基于异质链路联动切换的V2I_V2V协作传输策略.pdf

CNATURASCIENCEMar.,20232023年3月JOURNALOFNANJINGUNIVERSITYVol.59,No.2第59 卷第2 期南京大学学报（自然科学）DOI:10.13232/ki.jnju.2023.02.018基于异质链路联动切换的V2I/V2V协作传输策略刘鑫一，狄陈琪*，徐志麟（长安大学信息工程学院，西安，7 10 0 6 4）摘要：随着新一代无线通信技术的发展和交通业务需求的不断增长，车联网（InternetofVehicle，I o V）作为智能交通领域的重要组成部分得到了快速发展.车辆在高速行驶过程中位置分布的随机性导致IoV网络拓扑结构变化频繁，对用户的信息传输造成极大的影响，针对基础设施稀疏部署的高速公路场景，提出一种基于异质链路联动切换的车与基础设施之间（Vehicle-to-Infrastructure，V2 I）、车与车之间（Vehicle-to-Vehicle，V2 V）的协作传输策略，根据车辆之间的分布距离对V2V的通信链路质量进行分析，并在动态场景下对链路进行联动切换；研究车辆密度对于车辆分布的影响，推导出IoV网络吞吐量的封闭表达式；为了进一步了解数据交付的情况，将V2I过程和V2V过程进行分离讨论，获得了数据交付时延的封闭表达式.仿真结果表明，在基础设施稀疏部署的高速公路场景中，提出的策略能提高系统的网络吞吐量，降低交付时延，关键词：车联网，协作策略，车与基础设施/车与车，吞吐量，交付时延中图分类号：TN929.5文献标志码：AA V2I/V2V cooperation transmission strategy based onlinkage switching of heterogeneous linksLiu Xinyi,Di Chenqi,Xu Zhilin(School of Information Engineering,Changan University,Xian,710064,China)Abstract:With the development of the new generation of wireless communication technology and the continuous growth oftraffic business demand,Internet of Vehicle(IoV),as an important part of intelligent transportation field,has been rapidlydeveloped.The random location distribution of vehicles in the process of high-speed driving leads to frequent changes in thetopology of IoV network,which greatly affects the information transmission of users.In this paper,a Vehicle-to-Infrastructure(V2I)and Vehicle-to-Vehicle(V2V)cooperative transport strategy based on heterogeneous link linkage switchover isproposed for the expressway scenario with sparse infrastructure deployment.In this paper,the quality of V2V communicationlink is analyzed according to the distributed distance between vehicles,and link linkage switch is carried out in dynamicscenarios.The influence of vehicle density on vehicle distribution is studied and the closed expression of IoV networkthroughput is derived.In order to furtherly