面向車輛狀態信息廣播的功率控制算法

徐哲鑫　李世杰　林瀟　吳怡

摘要：針對車載自組織網（VANET）中節點以固定功率發送信息導致的信道資源無法優化分配的問題，以車輛周期發送的狀態信息的廣播為研究對象，提出一種可自適應于車流密度變化的VANET功率控制算法。該算法通過定義功率控制周期構建并更新直接鄰居列表，根據直接鄰居車輛的位置來調整發射功率，進而控制節點的廣播信息覆蓋范圍，實現信道資源的優化分配以及節點路由性能的優化。仿真結果驗證了所提出算法的有效性，表明該算法能夠有效根據車輛密度自適應調整發射功率、降低信道占用率并提高直接鄰居數據包投遞率，從而保證安全信息的有效傳輸。

關鍵詞：功率控制；車輛狀態信息；車載自組織網；直接鄰居；周期廣播

中圖分類號：TN929.52

文獻標志碼：A

0引言

車載自組織網（Vehicular Ad-hoc NETwork， VANET）的應用非常廣泛，主要可以分為三大類：交通安全、車輛調度和娛樂服務。但是，最開始研究和發展VANET的首要目的就是安全，也是最主要的目的。在安全方面的消息可分成兩類：其一，車輛節點之間周期交互的車輛狀態信息，如位置、速度和行駛方向等；其二，交通事故等突發情況下的緊急消息，使得車輛用戶能夠實時掌握周圍駕駛環境的變化，發現潛在的危險因素，從而有效避免交通事故的發生。

無線通信中廣播特性是天然屬性，廣播技術自然成為VANET傳輸安全信息的最主要方式之一。目前，VANET中的廣播協議大都是從傳統的移動自組織網絡中發展而來的。在移動自組織網絡中，節點的密集程度會對廣播協議的性能造成重大影響：節點較為密集則會增加網絡負載，而較為稀疏又會降低網絡連通性[1]。而在VANET中，由于車輛節點本身的特點，在不同的情況下，節點的密集程度會發生較大的變化。因此，VANET中的廣播協議設計，應該針對不同應用背景和節點的密集程度采用不同的策略，以獲得較好的適應性和延展性。目前，國內外都還沒有提出一個統一的方案來解決VANET在不同的車輛節點密集程度下的通信問題[2]。

在VANET中，廣播信息的覆蓋范圍需要有選擇性地進行調整，這可以通過調整車輛節點的發射功率來實現。對于功率控制的研究，在移動自組織網絡中已經比較成熟，但絕大部分的功率控制研究都是以最優化節點能量、尋找能量消耗最少的路由和延長網絡使用壽命等作為研究的主要目的。相比傳統的移動自組織網絡節點，VANET中車輛節點只要行駛就能得到能量補充，因此以上那些目的不再是VANET功率控制的主要目標，這就使得傳統的功率控制方法并不適合于VANET。基于VANET的功率控制研究應該是以提高網絡通信性能、使信息能夠快速有效的傳輸為主要目標。

