車聯(lián)網(wǎng)時(shí)空協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議

李麗君 劉鴻飛

1(重慶理工大學(xué)理學(xué)院 重慶 400050) 2(重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院人工智能學(xué)院 重慶 402160)

0 引 言

在過去幾十年中,車輛自組織網(wǎng)絡(luò)(VANETs)[1-2]作為重要研究方向被提出。2010年專用短程通信(DSRC)被納入IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議,用于車輛環(huán)境(WAVE)中的無線接入。但研究結(jié)果表明,當(dāng)車輛密度較高時(shí),WAVE接入惡化[3-4]。

MAC協(xié)議可在分布式協(xié)調(diào)功能(DCF)模式(即基于競(jìng)爭(zhēng))、點(diǎn)協(xié)調(diào)功能(PCF)模式(即基于無競(jìng)爭(zhēng))或混合協(xié)調(diào)功能(HCF)模式下運(yùn)行[5]。為確保駕駛安全,DCF模式下的MAC協(xié)議基于帶碰撞避免的載波感知多址(CSMA/CA)機(jī)制執(zhí)行,但對(duì)于城市環(huán)境中擁擠交通情況,會(huì)導(dǎo)致較高的幀碰撞率。相反,PCF模式下的MAC協(xié)議可使用路邊單元(RSU)或接入點(diǎn)(AP)作為協(xié)調(diào)器來調(diào)度發(fā)射機(jī)時(shí)隙,可降低幀沖突率,并保證一定延遲范圍。然而,由于必須管理多個(gè)發(fā)射機(jī),這種方法增加了數(shù)據(jù)傳送延遲[6]。同時(shí),調(diào)整PCF和DCF模式的最佳組合對(duì)于車輛駕駛安全仍具有挑戰(zhàn)性。RSU可部署在車輛網(wǎng)絡(luò)的交叉口和街道上。具有強(qiáng)大計(jì)算能力的RSU可作為邊緣設(shè)備來協(xié)調(diào)車輛信道接入,同時(shí)防止信道沖突,并提供Internet連接來傳播安全信息[7-8]。此外,全球定位系統(tǒng)(GPS)的實(shí)施是車輛網(wǎng)絡(luò)的另一趨勢(shì)。RSU可采集所在區(qū)域內(nèi)車輛的GPS數(shù)據(jù),從而優(yōu)化車輛傳輸調(diào)度,但是很少有研究探討RSUs對(duì)行車安全的重要作用。

本文提出基于時(shí)空協(xié)調(diào)的城市場(chǎng)景MAC協(xié)議,利用城市地區(qū)時(shí)空特征和道路布局特征,在車輛網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)更好的無線信道接入。協(xié)議目標(biāo)是通過車輛基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)調(diào),支持車輛間可靠和快速數(shù)據(jù)交換,以確保行車安全,例如利用獨(dú)特時(shí)空特征形成碰撞線(LoC)圖,多個(gè)車輛可在同一時(shí)間段內(nèi)傳輸,而無需信道干擾或利用定向天線和發(fā)射功率控制的碰撞。

1 問題表述

時(shí)空協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議的目標(biāo)是通過路邊單位(RSU)協(xié)調(diào)控制,在相鄰車輛之間提供可靠和快速的消息交換,以確保安全駕駛。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),可使用定向傳輸,以最大限度通過時(shí)空傳輸調(diào)度并發(fā)傳輸?shù)臄?shù)量。

1.1 模型假設(shè)

在時(shí)空協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議設(shè)計(jì)中,首先給出以下假設(shè)[9]:

假設(shè)1車輛配備有DSRC接口和具有相移的定向天線陣列,而RSU配備有全向天線。定向天線陣列可同時(shí)向多個(gè)接收機(jī)(例如,MU-MIMO)產(chǎn)生多個(gè)波束。在時(shí)空協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議中,可避免窄波束問題,即每個(gè)波束的方向和通信覆蓋范圍(即R和β,其中:R是通信范圍,定義為在幾乎沒有比特錯(cuò)誤的情況下,將來自發(fā)送方車輛的數(shù)據(jù)幀成功發(fā)送到接收方車輛的距離;β是由定向天線陣列的相移構(gòu)成的通信波束角)通過定位接收車的位置和控制射頻發(fā)射功率來調(diào)整,如圖1所示。