understand the situation of data delivery,this paper discusses V2I process andV2V process separately,and obtains the closed expression of data delivery delay.The simulation results show that thisstrategy improves the network throughput and reduce the delivery delay of the system in the expressway scenario with sparseinfrastructuredeployment.Key words:Internet of Vehicles,cooperative strategy,Vehicle-to-Infrastructure/Vehicle-to-Vehicle,throughput,datadelivery delay基金项目：国家重点研发计划（2 0 2 0 YFB1807001），陕西省重点研发计划（2 0 2 2 GY-105），陕西省创新能力支撑计划（2 0 2 1KJXX-102）收稿日期：2 0 2 2 一11一14*通讯联系人，E-mail:352第59 卷南京大学学报（自然科学）车联网（Internetof Vehicle,IoV)技术的快速发展，不仅降低了发生交通事故和交通拥堵的概率，而且能为不同类型的用户提供不同满意度的流媒体服务，特别是视频音频、导航地图等大文件数据的流畅下载，极大地提高了车辆用户的体验满意度 然而，在真实的高速公路场景中，由于部分路段的地理位置处于偏远地区，受使用效率和投资成本等因素的限制，对高速公路周边的基础设施进行密集部署会造成严重的资源浪费 2-3，需要用多种技术手段来保障网络的服务质量.为了达到使用效率、投资成本和服务质量之间的均衡，车与车（Vehicle-to-Vehicle，V2 V)之间、车与基础设施（Vehicle-to-Infrastructure，V2 I)之间的协作传输技术作为IoV的重要组成部分，已被广泛应用于提高车辆用户数据下载的吞吐量 4-5,V2I传输技术可以为车辆用户提供稳定的通信链路和良好的服务质量，但传输能力严重依赖于无线接人点等基础设施的部署情况。对于目前车辆用户呈线性分布的高速公路，仅依靠V2I传输技术需要提高基础设施的发射功率或增加基础设施的数量来保证信号覆盖率，在车流量不大时经济性和实用性较低 6 1.V2V传输技术易实现，成本低廉，便于车辆之间的信息交互和数据传输，但传输容量受限于相邻车辆之间的距离，当相邻车辆之间的距离增大时传输能力快速下降 7 .因此，在基础设施稀疏部署的高速公路场景中，如何设计科学合理的V2I/V2V协作传输策略成为IoV技术的研究热点：为了通过V21/V2V协作传输来提高IoV的网络吞吐量，一些研究人员针对单跳和多跳的中继传输方法进行了深人研究.单跳中继是一种由发射机发射数据，只需经过一次中继的携带-存储-转发就可到达接收机的技术，当前的研究重点主要聚焦于设计高效的动态协作策略（DynamicCooperative Strategy,DCS).Chen et als)提 出一种具有单跳中继的DCS,将与车辆用户行驶方向相反的所有车辆作为中继车辆来提升车联网用户的吞吐量.Chenetal还将此问题扩展到一个普适的场景中，在引人延迟容忍的基础上提出一种优化基础设施部署的方法，并推导出有限车辆密度下V2I/V2V协作网络可实现的吞吐量 10 1.Liuetal1提出一种在单跳中继的模型中对反向车辆进行弹性分区的划分策略来达到提升吞吐量的目的.Wangetal12)提出一种用于双向放大转发中继网络的协作多跳传输策略，不仅增加了传输范围，还提高了路由效率.Feteiha and Ahmed13将多跳中继扩展到高速公路上的车辆通信，推导出端到端数据传输错误率的上界.为了最小化车辆行驶到未被信号覆盖区域引起的通信中断时长，Siddigetal14提出一种节能的全双工协同存储-转发策略，利用中继车辆的同时收发能力来提高中继车辆与目标车辆之间的有效通信时间，也提高了目标车辆来自系统网络的数据下载吞吐量与单跳中继传输方法相比，多跳中继传输方法在具有更大的扩展性的同时，也会增加数据传输错误的概率以及增加数据交付时延.