VANET/LTE-Advanced異構網絡中基于協議序列-IEEE 802.11p的信道接入機制

徐哲鑫，蔡苓玲，林 瀟，吳 怡

（福建師范大學光電與信息工程學院 福州 350007）

1 引言

隨著無線通信技術和計算機技術的高速發展，車載自組織網絡（vehicular Ad Hoc network，VANET）作為智能交通系統（intelligent transportation system，ITS）的重要組成部分，已經得到學術界和工業界的廣泛關注[1～3]。然而，VANET的高動態的拓撲動態性、高速的節點移動性、短暫的鏈路連通性、數據類型的多樣性及自組織通信等特有屬性，使得VANET的信息傳輸能力面臨新的挑戰。另外，VANET中節點的單跳通信范圍通常只有幾百米，因此節點除了具備數據收發功能，還需具備路由功能，可以采用多跳的方式將數據轉發到更遠的車輛上[4]。一般而言，VANET更適合在短距離通信中使用，實現與附近車輛的信息交互，而車輛節點間進行中遠距離的傳輸則可利用現有的移動通信網[5]。

現有移動通信網中，LTE-Advanced（以下簡稱LTE-A）作為LTE的演進版本，滿足國際電信聯盟（ITU）對4G的1 Gbit/s的峰值要求，其商用部署也不斷加快，截至2015年7月，全球已有60個國家和地區的131家運營商投資LTE-A部署。LTE-A實際上是技術集合，包含了LTE R10以及后續版本中的多項技術，如載波聚合、高階MIMO、D2D(device-to-device)、增 強 小 區 間 干 擾 協 調 等[6,7]。D2D是指在LTE-A網絡的eNode B控制下，通過重用宏蜂窩用戶資源實現端到端直接通信，降低了用戶間通信的時延及開銷，提高通信有效性。由此可見，eNode B除了要提供傳統蜂窩通信的功能，還要控制和管理D2D通信資源的分配和使用，無疑增加了eNode B的負擔。可將VANET中的技術引入LTE-A的D2D部分，利用VANET的自組織特性提高車輛節點通信效率和靈活性，優化網絡資源分配，從而構成VANET/LTE-A異構網絡。

本文將重點研究VANET/LTE-A異構網絡中D2D部分（即VANET）的車輛節點信道接入機制。VANET中節點信道接入機制總體上可以分成“基于競爭”及“基于調度”兩大類[8～10]。傳統的觀點認為，“基于調度”機制并不適合于VANET[8]（如TDMA），因為該機制需要事先為節點預訂時隙，并且時間幀中時隙個數固定，不適用于拓撲動態變化的VANET。因此，“基于競爭”的信道接入機制更受到青睞，其中IEEE 802.11p就是一種經典的“基于競爭”的VANET MAC層協議[11]，得到廣泛的研究[12,13]。但IEEE 802.11p隨機接入的本質屬性導致了節點接入信道時延的無界性，只能從概率意義上預測接入[10,14]，這對于車輛安全方面信息的傳輸是致命的缺陷。針對“基于競爭”機制的這一缺陷，Wong等人[9,10]再次從“基于調度”的角度出發，提出基于協議序列的MAC接入機制，證明了在使用用戶保障（user irrepressible，UI）序列時可實現節點接入信道時延的有界性，從而一定程度上克服了“基于競爭”機制的缺陷。另外，參考文獻[10]中提出的基于GNSS的序列分配機制，解決了傳統“基于調度”機制中節點個數無法確定，需要集中式管理的問題。

然而，“基于調度”的協議序列的信道接入機制并非在所有情況下都優于“基于競爭”的IEEE 802.11p MAC協議，本文將構建IEEE 802.11p的UI序列等效模型，深入剖析各自的優劣及其成因，并由此在IEEE 802.11p MAC協議的框架下提出基于協議序列-IEEE 802.11p的信道接入機制，將“基于調度”信道接入與“基于競爭”信道接入結合，融合兩者的優勢，同時緩解各自的缺陷。

