车联网环境下的g和dsrc异构网络切换机制研究

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 车联网环境下的 G 和 DSRC 异构网 络切换机制研究 摘 要： 面向车联网的实际应用 需求，构建了一种高速公路环境下的基 于 4G 和 DSRC 的异构网络通信场景。 针对车辆在该场景下可能会在不同网络 信道间频繁发生垂直切换导致较高的传 输时延和丢包率的问题，在分析研究基 于 4G 与 DSRC 的高速公路异构网络切 换过程的基础上，引入网络跳数、连接 次数和行驶轨迹作为切换判决条件，基 于 TREBOL 路由协议设计了一种异构 网络垂直切换算法。最后利用 Veins 仿 真平台对提出的异构网络垂直切换算法 的切换性能进行对比测试分析。测试结 果表明，与基于 RSSI 的异构网络垂直 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 切换方法相比，所提切换算法能增大车 辆与 DSRC 网络连接的持续时间，并有 效减少“乒乓效应 ”。 中国论文网 /8/view-13008272.htm 关键词： 车联网； 高速公路； 异构网络； 垂直切换； 第四代移动通 信技术； 专用短程通信 中图分类号： TN915?34 文献标 识码： A 文章编号： 1004?373X（ 2018）01?0105?07 Abstract： According to the practical application requirements of Internet of Vehicles （IoVs） ， a scenario of heterogeneous network communication based on 4G and DSRC was constructed for freeway. Since the frequent vertical switching of the channel between different networks may cause the high transmission delay and packet loss rate in the constructed scenario， the network hop count， connection frequency and traveling trajectory are -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 introduced as the switching decision factors on the basis of the research on the switching process of the freeway heterogeneous network based on 4G and DSRC， and a vertical switching algorithm of heterogeneous network is designed on the basis of TREBOL routing protocol. The comparison test and analysis were carried out for the switching performance of the heterogeneous network vertical switching algorithm with Veins simulation platform. The test results show that， in comparison with the heterogeneous network vertical switching algorithm based on RSSI， the switching algorithm can prolong the duration time of the network connection between the vehicle and DSRC， and effectively weaken the ping?pong effect. Keywords ： Internet of Vehicles； freeway； heterogeneous network； vertical switching； 4G； -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 DSRC 0 引 言 近年来，多种无线通信技术的发 展使得车联网的部署与应用成为可能。 车联网作为物联网技术在道路交通领域 的典型应用，其研究目的是实现车与车、 车与路、车与人之间的互联互通，从而 提高道路的通行效率，保障行车安全1。 