一種基于概率預(yù)測(cè)的退避方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于概率預(yù)測(cè)的退避方法，該方法通過(guò)建立Markov鏈模型，從理論上推導(dǎo)出信標(biāo)消息的碰撞概率和過(guò)期概率隨最小競(jìng)爭(zhēng)窗口的變化關(guān)系，保證廣播消息的接收率達(dá)到最佳；針對(duì)傳統(tǒng)車載自組織網(wǎng)絡(luò)退避方法退避因素過(guò)于單一，退避階數(shù)幅度過(guò)大等問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于概率預(yù)測(cè)的退避方法(簡(jiǎn)稱CEB)，該方法是基于信標(biāo)消息碰撞概率、過(guò)期概率與競(jìng)爭(zhēng)窗口值的關(guān)系這一思想提出的，根據(jù)碰撞概率和過(guò)期概率的相對(duì)大小線性調(diào)整競(jìng)爭(zhēng)窗口值；該方法在廣播消息的接收率和平均到達(dá)時(shí)延方面的性能均有所提升，且信道接入的公平性也得到了優(yōu)化，能夠保證緊急廣播消息接入信道的優(yōu)先權(quán)。
【專利說(shuō)明】—種基于概率預(yù)測(cè)的退避方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及車載自組織網(wǎng)絡(luò)中基于概率預(yù)測(cè)的退避方法，屬于網(wǎng)絡(luò)通訊【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，車載自組織網(wǎng)絡(luò)已逐步成為解決各種交通問(wèn)題的新途徑，并且近年來(lái)得到了大力發(fā)展，其中安全應(yīng)用作為其基礎(chǔ)應(yīng)用，主要用來(lái)解決交通事故、提供交通預(yù)警等。安全應(yīng)用對(duì)廣播消息的接收率及平均到達(dá)時(shí)延要求極高，但是由于車載自組織網(wǎng)絡(luò)IEEE802.1lp 協(xié)議中傳統(tǒng)二進(jìn)制指數(shù)退避方法(Binary Exponentially Backoff, BEB)的局限性，導(dǎo)致其性能不能滿足安全應(yīng)用的要求。
[0003]1990年IEEE802標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)成立IEEE802.11無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)工作組。該標(biāo)準(zhǔn)定義了無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)的物理層和媒體訪問(wèn)控制(MAC)規(guī)范，主要用于解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中，用戶與用戶終端的無(wú)線接入，業(yè)務(wù)主要限于數(shù)據(jù)存取。由于該協(xié)議傳輸速率最高只能達(dá)到2Mbps，所以業(yè)務(wù)主要被用于數(shù)據(jù)的存取。
[0004]IEEE802.1lp(WAVE)是一個(gè)由IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)充的通信協(xié)議，主要用于車載通信系統(tǒng)。車載網(wǎng)中的通信大致可以分為交通安全、交通效率和服務(wù)價(jià)值(例如娛樂(lè)或商業(yè)服務(wù)等)幾種類型[3]。802.1lp標(biāo)準(zhǔn)從美國(guó)專用短程通信標(biāo)準(zhǔn)(Dedicated Short RangeCommunicat1ns，簡(jiǎn)稱DSRC)演化而來(lái)。DSRC是專為車輛間的短程通信設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)。最近幾年，美國(guó)的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和政府部門積極在DSRC頻譜上部署和發(fā)展無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議，即車載環(huán)境無(wú)線接入(Wireless Access in Vehicular Environment,簡(jiǎn)稱 WAVE)。
