面向車輛狀態(tài)信息廣播的功率控制算法

徐哲鑫　李世杰　林瀟　吳怡

摘要：針對車載自組織網（VANET）中節(jié)點以固定功率發(fā)送信息導致的信道資源無法優(yōu)化分配的問題，以車輛周期發(fā)送的狀態(tài)信息的廣播為研究對象，提出一種可自適應于車流密度變化的VANET功率控制算法。該算法通過定義功率控制周期構建并更新直接鄰居列表，根據直接鄰居車輛的位置來調整發(fā)射功率，進而控制節(jié)點的廣播信息覆蓋范圍，實現(xiàn)信道資源的優(yōu)化分配以及節(jié)點路由性能的優(yōu)化。仿真結果驗證了所提出算法的有效性，表明該算法能夠有效根據車輛密度自適應調整發(fā)射功率、降低信道占用率并提高直接鄰居數(shù)據包投遞率，從而保證安全信息的有效傳輸。

關鍵詞：功率控制；車輛狀態(tài)信息；車載自組織網；直接鄰居；周期廣播

中圖分類號：TN929.52

文獻標志碼：A

0引言

車載自組織網（Vehicular Ad-hoc NETwork， VANET）的應用非常廣泛，主要可以分為三大類：交通安全、車輛調度和娛樂服務。但是，最開始研究和發(fā)展VANET的首要目的就是安全，也是最主要的目的。在安全方面的消息可分成兩類：其一，車輛節(jié)點之間周期交互的車輛狀態(tài)信息，如位置、速度和行駛方向等；其二，交通事故等突發(fā)情況下的緊急消息，使得車輛用戶能夠實時掌握周圍駕駛環(huán)境的變化，發(fā)現(xiàn)潛在的危險因素，從而有效避免交通事故的發(fā)生。

無線通信中廣播特性是天然屬性，廣播技術自然成為VANET傳輸安全信息的最主要方式之一。目前，VANET中的廣播協(xié)議大都是從傳統(tǒng)的移動自組織網絡中發(fā)展而來的。在移動自組織網絡中，節(jié)點的密集程度會對廣播協(xié)議的性能造成重大影響：節(jié)點較為密集則會增加網絡負載，而較為稀疏又會降低網絡連通性[1]。而在VANET中，由于車輛節(jié)點本身的特點，在不同的情況下，節(jié)點的密集程度會發(fā)生較大的變化。因此，VANET中的廣播協(xié)議設計，應該針對不同應用背景和節(jié)點的密集程度采用不同的策略，以獲得較好的適應性和延展性。目前，國內外都還沒有提出一個統(tǒng)一的方案來解決VANET在不同的車輛節(jié)點密集程度下的通信問題[2]。

在VANET中，廣播信息的覆蓋范圍需要有選擇性地進行調整，這可以通過調整車輛節(jié)點的發(fā)射功率來實現(xiàn)。對于功率控制的研究，在移動自組織網絡中已經比較成熟，但絕大部分的功率控制研究都是以最優(yōu)化節(jié)點能量、尋找能量消耗最少的路由和延長網絡使用壽命等作為研究的主要目的。相比傳統(tǒng)的移動自組織網絡節(jié)點，VANET中車輛節(jié)點只要行駛就能得到能量補充，因此以上那些目的不再是VANET功率控制的主要目標，這就使得傳統(tǒng)的功率控制方法并不適合于VANET?；赩ANET的功率控制研究應該是以提高網絡通信性能、使信息能夠快速有效的傳輸為主要目標。

