VANET中利用未分配TDMA時隙協助重發數據的方法

陳 振 韓江洪 劉征宇 陸 陽

1(合肥工業大學計算機與信息學院 合肥 230009)2 (安徽大學計算機教學部 合肥 230601)(czahu@163.com)

VANET中利用未分配TDMA時隙協助重發數據的方法

陳 振1,2韓江洪1劉征宇1陸 陽1

1(合肥工業大學計算機與信息學院 合肥 230009)2(安徽大學計算機教學部 合肥 230601)(czahu@163.com)

車載自組網(vehicular ad hoc network, VANET)中的分布式TDMA方法通常多出沒有被節點利用的空閑時隙，未能充分利用無線信道資源，且不能避免由于信道條件差所導致的丟包現象.與此同時，協助通信近年來引起了學術界和工業界的廣泛關注，該方法利用了無線信道的廣播特性，能夠有效地修復信道，提高無線通信的可靠性.針對VANET應用場合，提出了一種MAC層數據協助重發方法，即協助分布式TDMA方法(cooperative distributed TDMA, Co-DTDMA).在Co-DTDMA中，如果源節點未成功發送數據，則附近的鄰居節點利用未分配的空閑時隙協助重發源節點數據.與傳統的協助通信方法不同，Co-DTDMA中的所有操作都以分布式方式進行，不依賴任何中心控制節點，因而適應于VANET應用場合.此外，Co-DTDMA僅利用未分配的空閑時隙協助重發數據，不影響網絡中的正常數據傳輸.理論分析和仿真實驗表明：Co-DTDMA顯著地提高了數據成功接收概率，降低了數據傳輸時延.

移動自組網；車載自組網；介質訪問控制；時分多址；可靠性

隨著嵌入式技術和無線通信技術的發展，車輛裝有具有不同功能的傳感器收集狀態信息，并通過車載通信模塊與其他車輛交換信息，從而產生了移動自組網(mobile ad hoc network, MANET)的一種新應用形態——車載自組網(vehicular ad hoc network, VANET).VANET是智能交通的基礎，將會給人們帶來更安全和更有效率的駕駛體驗[1].

網絡拓撲的快速變化、無線通信的不可靠性、VANET安全業務信息的高可靠性要求和低時延限制等是VANET走向應用所面臨的諸多挑戰[1].作為VANET的MAC層標準，IEEE 802.11p以競爭的方式訪問無線信道，不能保證安全業務信息及時可靠地傳播[2-3].此外，IEEE 802.11p不能對廣播信息進行確認，還會產生“信息碰撞”等問題[4].為了避免節點競爭信道帶來的不確定性，文獻[5-8]針對VANET應用場合提出了分布式時分多址(time division multiple access, TDMA)方法.該方法以確定的方式訪問信道，消去了隱藏節點的影響，相對于IEEE 802.11p，能夠及時穩定地傳播VANET安全業務信息[7].

在分布式TDMA方法中，為使媒體訪問控制(medium access control, MAC)層性能穩定，幀內時隙數通常要大于2跳范圍內的節點平均數目[6-7,9]，因此，幀內通常會多出未被節點利用的空閑時隙.與此同時，無線信號衰減、車輛高速移動和車輛本身對無線信號的阻擋等使得VANET中的無線通信并不可靠[10].顯然，分布式TDMA方法未能充分利用無線信道資源，且不能避免由于信道條件差所導致的丟包現象.近年來，協助通信引起了學術界和工業界的廣泛關注，該方法利用了無線通信的廣播特性，能夠有效地修復信道，提高無線通信的可靠性[11].當源節點未成功發送數據到目標節點時，附近的其他節點與源節點和與目標節點之間的信道狀態可能較好，因此可以利用這些節點來協助重發源節點數據.雖然文獻[12-15]基于TDMA協議提出了相關協助通信方法，但都基于有中心控制節點的TDMA協議，其中的時隙分配、協助通信的協調和執行等都需要中心控制節點管理，且上述方法大都關注移動節點與中心控制節點之間的通信，因而并不適合VANET應用場合.為此，本文基于文獻[5-8]提出一種協助分布式TDMA方法(cooperative distributed TDMA, Co-DTDMA)，通過再利用幀內未分配的空閑時隙來協助重發傳輸失敗的數據，以提高分布式TDMA方法的可靠性.與已有的TDMA協助通信方法不同，Co-DTDMA中的所有操作，如時隙分配、協助通信的協調和執行等，都完全以分布式方式進行，不依賴任何中心控制節點.此外，由于僅利用了未分配的空閑時隙進行協助通信，Co-DTDMA沒有影響到網絡中的正常數據傳輸.

