基于網絡狀態(tài)信息的車載網功率控制方法

陳淑群， 羅小華

(浙江大學 超大規(guī)模集成電路設計研究所，浙江 杭州 310027)

基于網絡狀態(tài)信息的車載網功率控制方法

陳淑群， 羅小華

(浙江大學超大規(guī)模集成電路設計研究所，浙江杭州310027)

針對車載自組網中,節(jié)點密度較高時，容易出現(xiàn)網絡擁堵的情況，提出了一種動態(tài)調整消息發(fā)射功率的方法。通過信道忙閑比例(CBR)評估節(jié)點的網絡狀況，并在出現(xiàn)網絡擁堵時泛洪廣播擁堵信息，通知其他節(jié)點作出相應的功率調整。綜合考慮功率覆蓋范圍和覆蓋節(jié)點數(shù)兩方面因素，設計了功率調整曲線。實驗結果表明:方法能根據網絡狀況自適應地調整發(fā)射功率，降低了發(fā)生信道過載的可能性，并提高了信標消息傳遞的成功率。

車載自組網； 信道忙閑比例； 功率控制； 信道負載

0 引 言

在車載自組網(vehicular Ad-hoc network,VANET)中，車輛節(jié)點之間基于FlexRay總線周期性的廣播信標消息，實現(xiàn)位置、速度等行駛狀態(tài)信息的共享[1,2]。采用固定的消息發(fā)射功率，容易在節(jié)點密集區(qū)域，因信標消息發(fā)送量過大導致信道過載。由此造成的消息碰撞和延遲，使車輛駕駛的安全性受到影響[2]。

為了改善VANET的網絡狀況，本文提出了一種動態(tài)調整發(fā)射功率的方法。首先對自身和鄰居節(jié)點的網絡狀態(tài)進行評估；然后在自身網絡擁堵的情況下，判斷是否泛洪廣播擁堵信息；如果不需要泛洪廣播，則根據鄰居節(jié)點的網絡狀態(tài)以及功率調整曲線，進行功率值的調整。這種功率調整方式在降低網絡負載的同時，確保節(jié)點與近距離鄰居節(jié)點間的網絡連接不受影響，從而提高了安全信息的傳輸性能。

1 網絡狀況的評估與發(fā)送機制

在IEEE 802.11p標準中，將具有沖突檢測的載波偵聽多路訪問(carrier sense multiple access/collision detect，CSMA/CD)作為信道訪問的競爭機制[3]。在載波偵聽機制中，每次數(shù)據傳輸前會檢測信道是否繁忙。信道忙閑比(channel busy ratio，CBR)定義為一定的監(jiān)測時間T內，信道檢測為繁忙狀態(tài)的時間所占比例[4]。CBR通過周期內多次信道檢測的平均值計算

(1)

式中n為信道檢測次數(shù)；ki在信道繁忙時為1，空閑時為0。

本文的功率控制方法將CBR值作為對網絡狀況評估的依據。當CBR高于可接受閾值時，認為信道占用率過高，當前節(jié)點為網絡擁堵節(jié)點。為了在鄰居節(jié)點之間進行網絡狀態(tài)的交流，將節(jié)點每個監(jiān)測周期的CBR信息加入到信標消息包中，并在下一周期發(fā)送。

2 功率控制方案

節(jié)點通過載波偵聽機制對信道進行監(jiān)測，在每個監(jiān)測周期結束時，進行發(fā)射功率的調整。調整方式通過以下三個步驟確定:

