一种城市场景中有基础设施的车联网连通性模型推演方法
【技术领域】
[0001 ]本发明设及车联网技术领域。
【背景技术】
[0002] 车联网的目标和特性决定了车联网是一个庞大、复杂、由不同的分层网络组成的 一个异构网络系统。它的组成包含=部分:①车体域，主要由车内各种传感器和终端节点组 成一个小型车体网络，用来获取车内信息和邻近车辆的实时信息;②物理空间域，主要由物 理环境中的各种网络组成，包括不同类型的路边基础设施网络、车体网W及移动通信网络 等;③信息空间域，主要包括接入网络类型、网络的服务质量、协议类型、网络带宽、终端能 力等。车联网各个组成部分之间不协调运行是影响车联网通达性的根源之一。
[0003] 因此，在新型车联网大规模网络体系中，如何从整体角度出发，提供车联网基本属 性和分析方法，有效分析在高动态环境下的网络性能，解决车联网大规模网络的相关技术 问题，是车联网大规模网络研究所面临的一个难点。
[0004] 目前相关研究人员的研究主要侧重于车辆自组织网络（Vehicular Ad-hoc 肥Twork , VANET)、基于基础设施的车联网网络（Vehicular Infrastructure-based 肥Twork，VI肥T) W及VA肥T与VI肥T混合网络方面进行了相关研究。
[0005] ①在车辆自组织网络VANET
[0006] 目前，研究者利用仿真和分析法对VANET的连通性随时空变化如何改变开展了研 究：
[0007] i.仿真方面
[000引 VIRIYASITAVAT W等W基于关键指标如链路持续时间，连通网络的数量和持续时 间，W及断开网络的愈合时间，对V2V网络连通性进行了仿真研究，结果表明，城市地区具有 高度动态的网络连接模式。AKHTAR N等W将公路场景抽象为一维的道路交通流，在S种不 同的信道模型下对其拓扑特征进行了分析，比较了不同传播范围下邻居距离、节点度、集群 数量、链路持续时间和连接质量。HUANG Hong-化等W将从上海4000辆出租车上采集的GPS 数据映射到数字地图上，获得了运些出租车的行驶轨迹，并研究了在不同通信半径的假设 下的虚拟VA肥T，结果表明，当通信半径在500m时，可W使大部分的出租车连接到同一个网 络分区，并使用累积分布函数分析了不同通信半径时邻居节点的数量。NABO化SI D等W利 用复杂网络理论研究一个现实的大规模城市VANETW的瞬时拓扑特征，文中在多种通信半 径下从网络、组件和节点=个不同层面进行分析，并主张采用携带转发机制及在弱连接地 点部署RSU。在苏黎世25平方km区域中20万辆车在早高峰3小时内VA肥T通信网络指标 [6]: (a)VA肥TW稳定良好拟合度服从幕律；（b)它没有表现出小世界特性；（C)中介中屯、度和游 说中屯、度对于描述其网络结构特性是充分和适当的；（d)VANET网络图包括一个巨大的集 群；（e)车辆到达和离开巨型集群在不同时间尺度上均表现出突发性；（f)集群的连接在一 段时间内保持稳定；（g)密集集群同时包括小度值和大度值的节点；化)VANET包括重叠的社 区；（i)紧密社区的规模在非常小的尺寸上变化;（j)VA肥T图不具有鲁棒性。
[0009] ii.分析法方面
[0010] 常促宇等W介绍了车辆自组网的发展历史、特点和应用领域，使用分析和比较的 方法，讨论各种无线通信技术用于车辆自组网的优缺点，并针对车辆自组网的应用及特性 提出搭建车辆之间通信系统的设计思想和突破方向。册I-H等W分析了在一条受信号灯控 审揃城市道路上的VA肥T连通性的动态变化，并研究了更一般的k连通网络化-connected) 问题，通过仿真验证了即使车辆移动受交通灯控制，文中得到的连通性分析与仿真结果有 良好的近似。LO化LOUDES N等W分析了基于真实和仿真移动轨迹的VA肥T的瞬时拓扑特征 和统计特性，并考虑了市场渗透率对网络连通性的影响。刘业等首先分析推导了高速公 路VANET中某特定路段上任意两车之间的连通概率、连通集直径长度W及连通集数目等连 通性模型参数指标与车辆密度及传输距离之间关系的数学解析式，并在此基础上分析 VA肥T的节点位置是满足伽马分布的结论。熊巧等[1叫尋VA肥T建模为路径损耗几何随机图， 推导得出用于高速公路场景中VA肥T 1-连通性必要条件的概率分析算法，并借助经过验证 的车辆运动轨迹数据做了大量模拟实验，得出了确保网络中不存在孤立节点情况下，每个 节点的通信距离应满足的上下界。
[0011] ②基于基础设施的车联网网络(VWET)