圖1 傳輸信號(hào)的覆蓋范圍和干擾范圍

RF發(fā)射功率Wt可以確定如下[10-11]:

式中:d是發(fā)射器和接收器之間的距離;α是最小路徑損耗系數(shù);Λ是信號(hào)的波長(zhǎng);Wr是能夠物理接收信號(hào)的最小功率電平,可由Wr=10sa/10計(jì)算,sa是最小信號(hào)衰減閾值。

假設(shè)2如圖1所示,傳輸干擾范圍I被認(rèn)為是通信范圍R的兩倍,該通信范圍用于在計(jì)算傳輸調(diào)度時(shí)確定干擾集的算法。此外,考慮了圓形扇形信號(hào)覆蓋而不是實(shí)際的傳輸信號(hào)覆蓋,并且為了建模的簡(jiǎn)單性而忽略旁瓣和后瓣。

假設(shè)3通過使用兩個(gè)DSRC服務(wù)信道來實(shí)現(xiàn)類似于WAVE-PCF-MAC協(xié)議(WPCF)[11]的切換過程。第一信道用于RSU的覆蓋,第二信道用于相鄰RSU的覆蓋。具體說明見WPCF。

假設(shè)4車輛配備了基于GPS的導(dǎo)航系統(tǒng),該系統(tǒng)可隨時(shí)提供車輛的位置、速度和方向。

假設(shè)5建筑物或樹木的影響(稱為地形效應(yīng))存在于真實(shí)車輛網(wǎng)絡(luò)中。Nakagami衰落模型通常用于車載網(wǎng)絡(luò)。如果有更好的地形效應(yīng)衰落模型,所提時(shí)空協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議同樣適應(yīng)這種模型。

1.2 目標(biāo)情景

目標(biāo)場(chǎng)景是車輛數(shù)據(jù)交換,例如移動(dòng)信息(例如,位置、方向和速度)和車載設(shè)備狀態(tài)(例如,中斷、擋位、發(fā)動(dòng)機(jī)和車軸),用于城市道路網(wǎng)絡(luò)中的安全駕駛。如圖2所示,RSU通常部署在道路交叉口處,并充當(dāng)VANET和智能交通系統(tǒng)(ITS)基礎(chǔ)設(shè)施之間的網(wǎng)關(guān)。RSU的傳輸覆蓋范圍被設(shè)置為覆蓋路段的兩半長(zhǎng)度的最大值。

圖2 RSU時(shí)空協(xié)同的目標(biāo)場(chǎng)景

通過讓兩個(gè)相鄰的RSU使用不同的DSRC業(yè)務(wù)信道來避免RSU間的干擾。車輛周期性地向RSU發(fā)送時(shí)隙請(qǐng)求及其移動(dòng)信息(即當(dāng)前位置、移動(dòng)方向和速度)。RSU使用請(qǐng)求信息來構(gòu)造無線信道接入的傳輸調(diào)度。利用時(shí)間表中指定的時(shí)間段,相鄰車輛之間直接交換安全信息,以防止發(fā)生事故。

2 時(shí)空協(xié)調(diào)與競(jìng)爭(zhēng)周期優(yōu)化

本文提出一種新的基于增強(qiáng)集覆蓋算法的信道接入方案,該方案通過刻畫城市車輛網(wǎng)絡(luò)的時(shí)空特征來實(shí)現(xiàn),還提出一種基于交叉口車輛到達(dá)率的競(jìng)爭(zhēng)周期自適應(yīng)算法。為了描述車輛環(huán)境中的時(shí)空特征,首先解釋了碰撞線圖(LoC)的形成。