1 系統模型

文獻[5]針對VANET應用場合提出了著名的ADHOC MAC方法，它是一種分布式TDMA方法.在ADHOC MAC中，信道以幀(frame)為單位進行分割，每幀再分割成若干時隙(slot).節點監聽信道，在監聽1次數據傳輸過程后，在自身包頭的幀信息域(frame information， FI)中標注相關標志信息來反映時隙的占用情況.各個節點通過交換包頭中的FI域，判斷出[6-7]：1) 2跳范圍內的節點信息；2) 幀內時隙的占用情況.節點基于2跳范圍內的時隙占用信息選擇時隙，且只在自身時隙內發送數據，避免了信息碰撞和隱藏節點的影響.

在ADHOC MAC中，由于節點的相對移動，原來不在2跳范圍內的節點彼此接近，造成了文獻[6-7]所定義的匯聚碰撞(merging collision)問題.文獻[6-8]基于ADHOC MAC提出了VeMAC方法，將時隙分為3個獨立的子集，分別對應了公路不同方向車輛和公路旁的固定通信設備，減少了由于節點相對移動所導致的時隙再請求次數，提高了網絡吞吐量[6-7].

但在ADHOC MAC及其相關改進方法中，節點發送數據失敗時，必須等待下一幀的自身時隙才能重發數據，即使當前幀內的信道空閑(對應了未分配的空閑時隙).為此，研究再利用未分配空閑時隙重發數據的方法.節點通過交換FI域，獲知幀內的時隙占用情況，其中，未被節點占用的時隙為未分配的空閑時隙.在下面研究中：

1) 參考文獻[3,16-18]，基于1維空間公路或高速公路場景進行研究，并假設車輛在1維空間公路或高速公路上服從泊松分布[3,16].

2) 隨著導航系統的普及，假設車輛通過導航系統中的GPS脈沖信號實現時間同步[6-8,19-20].此外，如果GPS信號丟失，仍可利用GPS接收器中的振蕩器實現較長時間的同步[6-7].

3) 基于單位圓盤模型表示信道[16].設所有車輛無線1跳傳輸距離為R，當車輛之間距離小于或等于R時，在不考慮信息碰撞的情形下，設車輛之間能夠成功發送數據的概率為p，p越大，信道質量越好.當車輛之間距離大于R時，車輛之間不能直接通信.

4) 假設網絡節點通過VeMAC請求獲得時隙，在此基礎上，主要關注已獲得時隙的節點再利用未分配空閑時隙協助重發數據的方法.

5) 在1幀的時間窗口內(通常小于0.1 s[6-7])，時間短，車輛之間的相對移動小，況且VeMAC極大地減小了節點相對移動對網絡性能的影響，因此假設同一幀內各節點發送數據時車輛是靜止的.

2 Co-DTDMA

2.1 相關節點數據包結構

為了建立相關分析模型和對網絡性能進行比較，在節點獲得時隙后，主要考慮點到點的通信方式.如圖1所示，源節點S發送數據包到目標節點D.S發送數據包時，由于無線信道的廣播特性，在S與D共同傳輸范圍內的其他節點也能成功接收數據包.因此，如果S未成功發送數據包到D，則可以嘗試利用這些節點來協助重發數據包.在下面研究中，源節點與目標節點共同傳輸范圍內的其他節點稱為候選協助節點.

