基于“分簇”的V2X車載廣播信息傳輸策略

李婉瑩 邱斌 蔣為 朱丹

摘? 要： 為減少車載信息傳播時延，提出基于“分簇”的V2X車載廣播信息傳輸策略。該策略以傳輸速率最大的車載用戶作為“簇頭”，并采用注水算法為“簇頭”分配功率。對車載信息進行緊急信息和非緊急信息分類傳輸。對于緊急信息，通過“簇頭”實現(xiàn)信息中繼轉(zhuǎn)發(fā)，利用散射體一次、二次散射縮短通信時延;對于非緊急信息，在信道空閑時利用蜂窩通信進行廣播。數(shù)值結(jié)果表明，相比于經(jīng)典的LEACH算法，所提算法通過“分簇”提高信道利用率14.49%以上;相比于5G?V2X通信中虛擬小區(qū)，所提算法使得1 000 m內(nèi)緊急信息通信時延平均減少2.21 ms。

關(guān)鍵詞： 車載通信; V2X; 分簇; 信息傳輸; 分類傳輸; 中繼轉(zhuǎn)發(fā); 通信時延

中圖分類號： TN949.6?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）11?0010?05

V2X broadcast information transmission strategy based on cluster

LI Wanying1， QIU Bin1， 2， JIANG Wei1， ZHU Dan1

（1. School of Information and Communication， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004 China;

2. College of Information Science and Engineering， Guilin University of Technology， Guilin 541004， China）

Abstract： In order to reduce the vehicular information transmission delay， the V2X （Vehicle?to?X） broadcast information transmission strategy based on cluster is proposed. In the strategy， the vehicles which have the maximum transmission speeds are taken as the cluster heads and the water injection algorithm is utilized to allocate the power to the cluster heads first， and then， the information is divided into emergency information and non?emergency information， and the cluster heads forward emergency information data via the primary and secondary scattering of scatters to reduce the communication delay. Moreover， cellular network is used for broadcast transmission of the non?emergency information when the channel is idle. The numerical simulation results show that， in comparison with the classical LEACH algorithm， the channel utilization of the proposed algorithm based on cluster can be increased by about 14.49%， and in comparison with the virtual cell in 5G?V2X， the time delay of the emergency information transmission in 1 000 m can be reduced by 2.21 ms.

Keywords： vehicular communication; vehicle?to?X; cluster; information transmission; classified transmission; relay retransmission; communication delay

0? 引? 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，車輛數(shù)目與日俱增，交通事故發(fā)生率也越來越高。因此，設(shè)計合理的車載廣播信息傳輸策略，加快車載信息轉(zhuǎn)發(fā)具有重要意義。廣播技術(shù)是一種常見的公共數(shù)據(jù)傳播技術(shù)[1]，生活中有很多信息通過廣播技術(shù)進行傳輸。例如，車載網(wǎng)中的信息通信，車載信息的傳輸大都采用廣播的方法[2]。該方法通過單跳傳輸信息對發(fā)送信息車輛周圍的車輛進行廣播，有效提高數(shù)據(jù)傳輸效率[3]。目前，有許多研究者對此展開研究，文獻[4]采用分布自適應(yīng)距離和信道質(zhì)量的方法建立有效路由進行廣播。文獻[5]通過IEEE 802.11p協(xié)議實時收集交通信息，并在城市環(huán)境中研究車載信息的傳輸性能，但該研究中存在著資源浪費的問題。

近年來，已有許多文獻針對車載廣播信息傳輸?shù)馁Y源浪費問題提出研究。文獻[6?7]研究了在特定場景下，不同信息傳輸機制如何解決廣播風暴和資源浪費的問題。文獻[8]通過調(diào)整第一跳傳輸對象的數(shù)目達到減少整體傳輸時延的目的。文獻[9]研究了V2X（Vehicle?to?X）通信的無線資源管理問題，通過對車輛“分簇”實現(xiàn)信道資源共享。文獻[10?11]提出通過D2D技術(shù)實現(xiàn)V2X通信，運用著色圖原理對車輛“分簇”，有效提高了頻率利用率。文獻[12]通過跳頻使得廣播信息在多個信道上進行廣播。然而，如果沒有有效的控制，這些廣播的聚合將導致頻道擁擠，影響接收性能和安全效益[13]。文獻[14]通過調(diào)整信息產(chǎn)生Beacons的頻率以及車輛的通信半徑，實現(xiàn)對車載信息的擁塞控制。文獻[15]驗證了利用V2X通信發(fā)送數(shù)據(jù)包比傳統(tǒng)的廣播具有更好的傳輸性能和更短的時延。然而，以上研究很少討論廣播信息的分類問題，無法滿足緊急信息對時延性能的需求。

