歐 莽，陳 振，汪繼文

安徽大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，合肥 230601

1 引言

隨著無線通信和汽車工業(yè)技術(shù)的融合，車輛裝有車載通信模塊，與其他車輛或路邊通信設(shè)施自發(fā)通信成為了可能，衍生出一種新的移動(dòng)自組網(wǎng)（mobile ad hoc networks，MANET）應(yīng)用——車載自組網(wǎng)（vehicular ad hoc networks，VANET）。作為現(xiàn)代智能交通的基石，VANET 在提升道路安全、優(yōu)化交通出行、信息服務(wù)、車載娛樂等方面都有著非常重要的應(yīng)用[1]。

考慮到交通事故對(duì)人類生命和財(cái)富的巨大威脅，道路安全應(yīng)用在VANET 諸多應(yīng)用中顯得尤為迫切，這類應(yīng)用通常要保證安全信息及時(shí)可靠地傳輸，否則會(huì)帶來災(zāi)難性的后果。IEEE 802.11系列協(xié)議無法滿足VANET 安全應(yīng)用對(duì)通信時(shí)延和可靠性的嚴(yán)格要求，不能提供有效的信息廣播服務(wù)（很多VANET安全信息需要以廣播方式發(fā)送），從而不能很好地適應(yīng)VANET 應(yīng)用場(chǎng)景[2-4]。鑒于IEEE 802.11系列協(xié)議的諸多問題，人們積極探索研究無競(jìng)爭(zhēng)型MAC（medium access control）協(xié)議在VANET 中的應(yīng)用[5]，特別是針對(duì)VANET場(chǎng)合的分布式TDMA（distributed time division multiple access，DTDMA）協(xié)議更是近年來的研究熱點(diǎn)[6-11]。DTDMA能夠較好地適應(yīng)VANET安全應(yīng)用的通信要求[7-8]，并且在信道利用率、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和協(xié)議公平性等方面也表現(xiàn)出較好的性能[9-10]。在VANET中，由于缺少中心節(jié)點(diǎn)，DTDMA基于包頭攜帶的時(shí)隙分配信息工作，節(jié)點(diǎn)獲得時(shí)隙后，就會(huì)一直占用時(shí)隙，即使不需要發(fā)送實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)，也要在自身時(shí)隙內(nèi)發(fā)送偽包，以便與其他節(jié)點(diǎn)交換時(shí)隙分配信息，這種工作方式不可避免地產(chǎn)生了節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)隙問題。而另一方面，由于車輛高速移動(dòng)，車輛或路旁建筑物對(duì)無線傳輸信號(hào)阻擋等，車載環(huán)境下的無線信道質(zhì)量相對(duì)于一般的無線通信環(huán)境會(huì)更差，以至于通信可靠性問題嚴(yán)重制約著VANET 的推廣和應(yīng)用[12]。