为了满足车辆用户通过IoV网络下载大数据文件（如流媒体文件、多媒体文件等）的需求，由于系统产生的数据交付时延较长，这对IoV网络的吞吐量提出了更高的要求.Zhouetal15以协作集群中的每个车辆为中继，从基础设施下载与目标车辆相同的文件来确保下载文件的成功率.为了提高IoV系统的吞吐量，Chenetal将需要下载的大文件划分为多个数据块，让反向车道的每辆中继车下载不同的数据块，当中继车辆与目标车辆相遇时，再将携带的数据转发至目标车辆.Chenetal16利用车辆协作卸载网络的剩余资源形成资源池，并提出一种模糊协作卸载策略，每辆中继车携带不同的数据块，将资源池在车辆间进行分配，从而提高IoV网络的吞吐量.另外，Nguyenetal17选择目标车辆后方的来车作为中继，提出一种V2I/V2V动态协作传输策略，扩大了目标车辆被信号覆盖的区域.在以往的研究中，由于高速公路中车辆的高速移动使通信链路持续时间短、容易断裂，V2V链路的切换通常使用固定的策略，即当车辆间的距离大于V2V的有效传输距离时，V2V之间的通信链路便会断开，同时新的V2V通信链路开始建立(9-10.14.由于车辆密度以及路径损耗的影响，固定的V2V链路切换模式对车辆用户数据下载的吞吐量产生了一定的影响，为了提高用户数据下353第2 期刘鑫一等：基于异质链路联动切换的V2I/V2V协作传输策略载的吞吐量，针对V2V链路切换的问题函待解决，对于双向多车道，由于道路情况的不可确定性和复杂性，时常出现双向车道之间距离过远或逆向车道无法通车的情况，因此利用逆向车道的车辆来携带-储存-转发数据的V2I/V2V协作传输策略不再可靠.为了解决逆向车道的车辆无法被使用的问题，本文在单向双车道的场景中充分考虑车辆密度，提出一种基于异质链路联动切换的V2I/V2V协作传输策略来提高车辆用户数据下载的吞吐量.本文的主要贡献：(1)将链路切换问题视为V2I/V2V协作策略研究的重点，提出一种基于异质链路联动切换的V2I/V2V协作策略，在高速公路场景中提高目标车辆数据下载的吞吐量，降低数据的交付时延.(2)通过分析车辆分布特性，获得V2V的最佳切换方案，并制定了中继车辆的连接标准，使车辆用户可以从中继车辆中获得更多的数据。（3)提出一种新型的分析模型来研究V2I/V2V协作策略下的数据传播过程，推导出车辆用户数据下载可实现的吞吐量和数据交付时延的封闭表达式，为后续相关研究提供理论基础.仿真结果表明，本文提出的基于异质链路联动切换的V2I/V2V协作策略在提高车辆数据下载吞吐量和降低数据交付时延方面，和以往研究中固定信道切换策略相比，具有明显的优越性.1系统模型本文只考虑基础设施中无线基站提供的无线网络，后文中使用无线基站来表示基础设施。假设在一个拥有单向双车道的高速公路场景中，道路两侧均匀部署无线基站,其高度为h,设立在距离道路的位置.所有无线基站的最大有效覆盖范围（半径）为rt，每个无线基站可通过无线或者有线方式连接至核心网.L为两个相邻的无线基站之间未被基站所提供的网络覆盖的路段长度，则相邻无线基站之间的距离为L十2/n一m-h.由于无线基站之间间隔的距离足够大，所以不会出现无线基站之间相互干扰的情况，如图1所示，假设每个车辆用户仅携带一根传输天线用于Internet能够被基础设施无法被基础设施能够被基础设施覆盖的范围盖的范围覆盖的范围V21中继车辆中继车辆中继车辆P21221L图1基础设施（无线基站）被稀疏部署的高速公路模型Fig.1Highway model with sparsely deployed infra-structures(wireless base stations)发射和接收数据，不能同时作为发射机和接收机.为了避免V2I链路和V2V链路之间的相互干扰，分别给V2I链路和V2V链路分配不同的信道，并在V2V链路中通过协议控制来避免车辆用户间的同频干扰.本文主要研究车辆用户从无线基站下载数据的场景，不考虑上行链路.由于无线基站给用户提供了更高质量的服务，因此建立V2I链路的优先级大于V2V链路，即当目标车辆进入无线基站的覆盖范围即建立V2I链路，若有V2V链路则断开V2I链路，在通过V2I链路和V2V链路传输数据的过程中，假设接收信号强度的变化只取决于车辆的位置变化.一般地，数据瞬时传输速率随着车辆与无线基站（两个车辆之间)的距离的增大而减弱,这里采用衰减指数来代替标准路径损耗公式 18 .