文獻[3]針對對向行駛車輛間視頻數(shù)據傳輸問題，提出了一種基于通信連通性和視頻數(shù)據流比特率自適應的功率控制算法，較大發(fā)送功率可抵抗信道衰落，較小發(fā)送功率則可以減少節(jié)點發(fā)送數(shù)據之間的碰撞，因此就在這兩者之間運用啟發(fā)式理念構建目標函數(shù)尋求發(fā)送功率的最優(yōu)化。但本文的算法只定位在雙向兩車道的場景下，并且是對向行駛車輛間數(shù)據傳輸，其局限性較大。文獻[4]通過功率控制解決了數(shù)據廣播時的覆蓋率問題。當節(jié)點可收到源節(jié)點信息但無法正確解碼時，通過所提出的基于NACK （Negative Acknowledgement）反饋機制并結合功率控制，與即時鄰居之間建立聯(lián)系，尋求即時鄰居的信息重傳；當節(jié)點無法收到源節(jié)點信息，即處于空洞狀態(tài)時，即時鄰居通過接收信號強度預判周邊空洞節(jié)點，從而即時轉發(fā)信息，提高覆蓋率。該算法更適用于緊急消息的發(fā)送，對于周期發(fā)送的車輛狀態(tài)信息而言，只需覆蓋附近車輛即可，無需長距離高覆蓋率的轉發(fā)。文獻[5]將節(jié)點的發(fā)送功率設置為隨機的，遠距離的節(jié)點只能收到大功率發(fā)送的信號，而近距離的節(jié)點大功率和較小功率的信號均可接收，從而減小了遠距離節(jié)點之間數(shù)據包的碰撞。信道的利用率和數(shù)據包的碰撞可通過改變發(fā)送功率的隨機分布調整。該算法發(fā)送功率所遵循的隨機分布是影響性能的關鍵，這需要具體場景的實測或者復雜的數(shù)據建模，無疑降低了算法的實用性以及自適應性。文獻[6]針對緊急消息傳播提出了單跳區(qū)域間快速轉發(fā)與區(qū)域內廣播重傳相結合的機制，兼顧了信息傳播速率以及覆蓋率性能。在區(qū)域內廣播重傳機制中，節(jié)點通過檢查信道占用率調節(jié)發(fā)送功率以提升數(shù)據包發(fā)送成功率。其功率控制的思想值得借鑒，但如何運用在短距離周期廣播的車輛狀態(tài)信息上還有待研究。文獻[7]在分簇的VANET架構下提出基于非協(xié)作博弈的功率控制機制，實現(xiàn)了簇間和簇內通信性能的權衡。該機制為VANET功率控制開辟了一個新的視角，但在無分簇場景下的運用有待研究。文獻[8]提出基于信道占用率檢測的節(jié)點功率控制算法。不同場景下的最優(yōu)信道占用率已載入節(jié)點的存儲介質，節(jié)點使用不同的發(fā)送功率嘗試，通過檢測到的信道占用率反饋調整發(fā)送功率直到達到最優(yōu)性能。然而實際中不同場景下信道是多變的，VANET拓撲也是不確定的，該算法的自適應性能還需進一步改進。文獻[9]根據接收到鄰居節(jié)點發(fā)射功率、相對速度、接收到最后一個包距離現(xiàn)在時間等信息給鄰居節(jié)點標定度量值；而后對鄰居節(jié)點依據度量值排序，再根據通信指標要求依排序篩選出要通信的節(jié)點，然后估算所需的發(fā)送功率。該算法的度量體系值得借鑒，但如何運用在周期狀態(tài)信息上需要進一步研究。文獻[10]主要研究在高速公路場景下，將車輛分簇后的路邊單元（Road Side Unit， RSU）功率控制問題，以保障同向行駛車輛間的連通性。但RSU的布設將增大系統(tǒng)成本，在無RSU系統(tǒng)框架下車輛節(jié)點的功率控制問題并非本文研究重點。文獻[11]兼顧駕駛員的反應時間以及車輛節(jié)點間通信沖突性能，提出了基于兩類信標的發(fā)送功率控制機制。L信標用于大功率長距離發(fā)送，適用于安全應用，因此總是采用最大發(fā)送功率發(fā)送；S信標用于小功率短距離發(fā)送，適用于常規(guī)車輛信息應用，車速越快則發(fā)送功率越大，從而節(jié)點通信覆蓋半徑越大，以給駕駛員充足的反應時間。同時提出了新的隊列中信標更新機制，保持信標信息的時效性。該機制對功率控制目的性的切入點值得借鑒，但節(jié)點的覆蓋半徑只是簡單地與車速形成對應關系，通信方面性能的考量較少。文獻[12]根據實際交通流數(shù)據得到流量分布，并且構建了信號傳播模型，求得功率衰減和距離之間的關系；并在給定接收門限以及最大發(fā)射功率的情況下，仿真了不同傳輸距離對應的不同發(fā)射功率。其仿真結果值得借鑒，但針對周期狀態(tài)信息如何自適應地調整發(fā)送功率有待進一步的研究。

