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CN110505601A - 一种车联网中基于车辆行驶态势场模型的信息发送频率优化方法 - Google Patents

一种车联网中基于车辆行驶态势场模型的信息发送频率优化方法 Download PDF

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CN110505601A
CN110505601A CN201910691998.7A CN201910691998A CN110505601A CN 110505601 A CN110505601 A CN 110505601A CN 201910691998 A CN201910691998 A CN 201910691998A CN 110505601 A CN110505601 A CN 110505601A
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max
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赵传国
孙希明
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Dalian University of Technology
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Abstract

一种车联网中基于车辆行驶态势场模型的信息发送频率优化方法，属于网络通信技术领域。该方法根据道路车辆实时的运行状态建立行驶态势场模型来描述车辆的风险程度，利用该风险程度可以动态调整安全信息的发送频率，通过实时的安全信息发送频率调整非安全信息的发送频率，以达到提高链路利用率的目的。该方法建立了运动车辆的行驶态势场模型，利用车辆在行驶态势场中具有的风险强度来描述当前车辆的行车风险，同时考虑到了不同的应用场景，具有一般性。并且改进的网络资源优化方法可以有效的提高异构网络的通信效率，通过风险强度的大小来动态调整安全信息发送频率，进而提高链路的利用率。

Description

一种车联网中基于车辆行驶态势场模型的信息发送频率优化 方法
技术领域
本发明属于网络通信技术领域，涉及了一种适用于车联网中基于车辆行驶态势场模型的车辆间信息发送频率优化方法。
背景技术
中国的汽车保有量越来越大，人们不再满足于单一的驾驶过程，车联网应用也向着多元化发展。随着车辆与外界信息交换技术(V2X，Vehicle to Everything)概念的不断完善，车与车、车与基站、车与互联网之间的信息交互也不仅局限于车辆状态类信息，还有车载娱乐类和等，这使得信息量更加巨大，如附图1所示。另一方面，现有的无线通信终端种类繁多，多个网络的接入端口也各不相同，车联网中常见的无线通信技术有DSRC、Wi-Fi、LTE、WiMAX甚至5G等，这些通信技术存在各自的优点和缺点。车联网的环境越来越复杂，对网络通信的实时性和鲁棒性的要求也越来越高，因此，单一的无线接入技术已不能满足车联网应用的需求。在车辆的终端设备上集成多种网络接口，融合异构网络可以提高车联网的传输性能，增加车联网通信网络的吞吐量，从而保证驾驶安全的前提下提高驾驶员的体验质量。
WAVE协议是目前国际上认可程度最高的车联网专有通信协议标准，国内很多车载通信设备的研究和开发也基于WAVE标准。与传统的TCP/IP协议相比，WAVE协议在网络层增加了IEEE 1609.3WSMP协议，该协议专门用于处理车辆行驶安全相关的信息WSM，此类信息的特点是数据报文长度短，传输需求高。为保证WSM的传输质量，车联网一般采用专有通信链路进行传送，但也在一定程度上造成了通信资源的浪费。
