VANET中利用空閑TDMA時隙協(xié)助發(fā)送數(shù)據(jù)的方法

陳振，韓江洪，楊勇，劉征宇，陸陽

（1. 合肥工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009；2. 安徽大學(xué) 計算機(jī)教學(xué)部，安徽 合肥 230601)

1 引言

隨著嵌入式技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，車輛裝有不同的傳感器收集相關(guān)狀態(tài)信息，并通過車載通信模塊與其他車輛交換信息，從而產(chǎn)生了移動自組網(wǎng)(MANET, mobile ad hoc network)的一種新應(yīng)用形態(tài)——車載自組網(wǎng)(VANET, vehicular ad hoc networks)[1]。VANET在行駛安全、交通優(yōu)化和車載娛樂等方面有著重要的作用，它是智能交通不可或缺的部分，吸引了越來越多的研究機(jī)構(gòu)和汽車廠商的注意[1～4]。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目焖僮兓?、無線傳輸?shù)牟豢煽啃浴④囕v間實(shí)時安全信息嚴(yán)格的時延限制和高可靠性要求是 VANET走向?qū)嶋H應(yīng)用所面臨的諸多挑戰(zhàn)[1]。VANET的MAC層標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11p以競爭的方式訪問無線信道，不能保證車輛及時可靠地訪問信道，從而不能保證車輛間實(shí)時安全信息及時可靠地傳輸[5,6]。此外，IEEE 802.11p不能對廣播信息進(jìn)行確認(rèn)，還會產(chǎn)生“信息碰撞”等問題[7]。為了避免VANET節(jié)點(diǎn)訪問信道的不確定性，文獻(xiàn)[8～11]基于TDMA(time division multiple access)方法提出了分布式 TDMA方法。在該方法中，信道以幀(frame)為單位在時間上進(jìn)行分割，每一幀再分割成若干時隙(slot)，每個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)一個時隙，且只在自身對應(yīng)時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，使節(jié)點(diǎn)以確定的方式訪問信道，消去了隱藏節(jié)點(diǎn)的影響[8～11]。

然而，無線信號衰減、車輛高速移動和車輛本身對無線信號的阻擋使VANET中的無線傳輸并不可靠[12]。在上述分布式 TDMA方法中，如果節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前對應(yīng)時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)失敗，即使當(dāng)前幀還存在一定數(shù)量的空閑時隙，節(jié)點(diǎn)也必須等待下一幀的對應(yīng)時隙才能重發(fā)數(shù)據(jù)。顯然，該方法沒有充分利用無線信道資源，且不能避免由于信道條件差所導(dǎo)致的分組丟失和網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降問題。此外，由于間隔時間短，在下一幀的對應(yīng)時隙內(nèi)無線信道特性和條件幾乎保持不變，即使節(jié)點(diǎn)在該時隙內(nèi)重發(fā)數(shù)據(jù)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)也幾乎無法接收到數(shù)據(jù)，反而浪費(fèi)了發(fā)送其他數(shù)據(jù)的機(jī)會。這種情況下，如果通過其他信道(如附近其他節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信道)來重發(fā)數(shù)據(jù)則會提高數(shù)據(jù)發(fā)送成功概率。雖然多樣性和信道編碼技術(shù)能夠修復(fù)信道并提高無線傳輸?shù)目煽啃院途W(wǎng)絡(luò)吞吐量，但會帶來額外的設(shè)備和開銷[13]。為此，本文提出協(xié)同的TDMA方法(CoTDMA, cooperative TDMA)，通過利用節(jié)點(diǎn)的空閑TDMA時隙協(xié)助重發(fā)傳輸失敗的數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)發(fā)送成功概率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量。主要思想為：節(jié)點(diǎn)在其對應(yīng)時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，由于無線傳輸?shù)膹V播特性，附近節(jié)點(diǎn)也接收到數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，則附近節(jié)點(diǎn)利用自身對應(yīng)的空閑時隙協(xié)助重發(fā)數(shù)據(jù)。