目前，使用较为广泛的车?车/车? 路通信技术主要包括：短程无线通信技 术 DSRC（Dedicated Short Range Communications） 、无线局域网 WLAN（Wireless Local Area Networks） 、 第四代移动通信技术 4G（4rd Generation）和无线带宽接入技术 WiMAX（Worldwide interoperability for microwave access）2。由于 DSRC 技 术能够快速识别移动车辆并建立通信连 接的特性可以满足车? 车/车? 路通信中较 大数据流快速上传的需求，同时，4G 技术提供的较大范围的无缝通信覆盖3 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 能够保证移动节点在较远距离上持续稳 定的信息服务，因此，本文针对车联网 的实际应用需求构建了如图 1 所示的高 速公路环境下基于 4G 和 DSRC 的异构 网络通信场景。 但受成本约束，一般路侧节点 （Road Side Unit，RSU）部署数量有限 而无法实现 DSRC 网络在道路上的无缝 覆盖。因此，在超出 DSRC 网络的覆盖 范围时，车辆需切换到 4G 网络以保持 与网络的连接；当车辆驶入 DSRC 网络 覆盖范围内时，应再次切换到 DSRC 网 络，以减少对 4G 网络信道的占用和对 4G 流量的消耗。但车辆在运动过程中 会在 4G 网络和 DSRC 网络组成的异构 网j 环境下的不同网络信道间频繁发 生垂直切换，此时若判决条件单一，则 极易引发“乒乓效应 ”，进而导致过高的 传输时延和丢包率4。 针对上述异构网络切换问题，文 献5研究了基于接收信号强度的切换算 法，利用网络终端收集比较不同网络的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 接收信号强度差值（简称 DRSS）触发 切换过程。使用 DRSS 作为切换判决较 为简单，但依然易导致切换过程中的 “乒乓效应”。在此基础上，文献 6增加 了驻留时间与迟滞电平两个参数，提出 基于 DRSS 的切换算法，尽管引入迟滞 电平和驻留时间能够减少乒乓切换，却 增加了切换的延迟。为了解决 4G 和 DSRC 异构网络切换容易引发“ 乒乓效 应”的问题，本文对高速公路基于 4G 与 DSRC 车联网通信环境下的异构网络 切换过程进行分析，然后基于 TREBOL 路由协议7设计了一种持续型垂直网络 切换算法，最后基于 Veins 仿真平台对 该算法的性能进行了测试。 1 4G 和 DSRC 异构网络切换机制 1.1 TREBOL 路由协议 文献7提出的 TREBOL 路由协 议是一种分层路由协议，将道路上的车 辆节点进行分层管理，利用移动范围内 的车辆节点组成一个簇，簇内划分为父 母节点（Parent Node，PN）和子女节点 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 （Children Node，CN ） 。 CN 发送的数 据经由 PN 进行转发，从而达到降低信 道负荷的目的。如图 2 所示，车辆与 RSU 建立通信时，需要发送配置消息 （Configure Message，CM）告知车辆 节点连接网络时的配置信息，同时车辆 节点也会向 RSU 发送自身的状态消息 （Statement Message，SM） 。 1.2 高速公路异构网络切换过程 分析 在上文所述的高速公路车联网通 信环境下，车辆行驶过程中可能存在的 网络切换过程可以分为： 4G?to?DSRC，4G?to?4G，DSRC?to?4G 和 DSRC?to?DSRC 四种。考虑到所述 场景中 RSU 在道路不连续间隔配置， 且 4G?to?4G 的网络切换技术已经较为 成熟，本文只对 4G?to?DSRC 和 DSRC?to?4G 两种切换过程进行分析。 如图 3 所示，车辆 A 在驶入 RSU 的通信范围前，保持与 4G 基站的 连接，当 A 即将驶入 RSU 的通信覆盖 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 范围时，若 A 接收到来自 RSU 的消息 或检测到 RSU 的 RSSI 值，需要对是否 进行网络切换进行判定。若判决结果为 是，则需要利用媒质无关协议中的事件 原语触发网络可用事件，利用媒质无关 切换中的上行链路事件完成事件消息的 上传，上行链路事件进一步触发上层协 议对车辆节点的数据流进行移动管理； 若判决结果为否，则进行切换。车辆 B 在驶出 RSU 的通信范围前，同时与 4G 基站和 RSU 保持连接。当 B 判定当前 已无法保证与 RSU 建立连接时，利用 媒质无关切换中的下行链路事件命令， 将使用 DSRC 接口的 IP 流回归至 4G 网 络接口。