面向安全應用消息QoS的接入協議研究*

孫曉艷，段林俠，要趁紅

西安建筑科技大學 信息與控制工程學院，西安 710055

面向安全應用消息QoS的接入協議研究*

孫曉艷+，段林俠，要趁紅

西安建筑科技大學 信息與控制工程學院，西安 710055

為了實現車聯網安全應用消息的低時延高可靠傳輸，設計了一種基于時分多址（time division multiple access，TDMA）面向安全應用消息服務質量（quality of service，QoS）的多址接入協議QoS-oriented TDMA。該協議采用TDMA技術實現，并同時考慮了協同感知信息（cooperative awareness message，CAM）和分布式環境通知消息（decentralized environmental notification message，DENM）兩種安全應用消息的傳輸需求。采用交通仿真軟件SUMO和網絡仿真軟件OMNeT++相結合的，交通與網絡仿真雙向耦合、實時交互的車聯網仿真平臺Veins，對QoS-oriented TDMA協議進行了仿真實現和性能驗證。仿真結果表明，CAM傳輸可靠性雖然沒有明顯改善，但是QoS-oriented TDMA協議提高了DENM傳輸可靠性，并降低了CAM和DENM傳輸時延。與IEEE 802.11p協議相比，QoS-oriented TDMA協議高速場景和市區場景中CAM接收概率分別降低了5.8%和7.1%，傳輸時延分別降低了11.4%和12.8%；DENM的接收概率分別提高了10.5%和12.9%，傳輸時延分別降低了13.3%和15.1%。

車聯網（IoV）；多址接入；安全應用消息；時分多址（TDMA）

1 引言

車聯網（Internet of vehicles，IoV）是智能交通系統（intelligent transportation system，ITS）的重要基礎[1]。車聯網中存在兩種通信形式：車-車之間（vehicle-tovehicle，V2V）通信和車-路側單元（vehicle to roadsideunits，V2R）通信[2]。根據車聯網中傳輸的信息內容和實時性要求，其業務類型主要分為交通安全類、交通效率類和用戶服務類[3]。交通安全型應用主要用于交通安全預警。歐洲電信標準化協會（European telecommunications standards institute，ETSI）將安全應用消息進一步分為協同感知信息（cooperative awareness message，CAM）和分布式環境通知消息（decentralized environmental notification message，DENM）[4]。CAM主要是在感興趣區域中為道路預警應用周期性地發送或廣播消息，DENM是由用戶場景中的特殊事件觸發的事件驅動消息，其優先級高于CAM。安全應用消息的傳輸主要是為了保證車輛的道路行駛安全，因此安全應用消息傳輸需求是所有車聯網傳輸的消息中最嚴苛的，必須首先保證其傳輸的低時延和高可靠要求，車輛的行駛安全才能進一步得到保障。車聯網中現有的安全應用消息信道接入協議是基于競爭的載波偵聽多路訪問/沖突避免（carrier sense multiple access with collision avoidance，CSMA/CA）多址接入控制（media access control，MAC）協議IEEE 802.11p，在車輛密集場景中，由于車聯網中拓撲的快速變化和CAM周期性廣播傳輸，極易導致消息的頻繁碰撞，從而使得CAM和DENM的傳輸性能都難以保證，整個網絡傳輸性能急劇下降，所以基于競爭的MAC協議在業務密集場景中很難滿足車聯網安全應用消息的低時延高可靠傳輸。因此，越來越多的學者們考慮在車聯網MAC機制中采用基于時分多址（time division multiple access，TDMA）的接入協議。

針對已有車聯網MAC協議中存在的問題，基于TDMA的多址接入協議主要從防止消息碰撞，減少時隙浪費，提高信道接入公平性這三方面入手進行研究，并針對CAM的傳輸性能進行了仿真驗證與分析。