基于上述分析，本文對VANET研究的出發(fā)點在于車輛的安全應用，因此，主要對狀態(tài)安全信息的廣播范圍進行研究。整體思路是根據狀態(tài)安全信息的需求范圍來確定廣播的目標區(qū)域，進而調整發(fā)射功率，控制廣播的覆蓋范圍，這就形成了一種新的VANET組網方式。這種新的組網方式能夠有效減少網絡負載，降低“廣播風暴”的發(fā)生概率，大大提高了網絡性能，也提高了安全信息的傳輸性，進而提升車輛行駛的安全性。

1系統(tǒng)場景及模型

系統(tǒng)場景設定為雙向六車道的高速公路，在車輛速度較快的高速公路場景下，當駕駛員行車時注意力不集中時，周圍鄰居車輛一些常規(guī)的駕駛行為都有可能引起重大交通事故。分析通常的交通事故可以發(fā)現(xiàn)，引起交通事故的原因主要是因為駕駛員對鄰居車輛行駛狀態(tài)的變化不敏感以及反應時間不足，因此，獲取鄰居車輛的狀態(tài)安全信息有利于提高駕駛員的警覺性和提早做出反應，從而避免事故的發(fā)生。因此，直接鄰居車輛的狀態(tài)安全信息對本車輛的安全行駛具有重大意義，而相對的，其他位置上車輛的狀態(tài)安全信息并沒有太大的意義。也就是說，每個車輛節(jié)點發(fā)出的狀態(tài)安全信息都只對與其直接鄰居車輛節(jié)點有較大的價值。

假設所有的車輛節(jié)點都裝有全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System， GPS）、各種傳感器、攝像頭以及智能處理系統(tǒng)等車載設備，并通過衛(wèi)星定位、傳感器技術以及圖像處理車道標志線技術等，使車輛節(jié)點能夠收集到自身的狀態(tài)安全信息，主要包括位置、速度、加速度及方向，當前發(fā)射功率以及時間戳等。

定義狀態(tài)安全信息需求范圍為每個車輛節(jié)點的廣播能夠覆蓋所有的直接鄰居車輛節(jié)點的最小范圍。直接鄰居車輛節(jié)點是指在某節(jié)點周圍各個方向上最接近的鄰居節(jié)點。需要說明的是，對發(fā)射功率的控制可轉化為對通信覆蓋半徑的控制，即發(fā)射功率實際上可通過有效通信覆蓋半徑表征[6]。所謂有效通信覆蓋半徑是指在給定信道環(huán)境以及給定發(fā)射功率時，以發(fā)射節(jié)點為中心，能達到接收靈敏度的距離。由于車輛行駛過程中，車輛的分布是不均勻且不斷變化的，所以R也是實時變化的，其取值范圍是（0，Rmax），其中Rmax是車輛節(jié)點采用最大發(fā)射功率所對應的最大信息發(fā)送距離。圖1為三車道公路車輛分布示例，將車輛節(jié)點抽象成位于其中心位置的點，則車輛節(jié)點的位置則用該點的坐標表示，點之間的距離則表示對應車輛節(jié)點之間的距離。圖中節(jié)點F0的狀態(tài)安全信息的需求范圍R0=max（d0i）（i=1，2，…，8），其中d0i為節(jié)點F0與Fi之間的距離。在IEEE 802.11p中規(guī)定的最大節(jié)點通信半徑約Rmax=1000m，車輛狀態(tài)信息主要目的將用于鄰居節(jié)點間交互以保持安全距離，因此節(jié)點的需求范圍的上限設定為Rmax足以滿足實際安全需要。節(jié)點F0與Fi之間的距離可以通過位置坐標算出，假設F0坐標為（x0， y0），F(xiàn)i坐標為（xi， yi），則：

