徐哲鑫，蔡苓玲，林 瀟，吳 怡

（福建師范大學(xué)光電與信息工程學(xué)院 福州 350007）

1 引言

隨著無線通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，車載自組織網(wǎng)絡(luò)（vehicular Ad Hoc network，VANET）作為智能交通系統(tǒng)（intelligent transportation system，ITS）的重要組成部分，已經(jīng)得到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注[1～3]。然而，VANET的高動態(tài)的拓?fù)鋭討B(tài)性、高速的節(jié)點移動性、短暫的鏈路連通性、數(shù)據(jù)類型的多樣性及自組織通信等特有屬性，使得VANET的信息傳輸能力面臨新的挑戰(zhàn)。另外，VANET中節(jié)點的單跳通信范圍通常只有幾百米，因此節(jié)點除了具備數(shù)據(jù)收發(fā)功能，還需具備路由功能，可以采用多跳的方式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到更遠(yuǎn)的車輛上[4]。一般而言，VANET更適合在短距離通信中使用，實現(xiàn)與附近車輛的信息交互，而車輛節(jié)點間進(jìn)行中遠(yuǎn)距離的傳輸則可利用現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)[5]。

現(xiàn)有移動通信網(wǎng)中，LTE-Advanced（以下簡稱LTE-A）作為LTE的演進(jìn)版本，滿足國際電信聯(lián)盟（ITU）對4G的1 Gbit/s的峰值要求，其商用部署也不斷加快，截至2015年7月，全球已有60個國家和地區(qū)的131家運營商投資LTE-A部署。LTE-A實際上是技術(shù)集合，包含了LTE R10以及后續(xù)版本中的多項技術(shù)，如載波聚合、高階MIMO、D2D(device-to-device)、增 強(qiáng) 小 區(qū) 間 干 擾 協(xié) 調(diào) 等[6,7]。D2D是指在LTE-A網(wǎng)絡(luò)的eNode B控制下，通過重用宏蜂窩用戶資源實現(xiàn)端到端直接通信，降低了用戶間通信的時延及開銷，提高通信有效性。由此可見，eNode B除了要提供傳統(tǒng)蜂窩通信的功能，還要控制和管理D2D通信資源的分配和使用，無疑增加了eNode B的負(fù)擔(dān)?？蓪ANET中的技術(shù)引入LTE-A的D2D部分，利用VANET的自組織特性提高車輛節(jié)點通信效率和靈活性，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源分配，從而構(gòu)成VANET/LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

本文將重點研究VANET/LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中D2D部分（即VANET）的車輛節(jié)點信道接入機(jī)制。VANET中節(jié)點信道接入機(jī)制總體上可以分成“基于競爭”及“基于調(diào)度”兩大類[8～10]。傳統(tǒng)的觀點認(rèn)為，“基于調(diào)度”機(jī)制并不適合于VANET[8]（如TDMA），因為該機(jī)制需要事先為節(jié)點預(yù)訂時隙，并且時間幀中時隙個數(shù)固定，不適用于拓?fù)鋭討B(tài)變化的VANET。因此，“基于競爭”的信道接入機(jī)制更受到青睞，其中IEEE 802.11p就是一種經(jīng)典的“基于競爭”的VANET MAC層協(xié)議[11]，得到廣泛的研究[12,13]。但I(xiàn)EEE 802.11p隨機(jī)接入的本質(zhì)屬性導(dǎo)致了節(jié)點接入信道時延的無界性，只能從概率意義上預(yù)測接入[10,14]，這對于車輛安全方面信息的傳輸是致命的缺陷。針對“基于競爭”機(jī)制的這一缺陷，Wong等人[9,10]再次從“基于調(diào)度”的角度出發(fā)，提出基于協(xié)議序列的MAC接入機(jī)制，證明了在使用用戶保障（user irrepressible，UI）序列時可實現(xiàn)節(jié)點接入信道時延的有界性，從而一定程度上克服了“基于競爭”機(jī)制的缺陷。另外，參考文獻(xiàn)[10]中提出的基于GNSS的序列分配機(jī)制，解決了傳統(tǒng)“基于調(diào)度”機(jī)制中節(jié)點個數(shù)無法確定，需要集中式管理的問題。

