V2X網(wǎng)絡(luò)中基于跨層設(shè)計的分區(qū)查找廣播算法*

費 凡，郭愛煌

（同濟(jì)大學(xué) 電子信息與工程學(xué)院,上海 201804）

V2X網(wǎng)絡(luò)中基于跨層設(shè)計的分區(qū)查找廣播算法*

費 凡，郭愛煌

（同濟(jì)大學(xué) 電子信息與工程學(xué)院,上海 201804）

車輛與外界信息交換（Vehicle to X,V2X）網(wǎng)絡(luò)中，緊急安全消息的多跳廣播分發(fā)機(jī)制用于保證安全的車輛網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。而節(jié)點移動性、無線資源的有限性和無線通信的損耗特性，致使設(shè)計有效的消息分發(fā)機(jī)制成為挑戰(zhàn)。針對V2X網(wǎng)絡(luò)模型，研究分區(qū)查找廣播算法中迭代次數(shù)、競爭窗口數(shù)目對廣播一跳時延帶來的影響，通過仿真得出，迭代次數(shù)為2、競爭窗口數(shù)目為4時的一跳時延最小，消息分發(fā)速度最快。對分區(qū)查找廣播算法進(jìn)行改進(jìn)，加入跨層設(shè)計，引入中繼變量，同時考慮信道質(zhì)量、車輛相對移動速度、發(fā)射功率和傳輸速率因素，以提高消息傳輸成功率。仿真結(jié)果表明，基于跨層設(shè)計的分區(qū)查找廣播算法的數(shù)據(jù)包傳輸成功率最高可達(dá)到99.9%，而高密度車輛環(huán)境下廣播一跳時延減小約0.1 ms。

V2X;跨層設(shè)計;廣播算法;中繼變量;時延;傳輸成功率

0 引 言

伴隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)技術(shù)和無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)正在從概念變?yōu)楝F(xiàn)實。V2X包含車車、車路、車人（V2V、V2I、V2P）之間的短程通信，加上車與網(wǎng)絡(luò)之間的遠(yuǎn)程通信，一同構(gòu)成車聯(lián)網(wǎng)的整體架構(gòu)。車聯(lián)網(wǎng)旨在提高道路交通安全和行車效率，改善駕駛體驗，豐富車載娛樂信息等。V2X網(wǎng)絡(luò)傳遞信息對于網(wǎng)絡(luò)時延、可靠性能要求極高，尤其對緊急安全相關(guān)信息，只有達(dá)到毫秒級的端到端傳輸時延和99.999%的可靠性，才能保證有效的信息傳輸。

美國聯(lián)邦通信委員會頒布5.85～5.925 GHz、75 MHz頻段用于車路互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，控制信道（Control Channel，CCH）用于分發(fā)緊急安全消息。IEEE 802.11p規(guī)定媒體訪問控制層（Media Access Control，MAC）和物理層的基本功能。IEEE 802.11p采用載波幀聽沖突避免的隨機(jī)退避競爭機(jī)制，實現(xiàn)節(jié)點的無線信道接入。在高密度車輛環(huán)境下，相關(guān)安全消息增多，隱藏終端問題等，造成數(shù)據(jù)包大量碰撞，實時性和可靠性能惡化。DSRC協(xié)議下的緊急安全消息廣播存在大量信息冗余，消息不能及時可靠傳播。

車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的緊急安全消息廣播分發(fā)機(jī)制成為研究熱點。文獻(xiàn)[1]總結(jié)歸納當(dāng)前廣播機(jī)制的分類，包含基于時延的、基于距離的、基于概率和基于網(wǎng)絡(luò)編碼的多條廣播機(jī)制及性能度量標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[2]使用路側(cè)單元（Road Side Unit，RSU）和V2I協(xié)助多跳廣播，并驗證RSU的數(shù)量和位置對性能產(chǎn)生的影響。文獻(xiàn)[3]根據(jù)鏈路質(zhì)量和車輛動態(tài)，選擇骨干車輛作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，并使用網(wǎng)絡(luò)編碼來提高可靠性。文獻(xiàn)[4]研究了移動車輛發(fā)射功率控制技術(shù)對數(shù)據(jù)傳輸可靠性和實時性的影響，設(shè)計了局部最優(yōu)中繼選擇算法。文獻(xiàn)[5]提出了分區(qū)查找廣播算法，采用迭代分區(qū)方法選擇距離消息節(jié)點最遠(yuǎn)的車輛作為中繼轉(zhuǎn)播。