2 CoTDMA

2.1 信道獲取

文獻(xiàn)[8]針對VANET應(yīng)用場合提出了Ad Hoc MAC方法，該方法是一種分布式TDMA方法，基于單信道，有效地支持點(diǎn)到點(diǎn)和廣播通信方式。在Ad Hoc MAC中，信道以幀為單位在時間上進(jìn)行分割，每一幀再分割成若干時隙。節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽信道，當(dāng)監(jiān)聽一次數(shù)據(jù)傳輸后，在分組頭的幀信息(FI, frame information)域中標(biāo)注相關(guān)標(biāo)志信息，這些標(biāo)志信息反映了相鄰節(jié)點(diǎn)的時隙占用情況。各個節(jié)點(diǎn)通過交換分組頭的FI域，判斷出兩跳范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)時隙占用情況，并選擇一空閑時隙作為自身對應(yīng)的時隙。節(jié)點(diǎn)基于兩跳范圍內(nèi)的時隙占用信息選擇時隙，且只在自身對應(yīng)時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，避免了信息碰撞和隱藏節(jié)點(diǎn)的影響。該方法要求網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)精確的時間同步，以便節(jié)點(diǎn)能夠準(zhǔn)確判斷幀和幀中每一時隙的起始時間。隨著導(dǎo)航系統(tǒng)的普及，車輛可通過導(dǎo)航系統(tǒng)中的GPS系統(tǒng)獲知自身的位置信息，并利用GPS脈沖信號實(shí)現(xiàn)時間同步。如果 GPS信號丟失，仍可利用GPS接收器中的振蕩器實(shí)現(xiàn)較長時間的同步[11]。文獻(xiàn)[9]結(jié)合了節(jié)點(diǎn)位置信息確定時隙。在文獻(xiàn)[9]中，相鄰節(jié)點(diǎn)對應(yīng)了幀中相鄰時隙，放寬了對時間精確同步的要求。

此外，由于節(jié)點(diǎn)的相對移動，原來不在兩跳范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)彼此接近，會造成多節(jié)點(diǎn)訪問同一時隙問題，這種情況下，時隙訪問沖突節(jié)點(diǎn)必須再請求時隙[10,11]。文獻(xiàn)[10,11]基于 Ad Hoc MAC 提出了VeMAC方法，該方法把時隙分為3個不同的子集，分別對應(yīng)了公路不同方向車輛和公路旁固定通信設(shè)備，減少了由于節(jié)點(diǎn)相對移動導(dǎo)致的時隙再請求次數(shù)。在單個信道上，與Ad Hoc MAC相比，VeMAC縮短了節(jié)點(diǎn)獲得時隙的時間[10]，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量[11]。

需要指出的是，VeMAC是基于多信道的MAC層方法。該方法以分布式方式訪問控制信道，并基于控制信道以中心管理方式分配其他信道[10]，所以如何有效地訪問控制信道便成為VeMAC的關(guān)鍵問題。VeMAC基于改進(jìn)的Ad Hoc MAC訪問控制信道[10,11]。本文用 VeMAC標(biāo)識文獻(xiàn)[10,11]中改進(jìn)的Ad Hoc MAC方法，不考慮多信道訪問部分。

在Ad Hoc MAC及其相關(guān)改進(jìn)方法中，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)失敗時，必須等待下一幀的對應(yīng)時隙才能重發(fā)數(shù)據(jù)，即使當(dāng)前幀還存在一定數(shù)量的空閑時隙，本文將利用這些空閑時隙來協(xié)助發(fā)送傳輸失敗的數(shù)據(jù)。由于成本因素，特別在VANET走向?qū)嶋H應(yīng)用的早期階段，大多車載通信設(shè)備都基于單個通信接口，這種情況下，采用多信道方式會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和實(shí)現(xiàn)難度，此外，有效的多信道訪問需要建立在有效的單信道訪問基礎(chǔ)上，所以現(xiàn)有的VANET研究大都基于單信道。本文基于單信道進(jìn)行研究，并基于單位圓盤模型（unit disk model）來表示信道[14,15]。假設(shè)車輛都具有相同的無線一跳傳輸距離R。當(dāng)車輛之間距離大于R時，車輛不能直接通信，當(dāng)車輛之間距離小于或等于R時，在不考慮信息碰撞的情況下，設(shè)車輛能夠成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率為p。p越大，信道質(zhì)量越好。在下面研究中，信道以幀為單位進(jìn)行分割，每一幀再分割成若干時隙，且假設(shè)節(jié)點(diǎn)都通過VeMAC請求獲得時隙（不考慮節(jié)點(diǎn)請求時隙及相關(guān)問題，主要關(guān)注在已獲得時隙的節(jié)點(diǎn)間協(xié)作重發(fā)數(shù)據(jù)的方法）。通常幀的時間長度短（小于0.1 s），同一幀內(nèi)各節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時，可以認(rèn)為車輛是靜止的[16]。