[0005]在DSRC中，5.9GHz頻域上的75MHz帶寬被分配專門用來(lái)給車輛與車輛(Vehicle-to-Vehicle, V2V)和車輛與路邊基礎(chǔ)設(shè)施(Vehicle-to-1nfrastructure,簡(jiǎn)稱V2I)之間進(jìn)行通信，其主要目的在于保證車輛環(huán)境下的公共安全應(yīng)用及防止交通事故和提高交通效率。這些帶寬被劃分為7個(gè)帶寬為1MHz的信道:一個(gè)控制信道(ControlChannel，簡(jiǎn)稱CCH)用來(lái)廣播有關(guān)安全的廣播消息，其余六個(gè)為服務(wù)信道(ServiceChannel,簡(jiǎn)稱SCH), SCHs既可用于安全通信,也可用于非安全應(yīng)用。
[0006]目前，針對(duì)車載自組織網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性問(wèn)題，研究VANET的組織進(jìn)行了各種各樣的處理。例如:Rawat D B等人在文獻(xiàn)RAWAT D B, P0PESCU D C，YAN G, etal.Enhancing VANET performance by joint adaptat1n of transmiss1n power andcontent1n window size[J].Parallel and Distributed Systems, IEEE Transact1nson, 2011，22(9): 1528-1535.中提出聯(lián)合調(diào)整傳輸功率和競(jìng)爭(zhēng)窗口值來(lái)增強(qiáng)VANET性能的方法。該方案的缺點(diǎn)是:當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)好時(shí)，就將當(dāng)前的競(jìng)爭(zhēng)窗口值減半。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)差時(shí)，就將當(dāng)前的競(jìng)爭(zhēng)窗口值加倍。但是如何衡量網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的好壞是該方案的一個(gè)瓶頸。此外，根據(jù)傳輸范圍估算來(lái)調(diào)整傳輸功率也會(huì)帶來(lái)一定的誤差。
[0007]目前，Razvan Stanica 等人在文獻(xiàn) STANICA R, CHAPUT E, BEYLOT AL.Enhancements of ieee802.1lp protocol for access control on a vanetcontrolchannel[C]//Communicat1ns(ICC) , 2011 IEEE Internat1nal Conferenceon.1EEE, 2011:1-5.中根據(jù)信標(biāo)消息具有過(guò)期性的特點(diǎn)，提出了反二進(jìn)制指數(shù)退避(Reserve Binary Exponentially Backoff, RBEB)方法。該方案的缺點(diǎn)是，每當(dāng)站點(diǎn)中有消息過(guò)期時(shí)，就將競(jìng)爭(zhēng)窗口值減半。每當(dāng)站點(diǎn)成功傳輸一個(gè)消息時(shí)，就將競(jìng)爭(zhēng)窗口值恢復(fù)。這種做法均不能很好地反映當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀況。首先是決定退避的因素過(guò)于單一，再者，采用指數(shù)退避的方式退避階層過(guò)大，與實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)差距較大。而本發(fā)明能夠很好地解決上面的問(wèn)題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明目的在于提供一種應(yīng)用于車載自組織網(wǎng)絡(luò)媒體接入過(guò)程的退避方法，該方法針對(duì)傳統(tǒng)方法中廣播消息接收率低的問(wèn)題，通過(guò)建立Markov鏈模型，從理論上推導(dǎo)出信標(biāo)消息的碰撞概率和過(guò)期概率隨最小競(jìng)爭(zhēng)窗口的變化關(guān)系，保證廣播消息的接收率達(dá)到最佳；針對(duì)傳統(tǒng)車載自組織網(wǎng)絡(luò)退避方法退避因素過(guò)于單一，退避階數(shù)幅度過(guò)大等問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于概率預(yù)測(cè)的退避方法(簡(jiǎn)稱CEB)，該方法是基于信標(biāo)消息碰撞概率、過(guò)期概率與競(jìng)爭(zhēng)窗口值的關(guān)系這一思想提出的，根據(jù)碰撞概率和過(guò)期概率的相對(duì)大小線性調(diào)整競(jìng)爭(zhēng)窗口值。該方法在廣播消息的接收率和平均到達(dá)時(shí)延方面的性能均有所提升，且信道接入的公平性也得到了優(yōu)化，能夠保證緊急廣播消息接入信道的優(yōu)先權(quán)。
