文摘
工业物联网(IIoT)是利用物联网(物联网)技术在制造业。车辆的ad hoc网络IIoT (VANETs)是一个典型的应用。受益于专用短程通信(简称DSRC)技术,车辆可以通过无线的方式相互交流。因此,道路安全是能够大大提高安全播出的消息,其中包含车辆的实时速度,位置,方向,等等。在现有的短距离,安全消息播放默认以固定的频率。然而,交通状况是动态的。这样,有太多的传输碰撞时车辆太密集,无线信道时未充分利用的工具太稀疏了。在本文中,我们解决广播在短距离交通拥堵问题和提出轻量级DSRC安全自适应广播(实验室)控制消息。实验室的目标是充分利用DSRC通道,避免拥堵。实验室满足两个关键的挑战。首先,很难采用集中的方法来控制分布式车辆的通信参数。 Furthermore, the vehicle cannot easily acquire the channel conditions of other vehicles. To overcome these challenges, channel condition is attached with safety messages in LAB and broadcast frequency is adapted according to neighboring vehicles’ channel conditions. To evaluate the performance of LAB, we conduct extensive simulations on different roads and different vehicle densities. Performance results demonstrate that LAB effectively adjusts the broadcast frequency and controls the congestion.
1。介绍
物联网(物联网)是一个生态系统连接的物理对象,如家用电器,汽车,和机器人,使他们有能力上网和相互沟通1]。工业物联网(IIoT)是一种应用物联网的制造业,这被认为促进制造业的发展(2]。IIoT也是行业的基础4.0 [3,4]。大量的现代技术集成到IIoT,比如云计算(5),无线网络(6)、人工智能(7),自驾车辆(8),和数据分析,使它更强大。车辆的特设网络(VANETs) (9IIoT)是一个典型的应用程序,使车辆能够相互通信。近年来,专用短程通信(简称DSRC) (10VANETs)是一个新兴的技术,它提供了车辆之间的通信能力(11]。据报道,连接汽车可以帮助避免车祸的74%,这将会拯救成千上万的生命,每年数十亿美元(12]。此外,美国联邦通信委员会(FCC)分配75 mhz授权频谱DSRC的5.9 GHz,可以专门用于vehicle-to-vehicle (V2V)和vehicle-to-infrastructure (V2I)通信13]。短距离微波频谱分为7通道和控制通道(CCH)是专门用于安全通信(14]。
定期播出的车辆的安全信息是改善道路安全的关键因素。让所有相邻车辆在传输范围内知道车辆的情况,这个飞行器广播安全信息在控制信道上的所有单跳车。这些安全信息提供详细信息,如速度,位置,方向,加速、制动状态等。15]。定期的安全消息广播,通常在一个固定的频率。默认周期为0.1秒(16),作为工业的建议。
与防撞DSRC使用载波监听多路访问(CSMA / CA)在MAC层基本多路存取方案(17]。当车辆在一个区域的密度过高,通道的安全信息和碰撞速度迅速增加。在这种情况下,车辆不能解码收到碰撞安全信息和车辆就很难知道邻居的状态。另一方面,当车辆密度相对较低,渠道是未充分利用的。充分利用频道资源,最好是如果车辆播放更多的安全信息。因此,广播的频率固定,不适合在动态交通情况。这个问题成为我们工作的动力。
为了解决这个问题,有两个挑战造成的DSRC广播机制。首先,车辆分布和相互独立的。所以很难使用一个集中的方法来控制播放了所有车辆的周期性。此外,由于车辆不知道其他车辆的通道条件,不容易设置一个准确的周期性只有个人信息。
在本文中,我们提出一个新颖的方法,命名轻量级的自适应广播(实验室)控制DSRC安全信息,充分利用通道,避免通道堵塞。实验室使用通道检测器评估信道条件,这些信息将被附加的安全信息。广播经理分析了邻居的信道条件和调整广播频率(广播频率代表安全消息摘要)的传输频率。这样,广播频率减少当车辆密度高和广播频率增加,当车辆密度很低。此外,挑战是克服在一个分布式的方式,因为车辆可以获取邻居的信道条件和做决定的周期性。