文獻[3]針對對向行駛車輛間視頻數據傳輸問題，提出了一種基于通信連通性和視頻數據流比特率自適應的功率控制算法，較大發送功率可抵抗信道衰落，較小發送功率則可以減少節點發送數據之間的碰撞，因此就在這兩者之間運用啟發式理念構建目標函數尋求發送功率的最優化。但本文的算法只定位在雙向兩車道的場景下，并且是對向行駛車輛間數據傳輸，其局限性較大。文獻[4]通過功率控制解決了數據廣播時的覆蓋率問題。當節點可收到源節點信息但無法正確解碼時，通過所提出的基于NACK （Negative Acknowledgement）反饋機制并結合功率控制，與即時鄰居之間建立聯系，尋求即時鄰居的信息重傳；當節點無法收到源節點信息，即處于空洞狀態時，即時鄰居通過接收信號強度預判周邊空洞節點，從而即時轉發信息，提高覆蓋率。該算法更適用于緊急消息的發送，對于周期發送的車輛狀態信息而言，只需覆蓋附近車輛即可，無需長距離高覆蓋率的轉發。文獻[5]將節點的發送功率設置為隨機的，遠距離的節點只能收到大功率發送的信號，而近距離的節點大功率和較小功率的信號均可接收，從而減小了遠距離節點之間數據包的碰撞。信道的利用率和數據包的碰撞可通過改變發送功率的隨機分布調整。該算法發送功率所遵循的隨機分布是影響性能的關鍵，這需要具體場景的實測或者復雜的數據建模，無疑降低了算法的實用性以及自適應性。文獻[6]針對緊急消息傳播提出了單跳區域間快速轉發與區域內廣播重傳相結合的機制，兼顧了信息傳播速率以及覆蓋率性能。在區域內廣播重傳機制中，節點通過檢查信道占用率調節發送功率以提升數據包發送成功率。其功率控制的思想值得借鑒，但如何運用在短距離周期廣播的車輛狀態信息上還有待研究。文獻[7]在分簇的VANET架構下提出基于非協作博弈的功率控制機制，實現了簇間和簇內通信性能的權衡。該機制為VANET功率控制開辟了一個新的視角，但在無分簇場景下的運用有待研究。文獻[8]提出基于信道占用率檢測的節點功率控制算法。不同場景下的最優信道占用率已載入節點的存儲介質，節點使用不同的發送功率嘗試，通過檢測到的信道占用率反饋調整發送功率直到達到最優性能。然而實際中不同場景下信道是多變的，VANET拓撲也是不確定的，該算法的自適應性能還需進一步改進。文獻[9]根據接收到鄰居節點發射功率、相對速度、接收到最后一個包距離現在時間等信息給鄰居節點標定度量值；而后對鄰居節點依據度量值排序，再根據通信指標要求依排序篩選出要通信的節點，然后估算所需的發送功率。該算法的度量體系值得借鑒，但如何運用在周期狀態信息上需要進一步研究。文獻[10]主要研究在高速公路場景下，將車輛分簇后的路邊單元（Road Side Unit， RSU）功率控制問題，以保障同向行駛車輛間的連通性。但RSU的布設將增大系統成本，在無RSU系統框架下車輛節點的功率控制問題并非本文研究重點。文獻[11]兼顧駕駛員的反應時間以及車輛節點間通信沖突性能，提出了基于兩類信標的發送功率控制機制。L信標用于大功率長距離發送，適用于安全應用，因此總是采用最大發送功率發送；S信標用于小功率短距離發送，適用于常規車輛信息應用，車速越快則發送功率越大，從而節點通信覆蓋半徑越大，以給駕駛員充足的反應時間。同時提出了新的隊列中信標更新機制，保持信標信息的時效性。該機制對功率控制目的性的切入點值得借鑒，但節點的覆蓋半徑只是簡單地與車速形成對應關系，通信方面性能的考量較少。文獻[12]根據實際交通流數據得到流量分布，并且構建了信號傳播模型，求得功率衰減和距離之間的關系；并在給定接收門限以及最大發射功率的情況下，仿真了不同傳輸距離對應的不同發射功率。其仿真結果值得借鑒，但針對周期狀態信息如何自適應地調整發送功率有待進一步的研究。

基于上述分析，本文對VANET研究的出發點在于車輛的安全應用，因此，主要對狀態安全信息的廣播范圍進行研究。整體思路是根據狀態安全信息的需求范圍來確定廣播的目標區域，進而調整發射功率，控制廣播的覆蓋范圍，這就形成了一種新的VANET組網方式。這種新的組網方式能夠有效減少網絡負載，降低“廣播風暴”的發生概率，大大提高了網絡性能，也提高了安全信息的傳輸性，進而提升車輛行駛的安全性。

