社群式车联网结构中的LTE 协作信息传播模式

汪颖、刘泽良

0 引言

随着现代交通系统的不断发展，车辆之间的通信已经成为了提高道路安全和交通效率的重要手段。传统的车联网结构主要基于车与车（V2V）和车与基础设施（V2I）的通信，但随着车辆数量的增加和交通环境的复杂化，这种结构面临着时延、信息传播效率和系统稳定性等问题。为了解决这些问题，研究者开始探索新的车联网结构。社群式车联网结构作为其中的一种新型结构，其特点是车辆可以根据自身的状态和周围环境形成临时的通信社群，从而实现更高效和稳定的信息传播。

长期演进技术（LTE）由于其高数据传输速率、低时延和高可靠性等优势，逐渐被应用于车联网中。然而，如何将LTE 技术与社群式车联网结构相结合，从而实现更优的信息传播模式，仍是一个亟待解决的问题。因此，本文将深入探讨社群式车联网结构中的LTE 协作信息传播模式，为车联网的进一步发展提供有益的参考。

1 社群式车联网结构

1.1 社群式车联了结构概述

在交通系统智能化的大背景下，车辆的通信需求在增加，相关的技术也在近些年得到了快速的发展。为了适应更加复杂、多变的交通环境，社群式车联网结构应运而生，为车辆提供了一种更加灵活、高效的通信模式。

社群式车联网结构是基于车辆间临时通信群体的结构。与传统的点对点通信模式不同，它强调的是车辆根据实际行驶环境和需求，形成短暂、动态的通信群体。社群式车联网具有以下特点。

（1）动态性：社群的形成和消失是非常快速和动态化的，完全取决于车辆的移动和通信需求。

（2）自组织：车辆可以根据实际情况自动加入或离开社群，无需中央控制。

（3）高效性：通过社群内的协同工作，可以实现更高效的信息交换和资源共享。

（4）灵活性：能够适应各种复杂的交通环境和通信场景。

社群的形成主要基于3 个因素。地理位置：物理距离近的车辆更容易形成社群。行驶方向和速度：同方向、速度接近的车辆形成社群的可能性更高。通信需求：具有相似通信需求的车辆更倾向于组成社群。

根据社群的特性和形成机制，我们可以将其分类为静态社群与动态社群。前者主要形成于车辆在停车状态或缓慢行驶状态时，如在停车场、红绿灯等场景中。后者主要形成于车辆的高速行驶状态，如高速公路、城市快速路等场景。

1.2 社群内与社群间的通信模式

在社群内，车辆之间的通信主要依赖于短距离、高频率的直接通信方式。这种方式可以确保信息的快速、准确传播，并且能够有效地应对复杂的交通环境。

而社群间的通信则相对复杂。由于社群之间的物理间隔可能比较远，直接通信不太可行。为此，通常需要通过社群长或其他特定车辆进行中继，将信息从一个社群传递到另一个社群。这种模式虽然增加了通信的复杂性，但也为信息的广泛传播提供了可能[1]。

2 LTE 技术基础

随着无线通信技术的迅速发展，LTE 技术逐渐成为车联网领域的重要通信手段，为车与车、车与基础设施的通信提供了强大的支持。LTE，即长期演进技术，是第四代（4G）移动通信技术的一部分，旨在提供比其前代技术更高的数据传输速率和更好的用户体验。它采用了先进的调制技术、多入多出（MIMO）天线技术和高效的频谱利用策略，从而实现了高速、低时延的数据通信。与传统车联网通信的对比，LTE 技术具有如下优势。

数据速率：传统的车联网通信技术，如DSRC（专用短距离通信），虽然可以满足车辆的基本通信需求，但其数据传输速率相对较低。而LTE 技术由于其先进的物理层设计，能够提供更高的数据速率，使得车辆可以进行大量数据的快速传输。

