基于“分簇”的V2X车载广播信息传输策略

李婉莹 邱斌 蒋为 朱丹

摘  要： 为减少车载信息传播时延，提出基于“分簇”的V2X车载广播信息传输策略。该策略以传输速率最大的车载用户作为“簇头”，并采用注水算法为“簇头”分配功率。对车载信息进行紧急信息和非紧急信息分类传输。对于紧急信息，通过“簇头”实现信息中继转发，利用散射体一次、二次散射缩短通信时延;对于非紧急信息，在信道空闲时利用蜂窝通信进行广播。数值结果表明，相比于经典的LEACH算法，所提算法通过“分簇”提高信道利用率14.49%以上;相比于5G?V2X通信中虚拟小区，所提算法使得1 000 m内紧急信息通信时延平均减少2.21 ms。

关键词： 车载通信; V2X; 分簇; 信息传输; 分类传输; 中继转发; 通信时延

中图分类号： TN949.6?34                       文献标识码： A                          文章编号： 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

随着经济的发展，车辆数目与日俱增，交通事故发生率也越来越高。因此，设计合理的车载广播信息传输策略，加快车载信息转发具有重要意义。广播技术是一种常见的公共数据传播技术[1]，生活中有很多信息通过广播技术进行传输。例如，车载网中的信息通信，车载信息的传输大都采用广播的方法[2]。该方法通过单跳传输信息对发送信息车辆周围的车辆进行广播，有效提高数据传输效率[3]。目前，有许多研究者对此展开研究，文献[4]采用分布自适应距离和信道质量的方法建立有效路由进行广播。文献[5]通过IEEE 802.11p协议实时收集交通信息，并在城市环境中研究车载信息的传输性能，但该研究中存在着资源浪费的问题。

近年来，已有许多文献针对车载广播信息传输的资源浪费问题提出研究。文献[6?7]研究了在特定场景下，不同信息传输机制如何解决广播风暴和资源浪费的问题。文献[8]通过调整第一跳传输对象的数目达到减少整体传输时延的目的。文献[9]研究了V2X（Vehicle?to?X）通信的無线资源管理问题，通过对车辆“分簇”实现信道资源共享。文献[10?11]提出通过D2D技术实现V2X通信，运用着色图原理对车辆“分簇”，有效提高了频率利用率。文献[12]通过跳频使得广播信息在多个信道上进行广播。然而，如果没有有效的控制，这些广播的聚合将导致频道拥挤，影响接收性能和安全效益[13]。文献[14]通过调整信息产生Beacons的频率以及车辆的通信半径，实现对车载信息的拥塞控制。文献[15]验证了利用V2X通信发送数据包比传统的广播具有更好的传输性能和更短的时延。然而，以上研究很少讨论广播信息的分类问题，无法满足紧急信息对时延性能的需求。

基于以上研究，本文提出一种基于“分簇”的V2X车载广播信息传输策略，其中V2X是指V2I（Vehicle?to?Infrastructure）和V2V（Vehicle to Vehicle）。针对信道资源浪费问题，采用“分簇”的方法提高信道利用率。针对缩短通信时延问题，不同类型车载信息采用不同的传输策略。该策略在有限的信道资源条件下，以最短时延传输紧急车载广播信息，可有效减少交通事故的发生，为人民的生命财产安全提供保障。

1  系统和信道模型

选取某一段城市单向车道对单基站与车辆通信进行分析，由于信道资源有限，传统的单播通信会造成信道拥塞。为提高信道利用率，对车辆进行“分簇”并通过广播技术传输车载信息。如图1所示为V2X通信场景图，“簇头”车辆与基站通信采用V2I方式，“簇头”车辆与“簇内”其他车辆通信采用V2V方式。

1.1 功率分配

V2X通信场景图中，红色标记的车辆为“簇头”，以“簇头”为圆心，以“簇头”的有效通信半径[R]为半径，将基站覆盖范围内的[N]辆汽车分为[J]个“簇”，在已知所有车辆与基站间链路信息的条件下，遍历所有用户。将车道平均分为[A]段，[Ai]表示第[i]段内车辆的数目。在每个区间段内优先选择信息传输速率大的车节点作为“簇头”对信息进行传输，段[Ai]内每个用户的信息传输速率为：