相关研究中，HAZIZA N等人提出了一种专门用在车联网车载终端的网络接口板，集成了LTE、IEEE 802.11p和DAB\DMB三种不同类型的无线通信接口，可以通过硬件手段动态选择链路进行数据传输。XU CQ等人提出了一种QUVoD架构，在IP层中提出了一个QXIP模块，融合4G和VANET两种不同类型的网络，可以根据不同链路的通信质量参数来选择合适的链路进行数据传输。ZHENG K等人基于网络功能虚拟化技术NFV提出了异构车联网(HetVNETs)的概念，在MAC层之上增加一个异构链路层(HLL)，实现车联网的网络融合。上述工作仅针对网络状态进行信息发送频率的调整，例如rtt、拥塞等，但没有考虑到车辆的行驶场景等状态信息，比如车辆行驶风险程度等，不同的场景对安全信息传递的需求也不同。WANG JQ等人在专利CN104239741A中提出了行车风险场的思想，综合考虑了车辆行驶的人、车、路等要素，构建了行车风险场模型，并通过风险场场强计算车辆在风险场中受到的作用力来对行车过程进行安全辅助。该研究主要用于为行车安全提供辅助决策，没有涉及通信资源优化的问题。
发明内容
本发明的目的是通过车辆的行驶态势场模型来计算车辆当前的风险强度，通过风险强度的大小来确定安全信息和非安全信息的发送频率，已达到提高链路利用率的功能，如图5所示。该方法主要是利用多普勒效应和场的物理模型对运动的车辆进行建模，并利用该模型得到的车辆的运行风险程度来控制安全信息的发送频率，进而得到非安全消息发送频率的最大值，当非安全信息发送频率大于最大值时，丢弃当前的非安全消息以保证安全信息的正常发送。
本发明的技术方案是：
首先，利用多普勒效应理论和对车辆行驶速度以及车辆类型建立运动状态下的行驶态势场模型，其次，基于该模型计算车辆的风险程度，最后，基于车辆的风险程度计算安全信息的发送频率和非安全信息的最大发送频率，当非安全信息的发送频率大于最大发送频率时，丢弃当前的非安全信息。
步骤1.数据获取，每秒10Hz的频率在网络中获取邻居车辆信息。包括车辆速度，车辆距离、车辆类型等。
步骤2.数据分析，利用行驶态势场模型计算当前车辆的风险程度和最大风险程度，根据当前风险程度和最大风险程度的比值判断当前车辆行驶状态。
步骤3.根据步骤2中判断的风险程度，自动调整安全数据的发送频率。
步骤4.根据步骤3中的频率，计算非安全数据报文的最大发送频率。
步骤5.选择链路，获取数据包类型，并根据延迟响应时间RTT和链路负载L(T)来进行链路选择，若选择802.11p链路则进行步骤6，若选择其他链路，则直接发送。
步骤6.计算当前的非安全数据报文发送频率，并与非安全数据报文最大发送频率进行比较，如果当前的发送频率超过最大发送频率，丢弃该报文。
该方法根据道路车辆实时的运行状态建立行驶态势场模型来描述车辆的风险程度，利用该风险程度可以动态调整安全信息的发送频率，通过实时的安全信息发送频率调整非安全信息的发送频率；该方法具体包括以下步骤：
(1)通过车联网获取实时道路信息，包括车辆速度V，车辆距离r，道路宽度d，车辆类型m；
(2)以目标车i为参考系，建立车辆行驶态势场模型：根据多普勒效应和行驶态势场模型来描述车辆的风险程度，如公式(1)所示；
其中K，G为常数；K的取值为道路允许的最大速度，K＝150km/h，G＝1，Mi为目标车辆i的相对质量，与车辆类型和车辆速度有关；V0为观测车0速度，Vi为目标车i速度，θ为目标车i和观测车0连线方向和目标车i运动方向的夹角，其计算公式如(2)所示；
m为车辆的种类；归一化后得到公式(3)；
F0为观测车0在行驶态势场E内的风险程度；
定义FMAX为观测车的最大风险程度：
其中s为车辆行驶的最小安全车距，与车辆的当前速度有关；
(3)计算安全信息发送频率：根据计算获得的车辆风险程度，计算得出WSM的实时发送频率：
其中F0为观测车0的风险强度，FMAX为最大风险强度；当F0≤FMAX时，车辆处于稳态，WSM发送频率随二者比值而自动调整，当F0＞FMAX时，车辆处于风险态，此时WSM发送频率为最大；
(4)计算非安全信息的最大发送频率
在一个WSM周期内IEEE 802.11p链路所能发送的非WSM数量c的计算公式为
其中：T为当前链路的最大吞吐量，f为WSM发送频率；以MAC层发送缓冲区的剩余空间是否比c大为判断条件，可得IEEE 802.11p链路的非安全消息最大分发频率fu max为：
其中，LMAX为链路的最大负载值，L(t)为链路当前的负载值；
当IEEE 802.11p链路的非WSM分发频率达到fu max时，WSM和非WSM达到帕累托最优，双方获得最大的传输效益；