处于无线基站覆盖范围内的车辆采用单播方式建立V2I链路，从无线基站下载数据.处于未被无线基站覆盖范围的车辆同样采用单播传输方式建立V2V链路相互连接，所有车载设施能达到的覆盖范围（半径)为ro，当且仅当发射端与接收端（车与无线基站/车与车）的欧氏距离不大于最大覆盖范围（ri,ro)时，两者才可以建立传输链路.本研究忽略了路径损耗以外的物理层细节，重点研究交通网络对车辆用户数据下载吞吐量的影响由于车载设施和无线基站能达到的最大覆盖范围都远远大于道路的宽度和车辆的长度，且rro,所以忽略道路的宽度和车辆的长度,将该道路的两端设置为车流量的人口和出口假设目标车辆以速度u(ms-)匀速行驶至该路段，将目标车辆所在的车道定义为慢车道，与目标车辆354第59 卷南京大学学报（自然科学）行驶方向相同且平均速度高于该车道的车道定义为快车道，快车道中的车辆密度为每米2，以2(ms-)通过该路段，且2 1一些研究证实指数分布式的车距能反映真实的交通分布 7-10 ,因此假设快车道中车辆的数量服从泊松分布，车辆之间的距离呈指数分布。快车道中的所有车辆作为中继车辆承担数据的携带-储存-转发任务。2基于异质链路联动切换的V2I/V2V协作传输策略在多车道的高速公路中，假定目标车辆通过无线基站请求从远程服务器下载一个大文件，远程服务器会将大文件数据包划分为多个数据块传输至无线基站.目标车辆处于无线基站覆盖范围内时会首先选择与无线基站建立V2I链路来下载数据块，但当目标车辆驶出无线基站覆盖范围后V2I链路将无法使用.此时，与目标车辆处于同向快车道中的车辆会被选择为中继车辆，提前在无线基站覆盖范围内下载目标车辆还未下载完成的数据包，在目标车辆离开无线基站覆盖范围且尚未到达下一毗邻的无线基站覆盖范围期间，目标车辆选择与中继车辆建立V2V链路持续下载未完成的数据.本文根据传输链路的不同质量，采取联动切换的V2V链路切换方式，即根据道路环境中的车辆密度以及车辆位置对链路质量的影响，动态合理地联动切换V2V链路.用户接收信噪比是衡量链路质量的一个重要因素，能直观地展现链路质量的优劣.本文以目标车辆在某个位置的接收信噪比来表示V2V链路质量，即目标车辆通过V2V链路下载数据时，如果存在比连接状态具有更高信噪比的V2V链路，目标车辆会断开已连接的V2V链路，重新建立具有更高接收信噪比的V2V链路.通过分析，在发射功率不变的情况下，发射机和接收机的传输距离增加，信噪比也随之下降，因此，只有目标车辆与两辆中介车辆的接收信噪比相等时才是最佳切换点，如式（1)所示：SNR,=SNR;+1PvPyd,-Bd(1)NNi+1d,=di+1其中，SNR，为目标车辆从第i辆中继车辆接收数据的信噪比，SNRi+1为目标车辆从第i十1辆中继车辆接收数据的信噪比，Pv为中继车辆的发射功率，N为目标车辆所接收到的噪声功率，d,为目标车辆与第i辆中继车辆的距离，di+1为目标车辆与第i十1辆中继车辆的距离.则链路联动的最佳切换点可由比较接收信噪比转换为比较车辆之间的间隔距离，且V2V最佳的链路切换距离为Ed2,其中,Ed为车辆之间的平均距离.目标车辆通过V2V链路下载数据的详细过程如下：（1)目标车辆与同向快车道中的车辆建立V2V链路下载数据，如图2 a所示；（2）当相邻两辆中继车辆之间的车距小于或等于2 r且目标车辆处于两辆中继车辆中心位置时，目标车辆断开已连接状态的中继链路，同时与下一辆中继车辆建立新的V2V链路，如图2 b所示，此时的V2V传输范围为Ed/2；（3)当相邻的两辆中继车辆之间的距离大于2 r。且目标车辆与处于现连接状态的中继车辆距离达到V2V最大传输范围时，目标车辆断开V2V链路，保持无连接状态，直至到达与下一辆中继车辆能建立V2V链路的位置或者驶人下一个无线基站的覆盖范围，如图2 c和图2 d所示，此时V2V的传输范围为最大传输范围.综上所述，本文制定了异质链路联动切换的准则：(1)待连接车辆行驶方向与正处于连接状态的中继车辆相同，且跟驰在正处于连接状态的中继车辆的后方，（2）当待连接车辆和正处于连接状态的中继车辆之间的距离小于或等于2 r。时，目标车辆继续行驶并保持连接，直到目标车辆与待连接车辆的距离等于目标车辆与正处于连接状态的中继车辆之间的距离，断开V2V连接并与待连接车辆建立连接.（3）当待连接车辆和正处于连接状态的中继车辆之间的距离大于2 r。时，目标车辆继续行驶并保持连接，直到目标车辆与正处于连接状态中继车辆之间的距离超出最大传输范围ro，则断开V2V链路.