[0009]方法流程:
[0010]步驟1:將時(shí)間分成周期性的觀察間隔01，每個(gè)01設(shè)定為一個(gè)信標(biāo)消息周期，每過(guò)一個(gè)01就統(tǒng)計(jì)當(dāng)前的過(guò)期消息數(shù)目并將當(dāng)前區(qū)域內(nèi)的值清空。
[0011]步驟2:每個(gè)節(jié)點(diǎn)在MAC幀頭部增加一個(gè)統(tǒng)計(jì)過(guò)期消息數(shù)的區(qū)域，用于統(tǒng)計(jì)由于信道繁忙或退避時(shí)間較長(zhǎng)而過(guò)期的消息數(shù)mi，并設(shè)定合理的過(guò)期消息數(shù)門限mO (mO為經(jīng)過(guò)多次仿真后取得的合理值)，計(jì)算d = mi/m0。
[0012]步驟3:當(dāng)mi小于mO時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的丟包主要由消息的碰撞導(dǎo)致，為了提高廣播的接收率應(yīng)該增加競(jìng)爭(zhēng)窗口 CW的值，Cff = Cffinit/d ；
[0013]步驟4:當(dāng)mi大于mO時(shí)，認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)中的丟包主要由消息過(guò)期導(dǎo)致，此時(shí)應(yīng)該減小競(jìng)爭(zhēng)窗口 CW 的值，Cff = Cffinit/d ；
[0014]步驟5:當(dāng)過(guò)期消息數(shù)為mO時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)窗口的值保持不變。
[0015]步驟6:如果 CW〈 = 3，則取 CW = 3 ;如果 CW> = 1023，則取 CW = 1023。
[0016]有益效果:
[0017]1、本發(fā)明通過(guò)優(yōu)化退避機(jī)制來(lái)降低信標(biāo)消息傳送過(guò)程中信道競(jìng)爭(zhēng)程度，提高了信標(biāo)消息的廣播接收率，降低了平均到達(dá)時(shí)延，有效地提高了車載網(wǎng)中安全消息的可靠傳輸。
[0018]2、本發(fā)明合理地為競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)分配信道，保證節(jié)點(diǎn)接入信道的公平性和有效性，降低消息的碰撞概率。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為本發(fā)明信標(biāo)消息的馬爾科夫鏈(當(dāng)t = T時(shí)消息過(guò)期)示意圖。
[0020]圖2為本發(fā)明的廣播接收率變化示意圖。
[0021]圖3為本發(fā)明廣播平均到達(dá)時(shí)延變化示意圖。
[0022]圖4為本發(fā)明的方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合說(shuō)明書附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0024]實(shí)施例一
[0025]如圖4所示，本發(fā)明提供一種基于概率預(yù)測(cè)的退避方法，該方法是根據(jù)信標(biāo)消息的過(guò)期概率/碰撞概率與競(jìng)爭(zhēng)窗口值的關(guān)系調(diào)整退避過(guò)程中的競(jìng)爭(zhēng)窗口大小，包括如下步驟:
[0026]步驟1:通過(guò)建立馬爾科夫鏈模型分析信標(biāo)消息的退避過(guò)程，得到如下結(jié)論:當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)窗口在一個(gè)較小范圍時(shí)，消息的碰撞概率大于過(guò)期概率，而碰撞概率會(huì)隨著競(jìng)爭(zhēng)窗口的增大而減小，因此為了增加廣播的接收率應(yīng)該增加競(jìng)爭(zhēng)窗口的值；當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)窗口處于較大值范圍時(shí)，消息的過(guò)期概率占主要成分，而過(guò)期概率會(huì)隨著競(jìng)爭(zhēng)窗口值的增大而增大，所以為了增加廣播的接收率，此時(shí)應(yīng)該減小競(jìng)爭(zhēng)窗口的值；當(dāng)消息的碰撞概率與過(guò)期概率達(dá)到均衡時(shí)，廣播接收率達(dá)到最大值。最優(yōu)的競(jìng)爭(zhēng)窗口應(yīng)該能夠保證消息的碰撞概率和過(guò)期概率之間的均衡。