这项工作的贡献如下:(我)我们建议和研究的一个问题DSRC的广播频率安全消息应该仔细调整在动态交通情况。(2)我们提出一个新的轻量级自适应广播控制(实验室)框架DSRC安全信息。实验室是一个完全分布式方案和车辆广播他们的安全信息自适应地和有效地在任何情况下。(3)我们进行广泛的模拟来评估实验室。实验室性能结果表明是一种有效的广播方案。它适用于不同的车辆密度和平均收到安全消息3倍而DSRC标准方法。此外,它在10 s收敛于全局最优状态。
剩下的纸是组织如下。节2,我们审查的相关工作。部分3是本文的问题陈述。部分4介绍了我们提出的设计细节方案实验室。我们评估性能实验室的部分5。部分6总结我们的论文。
2。相关的工作
在文学,大量的解决方案提出了控制拥塞在短距离,目的在提高车载网络的性能。
范爷et al。18)提出了拥塞控制和功率控制策略,最大化效率,在分析瑞利衰落信道下的传播效率。
Soufiene Djahel et al。19)提出了一个算法,包括三个阶段:将优先分配给安全信息;检测拥塞;调整和安全消息传输速率传输能量。
Lv虎门et al。20.)提出了一个分布式安全信息频率控制算法调整广播频率根据当前的网络情况。
默罕默德·沙拉等。21)提出了一个基于概念的拥塞控制算法动态priorities-based调度,提供一个可靠的和VANETs的安全通信系统。
m·a·Benatia et al。22)提出了一个马尔可夫链模型来控制交通拥堵,包括四个步骤:优先级任务,缓冲监控、拥塞检测阶段,和信标传输速度调整。
Bilal姆尼尔莫卧儿王朝et al。23)提出了一个概念性观点的拥塞控制方案调整传输速率和传输功率同时为最佳的拥塞控制。
Gaurav邦萨尔et al。24提出了一种方法基于LIMERIC [13)算法和实现加权公平信息速率拥塞控制。
泰Tielert et al。25]介绍了拥塞控制的设计方法。此外,提出了一种面向产生的速度适应协议名为脉冲星的描述和评价。
Gaurav邦萨尔et al。26)提出了一个拥塞控制方法叫做EMBARC调整安全消息传输速率基于信道负载和车辆动力学。
在这项工作中,我们专注于解决方案,不仅可以控制通道堵塞,而且还充分利用信道资源,确保公平。
3所示。问题陈述
为了确保道路安全、车辆配备了DSRC设备广播他们的安全消息携带他们的安全状态在邻近车辆。默认情况下,广播频率是固定值,不能充分利用渠道,可能导致交通拥堵。所以有必要提出一个定制的自适应广播控制DSRC安全信息。
3.1。符号
我们总结一下本文的符号如下。我们使用表示信道忙率的列表,和的项目是 。 表示广播频率。表示时间窗口。其他主要符号表列出了本文1。
3.2。问题公式化
我们的目标是充分利用渠道,避免通道堵塞,保证公平。制定这三个目标,我们定义比通道忙碌状态表达通道条件;使用表示空闲信道的时间窗口 ;使用表示的最优信道繁忙率。充分利用渠道,应该最小化;为了避免通道堵塞,应保证相邻车辆的平均信道忙率的方法 ;保证公平,标准偏差应该最小化,这样每辆车广播安全消息可以具有相同的机会。因此,目标可以制定
自适应,广播频率应调整根据实时信道条件。此外,防止广播频率过高或过低,我们应该限制在一个范围内。它不会得到更多的受益于过高广播频率虽然能量浪费。为了安全基本要求,与此同时,消息广播,广播频率应该有一个最低极限。在这种方法中,我们使用表示频率上限表示下界。基于上述分析,我们制定的问题
4所示。实验室的设计
在本节中,我们介绍我们的设计提出了轻量的自适应广播(实验室)控制的细节。首先,我们在实验室提供概述。然后,我们描述了信道检测机制。最后,我们将介绍广播频率控制策略的细节。
4.1。设计概述
制定解决问题(2),我们设计实验室的概述如图1。实验室有三个核心模块:广播经理,发射机控制器,通道检测器。
通道检测器能够检测信道状态和信道条件向发射机发射机控制器。当发射机信道条件,它将连接通道条件安全消息,其中包含安全信息和其他信息。实验室的格式框架如图2。
广播经理将得到的消息从接收器和获取内容。然后广播经理将分析附近的车辆的通道条件根据接收到的消息,因为在这些消息通道附加条件。最后,广播经理将调整为广播频率和发送调整请求发射机控制器改变广播频率。