（1）防止消息碰撞

車聯網的車輛密集場景以及安全應用消息的周期性發送是引起消息碰撞的主要原因。目前針對這一缺點所提出的解決辦法主要有協作、中繼和碰撞預測3種方法。文獻[5]針對車輛密集場景中安全應用消息頻繁碰撞引起的網絡性能下降問題，提出了動態選擇中繼節點和自動協作通信的VC-TDMA協議[5]。其中，節點可以合理地選擇多跳中繼節點，而且其他空閑節點之間可以自動提供協作通信，有效防止了車聯網密集場景中安全應用消息的頻繁碰撞。文獻[6]利用路側單元（road side unit，RSU）可以協調其通信范圍內所有節點的特點，針對車聯網中基于TDMA的MAC協議提出了通過RSU協作的時隙確認改進協議RCMAC[6]。該協議可以減少由于控制信道中所有節點周期性傳輸控制消息而引起的傳輸碰撞概率。文獻[7]為了克服IEEE 802.11p協議中安全應用消息頻繁競爭信道導致的碰撞問題設計了一個以TDMA為基礎的PTMAC協議，該協議采用提前預約時隙的方法有效防止了消息碰撞[7]。

（2）減少時隙浪費

采用TDMA協議的傳輸機制中，每個節點產生的消息只能在自己選擇的指定時隙內發送，未被選中的時隙將被浪費。

針對這一點，文獻[8]實現了C-TDMA MAC，該協議是以協作方案為基礎的TDMA MAC協議，可以有效避免基于TDMA的MAC協議存在的時隙浪費問題，提高消息傳輸的接收概率[8]。文獻[9]實現了一種MAC層的消息重傳機制，當某個車輛節點傳輸消息失敗時，與之相鄰的車輛節點可以利用TDMA中的空閑時隙對傳輸失敗的消息進行重傳，有效利用了空閑的TDMA時隙，達到了減少時隙浪費的目的。

（3）提高信道接入公平性

在安全應用消息傳輸過程中，隨著交通場景中車輛數目的增加，通信性能會逐漸惡化，進而致使安全應用消息傳輸公平性下降。文獻[10]為了在共享無線媒介時提高公平性，設計了以TDMA為基礎的多信道傳輸機制。該機制是TC-MAC的擴展，通過一種增強型時隙預留機制來提高信道接入公平性[10]。文獻[11]實現了一種基于簇的TDMA協議，使用該協議選擇車輛的平均時隙個數和數據可以被成功傳輸之前，總的時隙數都少于現有的基于簇的TDMA系統，有效地解決信道接入公平性的問題[11]。

已有研究表明，只考慮周期性的安全應用消息CAM在進行消息傳輸時，基于TDMA的多址接入協議不僅可以做到防止消息碰撞，提高時隙利用率，信道接入的公平性也有所提高。由此可見，基于TDMA的多址接入協議基本上可以滿足車聯網中的周期性安全應用消息的傳輸。但是車聯網中安全應用消息除了CAM以外還有事件觸發類安全應用消息DENM，已有的基于TDMA的多址接入協議都沒有考慮DENM的傳輸需求，因此該類協議能否滿足車聯網中DENM的傳輸需求是一個有待研究的問題。本文在對車聯網中已有MAC協議進行分析的基礎上，設計了一種基于TDMA面向安全應用消息服務質量（quality of service，QoS）的多址接入協議QoS-oriented TDMA，以同時滿足CAM和DE-NM的傳輸需求，并對QoS-oriented TDMA協議進行了仿真驗證和性能分析。

2 QoS-oriented TDMA多址接入協議

2.1 已有車聯網MAC協議

車載環境無線接入（wireless access in vehicular environment，WAVE）標準協議框架包括IEEE 802.11p和IEEE 1609協議族，IEEE 802.11p協議采用專用短程通信技術（dedicated short range communications，DSRC）標準[12]，該標準占用5.850～5.925 GHz的頻帶，其具體的信道頻譜如圖1所示。