目标车辆随后处于无连接状态直到目标车辆与待连接车辆的距离达到最大传输范围ro时，立刻建立V2V链路.355第2 期刘鑫一等：基于异质链路联动切换的V2I/V2V协作传输策略Ed,2r,l/Ed,-2rg(a)VEa,2r(c)断开先连接状态YoEd.2r(d)V图2目标车辆通过V2V链路下载数据的过程Fig.2The process of the target vehicle downloadingdata through V2V links3性能分析3.1老吞吐量分析将IoV系统的吞吐量作为衡量联动切换策略优越性的性能指标.假设目标车辆请求下载一个大文件，根据建立的道路模型，目标车辆通过依次循环建立的V2I和V2V链路分别从无线基站和中继车辆获得数据.将目标车辆进人无线基站覆盖范围到目标车辆进人相邻无线基站覆盖范围的过程定义为一个周期.任意选择时间间隔 0,，目标车辆V接收的数据量为C(t),包括从无线基站和中继车辆接收的数据，则吞吐量定义为：C(t)n=lim(2)t80t若S表示该路段的路长，存在tS/u.由于目标车辆会通过V2I和V2V两个过程来获得吞吐量，式（2）可以转化为：vi(Ci+Cv)SXSL+2/r?-h2-m2(3)i(Ci+Cv)L+2/r?-h-m2其中,C和Cv分别是目标车辆V在一个周期内通过V2I和V2V连接方式接收的数据量.3.1.1V21通信目标车辆V处于无线基站的覆盖范围内将只使用V2I通信，因此，目标车辆在一个周期内从基础设施接收的预期数据量C为：2PB:log2d=CU1/h2+m2N2/rz-h2-m2PB,log222mdsN(4)其中,B,为V2I链路的带宽,PI为基础设施的发射功率，N为目标车辆在高速公路场景下接收到的噪声功率，且在该场景下接收的噪声功率始终不变，为目标车辆与基础设施之间的距离.本文的应用场景是基础设施稀疏部署的高速公路，大多在郊区和农村地区，道路两侧障碍物较少，多径效应影响甚微，可以忽略不计.针对小尺度衰落和多普勒效应，可以通过一些物理层技术（如分集）来缓解由于本文策略不是基于瞬时接收功率而是基于平均接收功率，所以只考虑路径损耗而不是小尺度衰落.路径损耗指数表示路径衰落的快慢，其值越大，路径衰落的速度越快，根据Duand Daol18,设置路径损失指数为2 6,在这个范围内选取一个合理的值.基于本文的应用场景，发射机和接收机之间不会出现物体的遮挡，因此认为数据在一个近似的自由空间中传输.综上所述，将路径损失指数设置为2.通过式（4)可以得出目标车辆通过V2I链路获得的数据量C为：P2Bl?-h2-mr?-h?-mInNCi1-2/h?+marctan0iln2r+h2h2+m(5)ri-h2-ma2/h+m+arctanh2+m+1L3.1.2V2V通信由于一为车辆在无基站覆盖E(d)下的行驶时间为单个V2V的传输时0201间，目标车辆V通过V2V从中继车辆中获得的数据量Cv的表达式为：L(02Cv=Ec(6)Edu证毕U2B1BBv,PPv.因为B远大于Bv且U2356第59 卷南京大学学报（自然科学）其中，r1为该策略下V2V链路的最大传输范围，EC为在V2V最大传输范围为ri时目标车辆V通过一次建立V2V链路从中继车辆获得的平均数据量.中继车辆携带的数据通过V2V传输至目标车辆的过程中可能出现数据耗尽的情况，即中继车辆和目标车辆处于连接状态，但中继车辆已经没有目标车辆所需的数据，通过定理1可以证明，在该策略的假设下上述情况不会发生。定理1在本文提出的异质链路联动切换的V2I/V2V协作传输策略中，V2I能够给中继车辆提供的数据量大于V2V过程中中继车辆传输给目标车辆的数据量.证明由于高速公路上的车辆密度小于城市道路，模型中的中继车辆有足够的带宽接收来自无线基站的数据.根据式（4）可知，中继车辆通过V2I从基础设施中获得的数据为：2B2-h2-m2Plog252+h+m)-1ds2N(7)目标车辆通过V2V可以从中继车辆中获得的最大数据量C为：2BvPv1og21dy(8)02U1N其中,Bv为V2V链路的带宽,Pv为中继车辆的发射功率，为目标车辆与中继车辆之间的距离，且Bv,因此,CiC.U2一U1综上，目标车辆将遇到的所有中继车辆都有足够的数据发送给目标车辆。为了简化计算过程，采用车辆间距均匀化的思想，即将不确定的车辆间距划分为均匀的间隔距离 17 .