2.2 協(xié)助發(fā)送數(shù)據(jù)

為了建立相關(guān)分析模型和對網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行比較，在節(jié)點(diǎn)獲得時隙后，主要考慮點(diǎn)到點(diǎn)的通信方式。

圖1為CoTDMA數(shù)據(jù)分組在MAC層結(jié)構(gòu)，其中，PHY Header、MAC Header、Frame Information、Payload Data和CRC域與Ad Hoc MAC和VeMAC相同，域中的相關(guān)ID號(占2 byte)為節(jié)點(diǎn)標(biāo)識。每個節(jié)點(diǎn)隨機(jī)產(chǎn)生自身的ID號，如果發(fā)現(xiàn)自身的ID號與其他節(jié)點(diǎn)的ID號相同，則更改自身的ID號。ID號比MAC地址短，在分組頭中采用ID號來標(biāo)識節(jié)點(diǎn)有效地減小了數(shù)據(jù)分組大小[11]。為實(shí)現(xiàn)其他節(jié)點(diǎn)協(xié)助發(fā)送傳輸失敗的數(shù)據(jù)功能，在分組頭中增加COOP Header域，其中，Position為節(jié)點(diǎn)當(dāng)前位置(采用經(jīng)度和緯度表示，各占4 byte)，Source ID為待發(fā)送數(shù)據(jù)(Payload Data)的最初源節(jié)點(diǎn)ID號，ID-1、ID-2、…、ID-n為節(jié)點(diǎn)在上一幀中已成功接收數(shù)據(jù)的Source ID，n決定于節(jié)點(diǎn)在上一幀中已成功接收數(shù)據(jù)的時隙數(shù)（節(jié)點(diǎn)的上一幀為節(jié)點(diǎn)上一對應(yīng)時隙到節(jié)點(diǎn)當(dāng)前對應(yīng)時隙間的所有時隙，不包括當(dāng)前對應(yīng)時隙。節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前幀為節(jié)點(diǎn)當(dāng)前對應(yīng)時隙到節(jié)點(diǎn)下一對應(yīng)時隙間的所有時隙。它們都含有幀中固定的時隙數(shù)，不影響問題的分析和處理）。如果待發(fā)送數(shù)據(jù)的Source ID與當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的ID號相同，則表明待發(fā)送數(shù)據(jù)屬于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，否則來源于其他節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)協(xié)助其他節(jié)點(diǎn)重發(fā)數(shù)據(jù)）。

圖1 CoTDMA數(shù)據(jù)分組結(jié)構(gòu)

如圖2所示，源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送數(shù)據(jù)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D。如果在D隨后發(fā)送數(shù)據(jù)的COOP Header域中包含S的ID號（即ID-1、ID-2、…、ID-n中包含S的ID號），則表明D已成功接收S數(shù)據(jù)，否則未成功接收數(shù)據(jù)。即通過分組頭中的COOP Header域，節(jié)點(diǎn)可以對已發(fā)送數(shù)據(jù)的接收情況進(jìn)行確認(rèn)。需要指出的是，即使節(jié)點(diǎn)在對應(yīng)時隙內(nèi)沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，也要發(fā)送 Payload Data為空的虛擬數(shù)據(jù)分組(dummy packet)[9～11]。在分布式TDMA方法中，每個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)一個時隙，節(jié)點(diǎn)在自身對應(yīng)時隙內(nèi)發(fā)送虛擬分組不會產(chǎn)生與其他節(jié)點(diǎn)競爭信道的問題，也不會產(chǎn)生任何形式的信道擁塞，但能使VANET中的節(jié)點(diǎn)更好地協(xié)調(diào)分配時隙[9]。