2 VANET/LTE-A異構網絡及其信道接入機制

如圖1所示，本文提出的異構網絡系統由VANET和LTE-A構成，車輛節點即該網絡的“用戶”，使用車載單元（on board unit，OBU）通信。車載單元具有VANET和LTE-A兩種接口模塊，既可以與其他OBU直接通信獲得VANET服務，也可以與eNode B通信獲得LTE-A服務。從LTE-A的角度看，VANET構成了其D2D部分，利用靈活的VANET架構滿足車輛拓撲動態變化下的節點數據傳輸需求，同時緩解了LTE-A中資源受限問題；從VANET角度看，LTE-A構成其V2I部分，利用強大的LTE-A核心網提供更豐富的數據服務內容以及遠程通信距離。

圖1 VANET/LTE-A異構網絡系統架構

VANET/LTE-A異構網絡中車輛間通信所使用的頻段及信道分配總體沿用IEEE 802.11p的規范，如圖2所示，仍使用5.9 GHz頻段，總帶寬75 MHz。由7個信道組成，每個信道10 MHz，其中，Ch178為控制信道，剩余6個為服務信道。

圖2 VANET/LTE-A頻段和信道分配

異構網絡在接入模式及信道使用上有所改進，具體如下。

（1）接入模式方面

在接入模式方面，Ch172～176保持IEEE 802.11p的接入模式，即EDCA模式，顯然也支持DCF模式，合并簡稱IEEE 802.11p模式；而Ch178～184采用基于用戶保障序列的接入模式，簡稱UI模式。

在UI模式中，協議序列僅是一串由0和1組成的二進制序列，如100100100。但從通信的角度看，當每一位二進制數表示一個時隙，并令0表示接收時隙、1表示發送時隙時，一個協議序列就代表了一種MAC層信道時隙使用的模式，并且該模式是確定性的。通過合理地設計協議序列，并將一個協議序列分配給一個節點就相當于完成了時隙的分配[10]。已經可以證明[9]，UI序列能保證每個用戶在一個序列周期內至少成功發送一個時隙，這種確定性的時隙使用模式也使接入時延、網絡吞吐量等性能可控。

更關鍵的是基于協議序列的信道接入是無反饋的，節點無須監聽信道也無須交互信標幀，直接按照序列中0和1位置決定是否發送數據即可，這將大大降低網絡開銷，很符合VANET鏈路生存期短的特點。因此，將控制系統運作的Ch178設定為UI模式。

同時，由于UI模式不需要信道監聽以及隨機退避等措施，簡單易行，因此硬件成本將低于IEEE 802.11p模式。考慮到更高頻段硬件設計的難度和成本會比低頻段的高，因此將3個相對高頻的服務信道Ch180、Ch182、Ch184也設定為UI模式。然而，UI模式相對于IEEE 802.11p模式的優勢是以降低吞吐量為代價的，因此在該系統的3個低頻段信道Ch172、Ch174、Ch176依然使用IEEE 802.11p模式，從而形成協議序列-IEEE 802.11p混合模式，實現吞吐量和數據發送時延的權衡。本文后續部分將通過分析并比較UI模式與IEEE 802.11p模式之間的優劣，說明協議序列-IEEE 802.11p模式的有效性。

（2）信道使用方面

在信道使用方面，將7個信道分成4組：A組為Ch178；B組為Ch172及Ch184，這兩個信道分別標識為B1、B2，負責安全信息傳輸；C組為Ch174及Ch180，這兩個信道分別標識為C1、C2；D組為Ch176及Ch182，這兩個信道分別標識為D1、D2，C和D兩組將用于業務數據傳輸。這樣，服務信道組中同一數據流將對應一組信道，即同時在兩個信道上發送，數據流發送端等效框圖如圖3所示。

圖3 服務信道組中數據流發送端等效框圖

數據流緩存中數據分組以隊列的形式依次等待發送。數據分組可在所處的信道組中的兩個信道同時發送或其中之一發送，這取決于節點在該信道是否獲得發送機會。以IEEE 802.11p模式為例，若節點退避結束并發現信道空閑，則提取一個數據分組并經過物理層處理后發送，否則隊列中數據分組處于等待狀態，這就相當于在數據緩存隊列與IEEE 802.11p模式緩存單元之間設置受控開關，觸發時機由EDCA或DCF機制決定。同理，UI模式的發送機制也類似，等效為在數據緩存隊列與IEEE 802.11p模式緩存單元之間設置受控開關，觸發時機由UI序列中的0和1決定。每個節點使用的UI序列由節點所屬的eNode B根據小區當前用戶數生成并分配。