由于车辆到达服从泊松分布，所以车辆之间的平均间距Ed可以表示为：Ed=Jdf(d)dd=dp2e-paldd=0(9)121202PvCV=21Bvlog2(10)dyN011(1)情况a:p2，如图32r02ro所示，车辆的平均间距Ed2ro.根据本文策略的中继车辆连接标准，V2V连接距离等于V2V最大有效传输范围，即ri=ro.结合式（9)和式（10），情况a时目标车辆通过V2V链路获得的数据量CV可以表示为：2LBvP1P2LLUiln2P22P元2arctan(11)NN2Ed2%L(v2-H)图3目标车辆从中继车辆中获得数据(情况a)Fig.3The target vehicle obtains data from the relayvehicle(Situationa)1(2)情况b:022roL，此时，2ro2r车辆的平均间距Ed2ro，如图4所示.根据本文所提策略的中继车辆连接标准，V2V连接距离ri为：11(12)222Ea21%Z(-)图4目标车辆从中继车辆中获得数据(情况b)Fig.4The target vehicle obtains data from the relayvehicle(Situation b)结合式（10）和式（12），情况b时，目标车辆通过V2V链路获得的数据量C可以表示为：357第2 期刘鑫一等：基于异质链路联动切换的V2I/V2V协作传输策略2LBvIn92LU1P(13)PvP2arctan2NNP22.1.3吞吐量综上所述，在周期内目标车辆通过IoV网络可获得的吞吐量分别表示为：2B1P./N2/b arctanaarctan+2/a)Ir2+h26n(14)2LBvPP元arctanNN22LLUiln22B1P/Na2/66arctan21arctan+h262LBvn02L2NL2LUiIn2OPvP元2arctan2(15)NN2其中,a=r?-m一h,b=m十h,c=m+Ph?+，而n，n 分别代表不同情况下车联网的N平均吞吐量目标车辆下载数据的过程中获得的平均吞吐量表示为：112roL1n，P22roL+2ro(16)1122roLeL+2r2ro3.2交付时延分析交付时延表示目标车辆从开始接收数据到接收数据完毕所耗费的时间，能直观地反映系统性能的优劣 19,本文主要分析目标车辆通过所提策略从请求下载数据到下载数据完毕期间的交付时延问题.假设每个V2I/V2V链路在传输过程中有恒定的数据传输速率，即使用在传输过程中V2I/V2V链路的平均数据传输速率来替换瞬时传输速率，可以简化这个问题假设目标车辆所需下载的数据量为VT，经过n个完整周期之后，剩余的数据量V.为：(Ci+Cv)(17)VCi+Cv其中，L表示向下取整，根据车辆密度的分布：P212roLL+12ro2roCV11cP22r2roLL+e2ro根据车辆的行驶距离，目标车辆经过一个周期使用的时间T。为：L+2/r-m-hT。=(18)U1(1）如果目标车辆所需下载的数据量V.CI.在这种情况下，一个无线基站覆盖范围内无法完成数据的交付，需要通过V2V从中继车辆中获得剩余的数据包，所以在无线基站未覆盖范围期间提供的平均传输速率会受车辆密度的影响.下面主要从两种情况分别分析平均交付时延1情况a.22roLL，在这种情况下，在无线基站未覆盖范围期间，V2V能够给目标2ro2r车辆提供的平均传输速率l为：2BvPvD元arctan(21)N入112ln2根据式（17)和式（2 1)可以得出，目标车辆在情况a下数据的交付时延为：VT2/r?-m-h(V一C)VTL+2/r-m-h22/r?-m-hT2T。+Ci+C!U11Ci+C!U11.1U12Bv(V,-C.)PvP(22)元Varctan11NN2P2Lln22P211情况b.p2，此时，在无线基站未覆盖范围期间，V2V能够给目标车辆提供2ro2r的平均传输速率w为：2BvPIn12N?2ln 2PVPV元2arctan2NN22根据式（17)和式（2 3)可以得出，目标车辆在情况b下数据的交付时延为：359第2 期刘鑫一等：基于异质链路联动切换的V2I/V2V协作传输策略VT(V,-C.)VT2h22L+2.2m-h22m222一m?T3=T。-Ci+CU1Ci+CU112Bv(V,-Ci)2Pn2N11(24)P2L1n22PvP元2arctan2NN022因此，目标车辆完成数据的下载所产生的交付时延为：T1,V.CI11T2,V,C且p22roLT：2r02r(25)11T3，V.C 且p22roLL-2r02r04仿真与分析为了保证实验结果的准确性，使用Matlab2019对每次实验仿真运行10 0 0 次并取其均值。