圖2 S到D的數(shù)據(jù)傳輸失敗

圖3表示圖2中的節(jié)點(diǎn)H2協(xié)助S發(fā)送數(shù)據(jù)的過程。圖3(a)表明，節(jié)點(diǎn)H1、H2、H3在S的一跳傳輸范圍內(nèi)，當(dāng)S發(fā)送數(shù)據(jù)到D時，如果它們接收到S數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保存在自身的緩存中(H1、H2、H3可通過分組頭中的 MAC Header域獲知數(shù)據(jù)發(fā)往的目標(biāo)節(jié)點(diǎn))；圖3(b)表明，在H2時隙到來前，如果H2接收到D的數(shù)據(jù)，但在其COOP Header域中沒有發(fā)現(xiàn)S的ID號，則H2判斷出D沒有成功接收到S數(shù)據(jù)；圖3(c)表明，在H2時隙到來前，H2沒有偵聽到其他節(jié)點(diǎn)協(xié)助發(fā)送S數(shù)據(jù)，且在自身對應(yīng)時隙內(nèi)沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則H2在其時隙內(nèi)協(xié)助S重發(fā)數(shù)據(jù)。H2發(fā)送完S數(shù)據(jù)后，附近其他節(jié)點(diǎn)偵聽到H2已協(xié)助重發(fā)S數(shù)據(jù)，這些節(jié)點(diǎn)不再協(xié)助重發(fā)S數(shù)據(jù)。

源節(jié)點(diǎn)S發(fā)往目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D的數(shù)據(jù)傳輸失敗時，S的當(dāng)前幀中能夠協(xié)助S重發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)稱為S的協(xié)助節(jié)點(diǎn)。綜上，在S發(fā)送數(shù)據(jù)失敗時，如果滿足下面條件，則節(jié)點(diǎn)H2能成為S的協(xié)助節(jié)點(diǎn)。

1) H2成功接收到S數(shù)據(jù)。

2) H2在當(dāng)前幀中的對應(yīng)時隙在D后面（D在其時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)后，H2才能通過其分組頭中的COOP Header域判斷D是否成功接收S數(shù)據(jù)）。

3) H2在其對應(yīng)時隙內(nèi)沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送。

4) H2在S的一跳傳輸范圍內(nèi)且與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D在S的同側(cè)（如圖2所示）。

S的一跳范圍內(nèi)且與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D異側(cè)的節(jié)點(diǎn)到D的范圍包含了S到D的范圍，且數(shù)據(jù)傳輸方向相同，所以這些節(jié)點(diǎn)到D與S到D有著相似的信道特性和條件(S到D的數(shù)據(jù)傳輸已失敗)，且間距更大，因此，這些節(jié)點(diǎn)能夠成功協(xié)助S重發(fā)數(shù)據(jù)的概率小。選與D同側(cè)的節(jié)點(diǎn)為協(xié)助節(jié)點(diǎn)不但避免了上述情況，而且這些節(jié)點(diǎn)到 D的平均間距較小。H2通過GPS系統(tǒng)獲知自身的位置信息，從S、D的數(shù)據(jù)分組頭中獲知 S、D的位置信息(分組頭中的Position域保存了節(jié)點(diǎn)位置信息)，基于這些節(jié)點(diǎn)的位置信息，H2判斷自身是否位于S的一跳范圍內(nèi)且與D同側(cè)。

S可能有多個協(xié)助節(jié)點(diǎn)，在第一個協(xié)助節(jié)點(diǎn)協(xié)助S重發(fā)數(shù)據(jù)后，其他協(xié)助節(jié)點(diǎn)偵聽到第一個協(xié)助節(jié)點(diǎn)重發(fā)的S數(shù)據(jù)，這些節(jié)點(diǎn)不再協(xié)助重發(fā)S數(shù)據(jù)。

CoTDMA僅利用協(xié)助節(jié)點(diǎn)的空閑時隙重新發(fā)送傳輸失敗的數(shù)據(jù)，開銷小，沒有影響到網(wǎng)絡(luò)中的正常數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 H2協(xié)助S發(fā)送傳輸失敗的數(shù)據(jù)

