城市車聯(lián)網(wǎng)中公交VANET 的連通性估算方法①

林盈盈 董紅召 郝偉娜

(*浙江工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院 杭州 310014)

(**浙江開放大學(xué)工程教研部 杭州 310014)

0 引言

在車載自組織網(wǎng)絡(luò)(vehicular ad-hoc network,VANET)中,連通性是保證交通信息實時可靠傳輸?shù)闹匾A(chǔ)。但城市交通中復(fù)雜的交通行駛工況會導(dǎo)致無線鏈路頻繁發(fā)生中斷,嚴重阻礙了城市車聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用。

利用中繼節(jié)點提高車輛間的連通性有車-路、車-車通信2 種方式。前者需增加固定路側(cè)設(shè)備(roadside unit,RSU),如文獻[1,2]基于道路流量、傳輸延時等指標設(shè)計RSU 部署策略來提高連通性,但RSU 的建設(shè)和維護成本高。后者則利用各種車輛作為中繼,如文獻[3]利用城市道路邊停靠的車輛作為中繼節(jié)點,但這類車輛的行為因隨機性而使效果不穩(wěn)定。文獻[4]通過高速公路上的車隊提高連通概率,但城市道路中的交通環(huán)境無法維持車隊的行駛。因此,利用行駛路線固定、行車時間可預(yù)測的公交車作為無線信號中繼的公交VANET 可以改善車聯(lián)網(wǎng)的連通性能。文獻[5,6]將公交車作為普通車、RSU 和數(shù)據(jù)中心間的移動網(wǎng)關(guān)。文獻[7-9]挖掘公交車歷史軌跡的時空規(guī)則設(shè)計數(shù)據(jù)傳遞路由,無法對連通性進行實時估算。此外,上述研究中使用固定通信距離進行雙車間連通的判斷,但實驗表明通信距離不僅與收發(fā)天線高度有關(guān),還受通信路徑上的遮擋車輛影響。阻礙視距傳播(obstructed line-of-sight,OLOS)條件比視距傳播(line-of-sight,LOS)條件會增加無線能量損耗,被高大車輛遮擋還會帶來15～20 dB 的額外衰減[10],普通小汽車(簡稱普通車)的有效傳輸距離甚至降到100 m 左右[11];而公交車較高的天線則能得到50%以上的通信距離提升[12]。將信道衰落特性納入公交VANET 的連通性研究,使用雙斜率模型來模擬受車輛遮擋影響時的路徑損耗[12]更符合實際。文獻[13]采用雙斜率路徑損耗模型對高速公路車流進行通信鏈路連通概率分析,但采用泊松分布或者截斷高斯分布,不符合城市交通中間歇性車流的特點。

為了給出公交VANET 連通性的有效估算方法,本文提出一種適用于公交輔助中繼場景的網(wǎng)絡(luò)連通概率模型,使用區(qū)域車輛密度表征具有間歇性中斷特點的城市車流,考慮公交車與普通車天線高度不同和運行規(guī)律差異,將直接連通關(guān)系分為無公交車參與、公交車參與通信2 種模式下的連通類型,結(jié)合雙斜率路徑損耗模型、鏈路功率損耗閾值判斷等方法對公交VANET 網(wǎng)絡(luò)的連通性建模,然后利用該模型對公交專用道措施和公交車借助異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成移動骨干網(wǎng)策略下公交VANET 的連通性能進行估算。

1 公交VANET 雙車間連通性建模

1.1 區(qū)域車輛密度

城市交通中車輛一般因為道路擁堵或等待信號燈等原因怠速工況比例較高,當?shù)∷佘囕v與前方駛離車輛相距越來越遠時,兩車通信中斷,本質(zhì)上是道路交通流分布不均勻的間歇性特征所致,這是影響VANET 網(wǎng)絡(luò)中車輛間有效連通的重要因素。享有公交專用道優(yōu)先路權(quán)、受擁堵影響較小的公交車參與無線信號中繼能減少此類通信中斷現(xiàn)象的發(fā)生。