2功率控制算法設計及分析

2.1算法總體流程

節(jié)點間狀態(tài)信息的信道競爭機制采用IEEE 802.11p中的介質訪問控制（Media Access Control， MAC）機制[15]。借鑒802.11p中信道規(guī)劃，將其用于安全信息的Ch172及Ch184信道分別分配給雙向車道中的來向和去向車道。由于高速公路道路結構單一，車輛總體密度較為稀疏，因此為了提高信道資源利用率，在這兩個信道上進行周期狀態(tài)信息交互時并不采用IEEE 802.11p的信道切換機制，而是直接進行信道競爭從而發(fā)送信息。將周期狀態(tài)信息的生成周期Tsg參照IEEE 802.11p中信道周期長度設置為Tsg=100ms[13]，即每個節(jié)點每100ms產生一個新的狀態(tài)信息。需要說明的是，狀態(tài)信息的生成周期不等于其發(fā)送周期，因為節(jié)點在生成狀態(tài)信息后需要參與信道競爭，而周期狀態(tài)信息實際上是一跳通信范圍內節(jié)點間的信息交互，在高速公路場景下，除了節(jié)假日高峰車流或者部分路段因事故等情況出現(xiàn)極端擁堵時，常規(guī)路況下車輛之間車距都在百米以上，這就意味著總體上看節(jié)點分布較為稀疏，因此常規(guī)路況下車流密度對應的信道接入延遲通常在10-3～10-2s數(shù)量級[14]，可以認為每輛車在一個狀態(tài)信息生成周期內可成功發(fā)送自身狀態(tài)信息。

將發(fā)射功率更新周期定義為功率控制周期，記為Tpc，意味著每間隔Tpc，節(jié)點重新將發(fā)射功率初始化為最大覆蓋范圍，而在功率控制期間則根據直接鄰居相對位置變化作微調。為便于討論，將其設定為周期狀態(tài)信息的生成周期Tsg的整數(shù)倍，即表示為Tpc=k·Tsg，其中k為正整數(shù)。k的值可根據高速公路最高與最低限速的車輛間相對速度差距大小設定，例如最高限速為120km/h，最低限速為60km/h，則車輛間最大相對速度差約為16m/s，而實際上大部分車輛速度分布在80～100km/h，相對速度差約為5m/s。相對速度差距越大則k值越小，也就是說應讓節(jié)點越頻繁地進行功率調整，通常經驗值可設定為10，即Tpc約為1s。在Tpc 期間將通過周期狀態(tài)信息的交互實現(xiàn)近處車輛間感知，而每隔Tpc進行發(fā)射功率重置是用于遠處車輛間感知。遠處車輛間Tpc=1s內將產生5m的相對位移，近處車輛間Tsg=0.1s內將產生0.5m的相對位移。在高速公路中百米數(shù)量級的車距下，上述量級的相對位移所導致的發(fā)射功率控制誤差可忽略，并且還可通過略微增加發(fā)射功率余量修正這一誤差帶來的性能損失。

功率控制算法的總體流程如圖2所示。在節(jié)點各自的功率控制周期的起始時刻，車輛都以其最大發(fā)射功率向其周圍車輛節(jié)點廣播狀態(tài)安全信息。根據IEEE 802.11p規(guī)定最大的通信半徑約為1000m[11]，在高速公路常規(guī)路況下，對信道產生相互競爭影響的節(jié)點數(shù)在100～3×101的數(shù)量級，也就是說參與競爭的節(jié)點數(shù)并不多，并且其他節(jié)點并不都處于功率控制周期起點，即并不都以最大通信半徑覆蓋周圍節(jié)點，也就確保了初始通信半徑下仍可有低于周期狀態(tài)信息生成周期的信道接入延遲（約10-3～10-2s數(shù)量級[14]）。每個車輛節(jié)點收到其周圍鄰居節(jié)點的信息后，創(chuàng)建鄰居節(jié)點列表，為每個鄰居構建表項，表項中包含著鄰居車輛節(jié)點的各項信息。接著車輛節(jié)點在功率控制周期內對鄰居列表進行更新和維護，主要是保留其直接鄰居節(jié)點的信息，刪除其他鄰居節(jié)點，同時丟棄其他鄰居之后發(fā)來的狀態(tài)信息數(shù)據包以節(jié)省存儲空間。確定直接鄰居節(jié)點后，通過檢測接收到的直接鄰居的數(shù)據包信號強度以及數(shù)據包中攜帶的發(fā)射功率評估信道衰落情況，從而估算車輛節(jié)點的發(fā)射功率，使節(jié)點發(fā)送的信息能夠被所有直接鄰居節(jié)點所接收。在確定完數(shù)據包的發(fā)射功率并成功接入信道將其發(fā)送出去后，在等待下個狀態(tài)信息生成周期Tsg起始時刻到來期間通過接收其他節(jié)點的信息更新直接鄰居列表，該過程不斷循環(huán)直至進入下一個功率控制周期。

