朱發(fā)財(cái)

(福州理工學(xué)院 科技處,福建 福州 350506)

0 引 言

信道分配是一種利用信道質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、業(yè)務(wù)量參數(shù)等條件對(duì)已占用資源進(jìn)行優(yōu)化配置的技術(shù)手段。DCA是常見(jiàn)的信道分配運(yùn)行設(shè)備,完全遵照通用移動(dòng)通信系統(tǒng)陸地接入執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn),可借助UE state transition傳輸結(jié)構(gòu)將真實(shí)的信道占用信息傳輸至中心處理主機(jī)。每一次信道的分配處理都使用一個(gè)完全獨(dú)立的按壓開(kāi)關(guān)發(fā)送頻率,且在執(zhí)行下一次分配指令時(shí),所有已出現(xiàn)的開(kāi)關(guān)發(fā)送頻率都保持為已占用狀態(tài)[1-2]。從數(shù)值角度來(lái)看,按壓開(kāi)關(guān)發(fā)送頻率總量極為巨大,且不論核心分配準(zhǔn)則如何變化,與頻率系數(shù)相關(guān)的基礎(chǔ)利用率都不會(huì)發(fā)生改變。這項(xiàng)技術(shù)目前主要應(yīng)用于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)搭建等多個(gè)領(lǐng)域。

目前已有專(zhuān)家學(xué)者提出了一些車(chē)聯(lián)網(wǎng)中的信道分配方法,如文獻(xiàn)[3]中提出的光載射頻-分布式天線系統(tǒng)(RoF-DAS，optical RF-distributed antenna system)的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)中信道分配方法,對(duì)應(yīng)急通信中的所有通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行降序排列,并通過(guò)提升網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量的方式控制端到端通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溌坟?fù)載情況。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于RoF-DAS架構(gòu)的車(chē)聯(lián)網(wǎng)信道調(diào)度方法,對(duì)以往的等間隔的信道分配調(diào)度方法進(jìn)行了優(yōu)化,結(jié)合RoF-DAS架構(gòu)和車(chē)輛密度變化實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信道的分配；文獻(xiàn)[5]提出了一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道動(dòng)態(tài)分配方法,針對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),對(duì)多址接入信道(MAC，multiple access channel)分配協(xié)議進(jìn)行改進(jìn),預(yù)留出控制信道對(duì)信息進(jìn)行封裝,并按照一定規(guī)則分配不同的數(shù)據(jù)信道。但隨著車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信數(shù)據(jù)總量的逐漸增加,同信道干擾問(wèn)題始終迫使網(wǎng)絡(luò)時(shí)延量和信息丟包率不斷升高,上述基礎(chǔ)信道分配方法已難以滿足使用需求。

為有效解決此問(wèn)題,本文提出一種新型的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)信道分配方法,通過(guò)搭建車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急環(huán)境、同步處理等步驟,將動(dòng)態(tài)信道分配方法調(diào)試至最佳應(yīng)用狀態(tài)。

1 車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境構(gòu)建

在PRIME拓?fù)渫ㄐ趴蚣艽罱ā?yīng)急協(xié)議連接、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)接收與發(fā)送3個(gè)主要步驟的支持下,完成車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的搭建。

1.1 PRIME拓?fù)渫ㄐ趴蚣?/h3>

車(chē)聯(lián)網(wǎng)PRIME拓?fù)渫ㄐ偶軜?gòu)包含并放式系統(tǒng)互聯(lián)通信參考模型(OSI,open system interconnection reference model)區(qū)、可編程邏輯控制器(PLC,programmable logic controller)區(qū)2大主體組成單元。其中,OSI模型區(qū)可以細(xì)化為應(yīng)用層、表示層、傳輸層、數(shù)據(jù)層等8級(jí)通信子組織。應(yīng)急協(xié)議作為車(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的唯一動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸載體,可自由穿梭于OSI模型區(qū)的組織結(jié)構(gòu)中,這樣的通信架構(gòu)形式既能滿足車(chē)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的定向傳輸需求,也能保證相關(guān)連接協(xié)議應(yīng)用服務(wù)要求[4]。PLC體系區(qū)作為OSI模型區(qū)的并列結(jié)構(gòu),包含邏輯鏈路控制(LLC,logical link control)層、MAC層、PLC層、自動(dòng)重傳請(qǐng)求(ARQ,automatic repeat-request)層4個(gè)主體子組織[5]。為了提升應(yīng)急協(xié)議在車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信環(huán)境中的靜態(tài)連接速率,2個(gè)OSI子組織只能對(duì)應(yīng)一個(gè)PLC自組織,且所有用于連接處理的通信協(xié)議都可自行選擇接入位置,以突出車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的自主連通能力。具體車(chē)聯(lián)網(wǎng)PRIME拓?fù)浼軜?gòu)如圖1所示。