2.3 COOP Header域開銷

COOP Header域包含了節(jié)點(diǎn)當(dāng)前位置、待發(fā)送數(shù)據(jù)的最初源節(jié)點(diǎn) ID號以及在上一幀中已成功接收數(shù)據(jù)的源節(jié)點(diǎn) ID號。下面通過 NS2仿真分析COOP Header域開銷(仿真參數(shù)的設(shè)置見第4節(jié))，圖4給出仿真結(jié)果。

圖4(a)表明，在一跳傳輸范圍固定時(200 m)，隨著公路車輛密度的增加，COOP Header域開銷占用的最大時隙時間比例不超過 3%。圖 4(b)表明，在公路車輛密度固定時(0.03車/米)，隨著一跳傳輸范圍的增加，COOP Header域開銷占用的最大時隙時間比例不超過5%。通常情況下，COOP Header域開銷占用的時隙時間比例小于3%，沒有影響到網(wǎng)絡(luò)中正常數(shù)據(jù)傳輸，因此，本文不考慮 COOP Header域開銷的影響。

需要指出的是，根據(jù)交通流相關(guān)理論，車輛密度越大，車輛速度越小[17]。在車輛密度非常大的情形下，車輛速度非常小，車輛之間形成的網(wǎng)絡(luò)可當(dāng)成靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)來處理[18]。

圖4 COOP Header域開銷占用的時隙時間比例

3 吞吐量分析

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)[1,6,15]。本文基于VANET的線狀結(jié)構(gòu)分析VeMAC和 CoTDMA的性能。下面以圖2中的場景來分析2種方法的幀中數(shù)據(jù)發(fā)送成功概率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量，其中，網(wǎng)絡(luò)吞吐量定義為幀中能夠成功發(fā)送數(shù)據(jù)的時隙數(shù)與每幀時隙數(shù)的比值[16]。

車輛在公路上服從泊松分布[6,15]。設(shè)車輛平均密度為β(每米車輛數(shù))，則長度是l的公路上有i輛車的概率為

無線一跳傳輸范圍為R，節(jié)點(diǎn)前后一跳傳輸范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)Nn等于j的概率為(Nn包括節(jié)點(diǎn)自身)

設(shè)每幀包含的時隙數(shù)為F。當(dāng)Nn≤F時，節(jié)點(diǎn)在幀中都能對應(yīng)一個時隙，當(dāng)Nn>F時，最多有F個節(jié)點(diǎn)在幀中有對應(yīng)時隙。為了獲得穩(wěn)定的MAC層性能，F(xiàn)需要滿足下面條件[16]

3.1 VeMAC吞吐量

設(shè)pd為節(jié)點(diǎn)在其對應(yīng)時隙內(nèi)需要發(fā)送數(shù)據(jù)的概率，F(xiàn)d為幀中需要發(fā)送數(shù)據(jù)的時隙數(shù)。當(dāng)Nn=j時，F(xiàn)d均值為

其中，pc為信息碰撞概率。由2.1節(jié)知，pc為0，所以ps=p。

綜上，VeMAC在幀中能夠成功發(fā)送數(shù)據(jù)的時隙數(shù)Fs均值為

VeMAC的網(wǎng)絡(luò)吞吐量為

3.2 CoTDMA吞吐量

當(dāng)S到D的數(shù)據(jù)傳輸失敗時，在S一跳傳輸范圍內(nèi)且與D同側(cè)的其他節(jié)點(diǎn)將協(xié)助S重發(fā)數(shù)據(jù)，設(shè)期間的節(jié)點(diǎn)數(shù)為NR，則

S發(fā)送數(shù)據(jù)失敗時，當(dāng)前幀可能存在S的協(xié)助節(jié)點(diǎn)來重新發(fā)送S數(shù)據(jù)。所以，CoTDMA的幀中數(shù)據(jù)發(fā)送成功概率為（S所有協(xié)助節(jié)點(diǎn)都在S一跳傳輸范圍內(nèi)且與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D同側(cè)，假設(shè)所有其他協(xié)助節(jié)點(diǎn)都能偵聽到第一個協(xié)助節(jié)點(diǎn)重發(fā)的S數(shù)據(jù)，這些節(jié)點(diǎn)不再協(xié)助重發(fā)S數(shù)據(jù)）

