Vanet中聯合調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】本發明針對車輛密度變化較快的車載自組織網絡MAC層廣播的可擴展性問題，提出一種基于安全范圍的載波偵聽隨機退避方案（Safe?Range?Carrier?Sense?Random?Back-off，SR-CSRB），通過將車聯網的特性考慮在內，對物理載波偵聽機制和原始退避算法進行了改進，以增加一跳鄰節點范圍內信標消息廣播接收率為目的，提出一種安全范圍內的載波偵聽隨機退避機制（SR-CSRB），SR-CSRB改變了傳統的物理載波偵聽機制，通過引入控制碰撞的概念，減少了近鄰節點同時傳輸消息的概率，并且利用捕獲效應提高了近鄰節點的廣播接收率，仿真結果也表明這種新的信道接入機制相對于傳統的CSMA具有明顯的優越性。
【專利說明】VANET中聯合調整物理載波偵聽范圍與最小競爭窗口的擁塞控制方案
【技術領域】
[0001]本發明屬于智能交通領域，具體涉及智能交通中信息傳播領域。
【背景技術】
[0002]車輛與車輛之間的通信是作為未來智能交通系統一個很重要的因素而出現的，尤其是考慮到加強道路安全方面。VANET將允許快速的安全消息分發，增加司機對于視線外交通狀態的認知。在歐洲和美國，5.9GHz的頻譜已經分配用來進行車輛通信。在IEEE 802.11產品的基礎上，IEEE 802.11任務組p在2010年發布了一個修訂版，這個版本是專門為車聯網環境下的無線接入(WAVE)所制定的標準。盡管IEEE 802.1lp協議考慮到了 VANET中諸如車輛間相對速度過高和連接的持續時間較短等特點，但是車載網絡中的其它要求在該協議中并沒有體現。因此，現在所需要關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協議的MAC層擁塞控制問題。
[0003]在MAC層擁塞控制問題上，車載網的相關研究者進行了大量的工作，主要可以分為以下三類:第一類將重點放在數據速率的調整上。盡管這一方法在理論上是可行的，但是在實際的車載網絡中受到了嚴峻的挑戰。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中使用的數據速率調制方法；第二類將重點放在功率調整上。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 中擁塞控制環境下傳輸功率的影響，并且提出了一系列重要的動態調整功率機制，目標是在高密度的車載網絡環境下能夠利用較少的功率進行信息傳輸。但是為了能夠增加鄰節點的消息接收概率，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整上，這也是本發明研究的重點所在。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，分析結果表明:應該改變當前標準中的最小競爭窗口值和退避機制來保證安全消息的傳輸。文獻[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的研究領域被忽視了，并且指出在WLAN中最優的載波偵聽機制應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上傳輸的都是和安全相關的廣播消息，因此如何保證在車載網的CCH信道上進行有效的廣播消息傳輸是未來智能交通發展亟需解決的問題。
[0005]針對IEEE 802.1lp MAC層的可擴展性問題，研究VANET的組織進行了各種各樣的處理。文獻[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)來保證節點間傳輸信號的公平性。D-FPAV具體算法為:1.節點通過統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，并存儲從周圍節點收到的最大共同功率值。2.節點比較自己計算出的最大共同傳輸功率和從周圍節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[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，當由于信道競爭激烈而使節點接入信道變得困難時，節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標準對于信標消息的最小功率有非常嚴格的限制，因此不能夠一味降低傳輸功率來減少干擾，提高信標消息的接收率。
[0007]文獻[van Eenennaam E M, Karagiannis G, Heijenk G J.Towards scalablebeaconing in VANETs[J].2010.]中提出通過改變信標消息的生成速率來增加信標消息的廣播接收率。文中提出了五種信標消息生成速率的方法。其中的三種方法為:1.簡單計時器法:設計時器的大小為τ，每當消息過期時就重置τ的值，τ即為信標消息的生成速率；
2.抖動計時器法:τ在[1k-σ,1k+σ]之間取值,其中k為信標消息的生成速率；3.地理位
置信標生成法:根據GPS導航決定信標消息的生成速率。提高信標消息的數據速率能夠減少由于隱藏終端帶來的碰撞概率，達到提高信標消息廣播接收率的目的。
[0008]在文獻[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據速率順利的接收信標消息，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，發送端發出的信標消息的覆蓋范圍也會被減少。因此，控制數據速率與控制傳輸功率一樣都是受限的。
【發明內容】
[0009]發明目的:本發明針對車輛密度變化較快的車載自組織網絡MAC層廣播的可擴展性問題，提出一種基于安全范圍的載波偵聽隨機退避方案(Safe Range Carrier SenseRandom Back-off, SR-CSRB),通過將車聯網的特性考慮在內，對物理載波偵聽機制和原始退避算法進行了改進，以增加安全范圍內的廣播接收概率、減少相鄰位置車輛消息的更新時延。
[0010]技術方案:
[0011]在本發明中，針對VANET中CCH上信標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生的丟包率和由于安全范圍的節點同時傳輸而造成的丟包率的相對大小關系，得出安全范圍內的消息同時傳輸才是造成丟包的主要因素的結論，并根據此結論提出一種安全范圍內的載波偵聽隨機退避機制，仿真表明本發明提出的這種機制能夠明顯提高VANET中信標消息的廣播接收率。
[0012]在車載自組織網絡中，每個節點都會周期性的傳播信標消息，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(又叫做分布式環境警告，DEN)。CAM和DEN對于周邊的所有節點來說都是有用的，因此它們采取廣播的方式進行傳送，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議標準，因此，安全消息對于鄰近節點來說更加寶貴。故在本發明中我們不將重點放在整個協議標準覆蓋范圍內的信標消息的可靠性上，而僅僅考慮安全范圍內的信標消息的可靠性。此外，由于安全性應用的特性，我們對傳統的網絡衡量指標諸如吞吐量和MAC層時延不感興趣，我們只將重點放在信標的廣播接收率上。
[0014]信噪比及兩種碰撞概率
[0015]A.信噪比
[0016]如圖1所示，節點M發送消息的初始功率為Pms，到達距離為SFr (安全距離)的節點N時，它的功率變為Pra，則:
[0017]
【權利要求】
1.VANET中聯合調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的碰撞概率和載波偵聽范圍內的碰撞概率，分別為:
2.根據權利I所述的聯合調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協議的擁塞控制策略時將重點放在安全傳輸范圍內而不是載波偵聽范圍內； 根據信標消息的特性(有限的生命周期)，提出一種反二進制指數退避算法(Reverse-BEB),開始時將競爭窗口設置得較大，每當有消息過期時，就將競爭窗口的值減半; 在進行載波偵聽時采取基于距離的策略，只有節點足夠近，產生干擾的能量足夠大時，才采取經典的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 優先權日:2013年9月9日
【發明者】宋文廣, 劉委婉, 趙海濤, 李大鵬 申請人:鎮江青思網絡科技有限公司