1系統場景及模型

系統場景設定為雙向六車道的高速公路，在車輛速度較快的高速公路場景下，當駕駛員行車時注意力不集中時，周圍鄰居車輛一些常規的駕駛行為都有可能引起重大交通事故。分析通常的交通事故可以發現，引起交通事故的原因主要是因為駕駛員對鄰居車輛行駛狀態的變化不敏感以及反應時間不足，因此，獲取鄰居車輛的狀態安全信息有利于提高駕駛員的警覺性和提早做出反應，從而避免事故的發生。因此，直接鄰居車輛的狀態安全信息對本車輛的安全行駛具有重大意義，而相對的，其他位置上車輛的狀態安全信息并沒有太大的意義。也就是說，每個車輛節點發出的狀態安全信息都只對與其直接鄰居車輛節點有較大的價值。

假設所有的車輛節點都裝有全球定位系統（Global Positioning System， GPS）、各種傳感器、攝像頭以及智能處理系統等車載設備，并通過衛星定位、傳感器技術以及圖像處理車道標志線技術等，使車輛節點能夠收集到自身的狀態安全信息，主要包括位置、速度、加速度及方向，當前發射功率以及時間戳等。

定義狀態安全信息需求范圍為每個車輛節點的廣播能夠覆蓋所有的直接鄰居車輛節點的最小范圍。直接鄰居車輛節點是指在某節點周圍各個方向上最接近的鄰居節點。需要說明的是，對發射功率的控制可轉化為對通信覆蓋半徑的控制，即發射功率實際上可通過有效通信覆蓋半徑表征[6]。所謂有效通信覆蓋半徑是指在給定信道環境以及給定發射功率時，以發射節點為中心，能達到接收靈敏度的距離。由于車輛行駛過程中，車輛的分布是不均勻且不斷變化的，所以R也是實時變化的，其取值范圍是（0，Rmax），其中Rmax是車輛節點采用最大發射功率所對應的最大信息發送距離。圖1為三車道公路車輛分布示例，將車輛節點抽象成位于其中心位置的點，則車輛節點的位置則用該點的坐標表示，點之間的距離則表示對應車輛節點之間的距離。圖中節點F0的狀態安全信息的需求范圍R0=max（d0i）（i=1，2，…，8），其中d0i為節點F0與Fi之間的距離。在IEEE 802.11p中規定的最大節點通信半徑約Rmax=1000m，車輛狀態信息主要目的將用于鄰居節點間交互以保持安全距離，因此節點的需求范圍的上限設定為Rmax足以滿足實際安全需要。節點F0與Fi之間的距離可以通過位置坐標算出，假設F0坐標為（x0， y0），Fi坐標為（xi， yi），則：

2功率控制算法設計及分析

2.1算法總體流程

節點間狀態信息的信道競爭機制采用IEEE 802.11p中的介質訪問控制（Media Access Control， MAC）機制[15]。借鑒802.11p中信道規劃，將其用于安全信息的Ch172及Ch184信道分別分配給雙向車道中的來向和去向車道。由于高速公路道路結構單一，車輛總體密度較為稀疏，因此為了提高信道資源利用率，在這兩個信道上進行周期狀態信息交互時并不采用IEEE 802.11p的信道切換機制，而是直接進行信道競爭從而發送信息。將周期狀態信息的生成周期Tsg參照IEEE 802.11p中信道周期長度設置為Tsg=100ms[13]，即每個節點每100ms產生一個新的狀態信息。需要說明的是，狀態信息的生成周期不等于其發送周期，因為節點在生成狀態信息后需要參與信道競爭，而周期狀態信息實際上是一跳通信范圍內節點間的信息交互，在高速公路場景下，除了節假日高峰車流或者部分路段因事故等情況出現極端擁堵時，常規路況下車輛之間車距都在百米以上，這就意味著總體上看節點分布較為稀疏，因此常規路況下車流密度對應的信道接入延遲通常在10-3～10-2s數量級[14]，可以認為每輛車在一個狀態信息生成周期內可成功發送自身狀態信息。