因此，在上述异构网络中进行 切换的关键是判断是否连接至 DSRC 网 络或断开与 DSRC 网络的连接。 1.2.1 DSRC 连接判决 在 TREBOL 路由协议下，切换 至 DSRC 网络的前提是车辆接收到了由 RSU 周期广播的 CM。具体存在两种情 况。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 1） 车辆已处于 RSU 通信覆盖 范围的边界，但由于前方存在障碍物等 原因使其无法接收到 CM 消息，使得车 辆切换至 DSRC 网络产生推迟，缩短了 与 RSU 的通信时间。 针对该情况，本文利用 TREBOL 路由协议建立一种车辆间多跳通信链路， 完成对障碍车辆的“ 绕行”，如图 4 所示。 车辆 A 接收车辆 B 转发的 CM 消息， 并利用接收到的 CM 判定 B 是否为自己 的父母节点，若判定结果为是，则利用 节点 B 完成与 RSU 的通信。 2） 车辆节点接收到了经过过多 的多跳转发的 CM，但车辆并未驶入 RSU 覆盖范围，此时会因为过多的中继 转发节点导致消息传送存在较大时延和 通信质量不稳定，进而频繁地在异构网 络中切换，导致“ 乒乓效应 ”的发生。如 图 5 所示，若节点 D 与 RSU 的通信链 路断开，则车辆节点 A，B，C 与 RSU 间的通信均会受到影响。 针对该情况，本文从两方面考虑： -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 第一，为了保证多跳连接的通信质量， 设置网络跳数阈值Nhop，作为车辆切 换至 DSRC 网络的判决条件，若当前网 络连接跳数大于Nhop，则不进行切换， 否则切换至 DSRC 网络。其中网络跳数 值通过在转发过程中由转发车辆重写 CM 消息的网络跳数字段完成（每次转 发该值加 1） 。第二，考虑到上游节点与 RSU 断开连接的原因多为该节点驶离 RSU，本文引入行驶轨迹参数Mi?o， 用来判定上游节点相对 RSU 的位置变 化状态，进而确定是否建立连接。行驶 轨迹Mi?o主要由 RSU 通过解析 SM 中 包含的位置信息计算车辆与 RSU 间的 距离变化趋势完成。若车辆驶离 RSU， 则将Mi?o设为 1；否则将 Mi?o设为 0。 1.2.2 DSRC 断开判决 与 DSRC 连接判决类似，车辆节 点与 DSRC 网络断开连接时存在两种情 况：第一种是车辆处于 RSU 覆盖范围 边界时断开与 RSU 的连接，针对该情 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 况，可以利用 TREBOL 路由协议使车 辆以多跳的形式连接到路侧设备提供的 DSRC 网络；第二种是利用 TREBOL 路 由协议后，车辆处于 RSU 覆盖范围外， 因父母节点断开与 RSU 的 B 接而发 生连接断开，针对该情况，可以通过设 置网络跳数阈值，防止出现过多中继节 点，以保证数据的传输质量。 此外，考虑饱和道路交通环境的 状况，如图 6 所示，当某 RSU 的覆盖 范围内车流密度很大时，若车辆节点均 连接到当前的 RSU，势必会造成较大的 网络负载。且由于通信质量不佳，连接 过程中可能会形成“ 乒乓效应 ”，故应使 部分车辆（如 A）断开 DSRC 连接而使 用 4G 网络完成数据的传输。因此，本 文引入连接次数阈值Nlink作为判决参 数，从驶入到驶出 RSU 覆盖范围的时 间内，若车辆节点尝试与 RSU 建立通 信连接的次数大于设定的Nlink，则断 开连接；否则，根据网络跳数作进一步 判定。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 1.3 异构网络垂直切换算法设计 由讨论可知，进行异构网络垂直 切换需要考虑多种因素，以避免乒乓效 应的发生。本文从切换的整体流程出发， 利用引入的网络跳数Nhop、连接次数 Nlink和行驶轨迹 Mi?o作为切换判决 条件，设计了一种异构网络垂直切换算 法（见算法 1） 。 当存在可用的 DSRC 网络时，车 辆首先对 CM 消息的转发次数进行解析， 若转发次数为 0，则建立与 RSU 间的网 络连接；若转发次数大于 0，则将转发 次数与网络跳数阈值Nhop进行比较， 若转发次数小于Nhop，则对转发节点 的行驶轨迹Mi?o 进行判定；若 Mi?o 为 0，此时转发车辆驶近 RSU 且构成的 网络连接跳数较小，因此建立与 RSU 间的网络连接；若Mi?o为 1，此时转 发节点驶离 RSU，然后对车辆节点与 RSU 间的连接次数阈值Nlink进行判定， 当连接次数小于Nlink 时，保持与转发 节点的连接；否则车辆通过监听 CM 选 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 择新的上游节点，在当前连接中断之前 建立与 DSRC 网络间的连接，以保证数 据传输的稳定性；若转发次数大于 Nhop， 则仍保持与 4G 网络间的连接。 