傳統(tǒng)的分層協(xié)議結(jié)構(gòu)不能很好地整體優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，而跨層設(shè)計可以實現(xiàn)無線資源的有效管理，針對各層協(xié)議的狀態(tài)和要求，調(diào)節(jié)相關(guān)協(xié)議層的控制參數(shù)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的整體優(yōu)化。本文在文獻(xiàn)[5]的基礎(chǔ)上加入跨層設(shè)計，同時考慮物理信道質(zhì)量、車輛移動速度、發(fā)射功率和傳輸速率等因素，提出基于跨層的分區(qū)查找廣播算法，從而在時延最優(yōu)的基礎(chǔ)上，提高消息傳輸成功率。仿真分析表明，在原算法基礎(chǔ)上加入跨層設(shè)計后網(wǎng)絡(luò)整體性能得到提升。

1 系統(tǒng)模型及問題描述

1.1 系統(tǒng)模型

考慮車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)運行在高速直行道路環(huán)境下，因此對于系統(tǒng)模型做出以下假設(shè)：

（1）假設(shè)道路沒有其他基礎(chǔ)設(shè)施，如RSU。

（2）車輛之間通過IEEE 802.11p網(wǎng)絡(luò)通信接口實現(xiàn)通信。該系統(tǒng)模型下，兩個方向的車輛都可以參與緊急安全消息的分發(fā)，所有車輛的功能相同，不存在簇頭或網(wǎng)關(guān)節(jié)點的區(qū)別。

（3）該模型中，每輛車裝有一個車載通信單元（On Board Unit，OBU），用于車車通信；傳感器，如全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS），用于獲取車輛位置信息；數(shù)據(jù)庫單元，用于存儲控制信息。

（4）檢測到非正常情況下的車輛如失衡、碰撞發(fā)生時，具體位置信息被感知、處理、傳輸?shù)絆BU。

（5）假設(shè)GPS支持車輛之間的時鐘同步。

系統(tǒng)模型如圖1所示，源節(jié)點車輛產(chǎn)生的消息通過中繼節(jié)點以多跳廣播方式向遠(yuǎn)處車輛分發(fā)。

圖1 V2X網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

1.2 分區(qū)查找廣播算法描述

消息源節(jié)點產(chǎn)生緊急安全消息（Emergency Message，EM）后，要求以極低時延接入信道，并以最快速度分發(fā)至周圍車輛。廣播使用請求廣播/允許廣播（Request To Broadcast/Clear To Broadcast，RTB/CTB）機(jī)制，類似于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)中的請求發(fā)送/允許發(fā)送機(jī)制，即在消息源節(jié)點傳輸范圍內(nèi)，選擇最合適的節(jié)點作為中繼進(jìn)行下一跳消息廣播。實現(xiàn)上述要求的方法如下。

1.2.1 mDIFS（微分布式幀間間隔）

這是針對IEEE802.11p標(biāo)準(zhǔn)中增強(qiáng)分布式信道 接 入（Enhanced Distributed Channel Access，EDCA）機(jī)制的修正。當(dāng)有極低時延要求的緊急安全告警消息到達(dá)MAC層并在發(fā)送隊列的前端時，等待分布式幀間間隔（Dedicated Inter-Frame Space，D IFS）的一部分而不是整個DIFS間隔，從而相比于其他非時延要求的消息提早爭用信道，減少緊急告警消息的平均信道接入時延[4]。mDIFS的時間長度l和數(shù)量w分別為：

式中，d為傳輸半徑內(nèi)最大信道傳播時延，Tswitch為發(fā)射接收機(jī)切換時延，TDIFS為DIFS的時間長度，TSIFS為短幀幀間間隔（Short Inter-Frame Space，SIFS）的時間長度。

1.2.2 分區(qū)查找

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，用n表示分區(qū)數(shù)，N表示迭代次數(shù)，舉例說明n=3，N=3情況下的分區(qū)查找算法。

（1）候選區(qū)節(jié)點依據(jù)自身地理位置信息確定所處分區(qū)inner/middle/outer，具體分區(qū)信息通過RTB數(shù)據(jù)包攜帶。

迭代過程

①outer分區(qū)內(nèi)節(jié)點在第一時隙同時廣播black burst；

②middle分區(qū)內(nèi)節(jié)點在第一個時隙幀聽信道，如果沒有收到black burst，則在第二個時隙廣播black burst；如果幀聽到black burst，則middle分區(qū)全部放棄作為候選，表明outer分區(qū)有更好的候選中繼；

③inner分區(qū)節(jié)點在第一、第二時隙幀聽信道，如果沒有聽到black burst，則表明inner分區(qū)有最好的候選節(jié)點；如果偵聽到black burst，則inner分區(qū)放棄候選。

（3）完成N次迭代過程，確定最優(yōu)候選區(qū)。

1.2.3 碰撞處理

在最終的候選區(qū)域內(nèi)采用隨機(jī)退避競爭選擇最優(yōu)中繼，退避期最早結(jié)束的節(jié)點成為中繼，作為下一跳廣播節(jié)點。該節(jié)點傳輸CTB數(shù)據(jù)包，經(jīng)SIFS后傳輸緊急安全消息。中繼轉(zhuǎn)播安全消息，重復(fù)該過程，以低時延將安全消息分發(fā)至周圍車輛，但沒有考慮傳輸可靠性。