2.1 基于時(shí)空協(xié)調(diào)的信道接入

在城市地區(qū),車輛事故通常是車輛之間的直接碰撞或碰撞(例如正面、側(cè)面和后部碰撞)。防止最初的直接撞擊事故可以在很大程度上減少死亡人數(shù)和財(cái)產(chǎn)損失。這里提出了一個(gè)基于幾何關(guān)系的車輛間LoC圖來描述初始直接碰撞。如圖3所示,車輛A和車輛B之間沒有中間車輛,因此它們之間具有位置關(guān)系,因此可以直接碰撞。從A出發(fā),圓上的兩條切線可以根據(jù)B的半長(zhǎng)(半徑r)導(dǎo)出。

圖3 碰撞線關(guān)系構(gòu)造

在兩條切線之間的區(qū)域內(nèi)(圖3中的灰色區(qū)域),距離B遠(yuǎn)的任何車輛被視為A的非LoC車輛,例如C。通過比較兩條切線的兩個(gè)角度γ和φ以及由第二條規(guī)則確定的不安全距離,還可確定是否有任何其他車輛可以是A的LoC車輛。例如,D與A沒有LoC關(guān)系,因?yàn)榻嵌圈谼小于γ,但大于φ。另一方面,基于角度ωE小于φ且在不安全距離內(nèi)的事實(shí),E是A的LoC車輛。注意,不同尺寸的車輛可被視為同一類,例如,長(zhǎng)度小于5 m的車輛可被歸類為5 m車輛,以確定半徑r。從通信沖突角度看,如果C在A的干擾范圍內(nèi),即A的傳輸范圍的2倍,則C可以被干擾。但通過將車輛A和C安排在不同的時(shí)隙來避免這種干擾,這意味著如果C在A的干擾范圍內(nèi),則當(dāng)A向B發(fā)送時(shí),C既不接收也不發(fā)送分組。LoC是指碰撞線,它表示兩個(gè)相鄰車輛直接物理碰撞關(guān)系,而不是通信范圍視線。

基于LoC關(guān)系,可構(gòu)造LoC圖,考慮車輛在路段中以多車道移動(dòng)的場(chǎng)景。車輛構(gòu)造的LoC圖G=(V,E),其中:V中的頂點(diǎn)是車輛,E中的邊表示兩個(gè)相鄰車輛之間的LoC關(guān)系,這兩個(gè)車輛可以直接碰撞。因此,對(duì)于LoC圖G中連接的車輛來說,連續(xù)通信是必要的。在時(shí)空協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議中使用LoC圖來減少介質(zhì)碰撞。

通過車輛的LoC圖,提出了一種基于時(shí)空協(xié)調(diào)的信道接入方案,該方案采用了增強(qiáng)的集覆蓋算法。時(shí)空協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議的增強(qiáng)集覆蓋算法試圖在給定的LoC圖中找到最優(yōu)時(shí)隙分配的最小集覆蓋。我們的時(shí)空協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議集合覆蓋算法試圖在每個(gè)時(shí)隙中允許盡可能多的并發(fā)傳輸,以減少所有LoC車輛所需傳輸?shù)臒o爭(zhēng)用周期。首先,為時(shí)空協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議集合覆蓋算法定義了以下術(shù)語:

定義1(覆蓋集)設(shè)覆蓋集為L(zhǎng)oC圖G中的邊集Si,其中邊相互不干擾(即相容),即任何一對(duì)邊eu,v,ex,y∈E(G)彼此相容。例如,如圖4所示,對(duì)于時(shí)隙1,覆蓋集S1是{e3 ,1,e3 ,2,e3 ,4,e3,5,e7,6,e7,8}。

圖4 最大相容覆蓋集的搜索序列

現(xiàn)在提出可同時(shí)傳輸?shù)姆歉蓴_邊覆蓋集的時(shí)隙分配優(yōu)化方法。設(shè)2N為自然數(shù)集N的冪集,作為時(shí)隙集,如2N={?,{1},{1,2},{1,2,3},…}。設(shè)E為有向邊集。設(shè)Si為時(shí)隙的覆蓋集,即設(shè)E(Si)為Si中的非干涉邊集。時(shí)隙分配優(yōu)化如下:

式中:S={Si},E=∪Si∈SE(Si)。對(duì)于這種優(yōu)化,提出時(shí)空協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議集覆蓋算法,如算法1所示。時(shí)空協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議集覆蓋算法的優(yōu)化目標(biāo)是找到具有最小時(shí)隙數(shù)的集覆蓋,映射到覆蓋集上。覆蓋集的邊是特定時(shí)隙的并發(fā)傳輸?shù)恼{(diào)度可表示為從時(shí)隙集Si(即覆蓋集)到邊ej∈E的映射。算法1返回的集覆蓋可能不是最優(yōu)的,因?yàn)榧采w問題最初是NP難問題。時(shí)空協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議集覆蓋是遺留集覆蓋的擴(kuò)展,其中族(即元素集)是固定的。然而,在時(shí)空協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議集覆蓋中,沒有給出這些族,而是應(yīng)該在映射期間動(dòng)態(tài)地構(gòu)造為覆蓋集。每個(gè)覆蓋集Si需要時(shí)隙i,因此時(shí)隙被映射到作為G中的非干擾邊集的覆蓋集。

算法1時(shí)空協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議集覆蓋算法

1. function 時(shí)空協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議_SET_COVER(G)

2.E′←G(E);

//E′剩余邊緣集合是屬于任何封面集合

3.S←?;

//S是集合覆蓋;

4.i←1;

5. whileE′≠?do

6.Si←SearchMaxCompatibleCoverSet(G,E′);

7.E′←E′-Si;

8.S←S∪{Si};

9.i←i+1;

10. end while

11. returnS

12. end function

算法1中第5-10行用來搜索新的最大覆蓋集,它是覆蓋了由時(shí)隙覆蓋的最大邊緣數(shù)的覆蓋集,直到E中的所有邊都被覆蓋集覆蓋。第6行搜索最大相容覆蓋集執(zhí)行過程見算法2。

算法2搜索最大相容覆蓋集算法

1. functionSearchMaxCompatibleCoverSet(G,E′)

2.V′←φ;

//V′是指在E中有定向邊且初始化為?的頂點(diǎn)

3.Mmax←?;

//Mmax用于最大兼容覆蓋集并初始化為零

4. for all edgesei,j∈E′do

5.V′←V′∪{vi,vj};

6. end for

7. for each vertexs∈V′do

8.M←MakeMaximalCompatibleSet(G,V′,E′,s);

9. if |Mmax|<|M|then

10.Mmax←M;

11. end if

12. end for

13. returnMmax

14. end function

算法2將輸入E′作為一組不屬于任何兼容覆蓋集的邊,且返回最大兼容覆蓋集Mmax。V′表示定向邊E′中的一組頂點(diǎn),第2-3行將V′和Mmax初始化為?。在第4-6行中,V′是一組頂點(diǎn),使得vi和vj與E′中的任何有向邊ei,j相連接。V′中每個(gè)頂點(diǎn)s作為廣度優(yōu)先搜索(BFS)起始節(jié)點(diǎn)(即根節(jié)點(diǎn)),在第7-12行中,找到候選最大相容集M。如果M中元素?cái)?shù)大于Mmax,則M被設(shè)置為Mmax。在第7-12行的for循環(huán)后,Mmax作為給定邊緣集E′最大兼容覆蓋集返回。

2.2 競(jìng)爭(zhēng)周期優(yōu)化

競(jìng)爭(zhēng)周期根據(jù)未注冊(cè)車輛到達(dá)率動(dòng)態(tài)地適應(yīng)RSU通信范圍。隨RSU車輛數(shù)量增加,在超幀持續(xù)時(shí)間內(nèi)CFP長(zhǎng)度將增加,因?yàn)楦嘬囕v分配其信道接入時(shí)隙。如果CP長(zhǎng)度太短,則在嘗試注冊(cè)時(shí),朝向RSU的注冊(cè)幀將遇到許多碰撞,因此只能注冊(cè)少數(shù)車輛。如果CP長(zhǎng)度太長(zhǎng),則CP中的大部分時(shí)間將在RSU中注冊(cè)所有到達(dá)的車輛后浪費(fèi),從而導(dǎo)致信道利用率差。因此,需要找到合適CP長(zhǎng)度,保證新進(jìn)入車輛有機(jī)會(huì)在同一超幀內(nèi)的有限時(shí)間內(nèi)在RSU注冊(cè)。