算法 1 1 if（车辆节点仅与 4G 网络保持 连接&存在可用的 DSRC 网络） 2 if（转发次数=0） 3 车辆与 DSRC 建立连接； 4 实现对 4G 网络负载的分流； 5 6 else if（转发次数 0&转发次 数网络跳数阈值） 7 if （行驶轨迹为 0） 8 车辆保持与 DSRC 建立连接； 9 继续完成对 4G 网络负载的分 流； 10 11 else if（行驶轨迹为 1） 12 if（连接次数连接次数阈值） -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 13 车辆保持与 DSRC 的网络连 接； 14 继续完成对 4G 网络负载的分 流； 15 16 else 车辆寻求新的上层节点完 成 DSRC 网络的连接 17 18 else 车辆断开与 DSRC 网络的 连接 19 20 end if 2 性能测试分析 为了验证本文提出的异构网络垂 直切换算法的有效性，本文利用 Veins 仿真平台8?9对其应用性能进行测试分 析。 2.1 测试场景及参数设置 Veins 仿真平台通过耦合交通仿 真器 SUMO 和网络仿真器 OMNeT+10实现对车联网环境的模拟。 本文分别按表 1 和表 2 设置 SUMO 中 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 15 道路仿真参数和车流参数，按表 3 和表 4 设置 OMNeT+中 DSRC 基本参数和 LTE 基本参数11 。 2.2 测试结果与分析 本节与基于 RSSI12?13的异构 网络垂直切换方法进行对比分析：通过 分析车辆行驶过程中网络切换的持续时 间和切换跳数，对比分析切换机制的性 能；通过设置网络跳数Nhop和连接次 数Nlink阈值，对比使用不同判决参数 时的切换算法性能。 首先通过对比车辆在不同切换机 制下处于通信网络中的时间，研究不同 切换机制下网络的稳定性。图 7，图 8 分别表示将网络跳数和连接次数的阈值 均设为 2，在不同车流密度和不同车辆 速度的情况下，基于本文切换算法和基 于 RSSI 切换算法接入 4G 和 DSRC 网 络的持续时间。 测试结果表明，当车辆速度相同、 网络跳数和连接次数的阈值相同时，使 用本文切换算法的持续时间比基于 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 16 RSSI 切换算法的持续时间长。这是因 为本文算法由 4G 切换至 DSRC 网络的 过程中能够实现与 RSU 的多跳连接。 同时可以看到，随着车辆速度的增加， 两种切换机制下处于 DSRC 网络中的时 间均有所下降；然而基于 RSSI 的切换 算法中持续时间的下降速度最快，受车 速的影响很大，而本文算法降幅相对较 小，因为本文算法扩展了网络的覆盖范 围。此外，对于本文算法而言，车流密 度的增加会降低节点处于 DSRC 网络的 时间，这是因为车流密度的增加使得车 辆间距变小，而Nhop 不变，故扩展的 DSRC 覆盖范围相比车辆密度较低时要 小，考虑到车辆的行驶速度不变，因此 缩短了车辆与 DSRC 网络连接的时间。 切换跳数是衡量垂直网络切换算 法的又一个重要参数，切换跳数越高， 则切换过程中越有可能发生“乒乓效应” 。 由于本文切换算法在接入 DSRC 时均只 考虑网络跳数，因此，首先研究网络跳 数阈值的设置对车辆由 4G 切换至 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 17 DSRC 网络时的切换跳数的影响。图 9 为不同车辆行驶速度和密度、不同网络 跳数阈值条件下车辆由 4G 切换至 DSRC 网络中的切换次数。 可以看到，在车辆行驶速度和车 流密度相同的情况下，车辆由 4G 切换 至 DSRC 网络的过程中，基于本文算法 进行网络切换的次数均小于基于 RSSI 切换算法的切换次数。这是因为基于 RSSI 的切换算法进行切换判决的条件 过于单一，车辆驶入路侧节点后需要反 复对这两种网络的信号强度进行比较； 而本文算法中，车辆一旦接收到 CM， 还需对Nhop 进行判定，只有小于阈值 才会完成切换。 另外，对于本文切换算法而言， 当网络跳数Nhop 的值变大（由 2 变为 3）时，车辆进行 4G 至 DSRC 的网络 切换的切换次数增加。这是因为阈值变 大，连接的稳定性会受到车辆移动的影 响，当转发车辆无法保持与 RSU 的网 j 连接时，部分子女节点也会断开与 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1