節(jié)點組 成一個小型車體網(wǎng)絡(luò)，用來獲取車內(nèi)信息和鄰近車輛的實時信息;②物理空間域，主要由物 理環(huán)境中的各種網(wǎng)絡(luò)組成，包括不同類型的路邊基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)、車體網(wǎng)W及移動通信網(wǎng)絡(luò) 等;③信息空間域，主要包括接入網(wǎng)絡(luò)類型、網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量、協(xié)議類型、網(wǎng)絡(luò)帶寬、終端能 力等。車聯(lián)網(wǎng)各個組成部分之間不協(xié)調(diào)運行是影響車聯(lián)網(wǎng)通達(dá)性的根源之一。
[0003] 因此，在新型車聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)體系中，如何從整體角度出發(fā)，提供車聯(lián)網(wǎng)基本屬 性和分析方法，有效分析在高動態(tài)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)性能，解決車聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)技術(shù) 問題，是車聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)研究所面臨的一個難點。
[0004] 目前相關(guān)研究人員的研究主要側(cè)重于車輛自組織網(wǎng)絡(luò)（Vehicular Ad-hoc 肥Twork , VANET)、基于基礎(chǔ)設(shè)施的車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)（Vehicular Infrastructure-based 肥Twork，VI肥T) W及VA肥T與VI肥T混合網(wǎng)絡(luò)方面進(jìn)行了相關(guān)研究。
[0005] ①在車輛自組織網(wǎng)絡(luò)VANET
[0006] 目前，研究者利用仿真和分析法對VANET的連通性隨時空變化如何改變開展了研 究：
[0007] i.仿真方面
[000引 VIRIYASITAVAT W等W基于關(guān)鍵指標(biāo)如鏈路持續(xù)時間，連通網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量和持續(xù)時 間，W及斷開網(wǎng)絡(luò)的愈合時間，對V2V網(wǎng)絡(luò)連通性進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明，城市地區(qū)具有 高度動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)連接模式。AKHTAR N等W將公路場景抽象為一維的道路交通流，在S種不 同的信道模型下對其拓?fù)涮卣鬟M(jìn)行了分析，比較了不同傳播范圍下鄰居距離、節(jié)點度、集群 數(shù)量、鏈路持續(xù)時間和連接質(zhì)量。HUANG Hong-化等W將從上海4000輛出租車上采集的GPS 數(shù)據(jù)映射到數(shù)字地圖上，獲得了運些出租車的行駛軌跡，并研究了在不同通信半徑的假設(shè) 下的虛擬VA肥T，結(jié)果表明，當(dāng)通信半徑在500m時，可W使大部分的出租車連接到同一個網(wǎng) 絡(luò)分區(qū)，并使用累積分布函數(shù)分析了不同通信半徑時鄰居節(jié)點的數(shù)量。NABO化SI D等W利 用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論研究一個現(xiàn)實的大規(guī)模城市VANETW的瞬時拓?fù)涮卣鳎闹性诙喾N通信半 徑下從網(wǎng)絡(luò)、組件和節(jié)點=個不同層面進(jìn)行分析，并主張采用攜帶轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制及在弱連接地 點部署RSU。在蘇黎世25平方km區(qū)域中20萬輛車在早高峰3小時內(nèi)VA肥T通信網(wǎng)絡(luò)指標(biāo) [6]: (a)VA肥TW穩(wěn)定良好擬合度服從幕律；（b)它沒有表現(xiàn)出小世界特性；（C)中介中屯、度和游 說中屯、度對于描述其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性是充分和適當(dāng)?shù)?；（d)VANET網(wǎng)絡(luò)圖包括一個巨大的集 群；（e)車輛到達(dá)和離開巨型集群在不同時間尺度上均表現(xiàn)出突發(fā)性；（f)集群的連接在一 段時間內(nèi)保持穩(wěn)定；（g)密集集群同時包括小度值和大度值的節(jié)點；化)VANET包括重疊的社 區(qū)；（i)緊密社區(qū)的規(guī)模在非常小的尺寸上變化;（j)VA肥T圖不具有魯棒性。
