基于空分多址的車聯(lián)網信標消息同步廣播協(xié)議

張洋+劉海燕+鄭雪峰

摘 要： 依據車聯(lián)網中專用短距離通信DSRC協(xié)議的標準，車輛通過周期地廣播包含車輛狀態(tài)信息的信標消息，實現鄰居節(jié)點感知的鏈路層服務，并且信標消息以隨機方式共享傳輸安全消息的控制信道。然而，這種方式可能導致嚴重信道競爭和數據丟失，降低鄰居節(jié)點感知率。為此，提出基于空分多址的信標消息同步廣播協(xié)議SDMA?SB。通過SDMA?SB協(xié)議，使得車輛以分布式方式同步地廣播信標，實現車輛在同一個信標時區(qū)內有序地廣播，降低信道競爭概率，進而提高鄰居節(jié)點感知效率。SDMA?SB協(xié)議先建立有序化的道路模型，然后依據距離信息為同一路段車輛選擇一個控制信道間隔CCHI作為信標時區(qū)，再根據距離計算廣播信標所需的等待時間，并保證車輛等待時間的惟一性。仿真結果表明，與傳統(tǒng)的信標廣播協(xié)議相比，提出的SDMA?SB協(xié)議提高了鄰居感知率以及信息的新鮮度。

關鍵詞： 車聯(lián)網； 專用短距離通信； 信標； 控制信道； 鄰居節(jié)點感知率

中圖分類號： TN915.04?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）11?0137?05

Space division multiple access based synchronized beacons sending protocol in VANETs

ZHANG Yang1， LIU Haiyan1， ZHENG Xuefeng2

（1. Department of Hydraulic Engineering， Tsinghua University， Beijing 100062， China；

2. School of Computer & Communication Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100101， China）

Abstract： According to the standard of the dedicated short?range communication （DSRC） protocol in vehicular Ad Hoc networks （VANETs）， the vehicle can realize the link?layer service of neighborhood discovery by broadcasting the beacon information including vehicle status information periodically. The beacon information shares the control channel （CCH） transmitting safety information with random mode， which may cause the severe channel competition and packet loss， and reduce the neighborhood?discovery ratio. Therefore， a space?division multiple access based synchronized beacons （SDMA?SB） sending protocol is proposed， with which the vehicles can broadcast the beacon synchronously in distributed mode to realize its sequential broadcast in the same beacon time zone， reduce the channel competition probability， and improve the neighborhood?discovery ratio. The ordering channel model is constructed with SDMA?SB protocol. According to the distance information， a control channel interval （CCHI） is selected for the vehicle in the same path section as the beacon time zone. The waiting time needed by the broadcast beacon is calculated according to the distance to guarantee the uniqueness of vehicle waiting time. The simulation results show that， in comparison with the traditional beacons broadcast protocol， the SDMA?SB protocol can improve the neighborhood?discovery ratio and information freshness efficiently.

Keywords： vehicular Ad Hoc network； dedicated short?range communication； beacon； control channel； neighborhood?discovery ratio

0 引 言

基于短距離通信的車聯(lián)網VANETs （Vehicular Ad Hoc Networks）被認為是應用于智能交通系統(tǒng)最有前景的技術之一[1]。VANETs提供了車間通信V2V和車與設施通信V2I平臺，使得車輛間能夠實時交互車道、車輛行駛狀態(tài)等信息，進而提高交通行駛安全以及效率。

1999年，美國聯(lián)邦通信協(xié)會FCC給VANETs的車間通信V2V和車與設施通信V2I制定了專用短距離通信DSRC（Dedicated Short?Range Communication）標準，并分配75 MHz的頻譜[2?3]。DSRC頻譜被劃分為7個10 MHz信道和5 MHz的保護間隔，其中某一信道作為控制信道CCH（Control Channel），用于安全通信，包括信標[4]，其他信道作為服務信道SCHs（Service Channels）。