Fig. 1 Node H2 retransmits a packet for node S cooperatively圖1 H2協助重發S數據包

如果候選協助節點成功接收源節點數據包并且愿意重發數據包，則在當前幀內選定一未分配的空閑時隙(候選協助節點擬在該空閑時隙內協助重發數據包)，并在自身數據包包頭中通過插入重發請求域(retransmission request，R-REQ)來請求重發數據包.如圖2(a)所示，R-REQ含有以下信息：

1) 待重發數據包的源節點ID號、包序號和目標節點ID號(從源節點包頭的MAC Header域獲取)；

2) 候選協助節點在當前幀內選定的未分配空閑時隙序號.

Fig. 2 Structure of a packet in Co-DTDMA圖2 Co-DTDMA的數據包結構

其中，當前幀為源節點當前時隙到其下一時隙間的所有時隙，期間含有幀內固定的時隙數，不影響對問題的分析和處理.此外，采用ID號來標識節點.每個節點隨機產生自身的ID號，如果發現自身的ID號與其他節點的ID號相同，則更改自身的ID號.ID號比MAC地址短，采用ID號標識節點有效地減小了數據包大小[6].

在圖1中，S發送數據包后，如果候選協助節點H2成功接收S數據包并且愿意重發該數據包，則在自身包頭中通過插入R-REQ來請求重發S數據包，R-REQ包含了源節點S的ID號、待重發的數據包序號、目標節點D的ID號和H2在當前幀內選定的未分配空閑時隙序號.如果D未成功接收S數據包，則在H2發送數據包后，D從H2包頭的R-REQ域獲知：

1)S已發送數據包，但自身未成功接收數據包；

2)H2已成功接收S數據包并且愿意重發該數據包；

3)H2在當前幀內選定的未分配空閑時隙——如果D需要H2重發S數據包，則H2在該選定的未分配空閑時隙內重發數據包.

如果目標節點未成功接收源節點數據包，且已接收到相關候選協助節點發送的R-REQ，則目標節點在自身包頭中通過插入重發確認域(retransmission acknowledgement， R-ACK)來聲明需要重發源節點數據包.如圖2(b)所示，R-ACK含有以下信息：

1) 待重發數據包的源節點ID號、包序號和目標節點指定的候選協助節點ID號(可能存在多個候選協助節點發送R-REQ，目標節點需要指定一個候選協助節點來重發源節點數據包)；

2) 指定候選協助節點在當前幀內選定的未分配空閑時隙序號.

2.2 必要的信息交換過程

基于圖1的場景，圖3顯示了候選協助節點H2重發S數據包的必要信息交換過程：

1) 如圖3(a)所示，S在自身時隙內發送數據包到目標節點D，但D未成功接收數據包.在此過程中，如果候選協助節點(如H2)成功接收S數據包，則將S數據包保存在自身緩存中.

2) 如圖3(b)所示，如果候選協助節點(如H2)的時隙在目標節點D的時隙前，且已成功接收S數據包，則在自身包頭中插入R-REQ，并在自身時隙內發送數據包，即在目標節點時隙前，候選協助節點在自身時隙內通過消息搭載機制(piggyback)發送R-REQ.如果其他候選協助節點(如H1，H3)接收到該R-REQ，則不再發送R-REQ來請求重發數據包.

3) 如圖3(c)所示，如果D未成功接收S數據包，但D從候選協助節點(如H2)發送的R-REQ獲知：①源節點S已發送數據包，但自身未成功接收數據包;②候選協助節點(如H2)已成功接收S數據包，并愿意重發該數據包，隨后，D在自身包頭中插入R-ACK域，并在R-ACK域中指定候選協助節點(如H2)(目標節點也是在自身時隙內通過消息搭載機制發送R-ACK).