[0012] A抓RABOU A等U2]采用有效带宽理论和实际容量的概念获得R洲之间的最大距 离，并研究了车辆密度、传输范围W及车辆速度差异对端到端的分组传送延迟的影响W解 决RSU部署问题。SALVO P等W3提出了 S种算法来扩展VA肥T中的RSU的覆盖区域，利用发送 方节点位置和几何原理选择转发方向。通过分析结果获得最佳RSU和OBU的安装配置方案。 LIU Y等W嘴VA肥Ts中的文件下载设计了一个新的RSU部署策略，把车辆和RSU之间的连接 建模为连续时间齐次马尔可夫链，把道路网络建模为一个加权无向图，并基于图的边的深 度优先遍历算法，设计了一个针对文件下载的RSU部署算法。陈丽等在没有部署稠密RSU 的VA肥T中，利用公交车作为移动网关进行I2V数据转发。首先将公路网模型转换为状态-空 间图，再运用马尔可夫决策方法求解得出最优转发决策，在满足约束传输成功率阔值要求 条件下，选择传输延迟最小的路口节点作为数据包与目的车辆的最优汇聚节点。
[0013] MATOLAK D W等[^在乂2￥信道中采用经验模型并使用计算机仿真演示了高速公路 环境中V2V终端用户在不同传输速率下使用LTE进行宽带无线接入的可行性。ABID H等 使用LTE网络用于V2I通信，提出了一个基于LTE智能手机的VANET架构，适用于高速公路，而 不是城市场景。REMY G等提出LTE4V2X架构，利用LTE网络中的eNB作为VANET集群管理的 基础设施，并采用围绕eNB的集中式架构，W优化集群管理，并提供更好的性能。KIHL M 等评估了多个城市和农村的场景下不同下行链路调度策略的性能，实验结果表明，LTE 车载通信非常适合农村的场景。IDE 0等[^通过增加道路网络中传感器数量来估计车辆行 驶时间，并使用可扩展的基于若干实验指标的Nage^Schreckenberg模型、射线跟踪模拟和 马尔可夫模型来分析车辆行驶时间的估计准确度，W及对LTE空中接口的负面影响之间的 平衡。
[0014] ③VA肥T与VI肥T混合的网络
[0015] 网络体系结构和信道接入技术对车联网有着很大影响。V2V通常使用IE邸802. Ilp 作为物理层和MAC层协议，而V2I可采用WiFi，WAVE，WiMAX和LTE。由于每种接入技术都有限 审IJ，混合使用反而对V2I和V2V通信更有帮助。
[0016] YANG Kun，SHAN Lianhai等口I'22]首次将WiMAX技术应用于车辆通信网络，为车辆 及其用户进行车载移动宽带无线接入。范存群等针对垂直切换技术普遍不能支持 WAVE、WiMAX和3G间的垂直切换运一问题，提出了一种基于贝叶斯决策的垂直切换算法。仿 真实验结果表明，该算法不仅有效地实现WAVE、WiMAX和3G无线接入技术之间的垂直切换， 而且避免了兵鸟效应，保证了网络及时更新。DOYLE N 0等[^给出了为车辆提供互联网接 入的WiMAX和WAVE整合网络层设计，文中分析了纯WAVE和纯WiMAX的固有缺陷，并提出了一 种混合解决方案。刘富强等叫是出了 WiMAX与WAVE新型异构网络融合的车载移动网络架 构，车与车之间的通信通过基于WAVE来实现，车辆与路边基站的通信通过WiMAX实现。CHANG B-J等提出了一种基于无线传感器网络的自适应导航方法，采用WiMAX多跳中继网络用 于V2V通信，W提高车辆间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进行通信的可行性，结果表明，WiMAX在短距离(如小于100m)中其延迟明显比 Wi-Fi更大，帖的持续时间对WiMAX性能有显著影响。MO巧LA L 8等[28]在一个简单的VA肥T 中，评估了 Wi-Fi提供V2V通信而WiMAX用作V2I通信时的性能。流式视频、流式音频和视频会 议可W在其搭建的V2V2I环境中成功运行。ZHAO 〇1叫巧611等[2^第一次尝试了在VANET中通 过3G辅助数据传输，文中提出了一个称为3GDD的方法，通过求解原优化问题中的整数线性 规划问题来分配每个时隙的可用3G流量。YAACOUB E等nw研究了V2I通信中使用可伸缩视 频编码的实时视频流传输协作技术，考虑使用LTE和WAVE技术为移动中的车辆提供通信，比 较了不同的视频传输模式，得出LTE基站和使用WAVE路边基础设施单元之间的联合协作效 果最好的结论。
[0017] 从现有国内外研究现状可W看出，目前已有的车联网大规模网络环境下的互连互 通相关的研究工作缺乏对理论模型深入系统的研究，更多的集中于VANET和一些特定场景 下的无线通信技术之间的应用集成，从而难W指导由于车联网信道的高度时变性、突出的 多普勒效应和网络拓扑的不确定性等因素带来的大规模异构网络网元之间的有效集成，使 得车联网大规模网络互连互通的实时性存在极大的局限，将会带来效率和性能上的严重不 足，从根本上制约车联网大规模信息的交换，难W支撑大区域环境下的交通拥堵、交通安 全、雾靈治理等实时数据采集的应用需求。
[0018] 目前车联网的科学研究和设计开发通常基于传统的、适用于小尺度闭环系统中的 理论和方法，运些理论难W有效解决大规模开环跨域系统的连通性问题，不能支持互连互 通网络的实时构建，也不能维护大规模开环跨域网络系统的