Fig.1 Channel spectrum of DSRC圖1 DSRC信道頻譜

DSRC標準將5.850～5.925 GHz的頻帶分為7個10 MHz的信道，其中CH178為控制信道（control channel，CCH），主要用于發送安全信息和控制信令；CH174、CH176、CH180和 CH182為業務信道（service channel，SCH），用于安全類或非安全類消息的傳輸；CH172和CH184為預留信道[13]。CH172專用于車-車之間安全通信，以減少和避免交通事故的發生，保障生命和財產安全。CH184專用于高功率、長距離通信的公共安全應用，比如，減少道路交叉口碰撞事故。

IEEE 1609協議族中的IEEE 1609.4協議負責對DSRC信道頻譜進行多信道操作，是對IEEE 802.11p協議的MAC機制的增強。IEEE 1609.4協議將時間軸分成多個同步間隔，其時長為100 ms，每個同步間隔又分為控制間隔和業務間隔。車聯網中的車輛節點在整個通信過程中不停地在控制間隔和業務間隔間切換。默認情況下，控制間隔和業務間隔的時長各為50 ms，其中包含保護間隔時長。除此之外，IEEE 1609.4還定義了其他3種模式：控制間隔連續占用模式、業務間隔搶占模式和業務間隔連續占用模式[14]，具體如圖2所示。

Fig.2 Channel switching mode in IEEE 1609.4圖2 IEEE1609.4定義的信道切換模式

在圖2中，控制間隔連續占用模式中車聯網只能在控制信道傳輸與安全應用相關的信息而不能傳輸用戶業務信息，從而不能滿足用戶駕駛舒適性等方面的需求；業務間隔連續占用模式可以充分滿足用戶駕駛舒適性需求，但不能保證駕駛的安全性要求；業務間隔搶占模式中，只要用戶有業務信息需要傳輸，即使當前處于控制信道，也立即切換到業務信道進行用戶信息的傳輸。這種模式易造成車聯網系統安全信息的丟失。

WAVE體系中的MAC協議在車輛密集場景中網絡性能急劇下降，不能滿足車聯網中安全應用消息低時延和高可靠性傳輸的QoS需求。因此，針對這一問題，提出了QoS-oriented TDMA機制，該機制既考慮了CAM的傳輸需求，又考慮了DENM的傳輸需求。

2.2 QoS-oriented TDMA協議幀結構

文獻[15]中指出，DSRC標準中CCH和SCH信道之間存在4 ms的保護間隔，用于發送安全應用消息的178信道——CCH信道在每個同步間隔只有46 ms用于發送安全應用消息，沒有完全利用10 Mb/s信道，因此容易產生擁塞。使用172信道作為安全應用消息信道，178信道用來發送控制消息，這樣就可以使10 Mb/s帶寬得到充分利用[15]。因此，QoS-oriented TDMA協議使用DSRC標準中規定的CH172信道發送安全應用消息，使用CH178信道發送控制消息，并采用TDMA技術實現。為了與車聯網WAVE體系結構相匹配，幀長度采用50 ms。

該協議將時間分割成周期性的幀，每一幀再分割成若干個時隙（無論幀或時隙都是互不重疊的），時隙數量大于等于當前網絡中車輛的數量，以保證每一輛車都有平等并且非常可靠的機會發送自己的數據包。根據一定的時隙分配原則，每個節點產生的消息只能在指定的時隙內發送。QoS-oriented TDMA協議幀結構如圖3所示。

Fig.3 Frame structure of QoS-oriented TDMAprotocol圖3 QoS-oriented TDMA協議幀結構

在圖3所示的TDMA協議的系統中，時隙長度由消息長度和數據傳輸速率共同決定，基本計算公式如式（1）所示：

式（1）中，Ts代表一個時隙的長度；L代表消息長度；r代表消息發送的速率。

一方面，對于車聯網來說，3GPP V2X規范中參考的消息長度范圍分別為CAM 50～300 Byte，DENM最大1 200 Byte，其中不包括安全相關的消息部分；另一方面，車聯網中支持多種不同的數據傳輸速率，已有研究表明數據傳輸速率6 Mb/s可以較好地滿足車聯網中消息傳輸的需求[13]。由于車聯網中CAM和DENM的長度不相等，時隙長度計算的基本原則為，時隙在適當的消息傳輸速率條件下滿足長度最短消息的傳輸，這樣可以減少時隙的浪費。因此，時隙長度具體計算公式修正為式（2）：