4) 如圖3(d)所示，指定的候選協助節點(如H2)接收R-ACK后，在自身選定的未分配空閑時隙內重發S數據包.

在圖3(b)中，候選協助節點通過消息搭載機制發送R-REQ來請求重發源節點數據包；在圖3(c)中，如果目標節點未成功接收源節點數據包，則通過消息搭載機制發送R-ACK來確認需要重發源節點數據包，并指定候選協助節點(在本文中，目標節點指定第一個發送R-REQ的節點)；在圖3(d)中，如果接收到R-ACK，則指定候選協助節點在未分配的空閑時隙內協助重發源節點數據包.需要指出的是，即使節點在自身時隙內沒有數據需要發送，也要發送實際數據為空的虛擬數據包(dummy packet)[6-7].在ADHOC MAC及其改進方法中，節點在自身時隙內發送虛擬包不產生與其他節點競爭信道的問題，也不產生任何形式的信道擁塞，但能使VANET中的節點更好地協調分配時隙[6-7].

Fig. 3 Information exchanges in Co-DTDMA圖3 Co-DTDMA的信息交換過程

上述過程通過消息搭載機制，利用了無線信道的廣播特性和分布式TDMA方法的確定信道訪問方式(不同節點對應了不同時隙，且只在自身時隙內發送數據)，使得源節點、目標節點和候選協助節點能以確定和有序的方式進行交互，且它們的協調方式完全是分布式的，不依賴任何中心控制節點.

2.3 網絡開銷分析

Co-DTDMA的開銷主要包括候選協助節點發送的R-REQ和目標節點發送的R-ACK.候選協助節點發送R-REQ后，如果其他候選協助節點接收到該R-REQ，則不再發送R-REQ來請求重發源節點數據包.由于所有候選協助節點都在源節點S的1跳傳輸范圍內，因此最多存在2個候選協助節點發送R-REQ.R-REQ(R-ACK)包含了源節點ID號、包序號、目標節點ID號(指定的候選協助節點ID號)以及選定的未分配空閑時隙序號.參考文獻[7]，將節點的ID號設為7 b.此外，如果將數據包序號和時隙序號設置為2 B，則對于通常的應用已經足夠(數據包序號大于最大序號時，從0開始重新計數)，所以R-REQ和R-ACK的長度通常小于50 b.參考車輛專用短程通信標準(dedicated short range communication, DSRC)，VANET中的數據傳輸速率為24 Mbps[21].如果將時隙時間設為1ms[7]，則節點在自身時隙內能夠發送25 165 b數據.R-REQ和R-ACK的長度通常小于50 b，遠小于節點在自身時隙內能夠發送的數據量，且發送R-REQ的候選協助節點不超過2個，發送R-ACK的節點僅為目標節點，所以，相對于Co-DTDMA利用的未分配空閑時隙，上述開銷可忽略不計.在下面的性能分析和仿真比較中，假設R-REQ和R-ACK都能正確地發送和接收.

3 性能分析

基于1維空間公路或高速公路場景進行研究，并假設車輛在公路上服從泊松分布.設公路車輛平均密度為β(每米車輛數)，則長度為l的公路上有i輛車的概率為

(1)

設ps為VeMAC的1跳范圍內節點的數據包成功接收概率.由于信息碰撞和信道質量p相互獨立，ps為

(2)

其中，pc為信息碰撞概率.由于2跳范圍內不同節點對應了幀內不同時隙，且節點只在自身時隙內發送數據，所以pc=0，ps=p.

Fig. 4 The common coverage road segment of a source-destination pair圖4 源節點S和目標節點D的共同傳輸范圍

3.1 存在候選協助節點的概率

如圖4所示，源節點S與目標節點D的共同傳輸范圍長度為2R-d，其中d為S距D的距離.如果D隨機分布在S的1跳傳輸范圍內，則d的均值為0.5R，所以S與D共同傳輸范圍的平均長度為1.5R[9].

