Vanet中聯(lián)合調(diào)整物理載波偵聽范圍與最小競爭窗口的擁塞控制方案的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明針對車輛密度變化較快的車載自組織網(wǎng)絡(luò)MAC層廣播的可擴(kuò)展性問題，提出一種基于安全范圍的載波偵聽隨機(jī)退避方案（Safe?Range?Carrier?Sense?Random?Back-off，SR-CSRB），通過將車聯(lián)網(wǎng)的特性考慮在內(nèi)，對物理載波偵聽機(jī)制和原始退避算法進(jìn)行了改進(jìn)，以增加一跳鄰節(jié)點范圍內(nèi)信標(biāo)消息廣播接收率為目的，提出一種安全范圍內(nèi)的載波偵聽隨機(jī)退避機(jī)制（SR-CSRB），SR-CSRB改變了傳統(tǒng)的物理載波偵聽機(jī)制，通過引入控制碰撞的概念，減少了近鄰節(jié)點同時傳輸消息的概率，并且利用捕獲效應(yīng)提高了近鄰節(jié)點的廣播接收率，仿真結(jié)果也表明這種新的信道接入機(jī)制相對于傳統(tǒng)的CSMA具有明顯的優(yōu)越性。
【專利說明】VANET中聯(lián)合調(diào)整物理載波偵聽范圍與最小競爭窗口的擁塞控制方案
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于智能交通領(lǐng)域，具體涉及智能交通中信息傳播領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]車輛與車輛之間的通信是作為未來智能交通系統(tǒng)一個很重要的因素而出現(xiàn)的，尤其是考慮到加強(qiáng)道路安全方面。VANET將允許快速的安全消息分發(fā)，增加司機(jī)對于視線外交通狀態(tài)的認(rèn)知。在歐洲和美國，5.9GHz的頻譜已經(jīng)分配用來進(jìn)行車輛通信。在IEEE 802.11產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，IEEE 802.11任務(wù)組p在2010年發(fā)布了一個修訂版，這個版本是專門為車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的無線接入(WAVE)所制定的標(biāo)準(zhǔn)。盡管IEEE 802.1lp協(xié)議考慮到了 VANET中諸如車輛間相對速度過高和連接的持續(xù)時間較短等特點，但是車載網(wǎng)絡(luò)中的其它要求在該協(xié)議中并沒有體現(xiàn)。因此，現(xiàn)在所需要關(guān)注的最重要的問題是在移動速度較高和車輛密度較大的條件下802.1lp協(xié)議的MAC層擁塞控制問題。
[0003]在MAC層擁塞控制問題上，車載網(wǎng)的相關(guān)研究者進(jìn)行了大量的工作，主要可以分為以下三類:第一類將重點放在數(shù)據(jù)速率的調(diào)整上。盡管這一方法在理論上是可行的，但是在實際的車載網(wǎng)絡(luò)中受到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。F.Bai等人在[F.Bai，D.StanciI,H.Krishnan Toward Understanding Characteristics of DedicatedShort Range Communication (DSRC) From a Perspective of Vehicular NetworkEngineers, Proceedings of the ACM Annual International Conference on MobileComputing and Networking(M0BIC0M 2010)，pp.329-340，Chicago，September 2010]中通過一系列的實驗研究指出QPSK是唯一一種適合在車載網(wǎng)中使用的數(shù)據(jù)速率調(diào)制方法；第二類將重點放在功率調(diào)整上。M.Torrent-Moreno等人在[M.Torrent-Moreno，J.Mittagj P.Santij H.HartensteinjVehicle-to-Vehicle Communication:Fair TransmitPower Control for Safety-Critical Information, IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol.58，n0.7，pp.3684-3703，September 2009]中廣泛研究了 VANET 中擁塞控制環(huán)境下傳輸功率的影響，并且提出了一系列重要的動態(tài)調(diào)整功率機(jī)制，目標(biāo)是在高密度的車載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下能夠利用較少的功率進(jìn)行信息傳輸。