发射机控制器控制发射机的行为和发射机传输信道条件。
因为决定广播经理的目标是基于信道条件下,充分利用通道,避免通道拥堵感到满意。同时,公平也是满意的目的考虑附近的车辆的通道条件。深入的分析可以发现在部分4所示。3。
在接下来的部分,我们将介绍我们的设计的细节。
4.2。通道检测
信道条件可以由许多量化指标。通道检测器选择通道忙率,这是渠道的比例处于繁忙状态。忙碌状态意味着不是空闲频道,它可能是传输,接收等。通道检测器定期检测信道状态量化信道繁忙率。
量化的忙碌状态通道,一个典型的方法是进行多个采样时间段。因为繁忙的通道的状态是动态的,重要的是要选择一个合适的时间段。通道检测器每10毫秒检测信道状态和维护一个时间窗口(twnd)。的时间窗口默认设置为1。每次发现通道内处于繁忙状态 ,通道检测器会记录它。结束的时候twnd,通道检测器将信道忙率发射机和开始一个新的twnd。
值得注意的是,只有7位附加到安全信息,传达忙率,如图2。原因在于,通道检测器有100个采样点为每个为繁忙的速度,只有100个可能的值。因此,它有助于实验室的轻量级的特性,因为它几乎不增加通信开销。
4.3。广播频率控制
实验室调整广播发射机的频率根据相邻车辆的通道条件。每当车辆的接收者接收到一个安全的消息从一个邻居,这个消息所携带的内容将被获取广播经理。
广播经理保持忙碌的速度表和一个时间窗口(twnd)。每次车辆接收到一个安全的消息,广播经理将记录频道忙率成忙率表,这表明信道条件的车辆发送此消息。如图3,如果一个安全消息携带信道繁忙的新车型,广播经理将插入一个新进入繁忙的费率表;或者它将更新相应的条目。此外,这种忙率表只记录在当前频道忙率twnd结束时,它将被重置twnd。重置机制确保繁忙率表只在每个传输范围内维护车辆twnd。频率调整的决定应该基于这些车辆。重置的开销很小,因为只有数百辆传播范围最典型。
实验室的一个目标是让尽可能多的车辆接收有效的安全消息。我们发现存在一个最优的繁忙率 ,在收到车辆有效安全的消息数量达到最大值。是很容易证明的存在 。当繁忙的利率接近于零,几乎是空闲频道和车辆安全消息的人还很少。相反,当忙率接近1时,通道太忙和充满安全的消息,这意味着大多数消息相撞和车辆接收到一些有效的安全信息。从之前的分析,我们可以得出一个最优的存在信道忙率 。我们一些通信场景模拟来验证这一结论,如图4。我们的地方不断移动的车辆在十字路口ns-3 [27]。每个场景的变化在不同的频率和车辆广播他们的安全信息。我们估计收到的数据包的数量每辆车和相应的信道繁忙率。图4显示之间的关系渠道收到邻居忙率和平均安全消息。我们发现,当忙率达到约0.76,车辆从邻居在每个场景中得到最安全消息。
结束时的电流twnd,广播经理将分析保持忙碌的费率表和调整相应的广播频率。频率控制算法应满足的目标,不应该打破限制所示(2)。因此,我们提出一个控制算法作为算法1。
|
||||||||||||||||
实验室采用梯度下降法调整广播频率:
在上面的方程中,当频率收敛于一个值在邻居的平均忙率= ,车辆收到最大的安全信息。
值得一提的是,频率不应该破坏上界和下界。广播频率的设置上限的原因是车辆较少能受益于广播太多的安全信息每秒和能源浪费。同时设置下限的广播频率的原因是车辆必须保证最低广播频率传播他们的安全状态。
通过这种方式,可以充分利用车辆通道广播他们的安全信息。同时,公平的目标是保证因为实验室是一个负面的反馈过程,其因果链如下:
因此,所有的汽车都有相同的权利,广播他们的安全信息,这意味着广播频率的单跳邻居在大致相同的水平。
相反,一个积极的反馈将三角如果控制算法只使用车辆的通道忙率来控制频率。因果链显示如下:
每当广播经理决定调整广播频率,它发送请求来调整发射机控制器直接控制发射机的行为。发射机控制器调整广播发射机的频率根据吗广播经理的决定。最后,发射机将播出安全信息在指定的频率。此外,这些安全消息携带车辆的安全信息从从汽车安全系统和信道条件通道检测器。
5。评价
验证的性能实验室,我们使用ns-3 [27在不同的场景中)来模拟车辆的广播。我们使用相扑生成车辆的移动痕迹28]。实验室与标准DSRC法相比,不公平的控制方法采用车辆的通道繁忙的速率来控制频率,和基于距离的控制方法提出的由我们(表示距离)Fallah et al。29日]。我们创建三种类型的道路在相扑,十字路口,盒子路,直路。所有道路模拟在每个方向双向三车道。我们使用双线地面传播损耗模型ns-3设置。我们运行模拟100年代为每个用例。数据率设置为3 mbps,是默认的广播在短距离的数据速率30.]。其他参数总结在表的设置2。以下各节给出评价结果的细节。