設(shè)λjki表示從相鄰交叉口jk到交叉口i的車輛到達(dá)率。設(shè)λ為每單位時(shí)間(如1 s)交叉口i處RSU通信范圍的總到達(dá)率,且有:

式中:n是交叉口i的相鄰交叉口數(shù)量。RSU在交叉口i觀察從其相鄰路段到達(dá)其傳輸覆蓋范圍內(nèi)的車輛數(shù)量。可簡(jiǎn)單地用單位時(shí)間內(nèi)所有進(jìn)入路段的車輛總到達(dá)量來計(jì)算λ。設(shè)s為超幀持續(xù)時(shí)間,包括CP和CFP持續(xù)時(shí)間,且有:① 未注冊(cè)車輛嘗試以概率p發(fā)送其注冊(cè)幀。② 在此超幀持續(xù)時(shí)間內(nèi),N輛車嘗試在RSU中注冊(cè),使得N=λ·s。③N輛車成功注冊(cè)其在N輛車之間的時(shí)隙的傳輸請(qǐng)求的概率為:

gN=N·p·(1-p)N-1

為提高運(yùn)算效率,在離線處理中,將λ的可能值映射成最優(yōu)信道接入概率p和總時(shí)隙數(shù)M的對(duì)。當(dāng)前的這對(duì)p和M由RSU通過廣播向未注冊(cè)的車輛公布。雖然RSU負(fù)責(zé)車輛注冊(cè)和封面集計(jì)算,但即使在高峰時(shí)間它們?nèi)钥梢蕴幚磉@些程序。

2.3 基于時(shí)空協(xié)調(diào)的媒體訪問控制協(xié)議

時(shí)空協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議是一種混合MAC協(xié)議,它將PCF和DCF模式結(jié)合起來,以實(shí)現(xiàn)高效的信道利用率和快速的駕駛安全信息交換。PCF模式作用:① 在RSU中使用其移動(dòng)性信息注冊(cè)未注冊(cè)車輛;② 為注冊(cè)車輛構(gòu)建無碰撞信道訪問計(jì)劃;③ 以類似于WPCF的方式宣布V2V通信的信道訪問計(jì)劃。相反,DCF模式用于使注冊(cè)車輛的安全信息能夠與其他注冊(cè)車輛交換,并且在V2V通信中不會(huì)發(fā)生幀碰撞。

在時(shí)空協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議中,RSU周期性地廣播定時(shí)廣播幀(TAF)。TAF是遵循IEEE第4波標(biāo)準(zhǔn)的信標(biāo)幀。在時(shí)空協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議中,它有兩種格式,包括CP中的TAF和CFP中的TAF,如圖5所示。

(a) CP中的TAF

(b) CFP中的TAF圖5 定時(shí)廣播幀(時(shí)空協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化媒體訪問 控制協(xié)議)中的TAF格式

供應(yīng)商特定字段中的兩種格式都有公共字段,例如RSU信息、超幀持續(xù)時(shí)間CP 最大持續(xù)時(shí)間(即M)和CFP最大持續(xù)時(shí)間。圖5(a)所示CP的廠商特定的TAF字段還包含最優(yōu)訪問概率(即p),即注冊(cè)車輛數(shù),以及注冊(cè)車輛MAC地址。圖5(b)中用于CFP的特定于供應(yīng)商的TAF字段包含其他信息,例如每個(gè)時(shí)隙中的時(shí)隙數(shù)量、傳輸調(diào)度和鄰居向量(NV)。NV包含TMAC中相鄰車輛的移動(dòng)信息(即當(dāng)前位置、方向和速度)。時(shí)間被劃分為超幀持續(xù)時(shí)間,且每個(gè)超幀持續(xù)時(shí)間由兩個(gè)階段組成,即CP階段和CFP階段,如圖6所示。