4 網(wǎng)絡(luò)仿真

用NS2仿真一段公路車輛行駛場景。公路有2條車道，分別對應(yīng)了公路不同方向。車道上車輛服從泊松分布，設(shè)每車道的車輛密度為βl，則公路車輛密度β=2βl。無線信道采用車輛專用短程通信標(biāo)準(zhǔn)(DSRC, dedicated short range communication)參數(shù)，其中，工作頻段為DSRC 5.9 GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為24 Mbit/s[9]。幀中的時隙數(shù)F為80，時隙時間長度為1 ms。VeMAC把時隙分為3個不同的子集，分別對應(yīng)了公路不同方向車輛和公路旁固定通信設(shè)備。本文不考慮公路旁固定通信設(shè)備，每車道對應(yīng)的時隙數(shù)為40。

4.1 網(wǎng)絡(luò)吞吐量仿真分析

下面在不同的參數(shù)下比較VeMAC和CoTDMA的數(shù)據(jù)發(fā)送成功概率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量。仿真結(jié)果取50次均值，每次抽取105幀的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，圖5到圖7給出仿真結(jié)果。VeMAC的數(shù)據(jù)發(fā)送成功概率決定于信道質(zhì)量(p)，CoTDMA的數(shù)據(jù)發(fā)送成功概率除決定于信道質(zhì)量外，還受到車輛密度(β)、數(shù)據(jù)發(fā)送概率(pd)和一跳傳輸范圍(R)的影響。圖5到圖7表明，相對于VeMAC，CoTDMA能顯著提高數(shù)據(jù)發(fā)送成功概率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量。節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前對應(yīng)時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)失敗時，VeMAC必須等待節(jié)點(diǎn)下一幀的對應(yīng)時隙才能重發(fā)數(shù)據(jù)，而 CoTDMA能利用當(dāng)前幀中其他節(jié)點(diǎn)的空閑時隙重發(fā)數(shù)據(jù)，提高了幀中的數(shù)據(jù)發(fā)送成功概率，從而提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

在數(shù)據(jù)發(fā)送概率(0.8)和一跳傳輸范圍(400 m)固定時，圖5(a)表明，車輛密度越大，一跳傳輸范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)越多，能夠協(xié)助發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)就越多，CoTDMA的數(shù)據(jù)發(fā)送成功概率就越大；圖5(b)表明，車輛密度越大，一跳傳輸范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)越多，2種方法的吞吐量就越大。

在車輛密度(0.04車/米)和一跳傳輸范圍(400 m)固定時，圖6(a)表明，數(shù)據(jù)發(fā)送概率越大，幀中擁有空閑時隙的節(jié)點(diǎn)就越少，能夠協(xié)助發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)就越少，CoTDMA的數(shù)據(jù)發(fā)送成功概率就越??；圖 6(b)表明，數(shù)據(jù)發(fā)送概率越大，幀中需要發(fā)送數(shù)據(jù)的時隙就越多，2種方法的吞吐量就越大。

在車輛密度(0.04車/米)和數(shù)據(jù)發(fā)送概率(0.8)固定時，圖7(a)表明，一跳傳輸范圍越大，一跳傳輸范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)就越多，能夠協(xié)助發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)就越多，CoTDMA的數(shù)據(jù)發(fā)送成功概率就越大；圖7(b)表明，一跳傳輸范圍越大，一跳傳輸范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)就越多，2種方法的吞吐量就越大。

圖5到圖7表明，2種方法的數(shù)據(jù)發(fā)送成功概率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量都隨著p值的增大而增大。p為0時，信道質(zhì)量差，所有數(shù)據(jù)發(fā)送都會失敗，2種方法的數(shù)據(jù)發(fā)送成功概率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量均為0；p為1時，信道質(zhì)量好，所有數(shù)據(jù)發(fā)送都會成功，2種方法的數(shù)據(jù)發(fā)送成功概率為1，網(wǎng)絡(luò)吞吐量也相同。

圖5 在一跳傳輸范圍和數(shù)據(jù)發(fā)送概率固定時，在不同的車輛密度下比較2種方法的數(shù)據(jù)發(fā)送成功概率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量