將發射功率更新周期定義為功率控制周期，記為Tpc，意味著每間隔Tpc，節點重新將發射功率初始化為最大覆蓋范圍，而在功率控制期間則根據直接鄰居相對位置變化作微調。為便于討論，將其設定為周期狀態信息的生成周期Tsg的整數倍，即表示為Tpc=k·Tsg，其中k為正整數。k的值可根據高速公路最高與最低限速的車輛間相對速度差距大小設定，例如最高限速為120km/h，最低限速為60km/h，則車輛間最大相對速度差約為16m/s，而實際上大部分車輛速度分布在80～100km/h，相對速度差約為5m/s。相對速度差距越大則k值越小，也就是說應讓節點越頻繁地進行功率調整，通常經驗值可設定為10，即Tpc約為1s。在Tpc 期間將通過周期狀態信息的交互實現近處車輛間感知，而每隔Tpc進行發射功率重置是用于遠處車輛間感知。遠處車輛間Tpc=1s內將產生5m的相對位移，近處車輛間Tsg=0.1s內將產生0.5m的相對位移。在高速公路中百米數量級的車距下，上述量級的相對位移所導致的發射功率控制誤差可忽略，并且還可通過略微增加發射功率余量修正這一誤差帶來的性能損失。

功率控制算法的總體流程如圖2所示。在節點各自的功率控制周期的起始時刻，車輛都以其最大發射功率向其周圍車輛節點廣播狀態安全信息。根據IEEE 802.11p規定最大的通信半徑約為1000m[11]，在高速公路常規路況下，對信道產生相互競爭影響的節點數在100～3×101的數量級，也就是說參與競爭的節點數并不多，并且其他節點并不都處于功率控制周期起點，即并不都以最大通信半徑覆蓋周圍節點，也就確保了初始通信半徑下仍可有低于周期狀態信息生成周期的信道接入延遲（約10-3～10-2s數量級[14]）。每個車輛節點收到其周圍鄰居節點的信息后，創建鄰居節點列表，為每個鄰居構建表項，表項中包含著鄰居車輛節點的各項信息。接著車輛節點在功率控制周期內對鄰居列表進行更新和維護，主要是保留其直接鄰居節點的信息，刪除其他鄰居節點，同時丟棄其他鄰居之后發來的狀態信息數據包以節省存儲空間。確定直接鄰居節點后，通過檢測接收到的直接鄰居的數據包信號強度以及數據包中攜帶的發射功率評估信道衰落情況，從而估算車輛節點的發射功率，使節點發送的信息能夠被所有直接鄰居節點所接收。在確定完數據包的發射功率并成功接入信道將其發送出去后，在等待下個狀態信息生成周期Tsg起始時刻到來期間通過接收其他節點的信息更新直接鄰居列表，該過程不斷循環直至進入下一個功率控制周期。

2.2直接鄰居列表建立與更新

雖然高速公路場景下VANET中的車輛節點都在不斷地快速移動，車輛節點的位置以及與周圍車輛的位置關系也是不斷變化的，但是若只考慮車輛節點與其他車輛的相對位置，則周圍車輛與本車輛之間直接相鄰的節點大致可歸結為8個方向上最接近的鄰居，即前、后、左、右、左前，右前、左后、右后。并且高速公路雙向車道中間存在隔離欄，因此只需考慮同向行駛的車輛。最外側和最內側車道上節點只需考慮5個方向上的直接鄰居即可，例如圖1中F4和F5的直接鄰居分別為（F0、F1、F2、F6和F7）和（F0、F2、F3、F7和F8）；而位于中間車道的節點則要考慮8個方向的直接鄰居，例如圖1中F0的直接鄰居為（F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7和F8）。但實際路況中道路上的車輛分布是不規則的，如圖3所示，圖中F0的直接鄰居車輛節點是F1及F3，但是F0與F2的距離小于F0與F3之間的距離，所以若僅用最短距離原則判斷車輛的直接鄰居車輛節點，則可能誤將F2作直接鄰居節點而忽略掉了真正的直接鄰居節點F3。因此，本文將通過車輛行駛方向、車輛間距離和車輛所在車道三個要素來找出其直接相鄰節點。