2.2直接鄰居列表建立與更新

雖然高速公路場景下VANET中的車輛節(jié)點都在不斷地快速移動，車輛節(jié)點的位置以及與周圍車輛的位置關系也是不斷變化的，但是若只考慮車輛節(jié)點與其他車輛的相對位置，則周圍車輛與本車輛之間直接相鄰的節(jié)點大致可歸結為8個方向上最接近的鄰居，即前、后、左、右、左前，右前、左后、右后。并且高速公路雙向車道中間存在隔離欄，因此只需考慮同向行駛的車輛。最外側和最內側車道上節(jié)點只需考慮5個方向上的直接鄰居即可，例如圖1中F4和F5的直接鄰居分別為（F0、F1、F2、F6和F7）和（F0、F2、F3、F7和F8）；而位于中間車道的節(jié)點則要考慮8個方向的直接鄰居，例如圖1中F0的直接鄰居為（F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7和F8）。但實際路況中道路上的車輛分布是不規(guī)則的，如圖3所示，圖中F0的直接鄰居車輛節(jié)點是F1及F3，但是F0與F2的距離小于F0與F3之間的距離，所以若僅用最短距離原則判斷車輛的直接鄰居車輛節(jié)點，則可能誤將F2作直接鄰居節(jié)點而忽略掉了真正的直接鄰居節(jié)點F3。因此，本文將通過車輛行駛方向、車輛間距離和車輛所在車道三個要素來找出其直接相鄰節(jié)點。

由于各節(jié)點的最大通信范圍相同且功率控制周期也均設為Tpc，其信道接入延遲在10-3～10-2s數(shù)量級，即小于Tsg，因此盡管各節(jié)點功率控制周期起點不同，但節(jié)點在時間跨度Tpc+Tsg之內必然能夠收到自身最大通信范圍內所有鄰居至少一次的信息。這樣，每個節(jié)點在每個功率控制周期起始時刻再等待一個狀態(tài)信息生成周期Tsg后，便可根據最近時間跨度Tpc+Tsg內收到的鄰居節(jié)點信息構建一跳鄰居列表。當有新增車輛啟動時，由于所有車輛都是采用廣播的形式，該車能接收到周圍車輛發(fā)來的信息，若未接收到任何信息，則說明新車輛不在周邊節(jié)點的通信覆蓋范圍內，此時，新增車輛應采用最大功率廣播自身的狀態(tài)安全信息告知周邊節(jié)點。

當節(jié)點創(chuàng)建鄰居節(jié)點列表后，按鄰居節(jié)點與自身的距離大小排列。此時，由于反方向車輛也在通信范圍內，但是反方向車輛不屬于狀態(tài)安全信息的范圍之內，因此刪除鄰居節(jié)點列表里的反方向車輛，并丟棄其發(fā)來的信息包。

對于剩余的同方向的車輛節(jié)點表項，需要分車道進行分析。以圖3為例，對于與F0同車道的節(jié)點，從F0前后車之中分別選取距離最小的一輛，此處為F1，其中前后位置通過節(jié)點位置的x坐標來確定。然后在鄰居節(jié)點列表中刪除與F0同車道中除F1以外的全部鄰居車輛節(jié)點，并丟棄這些節(jié)點發(fā)來的數(shù)據包。若F0是在中間車道上，則先添加其兩側車道上與之距離最近的節(jié)點，如F0左側車道的F5。再分別選取F5前后離本車距離最近的兩輛，此處為F4和F6，最后刪除F5所在車道其余車輛節(jié)點信息，此后丟棄這些被刪節(jié)點后續(xù)發(fā)來的數(shù)據包。這樣，F(xiàn)0的直接鄰居節(jié)點列表創(chuàng)建完畢。