基于以上研究，本文提出一種基于“分簇”的V2X車載廣播信息傳輸策略，其中V2X是指V2I（Vehicle?to?Infrastructure）和V2V（Vehicle to Vehicle）。針對信道資源浪費問題，采用“分簇”的方法提高信道利用率。針對縮短通信時延問題，不同類型車載信息采用不同的傳輸策略。該策略在有限的信道資源條件下，以最短時延傳輸緊急車載廣播信息，可有效減少交通事故的發(fā)生，為人民的生命財產(chǎn)安全提供保障。

1? 系統(tǒng)和信道模型

選取某一段城市單向車道對單基站與車輛通信進行分析，由于信道資源有限，傳統(tǒng)的單播通信會造成信道擁塞。為提高信道利用率，對車輛進行“分簇”并通過廣播技術(shù)傳輸車載信息。如圖1所示為V2X通信場景圖，“簇頭”車輛與基站通信采用V2I方式，“簇頭”車輛與“簇內(nèi)”其他車輛通信采用V2V方式。

1.1 功率分配

V2X通信場景圖中，紅色標記的車輛為“簇頭”，以“簇頭”為圓心，以“簇頭”的有效通信半徑[R]為半徑，將基站覆蓋范圍內(nèi)的[N]輛汽車分為[J]個“簇”，在已知所有車輛與基站間鏈路信息的條件下，遍歷所有用戶。將車道平均分為[A]段，[Ai]表示第[i]段內(nèi)車輛的數(shù)目。在每個區(qū)間段內(nèi)優(yōu)先選擇信息傳輸速率大的車節(jié)點作為“簇頭”對信息進行傳輸，段[Ai]內(nèi)每個用戶的信息傳輸速率為：

[Vj=Blog21+PTj?L-ασ2j，? ? j=1，2，…，Ai] （1）

式中：[B]表示信道帶寬;[PTj]表示基站到車輛[j]的發(fā)送功率;[L]表示車輛到基站的距離;[α]表示路徑損耗指數(shù);[σj]表示基站到車輛[j]的信道噪聲。

選擇基站到車輛下行信道傳輸速率最大的車輛作為“簇頭”車輛，即“簇頭”[b]的接收速率為[vb=arg maxVj]?；镜杰囕v通信受大尺度衰落影響，利用注水原理對不同的“簇頭”進行功率分配：

[PTb=（vb-σ2b）+，? b=1，2，…，J] （2）

式中：[PTb]表示基站到“簇頭”[b]相應(yīng)的傳輸信道所分配的功率;[vb]表示“簇頭”[b]的傳輸速率對應(yīng)的“水面高度”;[σ2b]是“簇頭”[b]相應(yīng)的傳輸信道中噪聲干擾的功率;符號[x+=max{0，x}]。

1.2 信道利用率

信息傳輸?shù)倪^程中存在著能量損耗，當信息的發(fā)送者與接收者之間的距離小于閾值[d0]時，通過自由空間模型計算信息傳輸過程中的能量損耗，反之，則由多徑損耗模型進行計算。能量損耗[L（ω，l）]的表達式為[16]：

[L（ω，l）?ω（εelec+εfsl2），? ? l≤d0ω（εelec+εmpl4），? ? l>d0] （3）

式中：[d0?εfsεmp];[ω]表示傳輸[ω] bit信息;[l]表示信息傳輸?shù)木嚯x;[εelec]，[εfs]，[εmp]分別表示傳輸或接收信號的能量消耗系數(shù)、自由空間傳播損耗系數(shù)、多徑衰落系數(shù)。

車載信息在傳輸過程中存在信號質(zhì)量衰減，為確保接收信息正確，車輛與基站通信要求信噪比高于蜂窩通信信噪比閾值[β1]，“簇”內(nèi)車輛通信同樣需要高于V2V信噪比閾值[β2]。

從時間角度計算信道利用率，表示為傳輸時延與信息成功傳輸總時延的比率[γ]：

[maxσj，Aiγ=TtTw+Tts.t.? ? logPTbL（ω，l）Hbσ2b≥β1? ? ? ? ?logPtjL（ω，l）Hbjσ2bj≥β2? ? ? ? ?b=1，2，…，A; j=1，2，…，Ai] （4）

式中：[Hb]表示基站到“簇頭”[b]的信道增益;[Hbj]表示“簇頭”[b]到“簇內(nèi)”車輛[j]的信道增益;[Ptj]表示“簇頭”[b]到“簇內(nèi)”車輛[j]的發(fā)送功率。