當S與D共同傳輸范圍內的節點數小于或等于2時，除源節點和目標節點外，不存在候選協助節點；當S與D共同傳輸范圍內的節點數為u+2且大于2時，除源節點和目標節點外，候選協助節點數為u.設Nc為S與D共同傳輸范圍內的候選協助節點數，則：

(3)

Pr{Nr=0|Nc=u}=

(4)

在Nc=u時，存在能夠重發源節點數據包的候選協助節點概率為

Pr{Nr>0|Nc=u}=

1-Pr{Nr=0|Nc=u}=

(5)

在Nc所有條件下，存在能夠重發源節點數據包的候選協助節點概率為

Pr{Nr>0}=Pr{Nr>0|0≤Nc≤F-2}+

(6)

當0≤Nc≤F-2時：

Pr{Nr>0|0≤Nc≤F-2}=

(7)

當u>F-2時：

Pr{Nr>0|Nc>F-2}=

(8)

3.2 存在未分配空閑時隙的概率

由圖3可知，如果目標節點未成功接收源節點數據包，則在自身時隙內發送R-ACK來指定候選協助節點重發數據包，所以候選協助節點只能選定在目標節點時隙后的未分配空閑時隙來重發數據包.

節點前后1跳范圍內的鄰居節點數Nn(包括節點自身)為j的概率為

(9)

當Nn≤F時，所有節點都能獲得時隙，當Nn>F時，最多有F個節點能獲得時隙，為保證穩定的MAC層性能，F需滿足[9]：

(10)

(11)

3.3 數據包成功接收概率

對于VeMAC，目標節點在當前幀內成功接收源節點數據包的概率為ps；對于Co-DTDMA，當目標節點未成功接收源節點數據包時，可能存在候選協助節點利用未分配的空閑時隙協助重發數據包，所以，目標節點在當前幀內成功接收源節點數據包的概率為

(12)

3.4 數據包傳輸時延

如果目標節點在當前幀內未成功接收源節點數據包，則源節點在下一幀內繼續重發數據包，直到目標節點成功接收數據包.將數據包傳輸時延定義為目標節點成功接收源節點數據包所經歷的幀數.對于VeMAC，需要經過i幀目標節點才能成功接收源節點數據包的概率為

(13)

D服從幾何分布，其均值為

(14)

(15)

4 仿真實驗

首先用NS2仿真一段高速公路車輛行駛場景.公路有正反2個方向，每個方向上的車輛服從泊松分布.設每個方向上的車輛密度為βl，則公路車輛密度β=2βl(假設2個方向上的車輛密度相等).在VANET中，如果R很小，則鏈路存在時間短，車輛不能與相鄰車輛建立穩定的連接；如果R很大，則不利于復用無線信道資源.因此，參考文獻[22]，將設置R=200 m.下面在不同參數下比較VeMAC與Co-DTDMA的數據包成功接收概率和傳輸時延.對于每組參數(主要包括p，β，F等參數)，將其代入第3節中的相關公式，求得對應的分析結果.在仿真過程中，對于每組參數，根據其中的β值隨機產生50種不同的網絡拓撲結構，并在每種拓撲結構上抽取105幀的數據進行統計，對應的仿真結果取均值.

VeMAC的數據包成功接收概率決定于信道質量p，Co-DTDMA的數據包成功接收概率除決定于p外，還受到公路車輛密度β和幀內時隙數F的影響.圖5～7表明，相對于VeMAC，Co-DTDMA顯著地提高了數據包成功接收概率，降低了數據包傳輸時延.這是因為源節點未成功發送數據包時，Co-DTDMA能夠利用未分配的空閑時隙重發源節點數據包.