若兩個信道在同一時隙均獲得數據分組的發送機會，則分別提取一個數據分組，提取時延由硬件決定，通常可忽略不計，因此可以認為兩種模式同時提取數據分組，并經物理層處理后發送。

3 UI模式及IEEE 802.11p模式建模及分析

本節將對UI模式及IEEE 802.11p模式從用戶吞吐量、平均數據分組發送時延等方面進行建模，并構建IEEE 802.11p對應的UI等效模型，從而推導基于協議序列-IEEE 802.11p的信道接入機制的各項性能指標表達式。

需要說明的是，該部分重點比較“基于競爭”和“基于調度”的模式之間的性能優劣，因此IEEE 802.11p模式中采用DCF與UI模式對比，采用EDCA與UI模式對比的結論也類似。

3.1 用戶平均吞吐量

網絡中每個節點更關心自身數據發送情況，因此用戶吞吐量比系統吞吐量更為重要。用戶吞吐量定義為單位時間內每個用戶平均發送的數據量大小，等于系統吞吐量與用戶數的商。

UI模式下，設當前小區用戶數為K，則系統平均吞吐量為S=Kf(1-f)K-1[15]，因此用戶平均吞吐量為：

DCF模式下，系統平均吞吐量可參見參考文獻[16]，表示為。

綜上所述，可得到基于協議序列-IEEE 802.11p信道接入機制將轉化為UI-DCF模式，其吞吐量表達式為：

即兩個信道吞吐量之和。

3.2 平均數據分組發送時延

平均數據分組發送時延可表示為一個節點每成功發送一個數據分組所耗費的時間[17]。

UI模式下，節點的介質訪問時延很短并且是有界的[9,10,15]，即節點的兩個成功發送時隙之間的間隔很短。由于UI序列的特性，能保證節點在一個序列周期L內至少能獲得一個成功發送時隙，并且在概率意義下的表達式為：

該值的數量級通常在幾百微秒到幾毫秒。然而需要注意的是，節點每次成功接入信道時，實際只獲得一個時隙的發送持續時間。在IEEE 802.11p的規范下，每個時隙發送 數 據 量 為24～216 bit，PSDU范 圍 在0～4 KB，UI模 式 下節點成功發完一個數據分組所需的時間不一定都短，特別是在大數據分組時這一現象更加突出。因此，還需要關注UI模式下平均數據分組發送時延這一指標，表示為設每個數據分組大小為bpbit，則

需要說明的是，用戶平均吞吐量和平均數據分組發送時延是一一對應的，因此實際上分析用戶平均吞吐量即可推斷平均數據分組發送時延的性能，反之亦然。但使用平均數據分組發送時延評估性能時，可將DCF模式和UI-DCF模式轉化為等效的UI模式，從而可直觀得到三者間的性能差異。以DCF模式為例，平均數據分組發送時延為的DCF模式可等效為介質訪問時延為的UI模式。由此也可以看出，若不變，數據分組大小bp直接決定系統性能，其效果與前述bp對吞吐量的影響分析中所得到的結論相同。

4 仿真分析

根據圖1系統架構利用MATLAB構建仿真場景。設eNode B所覆蓋的道路內車輛節點個數變化范圍為5～70。UI序列集合由eNode B根據車輛節點個數以q=2p-1的規則生成素數序列(generalized prime sequences,GPS)[10]，同時UI極限情況將給出理論值。DCF模式的具體參數設置見表1。

在節點個數為10、信道速率為6 Mbit/s的情況下，UI模式、DCF模式以及UI-DCF模式的用戶吞吐量和平均數據分組發送時延分別如圖4所示。可以看出，在UI模式下，給定用戶數時，用戶吞吐量保持恒定，這與本文對應的式（1）的結論吻合。定性上還可以理解為當給定用戶數時，序列集合唯一確定，從而序列中“1”的個數（即發送時隙數）唯一確定。用戶間采用的是確定性接入方式，每個序列周期所處的成功發送周期和被碰撞的時隙均相同，因此可保持吞吐量值為常數。其平均數據分組發送時延隨著數據分組的增大而增大，這是因為UI模式每個時隙發送數據量是相同的，數據分組越大就必須等待越多的成功時隙。