VANETs中的基本安全應用就是周期性地廣播信標（Beacon），其包含車輛實時位置、速度、行駛方向等信息。通過周期地廣播信標，鄰近車輛間可交互彼此信息，進而監(jiān)測當前道路的行駛條件，便于及時應對道路危險情況，實現事故預警的作用。換而言之，VANETs的安全應用依賴于通過信標感知鄰居效率和獲取信息的效率。前者表示發(fā)現鄰居節(jié)點的能力，后者表示從鄰居節(jié)點獲取信息的實效性。從安全角度出發(fā)，當信標周期越短、傳輸范圍越大，車輛感知鄰居效率越高，所獲取信息的實時性也越高，相應地，安全系數也越高。在針對典型車輛安全應用中，信標周期為0.1 s，傳輸范圍為[5]300～500 m。

然而，DSRC標準的信標廣播協(xié)議仍存在幾個挑戰(zhàn)。首先，所有車輛以周期，但非同步方式廣播信標，極大地增加了網絡負擔，導致通信性能下降；第二，廣播信標易產生信道競爭，加大碰撞概率[6?7]；第三，信標與其他安全應用共享信道，存在信道接入沖突；最后，就是廣播信標周期的設定。周期的大小直接影響系統(tǒng)性能。這就存在周期與開銷的權衡問題：縮短周期，提高鄰居感知率，但加大了系統(tǒng)開銷，反之，減少了鄰居感知率，降低了安全應用性能。

針對上述挑戰(zhàn)，本文提出基于空分多址的信標消息同步廣播SDMA?SB（Space?division Multiple Access?based Synchronized Beacons Sending Protocol）協(xié)議。SDMA?SB協(xié)議以分布式的同步策略，使得車輛在CCHI內有序地廣播信標。通過建立有序化的道路模型計算距離，為同一路段車輛選擇同一個CCHI。將此CCHI用于信標廣播。然后，再依據距離設置等待時間，并保證同一路段車輛的等待時間具有惟一性，進而避免沖突。仿真結果表明，提出的SDMA?SB協(xié)議能夠有效地發(fā)現鄰居節(jié)點，降低系統(tǒng)開銷。

1 系統(tǒng)模型及總體策略

1.1 系統(tǒng)模型

假定所有車輛采用全向天線，并且傳輸范圍為每個車輛均裝備了全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)GNSS（Global Navigation Satellite System），能夠獲取自己的地理位置以及時鐘信息。此外，每個車輛預下載了數字地圖。結合GNSS和數字地圖，每個車輛能夠獲取自己所處道路的相關信息，包括交叉路口坐標、所在車道。本文考慮所有車輛同行行駛。依據道路規(guī)則，車輛間的距離滿足安全行駛距離SD（Safety Distance）。道路模型見圖1。

在分析信標消息廣播策略時，只考慮直行單向的道路，不考慮交叉道路。通過道路上的車輛，將道路劃分為不同的路段。假定道路長為，將其劃分為個路段，每個路段的長度為，如圖1所示。每個路段又劃分為兩個子路段，子路段長為。為了簡化描述，將這些子路段標識為其中為子路段的個數。道路長與子路段數滿足如下關系：

（1）

式中表示向下取整數。此外，圖1中的。

圖1 道路模型

引用IEEE 1609.4標準所定義的信道同步方案。如圖2所示，在每個同步間隔內劃分控制信道CCH和服務信道SCH。兩類信道間設為保護間隔GT（Guard Time）。CCH間隔CCHI為50 ms、服務信道SCH間隔SCHI為50 ms，而保護間隔GT為4 ms?？刂菩诺繡CHI內廣播信標。如果信標周期=1 s，則每個信標周期內含有10個CCHI。僅用某一個CCHI作為信標廣播時段，其余的CCHI不用于廣播信標。

圖2 IEEE 1609.4標準的多信道

1.2 總體策略

目前，正如文獻[8]所采用的標準，信標以隨機方式接入網絡。在每個廣播周期內，節(jié)點盲目地發(fā)送信標，并沒有考慮其他節(jié)點的存在。它們利用MAC層接入控制和退避算法。然而，多項研究表明，這類策略的不足之處在于容易產生廣播競爭、數據包丟失以及開銷增加問題[9?11]。

為此，本文提出分布式的同步信標廣播策略SDMA?SB，其目的在于：鄰近車輛在同一個時間段循序地廣播信標，避免因隨機廣播而引發(fā)信道競爭。將此時間段稱為信標時區(qū)（beacon session）。由于在CCHI內廣播信標，信標時區(qū)也稱為CCHI時區(qū)。