由于各節點的最大通信范圍相同且功率控制周期也均設為Tpc，其信道接入延遲在10-3～10-2s數量級，即小于Tsg，因此盡管各節點功率控制周期起點不同，但節點在時間跨度Tpc+Tsg之內必然能夠收到自身最大通信范圍內所有鄰居至少一次的信息。這樣，每個節點在每個功率控制周期起始時刻再等待一個狀態信息生成周期Tsg后，便可根據最近時間跨度Tpc+Tsg內收到的鄰居節點信息構建一跳鄰居列表。當有新增車輛啟動時，由于所有車輛都是采用廣播的形式，該車能接收到周圍車輛發來的信息，若未接收到任何信息，則說明新車輛不在周邊節點的通信覆蓋范圍內，此時，新增車輛應采用最大功率廣播自身的狀態安全信息告知周邊節點。

當節點創建鄰居節點列表后，按鄰居節點與自身的距離大小排列。此時，由于反方向車輛也在通信范圍內，但是反方向車輛不屬于狀態安全信息的范圍之內，因此刪除鄰居節點列表里的反方向車輛，并丟棄其發來的信息包。

對于剩余的同方向的車輛節點表項，需要分車道進行分析。以圖3為例，對于與F0同車道的節點，從F0前后車之中分別選取距離最小的一輛，此處為F1，其中前后位置通過節點位置的x坐標來確定。然后在鄰居節點列表中刪除與F0同車道中除F1以外的全部鄰居車輛節點，并丟棄這些節點發來的數據包。若F0是在中間車道上，則先添加其兩側車道上與之距離最近的節點，如F0左側車道的F5。再分別選取F5前后離本車距離最近的兩輛，此處為F4和F6，最后刪除F5所在車道其余車輛節點信息，此后丟棄這些被刪節點后續發來的數據包。這樣，F0的直接鄰居節點列表創建完畢。

在鄰居節點列表添加完畢以后，車輛節點就調整其發射功率，使要廣播的狀態安全信息恰好能夠覆蓋每個直接鄰居車輛節點。當然，為了覆蓋到某個方向上的直接鄰居可能在其他方向上會覆蓋到直接鄰居之外的節點，例如圖3中F0為了覆蓋到右側車道F3也將覆蓋同側車道F2。在高速公路總體節點分布較為稀疏的情況下，這種冗余覆蓋并不會過多增加信道競爭。

由于車輛是不斷移動的，車輛間的相對位置也是一直發生變化，每個車輛的直接鄰居節點也會發生改變。由于狀態安全信息是周期性的廣播消息，因此，每個車輛節點需要功率控制周期內根據收到最新的直接車輛狀態安全信息作出通信覆蓋范圍的微調。若在此期間收到新增節點的信息則需要更新直接鄰居列表并對應地調整發射功率。在覆蓋直接鄰居的原則下，節點間發射功率調整具有反饋效應，從而實現自適應調整。并且由于節點只覆蓋各自的直接鄰居，競爭同一信道的節點數很少，信道接入時延可降至僅為10-3s數量級，遠小于周期狀態信息的生成周期。例如，圖3中假設節點F2比節點F1先接入信道，則節點F0收到節點F2的信息后根據當前鄰居表判斷在F2方向上暫無更近鄰居，則下個周期狀態信息的發射功率預設為覆蓋到F2的值。若在F0發送下個周期狀態信息之前又收到來自F1的信息，F0則將該方向上的直接鄰居更新為F1，因此F0下個周期狀態信息只覆蓋到F1。而當F0收到F3的信息后，發現其為對應方向上直接鄰居，則F0將增大發射功率使得下個周期狀態信息能夠覆蓋到F3，此時F2將作為冗余鄰居被覆蓋。這樣，無論周邊節點以何種發射功率發送信息，接收節點總能利用直接鄰居原則自適應調整發射功率，在確保安全性的同時盡量減少冗余覆蓋，降低信道資源競爭。

3性能仿真與分析

3.1仿真場景及參數設置

VANET中節點的移動受到道路及障礙物的影響，同時節點的高速移動使得網絡拓撲具有不穩定性。為了在NS-2中對功率控制算法進行仿真驗證，先要保證仿真場景中車輛節點的移動軌跡盡量接近現實中的車輛移動軌跡。基于這個目的，本文利用SUMO（Simulation of Urban Mobility）交通仿真器構建長度為10km的雙向六車道高速公路模型，單向車道每公里車輛密度為3～30輛，車速范圍60～120km/h。