在鄰居節(jié)點列表添加完畢以后，車輛節(jié)點就調整其發(fā)射功率，使要廣播的狀態(tài)安全信息恰好能夠覆蓋每個直接鄰居車輛節(jié)點。當然，為了覆蓋到某個方向上的直接鄰居可能在其他方向上會覆蓋到直接鄰居之外的節(jié)點，例如圖3中F0為了覆蓋到右側車道F3也將覆蓋同側車道F2。在高速公路總體節(jié)點分布較為稀疏的情況下，這種冗余覆蓋并不會過多增加信道競爭。

由于車輛是不斷移動的，車輛間的相對位置也是一直發(fā)生變化，每個車輛的直接鄰居節(jié)點也會發(fā)生改變。由于狀態(tài)安全信息是周期性的廣播消息，因此，每個車輛節(jié)點需要功率控制周期內根據收到最新的直接車輛狀態(tài)安全信息作出通信覆蓋范圍的微調。若在此期間收到新增節(jié)點的信息則需要更新直接鄰居列表并對應地調整發(fā)射功率。在覆蓋直接鄰居的原則下，節(jié)點間發(fā)射功率調整具有反饋效應，從而實現(xiàn)自適應調整。并且由于節(jié)點只覆蓋各自的直接鄰居，競爭同一信道的節(jié)點數(shù)很少，信道接入時延可降至僅為10-3s數(shù)量級，遠小于周期狀態(tài)信息的生成周期。例如，圖3中假設節(jié)點F2比節(jié)點F1先接入信道，則節(jié)點F0收到節(jié)點F2的信息后根據當前鄰居表判斷在F2方向上暫無更近鄰居，則下個周期狀態(tài)信息的發(fā)射功率預設為覆蓋到F2的值。若在F0發(fā)送下個周期狀態(tài)信息之前又收到來自F1的信息，F(xiàn)0則將該方向上的直接鄰居更新為F1，因此F0下個周期狀態(tài)信息只覆蓋到F1。而當F0收到F3的信息后，發(fā)現(xiàn)其為對應方向上直接鄰居，則F0將增大發(fā)射功率使得下個周期狀態(tài)信息能夠覆蓋到F3，此時F2將作為冗余鄰居被覆蓋。這樣，無論周邊節(jié)點以何種發(fā)射功率發(fā)送信息，接收節(jié)點總能利用直接鄰居原則自適應調整發(fā)射功率，在確保安全性的同時盡量減少冗余覆蓋，降低信道資源競爭。

3性能仿真與分析

3.1仿真場景及參數(shù)設置

VANET中節(jié)點的移動受到道路及障礙物的影響，同時節(jié)點的高速移動使得網絡拓撲具有不穩(wěn)定性。為了在NS-2中對功率控制算法進行仿真驗證，先要保證仿真場景中車輛節(jié)點的移動軌跡盡量接近現(xiàn)實中的車輛移動軌跡?；谶@個目的，本文利用SUMO（Simulation of Urban Mobility）交通仿真器構建長度為10km的雙向六車道高速公路模型，單向車道每公里車輛密度為3～30輛，車速范圍60～120km/h。