1.2 應(yīng)急協(xié)議連接

車(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的應(yīng)急通信協(xié)議存在載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突避免(CSMA,carrier sense multiple access)、載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)(CSMA/CA,carrier sense multiple access with collision detection)、載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)(CSMA/CD,carrier sense multiple access with collision detection)、時(shí)分多址(TDMA,time division multiple access)4種連接狀態(tài)。隸屬于CSMA狀態(tài)下的車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急通信協(xié)議具備較強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)幀判斷能力,可以根據(jù)PRIME拓?fù)浼軜?gòu)中信道的綜合占比情況對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行載波監(jiān)聽(tīng)處理,并根據(jù)核心處理計(jì)算機(jī)的忙碌情況控制每次傳輸任務(wù)中的通信數(shù)據(jù)總量[6-7]。隸屬于CSMA/CA狀態(tài)下的車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急通信協(xié)議無(wú)向控制能力較強(qiáng),可對(duì)PRIME拓?fù)浼軜?gòu)傳輸大量的RTS報(bào)文,并以此為條件,確定后續(xù)的信道動(dòng)態(tài)分布比率。隸屬于CSMA/CD狀態(tài)下的車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急通信協(xié)議，不可以對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行集中控制處理,但可以通過(guò)協(xié)調(diào)偏差數(shù)據(jù)幀的方式,將網(wǎng)絡(luò)信道的占用量調(diào)節(jié)至可控范圍。隸屬于TDMA狀態(tài)下的車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急通信協(xié)議，始終與已占用的動(dòng)態(tài)信道保持一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,即每一個(gè)分配操作都必須在該項(xiàng)應(yīng)急協(xié)議的輔助下進(jìn)行應(yīng)用[8-9]。完整的應(yīng)急協(xié)議連接原理如表1所示。

表 1 應(yīng)急協(xié)議連接原理表

1.3 車(chē)聯(lián)網(wǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送

車(chē)聯(lián)網(wǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)接收與發(fā)送處理是應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境搭建的重要物理環(huán)節(jié),可以輔助核心信道分配計(jì)算機(jī)進(jìn)行隊(duì)列消息壓縮操作。在信道處于空閑狀態(tài)時(shí),車(chē)聯(lián)網(wǎng)OSI模型區(qū)會(huì)建立多項(xiàng)消息控制區(qū)組織,并在其中詳細(xì)分析通信數(shù)據(jù)的目的動(dòng)態(tài)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址(IP,internet protocol address),在滿足應(yīng)急協(xié)議連接要求的基礎(chǔ)上,對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行退避發(fā)送處理,當(dāng)2項(xiàng)或2項(xiàng)以上應(yīng)急協(xié)議達(dá)到額定利用度上限時(shí),完成一次車(chē)聯(lián)網(wǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的發(fā)送處理,并以此時(shí)的信道占用量作為最大分配應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)[10-11]。對(duì)于車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的反向處理機(jī)制來(lái)說(shuō),當(dāng)信道分配計(jì)算機(jī)的發(fā)送數(shù)據(jù)總量達(dá)到額定限度條件時(shí),信道會(huì)由空閑轉(zhuǎn)變?yōu)榉泵顟B(tài),此時(shí)已建立的數(shù)據(jù)序列會(huì)自動(dòng)分解成多個(gè)不相關(guān)的信息節(jié)點(diǎn),并散亂分布在動(dòng)態(tài)信道的各個(gè)角落[12]。當(dāng)退避時(shí)間不再增長(zhǎng)時(shí),已分散的信息會(huì)再次集合成數(shù)據(jù)鏈形式,并借助已進(jìn)入空閑狀態(tài)的動(dòng)態(tài)信道進(jìn)入目標(biāo)計(jì)算機(jī),進(jìn)而完成一次車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收處理。完整的數(shù)據(jù)接收與發(fā)送流程如圖2所示。

