CN104066124A - 一种车联网传输速率自适应控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车联网传输速率自适应控制装置以及控制方法。解决现有技术中车载单元以固定速率传输信息，无法保证高质量多媒体业务的高带宽要求的问题。装置包括有车载单元和路侧单元，车载单元安装在车内，路侧单元安装在路上，车载单元和路侧单元之间通过无线网络连接。控制方法根据周期内PLR与PLR阈值、△RSSI与△RSSI阈值、S与S阈值之间的关系自适应控制下一个周期内WSM帧的传输速率，从而重复利用了车联网无线网络的带宽，提高了车载无线网络的吞吐量和效率。

Description

一种车联网传输速率自适应控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种车联网传输控制技术领域，尤其是涉及一种提高了吞吐量和效率的车联网传输速率自适应控制装置以及控制方法。

背景技术

目前，交通事故已经成为全球公共的交通安全问题。诱发交通事故的一个重要原因是驾驶员无法实时获得邻近车辆信息，如车速、方向、位置等。车联网的发展，无疑将大大减少交通事故的发生。随着无线技术的不断发展和成功应用，人们对车联网提出了更高的服务要求，这就需要车联网具有一定的QoS（quality of service，服务质量）保证能力。由于车联网的网络拓扑经常发生变化，其网络管理、QoS保障等方面的技术难度很大。传统的适合静态网络的QoS存在很多局限性，已不再适合车联网动态变化的需要，必须提出新型的适用于车联网的QoS技术。

车联网需要一套无线通信协议来完成车路通信和车车通信。专用短程通信(Dedicated Short Range Communication,简称DSRC) 是车联网系统领域内针对车辆和道路基础设施间的信息交换而开发的一种专用无线通信技术，它能够提供高速的数据传输，并且能保证通信链路的低延迟和系统的可靠性。目前DSRC技术已归纳为基于IEEE 802.11p 的车辆通信环境下的无线接入(WAVE) 技术。

WAVE/DSRC 通信系统由车载单元（On-Board Unit， OBU）和路侧单元（Road Side Unit，RSU）及DSRC通信链路组成。OBU是放在行驶车辆上的嵌入式设备，是一个移动单元。RSU安装在路边的设备，固定不动。DSRC作为专用的通信链路，为OBU和RSU提供信息交互的通道。

事实上，基于IEEE802.11p的WAVE/DSRC 是IEEE802.11 协议在车辆网络中无线接入的推广与扩充，主要适用于高速移动的环境和短持续时间的信息交互需要。IEEE 802.11p 标准中的物理层采用 IEEE 802.11a标准中的 OFDM(正交频分复用)调制技术，频率范围为5.85 ～ 5.925GHz，信道带宽为 10MHz，对应的速率在 IEEE 802.11a 的基础上减半，支持3 ～ 27Mbit/s的8个传输速率，速率越高对信道质量的要求越高。RSU和OBU可以支持多速率的无线通信。

IEEE802.11p定义了服务提供者（Provider）和用户（User）两种工作模式。 Provider周期性地发送WSA（Wave Service Advertisement，WSA）广播帧，通告一个WAVE基本服务集（WBSS）的存在。WSA中的信息单元携带了很多服务信息。当User 设备进入Provider提供的WBSS区域后，能收到Provider广播的WSA信息，而User 通过发送带有通配符BSSID的WAVE短消息帧（WAVE Short Message，WSM）和Provider通信。RSU工作在Provider模式，OBU工作在User 模式，一个RSU可以和多个OBU同时通信。

IEEE802.11标准支持动态速率转换（Dynamic Rate Shifting，DRS）或自适应速率选择（Adaptive Rate Selection，ARS）允许数据速率动态调整以补偿干扰或变化的路径损耗。当出现干扰或站点移动超出最大数据速率的可靠传输范围时，接入点会逐渐降低到低速率直到恢复可靠通信。而IEEE802.11p一般采用最低的基本速率（3Mbit/s）作为固定传输速率来发送数据报文，没有充分利用物理层同时支持多速率的特性。面对车载无线网路拓扑的动态变化，以固定速率传输已无法保证高质量的多媒体业务的高带宽要求。