在NS-2中搭建VANET協(xié)議架構如下：在應用層，通過數(shù)據流發(fā)生器CBR（Const-RitRate）建立從信息源到距離信息源xm遠處裝備車輛的通信連接，數(shù)據發(fā)生率為10packet/s，數(shù)據傳輸率為3Mb/s；CBR發(fā)送的數(shù)據分組大小為230Byte，發(fā)送時間間隔為0.02s。在傳輸層，使用的傳輸協(xié)議為用戶數(shù)據報協(xié)議（User Datagram Protocol， UDP）。在網絡層，路由算法并不是本文研究的重點，因此選擇Ad Hoc按需距離矢量路由（Ad Hoc On-demand Distance Vector routing， AODV）作為網絡層協(xié)議進行分析，而且為了避免路由性能對數(shù)據傳輸?shù)挠绊?，將只考慮直接鄰居間周期狀態(tài)信息的收發(fā)。在MAC層選擇主要用于車載電子通信的IEEE 802.11p協(xié)議。在物理層，對車載設備的各種參數(shù)進行設置，在傳播模型上選擇Two-ray Ground。周期狀態(tài)信息生成周期設置為100ms；功率控制周期設置為1s，因為常規(guī)路況下1s內車輛間相對位置通常變化較小。仿真將比對本文所提的算法和所有節(jié)點采用固定的發(fā)射功率以及采用隨機功率控制[5]時的性能。其中隨機功率控制的發(fā)射功率范圍依據文獻[5]的參數(shù)設定為范圍在[4dBm， 33dBm]的離散均勻分布，功率變化增量為0.5dBm；固定的發(fā)射功率則設為33dBm，該功率值能夠保證所有的車輛節(jié)點在Two-ray Ground傳播模型下的傳輸距離為1000m。仿真主要針對在不同的車輛節(jié)點密度進行分析，根據實際高速公路常規(guī)路況下的交通數(shù)據統(tǒng)計，車輛密度變化范圍為單向三車道3～30輛/km。仿真的網絡性能參數(shù)主要有：1） 平均發(fā)射功率，即網絡中車輛節(jié)點平均發(fā)射功率變化情況；2） 信道占用率，即單位時間內信道被占用時間的百分比；3）直接鄰居數(shù)據包投遞率，即單位時間內直接鄰居平均接收到狀態(tài)信息數(shù)據包個數(shù)和源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據包總數(shù)的比值。

3.2平均發(fā)射功率

車輛通過找出其直接鄰居車輛節(jié)點來調整其發(fā)射功率，由于車輛在行駛過程中位置是不斷變化的，因此其發(fā)射功率也是動態(tài)變化的。圖4所示的是仿真過程中車輛節(jié)點發(fā)射功率的變化曲線，從圖中可以看出，固定發(fā)射功率情況下，發(fā)射功率是固定的；隨機功率控制下功率是時變的，但是由于采用均勻分布，因此其均值不變，均為18.5dBm；在本文提出的自適應功率控制算法下，車輛節(jié)點的平均發(fā)射功率將隨著節(jié)點密度動態(tài)變化。

當節(jié)點密度稀疏時（單向三車道3輛/km），節(jié)點平均間距約為1000m，因此為了覆蓋該平均間距下的直接鄰居，節(jié)點平均意義下都以最大功率進行數(shù)據發(fā)送，以保障連通性。因此，本文提出的自適應功率控制的平均發(fā)射功率約為最大發(fā)射功率值33dBm。隨著節(jié)點密度增加，節(jié)點間平均間距逐漸減小，因此在自適應功率控制中覆蓋直接鄰居所用的平均發(fā)射功率也隨之減小。當節(jié)點密度處于高速公路場景中較為密集的單向三車道30輛/km時，節(jié)點的平均發(fā)射功率降至8dBm左右。同時，平均發(fā)射功率曲線的變化趨勢也符合本文設計的算法，從單向三車道3輛/km開始隨著車輛的增多，車輛間的平均距離縮小較大，使得發(fā)射功率下降趨勢也較快；而當車輛密度越來越大，隨著車輛的增多，車輛間的距離縮小幅度減小，因此發(fā)射功率下降也較為平緩。隨機功率控制和自適應功率控制曲線的交叉點意味著在車輛密度為單向三車道13輛/km左右時，兩者平均意義下節(jié)點的平均發(fā)射功率相同。從上述分析中看出，本文所提出的功率控制算法具有節(jié)點密度自適應性。

3.3信道占用率

圖5描繪了不同車輛密度下，自適應功率控制、隨機功率控制以及固定發(fā)射功率下信道占用率情況。三種機制的信道占用率均隨著節(jié)點密度增大而增大，但固定發(fā)射功率的增長幅度最大，隨機功率控制次之，自適應功率控制最小。這是因為，在固定發(fā)射功率中，節(jié)點均以最大發(fā)射功率發(fā)送信息，節(jié)點密度增大后節(jié)點間競爭激烈程度愈加嚴重。隨機功率控制下，節(jié)點密度增大后節(jié)點間競爭也會更加激烈，但由于發(fā)送功率的隨機性，平均意義下相互間直接競爭的節(jié)點數(shù)的增幅將小于固定發(fā)射功率，因此其信道占用率增幅較固定發(fā)射功率的小。自適應功率控制下，節(jié)點均以覆蓋直接鄰居為目標調整發(fā)射功率，因此節(jié)點密度不同對直接鄰居節(jié)點個數(shù)影響不大。由于更大的節(jié)點密度將導致覆蓋的冗余鄰居數(shù)更多，因此信道占用率隨著節(jié)點密度增加也將略有增加。