[0027]步驟2:根據(jù)步驟I所得結(jié)論，提出一種基于碰撞概率和過(guò)期概率相對(duì)大小的退避方法CEB，該方法更能反映信道真實(shí)情況。
[0028]步驟3:本發(fā)明所述CEB方法具體流程為:將時(shí)間分成周期性的觀察間隔01，每個(gè)OI設(shè)定為一個(gè)信標(biāo)消息周期，每過(guò)一個(gè)OI就統(tǒng)計(jì)當(dāng)前的過(guò)期消息數(shù)目并將當(dāng)前區(qū)域內(nèi)的值清空；每個(gè)節(jié)點(diǎn)在MAC幀頭部增加一個(gè)統(tǒng)計(jì)過(guò)期消息數(shù)的區(qū)域，用于統(tǒng)計(jì)由于信道繁忙或退避時(shí)間較長(zhǎng)而過(guò)期的消息數(shù)mi，并設(shè)定合理的過(guò)期消息數(shù)門限mO (mO為經(jīng)過(guò)多次仿真后取得的合理值)，計(jì)算d = mi/mO。
[0029]步驟4:根據(jù)步驟3得到mi與mO的大小關(guān)系，當(dāng)mi小于mO時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的丟包主要由消息的碰撞導(dǎo)致，為了提高廣播的接收率應(yīng)該增加競(jìng)爭(zhēng)窗口 CW的值，Cff = Cffinit/d ；當(dāng)mi大于mO時(shí)，認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)中的丟包主要由消息過(guò)期導(dǎo)致，此時(shí)應(yīng)該減小競(jìng)爭(zhēng)窗口 CW的值，Cff = Cffinit/d ;當(dāng)過(guò)期消息數(shù)為mO時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)窗口的值保持不變。
[0030]步驟5:采用VanetMobiSiml.1和NS2.35對(duì)本發(fā)明所述CEB方法進(jìn)行聯(lián)合仿真，分析比較本發(fā)明所述CEB方法與BEB、RBEB方法的廣播接收率，結(jié)果表明本發(fā)明所述CEB方法更能夠根據(jù)當(dāng)前的信道情況進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)窗口值的調(diào)整，使得當(dāng)前的競(jìng)爭(zhēng)窗口值能夠最大化反應(yīng)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中信道的競(jìng)爭(zhēng)情況。本發(fā)明所述CEB方法在提高廣播接收率的同時(shí)也帶來(lái)了信標(biāo)平均到達(dá)時(shí)延性能的提升，本發(fā)明所述CEB方法的最小競(jìng)爭(zhēng)窗口是線性變化的，能夠較好的反映當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中信道的競(jìng)爭(zhēng)情況。
[0031]實(shí)施例二
[0032]IEEE802.1lp的MAC層采用的基本接入?yún)f(xié)議是基于IEEE802.11的DCF機(jī)制，該機(jī)制不區(qū)分消息的優(yōu)先級(jí)，節(jié)點(diǎn)應(yīng)該在指定的時(shí)間間隔內(nèi)，利用載波監(jiān)聽機(jī)制來(lái)判斷信道是否空閑，通過(guò)退避減少消息間的碰撞；DCF機(jī)制的核心是帶沖突檢測(cè)的載波偵聽多址接入(CSMA/CA)協(xié)議及隨機(jī)退避機(jī)制。當(dāng)某個(gè)站點(diǎn)需要傳輸數(shù)據(jù)分組時(shí)，它首先偵聽信道直到檢測(cè)到信道的空閑時(shí)長(zhǎng)達(dá)到DIFS為止。在這DIFS媒體空閑時(shí)間之后，節(jié)點(diǎn)開始在[O, Cffmin -1]之間隨機(jī)選擇時(shí)間進(jìn)行退避，當(dāng)退避計(jì)數(shù)器為O時(shí)節(jié)點(diǎn)開始傳輸數(shù)據(jù)分組。