文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2013)09-0120-04
車載自組織網(wǎng)絡(luò)中,主要通過廣播的方式傳送信息。然而,由于車載自組織網(wǎng)絡(luò)的高速移動性和不利的無線環(huán)境,要有效地把信息廣播給其他的車輛是一個很大的挑戰(zhàn)。首先,因為在MAC(Medium Access Control)層沒有確認機制應(yīng)用于廣播信息,所以由分組碰撞和不利的信道條件導(dǎo)致的信息丟失不容易被檢測到。由于大多數(shù)的信息是至關(guān)重要的,應(yīng)被盡可能快地傳送給其他車輛,然而,傳統(tǒng)的廣播機制沒有確認機制從而不適用于車間信息傳送。其次,在網(wǎng)絡(luò)里無有效的廣播控制,多跳冗余信息就會在節(jié)點之間相互傳送,這就導(dǎo)致了廣播風暴,顯著降低網(wǎng)絡(luò)資源利用率。
參考文獻[1]提出了將節(jié)點通信范圍進行分區(qū)的方法,源節(jié)點通過判斷自己通信范圍內(nèi)節(jié)點發(fā)送占用信息時間的長短來確定各個節(jié)點的位置,解決了中繼節(jié)點的選擇問題,但是并沒有解決延時和并行碰撞的問題。參考文獻[2]針對參考文獻[1]的缺陷進行了改進,該方法通過分區(qū)的方式找到距離源節(jié)點最遠的相同區(qū)域內(nèi)的節(jié)點,為相同區(qū)域內(nèi)的節(jié)點設(shè)置不同的退避窗口值以減少并行碰撞,降低延時。參考文獻[3]提出為數(shù)據(jù)包設(shè)置不同優(yōu)先級的方法,緊急信息擁有較高優(yōu)先級,而服務(wù)信息擁有較低優(yōu)先級;DIFS(Distributed Inter-Frame Space)被分為很多微時隙,當緊急信息與服務(wù)信息退避窗口值一樣時,緊急信息監(jiān)聽一個微時隙,而服務(wù)信息監(jiān)聽一個DIFS, 這樣就保證了緊急信息能夠優(yōu)先接入信道,減少碰撞。然而,當節(jié)點接收到緊急信息以后就會抑制其他信息的發(fā)送,倘若緊急信息由于系統(tǒng)的一些固有缺陷一直發(fā)送不出去,那么節(jié)點的緩存隊列長度就會一直增加,當隊列長度大于節(jié)點緩存器的最大值時,某些數(shù)據(jù)包就會被丟掉,若數(shù)據(jù)包的等待時間過長,就容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的生命周期超時,也會引起數(shù)據(jù)包的丟失,進而降低整個系統(tǒng)的接收率和吞吐量,還會引起系統(tǒng)延時過大。
本文針對參考文獻[3]的問題,結(jié)合微時隙減少碰撞的機制,提出了一種基于緩存隊列長度BQLP(Buffer Queue Length Protocol)的廣播協(xié)議。與參考文獻[3]的面向接收者ROBP(Receiver-oriented Broadcast Protocol)的廣播協(xié)議相比,該協(xié)議能夠較好地提高數(shù)據(jù)包接收率并降低延時和丟包率。
1 系統(tǒng)模型
通過許多假設(shè)來建立一個合理的易于處理的模型來描述方案的性能。假定建筑在高速路上的基于802.11的無線自組織網(wǎng)絡(luò)廣播被簡化為一維的移動自組織網(wǎng)絡(luò),如圖1所示,它包含了一系列在一條線上的隨機的相同的移動站。一維網(wǎng)絡(luò)模型是高速路上自組織網(wǎng)絡(luò)的一個很好的近似。
車載自組織網(wǎng)絡(luò)在以下場景中工作:
(1)在網(wǎng)絡(luò)密度為π的環(huán)境下,節(jié)點依據(jù)泊松過程排在一條線上,即在一條長為l的道路上節(jié)點被發(fā)現(xiàn)的概率P(i,l)由式(1)給出:
(2)所有的節(jié)點都有相同的傳送范圍/接收范圍,范圍用R表示。因此,在源節(jié)點傳輸范圍內(nèi)同一條線上的節(jié)點的平均數(shù)是Ntr=2?茁R。
(3)所有節(jié)點有相同的載波監(jiān)聽范圍Lcs, R≤Lcs≤2R,且假設(shè)節(jié)點與節(jié)點之間的距離大于R時,一個節(jié)點的傳送不會影響其他節(jié)點接收其他的廣播信息。因此,將源節(jié)點放在原點,如圖1所示,倘若源節(jié)點在它的監(jiān)聽范圍內(nèi){x|x∈[-Lcs,Lcs]}監(jiān)聽到來自任何一個節(jié)點的傳播,源節(jié)點在此刻就不會發(fā)送任何信息。
(4)在每個節(jié)點處,信息包的到達率滿足參數(shù)為λ的泊松分布。
(5)在這個模型中不考慮節(jié)點移動性對性能的影響。事實上,在參考文獻[4]和[5]中已經(jīng)證明車輛的高速移動性對具有高數(shù)據(jù)傳輸率(≥12 Mb/s)的廣播網(wǎng)絡(luò)的性能影響很小。
