摘  要： 通過分析自組網(wǎng)中不同接入機(jī)制對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信性能產(chǎn)生的影響，根據(jù)車隊(duì)自身的特點(diǎn)，針對(duì)車隊(duì)自組網(wǎng)的組織形式提出了一種基于分配的節(jié)點(diǎn)接入機(jī)制。該機(jī)制將競(jìng)爭(zhēng)信息與業(yè)務(wù)信息相分離，有效地克服了車隊(duì)自組網(wǎng)中競(jìng)爭(zhēng)信息對(duì)正常業(yè)務(wù)信息造成干擾的問題，提高了車隊(duì)通信的性能。

　　關(guān)鍵詞： 車隊(duì)通信；自組網(wǎng)；接入機(jī)制

0 引言

　　近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，物流業(yè)也隨之不斷地壯大。運(yùn)輸車隊(duì)作為公路運(yùn)輸?shù)闹饕问?，在物流運(yùn)輸中所占的比重在逐年增加。而隨著人們生活水平的提高，自駕游成為大眾又一種外出旅游的方式，而自駕游車隊(duì)也成為一種常見的組織形式。同時(shí)，在國(guó)家大抓軍隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力提升的背景下，部隊(duì)遠(yuǎn)程摩托化機(jī)動(dòng)日益頻繁。可以說車隊(duì)的這一組織形式越來越成為一種新的常態(tài)。然而傳統(tǒng)的通信方式卻遠(yuǎn)不能應(yīng)對(duì)信息化條件下車隊(duì)的通信需求。以無線電臺(tái)、對(duì)講機(jī)組網(wǎng)僅能滿足語音的廣播式的通信需求；以手機(jī)方式組網(wǎng)，不僅需要地面基站等基礎(chǔ)設(shè)施的支持，還會(huì)產(chǎn)生大量的通信費(fèi)用。因此，為了車隊(duì)能夠應(yīng)對(duì)不同外部環(huán)境以及高帶寬的通信需求，在車隊(duì)中建立自組織網(wǎng)絡(luò)就成為一種不錯(cuò)的選擇。

1 自組網(wǎng)信道沖突問題

　　自組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)在于構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的終端既具有主機(jī)的功能也具有路由的功能，使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加靈活多變，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)中終端數(shù)可以根據(jù)需要隨時(shí)增加或減少[1]。由于終端間的地位都是平等的，沒有一個(gè)中心控制節(jié)點(diǎn)，自組網(wǎng)大多采用競(jìng)爭(zhēng)的信道接入方式，這也會(huì)不可避免地為自組網(wǎng)帶來了隱蔽端和暴露端的問題，這一問題大大影響自組網(wǎng)的通信效果，制約著自組網(wǎng)的發(fā)展。

　　所謂“隱藏終端”問題，是指多個(gè)通信終端由于無法相互協(xié)調(diào)而同時(shí)向同一個(gè)通信終端發(fā)送信息，導(dǎo)致通信失敗的問題，對(duì)一個(gè)通信終端來說，每一個(gè)對(duì)其構(gòu)成影響的無法協(xié)調(diào)的終端都可以看作是它的一個(gè)隱藏終端。如圖1所示，基站A向基站B發(fā)送信息，基站C未偵測(cè)到A也向B發(fā)送信息，故A和C同時(shí)將信號(hào)發(fā)送至B，引起信號(hào)沖突，最終導(dǎo)致發(fā)送至B的信號(hào)都丟失了。“隱藏終端”多發(fā)生在大型單元中（一般在室外環(huán)境），這將帶來效率損失，并且需要錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制。當(dāng)需要傳送大容量文件時(shí)，尤其需要杜絕“隱藏終端”現(xiàn)象的發(fā)生。

　　暴露終端問題是指一個(gè)需要發(fā)送信息的終端由于檢測(cè)到其范圍內(nèi)有正在發(fā)送信息的終端而推遲發(fā)送數(shù)據(jù)。事實(shí)上被檢測(cè)的終端對(duì)其并不產(chǎn)生實(shí)質(zhì)的影響，這就造成了終端不必要的傳輸延誤。如圖2所示，基站A正處于信息發(fā)送狀態(tài)，但由于基站C并不在基站A的通信范圍內(nèi)，因此基站A發(fā)送的信息并不會(huì)對(duì)基站C接收基站B的信息造成影響，可是基站B認(rèn)為基站A會(huì)對(duì)其造成影響而選擇推遲發(fā)送，造成了不必要的傳輸延誤。

　　在解決自組網(wǎng)通信中存在的隱藏終端和暴露終端問題方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作，比如近些年提出的IEEE802.11P協(xié)議中雙握手的CSMA機(jī)制，雖然在一定程上使隱藏終端和暴露終端問題得到了改善，但并沒有從根本上解決[2]。而基于動(dòng)態(tài)TDMA的分布式RR-ALOHA協(xié)議雖然有效解決了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后的信道沖突的問題，但在網(wǎng)絡(luò)建立過程中以及在網(wǎng)絡(luò)建立后有新的終端加入時(shí)，信道沖突依舊會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成較大的影響[3]。