在NS-2中搭建VANET協議架構如下：在應用層，通過數據流發生器CBR（Const-RitRate）建立從信息源到距離信息源xm遠處裝備車輛的通信連接，數據發生率為10packet/s，數據傳輸率為3Mb/s；CBR發送的數據分組大小為230Byte，發送時間間隔為0.02s。在傳輸層，使用的傳輸協議為用戶數據報協議（User Datagram Protocol， UDP）。在網絡層，路由算法并不是本文研究的重點，因此選擇Ad Hoc按需距離矢量路由（Ad Hoc On-demand Distance Vector routing， AODV）作為網絡層協議進行分析，而且為了避免路由性能對數據傳輸的影響，將只考慮直接鄰居間周期狀態信息的收發。在MAC層選擇主要用于車載電子通信的IEEE 802.11p協議。在物理層，對車載設備的各種參數進行設置，在傳播模型上選擇Two-ray Ground。周期狀態信息生成周期設置為100ms；功率控制周期設置為1s，因為常規路況下1s內車輛間相對位置通常變化較小。仿真將比對本文所提的算法和所有節點采用固定的發射功率以及采用隨機功率控制[5]時的性能。其中隨機功率控制的發射功率范圍依據文獻[5]的參數設定為范圍在[4dBm， 33dBm]的離散均勻分布，功率變化增量為0.5dBm；固定的發射功率則設為33dBm，該功率值能夠保證所有的車輛節點在Two-ray Ground傳播模型下的傳輸距離為1000m。仿真主要針對在不同的車輛節點密度進行分析，根據實際高速公路常規路況下的交通數據統計，車輛密度變化范圍為單向三車道3～30輛/km。仿真的網絡性能參數主要有：1） 平均發射功率，即網絡中車輛節點平均發射功率變化情況；2） 信道占用率，即單位時間內信道被占用時間的百分比；3）直接鄰居數據包投遞率，即單位時間內直接鄰居平均接收到狀態信息數據包個數和源節點發送的數據包總數的比值。

3.2平均發射功率

車輛通過找出其直接鄰居車輛節點來調整其發射功率，由于車輛在行駛過程中位置是不斷變化的，因此其發射功率也是動態變化的。圖4所示的是仿真過程中車輛節點發射功率的變化曲線，從圖中可以看出，固定發射功率情況下，發射功率是固定的；隨機功率控制下功率是時變的，但是由于采用均勻分布，因此其均值不變，均為18.5dBm；在本文提出的自適應功率控制算法下，車輛節點的平均發射功率將隨著節點密度動態變化。

當節點密度稀疏時（單向三車道3輛/km），節點平均間距約為1000m，因此為了覆蓋該平均間距下的直接鄰居，節點平均意義下都以最大功率進行數據發送，以保障連通性。因此，本文提出的自適應功率控制的平均發射功率約為最大發射功率值33dBm。隨著節點密度增加，節點間平均間距逐漸減小，因此在自適應功率控制中覆蓋直接鄰居所用的平均發射功率也隨之減小。當節點密度處于高速公路場景中較為密集的單向三車道30輛/km時，節點的平均發射功率降至8dBm左右。同時，平均發射功率曲線的變化趨勢也符合本文設計的算法，從單向三車道3輛/km開始隨著車輛的增多，車輛間的平均距離縮小較大，使得發射功率下降趨勢也較快；而當車輛密度越來越大，隨著車輛的增多，車輛間的距離縮小幅度減小，因此發射功率下降也較為平緩。隨機功率控制和自適應功率控制曲線的交叉點意味著在車輛密度為單向三車道13輛/km左右時，兩者平均意義下節點的平均發射功率相同。從上述分析中看出，本文所提出的功率控制算法具有節點密度自適應性。

