多层异构自适应车载网络（MHAV）：LTE和DSRC的应用

⃝⃝可在www.sciencedirect.com在线ScienceDirectICT Express 3（2017）199www.elsevier.com/locate/icteMHAV：采用LTE和DSRC的多层异构自适应车载网络S. Ansaria， J. Boutaleba，S. Sinanovica，C.加米奥岛英国格拉斯哥喀里多尼亚大学工程与建筑环境学院b塞浦路斯大学工程学院电子和计算机工程系接收日期：2017年9月14日;接受日期：2017年11月15日2017年12月9日在线发布摘要使车辆之间的合作形成车辆网络，提供安全性，交通效率和信息娱乐。最重要的这些应用程序都需要可靠性和低延迟。考虑到这些需求，本文提出了一种多层异构自适应车载网络（MHAV）。包括运输运营商或当局拥有的车辆在高层和所有其他私人拥有的车辆在低层，集成蜂窝网络与专用短程通信。该框架在格拉斯哥市中心模型中进行了实施和评估。仿真结果表明，所提出的架构优于以前的多层架构的延迟，同时卸载流量从蜂窝网络。c2017韩国通信信息科学研究所。出版社：Elsevier B.V.这是一篇开放获取的文章，CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：LTE; DSRC;多层; VANET;异构; C-ITS1. 介绍使车辆网络（VANESTs）异构允许我们补充一种技术的 缺点 与 另一 种 技 术的 优 点。 例 如， 专 用短 程 通 信（DSRC）由于障碍物的存在而无法提供可靠性，尽管在直接通信中提供了低延迟[1]。与此同时，分组交换蜂窝网络可以提供更高的可靠性和可接受的消息传播延迟[2] 。 蜂 窝 网 络 在 VAN 中 的 使 用 ， 特 别 是 长 期 演 进（LTE）已经在[3- 7 ]中被深入以前的研究表明*通讯作者。电子邮件地址：Shuja. gcu.ac.uk（S. Ansari），T. gcu.ac.uk（T.gcu.ac.uk（S. Sinanovic），Carlos. gcu.ac.uk（C. Gamio），krikidis@ucy.ac.cy（I. Krikidis）。同行评审由韩国通信信息科学研究所负责本文是《智能交通通信系统专刊》的一部分顾宗华吴，丹达·拉瓦特教授，金东均教授。https://doi.org/10.1016/j.icte.2017.11.004LTE本身的使用，探索其功能，例如多播/广播多媒体系统（MBMS）和设备到设备（D2 D）通信，以便满足容量。也有研究考虑将LTE与DSRC集成。Remy等人[7]在追求一体化的过程中，提出了车辆形成集群的群体形成。然后，车辆通过选出的簇头相互通信并与基础设施通信。类似于簇头的概念，作者在[8]中提出了多个通信跳以到达被分类为网关的选举的高层节点。这种组形成和网关选择的概念导致高开销以及隐私和安全问题。在[9]进行的一项调查显示，来自美国、英国和澳大利亚的1533名道路使用者中有35%的人担心有关隐私的问题。与其他道路使用者分享信息。为了减少隐私和安全问题，[10，11，3，12]中的作者使用DSRC、LTE或两者的接入技术，建议使用公共总线和传输作为网关。其优点是它们的频繁和固定的路由，导致许多预定义的参数。[10]中的研究人员提出在采用多跳的同时使用DSRC。他们提出的架构还包括网关注册技术，称为最长注册时间算法2405-9595/c2017韩国通信信息科学研究所。Elsevier B. V.的出版服务。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。200S. Ansari等/ ICT Express 3（2017）199表1有关多层异构VANCITY的相关工作。