2? 廣播通信時延分析

信息成功傳輸需要經(jīng)歷等待和傳輸兩個階段，即時延[Td]分為兩部分，一部分為等待時延[Tw]，一部分為傳輸時延[Tt]，則時延[Td]的表達式為：

[Td=Tw+Tt] （5）

2.1? 排隊等待時延

將車載廣播信息分類，突發(fā)事件類信息定義為緊急信息，其他均為非緊急信息，緊急信息的傳輸按照先到先服務(wù)執(zhí)行。當緊急信息和非緊急信息的到達率為[λe]和[λn]，在時間[τ]內(nèi)，車輛發(fā)出[k]條緊急信息，[p]條非緊急信息。其分布律滿足：

[P[N（t+τ）-N（t）=k]=e-λeτλeτkk！P[M（t+τ）-M（t）=p]=e-λnτλnτpp！]? ?（6）

式中：[N（t）]表示[t]時刻發(fā)出緊急信息的數(shù)量;[M（t）]表示[t]時刻發(fā)出非緊急信息的數(shù)量。

一個調(diào)度周期[TTI]（100 ms）內(nèi)緊急信息、非緊急信息的個數(shù)均值為[E（k）]，[E（p）]，一個調(diào)度周期內(nèi)的信息總量滿足：

[C1E（k）+C2E（p）≤C10] （7）

式中：[C1]，[C2]分別表示每條緊急信息、非緊急信息的信息量;[C]表示信道容量。

信息經(jīng)由“簇頭”車輛轉(zhuǎn)發(fā)，其信道忙時概率[ρ]與“簇內(nèi)”車輛數(shù)目[Ai]有關(guān)：

[ρ=（C1E（k）+C2E（p））?10C?Ai] （8）

一個周期內(nèi)的平均等待時延[Tw]為：

[Tw=ρ1-ρ?1μ] （9）

式中[μ]表示平均服務(wù)率。

緊急信息、非緊急信息的平均等待時間為：

[Twe=C1E（k）TwC1E（k）+C2E（p）Twn=C2E（p）TwC1E（k）+C2E（p）] （10）

2.2? 緊急信息傳輸策略

為縮短緊急信息傳輸時延，對LEACH“分簇”算法進行改進[16]，利用散射體進行協(xié)作通信，提出LEACH?ST（LEACH?Scattering Transmission）算法。該算法通過判斷車輛間距離與有效通信半徑之間的關(guān)系，選擇合適的信息傳輸策略。

2.2.1? 一次散射傳輸策略

發(fā)生交通事故時，事故車輛直接利用V2V將緊急信息廣播至周圍車輛，其傳播時延為：

[Tt1=sv+ωCvCv=1Aij1，j2∈AiBvj1j2log21+Pj1j2L（ω，l）Hj1j2σ2j1j2] （11）

式中：[s]表示緊急信息從發(fā)出到接收所經(jīng)過的路程;[v]表示電磁波在信道上的傳播速率;[Cv]表示車輛間平均傳輸速率;[Bvj1j2]表示車輛間傳輸鏈路的帶寬;[Pj1j2]表示車輛[j1]到車輛[j2]的發(fā)射功率;[Hj1j2]表示車輛[j1]到車輛[j2]對應(yīng)的信道增益。

當車輛與“簇頭”的距離超出“簇頭”的有效通信半徑但不超過2倍有效通信半徑時，提出一次散射傳輸策略。如圖2所示，該策略以“簇頭”車輛的通信半徑[R]為“簇”的半徑，以發(fā)送信息的“簇頭”[OT]為圓心，在兩個“簇頭”通信范圍的相交部分選擇通信狀態(tài)最好的車輛作為轉(zhuǎn)發(fā)信息的散射體，當“簇頭”[OR]收到緊急信息后，通過V2V將信息廣播至其他車輛。

為減少信息傳播的時延，討論相鄰“簇”間信息傳輸過程，一次散射傳輸策略的傳輸總路徑為：

[Sonce=S1cos αT+S2cos αRs.t.? ? s∈R，2R? ? ? ? ?αT，αR∈-π4，π4] （12）

一次散射的傳輸時延為：

[tonce=Soncev+ωCv=S1?tan αT+S2?tan αRCv+vωvCv] （13）

2.2.2? 二次散射傳輸策略

當車輛與“簇頭”的距離大于2倍的有效通信半徑，且不超過3倍的有效通信半徑時，一次散射傳輸策略無法滿足緊急信息的傳輸需求，進一步提出二次散射傳輸策略。該策略在兩個“簇頭”各自通信范圍內(nèi)選擇合適的車輛作為轉(zhuǎn)發(fā)信息的散射體，通過兩個散射體通信實現(xiàn)緊急信息的轉(zhuǎn)發(fā)。兩個散射體連線與車輛行駛方向的夾角為[δ]，則二次散射傳輸策略的傳輸總路徑為：