但是為了能夠增加鄰節(jié)點的消息接收概率，需要減少安全消息的覆蓋范圍，而安全消息都有明確的覆蓋范圍要求，因此，功率控制不能一直解決擁塞問題，尤其是在波動的信道條件下需要有特定的功率門限值；第三類是將重點放在最小競爭窗口和物理載波偵聽調(diào)整上，這也是本發(fā)明研究的重點所在。R.Stanica 等人在[R.Stanicaj E.Chaputj A.-L Beylotj Enhancements of IEEE 802.1lpProtocol for Access Control on a VANET Control Channel, Proceedings of theIEEE International Conference on Communications(ICC 201I)，pp.1-5，Kyoto，June2011]中分析了最小競爭窗口對于V2V安全通信的影響，分析結(jié)果表明:應(yīng)該改變當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)中的最小競爭窗口值和退避機(jī)制來保證安全消息的傳輸。文獻(xiàn)[Y.Yang，J.Hou，L.Kung，Modeling the Effect of Transmit Power and Physical Carrier Sense inMult1-Hop Wireless Networks, Proceedings of the IEEE Annual InternationalConference on Computer Communications(INFOCOM 2007)，pp.2331-2335，Anchorage，May2007]指出物理載波偵聽在VANET的研究領(lǐng)域被忽視了，并且指出在WLAN中最優(yōu)的載波偵聽機(jī)制應(yīng)該能夠保證隱藏終端和暴露終端之間的均衡。然而在VANET的CCH信道上所有消息都是以廣播的方式發(fā)送的，因此在CCH上不存在暴露終端。
[0004]眾所周知，IEEE 802.1lDCF在處理大量的競爭站點尤其是在有隱藏終端存在的情況下有效性并不高，而VANET中的安全性廣播對于隱藏終端問題卻十分敏感，并且在CCH上傳輸?shù)亩际呛桶踩嚓P(guān)的廣播消息，因此如何保證在車載網(wǎng)的CCH信道上進(jìn)行有效的廣播消息傳輸是未來智能交通發(fā)展亟需解決的問題。
[0005]針對IEEE 802.1lp MAC層的可擴(kuò)展性問題，研究VANET的組織進(jìn)行了各種各樣的處理。文獻(xiàn)[M.Torrent-Moreno, J.Mittag, P.Santi, H.Hartenstein, Vehicle-to-VehicleCommunication:Fair Transmit Power Control for Safety-Critical Information, IEEETransactions on Vehicular Technology, vol.58, n0.7, pp.3684-3703，September 2009]采取了一種分布式的傳輸功率控制方法(D-FPAV)來保證節(jié)點間傳輸信號的公平性。D-FPAV具體算法為:1.節(jié)點通過統(tǒng)計周圍車輛的地理位置來估算出一個最大的共同傳輸功率，然后將該功率傳輸給周圍的所有車輛，并存儲從周圍節(jié)點收到的最大共同功率值。2.節(jié)點比較自己計算出的最大共同傳輸功率和從周圍節(jié)點收到的最大功率值，取二者中較小者作為自己的傳輸功率。
[0006]在文獻(xiàn)[M.Torrent-Moreno, J.Mittag, P.Santi, H.Hartenstein, Vehicle-to-Vehicle Communication:Fair Transmit Power Control forSafety-Critical Information, IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol.58, n
0.7，pp.3684-3703，September 2009]提出的方案中，當(dāng)由于信道競爭激烈而使節(jié)點接入信道變得困難時，節(jié)點就通過降低自身的傳輸功率來減少由于消息傳輸而造成的干擾范圍。然而，802.1lp標(biāo)準(zhǔn)對于信標(biāo)消息的最小功率有非常嚴(yán)格的限制，因此不能夠一味降低傳輸功率來減少干擾，提高信標(biāo)消息的接收率。
[0007]文獻(xiàn)[van Eenennaam E M, Karagiannis G, Heijenk G J.Towards scalablebeaconing in VANETs[J].2010.]中提出通過改變信標(biāo)消息的生成速率來增加信標(biāo)消息的廣播接收率。文中提出了五種信標(biāo)消息生成速率的方法。其中的三種方法為:1.簡單計時器法:設(shè)計時器的大小為τ，每當(dāng)消息過期時就重置τ的值，τ即為信標(biāo)消息的生成速率；
2.抖動計時器法:τ在[1k-σ,1k+σ]之間取值,其中k為信標(biāo)消息的生成速率；3.地理位