3.3信道占用率

圖5描繪了不同車輛密度下，自適應功率控制、隨機功率控制以及固定發射功率下信道占用率情況。三種機制的信道占用率均隨著節點密度增大而增大，但固定發射功率的增長幅度最大，隨機功率控制次之，自適應功率控制最小。這是因為，在固定發射功率中，節點均以最大發射功率發送信息，節點密度增大后節點間競爭激烈程度愈加嚴重。隨機功率控制下，節點密度增大后節點間競爭也會更加激烈，但由于發送功率的隨機性，平均意義下相互間直接競爭的節點數的增幅將小于固定發射功率，因此其信道占用率增幅較固定發射功率的小。自適應功率控制下，節點均以覆蓋直接鄰居為目標調整發射功率，因此節點密度不同對直接鄰居節點個數影響不大。由于更大的節點密度將導致覆蓋的冗余鄰居數更多，因此信道占用率隨著節點密度增加也將略有增加。

另外，可以看到在節點密度很稀疏 （單向三車道3輛/km） 的情況下，自適應功率控制的信道占用率與固定發射功率相當，但大于隨機功率控制。這是因為此時節點間距約等于節點的最大通信覆蓋半徑，因此自適應功率控制為了覆蓋直接鄰居則和固定發射功率的發射功率相當。而隨機功率控制下的節點由于發射功率的隨機性，在某些時刻的通信覆蓋半徑小于節點間距，因此節點間競爭更弱，信道占用率更少。但由于節點在每個時刻具體的發送功率不可控，這使得隨機功率控制無法保證節點間的連通性。

3.4直接鄰居數據包投遞率

圖6描繪了在不同車輛密度下自適應功率控制、隨機功率控制以及固定發射功率的直接鄰居數據包投遞率。

由圖6可知，自適應功率控制和固定發射功率的曲線均呈下降趨勢，當節點密度稀疏 （單向三車道3輛/km） 時，自適應功率控制的直接鄰居數據包投遞率與固定發射功率相當，而隨著節點密度增加自適應功率控制曲線的降幅明顯小于固定發射功率。這是因為在節點密度稀疏時車間距已接近最大通信覆蓋半徑，因此自適應功率控制下的節點基本都采用最大發射功率進行數據包發送，其效果與采用最大發射功率的固定發射功率相當。隨著節點密度增大，車間距逐漸減小，固定發射功率下產生競爭關系的節點數量逐漸增多且愈加嚴重，而自適應功率控制的節點以覆蓋直接鄰居為目標，僅覆蓋個別冗余節點，因此自適應功率控制下產生競爭關系的節點數量僅少量增多，從而其直接鄰居數據包投遞率性能下降小于固定發射功率的情況。另外，可以看到隨機功率控制的曲線呈上升趨勢，但性總體劣于前兩者。這是因為在節點密度稀疏時，隨機產生的發射功率可能無法覆蓋直接鄰居從而導致斷鏈，并且節點密度越稀疏這種情況越嚴重，在單向三車道車輛密度為3輛/km時的直接鄰居數據包投遞率僅為24.77%。隨著節點密度逐漸增大，隨機功率控制節點間距逐漸減小，相互覆蓋的概率逐漸增大，因此直接鄰居分組投遞率逐漸上升。但在高速公路場景下車輛密度總體較低，因此常規路況下（單向三車道車輛密度小于30輛/km）隨機功率控制的節點相互覆蓋概率仍較低，總體數據包投遞率仍小于固定發射功率及自適應功率控制的性能。

4結語

本文從車載自組織網絡的安全應用角度出發，在高速公路場景下對狀態安全信息的廣播覆蓋范圍進行研究，提出新的功率控制算法。該算法以覆蓋各方向上直接鄰居為目標，通過功率控制周期期間監聽鄰居信息，構建并更新直接鄰居列表，進而調整發射功率，這也將形成一種新的VANET組網方式。仿真結果表明，采用自適應功率控制算法的節點與固定發射功率以及隨機功率控制的節點相比能夠針對車輛密度自適應地調整廣播覆蓋范圍，有效降低信道占用率，同時保障較高的直接鄰居數據包投遞率，提高了車輛行駛的安全性。

參考文獻：

[1]RAMANATHAN R. Making Ad Hoc networks density adaptive [C]// MILCOM 2001： Proceedings of the 2001 IEEE Military Communications Conference on Communications for Network-Centric Operations： Creating the Information Force. Piscataway， NJ： IEEE， 2001， 2： 957-961.