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

式中：[B]表示信道带宽;[PTj]表示基站到车辆[j]的发送功率;[L]表示车辆到基站的距离;[α]表示路径损耗指数;[σj]表示基站到车辆[j]的信道噪声。

选择基站到车辆下行信道传输速率最大的车辆作为“簇头”车辆，即“簇头”[b]的接收速率为[vb=arg maxVj]。基站到车辆通信受大尺度衰落影响，利用注水原理对不同的“簇头”进行功率分配：

[PTb=（vb-σ2b）+，  b=1，2，…，J] （2）

式中：[PTb]表示基站到“簇头”[b]相应的传输信道所分配的功率;[vb]表示“簇头”[b]的传输速率对应的“水面高度”;[σ2b]是“簇头”[b]相应的传输信道中噪声干扰的功率;符号[x+=max{0，x}]。

1.2 信道利用率

信息传输的过程中存在着能量损耗，当信息的发送者与接收者之间的距离小于阈值[d0]时，通过自由空间模型计算信息传输过程中的能量损耗，反之，则由多径损耗模型进行计算。能量损耗[L（ω，l）]的表达式为[16]：

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

式中：[d0?εfsεmp];[ω]表示传输[ω] bit信息;[l]表示信息传输的距离;[εelec]，[εfs]，[εmp]分别表示传输或接收信号的能量消耗系数、自由空间传播损耗系数、多径衰落系数。

车载信息在传输过程中存在信号质量衰减，为确保接收信息正确，车辆与基站通信要求信噪比高于蜂窝通信信噪比阈值[β1]，“簇”内车辆通信同样需要高于V2V信噪比阈值[β2]。

从时间角度计算信道利用率，表示为传输时延与信息成功传输总时延的比率[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“簇头”[b]的信道增益;[Hbj]表示“簇头”[b]到“簇内”车辆[j]的信道增益;[Ptj]表示“簇头”[b]到“簇内”车辆[j]的发送功率。

2  广播通信时延分析

信息成功传输需要经历等待和传输两个阶段，即时延[Td]分为两部分，一部分为等待时延[Tw]，一部分为传输时延[Tt]，则时延[Td]的表达式为：

[Td=Tw+Tt] （5）

2.1  排队等待时延

将车载广播信息分类，突发事件类信息定义为紧急信息，其他均为非紧急信息，紧急信息的传输按照先到先服务执行。当紧急信息和非紧急信息的到达率为[λe]和[λn]，在时间[τ]内，车辆发出[k]条紧急信息，[p]条非紧急信息。其分布律满足：

[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]时刻发出紧急信息的数量;[M（t）]表示[t]时刻发出非紧急信息的数量。

一个调度周期[TTI]（100 ms）内紧急信息、非紧急信息的个数均值为[E（k）]，[E（p）]，一个调度周期内的信息总量满足：

[C1E（k）+C2E（p）≤C10] （7）

式中：[C1]，[C2]分別表示每条紧急信息、非紧急信息的信息量;[C]表示信道容量。

信息经由“簇头”车辆转发，其信道忙时概率[ρ]与“簇内”车辆数目[Ai]有关：

[ρ=（C1E（k）+C2E（p））?10C?Ai] （8）

一个周期内的平均等待时延[Tw]为：

[Tw=ρ1-ρ?1μ] （9）

式中[μ]表示平均服务率。

紧急信息、非紧急信息的平均等待时间为：

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

2.2  紧急信息传输策略

为缩短紧急信息传输时延，对LEACH“分簇”算法进行改进[16]，利用散射体进行协作通信，提出LEACH?ST（LEACH?Scattering Transmission）算法。该算法通过判断车辆间距离与有效通信半径之间的关系，选择合适的信息传输策略。

2.2.1  一次散射传输策略

发生交通事故时，事故车辆直接利用V2V将紧急信息广播至周围车辆，其传播时延为：

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

式中：[s]表示紧急信息从发出到接收所经过的路程;[v]表示电磁波在信道上的传播速率;[Cv]表示车辆间平均传输速率;[Bvj1j2]表示车辆间传输链路的带宽;[Pj1j2]表示车辆[j1]到车辆[j2]的发射功率;[Hj1j2]表示车辆[j1]到车辆[j2]对应的信道增益。

