王晨夢，趙云鵬，唐 倫

（1.重慶郵電大學(xué) 移動通信技術(shù)重慶市市級重點實驗室，重慶400065；2.中國人民解放軍海軍工程大學(xué) 勤務(wù)學(xué)院，天津300000）

0 引 言

車載自組網(wǎng)基于IEEE 802.11p［1］標(biāo)準(zhǔn)，采用專用短距離通信 （DSRC）技術(shù)。根據(jù)其中的多信道操作標(biāo)準(zhǔn)IEEE1609.4［2］，時間以100ms為一個周期，前50ms為控制周期，后50ms為數(shù)據(jù)周期。在控制周期所有數(shù)據(jù)信道都空閑，資源浪費。另外，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負載較重時，在同一時間有很多節(jié)點競爭控制信道，碰撞概率很高。本文針對這兩個問題，提出相適應(yīng)的機制，試圖充分利用信道資源，降低碰撞概率。每個節(jié)點使用兩部收發(fā)機，其中一部持續(xù)工作在數(shù)據(jù)信道，杜絕數(shù)據(jù)信道空閑。為降低碰撞概率，使用節(jié)點分時段接入控制信道的機制。另外，使用一個優(yōu)化模型確定退避過程參數(shù)以達到最大的飽和吞吐量。

與此相關(guān)的工作：文獻 ［3］提出的協(xié)議將信息分為兩個優(yōu)先級，使用馬爾可夫模型求取合適的發(fā)送概率。文獻［4］提出的VCI協(xié)議使用自己的多信道協(xié)調(diào)機制，并且動態(tài)調(diào)整控制周期和數(shù)據(jù)周期的長度，來實現(xiàn)安全信息包的及時交付并支持吞吐量敏感的服務(wù)信息的傳送。文獻 ［5］提出一種自適應(yīng)動態(tài)調(diào)整傳輸功率和競爭窗口長度的多信道MAC協(xié)議。文獻 ［6］提出一種根據(jù)節(jié)點密度控制競爭窗口長度以提高各類信息吞吐量的方法。文獻 ［7］提出一種適用于大規(guī)模車載自組織網(wǎng)的多信道MAC協(xié)議。該協(xié)議也使用時分復(fù)用的思想解決控制信道擁塞的問題，但具體方案與本文提出的協(xié)議不同。

1 協(xié)議描述

頻譜被劃分為7條信道，1條為控制信道，6條為數(shù)據(jù)信道。每個節(jié)點使用2部收發(fā)機。一部工作在控制信道，另一部在各服務(wù)信道間切換，負責(zé)傳輸數(shù)據(jù)包。在控制信道上劃分周期，以100ms為一個周期，每周期均分為5個時隙；服務(wù)信道不劃分周期，持續(xù)傳送服務(wù)信息。

安全信息只在控制信道上傳輸，因為在任一時刻，每個節(jié)點都有一部收發(fā)機在監(jiān)聽著控制信道，這樣可以保證安全信息的可靠交付?？刂菩诺肋€傳輸服務(wù)聲明信息（WSA），WSA是服務(wù)提供者用來聲明自己將要發(fā)送的服務(wù)的信令。WSA包含服務(wù)提供者的ID，發(fā)送服務(wù)信息所使用的服務(wù)信道的ID和發(fā)送該服務(wù)信息的起止時間。每個節(jié)點維護一個網(wǎng)絡(luò)分配矢量 （NAV），用來記錄各服務(wù)信道和鄰節(jié)點的工作狀態(tài)，根據(jù)自己接收到的WSA實時更新NAV。當(dāng)某個節(jié)點要發(fā)布服務(wù)信息時，根據(jù)自己的NAV選擇不會發(fā)生沖突的信道。需要服務(wù)的節(jié)點回復(fù)ACK，并將另一部收發(fā)機轉(zhuǎn)到相應(yīng)服務(wù)信道去準(zhǔn)備接收服務(wù)包。源節(jié)點收到后立即將另一部收發(fā)機轉(zhuǎn)到相應(yīng)服務(wù)信道去發(fā)送服務(wù)信息。下文將說明控制信道的接入方法。