算法层节点LTE-DSRC所有节点中的LTE集群回退模拟区域应用选择标准性能度量Ref巴士-VANETLRTA公共汽车/私人没有没有是的没有一明尼阿波利 斯 市 中心美国安全最大交货延迟传输延迟、数据包丢失[10个国家]TPHVN巴士，出租车/私人是（LTED2D）没有是的聚类天津南开，中国安全车型与车速模糊评分交付比率，交付延迟[第十一届]CMDS公共汽车/私人是的没有是的聚类公路/网格模型安全云决定使用传输范围传播延迟[3]第一章MHAV权威是的是的没有[13]第十三话格拉斯哥安全性、相对递送–（拟议）拥有的公共汽车、出租车、公共汽车/私人CityCenter，英国交通效率与信息娱乐速度、位置和传输范围延迟，分组传输，LTE/DSRC卸载（LRTA）。作者在[12]中提出了在蜂窝网络上与云计算协作使用数据聚合技术，而所提出的方案的性能未被评估。Li等人[11]提出将LTE直接通信与DSRC集成。然而，他们的工作是基于使用模糊分数逻辑预测车辆行为，然后相应地路由消息。最后，Liu et al. [3]提出了一种全面的云辅助下行链路消息传播方案，该方案采用公共总线。在他们提出的方案中，云以在预定义的目标区域中委托消息转发此外，他们假设只有巴士将有LTE和DSRC集成，其余的车辆将只使用DSRC。 由于低层车辆中缺乏LTE接口，该框架的缺点是缺乏互联网连接和回退机制。根据以前的工作，多层车辆网络，本文的贡献包括：1. 一种多层LTE/DSRC集成车辆网络架构，其包括被称为多层异构自适应VANET（MHAV）的授权和运营商拥有的车辆。2. 在建议的MHAV框架中采用消息分发技术进行分组转发，平衡LTE/DSRC网络之间的负载。本文的其余部分组织如下：第2节介绍了拟议的多层异构框架，第3节阐述了系统模型，然后在第4节的模拟结果。结论和未来的工作将在第5节中讨论。2. 多层异构自适应广域网MHAV 框 架 包 括 高 层 节 点 （ HTN ） 和 低 层 节 点（LTN）。HTN是权威机构或运营商所有的车辆，如公共巴士，出租车，市政卡车等，而长期运输网络包括所有其他私人车辆。假设HTN和LTN都配备有LTE和DSRC接口，并在控制设备的帮助下集成[14]。在所提出的框架中的数据交付进行与HTN，交通控制中心（TCC）和车辆安全应用程序（VSA）服务器的合作。TCC和VSA位于LTE网络的核心，也可以通过互联网访问。所有的LTN都向相应的HTN注册，然后HTN使能V2I和V2V通信。如果HTN不可用，则LTN回退到使用LTE网络。HTN通过LTE从TCC服务器定期更新它们的表，包括诸如交通状况、它们的注册的LTN和相邻HTN的信息。HTN使用DSRC每秒广播信标，包括其位置，速度和ID接收这些广播的LTN运行我们提出的注册算法[15]，以便向最合适的HTN注册一旦LTN被注册，所有V2V通信都通过注册的HTN执行，充当消息中继。我们提出的框架的基本架构如图1所示，与以前的作品的比较如表1所示。由于所有业务相关信息在TCC中更新，因此未向HTN注册的LTN也可以经由LTE访问该信息。至于安全应用，我们建议使用通过VSA服务器实现的[13]中描述的称为安全应用标识符（SAI）的差异化服务质量（QoS）机制。在下一小节中，我们将解释在HTN上实现的建议消息分发技术。2.1. 信息传播技术由于所提出的框架不使用概念 信息传播技术将S. Ansari等/ ICT Express 3（2017）199201×←⇒∈：−→：−→={：= 个文件夹−→−→−→−→Fig. 1. 具有所有可能场景的多层异构自适应VANET框架。需要通过已注册的HTN进行消息中继。我们使用之前提出的安全应用标识符（SAI）的概念，该标识符为不同的应用分配所需的传输参数[13]。在SAI算法内，根据感知范围1和信标频率要求来发送而不是使用LTE网络，在我们提出的框架中，LTNs发送消息到他们注册的HTN。然后，这些HTN从接收到的消息中查找LTN的位置和SAI。