表1 DCF參數設定

UI序列極限情況下負載因子比q=2q-1的生成素數序列更大，意味著單位時間內有更多的發送機會，并且所謂的極限情況實際上是達到發送機會個數和碰撞風險之間的最佳平衡，因此用戶平均吞吐量更大，平均數據分組發送時延更小。

在DCF模式下，隨著數據分組的增大，用戶平均吞吐量也增大，并且增長速度逐漸放緩，這是因為如果每個用戶使用的數據分組都增大，必然增大信道占用時間，即增大發送等待時間，同時也增大了碰撞概率，反而限制了吞吐量的增速。另外，與UI模式相比存在性能轉折點。當數據分組較小時，有效載荷所占比例很小，控制幀、分組頭等附加數據消耗大部分網絡資源。而此時UI模式不需要傳輸RTS/CTS等控制幀，而且少數幾個成功發送時隙即可完成一個數據分組的傳輸，這樣介質訪問時延短的優勢得以發揮。當數據分組較大時，情況相反，UI模式恒定的吞吐量成為束縛，節點需要大量成功發送時隙才能完成一個數據分組的傳輸，其平均數據分組傳輸時間必然快速線性增大。而此時DCF模式能在一次成功信道接入中就發送較多數據，并且仿真表明CSMA/CA競爭機制導致的接入時延的增長低于UI模式的平均數據分組發送時延的增加，從而具有相對更大的用戶平均吞吐量和相對較低的平均數據分組發送時延。本文提出的基于協議序列-IEEE 802.11p信道接入模式則能夠實現兩個模式性能的折中。當數據分組較小時，利用UI模式的優勢提高吞吐量；當數據分組較大時，利用DCF模式的優勢降低平均數據分組發送時延。

從圖4可以看出，UI模式和DCF模式之間存在臨界數據分組大小，成為性能的轉折點。圖5仿真了不同節點數、不同信道速率的情況下臨界數據分組的大小以及變化趨勢。由圖5可見，當節點數一定時，隨著信道速率增大，臨界數據分組大小逐漸增大。這是因為UI模式下每個時隙傳輸速率增大時，同樣的成功發送時隙個數可發送更大的數據量。另外，當信道速率一定時，隨著節點數增加，臨界數據分組大小呈現先變小后變大的趨勢。這是因為當節點個數很少時，UI序列周期很短，節點能以更快的頻率發送數據。節點個數逐漸增加后，UI序列周期增長速度加快，而DCF模式下數據碰撞導致的時延還沒有很明顯，因此數據分組臨界點降低。節點數再增大后，DCF模式數據碰撞概率加大，吞吐量優勢減弱，從而使數據分組大小臨界點再次增加。

圖4 VANET/LTE-A異構網絡系統性能

圖5 UI模式與DCF模式性能轉折點對應的數據分組大小臨界值

5 結束語

本文將VANET與LTE-A結合，提出VANET/LTE-A異構網絡，利用VANET的靈活性提升LTE-A中D2D通信效率，并提高LTE-A網絡資源的利用率。以VANET中節點信道接入機制為研究對象，分別從理論和仿真研究UI模式和DCF模式在用戶平均吞吐量、平均數據分組發送時延等方面的優劣。仿真結果表明，在給定用戶數和物理層參數的情況下，UI模式在小數據分組情況下用戶平均吞吐量、平均數據分組發送時延性能優于DCF模式，而在大數據分組情況下DCF模式性能優于UI模式。兩個模式之間存在性能轉折點，可由臨界數據分組大小表征。仿真表明，臨界數據分組大小隨信道速率增大而增大，隨節點數增大呈先減小后增大的趨勢。在此基礎上，重新規劃IEEE 802.11p各子信道接入模式及使用，提出基于協議序列-IEEE 802.11p的信道接入機制，在不同數據分組大小下兼顧了用戶平均吞吐量和平均數據分組發送時延的性能，實現兩者性能權衡。“基于調度”和“基于競爭”信道接入相結合的思想也具有理論價值和實用價值。