[Stwice=R2cos δ+2-cos αT-cos βRcos δs.t.? ? s∈（2R，3R）? ? ? ? ?δ，αT，αR∈-π2，π2]? （14）

二次散射的傳播時延為：

[ttwice=Stwicev+ωCv=2cos δ+2-cos αT-cos βRRCv+vωcos δvCvcos δ] （15）

2.3? 非緊急信息的傳輸策略

非緊急信息在信道空閑時利用蜂窩通信進行信息傳輸。發(fā)送信息的“簇頭”通過V2V將非緊急信息發(fā)送到其有效通信半徑內(nèi)的其他車輛，同時，該“簇頭”通過V2I將非緊急信息發(fā)送至基站，然后基站對其他“簇頭”進行廣播，最后各個“簇頭”將信息發(fā)送給其通信范圍內(nèi)的其他車輛。

信息從發(fā)送到被“簇頭”接收經(jīng)歷的時間為[Tt1]，“簇頭”與“簇”內(nèi)車輛V2V通信時間為[Tt2]，則有：

[Tt1=d2⊥+l21+d2⊥+l22v+ωvbTt2=sv+ωCv]? ? ?（16）

式中：[d⊥]表示基站到道路的最短距離;[l1]表示發(fā)送信息的“簇頭”車輛到基站關(guān)于道路的投影長度;[l2]表示接收信息的“簇頭”車輛到基站關(guān)于道路的投影長度;[s]表示“簇頭”車輛與將要傳送信息的車輛之間的距離。

則非緊急信息傳輸?shù)目倳r延[Ttf]為：

[Ttf=Tt1+Tt2=d2⊥+l21+d2⊥+l22+sv+ωvb+ωCv] （17）

3? 數(shù)值結(jié)果分析

為驗證所提LEACH?ST算法的性能，仿真分析了不同信息到達率、“簇”內(nèi)車輛數(shù)目對信道利用率及時延的影響。如表1所示，參考IEEE 802.11p協(xié)議[7]設(shè)置仿真參數(shù)。

如圖3所示，當“簇”內(nèi)車輛數(shù)目一定時，信道利用率隨著信息到達率的增大而增大;信息到達率一定時，“簇”內(nèi)車輛數(shù)目越多，信道利用率越高。證明了LEACH?ST算法能夠通過“分簇”提高信道利用率，“分簇”后的信道利用率比“分簇”前提高了至少14.49%。

如圖4所示，車輛的平均等待時延隨著信息到達率的增加而增加，隨著“簇”內(nèi)車輛數(shù)目的增加而減少，說明信息到達率越高，信息傳輸過程中的平均等待時延數(shù)值越大，也說明LEACH?ST算法中信息的傳輸時延會受“簇”內(nèi)車輛數(shù)目的影響。

如圖5所示，將LEACH?ST算法與文獻[16?18]中提出的P?SEP、LEACH、虛擬小區(qū)（VC）三種不同“分簇”的算法進行對比。LEACH?ST算法傳輸數(shù)據(jù)量大于P?SEP、LEACH算法的傳輸數(shù)據(jù)量。這是由于在“簇頭”車輛更新過程中，散射體轉(zhuǎn)發(fā)信息擴大了“簇頭”車輛傳輸信息的可通信范圍，減少了基站到車輛的信息傳輸次數(shù)，而每輪重新選擇傳輸速率大的車輛作為“簇頭”，能夠減少信息從基站到“簇頭”的傳輸時延。但是與5G中的虛擬小區(qū)相比，每輪傳輸數(shù)據(jù)量大致相當。

如圖6所示，將LEACH?ST算法與5G中的虛擬小區(qū)在信息傳播時延方面進行對比，LEACH?ST算法使得1 000 m內(nèi)緊急信息通信時延比虛擬小區(qū)中通信時延平均減少2.21 ms。

4? 結(jié)? 語

本文分析了廣播通信時延的影響因素，提出基于“分簇”的V2X車載廣播信息傳輸策略，旨在減少車載廣播信息的通信時延。該策略對車載廣播信息進行分類，為了進一步縮短緊急信息的通信時延，提出LEACH?ST算法。該算法選擇基站到車輛傳輸速率最大的車輛作為“簇頭”車輛，然后對信息分類傳輸，利用散射轉(zhuǎn)發(fā)減少時延。仿真結(jié)果表明，改進后的LEACH?ST算法縮短了緊急信息通信時延，并有效提高了信道利用率。

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