每個節(jié)點入網(wǎng)后，隨機地在5個時隙中選擇一個，作為自己的接入時隙。當(dāng)節(jié)點需要遞交服務(wù)信息時，先檢查當(dāng)前時間是否處于自己的接入時隙內(nèi)，若是，則競爭信道以發(fā)送WSA，若不是，就等待下一個自己的接入時隙到來。這種機制可以將攜帶服務(wù)信息的節(jié)點大致平均地在時間上分開，減少同一時間參與競爭的節(jié)點數(shù)，降低沖突概率。為了保證安全信息的可靠高速交付，節(jié)點攜帶安全信息時，不受時隙的約束，隨時競爭信道以發(fā)送。這樣，在任一時刻，與安全信息同時競爭信道的服務(wù)信息會減少很多，有利于安全信息的低時延交付。圖1是協(xié)議運行機制示意圖。

圖1 協(xié)議運行過程

網(wǎng)絡(luò)中安全信息的優(yōu)先級高于服務(wù)信息，安全信息的相對優(yōu)勢體現(xiàn)在下面兩方面：①安全信息可以隨時競爭控制信道，而服務(wù)信息只有1／5的時間可以競爭控制信道；②安全信息在與服務(wù)信息同時競爭信道的時候，退避窗口較短，因而有較短的平均退避時間。

2 求解最優(yōu)發(fā)送概率

使用一個優(yōu)化模型，確定安全信息和服務(wù)信息的最優(yōu)發(fā)送概率，進而反解出兩種信息的最優(yōu)退避窗口長度 （即退避過程參數(shù)）。

為了使用數(shù)學(xué)方法進行分析，我們做出如下規(guī)定和假設(shè)：

（1）時間線被分為一個個等長的時間槽，每個槽長20us。

（2）分析網(wǎng)絡(luò)負載飽和的情況，即在任一時刻，所有節(jié)點的發(fā)送隊列不為空。

（3）設(shè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點總數(shù)為N，攜帶安全信息的車輛數(shù)為N1，攜帶WSA的車輛數(shù)為N2，N＝N1＋N2。

2.1 包發(fā)送概率計算

文獻 ［8］建立了一個馬爾可夫模型來模擬節(jié)點使用二進制退避算法競爭控制信道的過程，并根據(jù)這個模型計算出節(jié)點在任一時間槽發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率p

式中：pc——發(fā)生碰撞的概率，W ——最小退避窗口長度，W ＝W0，m——最高退避級別，令m＝5。

根據(jù)式 （1），可以得到攜帶安全信息的車輛在任一個時間槽發(fā)送安全信息的概率p1，攜帶WSA的車輛在任一時間槽發(fā)送WSA的概率p2

式中：pc1——節(jié)點傳輸安全信息時因碰撞而失敗的概率，pc2——節(jié)點傳輸WSA時因碰撞而失敗的概率；W1——安全信息的最小退避窗口，W2——WSA的最小退避窗口；m＝5。

2.2 吞吐量計算

下面計算系統(tǒng)飽和狀態(tài)下的有效吞吐量S，如下所示［9］

式中：S1、S2——控制信道上安全信息的吞吐量和數(shù)據(jù)信道上服務(wù)信息的吞吐量。

計算S1

式中：C——一條信道的信道容量，ρ1——信道利用率

式中：Nsafe——在一個接入時隙內(nèi)傳輸?shù)陌踩畔€數(shù)，Tsafe——發(fā)送一條安全信息所需占用的時間槽個數(shù)，T——一個接入時隙所包含的時間槽個數(shù)，則一個周期包含的時間槽數(shù)為5T