采用區(qū)域車流密度刻畫普通車道上行駛車輛的分布規(guī)律以表征間歇性交通流的特點。設(shè)d(i,j)表示任意2 個車輛節(jié)點i、j在一維道路上的直線距離,均為普通車的源與目的節(jié)點(s,r) 間的普通車道上任意一個節(jié)點i滿足d(s,i)+d(i,r)=d(s,r),則所有車輛節(jié)點i組成的區(qū)域節(jié)點集合Ms,r表示為

n=|Ms,r| 為集合Ms,r中節(jié)點個數(shù)(包括s,r),則節(jié)點(s,r) 間的區(qū)域車輛密度表示為

1.2 公交VANET 車間連通概率模型

首先,在此建立公交VANET 的車間連通概率模型,全網(wǎng)絡(luò)連通狀態(tài)通過車輛兩兩之間的連通狀態(tài)概率分析獲得,假定所有普通車和公交車都配置無線通信設(shè)備并參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

定義車輛節(jié)點集合,包括公交車和普通車的所有車輛節(jié)點集合V、所有普通車節(jié)點集合C、所有公交車節(jié)點集合B。在考慮公交專用道的公交VANET中,當任意兩車i、j進行通信時,根據(jù)車輛類型不同分為無公交車參與和公交車參與通信模式,分析這2 種模式的車間連通概率如下。

(1)無公交車參與通信模式的雙車間連通概率

在這種通信模式下,兩車均在普通車道行駛,車間無線通信不受公交專用道行駛的公交車影響。因所有普通車的天線高度相近,雙車間通信路徑上的普通車可視為移動遮擋物,考慮此雙車類型的雙斜率路徑損耗模型[12]表示為

式中pi,j(d(i,j)) 是普通車節(jié)點i、j距離為d時接收到的信號強度;p0-car是自由空間路徑損耗加上參考距離d0處的累積天線增益,與發(fā)射機的發(fā)射功率、天線增益等信號發(fā)送性能有關(guān)。當鏈路中p0-car一定時,pi,j(d(i,j)) 用來衡量路徑損耗的大小;dC2C為普通車與普通車通信的臨界距離,即兩車之間無線信號傳輸?shù)牡谝环颇鶢枀^(qū)與地面交接的距離,與通信節(jié)點的天線高度有關(guān)[14],由式(4)確定。普通車通信時天線高度hi和hj是普通車天線高度hC,λ 為載波波長,dij即為相應(yīng)的通信臨界距離dC2C;參數(shù)n1、n2分別表示臨界距離內(nèi)和臨界距離外的路徑損耗系數(shù)。文獻[12]對實測信號強度進行線性回歸分析得到n2＜n1＜0,說明兩車通信時,臨界距離外的路徑損耗要大于臨界距離內(nèi)的路徑損耗;Xσ表示與傳輸信道環(huán)境有關(guān)的獨立零均值正態(tài)分布的隨機變量。

用區(qū)域車輛密度表示時,兩車i、j在視距傳播LOS 條件下的連通概率為

阻礙視距傳播OLOS 條件下的連通概率為

pth-car是無線鏈路保證普通車連通所要求的接收信號功率閾值,在一定路徑損耗下接收信號功率高于該閾值時普通車輛才能夠連通。

(2)公交車參與通信模式的車間連通概率

此時公式(3)中臨界距離dC2C需修改為dB2C或dB2B,分別表示公交車與普通車通信和公交車與公交車通信的臨界距離,由式(4)、普通車天線高度hC和公交車天線高度hB確定。公交車車身可安裝較高功率的發(fā)射機和接收機,不僅使參考距離d0處的累積天線增益p0-bus大于普通車,也能以更低的接收信號功率閾值pth-bus檢測到功率更小的接收信號,即p0-bus＞p0-car、pth-bus＜pth-car。考慮公交車行駛的專用道位于普通車道的外側(cè),公交車與普通車通信時(距離d)的遮擋關(guān)系取決于距離d內(nèi)的普通車道上是否存在其他普通車;公交專用道上兩輛公交車通信時,遮擋關(guān)系取決于兩車間的公交專用道上是否存在其他公交車。遮擋關(guān)系規(guī)則中仍用nMi,j表示通信兩車間的車輛數(shù),則公交車參與通信時,只要接收信號功率pi,j(d(i,j)) ≥pth-bus,就可根據(jù)式(5)和式(6)求出相應(yīng)的LOS 和OLOS 條件下的兩車間連通概率,其中pth-bus為公交車參與通信時保證鏈路連通的接收信號功率閾值。