圖 2 車(chē)聯(lián)網(wǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)接收與發(fā)送處理流程圖Fig.2 Flow chart of vehicle network dynamic data receiving and sending processing

2 應(yīng)急環(huán)境下動(dòng)態(tài)信道分配方法

在車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,按照多播樹(shù)信道節(jié)點(diǎn)選擇、分配轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)重計(jì)算、同步分配處理的操作流程,完成動(dòng)態(tài)信道分配方法的搭建。

2.1 應(yīng)急多播樹(shù)信道節(jié)點(diǎn)選擇

應(yīng)急多播樹(shù)是一種具備依附性的物理協(xié)調(diào)組織,可以在車(chē)聯(lián)網(wǎng)動(dòng)態(tài)信道分配過(guò)程中,對(duì)相關(guān)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)配比處理[13-14]。作為動(dòng)態(tài)負(fù)載調(diào)節(jié)成分,應(yīng)急多播樹(shù)包含一個(gè)初級(jí)節(jié)點(diǎn)和多個(gè)下級(jí)附屬節(jié)點(diǎn)。其中,初級(jí)節(jié)點(diǎn)直接與車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的處理主機(jī)相連,在接收信道分配指令數(shù)據(jù)的同時(shí),部署下級(jí)節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)排列形式。所有下級(jí)附屬節(jié)點(diǎn)都具備集中分配和單獨(dú)分配2種連接形式,既能在信道分配過(guò)程中保持良好的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力,也能更好適應(yīng)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的連環(huán)傳輸行為[15]。如圖3所示,清晰反映了完整的應(yīng)急多播樹(shù)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。

圖 3 應(yīng)急多播樹(shù)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Emergency multicast tree structure

(1)

2.2 信道分配轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)重計(jì)算

(2)

式中:p為信道節(jié)點(diǎn)的平均分配占用量;χ為通信網(wǎng)絡(luò)信道的動(dòng)態(tài)分配比。在此基礎(chǔ)上,設(shè)Δx為已占用信道中的通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)變化量,N為固定分配節(jié)點(diǎn)的數(shù)量級(jí)參數(shù),利用上述變量,可將信道分配的轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)重表示為

(3)

式中:f為車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)信道分配指標(biāo)的平均數(shù)量算子;g為信道節(jié)點(diǎn)的常項(xiàng)分配系數(shù)。

2.3 動(dòng)態(tài)信道的同步分配處理

同步處理是車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)信道分配方法搭建過(guò)程中的唯一信息細(xì)化流程,可以按照應(yīng)急多播樹(shù)傳輸結(jié)構(gòu),對(duì)所有信道節(jié)點(diǎn)所處位置進(jìn)行重新調(diào)節(jié)分配,以保證車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)始終具備較強(qiáng)的信道分配能力[18]。在車(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中,當(dāng)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)具備良好的數(shù)據(jù)傳輸能力時(shí),PRIME拓?fù)浼軜?gòu)會(huì)根據(jù)相關(guān)信道節(jié)點(diǎn)所處位置,選擇最為適宜的應(yīng)急通信協(xié)議,并以此為依據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收或發(fā)送處理,再利用應(yīng)急多播樹(shù)組織計(jì)算相關(guān)信道節(jié)點(diǎn)的匹配信息,當(dāng)信道分配轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)重?cái)?shù)值達(dá)到理想標(biāo)定區(qū)間時(shí)開(kāi)啟所有未進(jìn)入占用情況的網(wǎng)絡(luò)信道,并在滿足車(chē)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸需求的前提下,完成網(wǎng)絡(luò)信道的動(dòng)態(tài)分配操作[19-20]。至此,完成車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)信道分配方法的搭建,具體的信道同步分配原理如圖4所示。

圖 4 動(dòng)態(tài)信道同步分配原理圖Fig.4 Synchronous distribution diagram of dynamic channels

3 測(cè)試與分析

為驗(yàn)證車(chē)聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)信道分配方法的有效性,設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。將車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)信道分配方法與文獻(xiàn)[3]中的基礎(chǔ)信道分配方法作對(duì)比,用以驗(yàn)證本文方法的有效性。以2臺(tái)配置相同的PC主機(jī)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,分別令其搭載本文的動(dòng)態(tài)信道分配方法和文獻(xiàn)[3]的基礎(chǔ)分配方法。其中,本文方法為實(shí)驗(yàn)組,文獻(xiàn)[3]方法為對(duì)照組。在其他影響因素不變的條件下,分別記錄應(yīng)用實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組分配方法后,相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化情況。