高效的频谱利用：LTE 技术采用了先进的调制和编码技术，使得在同样的频谱资源下，可以传输更多的数据。

低时延：在紧急通信场景中，如碰撞预警，低时延是非常关键的。LTE 的设计重点之一是减少通信时延，这使得它非常适合需要实时反馈的车联网应用，如自动驾驶和安全预警。

广泛的网络覆盖：由于LTE 是为移动通信设计的，因此它具有广泛的网络覆盖，无论车辆在城市还是乡村，都可以保持稳定的通信连接。这意味着车辆在更大的地理区域内可以保持稳定的通信。

3 社群式车联网中的LTE 协作模式

随着车联网的发展，如何更高效地在车辆之间传输信息成为了一个关键问题，传统的车联网通信模式已经难以满足现代复杂交通环境的需求。为此，结合LTE 的高速、低时延和高可靠性特点，本研究提出了一种新的协作模式[2]。

3.1 协作模式的提出

考虑到LTE 的明显优势，本文认为将其引入到社群式车联网中，可以进一步提高信息传输的效率和稳定性。基于这一思考，提出了一种基于LTE 的社群式车联网协作模式。这种模式不仅充分利用了LTE 的技术特点，还结合了社群的动态性和自组织特性。

3.2 LTE 协作模式的工作原理

如图1 所示，在此协作模式下，车辆首先基于其行驶状态和通信需求形成社群。每个社群内的车辆都可以通过LTE 直接进行通信，从而实现快速的信息交换。与此同时，社群之间的通信则需要通过特定的车辆，即社群长，来进行中继。这种模式不仅确保了社群内的高效通信，还实现了社群间的稳定连接。

图1 社群式车联网中的LTE 协作模式的工作原理

3.3 社群长的选举及其角色

社群长的选举是此协作模式的关键环节。选举的主要原则是确保社群长具有良好的通信能力和中心位置，从而能够有效地进行社群内外的信息交换。

选举机制：车辆根据其通信能力、电池状态、位置和行驶方向等参数，计算一个权重值。权重值最高的车辆被选为社群长。

社群长的角色：社群长负责接收社群内的信息，并将其中继到其他社群或基础设施。社群长还负责管理社群内的通信资源，如频谱、时间片等，确保信息传输的高效和公平。随着车辆的移动和通信需求的变化，社群长可以根据实际情况进行动态调整，如重新选举、资源重新分配等[3]。

总之，社群式车联网中的LTE 协作模式提供了一个新的思路，将LTE 技术的优势与社群的动态性和自组织性完美结合，为车联网的发展打开了新的可能。

4 LTE 协作模式下的信息传播机制

在社群式车联网结构中，信息的传播是至关重要的。结合LTE 的协作模式，我们可以更高效地进行信息的传递和交换，满足车辆通信的实时性和准确性要求。

4.1 信息的分类与传播要求

在车联网中，车辆需要传递的信息可以大致分为两类。

紧急信息：这类信息通常与车辆的安全和行驶状态有关，如碰撞预警、紧急制动等。对于这类信息，传播的时延要求非常低，且必须确保其传输的可靠性和准确性。

常规信息：这类信息主要包括车辆的一般状态、路况信息和天气信息等。虽然其传播的时延要求相对较低，但仍需要确保其传输的完整性和准确性。

4.2 社群内信息的快速传播

在一个社群内，车辆之间的距离通常较近，这为信息的快速传播提供了条件。利用LTE技术，车辆可以实现高数据速率的通信，使得信息可以在极短的时间内完成传播。此外，LTE 的高可靠性也确保了信息传输准确，避免因为信号干扰或丢包导致的信息传播失败。

4.3 社群间的信息交互与融合

当涉及到不同社群间的信息交互时，情况会变得复杂。由于社群之间可能存在较远的物理距离和通信障碍，直接的车辆间通信不太可行。为此，我们引入了社群长这一角色。社群长负责接收并存储其所在社群内的信息，并与其他社群的社群长进行信息交互。通过这种方式，不同社群的信息可以得到交互和融合，从而实现了全局的信息共享[4]。