(a) 競(jìng)爭(zhēng)周期時(shí)間序列

(b) 無競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段時(shí)間序列圖6 時(shí)空協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議中的時(shí)間序列

算法具體過程如下:

過程1(車輛注冊(cè)的CP階段)在CP階段,未注冊(cè)車輛嘗試基于爭(zhēng)用在RSU中注冊(cè)。圖5(a)給出如圖6(a)所示的用于車輛登記的競(jìng)爭(zhēng)周期時(shí)間序列,在DCF幀間空間(DIFS)周期后,CP開始處的TAF首先由DSRC控制信道(CCH)中RSU發(fā)送,指示競(jìng)爭(zhēng)周期開始。如圖5(a)所示,TAF主要包含注冊(cè)車輛的列表和RSU信息部分中的RSUS服務(wù)信道號(hào)(SCH#)。接著,在接收到TAF之后,車輛開始與發(fā)送機(jī)會(huì)競(jìng)爭(zhēng)以發(fā)送登記請(qǐng)求(即圖6(a)中的REQ)。有可能是多輛車試圖與RSU發(fā)生碰撞。在此爭(zhēng)用周期之后,無爭(zhēng)用周期開始,所有注冊(cè)的車輛(包括新注冊(cè)的車輛)將其CCH信道切換到TAF中指定的SCH信道。

令Oc是發(fā)送數(shù)據(jù)包的車輛數(shù)量,然后最大CP長(zhǎng)度可以計(jì)算如下:

式中:SDIF、FTA、FREQ、SSIF、FACK、TCS和TGI分別是DCF幀間空間、定時(shí)通告幀、注冊(cè)請(qǐng)求幀、短幀間空間、確認(rèn)幀、信道切換和保護(hù)間隔的時(shí)間。在CP階段,注冊(cè)車輛和未注冊(cè)車輛都可以向RSU發(fā)送緊急信息,以便發(fā)布緊急數(shù)據(jù)(例如,事故通知)。

SSIF+TCS+TGI+FTA

式中:SPIF和MBS,i分別是PCF幀間空間的時(shí)間和車輛i的基本安全消息。利用來自FTA的NVs,每輛車通過定向天線和發(fā)射功率控制來構(gòu)建其預(yù)期發(fā)射的覆蓋區(qū)域。在CFP階段,如果RSU有緊急信息,它可宣布TAF有緊急信息。因此,通過CP和CFP階段,時(shí)空協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議不僅可實(shí)現(xiàn)車輛間駕駛安全信息的快速交換,還可實(shí)現(xiàn)RSU下車輛緊急數(shù)據(jù)的快速發(fā)布。

過程3(車輛移動(dòng)信息更新)在時(shí)空協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議中,RSU在CP階段周期性地廣播特殊TAF,以收集所有注冊(cè)車輛的最新移動(dòng)信息,使得車輛能夠根據(jù)接收車輛的最新位置正確選擇變速器方向和功率控制參數(shù)。此TAF還用于注銷離開RSU通信范圍且不響應(yīng)此TAF的車輛。每個(gè)注冊(cè)車輛通過向RSU發(fā)送包括其移動(dòng)信息的BSM來發(fā)送其更新移動(dòng)信息?？紤]到移動(dòng)預(yù)測(cè)精度,車輛移動(dòng)信息更新的超幀每U次重復(fù),例如U=10。通過此更新,RSU估計(jì)車輛在將來(例如100 ms后)時(shí)刻調(diào)度移動(dòng)信息。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 仿真設(shè)置

硬件配置:處理器是i7-6400K 3.2 GHz,內(nèi)存是16 GBddr4-2400K,系統(tǒng)為Windows7旗艦版,仿真軟件是MATLAB 2012b。