1)網絡狀況分析

在監(jiān)測周期結束后，計算當前信道的CBR值，并解析本周期內接收到信標消息，獲得所有鄰居節(jié)點的CBR信息，確定其當前網絡狀態(tài)。

2)泛洪廣播權的競爭

處于網絡擁堵狀態(tài)的節(jié)點，應將擁堵信息通知給所有鄰居節(jié)點。然而在交通密集區(qū)域，經常有多個臨近節(jié)點同時處于網絡擁堵狀態(tài)。如果所有擁堵節(jié)點均大范圍廣播信標消息，在造成信息冗余的同時會進一步加重網絡負擔。因此，只選擇一個節(jié)點代表整個擁堵區(qū)域，以最大功率廣播擁堵消息。多個擁堵節(jié)點之間的泛洪廣播權競爭流程如下：

a.對于擁堵節(jié)點u，檢查所有鄰居節(jié)點的網絡狀況。

b.如果不存在其他網絡擁堵節(jié)點，則節(jié)點u獲得泛洪廣播權，結束判斷流程。

c.如果鄰居中存在擁堵節(jié)點，則對每一個擁堵節(jié)點i，根據u和i之間的距離du,i，以及u從i接收消息的接收功率Pu，通過Friis傳輸公式[5]計算i節(jié)點的發(fā)射功率Pi。

d.如果存在節(jié)點i，其發(fā)射功率Pi等于最大發(fā)射功率，則當前泛洪廣播權屬于節(jié)點i，節(jié)點u競爭失敗；否則,節(jié)點u獲得泛洪廣播權。

3)無廣播權節(jié)點的功率控制

如果上周期具有廣播權的節(jié)點，在本周期失去廣播權，則其發(fā)射功率由最大值降為初始功率，重新進行覆蓋范圍的調整。

其他節(jié)點進行功率調整的方式，由其功率覆蓋范圍內鄰居節(jié)點的網絡狀況決定。如果所有覆蓋節(jié)點的網絡狀況良好，則按照功率調整曲線提高發(fā)射功率，嘗試與更多節(jié)點建立通信鏈路；如果存在網絡擁堵的覆蓋節(jié)點，則按照功率調整曲線降低發(fā)射功率，減小覆蓋該節(jié)點的概率。

3 功率調整曲線設計

設計功率調整曲線的目的，是在進行功率調整時，對于不同的發(fā)射功率值Ppre和覆蓋范圍內節(jié)點數(shù)量N，使用不同的功率變化量。

設定Pmax和Pmin為最大和最小發(fā)射功率，對應覆蓋半徑Rmax和Rmin。由于節(jié)點信息的價值隨節(jié)點間距離增大而下降，在功率降低時，Ppre的覆蓋半徑R越接近Rmax，則半徑縮減量ΔRfall越大，從而放棄與遠端不重要節(jié)點的通信以降低網絡負載；在功率提高時則相反，R越大，半徑增加量ΔRrise越小，防止因覆蓋不重要節(jié)點造成的網絡擁堵。

對覆蓋節(jié)點數(shù)N的分析類似。隨著N增大，競爭信道的節(jié)點數(shù)增多，為了降低網絡擁堵的發(fā)生率，在功率上升時ΔRrise減小，功率下降時ΔRfall增大。定義Nmax為信道不擁堵情況下所能容納的節(jié)點數(shù)上限；Nmin為保證基本安全通信要求需覆蓋的最小節(jié)點數(shù)。節(jié)點數(shù)量N應保持在Nmin和Nmax之間。

基于上述分析，設計了功率調整曲線，功率的單位為mW，k為可調系數(shù)。在功率上升時，功率增加值ΔPrise為

ΔPrise=(Pmax-Ppre)(Nmax-N)k

(2)

當Ppre>Pmax，或N>Nmax時，此次上升調整取消。

在功率下降時，功率降低值ΔPfall為

ΔPfall=(Ppre-Pmin)(N-Nmin)k

(3)

當Ppre

圖1為功率調整曲線在功率上升和下降階段的覆蓋半徑變化，其結果符合設計要求。

圖1 功率調整曲線在不同階段的半徑變化

4 實驗結果與分析

本文使用Veins(vehicles in network simulation)中的SUMO作為交通環(huán)境模擬工具，對網絡通信的模擬則使用OMNET++[6,7]。

仿真模型采用長度4 km的雙向四車道模型，車速范圍為30～60 km/h，仿真時間500 s。Nmax設定為30，Nmin設定為4。傳輸模型采用Two-ray Ground，數(shù)據流采用固定碼率，數(shù)據包大小為300 B，信標消息生成周期為100 ms，信道忙閑比閾值設為0.7。發(fā)射功率變化范圍7～34 dBm，初始功率14 dBm，并以34 dBm固定功率作為對照組。