然后，HTN使用检索到的SAI和感知范围来定位打算接收消息的所有车辆使用来自TCC的表更新，如果这些接收器向相同的HTN注册，则它们通过DSRC接收消息。然而，如果车辆向另一HTN注册，则通过DSRC或经由LTE网络将消息发送到相应的HTN（如果另一HTN不在DSRC的传输范围内）。未向任何HTN注册的LTN将回退到使用LTE网络上的SAI。由于TCC和VSA都位于集中式LTE网络中，因此包括感知范围和传输频率的转发消息将由VSA经由HTN或直接经由eNodeB转发到相应的接收器。在HTN上实现的提议的消息转发算法在算法1中示出。3. 系统模型网络建模是一个2 - 2公里2区域格拉斯哥假设LTN和HTN都配备有频分双工（FDD）LTE收发器，其具有20MHz带宽、上行链路载波频率1715 MHz和下行链路载波频率2115 MHz（频带4）[16，表5.5-1]，集成有在5.9 GHz下 以 10 MHz 带 宽 操 作 的 IEEE 802.11p 兼 容 DSRC 接 口[17]。假设这些节点在使用ns-3 [19]上的路由移动模型[18]创建的城市模型中移动。表2中给出了所使用的模拟参数。1感知范围是车辆周围的地理区域，在该区域中，所有邻居都可以感知车辆。算法1HTN消息转发算法输入：VSM LT N HT NBFi：信标频率dik：车辆i和kFi：包含i的所有预期接收者的转发集输出：VSM HT N LT N系统设置：1：HTN维护TCC和VSA第二章： 而HT N VSMido3：TCC定位所有车辆4：TCC HTN5：VSMi（SAIi，位置（dk））6：SAIi（Ri，BFi）第七章：（R i，d k）距离（d ik）8：FiKdikRi，ik，9：BF i处的HT NLT NFi10：如果LT N未向HT N注册，则11：消息被转发到相应的HT N12：如果十三： end while十四： return Fi3.1. 业绩计量我们将我们的结果与以前提出的框架[10]和[3]进行了比较。使用的主要性能指标是端到端延迟、DSRC覆盖和LTE吞吐量。端到端延迟是数据包通过注册的HTN或LTE网络从发送LTN到接收LTN所花费的时间。DSRC覆盖范围是在HTN注册的LTN的百分比，分类为从LTE网络卸载的流量。此外，LTE有效吞吐量是每单位时间在应用层接收的有用信息比特的数量。4. 仿真结果与安全有关的应用程序是车辆网络的重要组成部分他们在延迟和可靠性方面也有严格的要求标准规定，202S. Ansari等/ ICT Express 3（2017）199(a)（b）第（1）款表2图二、城 市 场景中的端到端延迟以及（a）与LRTA和CMDS的比较，（b）LTE流量的卸载。建议的框架，LTNs进行V2V和V2I通信，模拟参数。参数值模拟时间300 s。道路模型2× 2 km2格拉斯哥市中心LTN数量100、150、200。HTN数量5、10、15。平均车速模拟运行次数30。DSRC接入技术IEEE WAVE 1609和802.11p。传播模型Nakagami和Friis模型。工作频率5.9 GHz。数据速率6 Mbps。发射功率25 dBm。天线全向。信道带宽10 MHz。噪声系数7 dB。CCA阈值−86 dBm。灵敏度−83dBm。LTE网络6个站点，每个站点3个小区，1000 m ISD。发射功率eNB：40 dBm，UE：23 dBm。载波频率DL/UL2115 MHz/1715 MHz。信道带宽20 MHz（100 RB）噪声系数eNB：5dB，UE：9dB。UE天线模型各向同性（0 dBi）。eNB天线模型15 dB余弦模型，65dB HPBW。调度算法比例公平。切换算法A2A4RSRQ，RSRQ阈值−5dB，NeighbourCellOffset= 2（1 dB）。频率复用分布式分数频率重用.路径损耗模型LogDistance（α=3）和3GPP扩展车辆A模型。