根據(jù)上述分析,將任意兩車i、j間(公交車或普通車,LOS 或OLOS 條件)的直接連通條件簡記為pi,j(d(i,j))≥pth,pth根據(jù)通信模式對應(yīng)pth-car或者pth-bus,相應(yīng)的通信連接表示為雙向連接ei,j=[i,j]。則交通場景中所有能直接通信(單跳傳輸)的連接可表示為單跳連接關(guān)系集合:

此外,另一類公交VANET 應(yīng)用場景是道路上所有公交車可通過移動通信網(wǎng)等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進行連接,能提升車聯(lián)網(wǎng)的覆蓋能力,方案如圖1 所示。此時2個節(jié)點間的連接表示為集合Eb。

圖1 公交車互聯(lián)模式示意圖

上述模型的偽代碼如算法1 所示。

2 公交VANET 性能分析模型

2.1 連通概率分析模型

VANET 中2 個車輛節(jié)點若要連通,需要通過單跳或者多跳的方式建立一條端到端的路徑Rs,r。因此構(gòu)造車輛節(jié)點集合和節(jié)點間單跳連接關(guān)系集合構(gòu)成的無向連接圖,并將公交VANET 的連通概率轉(zhuǎn)化為無向連接圖的連通性問題。定義隨機變量X(s,r) 表示源與目的節(jié)點(s,r) 間通信路徑Rs,r是否存在,構(gòu)建表示無公交車參與的常規(guī)VANET 場景CommVANET,其無向連接圖為GC=(C,EC),構(gòu)建公交VANET 場景busVANET,其無向連接圖為G=(V,E),并將公交車通過異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)連接的模式稱為公交車互聯(lián)場景busCnnt,其無向連接圖為Gb=(V,Eb),對三者進行連通性對比分析。

考慮車輛區(qū)域密度Z對連通概率的影響,即分析網(wǎng)絡(luò)連通概率對不同密度ρs,r的條件概率分布,相應(yīng)的條件概率及其近似值為

其中c(·) 為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集中符合條件的數(shù)據(jù)計數(shù)值。因行駛車道不同,公交車節(jié)點不改變普通車道的車輛區(qū)域密度,即busVANET 和busCnnt 場景中公交車加入后車輛區(qū)域密度ρs,r不變。

類似地,利用連通概率在不同距離值ds,r時的條件概率分布分析源與目的節(jié)點車輛間距離D對連通概率的影響,相應(yīng)的條件概率表達式為Pr[X(s,r)=1 |D=ds,r]。

考慮到常見的車聯(lián)網(wǎng)分析中采用固定車間距離Dfix判斷連通的情況(稱為固定方式),連通概率表示為Pi,j(d(i,j))fix=Pr{d(i,j) ≤Dfix},將固定方式與前述3 種基于路徑損耗模型的場景進行連通概率對比分析。

2.2 傳輸延時和連通延續(xù)時間分析模型

利用公交VANET 連通性分析模型,可進一步分析車輛節(jié)點連通時的傳輸延時和節(jié)點連通延續(xù)時間性能。設(shè)任意2 個普通車節(jié)點對(s,r) 進行信息傳輸時經(jīng)歷跳數(shù)為H(s,r),則其概率分布Pr[H(s,r)=h] 可用于分析不同場景下公交VANET 的通信延時性能。當(s,r) 連通時h表示節(jié)點對在連接圖中最短連通路徑距離,當(s,r) 不連通時h→∞。為示意方便將h→∞時的概率記為h=0 時的概率。