然而，“基于調(diào)度”的協(xié)議序列的信道接入機(jī)制并非在所有情況下都優(yōu)于“基于競爭”的IEEE 802.11p MAC協(xié)議，本文將構(gòu)建IEEE 802.11p的UI序列等效模型，深入剖析各自的優(yōu)劣及其成因，并由此在IEEE 802.11p MAC協(xié)議的框架下提出基于協(xié)議序列-IEEE 802.11p的信道接入機(jī)制，將“基于調(diào)度”信道接入與“基于競爭”信道接入結(jié)合，融合兩者的優(yōu)勢，同時緩解各自的缺陷。

2 VANET/LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)及其信道接入機(jī)制

如圖1所示，本文提出的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由VANET和LTE-A構(gòu)成，車輛節(jié)點即該網(wǎng)絡(luò)的“用戶”，使用車載單元（on board unit，OBU）通信。車載單元具有VANET和LTE-A兩種接口模塊，既可以與其他OBU直接通信獲得VANET服務(wù)，也可以與eNode B通信獲得LTE-A服務(wù)。從LTE-A的角度看，VANET構(gòu)成了其D2D部分，利用靈活的VANET架構(gòu)滿足車輛拓?fù)鋭討B(tài)變化下的節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸需求，同時緩解了LTE-A中資源受限問題；從VANET角度看，LTE-A構(gòu)成其V2I部分，利用強(qiáng)大的LTE-A核心網(wǎng)提供更豐富的數(shù)據(jù)服務(wù)內(nèi)容以及遠(yuǎn)程通信距離。

圖1 VANET/LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

VANET/LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中車輛間通信所使用的頻段及信道分配總體沿用IEEE 802.11p的規(guī)范，如圖2所示，仍使用5.9 GHz頻段，總帶寬75 MHz。由7個信道組成，每個信道10 MHz，其中，Ch178為控制信道，剩余6個為服務(wù)信道。

圖2 VANET/LTE-A頻段和信道分配

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在接入模式及信道使用上有所改進(jìn)，具體如下。

（1）接入模式方面

在接入模式方面，Ch172～176保持IEEE 802.11p的接入模式，即EDCA模式，顯然也支持DCF模式，合并簡稱IEEE 802.11p模式；而Ch178～184采用基于用戶保障序列的接入模式，簡稱UI模式。

在UI模式中，協(xié)議序列僅是一串由0和1組成的二進(jìn)制序列，如100100100。但從通信的角度看，當(dāng)每一位二進(jìn)制數(shù)表示一個時隙，并令0表示接收時隙、1表示發(fā)送時隙時，一個協(xié)議序列就代表了一種MAC層信道時隙使用的模式，并且該模式是確定性的。通過合理地設(shè)計協(xié)議序列，并將一個協(xié)議序列分配給一個節(jié)點就相當(dāng)于完成了時隙的分配[10]。已經(jīng)可以證明[9]，UI序列能保證每個用戶在一個序列周期內(nèi)至少成功發(fā)送一個時隙，這種確定性的時隙使用模式也使接入時延、網(wǎng)絡(luò)吞吐量等性能可控。

更關(guān)鍵的是基于協(xié)議序列的信道接入是無反饋的，節(jié)點無須監(jiān)聽信道也無須交互信標(biāo)幀，直接按照序列中0和1位置決定是否發(fā)送數(shù)據(jù)即可，這將大大降低網(wǎng)絡(luò)開銷，很符合VANET鏈路生存期短的特點。因此，將控制系統(tǒng)運作的Ch178設(shè)定為UI模式。

同時，由于UI模式不需要信道監(jiān)聽以及隨機(jī)退避等措施，簡單易行，因此硬件成本將低于IEEE 802.11p模式?？紤]到更高頻段硬件設(shè)計的難度和成本會比低頻段的高，因此將3個相對高頻的服務(wù)信道Ch180、Ch182、Ch184也設(shè)定為UI模式。然而，UI模式相對于IEEE 802.11p模式的優(yōu)勢是以降低吞吐量為代價的，因此在該系統(tǒng)的3個低頻段信道Ch172、Ch174、Ch176依然使用IEEE 802.11p模式，從而形成協(xié)議序列-IEEE 802.11p混合模式，實現(xiàn)吞吐量和數(shù)據(jù)發(fā)送時延的權(quán)衡。本文后續(xù)部分將通過分析并比較UI模式與IEEE 802.11p模式之間的優(yōu)劣，說明協(xié)議序列-IEEE 802.11p模式的有效性。