分布式的同步信標廣播策略的重點在于如何使車輛在同一個信標時區(qū)內有序地廣播信標。這涉及兩個問題：如何使得車輛在同一個CCHI內廣播，即同步；如何在同一個CCHI內有序地廣播信標。為此，SDMA?SB依據道路模型設定在此模型下的距離，致使距離具有惟一性，然后依據距離設定廣播信標的等待時間，最終使每個車輛能夠在信標時區(qū)內有序、無沖突地廣播信標。

2 SDMA?SB協(xié)議

依據上述分析可知，SDMA?SB協(xié)議主要由兩個階段構成：同一個路段的車輛選擇同一個CCHI，稱為同步階段；在同一個CCHI階段，循序廣播，稱為廣播時序設置階段。接下來，分別從這兩個階段分析SDMA?SB協(xié)議。

2.1 同步階段

當車輛進入道路，每輛車執(zhí)行初始化階段。車輛先獲取系統(tǒng)參數，包括當前道路位置、所在的車道以及周期值。然后，定義二值變量，并初始化為零。再定義同步時間變量，此時間等于車輛接入路段的當前時間。同時，計算變量的值，等于每個周期含有CCHI的間隔數，其中的單位為毫秒。

（2）

初始階段的過程如下所示：

目的：初始化

Step 1： 獲取系統(tǒng)參數（T，P，l）

Step 2：

Step 3：

Step 4：

Step 5：

Step 6：

其中為計數變量，初始階段結束時，將設置為1。

完成初始階段后，便進入設置同步階段。一旦接收了來自鄰居節(jié)點的信標消息，表明鄰居節(jié)點已經進入了信標時區(qū)。此時，接收節(jié)點要判斷是否能與發(fā)送節(jié)點保持同步。如果發(fā)送節(jié)點的小于自己則將與發(fā)送節(jié)點保持同步，將發(fā)送節(jié)點的替換自己的然后再將設置為1，將賦予。

最后進入廣播信標階段，其流程如下：

目的：有序廣播信標

Step 1： if flag then

Step 2：

Step 3： if then

Step 4：

Step 5： Compute waiting time （WT）

Step 6： End if

Step 7： While do

Step 8： Send beacon

Step 9： End if

在廣播信標前，先計算等待時間計算過程見下節(jié)。當計時為零就廣播信標。

2.2 計算

為了簡化描述，以一個路段為分析對象，如圖3所示，10輛車隨機分布于4個車道上。表示兩個子路段間的中線。同時，對車道進行從左向右、從下向上進行編號，稱為子車道數。如車輛的子車道為1，而的子車道為5。

圖3 一個路段模型

車輛的等待時間WT應正比于距離定義如下所示：

（3）

式中表示車輛離中線的距離，如圖3所示。例如，車輛的距離為。

為了保證在同一個CCHI內每個車輛距離的惟一性，WT應與距離保持線性關系：

（4）

式中為系數。取兩個特殊的點，便可計算它們的值。當=0，則節(jié)點的等待時間WT應至少大于從CCH接入SCH的保護間隔GT。當時，等待時間WT應為CCH的間隔時延CCHI與兩節(jié)點間最大傳輸時延的差，即。利用這兩對取值，便可計算代入式（4），可得：

（5）

從式（5）可知，WT為的增函數。

接下來，進一步分析WT的性能要求。假定車輛的等待時間分別表示為WT1，WT2。由于它們連續(xù)廣播信標，因此它們的等待時間差應大于最大傳輸時延即將此關系代入式（5），可得車輛的距離滿足如下關系：

（6）

式（6）表明，連續(xù)車輛間的最小間隔稱為車間最小距離minGap。

然后，對處于同一路段不同子車道數numlane進行序列化，即將圖3所示的模型轉換成一個車道，如圖4（a）所示。圖4（a）描述了被序列化后的車道模型。然而，依據式（6）應充分考慮最小車間距離minGap，為此定義了虛擬距離間隔，如圖4（b）所示。

圖4 序列化的路段模型

依據圖4（b）模型，式（3）可轉換為：

（7）

最終，可得到包含的等待時間WT的表達式：

（8）

3 數值分析

3.1 仿真場景

采用Veins?2.1工具[12]建立仿真平臺。仿真的道路長度，4個單向道。車輛移動的最大速度為30 m/s，車輛通信傳輸半徑具體的仿真參數如表1所示。

每次實驗獨立重復100次，取平均值作為最終的仿真數據。為了更好地分析SDMA?SB協(xié)議，選擇傳統(tǒng)的DSRC標準的信標廣播協(xié)議作為參照。