成功实现车辆网络需要小于100 ms的延迟[20]，然而，先前的实现已经将其获得的延迟基准为50 ms [4]。在我们通过HTN或LTE网络进行通信，因此，我们评估每个数据包所经历的端到端延迟。图2显示了模拟格拉斯哥市中心端到端延迟 图图2（a）显 示 了我 们 提 出 的MHAV 框 架 与 最 长 注 册 时 间 算 法（LRTA）[10]和云辅助消息传播方案（CMDS）[3]的比较。MHAV的端到端延迟小于50 ms的概率为87%，而LRTA和CMDS的端到端延迟小于50 ms的概率分别为40%和30%。LRTA延迟的显著增加是因为其在HTN之间切换时快速变化的拓扑结构。而在CMDS中，这是由于设置云协助所需的配置时间在所提出的MHAV中，所使用的传播技术根据应用需求将通信限制在一定的这反过来又避免了由于DSRC和LTE中的消息洪泛而导致的容量阻塞，从而导致更高的资源并最终降低延迟。类似地，在图2（b）中，车辆通信从LTE的卸载是明显的。在我们的仿真环境中，100和200个LTNs的MHAV的实现这从图3中可以明显看出，在MHAV实施之后，68%的LTN现在通过其注册的HTN在DSRC上运行，从而实现低延迟直接通信，同时减少LTE上的业务量。图3示出了当DSRC覆盖增加时LTE有效吞吐量如何减小。在MHAV框架中，很明显，将HTN的数量从10增加到30，将DSRC覆盖区域增加35%，最终从LTE网络卸载8因此，可以得出结论，通过使更多的传输运营商或管理机构参与，存在更多数量的HTN，从而减少LTE上的业务量，并最终使LTN能够通信S. Ansari等/ ICT Express 3（2017）199203图三. 150辆车的DSRC覆盖范围和LTE吞吐量与HTNS数量。通过DSRC上的HTN而不是LTE网络，彼此之间以及基础设施之间进行通信。5. 结论和今后的工作提出了一种多层异构自适应VANET框架和消息分发方案。MHAV架构由HTN和LTN组成，HTN是当局拥有或运输运营商的车辆，例如公共巴士、出租车、市政卡车等，而LTN是所有其他私人拥有的车辆。假设所有车辆都具有LTE和DSRC能力，其中，LTN向HTN注册以实现通过DSRC的V2I和V2V通信，而HTN连接到LTE网络，以便向其注册的LTN提供基础设施通信。还评估了在不存在用于注册的HTN的情况下模拟进行了格拉斯哥市中心，这是一个密集的城市环境，以评估所提出的框架。结果表明，建议的HTN消息转发算法优于传统的BUS VANET框架的47%的概率的端到端的延迟小于50毫秒。这个框架也卸载了一半以上的车辆流量从蜂窝网络。结果还表明，随着HTN数量的增加，DSRC覆盖范围增加，同时减少LTE网络上的业务量。此外，拥有权威拥有的网关往往使网络更加安全，也解决了许多私家车主提出的隐私问题。在未来，我们计划评估其他场景，如高速公路和郊区，我们的算法中的一些参数被推测对一个强大的网络是重要的。我们还计划在LTE/DSRC兼容的调制解调器上实现所提出的算法和技术，以进一步研究和评估MHAV框架。引用[1] H.哈勒姆湾张文，车载自组网技术研究，北京大学出版社，2001。麦格46（6）（2008）164http://dx.doi.org/10.1109/MCOM.2008.4539481。[2] A. Fasbender ， M. Gerdes ， S. Smets ， Cellular NetworkingTechnologies in ITS Solutions ： Opportunities and Challenges ，Springer，BerlinHeidel-berg，2012，pp.1-13.http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-29667-3-1网站。[3] B. Liu，L. Jia，J. 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