對連通延續(xù)時間進行分析,構(gòu)造包含時間分量的隨機變量Y(s,r,t) 表示通信路徑Rs,r在t時刻是否存在,用表示連通延續(xù)時間的隨機變量τs,r=Δt表示Y(s,r,t) 在時間間隔為[t0,t0+Δt) 內(nèi)的隨機事件,則可用概率Pr[τs,r=Δt] 的分布分析連通延續(xù)時間性能。

3 公交VANET 連通性數(shù)值估算實驗

3.1 實驗環(huán)境基本參數(shù)設(shè)置

設(shè)置道路長度D=3000 m,最右側(cè)為公交專用道,普通車道數(shù)分別設(shè)為L=1～3;單車道車流量分別設(shè)為q=100,300,500,700 veh/lane/h;設(shè)置公交車發(fā)車間隔T=40,80,120,160 s;等間隔設(shè)置3處單路交通信號燈,以形成車流間歇性中斷現(xiàn)象。其他參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 交通場景參數(shù)

設(shè)天線高度參數(shù)hC=1.5 m,hB=3.0 m;無線信號頻率f=5.9 GHz,則信號波長λ ≈0.05 m;式(3)中雙斜率路徑損耗模型[12]參數(shù)設(shè)置如表2 所示。

表2 無線電傳播參數(shù)

假定公交車與普通車收發(fā)設(shè)備性能不同能帶來-5 dBm 的功率差異,為方便估算,統(tǒng)一在接收信號強度閾值上體現(xiàn),設(shè)pth-bus=-90 dBm,pth-car=-85 dBm,并且有無公交車2 種情況下式(3)中p0-car均為p0;設(shè)置固定方式下的固定連通距離Dfix=250,800 m。

以上每個交通場景以1 s 為時間步,各運行10 800 s,去除首尾各2000 s 內(nèi)不穩(wěn)定時段數(shù)據(jù),用Matlab 進行10 次獨立實驗。

3.2 公交VANET 的連通概率

圖2 所示為車道數(shù)L對連通概率的影響。L取1～3時,在低區(qū)域密度下,兩種公交VANET 場景的連通概率均高于沒有公交車輔助的CommVANET 場景,且增幅明顯。其中低區(qū)域密度時,由于交通信號燈導(dǎo)致的間歇性車流影響,連通概率出現(xiàn)波動,一定程度上減弱了車道數(shù)量對連通概率增長幅度的影響,但車道數(shù)量較少時,公交車輔助中繼在更大的區(qū)域密度范圍內(nèi)提升了連通概率,如圖2(b)所示,單車道的影響范圍(0～0.04 veh/lane/m)大于雙車道和三車道。固定方式中Dfix=250 m 時,連通概率的變化趨勢與CommVANET 場景基本一致,并且是所有場景中最低的(以L=2 為例),因為這一固定距離與路徑損耗模型下OLOS 條件的連通距離接近,但既忽略了連通概率更高的LOS 條件,也沒有考慮公交車參與通信時對連通概率的提升作用。而Dfix=800 m 則是采用了無障礙信道中的信號傳輸距離,且與路段長度相當,致使其連通性優(yōu)于存在OLOS 條件的其他VANET 場景,但不符合實際信道條件。

圖2 不同車道數(shù)的影響

圖3 所示為公交車發(fā)車間隔T對連通概率的影響(以L=2 為例)。在低區(qū)域密度下,2 種公交VANET 場景連通概率的增長幅度隨T的減小而明顯增大,說明T越小,公交車輔助中繼對連通概率的提升能力越強。圖3(b)中還可看出,隨著T逐步減少,busCnnt 場景相對于busVANET 場景的優(yōu)勢逐步減弱,說明道路上的公交車數(shù)量達到一定程度后,公交VANET 對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的依賴會大幅降低。