由于信道資源受限，且考慮到VANET 應(yīng)用業(yè)務(wù)的快速增長，單純地從點(diǎn)到點(diǎn)無線鏈路來尋求網(wǎng)絡(luò)性能的提升會(huì)面臨諸多限制和瓶頸，而作為現(xiàn)代無線通信的一種重要技術(shù)手段，協(xié)作通信能夠通過節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作來有效提高通信可靠性。文獻(xiàn)[13-15]基于有中心基站的TDMA協(xié)議提出了相關(guān)協(xié)作通信方法，在這些方法中，時(shí)隙分配管理、協(xié)作通信的協(xié)調(diào)和執(zhí)行等都要依賴中心基站，況且它們大都只關(guān)注移動(dòng)終端與中心基站之間的通信，因而不適合VANET 場(chǎng)合。Yang 等提出了名為CCB-MAC（cooperative clustering-based MAC）的TDMA 協(xié)作通信方法，該方法雖然不依賴實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)，但需要依賴簇頭節(jié)點(diǎn)，產(chǎn)生了簇形成、簇維護(hù)和選擇簇頭節(jié)點(diǎn)等網(wǎng)絡(luò)開銷[16]。文獻(xiàn)[17-18]基于DTDMA 提出了利用幀內(nèi)未分配時(shí)隙的協(xié)作通信方法，但由于利用幀內(nèi)未分配時(shí)隙進(jìn)行協(xié)作通信不可避免地降低其他節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求獲得時(shí)隙的機(jī)會(huì)，影響到網(wǎng)絡(luò)正常數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。文獻(xiàn)[19]提出名為DC-TDMA 的TDMA 協(xié)作通信方法，DC-TDMA 不依賴中心節(jié)點(diǎn)，利用節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)隙協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，但每次網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變時(shí)，不同節(jié)點(diǎn)需要帶外數(shù)據(jù)（out-of-band，OOB）交換時(shí)隙再分配信息，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的網(wǎng)絡(luò)開銷，而且針對(duì)每次網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變，DC-TDMA 需要大量時(shí)間對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重置，因而不適合VANET場(chǎng)合。上述TDMA協(xié)作通信方法都需要依賴相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸確認(rèn)信息和機(jī)制，如在DCTDMA 中，只有在確認(rèn)中繼節(jié)點(diǎn)沒有成功接收數(shù)據(jù)后，相關(guān)節(jié)點(diǎn)才進(jìn)行協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)。通常的數(shù)據(jù)確認(rèn)方式為，源節(jié)點(diǎn)在自身時(shí)隙前部分發(fā)送數(shù)據(jù)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在源節(jié)點(diǎn)時(shí)隙后部分發(fā)送確認(rèn)信息。這將導(dǎo)致以下問題：首先，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送相關(guān)控制包，如ACK（acknowledgement）和NACK（negative acknowledgement）控制包，增加了網(wǎng)絡(luò)開銷；其次，時(shí)隙時(shí)間需要設(shè)置較長，以便除了容納源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包外，還要容納目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制包（在VANET 中，如果時(shí)隙時(shí)間設(shè)置較長，則會(huì)導(dǎo)致DC-TDMA幀時(shí)間較長和節(jié)點(diǎn)訪問信道時(shí)延較長，不利于其安全應(yīng)用）；最后，需要節(jié)點(diǎn)在單個(gè)時(shí)隙內(nèi)切換無線通信的收發(fā)模式，增加了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性。

為有效利用節(jié)點(diǎn)自身空閑時(shí)隙協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，針對(duì)VANET 場(chǎng)合提出一種基于DTDMA 的協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)方法（cooperative relaying distributed TDMA，CR-DTDMA）。不同于上述TDMA 協(xié)作通信方法，CR-DTDMA實(shí)現(xiàn)一種網(wǎng)絡(luò)握手協(xié)議來確定協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)，同時(shí)采用消息搭載（piggyback，PB）機(jī)制傳遞相關(guān)控制信息，從而在不依賴數(shù)據(jù)傳輸確認(rèn)機(jī)制、不傳遞專門控制包、不在單個(gè)時(shí)隙內(nèi)切換無線通信收發(fā)方式的情形下實(shí)現(xiàn)了協(xié)作中繼過程。由于僅利用節(jié)點(diǎn)自身空閑時(shí)隙資源，CR-DTDMA 不影響網(wǎng)絡(luò)中的正常數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，但提高了相關(guān)網(wǎng)絡(luò)性能。最后，從數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)概率、中繼轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延和丟包率三方面來分析和驗(yàn)證所提方法的可靠性。