发明内容

本发明主要是解决现有技术中车载单元以固定速率传输信息，无法保证高质量多媒体业务的高带宽要求的问题，提供了一种提高了吞吐量和效率的车联网传输速率自适应控制装置。

本发明还提供了一种提高了吞吐量和效率的车联网传输速率自适应控制方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种车联网传输速率自适应控制装置，包括有车载单元和路侧单元，所述路侧单元包括有WSM帧接收模块、WSM帧统计模块、RSSI统计模块、反馈模块，所述WSM帧接收模块分别与WSM帧统计模块、RSSI统计模块相连，WSM帧统计模块、RSSI统计模块分别连接到反馈模块上，所述车载单元包括有WSM帧发送模块、WSA帧接收模块、WSM帧丢包率计算模块、路侧单元相对距离计算模块、阈值调整模块、速率自适应控制模块，所述WSA帧接收模块分别与WSM帧丢包率计算模块、路侧单元相对距离计算模块相连，WSM帧丢包率计算模块和路侧单元相对距离计算模块分别连接到阈值调整模块上，阈值调整模块与速率自适应控制模块相连，速率自适应控制模块与WSM帧发送模块相连。车载单元安装在车内，路侧单元安装在路上，车载单元和路侧单元之间通过无线网络连接。路侧单元通过WSM帧接收模块接收车载单元发送的WSM帧，反馈模块发送WSA帧。车载单元通过WSA帧接收单元接收WSA帧。

一种车联网传输速率自适应控制方法，在路侧单元和车载单元之间进行，包括以下步骤：

步骤一．路侧单元周期性广播WSA帧，车载单元通过发送WSM帧和路侧单元进行通信；路侧单元周期性的广播WSA帧，车载单元在进入路测单元广播的范围内时就会接收WSA帧，同时车载单元通过发送WSM帧与路侧单元进行通信。

步骤二．路侧单元计算出当前周期内实际正确接收到WSM帧的数量和接收到WSM帧信号的强度均值△RSSI，并将计算出的信息和路侧单元本身的GPS位置信息嵌入到WSA帧自定义段中，广播给所在区域内的车载单元；路侧单元统计一个周期内收到的WSM帧信号的强度RSSI，然后计算出它们的平均值△RSSI。

步骤三．车载单元接收路侧单元广播的WSA帧，根据自定义段的信息计算出当前路侧单元与车载单元的相对距离S、上一周期内车载单元的WSM帧丢包率PLR，并根据预先设定的在不同传输速率下PLR的变化，△RSSI的变化，以及S与PLR关系，获得当前传输速率下PLR阈值、△RSSI阈值和S阈值；车载单元根据本身的GPS位置信息和反馈的路侧单元的GPS位置信息，计算出当前车载单元和路侧单元的相对距离S。车载单元内存放上一周期内发送的WSM帧数量，根据上一周期内发送的WSM帧数量和反馈的上一周期路侧单元实际正确接收到的WSM帧数量计算出上一周期内WSM丢包率PLR，该PLR=（车载单元发送WSM帧数－路侧单元接收到WSM帧数）/车载单元发送WSM帧数。

步骤四．车载单元再根据周期内PLR与PLR阈值、△RSSI与△RSSI阈值、S与S阈值之间的关系，自适应控制下一个周期内WSM帧的传输速率。

本发明能够根据周期内PLR与PLR阈值、△RSSI与△RSSI阈值、S与S阈值之间的关系自适应控制下一个周期内WSM帧的传输速率，从而重复利用了车联网无线网络的带宽，提高了车载无线网络的吞吐量和效率。