[0009] ii.分析法方面
[0010] 常促宇等W介紹了車輛自組網(wǎng)的發(fā)展歷史、特點和應(yīng)用領(lǐng)域，使用分析和比較的 方法，討論各種無線通信技術(shù)用于車輛自組網(wǎng)的優(yōu)缺點，并針對車輛自組網(wǎng)的應(yīng)用及特性 提出搭建車輛之間通信系統(tǒng)的設(shè)計思想和突破方向。冊I-H等W分析了在一條受信號燈控 審揃城市道路上的VA肥T連通性的動態(tài)變化，并研究了更一般的k連通網(wǎng)絡(luò)化-connected) 問題，通過仿真驗證了即使車輛移動受交通燈控制，文中得到的連通性分析與仿真結(jié)果有 良好的近似。LO化LOUDES N等W分析了基于真實和仿真移動軌跡的VA肥T的瞬時拓?fù)涮卣?和統(tǒng)計特性，并考慮了市場滲透率對網(wǎng)絡(luò)連通性的影響。劉業(yè)等首先分析推導(dǎo)了高速公 路VANET中某特定路段上任意兩車之間的連通概率、連通集直徑長度W及連通集數(shù)目等連 通性模型參數(shù)指標(biāo)與車輛密度及傳輸距離之間關(guān)系的數(shù)學(xué)解析式，并在此基礎(chǔ)上分析 VA肥T的節(jié)點位置是滿足伽馬分布的結(jié)論。熊巧等[1叫尋VA肥T建模為路徑損耗幾何隨機(jī)圖， 推導(dǎo)得出用于高速公路場景中VA肥T 1-連通性必要條件的概率分析算法，并借助經(jīng)過驗證 的車輛運動軌跡數(shù)據(jù)做了大量模擬實驗，得出了確保網(wǎng)絡(luò)中不存在孤立節(jié)點情況下，每個 節(jié)點的通信距離應(yīng)滿足的上下界。
[0011] ②基于基礎(chǔ)設(shè)施的車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)(VWET)
[0012] A抓RABOU A等U2]采用有效帶寬理論和實際容量的概念獲得R洲之間的最大距 離，并研究了車輛密度、傳輸范圍W及車輛速度差異對端到端的分組傳送延遲的影響W解 決RSU部署問題。SALVO P等W3提出了 S種算法來擴(kuò)展VA肥T中的RSU的覆蓋區(qū)域，利用發(fā)送 方節(jié)點位置和幾何原理選擇轉(zhuǎn)發(fā)方向。通過分析結(jié)果獲得最佳RSU和OBU的安裝配置方案。 LIU Y等W嘴VA肥Ts中的文件下載設(shè)計了一個新的RSU部署策略，把車輛和RSU之間的連接 建模為連續(xù)時間齊次馬爾可夫鏈，把道路網(wǎng)絡(luò)建模為一個加權(quán)無向圖，并基于圖的邊的深 度優(yōu)先遍歷算法，設(shè)計了一個針對文件下載的RSU部署算法。陳麗等在沒有部署稠密RSU 的VA肥T中，利用公交車作為移動網(wǎng)關(guān)進(jìn)行I2V數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。首先將公路網(wǎng)模型轉(zhuǎn)換為狀態(tài)-空 間圖，再運用馬爾可夫決策方法求解得出最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)決策，在滿足約束傳輸成功率闊值要求 條件下，選擇傳輸延遲最小的路口節(jié)點作為數(shù)據(jù)包與目的車輛的最優(yōu)匯聚節(jié)點。
[0013] MATOLAK D W等[^在乂2￥信道中采用經(jīng)驗?zāi)Ｐ筒⑹褂糜嬎銠C(jī)仿真演示了高速公路 環(huán)境中V2V終端用戶在不同傳輸速率下使用LTE進(jìn)行寬帶無線接入的可行性。ABID H等 使用LTE網(wǎng)絡(luò)用于V2I通信，提出了一個基于LTE智能手機(jī)的VANET架構(gòu)，適用于高速公路，而 不是城市場景。REMY G等提出LTE4V2X架構(gòu)，利用LTE網(wǎng)絡(luò)中的eNB作為VANET集群管理的 基礎(chǔ)設(shè)施，并采用圍繞eNB的集中式架構(gòu)，W優(yōu)化集群管理，并提供更好的性能。KIHL M 等評估了多個城市和農(nóng)村的場景下不同下行鏈路調(diào)度策略的性能，實驗結(jié)果表明，LTE 車載通信非常適合農(nóng)村的場景。IDE 0等[^通過增加道路網(wǎng)絡(luò)中傳感器數(shù)量來估計車輛行 駛時間，并使用可擴(kuò)展的基于若干實驗指標(biāo)的Nage^Schreckenberg模型、射線跟蹤模擬和 馬爾可夫模型來分析車輛行駛時間的估計準(zhǔn)確度，W及對LTE空中接口的負(fù)面影響之間的 平衡。
[0014] ③VA肥T與VI肥T混合的網(wǎng)絡(luò)