2 信道訪問

分布式TDMA協(xié)議將信道時(shí)間劃分為不同的幀（frame），每幀包含固定數(shù)目時(shí)隙（slot），設(shè)每幀包含的時(shí)隙數(shù)為F。為了確定每幀起始時(shí)間和幀內(nèi)各個(gè)時(shí)隙的起始時(shí)間，DTDMA需要不同節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步。隨著全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）和導(dǎo)航系統(tǒng)的普及，假設(shè)車輛可以利用GPS 脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步（即便是對(duì)于一般的GPS 接收器來說，GPS 脈沖信號(hào)時(shí)間誤差也在100 ns 以內(nèi)，足以滿足通常情況下的時(shí)鐘同步要求）[7]。在DTDMA中，由于不存在中心節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙資源，為了獲知幀內(nèi)時(shí)隙狀態(tài)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)需要交換時(shí)隙分配信息。具體方式為[7-8]：每個(gè)節(jié)點(diǎn)在自身數(shù)據(jù)包頭中插入幀信息（frame information，F(xiàn)I）域，F(xiàn)I域記錄了節(jié)點(diǎn)一跳傳輸范圍內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙占用情況，通過與一跳傳輸范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)交換FI 域，節(jié)點(diǎn)判斷出兩跳傳輸范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)時(shí)隙占用情況。為了避免隱藏節(jié)點(diǎn)和信息碰撞問題，節(jié)點(diǎn)只能請(qǐng)求訪問兩跳傳輸范圍內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)未訪問的時(shí)隙。如圖1所示，由于車輛A和車輛G在彼此兩跳傳輸范圍外，它們可以訪問幀內(nèi)相同的時(shí)隙，而車輛A、B、C、D、E都在彼此兩跳傳輸范圍內(nèi)，它們需要訪問幀內(nèi)不同的時(shí)隙。需要指出的是，在分布式TDMA協(xié)議中，為了和其他節(jié)點(diǎn)交換時(shí)隙分配信息，即使節(jié)點(diǎn)不需要發(fā)送數(shù)據(jù)，也要在自身時(shí)隙內(nèi)發(fā)送虛擬數(shù)據(jù)包（dummy packet，實(shí)際數(shù)據(jù)為空）[7-8]。

Fig.1 Time slot access mechanism in distributed TDMA protocol圖1 分布式TDMA協(xié)議時(shí)隙訪問機(jī)制

在VANET 中，距離兩跳范圍外的車輛節(jié)點(diǎn)由于相對(duì)移動(dòng)而彼此接近，可能成為兩跳范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)，如果原來這些節(jié)點(diǎn)訪問幀內(nèi)同一時(shí)隙，就會(huì)引發(fā)時(shí)隙訪問沖突問題，這種情形下，沖突節(jié)點(diǎn)需要重新申請(qǐng)時(shí)隙[7]。文獻(xiàn)[7-8]提出了VeMAC 協(xié)議，將幀時(shí)分為3個(gè)不相交的時(shí)隙子集，行駛在公路不同方向上的車輛和路旁固定通信設(shè)備分別訪問幀內(nèi)不同的時(shí)隙子集，從而減少了時(shí)隙訪問沖突次數(shù)，提高了網(wǎng)絡(luò)性能。下面假設(shè)在VeMAC 協(xié)議下車輛節(jié)點(diǎn)都已獲得相應(yīng)時(shí)隙。

3 協(xié)作數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)

在很多情形下，源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離大于無線一跳傳輸距離。下面主要關(guān)注源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)距離為兩跳情形時(shí)的協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)方法，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)距離大于兩跳情形時(shí)，沿著源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)路徑不斷地重復(fù)上述兩跳過程，直到源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。如圖2所示，源節(jié)點(diǎn)S到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D的距離大于無線一跳傳輸距離且小于兩跳傳輸距離，源節(jié)點(diǎn)S數(shù)據(jù)需經(jīng)過中繼節(jié)點(diǎn)R中繼轉(zhuǎn)發(fā)至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D。在源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送數(shù)據(jù)到中繼節(jié)點(diǎn)R時(shí)，由于無線信道廣播特性，同時(shí)處于源節(jié)點(diǎn)S與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D傳輸半徑內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)也能正確接收源節(jié)點(diǎn)S數(shù)據(jù)。因此，在中繼節(jié)點(diǎn)R未成功接收到源節(jié)點(diǎn)S數(shù)據(jù)時(shí)，這些節(jié)點(diǎn)可以利用自身空閑時(shí)隙協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)S數(shù)據(jù)。下面把進(jìn)行協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)稱為協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)。