(5)选择链路：链路的集合为N{0,1,2...i}，其中0表示链路802.11p，1～i表示其他链路；获取数据报文类型，若为安全信息WSM，直接放入802.11p链路发送，若为非安全信息，则进行发送链路的选择；根据延迟响应时间RTT和链路负载L(T)来进行链路选择，判断是在802.11p链路发送还是在非802.11p链路发送，如公式(7)所示；
其中WLS-0表示链路802.11p的选择权重，WLS-i表示第i个链路的选择权重，RTTmax为该链路最大容忍的延迟响应时间，Lmax为该链路的最大负载；Lsafe表示预估的安全信息通信量，i∈N，其表达式为(8)；
Lsafe(t)＝fWSM·P·R (8)
其中fWSM为步骤3得到的安全信息的发送频率；P为当前网络中安全应用的数量，R为当前网络汇总车辆间的平均通信距离，这些参数可以通过车辆和网络间通信得到；
当存在链路i使得WLS-i≤WLS-0时，非安全信息报文选择链路i进行发送，若对任意链路i，都有WLS-i＞WLS-0，则非安全信息报文选择802.11p链路进行发送；
当确定在802.11p链路进行发送该非安全信息报文时，将进入进行步骤6；如果是在非802.11p链路进行发送，则依据该链路底层的发送机制进行发送；
(6)计算非安全数据报文分发频率：
若数据报文p被分配到IEEE 802.11p链路，此时需要利用公式(6)计算IEEE802.11p链路的非WSM最大分发频率fu max，再利用最新到达IEEE 802.11p链路的两个非安全消息，计算此时非安全信息在IEEE 802.11p链路的瞬时分发频率fu；
其中t1,t2为两个相邻的非安全信息报文到达该链路的时间，当fu≤fu max时，非安全消息可以在802.11p链路中发送，当fu＞fu max时，丢弃非安全消息报文以保证安全消息的正常发送。
本发明的效果和益处是：其一，本发明建立了车辆行驶态势场模型，利用车辆在行驶态势场中具有的风险强度来描述当前车辆的行车风险，同时考虑到了不同的应用场景，具有一般性。其二，改进的网络资源优化方法可以有效的提高异构网络的通信效率，通过风险强度的大小来动态调整安全信息发送频率，进而提高链路的利用率。
附图说明
图1是车联网中车辆与外界信息交换(V2X)示意图。
其中：1是基站(路侧单元)，2是交通设施，3是车辆。
图2是运动车辆i的风险程度分布示意图。
图3是车辆行驶的交通场景示意图。
图4是LLC层的MAC子层的示意图。
图5是基于车辆行驶态势场模型的信息发送频率优化方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图来描述本发明的具体实施方式。
步骤1.数据获取
以每秒10Hz的频率在网络中获取道路和邻居车辆信息，包括车辆速度V，车辆距离r，道路宽度d，车辆类型m等。
步骤2.建立车辆行驶态势场模型
以目标车i为参考系，建立车辆行驶态势场模型。计算周围车辆的相对速度，车辆与车辆之间、车辆与物体之间有相互影响，其作用可以等效地看作一种“物理场”，类似于电荷场，车辆和物体可以等效地看作带电电荷，每个电荷都会受到其他电荷的影响。
用电荷场来描述车辆的行驶态势场，道路上的物体一般有车辆、障碍物、行人等，行驶态势场的大小由物体类型和速度共同决定，当物体运动时，其形成的行驶态势场分布与静止时不同，从实际经验来看，运动物体前方的风险程度要大于后方的风险程度，如图2所示。这与多普勒效应类似。多普勒效应指的是物体辐射的波长因为波源和运动者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波长变短，频率变高；在运动的波源后面，波长变长，频率变低。
车辆行驶态势场模型与车辆本身的类型、车辆的速度、车辆距离有关，这些信息可以通过车辆与路测单元或其他车辆通信实时获得。
根据多普勒效应和行驶态势场模型来描述车辆的风险程度，如公式(1)所示。
其中K，G为常数。K的取值为道路允许的最大速度，一般为K＝150km/h，G＝1，Mi为目标车辆i的相对质量，与车辆类型和车辆速度有关。V0为观测车0速度，Vi为目标车i速度，θ为目标车i和观测车0连线方向和目标车i运动方向的夹角，其计算公式如(2)所示。
m为车辆的种类，根据实际情况将道路运动物体类型分为6种：1：障碍物，2：行人，3：非机动车，4：小型机动车，5：中型机动车，6：大型机动车。归一化后得到公式(3)。