圖2為分組投遞率隨車輛密度的變化。在車輛密度極低時，由于動態(tài)功率控制的調整周期長，分組接收率略低于固定發(fā)射功率。隨著車輛密度的升高，在固定發(fā)射功率情況下，參與信道競爭的節(jié)點數(shù)增多，網絡擁堵狀況愈發(fā)嚴重。而使用動態(tài)功率控制時，通過縮減覆蓋半徑來減緩信道競爭節(jié)點數(shù)量的增長，使網絡狀態(tài)保持良好。

圖2 不同車輛密度下的分組投遞率

圖3為分發(fā)延時隨車輛密度的變化。在固定發(fā)射功率情況下，分發(fā)延時隨車輛密度的增高迅速增加，使面向安全應用的可靠性受到影響。而對于動態(tài)功率控制，分發(fā)延遲始終保持在較低水平，保證了信標消息傳遞的及時性。

圖3 不同車輛密度下的分發(fā)延遲

5 結 論

針對VANET網絡在節(jié)點密度較大時易出現(xiàn)網絡擁堵的問題，提出了一種動態(tài)調整發(fā)射功率的方法,通過對各節(jié)點網絡狀況的分析，制定了相應的功率調整策略。仿真結果表明:該方法能夠根據VANET網絡狀況自適應地調整信號覆蓋范圍，降低了網絡擁堵的發(fā)生率并提升了車輛駕駛的安全性。

[1] Hartenstein H.VANET:Vehicular applications and inter-networking technologies[M].Chichester:Wiley,2010.

[2] 魏葉華,顏碧云.車載FlexRay網絡調度算法綜述[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(1):5-10.

[3] Biswas S,Tatchikou R,Dion F.Vehicle-to-vehicle wireless communication protocols for enhancing highway traffic safety[J].IEEE Communications Magazine,2006,44(1):74-78.

[4] 張 民,李德敏,金 康.一種多接口多信道 VANET 動態(tài)信道分配算法研究[J].計算機應用研究,2014,31(5):1516-1519.

[5] Autolitano A,Reineri M,Scopigno R M,et al.Understanding the channel busy ratio metrics for decentralized congestion control in VANETs[C]∥2014 International Conference on Connected Vehicles and Expo(ICCVE):IEEE,2014:717-722.

[6] Schmidt R K,Leinmüller T,Sch?fer G.Adapting the wireless carrier sensing for VANETs[C]∥The 6th International Workshop on Intelligent Transportation(WIT),Hamburg:2010.

[7] Sommer C,German R,Dressler F.Bidirectionally coupled network and road traffic simulation for improved IVC analysis[J].IEEE Transactions on Mobile Computing,2011,10(1):3-15.

PowercontrolmethodbasedonnetworkconditioninformationforVANET

CHEN Shu-qun， LUO Xiao-hua

(InstituteofVLSIDesign,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

When node density of vehicle Ad-hoc network(VANET)is high,the number of channel collisions increases occurrence of congestion in VANET.To solve this problem,a dynamic power control algorithm is proposed.The network condition of nodes is evaluated by the value of channel busy ratio(CBR).In case of network congestion,the congestion information is flooded,so that other nodes can adjust transmission power accordingly.Moreover,a power control function is designed, in which power coverage and the number of covered nodes are considered.The simulation results show that this method can adaptively adjust the transmission power and performs well in reducing the probability of channel overload and improving the packet reception rate.

vehicular Ad-hoc network(VANET); channel busy ratio(CBR); power control; channel load

10.13873/J.1000—9787(2017)11—0044—03

TN 929

A

1000—9787(2017)11—0044—03

2017—01—08

陳淑群(1990-) ，女，碩士研究生，主要研究方向為智能物聯(lián)與集成電路設計,E—mail：21410085@zju.edu.cn。