1 Wang H,Liu R,Ni W,et al.VANET modeling and clustering design under practical traffic,channel and mobility conditions.IEEE Transactions on Communications,2015,63(3):870～881

2 Akhtar N,Ergen S C,Ozkasap O.Vehicle mobility and communication channel models for realistic and efficient highway VANET simulation.IEEE Transactions on Vehicular Technology,2015,64(1):248～262

3 Bitam S,Mellouk A,Zeadally S.VANET-cloud:a generic cloud computing model for vehicular ad hoc networks.IEEE Wireless Communications,2015,22(1):96～102

4 張齊新,楊濤,馮輝等.車聯網中基于聯盟合作博弈的帶寬分享策略.電信科學,2015,31(6):54～60 Zhang Q X,Yang T,Feng H,et al.Coalition formation games for bandwidth sharing in VANET.Telecommunications Science,2015,31(6):54～60

5 Benslimane A,Taleb T,Sivaraj R.Dynamic clustering-based adaptive mobile gateway management in integrated VANET 3G heterogeneous wireless networks.IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2011,29(3):559～570

6 Wu D,Zhou L,Cai Y,et al.The role of mobility for D2D communications in LTE-Advanced networks:energy vs bandwidth efficiency.IEEE Wireless Communications,2014,21(2):66～71

7 Pan M,Lin T,Chen W.An enhanced handover scheme for mobile relays in LTE-A high-speed rail networks.IEEE Transactions on Vehicular Technology,2015,64(2):743～756

8 Booysen M J,Zeadally S,Rooyen G J.Survey of media access control protocols for vehicular ad hoc networks.IET Communications,2011,5(11):1619～1631

9 Wong W S.Transmission sequence design and allocation for wide-area AD Hoc networks.IEEE Transactions on Vehicular Technology,2014,63(2):869～878

10 Wu Y,Shum K W,Su Q,et al.Safety messages broadcast in vehicular Ad Hoc.IEEE Transactions on Vehicular Technology,2014,63(3):1467～1479

11 IEEE Standards Association.IEEE 802.11p-2010:Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications Amendment 6:Wireless Access in Vehicular Environments,2010

12 Bellalta B,Belyaev E,Jonsson M.Performance evaluation of IEEE 802.11p-enabled vehicular video surveillance system.IEEE Communications Letters,2014,18(4):708～711

13 Lyamin N,Vinel A,Jonsson M,et al.Real-time detection of denial-of-service attacks in IEEE 802.11p vehicular networks.IEEE Communications Letters,2014,18(1):110～113

14 Bilstrup K,Uhlemann E,Strom E G,et al.Evaluation of the IEEE 802.11p MAC method for vehicle-to-vehicle communication.Proceedings of IEEE Vehicular Technology Conference(VTC 2008-Fall),Calgary,Canada,2008

15 吳怡,沈穎祺,沈連豐等.基于協議序列的車輛自組織網絡信道接入控制算法.電子學報,2012,40(4):826～831 Wu Y,Shum W K,Shen L F,et al.Protocol sequences based channel access control algorithm in vehicular ad hoc networks.Acta Electronica Sinica,2012,40(4):826～831

16 Bianchi G.Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function.IEEE Journal on Selected Areas in Communication,2000,18(3):535～547

17 高峰,高澤華,文柳等.IEEE 802.11a DCF協議吞吐量與時延性能分析.北京郵電大學學報,2010,33(6):43～47 Gao F,Gao Z H,Wen L,et al.Performance analysis of WLAN based on IEEE 802.11a.Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications,2010,33(6):43～47

18 Chatzimisios P,Boucouvalas A C,Vitsas V.Packet delay analysis of IEEE 802.11 MAC protocol.Electronics Letters,2003,39(18):1358～1359

19 Chatzimisios P,Boucouvalas A C,Vitsas V.Performance analysis of the IEEE 802.11 MAC protocol for wireless LANs.International Journal of Communication Systems,2005,18:545～569