　　本文在RR-ALOHA協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出一種競(jìng)爭(zhēng)和分配相結(jié)合的信道使用機(jī)制（DR-ALOHA）。機(jī)制對(duì)幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，將信道競(jìng)爭(zhēng)集中控制在一個(gè)特定的時(shí)隙內(nèi)，這樣車隊(duì)自組網(wǎng)中車輛站點(diǎn)周期性的廣播信息就不會(huì)占用正常的站點(diǎn)業(yè)務(wù)帶寬，同時(shí)可以避免因申請(qǐng)時(shí)隙過程中信息沖突對(duì)網(wǎng)絡(luò)正常通信造成的影響。

2 車隊(duì)自組網(wǎng)DR-ALOHA機(jī)制

　　2.1 車隊(duì)自組網(wǎng)中幀的結(jié)構(gòu)

　　車隊(duì)自組網(wǎng)中幀結(jié)構(gòu)如圖3所示，它主要由兩部分組成，一部分是競(jìng)爭(zhēng)部分，用于各車輛站點(diǎn)以競(jìng)爭(zhēng)的方式來申請(qǐng)獲得空閑的時(shí)隙；另一部分是業(yè)務(wù)部分，由若干個(gè)時(shí)隙組成，用于被各個(gè)車輛站點(diǎn)申請(qǐng)，完成相應(yīng)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。兩部分構(gòu)成一個(gè)完整的周期幀，顯然業(yè)務(wù)部分占了整個(gè)幀的絕大部分，這樣，所有用于時(shí)隙申請(qǐng)的信令都會(huì)在競(jìng)爭(zhēng)部分這一固定的時(shí)隙內(nèi)完成，不會(huì)對(duì)正常的網(wǎng)絡(luò)通信造成影響。

　　2.2 時(shí)隙申請(qǐng)流程

　　時(shí)隙申請(qǐng)的流程如圖4所示。建立網(wǎng)絡(luò)之初，所有車輛站點(diǎn)處于一跳范圍內(nèi)，構(gòu)成一個(gè)全連通網(wǎng)絡(luò)。需要申請(qǐng)時(shí)隙的站點(diǎn)采用CSMA方式偵聽信道的使用情況。如果信道空閑，則隨機(jī)地選擇一個(gè)空閑時(shí)隙的編號(hào)，并以廣播的方式將本站點(diǎn)建立的時(shí)隙使用情況列表以及申請(qǐng)的時(shí)隙編號(hào)在一幀的競(jìng)爭(zhēng)部分向其他站點(diǎn)發(fā)布。其他站點(diǎn)收到這樣的發(fā)布信息后，更新本站點(diǎn)的時(shí)隙使用情況列表，并以相同的方式申請(qǐng)所需的時(shí)隙。為了防止不同站點(diǎn)申請(qǐng)相同的時(shí)隙造成混亂，任何站點(diǎn)只依據(jù)第一次接收的申請(qǐng)信息來更新本站點(diǎn)的時(shí)隙使用情況列表。如果除本站點(diǎn)以外的所有站點(diǎn)所發(fā)布的時(shí)隙使用情況列表都認(rèn)可本站點(diǎn)所申請(qǐng)的時(shí)隙，則表達(dá)時(shí)隙申請(qǐng)成功。只要站點(diǎn)不離開網(wǎng)絡(luò)，其他站點(diǎn)就不能占用它申請(qǐng)的時(shí)隙，而這一站點(diǎn)也只能在這一時(shí)隙內(nèi)發(fā)送業(yè)務(wù)信息。

　　在整個(gè)車隊(duì)運(yùn)行過程中，如果有新的站點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，需要申請(qǐng)時(shí)隙時(shí)，首先需要通過偵聽相鄰站點(diǎn)在一幀的競(jìng)爭(zhēng)部分周期性地發(fā)布時(shí)隙使用情況列表，從而獲得所有站點(diǎn)對(duì)時(shí)隙的占用情況，然后隨機(jī)選擇一個(gè)未使用的時(shí)隙編號(hào)作為申請(qǐng)時(shí)隙，向相鄰的一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送申請(qǐng)，當(dāng)收到該站點(diǎn)的認(rèn)可響應(yīng)后，時(shí)隙申請(qǐng)成功。在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中，每個(gè)站點(diǎn)都必須利用一幀的競(jìng)爭(zhēng)部分定期地發(fā)布本站點(diǎn)的時(shí)隙使用情況列表，同時(shí)根據(jù)其他站點(diǎn)發(fā)布的列表來更新本站點(diǎn)的列表。