1.3 IEEE 802.11p跨層參數(shù)描述

1.3.1 物理信道誤包率

用e表示物理信道的誤包率，用Emax表示最大誤包率。提取物理層信息，由誤比特率計算得出：

式中，ε是單位時間內(nèi)的錯誤比特數(shù)。在加性高斯白噪聲信道中，誤比特率可以由Q函數(shù)計算：

式中，γB是信號與噪聲功率的比值，PR是接收功率，N0是噪聲能量譜密度，Rb是傳輸速率。

1.3.2 發(fā)射功率

用PT表示車輛節(jié)點的發(fā)射功率，可以從物理層協(xié)議直接讀取，用PT_max表示最大發(fā)射功率。

1.3.3 傳輸速率

用Rb表示車輛節(jié)點的傳輸速率，取值來自集合{3，4.5，6，9，12，18，25，27} Mbps，用Rb-max表示最大傳輸速率。

1.3.4 相對速度

用Δv表示計算節(jié)點與廣播節(jié)點的相對運動速度，用VP表示車輛最大行駛速度。

1.3.5 應(yīng)用層權(quán)重因子

用αi表示中繼變量的權(quán)重因子，由應(yīng)用層用戶決定。

2 分區(qū)查找廣播算法的改進(jìn)

2.1 分區(qū)查找廣播算法

針對圖1中的交通場景，廣播機(jī)制的整個過程如圖2所示。mDIFS使極低時延要求的緊急消息節(jié)點快速接入信道，成功爭用信道的節(jié)點廣播RTB數(shù)據(jù)包。t1時刻，所有候選中繼節(jié)點廣播Black Burst消息，之后進(jìn)行分區(qū)查找選擇最優(yōu)候選區(qū)域。contention部分采用隨機(jī)退避競爭得到中繼節(jié)點。

廣播一跳 時延Td：定義為當(dāng)一個緊急安全處在發(fā)送隊列前端開始到成功傳輸?shù)较乱惶欣^節(jié)點的平均時延。

文獻(xiàn)[5]提出的Td分析模型為：

具體的執(zhí)行過程如下：

（1）Tinitial包含圖2中的mDIFS幀和RTB傳輸階段。在mDIFS階段，有三種情況出現(xiàn)：

①Idle：沒有車輛廣播RTB，信道在mDIFS時隙一直保持空閑；

②Success：只有一輛車廣播RTB，傳輸成功；

③Collision：多于一輛車同時廣播RTB，產(chǎn)生碰撞。

（2）Tpartition表示分區(qū)查找最優(yōu)候選區(qū)域所需時間：

（3）Tcont表示在最優(yōu)候選區(qū)得到最優(yōu)中繼所需的時間。采用隨機(jī)退避競爭，經(jīng)過數(shù)學(xué)分析，一跳時延分析模型的公式為：

2.2 基于跨層設(shè)計的分區(qū)查找廣播算法

本文提出改進(jìn)算法，如圖3所示。定義“中繼變量”，在2.1算法基礎(chǔ)上，為候選區(qū)節(jié)點內(nèi)存中分別放置各自的中繼變量，通過中繼變量計算退避時間，具有最短退避時間的節(jié)點最先回復(fù)CTB數(shù)據(jù)包，成為最優(yōu)中繼。

用x表示中繼變量，定義 為

假設(shè)信道質(zhì)量較差，應(yīng)用層可以增大α1的值，以選擇信道質(zhì)量好的中繼節(jié)點，提高傳輸可靠性；假設(shè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，車輛之間相對行駛速度不高，應(yīng)用層決定減小α2的值；假設(shè)節(jié)點設(shè)置的傳輸速率較小，應(yīng)用層決定增大α4的值。

由式（3）和式（4）得到：

一跳時延分析模型在公式的基礎(chǔ)上得到改進(jìn)：

圖2 分區(qū)查找廣播機(jī)制的整個過程

圖3 基于跨層設(shè)計的分區(qū)查找廣播算法的整個過程

3 仿真結(jié)果及分析

采用IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)中的參數(shù)[10]進(jìn)行仿真性能分析。仿真參數(shù)符號及實驗取值如表1所示。

表1 模型仿真參數(shù)

由式（1）和式（2）得到，mDIFS幀的長度l=5 μs、數(shù)量w=5，設(shè)置緊急安全消息的到達(dá)率為5個/秒。在車輛密度取值范圍從5到40輛每單位區(qū)域的情況下，仿真比較分區(qū)廣播機(jī)制的一跳時延性能。圖4為N=2次迭代，競爭窗口數(shù)目取值CW=[2,3,4,5,6]情況下的時延-車輛密度曲線；圖5為競爭窗口數(shù)目CW=4時，迭代N=[2,3,4,5,6]情況下時延-車輛密度曲線。分析得出，在迭代次數(shù)為2、競爭窗口數(shù)目為4的情況下，時延性能最優(yōu)。