（2）信道使用方面

在信道使用方面，將7個信道分成4組：A組為Ch178；B組為Ch172及Ch184，這兩個信道分別標(biāo)識為B1、B2，負(fù)責(zé)安全信息傳輸；C組為Ch174及Ch180，這兩個信道分別標(biāo)識為C1、C2；D組為Ch176及Ch182，這兩個信道分別標(biāo)識為D1、D2，C和D兩組將用于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸。這樣，服務(wù)信道組中同一數(shù)據(jù)流將對應(yīng)一組信道，即同時在兩個信道上發(fā)送，數(shù)據(jù)流發(fā)送端等效框圖如圖3所示。

圖3 服務(wù)信道組中數(shù)據(jù)流發(fā)送端等效框圖

數(shù)據(jù)流緩存中數(shù)據(jù)分組以隊列的形式依次等待發(fā)送。數(shù)據(jù)分組可在所處的信道組中的兩個信道同時發(fā)送或其中之一發(fā)送，這取決于節(jié)點在該信道是否獲得發(fā)送機(jī)會。以IEEE 802.11p模式為例，若節(jié)點退避結(jié)束并發(fā)現(xiàn)信道空閑，則提取一個數(shù)據(jù)分組并經(jīng)過物理層處理后發(fā)送，否則隊列中數(shù)據(jù)分組處于等待狀態(tài)，這就相當(dāng)于在數(shù)據(jù)緩存隊列與IEEE 802.11p模式緩存單元之間設(shè)置受控開關(guān)，觸發(fā)時機(jī)由EDCA或DCF機(jī)制決定。同理，UI模式的發(fā)送機(jī)制也類似，等效為在數(shù)據(jù)緩存隊列與IEEE 802.11p模式緩存單元之間設(shè)置受控開關(guān)，觸發(fā)時機(jī)由UI序列中的0和1決定。每個節(jié)點使用的UI序列由節(jié)點所屬的eNode B根據(jù)小區(qū)當(dāng)前用戶數(shù)生成并分配。

若兩個信道在同一時隙均獲得數(shù)據(jù)分組的發(fā)送機(jī)會，則分別提取一個數(shù)據(jù)分組，提取時延由硬件決定，通?？珊雎圆挥?，因此可以認(rèn)為兩種模式同時提取數(shù)據(jù)分組，并經(jīng)物理層處理后發(fā)送。

3 UI模式及IEEE 802.11p模式建模及分析

本節(jié)將對UI模式及IEEE 802.11p模式從用戶吞吐量、平均數(shù)據(jù)分組發(fā)送時延等方面進(jìn)行建模，并構(gòu)建IEEE 802.11p對應(yīng)的UI等效模型，從而推導(dǎo)基于協(xié)議序列-IEEE 802.11p的信道接入機(jī)制的各項性能指標(biāo)表達(dá)式。

需要說明的是，該部分重點比較“基于競爭”和“基于調(diào)度”的模式之間的性能優(yōu)劣，因此IEEE 802.11p模式中采用DCF與UI模式對比，采用EDCA與UI模式對比的結(jié)論也類似。

3.1 用戶平均吞吐量

網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點更關(guān)心自身數(shù)據(jù)發(fā)送情況，因此用戶吞吐量比系統(tǒng)吞吐量更為重要。用戶吞吐量定義為單位時間內(nèi)每個用戶平均發(fā)送的數(shù)據(jù)量大小，等于系統(tǒng)吞吐量與用戶數(shù)的商。

UI模式下，設(shè)當(dāng)前小區(qū)用戶數(shù)為K，則系統(tǒng)平均吞吐量為S=Kf(1-f)K-1[15]，因此用戶平均吞吐量為：

DCF模式下，系統(tǒng)平均吞吐量可參見參考文獻(xiàn)[16]，表示為。

綜上所述，可得到基于協(xié)議序列-IEEE 802.11p信道接入機(jī)制將轉(zhuǎn)化為UI-DCF模式，其吞吐量表達(dá)式為：

即兩個信道吞吐量之和。

3.2 平均數(shù)據(jù)分組發(fā)送時延

平均數(shù)據(jù)分組發(fā)送時延可表示為一個節(jié)點每成功發(fā)送一個數(shù)據(jù)分組所耗費的時間[17]。

UI模式下，節(jié)點的介質(zhì)訪問時延很短并且是有界的[9,10,15]，即節(jié)點的兩個成功發(fā)送時隙之間的間隔很短。由于UI序列的特性，能保證節(jié)點在一個序列周期L內(nèi)至少能獲得一個成功發(fā)送時隙，并且在概率意義下的表達(dá)式為：