Fig.2 Cooperative data relaying in two-hop transmission range圖2 兩跳傳輸范圍內(nèi)的協(xié)作數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)

3.1 CR-REQ與CR-ACK

下面實(shí)現(xiàn)一種用于確定協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)握手機(jī)制。

Fig.3 CR-DTDMA packet structure圖3 CR-DTDMA的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

當(dāng)收到源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送的數(shù)據(jù)，中繼節(jié)點(diǎn)R通過檢驗(yàn)包頭中的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（cyclic redundancy code，CRC）或通過其他錯(cuò)誤控制機(jī)制來驗(yàn)證是否正確接收數(shù)據(jù)。如果R未成功接收節(jié)點(diǎn)S數(shù)據(jù)，則如圖3（a）所示，中繼節(jié)點(diǎn)通過在自身數(shù)據(jù)包頭中插入?yún)f(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求（cooperative relay request，CRREQ）域來請(qǐng)求附近其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。其中，包頭中的PHY Header、MAC Header、FI、Payload Data 和CRC 等與DTDMA 相同。在新插入的CR-REQ 域中，F(xiàn)lag 標(biāo)志為0，表示插入的是CR-REQ 域。此外，Source ID、Packet Sequence 和Destination ID 分別對(duì)應(yīng)了待協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的原來源節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)、數(shù)據(jù)包序號(hào)以及目標(biāo)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)，用于標(biāo)識(shí)待協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)。

當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)共同傳輸范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)收到中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送的CR-REQ 域時(shí)，如果滿足條件：自身時(shí)隙空閑；已成功接收源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)；未偵聽到其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，則節(jié)點(diǎn)在自身時(shí)隙內(nèi)協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并在協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包頭中插入?yún)f(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)確認(rèn)（cooperative relay acknowledgement，CR-ACK）域，確認(rèn)已協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。如圖3（b）所示。在CR-ACK域中，F(xiàn)lag標(biāo)志設(shè)置為1，表示數(shù)據(jù)包頭中插入的是CR-ACK域，其余信息與CR-REQ域相同。

3.2 協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)中的信息交互

基于圖2所示場(chǎng)景，圖4說明相關(guān)信息交互過程。

（1）如圖4（a）所示，源節(jié)點(diǎn)S在自身時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)到中繼節(jié)點(diǎn)R，由于H1、H2等節(jié)點(diǎn)在S與D的共同傳輸范圍內(nèi)，如果它們成功接收S數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保存在自身緩存中。

（2）如圖4（b）所示，如果S數(shù)據(jù)未被中繼節(jié)點(diǎn)R成功接收，則中繼節(jié)點(diǎn)R在自身時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，在要發(fā)送的數(shù)據(jù)包頭中插入CR-REQ 域，通過CRREQ域請(qǐng)求附近其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)S數(shù)據(jù)，即中繼節(jié)點(diǎn)R采用PB機(jī)制傳遞CR-REQ域。

（3）如圖4（c）所示，節(jié)點(diǎn)H1接收到CR-REQ 域，如果節(jié)點(diǎn)H1滿足上述協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)條件，則節(jié)點(diǎn)H1在自身空閑時(shí)隙內(nèi)協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)S數(shù)據(jù)，并在協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包頭中插入CR-ACK 域，通過CR-ACK域確認(rèn)已協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)S數(shù)據(jù)（節(jié)點(diǎn)H1也是采用PB機(jī)制傳遞CR-ACK域）。當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)（如節(jié)點(diǎn)H2等）偵聽到節(jié)點(diǎn)H1發(fā)送的CR-ACK 域，不再協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)S數(shù)據(jù)。