參數(shù)設(shè)定[12-13]:信道數(shù)M=3。ρij是數(shù)據(jù)從信道i轉(zhuǎn)到j(luò)的概率,i,j∈{1,2,3}。令p11=p12=p22=0.4,p21=p23=p31=0.3,p13=p33=0.2,p32=0.5。設(shè)定RSU可覆蓋的區(qū)間半徑是150 m,位置相鄰的RSU相互間距XR2R=255 m。利用內(nèi)外兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行RSU覆蓋區(qū)域的分解,設(shè)定劃分參數(shù)K=3。車輛密度參數(shù)和車道中車輛行駛速度參數(shù)之間的關(guān)系可采用自由流模型進(jìn)行表示,可得車輛行駛速度v=vf(1-ρ/ρjam),其中,ρ是研究區(qū)域上車輛的密度參數(shù);RSU傳輸覆蓋區(qū)域內(nèi)車輛上限設(shè)定為Nmax=?2Rρjam」,?·」是向下取整操作;車輛行駛速度vf=140km/h;ρjam是研究區(qū)域上出現(xiàn)擁堵情況的車輛的密度參數(shù),一般選取ρjam=250輛/千米;車速v受到車輛之間相互距離的影響,λ=ρv;時(shí)隙Δ=0.53 s,數(shù)據(jù)資源競(jìng)爭(zhēng)階段時(shí)長(zhǎng)Δauc=0.05 s。

設(shè)定路段車輛密度ρ=[10,15,20,25,30,35,40]輛/千米,對(duì)實(shí)驗(yàn)過程反復(fù)執(zhí)行20次,求取平均實(shí)驗(yàn)結(jié)果,每次實(shí)驗(yàn)過程中,對(duì)研究區(qū)間上的車輛情況進(jìn)行隨機(jī)初始化。在不同的時(shí)隙中,車輛進(jìn)入不同的RSU信號(hào)覆蓋區(qū)域,這些區(qū)域中設(shè)定的車輛行駛速度存在差異,當(dāng)車輛行駛到設(shè)定道路盡頭時(shí),會(huì)重新初始到設(shè)定道路的起點(diǎn)位置。通過這種方式,分別運(yùn)行多個(gè)運(yùn)行周期,例如這里以運(yùn)行600個(gè)周期為例,通過記錄所有運(yùn)行周期的數(shù)據(jù)接收層數(shù)以及出現(xiàn)卡頓的時(shí)隙數(shù)量,可計(jì)算車輛運(yùn)行過程中接收層數(shù)均值指標(biāo)(ARL)和卡頓率均值指標(biāo)(AIR)[14-15]:

式中:TRSUh是測(cè)試實(shí)驗(yàn)過程中的時(shí)隙總數(shù)(第h個(gè)周期);Vnum是所研究道路上的車輛總數(shù);Yi,h是接收數(shù)據(jù)總層數(shù)(第h個(gè)周期中的車輛i);Ji,h是卡頓時(shí)隙數(shù)(第h個(gè)周期中的車輛i)。

3.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

對(duì)比算法:① 最大化門限算法。該算法中,RSU將信道資源固定的分配到與其相距最近的車輛中。車輛根據(jù)緩存器和門限數(shù)據(jù)存儲(chǔ)情況進(jìn)行數(shù)據(jù)請(qǐng)求層數(shù)的計(jì)算。最大化門限算法是一種考慮數(shù)據(jù)傳輸安全性的算法,其主要考慮的是降低數(shù)據(jù)傳輸過程的中斷率。② 隨機(jī)門限算法。該算法中,RSU將信道資源隨機(jī)地分配到車輛中,車輛根據(jù)緩存器和門限數(shù)據(jù)存儲(chǔ)情況進(jìn)行數(shù)據(jù)請(qǐng)求層數(shù)的計(jì)算。每時(shí)隙情況下,每輛車分配到的信道數(shù)最多是1個(gè)。這是一種隨機(jī)化的資源初始配置方式,目的是降低資源配置過程的難度。這兩種算法對(duì)于資源的配置思路與本文算法存在較大的差別,算法設(shè)計(jì)方向不同,選取作為對(duì)比算法目的是對(duì)比驗(yàn)證本文算法設(shè)計(jì)思路的有效性。