F0为观测车0在行驶态势场E内的风险程度。
定义FMAX为观测车的最大风险程度：
其中s为车辆行驶的最小安全车距，与车辆的当前速度有关，其获取方式如下表1所示。
表1.安全车距与行驶速度的关系
行驶性质 条件 安全车距
高速行车 V＞100km/h s≥100m
快速行车 70km/h＜V≤100km/h s≥V
中速行车 40km/h＜V≤70km/h s≥60m
低速行车 20km/h＜V≤40km/h s≥30m
龟速行车 V≤20km/h s≥10m
2.信息分发机制
在车联网环境中，按数据的紧急程度划分，主要存在两种类型的数据报文：安全信息(WSM)与非安全信息，如图3所示。为保证WSM的传输效率，满足安全应用的传输需求，在LLC层向MAC层传递数据报文的过程中，应对非安全报文的传递频率进行限制，而在多MAC多链路的车联网中，即为LLC层向IEEE 802.11p链路的非安全报文的最大分发频率。
步骤3.计算安全信息发送频率
当前车辆网通信协议标准所规定的状态消息广播频率为1Hz-10Hz，频率越高，车辆的安全消息交换会越频繁，车辆移动环境就越安全，但也会占用更多的信道资源，当实际交通情况并没有特别复杂时，可以把空闲的安全信息信道资源转让给非安全信息进行发送，提高信道的利用率。具体方案为：
根据上文计算获得的车辆风险程度，计算得出WSM的实时发送频率：
其中F0为观测车0的风险强度，FMAX为最大风险强度。当F0≤FMAX时，车辆处于稳态，WSM发送频率随二者比值而自动调整，当F0＞FMAX时，车辆处于风险态，此时WSM发送频率为最大。
步骤4.计算非安全信息的最大发送频率
在数据向下分发的过程中，WSM与非WSM是相互竞争的关系，而在车联网环境中，应优先保证WSM的效益，因此在WSM效益不受损的前提下，将非WSM的效益最大化，所得到的结果为帕累托最优，而当前所采取的非WSM的最大分发频率为帕累托最优解。
在一个WSM周期内IEEE 802.11p链路所能发送的非WSM数量c的计算公式为
其中：T为当前链路的最大吞吐量，f为WSM发送频率。
在理想状态下，在发送完c大小的非安全消息后，下一个安全消息可以不需等待直接发送，不会影响安全消息的发送需求。因此，在实际情况下，以MAC层发送缓冲区的剩余空间是否比c大为判断条件，可得IEEE 802.11p链路的非安全消息最大分发频率fu max为：
其中，LMAX为链路的最大负载值，L(t)为链路当前的负载值。
当IEEE 802.11p链路的非WSM分发频率达到fu max时，WSM和非WSM达到帕累托最优，双方获得最大的传输效益。
步骤5.选择链路
链路的集合为N{0,1,2...i}，其中0表示链路802.11p，1～i表示其他链路。获取数据报文类型，若为安全信息(WSM)，直接放入802.11p链路发送，若为非安全信息，则进行发送链路的选择。根据延迟响应时间RTT和链路负载L(T)来进行链路选择，判断是在802.11p链路发送还是在非802.11p链路发送，如公式(7)所示。
其中WLS-0表示链路802.11p的选择权重，WLS-i表示第i个链路的选择权重，RTTmax为该链路最大容忍的延迟响应时间，Lmax为该链路的最大负载。Lsafe表示预估的安全信息通信量，i∈N，其表达式为(8)。
Lsafe(t)＝fWSM·P·R (8)
其中fWSM为步骤3得到的安全信息的发送频率。P为当前网络中安全应用的数量，R为当前网络汇总车辆间的平均通信距离，这些参数可以通过车辆和网络间通信得到。
当存在链路i使得WLS-i≤WLS-0时，非安全信息报文选择链路i进行发送，若对任意链路i，都有WLS-i＞WLS-0，则非安全信息报文选择802.11p链路进行发送。
当确定在802.11p链路进行发送该非安全信息报文时，将进入进行步骤6。如果是在非802.11p链路进行发送，则依据该链路底层的发送机制进行发送，例如拥塞等待等，都是依据原有的链路策略进行处理，本专利在该部分没有进行过度的限制。
步骤6.计算非安全数据报文分发频率。
经过以上两个步骤，若数据报文p被分配到IEEE 802.11p链路，此时需要利用(6)计算IEEE 802.11p链路的非WSM最大分发频率fu max，再利用最新到达IEEE 802.11p链路的两个非安全消息，计算此时非安全信息在IEEE 802.11p链路的瞬时分发频率fu。