Fig.4 Information exchange process in CR-DTDMA圖4 CR-DTDMA中的信息交換過程

在上述過程中，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)未被中繼節(jié)點(diǎn)成功接收時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求信息CRREQ，當(dāng)有節(jié)點(diǎn)協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)便發(fā)送協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)確認(rèn)信息CR-ACK。上述過程不需要其他節(jié)點(diǎn)確認(rèn)中繼節(jié)點(diǎn)是否成功接收源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，從而避免發(fā)送用于傳輸確認(rèn)的控制包。此外，為避免發(fā)送控制包，上述過程采用PB 機(jī)制來傳遞CRREQ和CR-ACK信息。

VANET 安全應(yīng)用通常要求在100 ms 內(nèi)將安全信息傳遞給附近車輛[3]，為了及時(shí)傳播信息，分布式TDMA協(xié)議的幀時(shí)間通常要求設(shè)置在幾十毫秒內(nèi)[7-8]。上述整個(gè)過程（從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)作數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)完成）發(fā)生在1～2幀內(nèi)，持續(xù)時(shí)間短，因此在此過程中節(jié)點(diǎn)相對(duì)位置幾乎沒有變化。由于上述過程不依賴中心節(jié)點(diǎn)，且持續(xù)時(shí)間短，因而能滿足VANET無中心節(jié)點(diǎn)且網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化的特點(diǎn)。

3.3 網(wǎng)絡(luò)開銷分析

CR-DTDMA 網(wǎng)絡(luò)開銷為在包頭中插入的CRREQ/CR-ACK 域。CR-REQ/CR-ACK 域包含了Flag標(biāo)志（長度為1 bit）、源節(jié)點(diǎn)ID號(hào)、數(shù)據(jù)包序號(hào)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ID 號(hào)。參考文獻(xiàn)[8]，將節(jié)點(diǎn)ID 號(hào)長度設(shè)置為7 bit，數(shù)據(jù)包序號(hào)長度設(shè)置為2 Byte（當(dāng)大于最大序號(hào)時(shí)，數(shù)據(jù)包序號(hào)從0開始重新計(jì)數(shù)），時(shí)隙時(shí)間長度設(shè)置為1 ms。在上述設(shè)置下，CR-REQ/CR-ACK域所占用的數(shù)據(jù)位數(shù)為31 bit。參考相關(guān)專用短程通信（dedicated short range communications，DSRC）標(biāo)準(zhǔn)，將數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)為18 Mb/s，則節(jié)點(diǎn)能夠在1個(gè)時(shí)隙內(nèi)發(fā)送長度為18 874 bit 數(shù)據(jù)。由于CR-REQ/CRACK 域所占用的數(shù)據(jù)位數(shù)遠(yuǎn)小于節(jié)點(diǎn)在1個(gè)時(shí)隙內(nèi)所發(fā)送的數(shù)據(jù)位數(shù)，因此相對(duì)于利用的空閑時(shí)隙資源，CR-REQ/CR-ACK域開銷可以忽略不計(jì)。在下面分析和仿真中，假設(shè)CR-REQ/CR-ACK域都能夠被車輛節(jié)點(diǎn)正確地發(fā)送和接收。

4 相關(guān)網(wǎng)絡(luò)性能分析

與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)情形不同，車輛的行駛必然受到公路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的限制。同時(shí)，無線一跳傳輸范圍遠(yuǎn)大于公路寬度，VANET 可當(dāng)成線狀網(wǎng)絡(luò)[17-18]。下面基于一維空間公路場(chǎng)景進(jìn)行分析。由于車輛交通流量在公路上服從Poisson分布[3-4，16-17]，設(shè)車輛在公路上的平均密度為β，則公路上長度為l的區(qū)間存在i輛車的概率為：

節(jié)點(diǎn)以恒定的無線發(fā)射功率發(fā)送數(shù)據(jù)。設(shè)源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離為d，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)接收功率為Power(d)。為了能夠成功地解碼數(shù)據(jù)，Power(d)必須等于或大于一個(gè)閾值th。如果目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在源節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑r內(nèi)，設(shè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)成功接收源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的概率為p，否則不能成功接收源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)[3-4，16]：

p越大，對(duì)應(yīng)的信道質(zhì)量越好。

下面基于圖2所示場(chǎng)景分析VeMAC 和CRDTDMA 的數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)概率、中繼轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延和丟包率。