Fig. 5 The performance of Co-DTDMA compared with VeMAC as a function of p圖5 在不同p值下2種方法的性能比較

Fig. 6 The performance of Co-DTDMA compared with VeMAC as a function of β圖6 在不同β值下2種方法的性能比較

Fig. 7 The performance of Co-DTDMA compared with VeMAC as a function of F圖7 在不同F值下2種方法的性能比較

圖5在不同的信道質量下比較2種方法的性能，其中，β為每米0.05輛車，F=30.圖5表明，信道質量越好，2種方法的數據包成功接收概率越大，傳輸時延越小.p=0時，信道質量差，所有數據包發送失敗，2種方法的數據包成功接收概率為0，傳輸時延無限大；p=1時，信道質量好，所有數據包發送成功，2種方法的數據包成功接收概率為1，傳輸時延相同.

圖6在不同的公路車輛密度下比較2種方法的性能，其中，p=0.5，F=40.圖6(a)表明，在車輛密度較小時，隨著車輛密度的增大，候選協助節點的增多，Co-DTDMA的數據包成功接收概率增大.但在車輛密度較大時(接近每米0.1輛車)，如果繼續增大車輛密度，Co-DTDMA的數據包成功接收概率反而會減小，這是因為幀內的未分配空閑時隙越來越少.在β為每米0.1輛車時，幀內不存在未分配的空閑時隙，2種方法的數據包成功接收概率相同.對圖6(b)中的數據包傳輸時延可進行類似分析.

Fig. 10 The performance of Co-DTDMA compared with VeMAC based on real traffic data圖10 基于交通流量數據的2種方法性能比較

圖7在不同的F值下比較2種方法的性能，其中，β為每米0.05輛車，p=0.5.圖7表明，在F值較小時，隨著F增大，幀內未分配的空閑時隙增多，Co-DTDMA的數據包成功接收概率增大，傳輸時延降低；但隨著F的繼續增大，Co-DTDMA的數據包成功接收概率和傳輸時延逐漸保持不變.

最后，采用1組實際交通流量數據來比較2種方法的性能.文獻[23]的課題組歷時6年，在G2，G15，G45，G60這4條城際高速路上以及在多條市內快速路上采集了逾30萬條數據.下面采用該課題組采集的實際交通流量數據.如圖8所示，采用數據的采集地點為滬杭高速(G60)嘉興王店服務區南側，對應時間為2011-07-26T14:14:00—16:14:00，主要采集迎面行駛的車輛速度、加速度、位置等數據.在該時段中，車輛平均加速度為0.01 ms2.首先對本文中的假設條件進行驗證，即驗證高速公路車輛是否滿足泊松分布的假設.將時間窗口設為50 s，統計每50 s經過該路段的車輛數.圖9對應了不同車輛數的出現概率.圖9表明，車輛在該路段上可近似為泊松分布，本文中假設條件成立.

Fig. 8 The location of data collecting圖8 數據采集地點

Fig. 9 The histogram of G60 traffic flow圖9 G60交通流量數據柱狀圖

在1幀的時間窗口內(通常小于0.1 s[6-7])，時間短，車輛之間的相對移動小，況且VeMAC極大地減小了節點相對移動對網絡性能的影響，基于此，論文假設同一幀內各節點發送數據時車輛是靜止的.因此，實驗根據實際交通流量數據來確定不同的高速公路車輛快照，并在每種快照中抽取實驗數據進行統計.將上述2 h的實際交通流量數據分割成144組，每組數據的時間間隔為50 s.如第1組數據的對應時間為2011-07-26T14:14:00—14:14:50，第2組數據的對應時間為2011-07-26T14:14:50—14:15:40等.每組數據確定了1組車輛快照.如對于第1組數據，根據各個車輛的觀察時間、觀察時的位置、觀察時的速度等信息，計算出該組數據所觀察到的車輛在該組數據結束時(2011-07-26T14:14:50)的位置，從而得到在該組數據結束時的1組車輛快照(由于車輛的平均加速度很小，僅為0.01 ms2，因此可以認為在每組數據的時間窗口內，車輛保持勻速行駛).每次隨機選擇2組數據，分別對應了公路不同方向的車輛，一共進行50次實驗，每次實驗抽取105幀的數據進行統計.在實驗中，由于每組實際交通流量數據的車輛平均密度為每米0.012 6輛車，所以公路車輛平均密度為每米0.025 2輛車，此外，實驗中的F=20.圖10對應了實驗的平均結果.結果表明，本文中的分析模型較好地擬合了實驗結果.由于本文中的分析模型基于車輛服從泊松分布的假設，且高速公路上車輛的實際分布可近似為泊松分布，所以本文中的分析模型較好地擬合了實驗結果.