式（2）中，Ts代表一個時隙的長度；Lm,min代表最短消息長度；r代表消息傳輸的速率。網絡中CAM長度遠小于DENM長度，因此時隙長度由CAM長度決定。消息傳輸速率r取6 Mb/s，當CAM取50 Byte時，Ts=6.67×10-2ms；CAM 取 300 Byte時，Ts=0.4ms。DENM傳輸所需要的時隙個數由DENM長度與CAM長度比值決定。如果比值為整數，則取整數個時隙；如比值不是整數，則向上取整所得的值為時隙個數。

節點產生的消息在每一幀可以占用一個或多個時隙。當消息占用的時隙數為整數個，則在相應整數個時隙上進行占用和標注；對于消息長度不固定的情況下，由于時隙長度固定，消息所占用的時隙數目會根據消息長度而改變，以保證在整數個時隙內消息可以被成功傳輸。時隙的數目是向上取整，即沒有占滿的時間也不能分配給其他消息。

消息在傳輸過程中占用時隙個數k計算公式如式（3）所示：

式（3）中，k為消息傳輸占用的時隙個數；T為消息傳輸總時長；Ts為一個時隙的長度。

消息傳輸總時長計算公式如式（4）所示：

式（4）中，T表示消息傳輸總時長；L為消息的長度；r為消息傳輸的速率。

每一幀中的時隙個數計算公式如式（5）所示：

式（5）中，N為一幀中時隙個數；Tf是一幀的幀長度。

2.3 QoS-oriented TDMA協議傳輸機制設計

本文設計的時隙有兩種狀態：一是空閑狀態（0）；二是分配占用狀態（1）。每個時隙對應一個節點，一個節點可以占用多個時隙。時隙與節點的對應關系在一個時隙表中存儲。一幀中的時隙總數為N，所有時隙初始狀態為空閑狀態，當前時隙號為TSc，消息占用時隙個數為k。針對CAM傳輸和DENM傳輸分別設計了兩種消息傳輸過程。

2.3.1 QoS-oriented TDMA中的CAM傳輸機制

基于QoS-oriented TDMA的CAM傳輸示意圖如圖4所示。

Fig.4 Transmission sketch map of CAM based on QoS-oriented TDMA圖4 基于QoS-oriented TDMA的CAM傳輸示意圖

假設某節點產生的一個消息在TSi時隙到達MAC層，首先判斷消息長度，根據消息長度確定傳輸該消息所需要的時隙個數k(k＞0)，從TSc～TSn中隨機挑選k個連續時隙作為預發送時隙。TSc表示當前時隙，TSn為每一幀的最后一個時隙。如果所選擇的時隙剛好空閑，則判斷該時隙之后的k-1個時隙是否空閑，若都空閑，則將所選擇的時隙作為預發送時隙；若所選擇的時隙不空閑，則在TSc～TS之間選擇其中最前面的k個連續空閑時隙作為預發送時隙。由于每一幀內時隙個數足夠網絡中所有車輛公平地發送自己的消息，該時隙選擇過程可以滿足網絡中所有車輛的消息傳輸過程中的時隙需求。時隙選擇的過程相對于安全應用消息的傳輸時延來說可以忽略不計，因此可以認為該過程對整個消息傳輸過程沒有影響。