　　2.3 同步時(shí)鐘

　　采用基于時(shí)隙結(jié)構(gòu)的車隊(duì)自組網(wǎng)無線信道接入方式，需要節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘同步，并盡量減小節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘誤差，從而避免接入信道的沖突。因此，時(shí)鐘同步對(duì)于以時(shí)分復(fù)用的網(wǎng)絡(luò)來說至關(guān)重要。由于車輛在室外行駛，能夠很容易地獲得GPS信號(hào)，因此車隊(duì)自組網(wǎng)可以采用同步信標(biāo)方式實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙同步，采用GPS提供的全局基準(zhǔn)時(shí)鐘，其精度可達(dá)Ls級(jí)[4]，能夠滿足車載移動(dòng)自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步要求[5]。

3 機(jī)制的性能分析

　　本文提出的車隊(duì)自組網(wǎng)信道接入機(jī)制通過NS2仿真平臺(tái)進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)機(jī)制的性能進(jìn)行了初步的分析，測(cè)試采用網(wǎng)絡(luò)吞吐量和分組時(shí)延兩個(gè)指標(biāo)作為分析對(duì)象，并針對(duì)車隊(duì)的實(shí)際運(yùn)行情況設(shè)置了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種仿真場(chǎng)景。

　　3.1 靜態(tài)場(chǎng)景下仿真性能分析

　　車輛站點(diǎn)隨機(jī)分布在100 m×200 m的范圍內(nèi)，帶寬2 Mbit/s，隊(duì)列長(zhǎng)度為20個(gè)分組，節(jié)點(diǎn)的通信半徑為250 m，仿真時(shí)間為100 s。以恒定速率的CBR業(yè)務(wù)模擬廣播信息，以基于TCP協(xié)議的FTP業(yè)務(wù)模擬數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。在其他條件不變的前提下，不斷地改變車隊(duì)自組網(wǎng)的規(guī)模，以測(cè)試不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下的吞吐量。結(jié)果如圖5所示。

　　通過圖5能夠看到，當(dāng)站點(diǎn)數(shù)量較少時(shí)，兩種機(jī)制下網(wǎng)絡(luò)CBR數(shù)據(jù)的平均吞吐量相比差別不大，但隨著站點(diǎn)數(shù)量的不斷增加，應(yīng)用RR-ALOHA機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)要略高于應(yīng)用DR-ALOHA機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)，原因是在站點(diǎn)數(shù)量較少的情況下，RR-ALOHA機(jī)制中廣播信息也作為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)來發(fā)送的，而DR-ALOHA機(jī)制中廣播信息在一幀的競(jìng)爭(zhēng)部分發(fā)送，隨著站點(diǎn)數(shù)量的增加，沖突的概率也隨之增加。

　　在FTP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)方面，仿真結(jié)果如圖6所示，應(yīng)用DR-ALOHA機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量要明顯優(yōu)于RR-ALOHA機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量，主要原因是在RR-ALOHA機(jī)制中，廣播信息占用了一定的時(shí)隙資源。

　　3.2 動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下的性能分析

　　由10個(gè)車輛站點(diǎn)組成的車隊(duì)等間隔地分布在10 m×1 000 m的道路上，車輛間的間隔為30 m，車隊(duì)以10 m/s的速度勻速沿道路行駛。在運(yùn)行10 s后，每隔5 s就有一個(gè)新的車輛站點(diǎn)加入車隊(duì)。仿真時(shí)間60 s。同樣以恒定速率的CBR業(yè)務(wù)模擬廣播信息，以基于TCP協(xié)議的FTP業(yè)務(wù)模擬數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。結(jié)果如圖7所示。

　　通過圖7可以看出，在車隊(duì)自組網(wǎng)運(yùn)行過程中，兩種接入機(jī)制在分組傳輸時(shí)延方面的性能差別不大，傳輸時(shí)延都比較小，但隨著新車輛站點(diǎn)申請(qǐng)加入，DR-ALOHA機(jī)制下的網(wǎng)絡(luò)分組傳輸時(shí)延性能要優(yōu)于RR-ALOHA機(jī)制。因?yàn)镽R-ALOHA機(jī)制下新站點(diǎn)的廣播信息會(huì)給網(wǎng)絡(luò)帶來一定的沖突，從而延誤正常的業(yè)務(wù)傳輸。而在DR-ALOHA機(jī)制下，由于新站點(diǎn)的申請(qǐng)信息集中在一幀的競(jìng)爭(zhēng)部分，因此不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)正常的業(yè)務(wù)傳輸造成影響。

4 結(jié)論

　　本文提出了一種新的車隊(duì)自組網(wǎng)的信道接入機(jī)制，該機(jī)制將競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙與業(yè)務(wù)時(shí)隙分離，使周期性的廣播信息集中于競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙內(nèi)，使車隊(duì)在運(yùn)行過程中的正常通信業(yè)務(wù)不受干擾，提高了車隊(duì)自組網(wǎng)的傳輸性能。在相同的環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)的整體性能較RR-ALOHA機(jī)制有所提高，特別是在組網(wǎng)過程中的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性方面。但在周期性廣播信息的可靠性方面還有待進(jìn)一步的改進(jìn)提高。

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