3.2 仿真結果及分析

為了能夠充分地分析SDMA?SB協(xié)議性能，引用文獻[13]定義的性能指標?？疾镾DMA?SB協(xié)議的信道開銷、鄰居節(jié)點感知率以及信標信息新鮮期三方面性能。

3.2.1 信道開銷

信道開銷是指網絡內任意一節(jié)點每秒內所接收和發(fā)送的數據比特數[13]。仿真結果如圖5所示。圖5描述了兩個協(xié)議的信道開銷隨車密度的變化，以及周期對信標開銷的影響。

從圖5可知，SDMA?SB協(xié)議信道開銷略優(yōu)于DSRC信道開銷，原因在于：

（1） 與DSRC相比，SDMA?SB協(xié)議在信標中增加了2個字節(jié)的區(qū)域，用于記錄值，這增加了信道開銷；

（2） SDMA?SB協(xié)議通過同步信標廣播策略，減少了信標碰撞概率，提高了信標的傳輸效率，進而降低信道開銷。

這兩個原因的綜合導致SDMA?SB協(xié)議信標開銷略優(yōu)于DSRC協(xié)議。此外，周期的降低，增加了信道開銷。這是因為的降低，使相同時間內發(fā)送的信標數越大。類似地，信道開銷隨車密度的增加而上升。車輛越多，發(fā)送的信標數越多，信道開銷也隨之增加。

3.2.2 鄰居節(jié)點感知率

鄰居節(jié)點感知率反映了節(jié)點感知鄰居節(jié)點的能力，數值等于在一個周期內節(jié)點從鄰居節(jié)點接收的信標數與它的鄰居節(jié)點數之比。從這個定義可知，鄰居節(jié)點感知率也反映了數據包的接收能力。仿真結果如圖6所示。

從圖6可知，SDMA?SB協(xié)議在周期時，鄰居節(jié)點感知率逼近100%，并不受車密度的影響。而傳統(tǒng)的DSRC的鄰居節(jié)點感知率隨車密度的增加而下降，并且的減少也降低了鄰居節(jié)點感知率。與DSRC相比，SDMA?SB協(xié)議的鄰居節(jié)點感知率得到有效提高。例如，當車密度為90，在時，SDMA?SB協(xié)議的鄰居節(jié)點感知率高達95%，而DSRC協(xié)議為85%，提高了近10%；當時，SDMA?SB協(xié)議比DSRC提高了近30%。

3.2.3 信標信息新鮮期

最后，考查了協(xié)議的信標信息新鮮期，其等于接收來自同一個節(jié)點所發(fā)送的兩個信標間隔，仿真結果如圖7所示。從圖7可知，提出的SDMA?SB協(xié)議的信標信息新鮮期接近于周期，特別是在低密度區(qū)域。此外，SDMA?SB協(xié)議的信標信息新鮮期在整個車密度變化區(qū)域保持平穩(wěn)，幾乎不受車密度影響。而DSRC協(xié)議的信標信息新鮮期隨車密度變化產生波動，并且高于SDMA?SB協(xié)議。

4 結 語

本文針對車聯(lián)網中的信標廣播協(xié)議展開分析，并提出基于空分多址的信標消息同步廣播SDMA?SB協(xié)議。SDMA?SB協(xié)議采用分布式同步廣播策略傳輸信標，降低信標接入信道的碰撞概率，提高信道廣播效率，進而提高鄰居感知率。首先，建立車道模型，再據此計算距離，并結合SDMA技術，為處于同一路段的車輛找到CCHI，即信標時區(qū)。然后，依據距離計算車輛在CCHI內廣播信標所需的等待時間，并保證每個車輛的等待時間的惟一性，進而使得車輛能夠在同一CCHI內有序地廣播信標，降低碰撞概率。仿真結果表明，與DSRC標準的信標廣播相比，提出的SDMA?SB協(xié)議能夠提高信標廣播效率，提升鄰居感知率，并增加了信標內的信息新鮮度。

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