置信標(biāo)生成法:根據(jù)GPS導(dǎo)航?jīng)Q定信標(biāo)消息的生成速率。提高信標(biāo)消息的數(shù)據(jù)速率能夠減少由于隱藏終端帶來的碰撞概率，達(dá)到提高信標(biāo)消息廣播接收率的目的。
[0008]在文獻(xiàn)[van Eenennaam E M, Karagiannis G, Heijenk G J.Towards scalablebeaconing in VANETs[J].2010.]提出的方案中，接收端為了能夠以高數(shù)據(jù)速率順利的接收信標(biāo)消息，需要有一個更高的信噪比。在這種情況下，由于接收端的干擾，發(fā)送端發(fā)出的信標(biāo)消息的覆蓋范圍也會被減少。因此，控制數(shù)據(jù)速率與控制傳輸功率一樣都是受限的。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0009]發(fā)明目的:本發(fā)明針對車輛密度變化較快的車載自組織網(wǎng)絡(luò)MAC層廣播的可擴(kuò)展性問題，提出一種基于安全范圍的載波偵聽隨機(jī)退避方案(Safe Range Carrier SenseRandom Back-off, SR-CSRB),通過將車聯(lián)網(wǎng)的特性考慮在內(nèi)，對物理載波偵聽機(jī)制和原始退避算法進(jìn)行了改進(jìn)，以增加安全范圍內(nèi)的廣播接收概率、減少相鄰位置車輛消息的更新時延。
[0010]技術(shù)方案:
[0011]在本發(fā)明中，針對VANET中CCH上信標(biāo)消息廣播接收率過低的問題，通過建模得出由于隱藏終端而產(chǎn)生的丟包率和由于安全范圍的節(jié)點同時傳輸而造成的丟包率的相對大小關(guān)系，得出安全范圍內(nèi)的消息同時傳輸才是造成丟包的主要因素的結(jié)論，并根據(jù)此結(jié)論提出一種安全范圍內(nèi)的載波偵聽隨機(jī)退避機(jī)制，仿真表明本發(fā)明提出的這種機(jī)制能夠明顯提高VANET中信標(biāo)消息的廣播接收率。
[0012]在車載自組織網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點都會周期性的傳播信標(biāo)消息，或者叫做合作性提醒消息(CAM)，用來和鄰居車輛共享位置，速度，和其它與安全相關(guān)的信息。在周期性消息之外的需要被提醒的消息采取第二種安全性消息提醒架構(gòu)(又叫做分布式環(huán)境警告，DEN)。CAM和DEN對于周邊的所有節(jié)點來說都是有用的，因此它們采取廣播的方式進(jìn)行傳送，并且不允許使用RTS/CTS等控制消息。 [0013]IEEE 802.1lp是一個覆蓋范圍相對較大的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，因此，安全消息對于鄰近節(jié)點來說更加寶貴。故在本發(fā)明中我們不將重點放在整個協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)覆蓋范圍內(nèi)的信標(biāo)消息的可靠性上，而僅僅考慮安全范圍內(nèi)的信標(biāo)消息的可靠性。此外，由于安全性應(yīng)用的特性，我們對傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)衡量指標(biāo)諸如吞吐量和MAC層時延不感興趣，我們只將重點放在信標(biāo)的廣播接收率上。
[0014]信噪比及兩種碰撞概率
[0015]A.信噪比
[0016]如圖1所示，節(jié)點M發(fā)送消息的初始功率為Pms，到達(dá)距離為SFr (安全距離)的節(jié)點N時，它的功率變?yōu)镻ra，則:
[0017]
【權(quán)利要求】
1.VANET中聯(lián)合調(diào)整物理載波偵聽范圍與最小競爭窗口的擁塞控制方案，其特征在于，包括: 首先建模計算安全傳輸范圍內(nèi)的碰撞概率和載波偵聽范圍內(nèi)的碰撞概率，分別為:
2.根據(jù)權(quán)利I所述的聯(lián)合調(diào)整物理載波偵聽范圍與最小競爭窗口的擁塞控制方案，其特征在于:在分析IEEE802.1lpMAC協(xié)議的擁塞控制策略時將重點放在安全傳輸范圍內(nèi)而不是載波偵聽范圍內(nèi)； 根據(jù)信標(biāo)消息的特性(有限的生命周期)，提出一種反二進(jìn)制指數(shù)退避算法(Reverse-BEB),開始時將競爭窗口設(shè)置得較大，每當(dāng)有消息過期時，就將競爭窗口的值減半; 在進(jìn)行載波偵聽時采取基于距離的策略，只有節(jié)點足夠近，產(chǎn)生干擾的能量足夠大時，才采取經(jīng)典的CSMA方式。
【文檔編號】H04W74/08GK103686843SQ201310693466
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月9日
【發(fā)明者】宋文廣, 劉委婉, 趙海濤, 李大鵬 申請人:鎮(zhèn)江青思網(wǎng)絡(luò)科技有限公司