4.1 VeMAC性能分析

設(shè)數(shù)據(jù)在源節(jié)點(diǎn)發(fā)送成功概率為ps，以概率p表示信道質(zhì)量，pc為信息碰撞概率，由于p和pc彼此獨(dú)立，則ps為：

由第2章信道訪問可知，pc=0，因此ps=p，即ps決定于信道質(zhì)量。

在圖2中，首先中繼節(jié)點(diǎn)R接收源節(jié)點(diǎn)S發(fā)來的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D。在源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送數(shù)據(jù)后，設(shè)數(shù)據(jù)能夠被中繼節(jié)點(diǎn)R中繼轉(zhuǎn)發(fā)的概率為prelay（假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)成功接收源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后就能夠中繼轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)），則：

在源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送數(shù)據(jù)后，如果數(shù)據(jù)未被中繼節(jié)點(diǎn)R中繼轉(zhuǎn)發(fā)，則通常情形為在等待固定時(shí)間（如timeout）后，源節(jié)點(diǎn)S重發(fā)數(shù)據(jù)，該過程不斷重復(fù)進(jìn)行，直到數(shù)據(jù)被中繼節(jié)點(diǎn)R中繼轉(zhuǎn)發(fā)。因此，從源節(jié)點(diǎn)S開始發(fā)送數(shù)據(jù)到中繼節(jié)點(diǎn)R中繼轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)S數(shù)據(jù)的時(shí)延決定于源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送數(shù)據(jù)的次數(shù)。下面將數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延定義為在數(shù)據(jù)被中繼轉(zhuǎn)發(fā)前，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的次數(shù)。在源節(jié)點(diǎn)S每次發(fā)送數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)能夠被中繼轉(zhuǎn)發(fā)的概率為prelay，設(shè)T為數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，則：

T服從幾何分布，均值為：

在通信系統(tǒng)中，如果超過最大發(fā)送次數(shù)后數(shù)據(jù)包仍未被正確處理，通常會(huì)丟掉該包。設(shè)數(shù)據(jù)包的最大發(fā)送次數(shù)為M，則數(shù)據(jù)包在源節(jié)點(diǎn)S處的丟包率PLR（packet loss rate）為：

4.2 CR-DTDMA性能分析

本文主要關(guān)注源節(jié)點(diǎn)S距目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D的距離為兩跳的情形，即目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D距源節(jié)點(diǎn)S的距離大于r且小于2r，當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D距源節(jié)點(diǎn)S的距離趨近r時(shí)，它們共同傳輸范圍的長度趨近于最大值r；當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D距源節(jié)點(diǎn)S的距離趨近2r時(shí)，它們共同傳輸范圍的長度趨近于最小值0。因?yàn)槟繕?biāo)節(jié)點(diǎn)D均勻分布在距源節(jié)點(diǎn)S距離r到2r的范圍內(nèi)，所以它們共同傳輸半徑的長度平均為0.5r。在圖2中，當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)R未成功接收源節(jié)點(diǎn)S數(shù)據(jù)時(shí)，源節(jié)點(diǎn)S與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D共同傳輸半徑內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)可以利用自身空閑時(shí)隙協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)S數(shù)據(jù)。設(shè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D與源節(jié)點(diǎn)S共同傳輸半徑內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)為Nc，則：