作为一种优选方案，车载单元接收路侧单元的WSA帧进行验证，其过程包括：

车载单元发送给路侧单元的WSM帧内包含有车载单元设备的标识，该标识为车载单元的MAC地址；

路侧单元将接收到的WSM帧内车载单元的标示也嵌入到WSA帧自定义段中，广播给所在区域内的车载单元；

车载单元在接收到路侧单元的WSA帧时对自定义段中的标识进行验证，若与自身的标识相匹配，则进行自适应控制。使得多个车载单元进入路侧单元范围内时，车载单元能够正确接收对应自身的WSA帧。

作为一种优选方案，在车载单元内预先存储有不同传输速率下WSM帧的PLR的变化，WSM帧△RSSI的变化，S与PLR的关系的数据，当前获得的PLR、△RSSI、S根据这些数据分别获得PLR的上限阈值PLRmax和PLRmin，△RSSI的下限阈值△RSSImin，S的上限值Smax。预先通过实验获得在不同传输速率下PLR、△RSSI、S的变化，并将这些数据存储在车载单元内。

作为一种优选方案，自适应控制下一个周期内WSM帧的传输速率的过程包括以下步骤：

a．车载单元比较当前S与当前传输速率的S阈值Smax的大小关系，若当前S大于Smax值，则降低WSM的传输速率，进入下一步骤，若当前S小于Smax值，进入步骤c；S大于Smax值，表明车载单元距离路侧单元相对较远，因此可以降低传输速率。

b．比较WSM帧的△RSSI和当前传输速率的△RSSI阈值△RSSImin的大小关系，若△RSSI小于△RSSImin，则再降低WSM的传输速率，若△RSSI大于△RSSImin，则保持传输速率不变，最后得到的传输速率就为下一个周期内WSM帧的传输速率；

c．比较车载单元发送的WSM帧的PLR与PLR阈值PLRmax和PLRmin的大小关系，PLR小于PLRmin，则提高传输速率，若PLR大于PLRmin且小于PLRmax，则保持传输速率不变，若PLR大于PLRmax，则降低传输速率，进入步骤b。每次提高和降低一个常数量的传输速率，该常数量传输速率预先设定。若PLR小于PLRmin，说明信道质量较好，提高WSM的传输速率。若大于PLRmax，说明信道质量较差，则降低WSM的传输速率。

通过PLR与PLR阈值、△RSSI与△RSSI阈值、S与S阈值之间的比较，自适应调整传输速率，最后得到的传输速率就为下一周期WSM帧的传输速率。

作为一种优选方案，所述WSA帧的周期为100ms~1000ms。一般情况下默认为100ms。

因此，本发明的优点是：本发明能够根据周期内PLR与PLR阈值、△RSSI与△RSSI阈值、S与S阈值之间的关系自适应控制下一个周期内WSM帧的传输速率，从而重复利用了车联网无线网络的带宽，提高了车载无线网络的吞吐量和效率。车载单元安装在车内，路侧单元安装在路上，车载单元和路侧单元之间通过无线网络连接。

附图说明

附图1是本发明中的一种结构框示图；

附图2是本发明中的一种流程示意图；

附图3是本发明中自适应控制的一种流程示意图。

1-车载单元 11-WSA接收模块 12-WSM帧丢包率计算模块 13-路侧单元相对距离计算模块 14-阈值调整模块 15-速率自适应控制模块 16-WSM帧发送模块 2-路侧单元 21-WSM帧接收模块 22-WSM帧统计模块 23-RSSI统计模块 24-反馈模块。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本实施例一种车联网传输速率自适应控制装置，如图1所示，包括有车载单元1和路侧单元2，路侧单元2包括有WSM帧接收模块21、WSM帧统计模块22、RSSI统计模块23、反馈模块24，WSM帧接收模块分别与WSM帧统计模块、RSSI统计模块相连，WSM帧统计模块、RSSI统计模块分别连接到反馈模块上。车载单元1包括有WSM帧发送模块16、WSA帧接收模块11、WSM帧丢包率计算模块12、路侧单元相对距离计算模块13、阈值调整模块14、速率自适应控制模块15，WSA帧接收模块分别与WSM帧丢包率计算模块、路侧单元相对距离计算模块相连，WSM帧丢包率计算模块和路侧单元相对距离计算模块分别连接到阈值调整模块上，阈值调整模块与速率自适应控制模块相连，速率自适应控制模块与WSM帧发送模块相连。WSM帧发送模块与WSM帧接收模块之间、反馈模块与WSA帧接收模块之间分别通过无线网络相连。