式中：i——一個接入時隙內(nèi)可能發(fā)送的安全信息個數(shù)，pi——發(fā)送相應(yīng)個數(shù)的安全信息的概率。

令TWSA代表發(fā)送一條WSA所占用的時間槽個數(shù)，TWSA＝TWSA－pct＋TACK＋TSIFS，有理由認為TWSA＞Tsafe，那么，令

使用遞歸法求解pi：使得

以上概率可以使用下面的遞歸關(guān)系求解

初始條件

式中

式 （10）是一個節(jié)點在任一時間槽成功發(fā)送一條安全信息的概率。

計算S2

式中：ρ2——每條數(shù)據(jù)信道的利用率，C——每條信道的數(shù)據(jù)容量。

使用NWSA代表一個接入時隙內(nèi)成功發(fā)送的WSA個數(shù)，使用上面計算E ［Nsafe］的方法計算E ［NWSA］

使得

初始條件

式中

式 （16）是一個節(jié)點在任一時間槽成功發(fā)送一條WSA的概率。

那么，在一個周期內(nèi)成功發(fā)起的服務(wù)信息傳輸?shù)膫€數(shù)應(yīng)為：5·E ［NWSA］ ，認為這些傳輸均勻地分布在6條數(shù)據(jù)信道上，則每條信道分配到l或l＋1個傳輸，l＝設(shè)S條信道分配到l個，（6－S）條信道分配到l＋1個。注意到，雖然數(shù)據(jù)信道上的服務(wù)包傳輸不受周期的嚴(yán)格限制，但是信道協(xié)商時需要考慮信道占用時間，不能認為信道有無限長的可接入時間。因此，在吞吐量計算中按一個周期考慮信道的可接入時間，那么

式中，Tser＝服務(wù)包包長＋TSIFS＋TACK。

2.3 優(yōu)化模型

本協(xié)議試圖通過調(diào)整發(fā)送概率p1和p2來達到最大飽和吞吐量。因此研究了信息的發(fā)送概率對系統(tǒng)飽和吞吐量的影響。選取固定的節(jié)點個數(shù)N1＝15，N2＝15，讓兩種信息的發(fā)送概率同時變化，得到如圖2所示的吞吐量特性曲線。

圖2 飽和吞吐量隨發(fā)送概率變化

如圖2所示，隨著發(fā)送概率增加，系統(tǒng)飽和吞吐量先增大后減小。這是因為發(fā)送概率較低時，雖然碰撞率較低，但攜帶信息的節(jié)點在發(fā)送前要等待一段漫長的退避時間，雖然有信息等待交付，信道卻出現(xiàn)大段空閑時間，信道利用率低，造成吞吐量較低；當(dāng)發(fā)送概率較高時，雖然信道很少出現(xiàn)空閑，但由于同一時間爭用信道的節(jié)點過多，碰撞概率較高，節(jié)點往往需要經(jīng)歷多次碰撞造成的發(fā)送失敗，進行多次退避才能成功發(fā)送一條消息，這造成信息成功交付率低，系統(tǒng)吞吐量下降。

由以上分析可以知道，飽和吞吐量最大值在一個折中的發(fā)送概率處取得。因此提出下面的優(yōu)化模型求解發(fā)送概率，以期得到最大吞吐量

約束條件表示，安全信息的優(yōu)先級應(yīng)高于WSA，即p1大于p2。

使用迭代法求解此優(yōu)化模型：

按優(yōu)化模型解出最優(yōu)發(fā)送概率之后，就可以代回式（2）反解出最小退避窗口長度。所以求解發(fā)送概率的實質(zhì)就是求解退避過程參數(shù)。

網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點個數(shù)不同時，相應(yīng)退避窗口長度也不同。對各種節(jié)點個數(shù)的情況使用此模型計算發(fā)送概率和退避窗口長度，并使用列表記錄下來，根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點個數(shù)動態(tài)變化，就可以使網(wǎng)絡(luò)總是保持吞吐量最大狀態(tài)。