當(dāng)u≤1時(shí)，除中繼節(jié)點(diǎn)R外，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D與源節(jié)點(diǎn)S共同傳輸半徑內(nèi)沒有其他節(jié)點(diǎn)，這種情況下不存在協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)；當(dāng)1 ＜u≤F-2時(shí)，除了中繼節(jié)點(diǎn)R外，可能有u-1個(gè)節(jié)點(diǎn)成為協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)；考慮到幀內(nèi)時(shí)隙數(shù)為F，除了目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D與源節(jié)點(diǎn)S外，最多有F-2個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠獲得時(shí)隙，因此當(dāng)u＞F-2時(shí)，把u當(dāng)作F-2處理。當(dāng)1 ＜u≤F-2時(shí)，除中繼節(jié)點(diǎn)R外，可能成為協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的有u-1個(gè)，在這u-1個(gè)節(jié)點(diǎn)中，下列事件之一將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)不能成為協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)：

（1）沒有成功接收源節(jié)點(diǎn)S數(shù)據(jù)；

（2）成功接收源節(jié)點(diǎn)S數(shù)據(jù)，但在自身時(shí)隙內(nèi)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送。

設(shè)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要在自身時(shí)隙內(nèi)發(fā)送的概率為pd（節(jié)點(diǎn)時(shí)隙空閑的概率為1-pd），則上述u-1個(gè)節(jié)點(diǎn)都不能成為協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的概率為，式中v為u-1個(gè)節(jié)點(diǎn)中已成功接收源節(jié)點(diǎn)S數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目。設(shè)Nh為協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目，則在Nc=u時(shí)，協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)不存在的概率為：

在Nc=u，u＞1時(shí)，協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的存在概率為：

因此，在所有條件下，存在協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的概率為：

在源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送數(shù)據(jù)后，如果中繼節(jié)點(diǎn)R未能中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，則存在可能協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，且協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的存在概率為Pr{Nh＞0}。因此，在源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送數(shù)據(jù)后，源節(jié)點(diǎn)S數(shù)據(jù)能被中繼轉(zhuǎn)發(fā)的概率為：

5 仿真實(shí)驗(yàn)

用Matlab 仿真一維空間公路或高速公路場(chǎng)景，公路有兩條車道，分別代表公路不同的行駛方向。在每條車道上，車輛平均速度為80 km/h，速度標(biāo)準(zhǔn)偏差為20 km/h，車輛平均密度為βl（公路車輛密度β為2βl）。無線信道采用車輛專用短程通信標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，其中工作頻段為DSRC 5.9 GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為18 Mb/s。幀中的時(shí)隙數(shù)F為80，時(shí)隙時(shí)間長度為1 ms。仿真過程不考慮公路旁固定通信設(shè)備，每條車道上的車輛能夠訪問的時(shí)隙數(shù)目為40。下面仿真比較VeMAC與CR-DTDMA兩種方法的網(wǎng)絡(luò)性能。

圖5到圖7為兩種方法的數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)概率比較。圖5到圖7表明，CR-DTDMA 方法相對(duì)于VeMAC 方法在數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)概率上得到顯著提高。由于利用了節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)隙協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，在中繼節(jié)點(diǎn)未能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)就有了更多的中繼轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)會(huì)，從而在CR-DTDMA方法中數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)概率得到顯著的提高。VeMAC的數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)概率主要決定于信道質(zhì)量p，CR-DTDMA的數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)概率除了決定于信道質(zhì)量p外，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)概率pd、車輛密度β和一跳傳輸距離r對(duì)它也有很大影響。

圖5表明，在一跳傳輸距離r（200 m）和節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)概率pd（0.5）固定時(shí)，如果車輛密度β越大，則在源節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)共同傳輸半徑內(nèi)能夠協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)就越多，CR-DTDMA 的數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)概率就越大。

Fig.5 Comparison of data relaying probabilities between two methods under different β values圖5 不同β 值下兩種方法的數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)概率比較

圖6表明，在一跳傳輸距離r（200 m）和車輛密度β(0.04車/m)固定時(shí)，如果節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)概率pd越大，則擁有空閑時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)就越少，能夠轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)就越少，CR-DTDMA 的數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)概率就越小。

Fig.6 Comparison of data relaying probabilities between two methods under different pdvalues圖6 不同pd值下兩種方法的數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)概率比較