一种车联网传输速率自适应控制方法，包括以下步骤：

路侧单元周期性广播WSA帧，车载单元通过发送WSM帧和路侧单元进行通信。

步骤1：路测单元接收车载单元发送的WSM帧。该WSM帧内包含有车载单元设备的标识，该标识为车载单元的MAC地址。

步骤2：路测单元统计在一个周期内正确接收到WSM帧的数量和这些WSM帧的强度RSSI，并计算出RSSI的平均值△RSSI。正确接收到WSM帧的数量由WSM帧统计模块22进行，RSSI、△RSSI由RSSI统计模块23进行。

步骤3：路测单元将收到的WSM帧数量、△RSSI，以及路测单元本身GPS位置信息、车载单元设备的标示嵌入到WSA帧的自定义段内，然后广播给所在区域内的车载单元。路侧单元的反馈模块将WSA帧发送给车载单元的WSA帧接收模块。

步骤4：车载单元接收到WSA帧，先对WSA帧进行验证，若与自身的标识相匹配，则车载单元根据WSA帧进行自适应控制。首先车载单元根据自定义段的信息计算出当前路侧单元与车载单元的相对距离S、上一周期内车载单元的WSM帧丢包率PLR，并根据预先设定的在不同传输速率下PLR的变化，△RSSI的变化，以及S与PLR关系，获得当前传输速率下PLR阈值、△RSSI阈值和S阈值。PLR由WSM帧丢包率计算模块12计算，其计算公式为：PLR=（车载单元发送WSM帧数－路侧单元接收到WSM帧数）/车载单元发送WSM帧数。相对距离S由路侧单元相对距离计算模块13计算。PLR阈值、△RSSI阈值和S阈值由阈值调整模块处理获得。

获得当前传输速率下PLR阈值、△RSSI阈值和S阈值具体为：预先通过实验获得在不同传输速率下PLR、△RSSI、S的变化，并将这些数据存储在车载单元内，PLR、△RSSI、S根据这些数据分别获得PLR的上限阈值PLRmax和PLRmin，△RSSI的下限阈值△RSSImin，S的上限值Smax。

步骤5：车载单元再根据周期内PLR与PLR阈值、△RSSI与△RSSI阈值、S与S阈值之间的关系，自适应控制下一个周期内WSM帧的传输速率。自适应控制在速率自适应控制模块15中进行。

其中步骤5中自适应控制传输速率的过程如图3所示，其步骤为：

步骤5.1：车载单元比较当前S与当前传输速率的S阈值Smax的大小关系，若当前S大于Smax值，则降低WSM的传输速率，进入下一步骤，若当前S小于Smax值，进入步骤5.3；

步骤5.2．比较WSM帧的△RSSI和当前传输速率的△RSSI阈值△RSSImin的大小关系，若△RSSI小于△RSSImin，则再降低WSM的传输速率，若△RSSI大于△RSSImin，则保持传输速率不变，最后得到的传输速率就为下一个周期内WSM帧的传输速率；

步骤5.3．比较车载单元发送的WSM帧的PLR与PLR阈值PLRmax和PLRmin的大小关系，若PLR小于PLRmin，则提高传输速率，若PLR大于PLRmin且小于PLRmax，则保持传输速率不变，若PLR大于PLRmax，则降低传输速率，进入步骤5.2。

其中提高和降低的传输速率为一个常数量，该常数量通过预先设定。WSA帧的周期为100ms。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了车载单元、WSA接收模块、WSM帧丢包率计算模块、路侧单元相对距离计算模块等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (6)