圖7-圖8分別給出RSU稀疏部署情況下,車輛聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中斷率指標(biāo)和數(shù)據(jù)接收層數(shù)指標(biāo)對(duì)比結(jié)果。

圖7 AIR指標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(RSU稀疏部署)

圖8 ARL指標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(RSU稀疏部署)

根據(jù)圖7-圖8實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,盡管算法性能存在差異,但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)基本相同:隨著所研究區(qū)域內(nèi)車輛密度的增大,ARL指標(biāo)均出現(xiàn)單調(diào)下降趨勢(shì),AIR指標(biāo)均出現(xiàn)單調(diào)上升趨勢(shì),這表明隨著車輛密度的增加,車輛之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性逐漸下降,數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝恐饾u降低。原因是隨車輛數(shù)量增加,車輛間對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸信道的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈,導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸上存在明顯的卡頓問題,同時(shí)也影響了車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸量。從幾種算法的對(duì)比情況看,本文算法的ARL指標(biāo)和AIR指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均要優(yōu)于選取的對(duì)比算法,表明所提控制協(xié)議具有更佳的數(shù)據(jù)傳輸性能。

圖9-圖10分別給出RSU全覆蓋情況下,車輛聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中斷率和數(shù)據(jù)接收層數(shù)的實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果。根據(jù)圖9-圖10結(jié)果,在RSU全覆蓋情況下,三種算法在ARL指標(biāo)和AIR指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)具有相近表現(xiàn)。存在差異的是,在車輛密度ρ為10～20車輛/千米區(qū)間內(nèi),三種算法的ARL指標(biāo)和AIR指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)保持問題,主要原因是RSU全覆蓋情況下,具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸保持能力,能夠滿足當(dāng)前車輛密度情況下的數(shù)據(jù)傳輸需求。但是隨著車輛密度的進(jìn)一步增加,即便RSU全覆蓋也無法滿足車輛數(shù)據(jù)傳輸要求時(shí),其實(shí)驗(yàn)變化趨勢(shì)與RSU稀疏部署情況下具有相對(duì)一致性。同時(shí)在算法對(duì)比情況看,本文算法的ARL指標(biāo)的閾值更大,也就是數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量更好,也具有更大的數(shù)據(jù)接收層數(shù),驗(yàn)證了所提控制協(xié)議的性能優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 語

本文提出基于時(shí)空協(xié)調(diào)的城市無線信道接入控制(時(shí)空協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議)協(xié)議,使用碰撞線圖來描述時(shí)空特征。通過時(shí)空協(xié)調(diào),時(shí)空協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議能可靠、快速地將安全信息傳輸?shù)侥繕?biāo)車輛上。車輛在時(shí)空協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議中接入無線信道,可融合PCF和DCF模式的優(yōu)點(diǎn)。在PCF模式下,車輛在RSU中注冊(cè)其移動(dòng)性信息以進(jìn)行時(shí)隙預(yù)留,然后從RSU發(fā)送的信標(biāo)幀接收其信道接入時(shí)隙。在DCF模式下,車輛同時(shí)通過時(shí)空坐標(biāo)向相鄰車輛發(fā)送安全信息。從理論上分析了時(shí)空協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議性能,并進(jìn)行仿真驗(yàn)證了分析正確性。結(jié)果表明,即使在高度擁擠的道路交通條件下,時(shí)空協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議的性能也優(yōu)于對(duì)比MAC協(xié)議。

下一步:① 通過時(shí)空協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議將為未來的工作展示一個(gè)用于車輛環(huán)境中駕駛安全的MAC協(xié)議的新設(shè)計(jì)思路;② 擴(kuò)展時(shí)空協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議以支持?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)(例如多媒體流和交互式視頻呼叫,以獲得高數(shù)據(jù)吞吐量,而不是短數(shù)據(jù)包傳送時(shí)間);③ 還將研究無交通燈通信協(xié)議,用于在沒有交通燈協(xié)調(diào)情況下,通過交叉口的自主車輛控制協(xié)議設(shè)定問題。