圖7表明，在節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)概率pd（0.5）和車輛密度β（0.04車/m）固定時(shí)，如果一跳傳輸距離r越大，則源節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的共同傳輸范圍就越大，能夠轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)就越多，CR-DTDMA 的數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)概率就越大。

Fig.7 Comparison of data relaying probabilities between two methods under different r values圖7 不同r 值下兩種方法的數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)概率比較

圖8比較了兩種方法的數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，其中，r為200 m，pd為0.5。在信道質(zhì)量較差時(shí)，CRDTDMA的性能優(yōu)勢(shì)明顯。如p為0.3時(shí)，VeMAC的數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延為3.3幀，CR-DTDMA的數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延為1.8幀（β為0.04車/m 時(shí)）和1.3幀（β為0.08車/m 時(shí)），中繼轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延至少降低了45%。在CR-DTDMA 中，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)不能被中繼節(jié)點(diǎn)中繼轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，附近的其他節(jié)點(diǎn)利用自身空閑時(shí)隙協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，從而在源節(jié)點(diǎn)不需要重發(fā)數(shù)據(jù)的情況下，數(shù)據(jù)就能被協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)，減小了中繼轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。此外，如果協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)的發(fā)生概率越大（圖8中對(duì)應(yīng)了β值較大的情形），CR-DTDMA 的數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延就越小。隨著p不斷增大，信道質(zhì)量越來越好，協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)的必要性越來越小，VeMAC 和CR-DTDMA 的數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延差異也逐漸變小。

Fig.8 Comparison of data relay forwarding delays between two methods圖8 兩種方法的數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延比較

圖9在圖8的相同條件下比較了VeMAC 和CRDTDMA的丟包率，其中M取值為3。在不同的信道質(zhì)量下，CR-DTDMA丟包率始終低于VeMAC。如在p為0.3，β為0.04車/m時(shí)，VeMAC的丟包率為34%，CR-DTDMA的丟包率為9%，丟包率降低了73%。此外，協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)的發(fā)生概率越大，CR-DTDMA的丟包率越小。

圖5到圖9表明，隨著p增大，VeMAC 和CRDTDMA的數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)概率都在增大，中繼轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延和丟包率都在減小。在p為0時(shí)，由于信道質(zhì)量極差，所有數(shù)據(jù)都不能被中繼轉(zhuǎn)發(fā)，VeMAC 和CRDTDMA的數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延無限大，所有數(shù)據(jù)都會(huì)丟失；在p值為1時(shí)，由于信道質(zhì)量好，所有數(shù)據(jù)都會(huì)被中繼轉(zhuǎn)發(fā)，VeMAC 和CR-DTDMA 的中繼轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延相同且沒有數(shù)據(jù)丟失。

Fig.9 Comparison of packet loss rates of two methods圖9 兩種方法的丟包率比較

6 結(jié)束語

本文提出了一種利用分布式TDMA協(xié)議節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)隙的協(xié)作中繼方法CR-DTDMA，當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)未能中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)利用自身空閑時(shí)隙協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。該方法不依賴中心控制節(jié)點(diǎn)，能夠適應(yīng)VANET 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的頻繁變化，而且不需要發(fā)送專門的控制包，不要求節(jié)點(diǎn)在單個(gè)時(shí)隙內(nèi)切換通信的收發(fā)模式，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，網(wǎng)絡(luò)開銷小。同時(shí)，由于僅利用節(jié)點(diǎn)自身空閑時(shí)隙資源，CRDTDMA 方法不影響網(wǎng)絡(luò)中的正常數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。分析和仿真結(jié)果表明，由于CR-DTDMA方法利用了節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)隙協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)就有了更多的中繼轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)會(huì)，從而顯著提高數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)概率，有效降低中繼轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延和丟包率。

本文基于簡(jiǎn)化的信道模型對(duì)所提方法進(jìn)行分析和仿真，后續(xù)將進(jìn)一步研究更加真實(shí)的信道模型對(duì)所提方法的性能影響。