被成功預約的時隙狀態置為占用狀態，等待預約到的時隙到來的時刻將CAM發出。因此，CAM在MAC層傳輸流程如圖5所示。

由圖5中CAM在MAC層傳輸流程可以看出，消息的發送時延由消息進行時隙預約到發送的等待時延和消息傳輸時延兩部分組成，計算公式如式（6）所示：

Fig.5 Transmission flow chart of CAM in MAC圖5 CAM在MAC層傳輸流程圖

式（6）中，Td為消息發送時延；Ttr為消息傳輸時延；Tw為消息進行時隙預約到發送的等待時延。

2.3.2 QoS-oriented TDMA中的DENM傳輸機制

為了更好地滿足實際交通情況，本文考慮CAM和DENM兩種消息的傳輸，CAM和DENM的消息控制域結構如圖6所示。

圖6中，消息名稱用來區分CAM和DENM兩種消息類型，每個消息中包含自身長度信息、消息產生時間、發送節點ID、接收節點ID以及發送節點當前的位置。

在CAM傳輸機制的基礎上設計QoS-oriented TDMA協議中的DENM傳輸機制算法如下所示：

Step2中時隙個數k的計算公式同式（3），Step3中確定時隙的詳細過程如CAM傳輸機制中時隙確定方法所述。同時發送CAM和DENM時，為了區分CAM和DENM，在MAC層建立兩個不同的消息隊列，并設置DENM消息優先級高于CAM。當DENM隊列不為空時，優先發送DENM，停止發送CAM；如果該DENM隊列為空，才繼續發送CAM隊列中的消息，DENM被接收節點接收后傳輸結束。

網絡中每一個節點都會執行類似的操作為要發送的消息選擇預發送時隙，不存在一個節點連續幾幀預約時隙的情況，因此能很好地適應車聯網高動態拓撲的變化。每個節點為發送的每一個安全應用消息選擇特定的時隙進行傳輸，有效提高了安全應用消息傳輸的公平性。在節點進行安全應用消息傳輸之前判斷該節點所預約的時隙是否空閑，可以有效避免消息碰撞。每個節點在每次發送消息之前都要首先進行時隙選擇，在網絡中節點個數比較多的時候，可以選擇距離最遠的節點所占用的時隙作為發送時隙，從而提高時隙利用率，減少時隙浪費，而且節點不需要在預約傳輸時隙之前進行時隙預約申請，減少了時隙等待時間，從而減少了端到端時延。因此，QoS-oriented TDMA安全應用消息傳輸機制從理論上來說可以實現安全應用消息低時延高可靠性的傳輸，從而可以提高車輛道路行駛的安全性。

3 仿真及結果分析

3.1 仿真平臺搭建及實驗步驟

車聯網的仿真需要采用真實的車輛機動特性，將車輛的瞬時機動參數輸入到網絡仿真作為網絡傳輸輸入的參數，并將網絡傳輸的結果反饋給交通仿真影響車輛機動參數的變化。針對這一特點，本文采用開源、微觀、連續的道路交通仿真平臺SUMO和基于C++的開源、時間離散的網絡仿真平臺OMNeT++的交通與網絡仿真雙向耦合、實時交互的車聯網仿真框架Veins[16]作為仿真平臺搭建的基礎，在其上實現本文提出的QoS-oriented TDMA協議。其中，Veins框架如圖7所示。

在圖7中，利用SUMO仿真平臺實現了不同路網、交通燈控制、車輛重新尋路、交通流和速度的動態調整。在OMNeT++仿真平臺中實現了DSRC協議棧以及QoS-Oriented TDMA協議。

基于SUMO的交通仿真和基于OMNeT++的網絡仿真通過交通控制接口（TraCI）進行實時交互，具體如圖8所示。

在圖8中，網絡平臺通過TraCI獲得交通平臺中車輛的實時位置、速度等信息，用于車聯網通信傳輸；通信傳輸的結果通過TraCI生成在線指令改變交通平臺中車輛的行駛路徑、交通燈狀態等。

Fig.7 Frame of network simulation platform圖7 車聯網仿真平臺框架圖

Fig.8 Interactive sketch map of traffic simulation and network simulation圖8 交通仿真與網絡仿真交互示意圖