3.1 前期測(cè)試準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)在Matlab模擬仿真軟件中進(jìn)行,以Windows為應(yīng)用平臺(tái)。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性,實(shí)驗(yàn)設(shè)備配置和實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定如下:實(shí)驗(yàn)主機(jī)為PC主機(jī),通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定級(jí)別為V級(jí),車(chē)聯(lián)網(wǎng)響應(yīng)率為99.99%,實(shí)驗(yàn)時(shí)間為100 min,通信數(shù)據(jù)總量為8.0×1013T,通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急系數(shù)為0.61,理想網(wǎng)絡(luò)時(shí)延量為8～13 ms,通信數(shù)據(jù)傳輸系數(shù)為0.29,理想信息丟包率低于50%。出于公平性考慮,實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組實(shí)驗(yàn)參數(shù)始終保持一致。

3.2 通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延量對(duì)比

在通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急系數(shù)等于0.61的條件下,記錄車(chē)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)總量達(dá)到8.0×1013T之前,實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組的PC主機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延量的變化情況。詳細(xì)實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表 2 通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延量對(duì)比表

從表2可知,在整個(gè)實(shí)驗(yàn)的前半部分,實(shí)驗(yàn)組通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延量始終保持穩(wěn)定上升的變化趨勢(shì),數(shù)值結(jié)果達(dá)到4.96 ms后,開(kāi)始出現(xiàn)小幅度的波動(dòng)趨勢(shì);實(shí)驗(yàn)后半部分,實(shí)驗(yàn)組通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延量始終保持穩(wěn)定下降的變化趨勢(shì),但波動(dòng)一直較小,而對(duì)照組的通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延量持續(xù)上升,當(dāng)數(shù)值結(jié)果達(dá)到12.46 ms時(shí),開(kāi)始出現(xiàn)明顯的水平狀態(tài)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)組的通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延量均低于理想?yún)^(qū)間的下限數(shù)值。對(duì)照組通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延量總是出現(xiàn)階段性的穩(wěn)定狀態(tài),但整體變化幅度始終不可控,整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)值結(jié)果雖然都處在理想?yún)^(qū)間內(nèi),但與實(shí)驗(yàn)組相比數(shù)值結(jié)果提升明顯。綜上可知,車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)信道分配方法在應(yīng)急系數(shù)等于0.61物理?xiàng)l件下,具備控制網(wǎng)絡(luò)時(shí)延量上升幅度的能力。

3.3 車(chē)聯(lián)網(wǎng)信息丟包率對(duì)比

在通信數(shù)據(jù)傳輸系數(shù)等于0.29的條件下,記錄100 min內(nèi),實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組的車(chē)聯(lián)網(wǎng)信息丟包率的變化情況。實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

圖 5 車(chē)聯(lián)網(wǎng)信息丟包率對(duì)比圖Fig.5 Comparison of car network information packet loss rate

從圖5可知,對(duì)照組車(chē)聯(lián)網(wǎng)信息丟包率呈現(xiàn)較為明顯的兩極分化情況,最大值88.63%與最小值39.51%間的差值達(dá)到49.12%;而實(shí)驗(yàn)組計(jì)算機(jī)車(chē)聯(lián)網(wǎng)信息丟包率則呈現(xiàn)較為集中的分布狀態(tài),最大值35.23%與最小值15.70%間的差值僅達(dá)到19.53%,遠(yuǎn)低于對(duì)照組,且實(shí)現(xiàn)丟包率低于50%的理想狀態(tài)。綜上可知,車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)信道分配方法在傳輸系數(shù)等于0.29的條件下,具備迫使信息丟包率不斷下降的能力。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)信道分配方法存在的同信道干擾問(wèn)題,并在減小網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的同時(shí)控制信息丟包率,在車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,建立完善的PRIME拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),選擇適宜的應(yīng)急多播樹(shù)信道節(jié)點(diǎn),通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)重計(jì)算、信道節(jié)點(diǎn)選擇等步驟,建立一種新型的動(dòng)態(tài)信道分配方法。從信息丟包率、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延量看,該動(dòng)態(tài)信道分配方法不僅可以削弱車(chē)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸受到同信道干擾的影響,也能在一定程度上鞏固應(yīng)急協(xié)議的連接過(guò)程,具有較強(qiáng)的實(shí)用意義。