摘  要： 為了實現(xiàn)多接口車載自組織網(wǎng)絡(luò)（VANET）車輛節(jié)點合理高效的信道接入，提出了一種基于車輛節(jié)點多接口狀態(tài)字的時分競爭信道接入算法。根據(jù)車輛節(jié)點的多接口狀態(tài)字給出了時隙劃分的方法與競爭退避機制原則，通過綜合考慮競爭類技術(shù)與時分多址技術(shù)的優(yōu)點，有效解決了信道公平接入的問題。通過軟件仿真比較可以看出，該算法實現(xiàn)了信道的合理接入，減小了平均端到端時延，增加了網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量，顯著提高了多接口VANET的網(wǎng)絡(luò)性能。

　　關(guān)鍵詞： 多接口狀態(tài)字；車載自組網(wǎng)；時分；競爭；信道接入

0 引言

　　車載自組網(wǎng)作為智能交通系統(tǒng)（ITS）的重要組成部分，引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大興趣[1]。在需要QoS（Quality of Service）保證的環(huán)境下，多接口車載自組網(wǎng)成為研究的熱點。多接口VANET中一個關(guān)鍵問題是信道的合理接入。通過利用時分競爭技術(shù)實現(xiàn)信道的合理接入，讓車輛之間可以并行通信，從而降低了由于競爭信道資源而產(chǎn)生的沖突，顯著提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐性能。

1 相關(guān)工作

　　多接口車載自組網(wǎng)信道接入算法的主要功能就是控制車輛節(jié)點利用有限的無線信道資源接入信道。目前有以下幾種常用的信道接入方案。參考文獻[2]提出了一種按需分配類信道接入方案，該方案通常采用預(yù)約和輪詢的方式，解決隱藏與暴露終端的問題，但在VANET中會帶來很多控制開銷。參考文獻[3]提出了一種基于調(diào)度類信道接入方案和DATS信道接入機制，該機制可以提供可靠的服務(wù)，但無法實現(xiàn)多個射頻接口并行通信。參考文獻[4]提出了一種基于競爭類信道接入方案，它是基于IEEE802.11p標(biāo)準(zhǔn)，該方案不需要整個網(wǎng)絡(luò)的同步，但是當(dāng)面臨車輛節(jié)點密度增加時，會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)丟包率增高。

　　本文結(jié)合參考文獻[3]與參考文獻[4]信道接入方案的優(yōu)點，給出車輛節(jié)點的多接口狀態(tài)字、時隙劃分方法以及競爭退避機制原則，提出了一種基于多接口狀態(tài)字的時分競爭信道接入算法（Time-division Competition Channel Accessing，TCCA）。該算法有效解決了上述方案運用在車載自組織網(wǎng)中的不足，經(jīng)過仿真分析，其性能明顯優(yōu)于上述方案。

2 主要工作

　　2.1多接口狀態(tài)字

　　用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以表征車輛節(jié)點的多接口工作狀態(tài)，共16 bit，高16 bit中記錄的是源節(jié)點ID，低16 bit用于記錄車輛節(jié)點的射頻接口的狀態(tài)，其中第8 bit用于表征車輛節(jié)點具有安全類應(yīng)用[5]，剩下的7 bit每一個bit對應(yīng)一個射頻接口。所有bit中，“1”表示有通信業(yè)務(wù)，“0”表示沒有業(yè)務(wù)，如圖1所示。

　　2.2 時隙劃分

　　參考文獻[3]提出的DATS機制是一種簡單的自適應(yīng)分布式時隙分配策略。所有車輛都配備GPS定位系統(tǒng)來判定車輛的位置與移動方向，節(jié)點移動方向為左右方向，每幀劃分為左右兩個時隙集，分別用L、R表示，如圖2所示。

　　圖3顯示了節(jié)點競爭時隙的過程。為了確定左右時隙數(shù)目與左右兩跳鄰居數(shù)目之間的關(guān)系，用NL（x）和NR（x）分別表示節(jié)點x的左右方向上兩跳鄰居節(jié)點數(shù)目；   SL（x）和SR（x）分別表示節(jié)點x的左右時隙集數(shù)目，Umax表示最大門限值。初始狀態(tài)時節(jié)點x的左右方向上鄰居節(jié)點數(shù)的比值為：

　　NL（x）/NR（x）≈1（1）

　　隨著車輛節(jié)點的運動，當(dāng)滿足式（2）時需要調(diào)整左右時隙集時隙數(shù)目。此時，車輛節(jié)點x會通過控制信道廣播調(diào)整左右時隙比值的消息，所有鄰居車輛節(jié)點接到消息后檢查自己的左右鄰居節(jié)點數(shù)目是否滿足調(diào)整條件。