当车辆与“簇头”的距离超出“簇头”的有效通信半径但不超过2倍有效通信半径时，提出一次散射传输策略。如图2所示，该策略以“簇头”车辆的通信半径[R]为“簇”的半径，以发送信息的“簇头”[OT]为圆心，在两个“簇头”通信范围的相交部分选择通信状态最好的车辆作为转发信息的散射体，当“簇头”[OR]收到紧急信息后，通过V2V将信息广播至其他车辆。

为减少信息传播的时延，讨论相邻“簇”间信息传输过程，一次散射传输策略的传输总路径为：

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

一次散射的传输时延为：

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

2.2.2  二次散射传输策略

当车辆与“簇头”的距离大于2倍的有效通信半径，且不超过3倍的有效通信半径时，一次散射传输策略无法满足紧急信息的传输需求，进一步提出二次散射传输策略。该策略在两个“簇头”各自通信范围内选择合适的车辆作为转发信息的散射体，通过两个散射体通信实现紧急信息的转发。两个散射体连线与车辆行驶方向的夹角为[δ]，则二次散射传输策略的传输总路径为：

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

二次散射的传播时延为：

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

2.3  非紧急信息的传输策略

非紧急信息在信道空闲时利用蜂窝通信进行信息传输。发送信息的“簇头”通过V2V将非紧急信息发送到其有效通信半径内的其他车辆，同时，该“簇头”通过V2I将非紧急信息发送至基站，然后基站对其他“簇头”进行广播，最后各个“簇头”将信息发送给其通信范围内的其他车辆。

信息从发送到被“簇头”接收经历的时间为[Tt1]，“簇头”与“簇”内车辆V2V通信时间为[Tt2]，则有：

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

式中：[d⊥]表示基站到道路的最短距离;[l1]表示发送信息的“簇头”车辆到基站关于道路的投影长度;[l2]表示接收信息的“簇头”车辆到基站关于道路的投影长度;[s]表示“簇头”车辆与将要传送信息的车辆之间的距离。

则非紧急信息传输的总时延[Ttf]为：

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

3  数值结果分析

为验证所提LEACH?ST算法的性能，仿真分析了不同信息到达率、“簇”内车辆数目对信道利用率及时延的影响。如表1所示，参考IEEE 802.11p协议[7]设置仿真参数。

如图3所示，当“簇”内车辆数目一定时，信道利用率随着信息到达率的增大而增大;信息到达率一定时，“簇”内车辆数目越多，信道利用率越高。证明了LEACH?ST算法能够通过“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%。

如图4所示，车辆的平均等待时延随着信息到达率的增加而增加，随着“簇”内车辆数目的增加而减少，说明信息到达率越高，信息传输过程中的平均等待时延数值越大，也说明LEACH?ST算法中信息的传输时延会受“簇”内车辆数目的影响。

如图5所示，将LEACH?ST算法与文献[16?18]中提出的P?SEP、LEACH、虚拟小区（VC）三种不同“分簇”的算法进行对比。LEACH?ST算法传输数据量大于P?SEP、LEACH算法的传输数据量。这是由于在“簇头”车辆更新过程中，散射体转发信息扩大了“簇头”车辆传输信息的可通信范围，减少了基站到车辆的信息传输次数，而每轮重新选择传输速率大的车辆作为“簇头”，能够减少信息从基站到“簇头”的传输时延。但是与5G中的虚拟小区相比，每轮传输数据量大致相当。

如图6所示，将LEACH?ST算法与5G中的虚拟小区在信息传播时延方面进行对比，LEACH?ST算法使得1 000 m内紧急信息通信时延比虚拟小区中通信时延平均减少2.21 ms。

4  结  语

本文分析了广播通信时延的影响因素，提出基于“分簇”的V2X车载广播信息传输策略，旨在减少车载广播信息的通信时延。该策略对车载广播信息进行分类，为了进一步缩短紧急信息的通信时延，提出LEACH?ST算法。该算法选择基站到车辆传输速率最大的车辆作为“簇头”车辆，然后对信息分类传输，利用散射转发减少时延。仿真结果表明，改进后的LEACH?ST算法缩短了紧急信息通信时延，并有效提高了信道利用率。

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