基础设施的高度h设置为2 0 m，无线基站距离道路的距离设置为30 m，其发射功率Pl设置为53dBm，最大有效覆盖范围为50 0 8 0 0 m.车辆的发射功率Pv设置为2 0 dBm，最大覆盖范围为10030 0 m，基础设施之间未被基础设施覆盖的范围为0 50 0 0 m.V2I链路的带宽B设置为50MHz，V 2 V 链路的带宽Bv设置为5MHz.接收端接收到的热噪声功率为一96 dBm,并在整个数据下载过程中保持不变.快车道中的车辆的行驶速度设置为2 0 ms-1，目标车辆（慢车道）的行驶速度设置为17 m?s-1.快车道中车辆密度2设置为每米0.0 0 5辆，V2V最大有效传输范围r。设置为2 0 0 m.如图5所示，系统网络可实现的吞吐量随着V2V传输区域的增大而减小，这是因为在同样时间内，目标车辆通过V2I链路从无线基站获得的数据大于通过V2V链路从中继车辆中获得的数据，在恒定的基础设施传输范围中，系统的传输效率受限于未覆盖的区域.在V2V最大有效连接范围不变的情况下，r1分别取50 0，6 0 0，7 0 0 和8 0 0 时，目标车辆进行数据下载可实现的吞吐量随着r的增加呈现递减的趋势，这是由于远距离传输造成的路径损22分析=50 020米仿真=50 018分析=6 0 0仿真=6 0 016分析=7 0 014.仿真=7 0 0一分析=8 0 012X仿真=8 0 0108642010002000300040005000未被基础设施覆盖的范围（m）图5不同的未被基础设施覆盖范围下可实现的吞吐量Fig.5Achieved throughput for different areas unco-vered by infrastructures耗会导致瞬时数据传输速率的降低.在无线基站覆盖范围的边界，较低的瞬时传输速率影响了整个下载过程的吞吐量，随着r的增大，目标车辆进行数据下载可实现的吞吐量受限于无线基站覆盖范围的边界，并且随着无线基站覆盖范围的增大，ri的影响效果会随之减弱.为了验证V2V最大有效连接范围r对可实现吞吐量的影响，将无线基站覆盖范围ri设置为600m，V 2 V 最大有效连接范围r设置为2 0 0,2 50和30 0 m，并且将快车道中车辆密度2设置为每米0.0 0 5辆.如图6 所示，吞吐量随着r的增大也会逐渐增大，但变化幅度微弱.这是因为没有被无线基站覆盖的范围内，随着V2V最大有效连接范围ro的增大，增加了目标车辆通过V2V链路下载数据的时长，尤其是在快车道车辆密度较低的情况下.由于路径损耗的影响，当r。较大且车辆的发射功率较低时，目标车辆虽然可以在未被无线基站覆盖范围内获得更多的数据量，但是获取数据量的提升较少。针对快车道中车辆密度的影响，将快车道中360第59 卷南京大学学报（自然科学）22F=50020=6005=70018F=8008.4168.21426508122700275010864100015002000250030003500400045005000道路长度（m)图6不同V2V最大有效连接范围内可实现的吞吐量Fig.6Achieved throughput for different V2V maxi-mum effective connection ranges车辆密度2设置为每米0 0.5辆，V2V最大有效连接范围r设置为30 0 m，无线基站覆盖范围r设置为50 0，6 0 0，7 0 0 和8 0 0 m，未被无线基站覆盖的范围设置为50 0 0 m.如图7 所示，目标车辆数据下载可实现的吞吐量随快车道中车辆密度的增加而增加，但吞吐量随无线基站覆盖范围ri的增加而降低.这是因为实验将未被无线基站覆盖的范围设置为固定值，随着无线基站覆盖范围r的增加，该路段的长度也随之增加，但无线基站覆盖范围的边界由于路径损耗的影响会导致较低的瞬时传输速率，导致吞吐量的降低。2520个=50 0(.S.qW)鲁和=60015F700=800105000.10.20.30.40.5快车道中的车辆密度（辆每米）图7不同的快车道车辆密度下可实现的吞吐量Fig.7Throughput achieved under different vehicledensities in the fast lanes如图8 所示，将V2V最大有效连接范围r。