本文主要基于車聯網仿真框架Veins，從初始化模塊和MAC層消息處理模塊兩處入手實現了QoS-oriented TDMA協議。

（1）初始化模塊

在初始化模塊initialize中定義時隙狀態列表，時隙狀態表示該時隙為空閑（0）或者占用（1）狀態。初始化時所有時隙狀態為空閑狀態（0），網絡中所有節點共享該時隙狀態列表，每個節點通過時隙狀態列表可以了解到當前時刻的時隙占用情況。

（2）消息處理模塊

MAC層采用本文所設計的QoS-Oriented TDMA消息傳輸機制對DENM和CAM進行傳輸，因此在Veins中原有的MAC層消息處理模塊handleMessage的基礎上加入了傳輸CAM和DENM時的時隙選擇過程。消息到達MAC后首先根據消息長度判斷消息傳輸所需要的時隙個數，然后在該幀內選擇空閑時隙完成時隙預約，等待時隙到來完成消息發送。

本文考慮的交通場景有市區交通場景和高速交通場景兩種。實驗步驟設計如下：

①首先在SUMO中實現兩種不同的交通仿真場景。

②在OMNeT++中給兩種交通場景設置不同的車輛密度，分別對車聯網WAVE體系中IEEE 802.11p協議和QoS-oriented TDMA協議進行仿真。

③在OMNeT++中收集并整理仿真結果數據。

④對仿真結果數據進行處理，分別計算出兩種協議在不同場景下的接收概率和傳輸時延。

⑤在仿真結果的基礎上對兩種協議的性能進行分析比較。

因為本文主要考慮CAM和DENM兩種安全應用消息的傳輸情況，已有的基于TDMA的車聯網協議的設計沒有對兩種消息進行區分，只是考慮了CAM的傳輸，與本文協議設計出發點不同，所以本文仿真結果不與已有的基于TDMA的車聯網協議進行對比。

3.2 仿真參數設置

仿真中假設無線信道是理想的，不存在誤比特情況。網絡仿真參數的設置如表1所示。

Table 1 Network simulation parameters表1 網絡仿真參數

仿真場景分為市區場景和高速場景。市區場景呈“田”字型分布，每條路線為雙向二車道，長600 m，車輛依次從每條路的各個方向的兩個車道進入仿真場景，沿直線行駛，直到駛出場景。高速場景呈“一”字型分布，單向四車道，長5 000 m，車輛從高速路的一端進入仿真場景，沿直線行駛，直到駛出場景。交通仿真軟件SUMO中的市區場景和高速場景示意圖如圖9所示。

Fig.9 Simulation scene in SUMO圖9 SUMO仿真場景示意圖

市區場景和高速場景的具體交通場景參數如表2所示。

Table 2 Traffic scene parameters表2 交通場景參數

表2中車輛個數計算公式如式（7）所示：

式（7）中，Nv為每公里車輛數；L為道路長度；ρv為每車道每公里車輛密度；Nl為道路中的車道數。

3.3 仿真結果分析

車聯網網絡協議中安全應用消息傳輸的性能指標主要是時延和接收概率。其中，時延為應用層的端到端時延，計算公式如式（8）所示：

式（8）中，Tdelay表示安全應用消息的傳輸時延，Tgeneration為安全應用消息在應用層的產生時間；Treceived為安全應用消息在應用層的接收時間。

安全應用消息接收概率為某個節點接收到的消息總數與網絡中通信范圍內鄰節點發送的消息總數之比，計算公式如式（9）所示：

式（9）中，Ni為第i輛車接收到的安全應用消息數；Ni,t為第i輛車t時刻內鄰節點發送安全消息的個數；n為網絡中車輛總數。

結合表1中的網絡仿真參數和表2中的交通仿真參數，在圖9所示的兩個交通仿真場景中改變網絡拓撲中的車輛數分別對IEEE 802.11p協議和QoS-oriented TDMA多址接入機制進行了仿真。根據OMNeT++中統計的仿真結果數據計算出CAM和DENM的傳輸時延和接收概率。