5 結 論

本文提出了一種利用未分配空閑時隙重發數據包的方法.源節點未成功發送數據包時，候選協助節點利用未分配的空閑時隙協助重發源節點數據包；隨后，對本文方法的性能進行了分析，并通過仿真實驗加以驗證.由于利用了未分配的空閑時隙重發傳輸失敗的數據包，本文方法顯著地提高了數據包成功接收概率，降低了數據包傳輸時延.

此外，源節點、目標節點和候選協助節點之間的交互以及候選協助節點利用未分配的空閑時隙重發數據包都是在通信協議棧中的MAC層完成，不影響上層的路由協議和應用協議.

本文基于基本的信道模型對所提方法進行了分析和比較.在后續研究中，將進一步研究更加真實的無線信道模型對所提方法的性能影響.

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Chen Zhen, born in 1980. PhD candidate in Hefei University of Technology. His main research interests include wireless sensor networks and distributed system.

Han Jianghong, born in 1954. Professor and PhD supervisor in Hefei University of Technology. His main research interests include wireless sensor networks, embedded system and distributed system (hjh@hfut.edu.cn).

Liu Zhengyu, born in 1980. Associate professor in Hefei University of Technology. His main research interests include Internet of things and wireless sensor networks (liuzhengyu@hfut.edu.cn).

Lu Yang, born in 1967. Professor and PhD supervisor in Hefei University of Technology. His main research interests include distributed control systems, industrial Internet of things and reliability engineering.

Using Unreserved TDMA Slots for Retransmitting Packets in VANET

Chen Zhen1,2, Han Jianghong1, Liu Zhengyu1, and Lu Yang1

1(SchoolofComputerandInformation,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009)2(ComputerStudiesDepartment,AnhuiUniversity,Hefei230601)

The distributed TDMA approach for vehicular ad hoc network (VANET) does not take advantage of idle slots, failing to effectively utilize radio resources, and the approach is not free from packet dropping due to a poor channel condition. Cooperative communication, on the other hand, has drawn significant attention from both academia and industry in recent years, since it can be effective in mitigating wireless channel impairments by utilizing the broadcast nature of the wireless channel. In the paper, a cooperative scheme for medium access control (MAC), referred to as cooperative distributed TDMA (Co-DTDMA) is presented for VANET. In Co-DTDMA, neighboring nodes utilize unreserved slots for cooperatively retransmitting a packet which has failed to reach the destination node owing to a poor channel condition. Different from traditional cooperative approaches, all Co-DTDMA operations, such as synchronization among nodes, reserving a time slot, cooperation decision and cooperative transmission are done in a fully distributed manner, which makes it suitable for VANET. In addition, cooperative transmission is conducted in unreserved slots, without interrupting the normal transmission. Both theoretical analysis and experimental results demonstrate that the proposed scheme significantly increases the probability of successful packet transmission and decreases the delay of packet transmission in various network parameters.

mobile ad hoc network (MANET); vehicular ad hoc network (VANET); medium access control; time division multiple access (TDMA); reliability

2015-06-19；

2016-03-22

國家自然科學基金項目(61370088，61502142)；安徽省自然科學基金項目(1408085MKL80) This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(61370088,61502142) and the Natural Science Foundation of Anhui Province of China(1408085MKL80).

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