[0015] 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和信道接入技術(shù)對車聯(lián)網(wǎng)有著很大影響。V2V通常使用IE邸802. Ilp 作為物理層和MAC層協(xié)議，而V2I可采用WiFi，WAVE，WiMAX和LTE。由于每種接入技術(shù)都有限 審IJ，混合使用反而對V2I和V2V通信更有幫助。
[0016] YANG Kun，SHAN Lianhai等口I'22]首次將WiMAX技術(shù)應(yīng)用于車輛通信網(wǎng)絡(luò)，為車輛 及其用戶進(jìn)行車載移動寬帶無線接入。范存群等針對垂直切換技術(shù)普遍不能支持 WAVE、WiMAX和3G間的垂直切換運一問題，提出了一種基于貝葉斯決策的垂直切換算法。仿 真實驗結(jié)果表明，該算法不僅有效地實現(xiàn)WAVE、WiMAX和3G無線接入技術(shù)之間的垂直切換， 而且避免了兵鳥效應(yīng)，保證了網(wǎng)絡(luò)及時更新。DOYLE N 0等[^給出了為車輛提供互聯(lián)網(wǎng)接 入的WiMAX和WAVE整合網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計，文中分析了純WAVE和純WiMAX的固有缺陷，并提出了一 種混合解決方案。劉富強(qiáng)等叫是出了 WiMAX與WAVE新型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的車載移動網(wǎng)絡(luò)架 構(gòu)，車與車之間的通信通過基于WAVE來實現(xiàn)，車輛與路邊基站的通信通過WiMAX實現(xiàn)。CHANG B-J等提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)導(dǎo)航方法，采用WiMAX多跳中繼網(wǎng)絡(luò)用 于V2V通信，W提高車輛間通信的可靠性和有效性。CHOU C-M等比研究了V2I使用 WiMAX和Wi-Fi進(jìn)行通信的可行性，結(jié)果表明，WiMAX在短距離(如小于100m)中其延遲明顯比 Wi-Fi更大，帖的持續(xù)時間對WiMAX性能有顯著影響。MO巧LA L 8等[28]在一個簡單的VA肥T 中，評估了 Wi-Fi提供V2V通信而WiMAX用作V2I通信時的性能。流式視頻、流式音頻和視頻會 議可W在其搭建的V2V2I環(huán)境中成功運行。ZHAO 〇1叫巧611等[2^第一次嘗試了在VANET中通 過3G輔助數(shù)據(jù)傳輸，文中提出了一個稱為3GDD的方法，通過求解原優(yōu)化問題中的整數(shù)線性 規(guī)劃問題來分配每個時隙的可用3G流量。YAACOUB E等nw研究了V2I通信中使用可伸縮視 頻編碼的實時視頻流傳輸協(xié)作技術(shù)，考慮使用LTE和WAVE技術(shù)為移動中的車輛提供通信，比 較了不同的視頻傳輸模式，得出LTE基站和使用WAVE路邊基礎(chǔ)設(shè)施單元之間的聯(lián)合協(xié)作效 果最好的結(jié)論。
[0017] 從現(xiàn)有國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可W看出，目前已有的車聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的互連互 通相關(guān)的研究工作缺乏對理論模型深入系統(tǒng)的研究，更多的集中于VANET和一些特定場景 下的無線通信技術(shù)之間的應(yīng)用集成，從而難W指導(dǎo)由于車聯(lián)網(wǎng)信道的高度時變性、突出的 多普勒效應(yīng)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞牟淮_定性等因素帶來的大規(guī)模異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)元之間的有效集成，使 得車聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)互連互通的實時性存在極大的局限，將會帶來效率和性能上的嚴(yán)重不 足，從根本上制約車聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模信息的交換，難W支撐大區(qū)域環(huán)境下的交通擁堵、交通安 全、霧靈治理等實時數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用需求。
[0018] 目前車聯(lián)網(wǎng)的科學(xué)研究和設(shè)計開發(fā)通?；趥鹘y(tǒng)的、適用于小尺度閉環(huán)系統(tǒng)中的 理論和方法，運些理論難W有效解決大規(guī)模開環(huán)跨域系統(tǒng)的連通性問題，不能支持互連互 通網(wǎng)絡(luò)的實時構(gòu)建，也不能維護(hù)大規(guī)模開環(huán)跨域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的