设置为0 30 0 m，无线基站覆盖范围设置为6 0 0 m，快车道中车辆密度设置为每米0.0 0 4，0.0 0 6，0.008和0.0 1辆.实验结果表明，随着V2V最大4.24.1L3.93.83.7P2=0.004P2=0.0063.6P2=0.008P2=0.013.53.4050100150200250300V2V最大有效传输范围（m）图8不同V2V最大有效传输范围内可实现的吞吐量Fig.8Throughput achieved in different maximumeffective transmission ranges of V2V有效传输范围的增大，目标车辆数据下载可实现的吞吐量会逐渐增大，最后趋于一个稳定值.而随着快车道中车辆密度的增加，可实现吞吐量也会增加.根据本文提出的策略，车辆密度的增加，V2V的连接范围也会随着车辆密度的变化动态变化，以此来提高系统网络可实现的吞吐量.为了验证提出的策略在同向单车道场景中对提升系统网络吞吐量的有效性，进行对比实验，如图9所示，将快车道中的车辆密度设置为每米0.05辆，V2V最大有效连接范围r。设为2 0 0 m，V2I最大有效连接范围ri设置为6 0 0 m.Chenetal8将反向车道中的所有车辆作为中继车辆，如果反向车道中的车辆传输受限或无法从反向车道中的车辆获取数据，则车辆用户在未被无线基站覆盖范围内无法获取数据.FeteihaandAhmed13利18本文策略16参考文献 8 参考文献 131412108642010002000300040005000未被基础设施覆盖范围（m）图9本文策略与其他方案的吞吐量比较Fig.9Throughput of the proposed policy and otheralternatives361第2 期刘鑫一等：基于异质链路联动切换的V21/V2V协作传输策略用与目标车辆在同向车道且跟驰在其后方的车辆充当临时基站的角色，负责数据的转发，但是可实现的吞吐量受到同一车道车辆密度的限制，无法根据车辆密度进行动态的调节，实验结果表明，本文提出的策略优于其他两种策略.将快车道中的车辆密度设置为每米0.0 0 4，0.008，0.0 2 和0.0 5 辆.为了验证提出的V2V动态切换的V2I/V2V协作策略能有效降低数据交付时延，假设存在一组0 1 0 0 0 0 Mb的数据需要传输，实验结果如图1 0 所示.随着待传输数据量的增加，完成数据交付的时延呈分段式有层次地增加.产生这种现象的原因是，目标车辆通过V2I链路从无线基站下载数据比通过V2V链路从中继车辆下载数据要快得多，假设目标车辆通过V2I链路从基础设施下载数据和通过V2V链路从中继车辆下载数据过程中的传输速率保持不变，为了保证假设的传输速率的合理性，以目标车辆通过V2I(或者V2V)下载数据的过程中的平均传输速率作为恒定的传输速率.3000P2=0.004P2=0.008P2=0.022500P2=0.0520001500100050000200040006000800010000待传输数据量（Mb)图1 0不同车辆密度下的交付时延分析Fig.10Delivery delay analysis under different vehicledensity当自变量为道路长度时，如图1 1 所示，目标车辆数据下载可实现的吞吐量整体变化趋势并没有发生变化，但是，随着r的增大，目标车辆数据下载可实现的吞吐量也随之增大，这是因为道路的长度已经被固定，无线基站覆盖范围r增大则目标车辆通过V2V链路接收数据的区域就会减小.由于目标车辆通过V2I链路从无线基站获得的数据要大于目标车辆通V2V链路从中继车辆中获得的数据，目标车辆通过V2V链路接收数据18T0=200-70=25016To=300144.3901(sqW)UT124.39104.38993728.73728.753728.88642010002000300040005000未被基础设施覆盖的范围（m）图1 1在不同的道路长度影响下可实现的吞吐量Fig.11Throughput achieved under the influence ofdifferentroadlengths的区域作为可实现的吞吐量的受限条件被减弱.所以，当道路长度被固定，目标车辆数据下载可实现吞吐量随着r增大而增大，5结论针对V2I/V2V协作传输策略中V