此外，为了确保信息交互的准确性和时效性，社群长之间的通信还需要采用特定的协议和策略，如时间同步、数据校验等，以确保信息的完整性和一致性。

总体来看，LTE 协作模式为社群式车联网中的信息传播提供了强大的支持，使车辆可以更加高效、准确地进行信息交换和共享[5]。

5 性能评估

为了验证基于LTE 协作模式的社群式车联网的有效性和可行性，进行了一系列的性能评估。性能评估是科研中的关键步骤，它可以提供模式的实际效果和可能存在的问题，从而指导后续的研究和优化。

5.1 评估标准与指标

在性能评估中，主要关注以下几个关键指标。

时延：衡量信息从发送到接收所需的时间。对于车联网，尤其是涉及安全的应用，低时延是非常关键的。

信息传播效率：评估信息在车辆之间传播的速度和范围。高的传播效率意味着信息可以在更短的时间内到达更多的车辆。

系统稳定性：考察在各种不同条件下，系统的运行是否稳定，是否容易出现掉线、数据丢失等问题。

5.2 仿真环境与实验设置

为了进行性能评估，我们使用MATLAB 建立了一个仿真环境。该环境模拟了真实的交通场景，包括车辆的移动、通信以及各种可能的干扰。实验环境设置如下。

车辆密度：设置了从低到高的不同车辆密度，以考察车辆数量对性能的影响。

移动速度：考虑到车辆在不同的道路和场景下会有不同的行驶速度，我们设置了从慢到快的不同移动速度。

通信模式：为了验证LTE 协作模式的优势，我们还设置了传统的车联网通信模式作为对比。

在仿真实验中，让车辆按照预设的参数进行移动和通信，并记录相关的性能数据。通过分析这些数据，可以得到基于LTE 协作模式的社群式车联网的实际性能，并与传统模式进行对比，从而验证其优势和效果。

5.3 结果分析

（1）时延评估

时延这一关键指标如图2 所示。从仿真结果中可以明显看出，相比于传统的车联网通信模式，LTE 协作模式在时延上有了显著的改善。具体来说，平均时延减少了约40%，最大时延减少了约30%。这主要归功于LTE 技术的高数据速率和低时延特性，使得信息可以在更短的时间内完成传输。

图2 平均延迟时间对比

（2）信息传播效率

如表1所示，在信息传播效率方面，仿真结果也十分令人满意。基于LTE 的协作模式下，信息的传播速度提高了约50%，覆盖范围增加了约60%。这意味着在相同的时间内，更多的车辆可以接收到信息，从而实现更广泛的信息共享。这一结果验证了我们的假设，即利用LTE 技术和社群结构可以实现更高效的信息传播。

表1 信息传播效率表

（3）系统稳定性

系统稳定性是评估任何通信系统性能的关键指标。如图3 所示，在LTE 协作模式下，系统的稳定性得到了很好的保证。具体来说，系统的掉线率减少了约70%，数据丢失率减少了约50%。这一结果表明，基于LTE 的协作模式不仅可以提高信息传播的效率，还可以确保系统的稳定运行。

图3 系统稳定性评估

综上，仿真实验结果验证了基于LTE 协作模式的社群式车联网在时延、信息传播效率和系统稳定性等方面都具有显著的优势。这为其在实际应用中的推广提供了有力的支撑。

6 结束语

随着车联网技术的迅速发展，如何提高信息传播的效率和准确性已经成为了研究的热点。本文深入探讨了基于LTE 的社群式车联网协作模式，并通过一系列的仿真实验验证了其性能。

从研究中可以明确地看到，与传统的车联网通信模式相比，LTE 协作模式在时延、信息传播效率和系统稳定性等方面都有显著的优势。特别是在高车辆密度和复杂的交通环境下，LTE 协作模式展现出了其优异的性能。

社群长的角色和选举机制确保了社群内外的高效通信和信息交互。与此同时，提出了几种性能评估标准，并在仿真环境中进行了实验验证。

总的来说，基于LTE 的社群式车联网协作模式为车联网的发展打开了新的可能。随着LTE 技术和车联网的进一步发展，这一模式将在未来的交通系统中得到广泛的应用。