　　NR（x）/SR（x）>Umax or NL（x）/SL（x）>Umax（2）

　　2.3 競爭退避機制

　　車輛節(jié)點獲得時隙后，以不浪費時隙為原則考慮車輛節(jié)點前一次發(fā)送數(shù)據(jù)成功以后CWmin值的選擇。由于BEB算法[6]在車輛節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)成功以后直接將此車輛節(jié)點的競爭窗口值減小到固定的最小值CWmin，不能如實反映網(wǎng)絡(luò)中信道競爭的情況，因此本節(jié)利用參考文獻[4]中系統(tǒng)吞吐量S、節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)母怕师右约肮?jié)點傳輸數(shù)據(jù)發(fā)生沖突的概率p三者的表達式。其中p可以表示為：

　　p=1-（1-τ）n-1（3）

　　令Tc*=Tc/，為一個時隙單元長度，則推導(dǎo)出在使吞吐量S最大情況下，節(jié)點在任一時隙內(nèi)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)母怕师拥淖顑?yōu)值τopt為：

　　其中，最大退避階數(shù)m取802.11p[7]提供的建議值5。每個車輛節(jié)點運行一個查找協(xié)議，從而得到一跳鄰居節(jié)點的個數(shù)n。最后將n以及Tc*的值代入式（4），可以計算出τopt的值，再將τopt以及m和n代入式（5），從而可以計算出CWmin_opt。

　　2.4 算法實現(xiàn)流程

　　本文提出的TCCA算法能夠有效解決BEB退避算法[7]應(yīng)對車輛節(jié)點多個接口競爭信道帶來的網(wǎng)絡(luò)高負(fù)載，其流程如圖4所示。

3 仿真與分析

　　3.1 仿真場景

　　為了驗證算法的有效性，本文利用MATLAB軟件對算法進行了模擬[8]，仿真過程統(tǒng)一采用802.11協(xié)議規(guī)定的物理層參數(shù)[9]，如表1所示。

　　3.2 性能比較與結(jié)果分析

　　仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。從圖5可以看出，TCCA信道接入算法在網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量性能上明顯優(yōu)于802.11p和DATS。當(dāng)接入網(wǎng)絡(luò)的車輛節(jié)點數(shù)比較少時，由于網(wǎng)絡(luò)資源競爭不激烈，3種算法的網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量相差不多，但是當(dāng)車輛節(jié)點數(shù)逐步變多時，網(wǎng)絡(luò)資源競爭比較激烈。從圖6可以看出，TCCA算法的平均端到端時延整體上要小于802.11p和DATS。由于802.11p中的信道接入機制存在車輛節(jié)點多接口接入的不公平性，并且隨著車輛節(jié)點數(shù)的增加，時延的上升速度是3種信道接入算法中最快的，DATS機制居中。

4 結(jié)論

　　本文提出的信道接入算法TCCA，通過多接口狀態(tài)字的管理，給出時隙劃分方法與競爭退避機制原則，最后對TCCA算法進行仿真與分析。仿真結(jié)果表明，TCCA算法既保證了車輛節(jié)點時隙的合理劃分帶來的公平性與穩(wěn)定性，又保證了優(yōu)先級競爭接入帶來的合理性和高效性，極大地提高了信道利用率與網(wǎng)絡(luò)吞吐性能。

參考文獻

　　[1] 羅濤，王昊.車載無線通信網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用[J].中興通信技術(shù)，2011，17（3）：1-7.

　　[2] BORGONOVO F， CAPONE A， CESANA M， et al. ADHOC： a new flexible and reliable MAC architecture for vehicle ad-hoc networks[C]. IEEE Wireless Communications and Networking 2003（WCNC）， 2003： 965-970.

　　[3] 李攀，傅洪亮，王珂，等.車載自組網(wǎng)中一種分布式自適應(yīng)TDMA時隙分配策略[J].電子質(zhì)量，2013（1）：1-5.

　　[4] BIANCHI G. Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2000，18（3）： 535-547.

　　[5] 袁濤.基于IEEE802.11p的車載自組網(wǎng)MAC層關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：南京郵電大學(xué)，2013.

　　[6] 張振川.具有節(jié)點訪問公平性的WLAN改進退避算法[J].東北大學(xué)學(xué)報，2011，32（12）：1709-1712.

　　[7] JIANG D， DELGROSSI L. IEEE 802.11p： towards an international standard for wireless access in vehicular environments[C]. IEEE Vehicular Technology Conference， VTC Spring 2008， 11-14 May， 2008： 2036-2040.

　　[8] 柯志亨.NS2仿真實驗：多媒體和無線網(wǎng)絡(luò)通信[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

　　[9] BOOYSEN M J， ZEADALLY S， VAN ROOYEN G J， et al. Survey of medium access control protocols for vehicular ad hoc networks[J]. IET Communications， 2011，11（5）： 1619-1631.