圖6 在車輛密度和一跳傳輸范圍固定時, 在不同的數(shù)據(jù)發(fā)送概率下比較2種方法的數(shù)據(jù)發(fā)送成功概率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量

圖7 在車輛密度和數(shù)據(jù)發(fā)送概率固定時，在不同的一跳傳輸范圍下比較2種方法的數(shù)據(jù)發(fā)送成功概率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量

4.2 車輛間實(shí)時安全信息傳輸仿真分析

在VANET安全業(yè)務(wù)中，協(xié)作碰撞避免（CCA,cooperative collision avoidance）是一類重要的應(yīng)用[18]。當(dāng)碰到緊急情形時，車輛向后方車輛發(fā)送預(yù)警信息（WM, warning messages）分組來避免車輛發(fā)生碰撞。如果車輛接收到WM分組，且WM分組來自前方車輛，則繼續(xù)發(fā)送該分組，否則忽略該分組[18]。下面仿真分析IEEE802.11p和CoTDMA的WM分組傳輸性能。IEEE802.11p通過EDCA訪問信道[6]，WM分組對應(yīng)較小的競爭窗口和AIFS值，相對于其他類型的數(shù)據(jù)分組，WM分組優(yōu)先訪問信道。在仿真中，WM 分組頭中含有發(fā)起該分組的節(jié)點(diǎn) ID號、分組序號、生存時間（TTL, time-to-live）和位置等信息，其中，發(fā)起WM分組的節(jié)點(diǎn)ID號和分組序號用來區(qū)分不同的 WM 分組，TTL用來控制WM分組的傳輸范圍（TTL值設(shè)為10，WM分組每轉(zhuǎn)發(fā)一次，TTL值減1，當(dāng)TTL值為0時，節(jié)點(diǎn)不再轉(zhuǎn)發(fā)WM分組）。最前方節(jié)點(diǎn)每秒產(chǎn)生并發(fā)送5個WM分組（大小為600 byte），第一個WM分組對應(yīng)的序號為1，以后每產(chǎn)生一個新WM分組，對應(yīng)的序號累加1。2種方法的數(shù)據(jù)中繼方法如下。節(jié)點(diǎn)接收到 WM 分組時，如果滿足下述條件：1)WM分組來自前方節(jié)點(diǎn)；2) WM分組的TTL值大于 0；3)未發(fā)送過同一 WM 分組，則繼續(xù)發(fā)送該WM分組，否則發(fā)送其他類型的數(shù)據(jù)分組(如果存在其他類型的數(shù)據(jù)分組需要發(fā)送，大小為1 200 byte)。在下面仿真中，一跳傳輸范圍R為400 m，無線信道質(zhì)量p為0.8，車輛每秒平均發(fā)送10個其他類型的數(shù)據(jù)分組。

圖8為在同一車道上相距2 km的車輛間2種方法的 WM 分組平均傳輸時延比較。對于IEEE802.11p，在車輛密度較小時，節(jié)點(diǎn)訪問信道的平均時延小，WM分組的傳輸時延小；車輛密度增大時，同時競爭信道發(fā)送WM分組的節(jié)點(diǎn)增多，產(chǎn)生的信息碰撞和數(shù)據(jù)分組重發(fā)次數(shù)迅速增多，導(dǎo)致信道感知時間和WM分組的傳輸時延迅速增大。在車輛密度較大時，IEEE802.11p不能滿足WM分組的傳輸要求。對于CoTDMA，在不同的車輛密度下，節(jié)點(diǎn)訪問信道的平均時延為幀長一半，WM分組的傳輸時延基本保持不變，小于0.5 s，滿足了WM分組的傳輸要求。圖9為2種方法的開銷比較。在車輛密度較小時，2種方法的開銷相差不大，隨著車輛密度增大，CoTDMA開銷增大。IEEE802.11p開銷主要為一些控制開銷，如FCS、PLCP等，它們不隨著車輛密度的增大而增大。CoTDMA除了一些控制開銷外，還包括FI、COOP Header等開銷，它們包含了兩跳范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)占用的時隙信息、已成功接收數(shù)據(jù)的源節(jié)點(diǎn)ID號等，對應(yīng)的開銷隨著車輛密度的增大而增大。CoTDMA以一些開銷為代價使得節(jié)點(diǎn)以確定的方式訪問信道，并可以對已發(fā)送的信息進(jìn)行確認(rèn)，保證了車輛間實(shí)時安全信息及時可靠地傳輸。