1.一种车联网传输速率自适应控制装置，包括有车载单元和路侧单元，其特征在于：所述路侧单元（2）包括有WSM帧接收模块（21）、WSM帧统计模块（22）、RSSI统计模块（23）、反馈模块（24），所述WSM帧接收模块分别与WSM帧统计模块、RSSI统计模块相连，WSM帧统计模块、RSSI统计模块分别连接到反馈模块上，所述车载单元（1）包括有WSM帧发送模块（16）、WSA帧接收模块（11）、WSM帧丢包率计算模块（12）、路侧单元相对距离计算模块（13）、阈值调整模块（14）、速率自适应控制模块（15），所述WSA帧接收模块分别与WSM帧丢包率计算模块、路侧单元相对距离计算模块相连，WSM帧丢包率计算模块和路侧单元相对距离计算模块分别连接到阈值调整模块上，阈值调整模块与速率自适应控制模块相连，速率自适应控制模块与WSM帧发送模块相连。

2.一种车联网传输速率自适应控制方法，采用权利要求1中的装置，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一．路侧单元周期性广播WSA帧，车载单元通过发送WSM帧和路侧单元进行通信；

步骤二．路侧单元计算出当前周期内实际正确接收到WSM帧的数量和接收到WSM帧信号的强度均值△RSSI，并将计算出的信息和路侧单元本身的GPS位置信息嵌入到WSA帧自定义段中，广播给所在区域内的车载单元；

步骤三．车载单元接收路侧单元广播的WSA帧，根据自定义段的信息计算出当前路侧单元与车载单元的相对距离S、上一周期内车载单元的WSM帧丢包率PLR，并根据预先设定的在不同传输速率下PLR的变化，△RSSI的变化，以及S与PLR关系，获得当前传输速率下PLR阈值、△RSSI阈值和S阈值；

步骤四．车载单元再根据周期内PLR与PLR阈值、△RSSI与△RSSI阈值、S与S阈值之间的关系，自适应控制下一个周期内WSM帧的传输速率。

3.根据权利要求2所述的一种车联网传输速率自适应控制方法，其特征是车载单元接收路侧单元的WSA帧进行验证，其过程包括：

车载单元发送给路侧单元的WSM帧内包含有车载单元设备的标识，该标识为车载单元的MAC地址；

路侧单元将接收到的WSM帧内车载单元的标识也嵌入到WSA帧自定义段中，广播给所在区域内的车载单元；

车载单元在接收到路侧单元的WSA帧时对自定义段中的标识进行验证，若与自身的标识相匹配，则进行自适应控制。

4.根据权利要求2或3所述的一种车联网传输速率自适应控制方法，其特征是在车载单元内预先存储有不同传输速率下WSM帧的PLR的变化，WSM帧△RSSI的变化，S与PLR的关系的数据，当前获得的PLR、△RSSI、S根据这些数据分别获得PLR的上限阈值PLRmax和PLRmin，△RSSI的下限阈值△RSSImin，S的上限值Smax。

5.根据权利要求4所述的一种车联网传输速率自适应控制方法，其特征是自适应控制下一个周期内WSM帧的传输速率的过程包括以下步骤：

a．车载单元比较当前S与当前传输速率的S阈值Smax的大小关系，若当前S大于Smax值，则降低WSM的传输速率，进入下一步骤，若当前S小于Smax值，进入步骤c；

b．比较WSM帧的△RSSI和当前传输速率的△RSSI阈值△RSSImin的大小关系，若△RSSI小于△RSSImin，则再降低WSM的传输速率，若△RSSI大于△RSSImin，则保持传输速率不变，最后得到的传输速率就为下一个周期内WSM帧的传输速率；

c．比较车载单元发送的WSM帧的PLR与PLR阈值PLRmax和PLRmin的大小关系，若PLR小于PLRmin，则提高传输速率，若PLR大于PLRmin且小于PLRmax，则保持传输速率不变，若PLR大于PLRmax，则降低传输速率，进入步骤b。

6.根据权利要求2或3所述的一种车联网传输速率自适应控制方法，其特征是所述WSA帧的周期为100ms~1000ms。