3 仿 真

這部分對協(xié)議的性能進行仿真驗證。仿真中系統(tǒng)參數(shù)見表1。

表1 仿真系統(tǒng)參數(shù)［10］

使用優(yōu)化模型計算得到的發(fā)送概率如圖3所示。

圖3顯示，當(dāng)節(jié)點個數(shù)增加時，兩種信息的發(fā)送概率均降低，表示節(jié)點個數(shù)增多時，為了保證碰撞概率維持在較低水平，每個節(jié)點退避的平均時間變長，參與信道競爭的頻率降低。

圖4描述的是發(fā)送兩種消息產(chǎn)生碰撞的概率隨節(jié)點個數(shù)變化的情況。節(jié)點個數(shù)增多，同一時間參與信道競爭的節(jié)點就增多，雖然各節(jié)點發(fā)送概率降低，碰撞概率仍呈現(xiàn)整體上升的趨勢。但是在曲線的后面部分，碰撞概率能基本保持穩(wěn)定，緩慢上升，沒有急劇增加的情況出現(xiàn)。圖5和圖6顯示了使用最優(yōu)退避窗口的協(xié)議的吞吐量和時延性能。兩圖的圖例中，a代表本協(xié)議，b代表不使用時分復(fù)用機制的協(xié)議，c代表不使用競爭窗口動態(tài)調(diào)整機制的協(xié)議，d代表兩種機制都不使用的協(xié)議。

圖3 兩種信息的發(fā)送概率隨節(jié)點個數(shù)變化

圖4 兩種信息的碰撞概率隨節(jié)點個數(shù)變化

圖5顯示，與IEEE1609.4標(biāo)準(zhǔn)相比，本協(xié)議的飽和吞吐量大為提高，且隨節(jié)點個數(shù)增加緩慢下降，基本保持穩(wěn)定。吞吐量高是本協(xié)議的一個突出優(yōu)勢，主要原因在于，使用兩部收發(fā)機，數(shù)據(jù)信道能夠持續(xù)工作；另外，時分復(fù)用機制使碰撞概率降低，有效數(shù)據(jù)通過量增加；最后，協(xié)議使用最大化吞吐量的模型來確定兩種信息的發(fā)送概率，也對吞吐量的提高做出了貢獻。由圖5還可以看出，沒有時分復(fù)用機制的時候，高碰撞概率使吞吐量下降一定程度；沒有競爭窗口動態(tài)調(diào)整機制的時候，固定長度的競爭窗口不能適應(yīng)變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，也降低了吞吐量性能。

圖5 吞吐量性能

圖6 時延性能

圖6顯示，隨節(jié)點個數(shù)增加，協(xié)議的安全信息時延緩慢上升，基本保持穩(wěn)定。由于時分復(fù)用機制降低了碰撞概率，而安全信息又不受時分復(fù)用機制的約束，所以本協(xié)議的安全信息時延低于IEEE 1609.4標(biāo)準(zhǔn)的時延。當(dāng)然，這是以服務(wù)信息時延的提高作為代價的。因為協(xié)議使用的是最大化吞吐量的優(yōu)化模型，所以本協(xié)議的安全信息時延并不是最低的。圖6中時延最低的是不使用競爭窗口動態(tài)調(diào)整機制，但使用時分復(fù)用機制的協(xié)議。

4 結(jié)束語

本文提出一種使用時分復(fù)用機制的多信道MAC協(xié)議。節(jié)點分時段接入控制信道，這種機制使同一時間競爭信道的節(jié)點數(shù)目減少，碰撞概率降低，網(wǎng)絡(luò)效率提高。之后又提出一個優(yōu)化模型，該模型以最大化飽和吞吐量為目的，求解兩種信息的最優(yōu)發(fā)送概率，根據(jù)發(fā)送概率計算競爭窗口長度值，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況動態(tài)變化，使網(wǎng)絡(luò)保持在吞吐量最大的狀態(tài)。仿真結(jié)果顯示，在各種網(wǎng)絡(luò)負載情況下，協(xié)議具有優(yōu)良的吞吐量性能，并且具有穩(wěn)定的、較低的安全信息時延。

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