圖4 競爭窗口數(shù) 目對時延的影響

原算法以廣播分發(fā)速度和時延性能最優(yōu)為目的，能快速選擇距離廣播節(jié)點最遠(yuǎn)的節(jié)點作為中繼，從而使時延性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。但是，原算法沒有考慮消息轉(zhuǎn)播的可靠性，而基于跨層設(shè)計的分區(qū)查找廣播算法，在原算法的基礎(chǔ)上加入“中繼變量”，并將信道質(zhì)量、發(fā)射功率、傳輸速率、相對運動速度等跨層信息考慮在內(nèi)，大大提高了消息轉(zhuǎn)播的可靠性，降低了丟包率。兩種算法在時延和可靠性方面的仿真比較如圖6、圖7所示。

圖5 迭代次數(shù) 對時延的影響

圖6 加入跨層設(shè)計對廣播一跳時延的影響

由圖6可以看出，基于跨層設(shè)計的分區(qū)查找廣播算法與原算法在時延性能上變化不大，沒有嚴(yán)重的時延損失，且隨著車輛密度增大體現(xiàn)出時延性能優(yōu)勢，如在高密度車輛環(huán)境下，時延減小約100μs。兩種算法的一跳傳輸時延先隨車輛密度增大而降低，在15輛/單位區(qū)域之后體現(xiàn)出增大趨勢。由于在車密度較大的情況下查找最優(yōu)候選區(qū)域所需時間更久，而基于跨層設(shè)計的分區(qū)查找算法將物理層信道質(zhì)量、相對速度、發(fā)射功率和傳輸速率的因素考慮在內(nèi)，選擇最優(yōu)的中繼節(jié)點，在時延最優(yōu)的基礎(chǔ)上可盡可能保證消息傳輸?shù)某晒β省Ｓ蓤D7可以看出，基于跨層設(shè)計的分區(qū)查找廣播算法的數(shù)據(jù)包傳輸成功率始終優(yōu)于原算法，最高可達(dá)99.9%。總體而言，基于跨層設(shè)計的分區(qū)查找廣播算法性能更優(yōu)。

圖7 加入跨層設(shè)計對傳輸成 功率的影響

4 結(jié) 語

本文提出了一種基于跨層設(shè)計的分 區(qū)查找廣播算法。通過跨層設(shè)計方法，引入中繼變量，全面考慮信道鏈路質(zhì)量、車輛移動性、發(fā)射功率和傳輸功率等因素，在保證原算法時延性能損失最小的前提下，提升消息傳輸成功率。通過仿真得到，分區(qū)查找廣播算法在迭代次數(shù)為2、競爭窗口數(shù)目為4的情況下，廣播一跳時延最小，消息分發(fā)速度最快。綜上所述，基于跨層設(shè)計的分區(qū)查找廣播算法與原算法相比，在時延和消息傳輸成功率上均有改善。此外，通過仿真發(fā)現(xiàn)，車輛密度增大會造成時延和可靠性能的損失，因此下一步可以繼續(xù)研究車輛密度因素在廣播算法中的應(yīng)用。

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費 凡（1993—），女，碩士研究生，主要研究方向為V2X通信；

郭愛煌（1964—），男，博士，教授，主要研究方向為寬帶無線通信、寬帶光纖通信信號與信息處理等。

Partition Search Broadcast Algorithm based on Cross-layer Design in V2X Networks

FEI Fan, GUO Ai-huang
(School of Electronics and Information Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China)

The design of multi-hop broadcast protocol for emergency message in V2X is to ensure the safety of the vehicle network. Node mobility, limited wireless resources and loss characteristics of wireless communication led to the design of effective message dissemination a challenge. For V2X model, find the impact of iterations and the number of contention windows on the one-hop delay in partition search broadcast algorithm. Simulation show the minimal latency and highest message dissemination speed for two iterations and four contention window. Improve the existing algorithm by adding cross-layer design and relay variable, considering the link quality, movement of vehicle, transmission power and rate of transmission. The goal is to improve the packet delivery ratio. Simulation show the packet delivery ratio reach 99.9% by using partition search broadcast algorithm based on cross-layer design. Latency for high-density network is reduced by approximately 0.1ms.

V2X;Cross-layer design;Broadcast algorithm;Relay variables;Delay;Packet delivery ratio

TN929.5

：A

：1002-0802(2016)-06-0723-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.06.014

2016-02-12;

：2016-05-08 Received date:2016-02-12;Revised date:2016-05-08