[2]SCHNAUFER S， FLER H， TRANSIER M， et al. Vehicular Ad-Hoc networks： single-hop broadcast is not enough [C]// Proceedings of the 2006 IEEE Wireless on Demand Network Systems & Services. Piscataway， NJ： IEEE， 2006： 80-83.

[3]BELYAEV E， VINEL A， EGIAZARIAN K， et al. Power control in see-through overtaking assistance system [J]. IEEE Communications Letters， 2013， 17（3）：612-615.

[4]KHAN F，CHANG Y，PARK S， et al. Towards guaranteed delivery of safety messages in VANETs [C]// GLOBECOM 2012： Proceedings of the 2012 IEEE Global Communications Conference. Piscataway， NJ： IEEE， 2012： 207-213.

[5]KLOIBER B， HRRI J， STRANG T. Dice the TX power — improving awareness quality in VANETs by random transmit power selection [C]// Proceedings of the 2012 IEEE Vehicular Networking Conference. Piscataway， NJ： IEEE， 2012： 56-63.

[6]WEI L， XIAO X， CHEN Y， et al. Power-control-based broadcast scheme for emergency messages in VANETs [C]// ISCIT 2011： Proceedings of the 2011 11th International Symposium on Communications and Information Technologies. Piscataway， NJ： IEEE， 2011： 274-279.

[7]YU O， SARIC E. Feedback-free non-cooperative power control game for vehicular Ad Hoc networks [C]// VTC2014 Fall： Proceedings of the 2014 IEEE 80th Vehicular Technology Conference. Piscataway， NJ： IEEE， 2014： 1-5.

[8]NASIRIANI N， FALLAH Y P. Performance and fairness analysis of range control algorithms in cooperative vehicle safety networks at intersections [C]// Proceedings of the 2012 IEEE 37th Conference on Local Computer Networks Workshops （LCN Workshops）. Piscataway， NJ： IEEE， 2012： 848-855.

[9]TIAN J， LV C. Connectivity based transmit power control in VANET [C]// Proceedings of the 2012 8th International Wireless Communications and Mobile Computing Conference. Piscataway， NJ： IEEE， 2012： 505-509.

[10]TAO J， ZHU L， WANG X， et al. RSU deployment scheme with power control for highway message propagation in VANETs [C]// GLOBECOM 2014： Proceedings of the 2014 IEEE Global Communications Conference. Piscataway， NJ： IEEE， 2014： 169-174.

[11]KIM B， SONG H， LEE H S. Bi-Beacon： two-level power control for enhancing beacon performance in vehicular Ad Hoc networks [C]// ICCVE 2014： Proceedings of the 2014 International Conference on Connected Vehicles and Expo. Piscataway， NJ： IEEE， 2014： 1000-1001.

[12]CHENG L， SHAKYA R. VANET adaptive power control from realistic propagation and traffic modeling [C]// RWS 10： Proceedings of the 2010 IEEE Conference on Radio and Wireless Symposium. Piscataway， NJ： IEEE， 2010： 665-668.

[13]QIU H J F， HO I W H， TSE C K， et al. A methodology for studying 802.11p VANET broadcasting performance with practical vehicle distribution [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2014， 64（10）： 4756-4769.

[14]CHATZIMISIOS P， BOUCOUVALAS A C， VITSAS V. Packet delay analysis of IEEE 802.11 MAC protocol [J]. Electronics Letters， 2003， 39（18）： 1358-1359.

[15]ZHENG J， WU Q. Performance modeling and analysis of the IEEE 802.11p EDCA mechanism for VANET [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2015， 65（4）： 2673-2687.

[16]TORRENT M M， MITTAG J， SANTI P， et al. Vehicle-to-vehicle communication： fair transmit power control for safety-critical information [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2009， 58（7）： 3684-3703.