5.1。表现在不同的密度
我们测试实验室的性能在不同的密度。车辆在一个十字路口在每个方向和车辆号码1公里范围从20到380。
首先,我们测试平均每辆车收到的安全信息。如图所示的结果5。我们可以很容易地发现实验室比标准DSRC和接收更多的安全信息,因为实验室控制广播频率自适应。此外,实验室的性能类似于不公平的控制方法。车辆数量大于220时,距离比实验室执行更好,因为距离可以减少传输范围。
图6显示了不同车辆密度平均广播频率。实验室的广播频率下降上界和下界随着车辆密度的增加而DSRC标准和DIST没有变化。不公平的方法的曲线也类似于实验室。实验室的第一个2分30 hz频率上限,因为通道没有完全利用。
值得一提的是,尽管全球性能之间大致相同的实验室和不公平的方法,我们可以发现它们之间的差异在下一节关于公平。
5.2。公平
然后,我们在实验室测试每辆车是否公平对待,而不公平的控制方法。在这种情况下,180辆汽车被搬到了一个十字路口在每个方向1公里。
图7展示了实验室的累积分布函数(CDF)和每个车辆的广播频率的概率分布。图8是不公平的方法。
如图7,每辆车的频率主要出现在所有车辆的中值频率。然而,在图8、频率主要出现在和 。通过这种方式,它可以得出的结论是,实验室是更公平的,这是最重要的优势与不公平的方法。
5.3。时间趋势
在本节中,我们检查实验室的性能变化随着时间的推移,与标准相比DSRC方法和不公平的控制方法。在该测试中,100辆汽车被搬到了一个十字路口在每个方向1公里。
首先,我们测试平均收到安全信息随着时间的变化。如图所示的结果9。我们发现收到实验室的安全信息增加到10年代一个稳定的水平。
然后我们测试的时间趋势平均广播频率,如图10。我们也可以发现,平均广播频率的实验室在10年代收敛到最优状态。
从以前的结果,我们知道实验室能够适应变化的环境并快速收敛到最优状态。
5.4。表现在不同的道路
在本节中,我们测试实验室的性能在不同的道路。在该测试中,车辆数量范围从20到380。
结果如图11和12。我们可以发现这三个道路上总的趋势是大致相同的。此外,道路上直路比箱性能和十字路口,因为他们更有可能拥挤的十字路口。
5.5。表现在不同的包的长度
在本节中,我们检查实验室的性能变化在不同的包的长度。在该测试中,100辆汽车被搬到了一个十字路口在每个方向1公里和包长度的变化从50个字节到700字节。
结果显示为数字13和14。我们发现包长度越大,越少的安全车辆可以接收的消息。因为当包长度增加,成本渠道更多的时间来发送一个数据包。因此,广播频率下降。
5.6。在不同的传动功率性能
在本节中,我们检查实验室的性能变化在不同的传输功率。在该测试中,100辆是搬到一个十字路口在每个方向1公里从6 dbm和传输功率的变化到28 dbm。
我们评估频率和平均收到数据包数量数据15和16。我们发现当传动功率的增加,广播频率和数量的安全消息收敛到一个稳定状态。
5.7。不同的时间窗口的时间趋势
在本节中,我们在不同的时间检查实验室的时间趋势窗口()。在该测试中,100辆是搬到一个十字路口在每个方向1公里。
在数据17和18,安全信息和频率分别评价。四个曲线如图表示4个尺寸的 ,1 s, 2 s, 4 s, 8秒。我们发现时收敛速度下降变得更大。因此,选择1 s的默认设置是适当的,开销和感性之间的权衡。
6。结论
在本文中,我们提出轻量级自适应广播控制(实验室)DSRC安全消息。实验室由广播经理,发射机控制器,通道检测器。调整广播频率,广播经理将分析信道条件的相邻车辆和调整相应的频率。如果通道拥挤,广播频率会减少直到它到达下界。如果信道空闲时,广播频率将会增加,直到它到达上限。此外,通道条件评估通道检测器和实验室将广播信道条件以及安全信息。我们进行广泛的模拟来评估性能的实验和仿真结果验证我们提出的方案的效率。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关这篇文章的出版。
确认
这项工作在一定程度上是国家重点支持的研究和发展项目拨款(2016 yfe0100600),国家自然科学基金委(61672349、61672353čň61472252),和中国973项目(2014 cb340303)。