為了解決V2V通信模式下信標(biāo)消息廣播接收率過(guò)低的問(wèn)題，針對(duì)車載網(wǎng)中信標(biāo)消息的特性，本發(fā)明提出一種基于碰撞消息概率和過(guò)期消息概率的退避方法(簡(jiǎn)稱CEB)。由于無(wú)法統(tǒng)計(jì)分組丟失中的碰撞消息數(shù)，在本發(fā)明采取一種折中的方法:每個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)根據(jù)本節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)的過(guò)期消息數(shù)目與預(yù)先設(shè)定的過(guò)期消息數(shù)門限的比值動(dòng)態(tài)調(diào)整最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值，達(dá)到提高車載網(wǎng)中廣播接收率的目的。
[0033]1.Markov建模分析信標(biāo)消息性能
[0034]為了能夠更好地理解信標(biāo)消息的特性(考慮信標(biāo)消息具有有限的生命時(shí)長(zhǎng))，通過(guò)建立如圖1所示的馬爾科夫鏈模型進(jìn)行分析。
[0035]馬爾科夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于概率預(yù)測(cè)的退避方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: 步驟1:將時(shí)間分成周期性的觀察間隔01，每個(gè)OI設(shè)定為一個(gè)信標(biāo)消息周期，每過(guò)一個(gè)OI就統(tǒng)計(jì)當(dāng)前的過(guò)期消息數(shù)目并將當(dāng)前區(qū)域內(nèi)的值清空； 步驟2:每個(gè)節(jié)點(diǎn)在MAC幀頭部增加一個(gè)統(tǒng)計(jì)過(guò)期消息數(shù)的區(qū)域，用于統(tǒng)計(jì)由于信道繁忙或退避時(shí)間較長(zhǎng)而過(guò)期的消息數(shù)mi，并設(shè)定合理的過(guò)期消息數(shù)門限m0，計(jì)算d = mi/m0 ； 步驟3:當(dāng)mi小于mO時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的丟包由消息的碰撞導(dǎo)致；增加競(jìng)爭(zhēng)窗口 CW的值，Cff=Cffinit/d ； 步驟4:當(dāng)mi大于mO時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的丟包由消息過(guò)期導(dǎo)致，此時(shí)減小競(jìng)爭(zhēng)窗口 CW的值，Cff = Cffinit/d ； 步驟5:當(dāng)過(guò)期消息數(shù)為mO時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)窗口的值保持不變； 步驟6:如果CW〈 = 3，則取CW = 3 ;如果CW> = 1023，則取CW = 1023。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于概率預(yù)測(cè)的退避方法，其特征在于:所述方法是根據(jù)信標(biāo)消息的過(guò)期概率、碰撞概率與競(jìng)爭(zhēng)窗口值的關(guān)系調(diào)整退避過(guò)程中的競(jìng)爭(zhēng)窗口大小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于概率預(yù)測(cè)的退避方法，其特征在于:所述方法的最小競(jìng)爭(zhēng)窗口是線性變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于概率預(yù)測(cè)的退避方法，其特征在于:所述方法的最優(yōu)競(jìng)爭(zhēng)窗口能保證消息的碰撞概率和過(guò)期概率之間均衡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于概率預(yù)測(cè)的退避方法，其特征在于:所述方法是通過(guò)建立馬爾科夫鏈模型分析信標(biāo)消息的退避過(guò)程。
【文檔編號(hào)】H04W74/08GK104080190SQ201410326769
【公開日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月9日
【發(fā)明者】趙海濤, 張偉, 劉南杰, 朱洪波 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)