該值的數(shù)量級通常在幾百微秒到幾毫秒。然而需要注意的是，節(jié)點每次成功接入信道時，實際只獲得一個時隙的發(fā)送持續(xù)時間。在IEEE 802.11p的規(guī)范下，每個時隙發(fā)送 數(shù) 據(jù) 量 為24～216 bit，PSDU范 圍 在0～4 KB，UI模 式 下節(jié)點成功發(fā)完一個數(shù)據(jù)分組所需的時間不一定都短，特別是在大數(shù)據(jù)分組時這一現(xiàn)象更加突出。因此，還需要關(guān)注UI模式下平均數(shù)據(jù)分組發(fā)送時延這一指標(biāo)，表示為設(shè)每個數(shù)據(jù)分組大小為bpbit，則

需要說明的是，用戶平均吞吐量和平均數(shù)據(jù)分組發(fā)送時延是一一對應(yīng)的，因此實際上分析用戶平均吞吐量即可推斷平均數(shù)據(jù)分組發(fā)送時延的性能，反之亦然。但使用平均數(shù)據(jù)分組發(fā)送時延評估性能時，可將DCF模式和UI-DCF模式轉(zhuǎn)化為等效的UI模式，從而可直觀得到三者間的性能差異。以DCF模式為例，平均數(shù)據(jù)分組發(fā)送時延為的DCF模式可等效為介質(zhì)訪問時延為的UI模式。由此也可以看出，若不變，數(shù)據(jù)分組大小bp直接決定系統(tǒng)性能，其效果與前述bp對吞吐量的影響分析中所得到的結(jié)論相同。

4 仿真分析

根據(jù)圖1系統(tǒng)架構(gòu)利用MATLAB構(gòu)建仿真場景。設(shè)eNode B所覆蓋的道路內(nèi)車輛節(jié)點個數(shù)變化范圍為5～70。UI序列集合由eNode B根據(jù)車輛節(jié)點個數(shù)以q=2p-1的規(guī)則生成素數(shù)序列(generalized prime sequences,GPS)[10]，同時UI極限情況將給出理論值。DCF模式的具體參數(shù)設(shè)置見表1。

在節(jié)點個數(shù)為10、信道速率為6 Mbit/s的情況下，UI模式、DCF模式以及UI-DCF模式的用戶吞吐量和平均數(shù)據(jù)分組發(fā)送時延分別如圖4所示?？梢钥闯?，在UI模式下，給定用戶數(shù)時，用戶吞吐量保持恒定，這與本文對應(yīng)的式（1）的結(jié)論吻合。定性上還可以理解為當(dāng)給定用戶數(shù)時，序列集合唯一確定，從而序列中“1”的個數(shù)（即發(fā)送時隙數(shù)）唯一確定。用戶間采用的是確定性接入方式，每個序列周期所處的成功發(fā)送周期和被碰撞的時隙均相同，因此可保持吞吐量值為常數(shù)。其平均數(shù)據(jù)分組發(fā)送時延隨著數(shù)據(jù)分組的增大而增大，這是因為UI模式每個時隙發(fā)送數(shù)據(jù)量是相同的，數(shù)據(jù)分組越大就必須等待越多的成功時隙。

表1 DCF參數(shù)設(shè)定

UI序列極限情況下負(fù)載因子比q=2q-1的生成素數(shù)序列更大，意味著單位時間內(nèi)有更多的發(fā)送機(jī)會，并且所謂的極限情況實際上是達(dá)到發(fā)送機(jī)會個數(shù)和碰撞風(fēng)險之間的最佳平衡，因此用戶平均吞吐量更大，平均數(shù)據(jù)分組發(fā)送時延更小。