圖8 IEEE802.11p與CoTDMA的WM時延大小比較

圖9 IEEE802.11p與CoTDMA開銷占用的時隙時間比例

在車輛密度不變時(0.06車/米)，圖 10為 500次仿真中IEEE802.11p和CoTDMA的WM分組時延分布比較。IEEE802.11p對應(yīng)的時延分布在較廣范圍內(nèi)(15 s)，CoTDMA對應(yīng)的時延分布在1 s內(nèi)。由于信息碰撞、信道感知和數(shù)據(jù)分組重發(fā)等因素，IEEE802.11p的信道訪問時延不確定，導(dǎo)致WM分組的傳輸時延不確定，分布在較廣范圍內(nèi)。CoTDMA的信道訪問時延確定，所以WM分組的傳輸時延變化小，分布在較小的范圍內(nèi)。圖 11為上述條件下不同位置車輛第一次接收的 WM 分組平均序號。對于 IEEE802.11p，信道訪問時延不確定，WM分組發(fā)送時間不確定，所以節(jié)點(diǎn)第一次接收的WM分組序號不確定。如距發(fā)起WM分組車輛800 m的車輛第一次接收的WM分組平均序號為1.6，該位置車輛第一次接收的WM分組序號有時為1，有時為2等。此外，由于大量的信息碰撞，序號為1的WM分組在距發(fā)起WM分組車輛平均900 m的位置丟失，序號為2的WM分組在平均1 300 m的位置丟失。對于CoTDMA，節(jié)點(diǎn)以確定的方式訪問信道，消除了信息碰撞等因素，所有車輛都能接收到序號為1的WM分組，且第一次接收的WM分組也是該分組。穩(wěn)定的信息傳輸過程不但對于VANET安全業(yè)務(wù)信息至關(guān)重要，而且也能改善聲音、視頻等其他多媒體信息的傳輸性能。

圖10 IEEE802.11p與CoTDMA的WM時延分布比較

圖11 距發(fā)起WM分組車輛不同距離車輛第一次接收的WM分組序號

5 結(jié)束語

為避免VANET節(jié)點(diǎn)訪問信道的不確定性，文獻(xiàn)[8～11]基于TDMA方法提出了分布式TDMA方法，但該方法沒有利用被節(jié)點(diǎn)占用的空閑時隙，未能充分利用無線信道資源，且不能避免由于信道條件差所導(dǎo)致的分組丟失和網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降問題。為此，本文在分布式 TDMA方法的分組頭中增加COOP Header域來確認(rèn)數(shù)據(jù)發(fā)送情況，在確認(rèn)數(shù)據(jù)發(fā)送失敗時，利用附近其他節(jié)點(diǎn)的空閑時隙協(xié)助發(fā)送傳輸失敗的數(shù)據(jù)。理論分析和仿真結(jié)果表明，由于利用了被節(jié)點(diǎn)占用的空閑時隙重新發(fā)送傳輸失敗的數(shù)據(jù)，文中方法顯著地提高了數(shù)據(jù)發(fā)送成功概率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

仿真表明，雖然IEEE802.11p使車輛間實(shí)時安全信息能優(yōu)先訪問信道，但多節(jié)點(diǎn)同時發(fā)送該類信息時，由于競爭信道帶來的不確定性，且平均時延較長，IEEE802.11p不能滿足該類信息的傳輸要求。文中方法以確定的方式訪問信道，保證了車輛間實(shí)時安全信息及時穩(wěn)定地傳輸。

根據(jù)式(3)，為使MAC層性能穩(wěn)定，分布式TDMA方法的幀中時隙數(shù)通常大于兩跳范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)目，這種情況下，幀中通常會多出沒有被節(jié)點(diǎn)占用的空閑時隙。本文已利用被節(jié)點(diǎn)占用的空閑時隙協(xié)助發(fā)送傳輸失敗的數(shù)據(jù)，如何進(jìn)一步利用沒有被節(jié)點(diǎn)占用的空閑時隙為下一步研究方向。

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