另外，可以看到在節(jié)點密度很稀疏 （單向三車道3輛/km） 的情況下，自適應功率控制的信道占用率與固定發(fā)射功率相當，但大于隨機功率控制。這是因為此時節(jié)點間距約等于節(jié)點的最大通信覆蓋半徑，因此自適應功率控制為了覆蓋直接鄰居則和固定發(fā)射功率的發(fā)射功率相當。而隨機功率控制下的節(jié)點由于發(fā)射功率的隨機性，在某些時刻的通信覆蓋半徑小于節(jié)點間距，因此節(jié)點間競爭更弱，信道占用率更少。但由于節(jié)點在每個時刻具體的發(fā)送功率不可控，這使得隨機功率控制無法保證節(jié)點間的連通性。

3.4直接鄰居數(shù)據包投遞率

圖6描繪了在不同車輛密度下自適應功率控制、隨機功率控制以及固定發(fā)射功率的直接鄰居數(shù)據包投遞率。

由圖6可知，自適應功率控制和固定發(fā)射功率的曲線均呈下降趨勢，當節(jié)點密度稀疏 （單向三車道3輛/km） 時，自適應功率控制的直接鄰居數(shù)據包投遞率與固定發(fā)射功率相當，而隨著節(jié)點密度增加自適應功率控制曲線的降幅明顯小于固定發(fā)射功率。這是因為在節(jié)點密度稀疏時車間距已接近最大通信覆蓋半徑，因此自適應功率控制下的節(jié)點基本都采用最大發(fā)射功率進行數(shù)據包發(fā)送，其效果與采用最大發(fā)射功率的固定發(fā)射功率相當。隨著節(jié)點密度增大，車間距逐漸減小，固定發(fā)射功率下產生競爭關系的節(jié)點數(shù)量逐漸增多且愈加嚴重，而自適應功率控制的節(jié)點以覆蓋直接鄰居為目標，僅覆蓋個別冗余節(jié)點，因此自適應功率控制下產生競爭關系的節(jié)點數(shù)量僅少量增多，從而其直接鄰居數(shù)據包投遞率性能下降小于固定發(fā)射功率的情況。另外，可以看到隨機功率控制的曲線呈上升趨勢，但性總體劣于前兩者。這是因為在節(jié)點密度稀疏時，隨機產生的發(fā)射功率可能無法覆蓋直接鄰居從而導致斷鏈，并且節(jié)點密度越稀疏這種情況越嚴重，在單向三車道車輛密度為3輛/km時的直接鄰居數(shù)據包投遞率僅為24.77%。隨著節(jié)點密度逐漸增大，隨機功率控制節(jié)點間距逐漸減小，相互覆蓋的概率逐漸增大，因此直接鄰居分組投遞率逐漸上升。但在高速公路場景下車輛密度總體較低，因此常規(guī)路況下（單向三車道車輛密度小于30輛/km）隨機功率控制的節(jié)點相互覆蓋概率仍較低，總體數(shù)據包投遞率仍小于固定發(fā)射功率及自適應功率控制的性能。

4結語

本文從車載自組織網絡的安全應用角度出發(fā)，在高速公路場景下對狀態(tài)安全信息的廣播覆蓋范圍進行研究，提出新的功率控制算法。該算法以覆蓋各方向上直接鄰居為目標，通過功率控制周期期間監(jiān)聽鄰居信息，構建并更新直接鄰居列表，進而調整發(fā)射功率，這也將形成一種新的VANET組網方式。仿真結果表明，采用自適應功率控制算法的節(jié)點與固定發(fā)射功率以及隨機功率控制的節(jié)點相比能夠針對車輛密度自適應地調整廣播覆蓋范圍，有效降低信道占用率，同時保障較高的直接鄰居數(shù)據包投遞率，提高了車輛行駛的安全性。

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