圖3 公交車不同發(fā)車間隔的影響

圖4 所示為公交車參與通信時連通概率隨(s,r) 間距離增大的變化趨勢(L=2)。CommVANET中(s,r) 間的連通概率在間隔約300 m 時即開始迅速下降;公交車參與的場景中下降趨勢明顯減緩,在3000 m 處,CommVANET、busVANET 和busCnnt 場景的連通概率分別為20%、46%、70%,說明公交車輔助中繼在遠距離信息傳輸中作用顯著。圖中①、②、③虛線處的連通概率顯著下降,是3 組信號燈引起的間歇性交通流對區(qū)域連通概率的影響,而bus-VANET 和busCnnt 場景中這種影響得到緩解。

圖4 連通概率隨車輛間距離的變化趨勢

由上述分析可知利用公交車作為中繼節(jié)點時,在不增加普通車道車輛密度的情況下提升了連通概率,且在低區(qū)域密度和遠距離范圍內(nèi)影響更大。

3.3 公交VANET 的延時和連通延續(xù)性能

首先是通信的延時性能。圖5 為(s,r) 間信息傳輸跳數(shù)h的分布(歸一化,L=2)。受公交車影響,連通節(jié)點對的傳輸跳數(shù)分布向低跳數(shù)區(qū)域偏移,且不連通的節(jié)點對中有40%和69%實現(xiàn)了連通(h=0 處減少的頻次),總體上降低了通信延時。在車路協(xié)同環(huán)境下,低延時給予車輛或駕駛員更多的安全反應(yīng)時間,從而提升車輛駕駛的主動安全,也有助于縮小交通流的車頭時距,提升交通效率。

圖5 信息傳輸跳數(shù)分布

其次是對連通延續(xù)時間的影響。圖6 為(s,r)間連通延續(xù)時間的統(tǒng)計分布(歸一化,L=2)?？梢姽卉嚰尤牒竽軠p少車輛節(jié)點間的不連通情況,且延續(xù)時間分布向長延續(xù)時間區(qū)域偏移。BusVANET 和BusCnnt 中的Δt=0 s 的頻次分別降低了約32%和67%,在20 s ＜Δt＜260 s 區(qū)域內(nèi)頻次明顯提升,改善了網(wǎng)絡(luò)拓撲的穩(wěn)定性,從而提升了城市交通中多車輛協(xié)同的信息協(xié)作范圍和可靠性。

圖6 連通延續(xù)時間的分布

4 結(jié)論

建立考慮區(qū)域車輛密度、車輛天線高度和公交專用道路的公交VANET 網(wǎng)絡(luò)連通概率分析模型,對典型公交車輔助中繼應(yīng)用場景的通信性能進行分析,得到如下結(jié)論。

(1)使用區(qū)域車輛密度表征道路車輛分布能夠體現(xiàn)城市中車流間歇性中斷現(xiàn)象;考慮車輛實際天線高度和公交專用道措施對信道衰落特性的影響,改進以路段均勻車輛密度和固定連通距離為前提的常規(guī)VANET 分析模型,提出公交VANET 的連通性估算方法。

(2)通過建立的公交VANET 連通性概率模型、傳輸延時和連通延續(xù)時間分析方法對公交VANET性能仿真評估顯示,在區(qū)域車流密度較低和通信雙方距離較遠時,網(wǎng)絡(luò)連通概率明顯高于無公交車場景;在車道數(shù)量較少、公交車發(fā)車間隔較小時提升更顯著,并且網(wǎng)絡(luò)連接延時減少,連通延續(xù)時間提高,公交車作為輔助中繼節(jié)點對VANET 通信性能有明顯提升,從而提高了車路協(xié)同環(huán)境下車輛駕駛的主動安全和城市交通效率。另外對公交車互聯(lián)場景的性能分析可知,公交車密度增加時,VANET 對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的依賴性會隨之降低,減少對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源的占用。性能評估結(jié)果為部署公交車參與城市車聯(lián)網(wǎng)輔助中繼提供了參考依據(jù)。

未來的研究工作將考慮公交車較大的有效通信距離在覆蓋較多節(jié)點時,如何設(shè)計上層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議解決信道擁塞問題。