其中t1,t2为两个相邻的非安全信息报文到达该链路的时间，当fu≤fu max时，非安全消息可以在802.11p链路中发送，当fu＞fu max时，丢弃非安全消息报文以保证安全消息的正常发送。

Claims (1)

1.一种车联网中基于车辆行驶态势场模型的信息发送频率优化方法，其特征在于，根据道路车辆实时的运行状态建立行驶态势场模型来描述车辆的风险程度，利用该风险程度可以动态调整安全信息的发送频率，通过实时的安全信息发送频率调整非安全信息的发送频率；该方法包括以下步骤：
(1)通过车联网获取实时道路信息，包括车辆速度V，车辆距离r，道路宽度d，车辆类型m；
(2)以目标车i为参考系，建立车辆行驶态势场模型：根据多普勒效应和行驶态势场模型来描述车辆的风险程度，如公式(1)所示；
其中K，G为常数；K的取值为道路允许的最大速度，K＝150km/h，G＝1，Mi为目标车辆i的相对质量，与车辆类型和车辆速度有关；V0为观测车0速度，Vi为目标车i速度，θ为目标车i和观测车0连线方向和目标车i运动方向的夹角，其计算公式如(2)所示；
m为车辆的种类；归一化后得到公式(3)；
F0为观测车0在行驶态势场E内的风险程度；
定义FMAX为观测车的最大风险程度：
其中s为车辆行驶的最小安全车距，与车辆的当前速度有关；
(3)计算安全信息发送频率：根据计算获得的车辆风险程度，计算得出WSM的实时发送频率：
其中F0为观测车0的风险强度，FMAX为最大风险强度；当F0≤FMAX时，车辆处于稳态，WSM发送频率随二者比值而自动调整，当F0＞FMAX时，车辆处于风险态，此时WSM发送频率为最大；
(4)计算非安全信息的最大发送频率
在一个WSM周期内IEEE 802.11p链路所能发送的非WSM数量c的计算公式为
其中：T为当前链路的最大吞吐量，f为WSM发送频率；以MAC层发送缓冲区的剩余空间是否比c大为判断条件，可得IEEE 802.11p链路的非安全消息最大分发频率fu max为：
其中，LMAX为链路的最大负载值，L(t)为链路当前的负载值；
当IEEE 802.11p链路的非WSM分发频率达到fu max时，WSM和非WSM达到帕累托最优，双方获得最大的传输效益；
(5)选择链路：链路的集合为N{0,1,2...i}，其中0表示链路802.11p，1～i表示其他链路；获取数据报文类型，若为安全信息WSM，直接放入802.11p链路发送，若为非安全信息，则进行发送链路的选择；根据延迟响应时间RTT和链路负载L(T)来进行链路选择，判断是在802.11p链路发送还是在非802.11p链路发送，如公式(7)所示；
其中WLS-0表示链路802.11p的选择权重，WLS-i表示第i个链路的选择权重，RTTmax为该链路最大容忍的延迟响应时间，Lmax为该链路的最大负载；Lsafe表示预估的安全信息通信量，i∈N，其表达式为(8)；
Lsafe(t)＝fWSM·P·R (8)
其中fWSM为步骤3得到的安全信息的发送频率；P为当前网络中安全应用的数量，R为当前网络汇总车辆间的平均通信距离，这些参数可以通过车辆和网络间通信得到；
当存在链路i使得WLS-i≤WLS-0时，非安全信息报文选择链路i进行发送，若对任意链路i，都有WLS-i＞WLS-0，则非安全信息报文选择802.11p链路进行发送；
当确定在802.11p链路进行发送该非安全信息报文时，将进入进行步骤6；如果是在非802.11p链路进行发送，则依据该链路底层的发送机制进行发送；
(6)计算非安全数据报文分发频率：
若数据报文p被分配到IEEE 802.11p链路，此时需要利用公式(6)计算IEEE 802.11p链路的非WSM最大分发频率fu max，再利用最新到达IEEE 802.11p链路的两个非安全消息，计算此时非安全信息在IEEE 802.11p链路的瞬时分发频率fu；
其中t1,t2为两个相邻的非安全信息报文到达该链路的时间，当fu≤fu max时，非安全消息在802.11p链路中发送，当fu＞fu max时，丢弃非安全消息报文以保证安全消息的正常发送。
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