在DCF模式下，隨著數(shù)據(jù)分組的增大，用戶平均吞吐量也增大，并且增長速度逐漸放緩，這是因為如果每個用戶使用的數(shù)據(jù)分組都增大，必然增大信道占用時間，即增大發(fā)送等待時間，同時也增大了碰撞概率，反而限制了吞吐量的增速。另外，與UI模式相比存在性能轉(zhuǎn)折點。當(dāng)數(shù)據(jù)分組較小時，有效載荷所占比例很小，控制幀、分組頭等附加數(shù)據(jù)消耗大部分網(wǎng)絡(luò)資源。而此時UI模式不需要傳輸RTS/CTS等控制幀，而且少數(shù)幾個成功發(fā)送時隙即可完成一個數(shù)據(jù)分組的傳輸，這樣介質(zhì)訪問時延短的優(yōu)勢得以發(fā)揮。當(dāng)數(shù)據(jù)分組較大時，情況相反，UI模式恒定的吞吐量成為束縛，節(jié)點需要大量成功發(fā)送時隙才能完成一個數(shù)據(jù)分組的傳輸，其平均數(shù)據(jù)分組傳輸時間必然快速線性增大。而此時DCF模式能在一次成功信道接入中就發(fā)送較多數(shù)據(jù)，并且仿真表明CSMA/CA競爭機(jī)制導(dǎo)致的接入時延的增長低于UI模式的平均數(shù)據(jù)分組發(fā)送時延的增加，從而具有相對更大的用戶平均吞吐量和相對較低的平均數(shù)據(jù)分組發(fā)送時延。本文提出的基于協(xié)議序列-IEEE 802.11p信道接入模式則能夠?qū)崿F(xiàn)兩個模式性能的折中。當(dāng)數(shù)據(jù)分組較小時，利用UI模式的優(yōu)勢提高吞吐量；當(dāng)數(shù)據(jù)分組較大時，利用DCF模式的優(yōu)勢降低平均數(shù)據(jù)分組發(fā)送時延。

從圖4可以看出，UI模式和DCF模式之間存在臨界數(shù)據(jù)分組大小，成為性能的轉(zhuǎn)折點。圖5仿真了不同節(jié)點數(shù)、不同信道速率的情況下臨界數(shù)據(jù)分組的大小以及變化趨勢。由圖5可見，當(dāng)節(jié)點數(shù)一定時，隨著信道速率增大，臨界數(shù)據(jù)分組大小逐漸增大。這是因為UI模式下每個時隙傳輸速率增大時，同樣的成功發(fā)送時隙個數(shù)可發(fā)送更大的數(shù)據(jù)量。另外，當(dāng)信道速率一定時，隨著節(jié)點數(shù)增加，臨界數(shù)據(jù)分組大小呈現(xiàn)先變小后變大的趨勢。這是因為當(dāng)節(jié)點個數(shù)很少時，UI序列周期很短，節(jié)點能以更快的頻率發(fā)送數(shù)據(jù)。節(jié)點個數(shù)逐漸增加后，UI序列周期增長速度加快，而DCF模式下數(shù)據(jù)碰撞導(dǎo)致的時延還沒有很明顯，因此數(shù)據(jù)分組臨界點降低。節(jié)點數(shù)再增大后，DCF模式數(shù)據(jù)碰撞概率加大，吞吐量優(yōu)勢減弱，從而使數(shù)據(jù)分組大小臨界點再次增加。

圖4 VANET/LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能

圖5 UI模式與DCF模式性能轉(zhuǎn)折點對應(yīng)的數(shù)據(jù)分組大小臨界值

5 結(jié)束語

本文將VANET與LTE-A結(jié)合，提出VANET/LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，利用VANET的靈活性提升LTE-A中D2D通信效率，并提高LTE-A網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。以VANET中節(jié)點信道接入機(jī)制為研究對象，分別從理論和仿真研究UI模式和DCF模式在用戶平均吞吐量、平均數(shù)據(jù)分組發(fā)送時延等方面的優(yōu)劣。仿真結(jié)果表明，在給定用戶數(shù)和物理層參數(shù)的情況下，UI模式在小數(shù)據(jù)分組情況下用戶平均吞吐量、平均數(shù)據(jù)分組發(fā)送時延性能優(yōu)于DCF模式，而在大數(shù)據(jù)分組情況下DCF模式性能優(yōu)于UI模式。兩個模式之間存在性能轉(zhuǎn)折點，可由臨界數(shù)據(jù)分組大小表征。仿真表明，臨界數(shù)據(jù)分組大小隨信道速率增大而增大，隨節(jié)點數(shù)增大呈先減小后增大的趨勢。在此基礎(chǔ)上，重新規(guī)劃IEEE 802.11p各子信道接入模式及使用，提出基于協(xié)議序列-IEEE 802.11p的信道接入機(jī)制，在不同數(shù)據(jù)分組大小下兼顧了用戶平均吞吐量和平均數(shù)據(jù)分組發(fā)送時延的性能，實現(xiàn)兩者性能權(quán)衡?！盎谡{(diào)度”和“基于競爭”信道接入相結(jié)合的思想也具有理論價值和實用價值。

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