2 協(xié)議描述
2.1基于緩存隊列長度的廣播協(xié)議
在車載自組織網(wǎng)絡(luò)中,為了減少數(shù)據(jù)包的碰撞概率,提高數(shù)據(jù)包的接收率,常常將數(shù)據(jù)包分為緊急數(shù)據(jù)包和服務(wù)數(shù)據(jù)包,為緊急數(shù)據(jù)包分配較小的退避窗口值,確保緊急數(shù)據(jù)包優(yōu)先發(fā)送。當節(jié)點接收到緊急數(shù)據(jù)包以后就會抑制其他數(shù)據(jù)包的發(fā)送,只有當節(jié)點接收到的緊急數(shù)據(jù)包發(fā)送出去以后,其他數(shù)據(jù)包才有可能被發(fā)送出去。然而當節(jié)點密度較大時,大量的數(shù)據(jù)包就會積壓在節(jié)點的緩存器中,這就導(dǎo)致了緩存器中隊列長度過長,從而增加了時延和丟包率。
針對上述問題,本文提出一種基于緩存隊列長度的廣播協(xié)議。該協(xié)議的思想是:緩存隊列的長度越長,發(fā)送信息的優(yōu)先級就越高;緩存隊列的長度越短,發(fā)送信息的優(yōu)先級就越低。當節(jié)點接收到緊急信息以后,該協(xié)議會判斷節(jié)點緩存器中數(shù)據(jù)包隊列長度是否大于緩存器的最大值,若是,則會提高該節(jié)點發(fā)送信息的優(yōu)先級,優(yōu)先將信息發(fā)送出去。
假設(shè)每個節(jié)點的緩存器長度最大值都為Kmax,節(jié)點的實際緩存隊列長度為K,則基于緩存隊列長度的優(yōu)先級表達式為:
其中,C是指節(jié)點發(fā)送信息的優(yōu)先級,C越大表明節(jié)點發(fā)送信息的優(yōu)先級就越高,信息就優(yōu)先發(fā)送出去。盡管接收到緊急信息的節(jié)點會抑制其他信息的發(fā)送,但是,該機制根據(jù)實際緩存隊列的長度調(diào)整節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的優(yōu)先級,減少了因?qū)嶋H緩存隊列長度大于緩存隊列長度最大值而造成的丟包,同時也減少了因數(shù)據(jù)包生命周期超時而造成的丟包,進而降低了系統(tǒng)的丟包率,提高了數(shù)據(jù)包的接收率和節(jié)點接收率。通過調(diào)整節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級,降低了數(shù)據(jù)包的隊列延時和接入延時,數(shù)據(jù)包的傳播延時是固定的,由此可知,數(shù)據(jù)包傳送的總延時就降低了。
2.2 利用微時隙減少碰撞的機制
基于緩存隊列長度的廣播協(xié)議有效地降低了數(shù)據(jù)包的丟包率,減小了數(shù)據(jù)包接收延時。為了進一步提高協(xié)議的可靠性,本文還采用了利用微時隙減少碰撞的機制。該機制沒有采用參考文獻[6]和參考文獻[7]利用不同的退避窗口尺寸減少碰撞的方法,而是采用了一種新的優(yōu)先權(quán)設(shè)置機制來區(qū)分不同信息的級別,并結(jié)合微時隙來減少并行傳輸導(dǎo)致的碰撞。該優(yōu)先權(quán)設(shè)置機制將非零退避窗口值分配給服務(wù)信息,零退避窗口值分配給緊急信息。若節(jié)點密度較大,則緊急信息和服務(wù)信息由于有相同的零退避計數(shù)值會導(dǎo)致碰撞。為了給攜帶緊急信息的節(jié)點優(yōu)先分配信道,將DIFS分成許多長度為lm的微時隙,分配一個短暫的等待時間tm(lm≤tm≤DIFS)給攜帶緊急信息的節(jié)點。然而,攜帶服務(wù)信息的節(jié)點在發(fā)送之前必須等待一個DIFS時隙,這樣就保證緊急信息一旦準備發(fā)送就能立即得到信道。采用DIFS微時隙機制減少了由于并行傳輸導(dǎo)致碰撞的可能,有效地保證了緊急信息能夠優(yōu)先地發(fā)送出去。應(yīng)用參考文獻[8]微時隙的概念,微時隙的長度lm和個數(shù)wm由式(3)和式(4)計算出來:
的影響,數(shù)據(jù)包的接收率會隨之降低,當節(jié)點數(shù)大于220時,BQLP協(xié)議的數(shù)據(jù)包接收率明顯優(yōu)于ROBP協(xié)議的數(shù)據(jù)包接收率。
圖4比較了ROBP協(xié)議和BQLP協(xié)議的節(jié)點接收率。從圖中可以看出,BQLP協(xié)議的節(jié)點接收率高于ROBP協(xié)議的節(jié)點接收率。隨著節(jié)點數(shù)目的增加,節(jié)點接收率會有所降低,BQLP協(xié)議的節(jié)點接收率變化較平穩(wěn),而ROBP協(xié)議的節(jié)點接收率在節(jié)點數(shù)大于200時有惡化趨勢。節(jié)點密度較大時,大量數(shù)據(jù)包將積聚在節(jié)點緩存器中容易導(dǎo)致隊列長度過長,增加丟包率,進而降低節(jié)點接收率。
圖5比較了ROBP協(xié)議和BQLP協(xié)議的服務(wù)信息傳輸時延。從圖中可以看出,BQLP協(xié)議的傳輸時延低于ROBP協(xié)議的傳輸時延。這是因為BQLP協(xié)議根據(jù)緩存隊列長度調(diào)整節(jié)點發(fā)送優(yōu)先級,減小了數(shù)據(jù)包排隊延時。隨著節(jié)點數(shù)的增加,傳輸延時有所上升,然而平均延時(<1 ms)仍然很小,對服務(wù)信息來說這個時延大小在可以接受的范圍內(nèi)。
ROBP協(xié)議將信息分為緊急信息和服務(wù)信息,保證了緊急信息的各個參數(shù)指標的優(yōu)越性。本文在此基礎(chǔ)之上提出一種基于緩存隊列長度優(yōu)先發(fā)送的廣播協(xié)議,本協(xié)議在保證緊急信息發(fā)送性能優(yōu)越的基礎(chǔ)之上,提升了服務(wù)數(shù)據(jù)包的接收率,降低了服務(wù)數(shù)據(jù)包發(fā)送時延。在未來的工作中,將致力于把協(xié)議應(yīng)用于更復(fù)雜的移動場景(如二維場景)。
參考文獻
[1] KORKMAZ G, EKICI E, ZGER F, et al. Urban multi-hop broadcast protocol for inter-vehicle communication systems[C]. in Proc. ACM Int’l Workshop on Vehicular Ad Hoc Networks. (VANET), Philadelphia, PA, Sep.2004:76-85.
[2] FASOLO E, ZANELLA A, ZORZI M. An effective broadcast scheme for alert message propagation in vehicular ad hoc networks[C]. in Proc. IEEE Int’l Conf. on Comm.(ICC), Istanbul, Turkey, Jun. 2006:3960-3965.
[3] MA X, ZHANG J, YIN X, et al. Design and analysis of a robust broadcast scheme for vanet safety-related services[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology,2012,61(1):46-61.
[4] MORENO M T, CORROY S, HARTENSTEIN H. IEEE 802.11-based one hop broadcast communications: Understanding transmission success and failure under different radio propagation environments[C]. in Proc. ACM Int.MSWiM, Torremo linos, Spain, 2004:68-77.
[5] MA X, CHEN X. Delay and broadcast reception rates of highway safety applications in vehicular ad hoc networks[C]. in Proc. IEEE INFOCOM Workshop Mobile Netw. Veh.Environ. Anchorage, AK, May 6-12,2007:85-90.
[6] Standard specification for telecommunications and information exchange roadside and vehicle[C].Systems-5 GHz Band Dedicated Short Range Communications (DSRC) Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, Apr. 2009.
[7] BARRADI M, HAFID A S, GALLARDO J R. Establishing strict priorities in IEEE 802.11p WAVE vehicular networks[C]. in Proc. IEEE Globecom, Miami, FL, Dec.6-10,2010:1-6.
[8] SHAN H, ZHUANG W, WANG Z. Distributed cooperative MAC for multi-hop wireless networks[J]. IEEE Commun.Mag., 2009,47(2):126-133.