圖10比較了不同場景中QoS-oriented TDMA協議和IEEE 802.11p協議在CAM和DENM傳輸時的接收概率情況。

從圖10中可以看出，不管是高速場景還是市區場景的情況下，CAM和DENM兩種安全應用消息的接收概率都隨著網絡中車輛數的增多而下降。由于CAM是周期性產生的，QoS-oriented TDMA協議在每次發送消息前進行時隙預約，而且在有DENM要發送時停止CAM的發送，優先發送DENM。因此，對于CAM來說，IEEE 802.11p協議相比于QoS-oriented TDMA協議的接收概率性能要略好一些。但是對于DENM來說，由于網絡中DENM是事件觸發產生的，消息總數少，并且消息長度長，原有的IEEE 802.11p協議中，DENM需要與周期性產生并且消息長度短的CAM一起競爭信道，因此接收概率極難保證。相比之下，在QoS-oriented TDMA協議中，DENM接收概率有所提高。

Fig.10 Results of reception probability in different simulation scenarios圖10 不同仿真場景接收概率結果圖

在IEEE 802.11p協議中，當車輛數增加時，由于安全應用消息CAM的周期性產生和發送，網絡中總的消息個數急劇增加，并通過隨機退避競爭的方式接入信道，大量的碰撞不可避免。在這種情況下，事件觸發消息DENM由于其總數少，消息長度遠大于CAM，并且采用相同的隨機退避的方式接入信道，大多數的DENM都會與CAM發生碰撞，不能正確傳輸到目標節點。因此，DENM的接收概率很難保證。而在QoS-oriented TDMA協議中，由于采取時隙預約的方式進行消息傳輸，有效減少了消息之間的直接沖突，從而提高了安全應用消息DENM的接收概率。與IEEE 802.11p協議相比，QoS-oriented TDMA協議在高速場景和市區場景中DENM的接收概率分別提高了10.5%和12.9%。

安全應用消息對時延的要求非常茍刻，尤其是事件觸發類安全應用消息。如果安全應用消息的傳輸時延過大，將極有可能因為消息不能及時傳輸對道路交通安全造成嚴重的影響。QoS-oriented TDMA協議和IEEE 802.11p協議的CAM和DENM傳輸時的平均傳輸時延在圖11中進行了比較。

Fig.11 Results of latency in different simulation scenarios圖11 不同仿真場景時延結果圖

在圖11的高速和市區兩種不同場景的仿真結果中，事件觸發消息DENM由于消息長度比周期性安全應用消息CAM長得多，導致其傳輸時延遠遠大于周期性安全應用消息CAM。同時，不管是在高速場景還是市區場景，QoS-oriented TDMA協議在CAM和DENM的發送時延控制方面均優于IEEE 802.11p協議。IEEE 802.11p協議中，CAM和DENM都要采用競爭的方式來傳輸，在網絡中車輛較多時，消息傳輸時延急劇增長。QoS-oriented TDMA協議中給DENM設置了最高消息優先級，在有DENM要發送時，停止了CAM的發送，并且采用時隙預約的方式，沒有了競爭機制中的時隙退避過程，從而降低了網絡中各節點的消息傳輸時延。相比IEEE 802.11p協議，QoS-oriented TDMA協議在高速場景和市區場景中DENM的傳輸時延分別降低了13.3%和15.1%。

4 結束語

本文設計了基于TDMA的面向安全應用消息傳輸性能的QoS-oriented TDMA協議，該協議的主要特點是同時考慮CAM和DENM的傳輸需求，采取時隙預約的方式進行消息傳輸。仿真結果表明，QoS-oriented TDMA協議改善了已有車聯網協議IEEE 802.11p協議中周期性安全應用消息CAM頻繁發出引起的事件觸發類消息DENM接收概率極難保證的問題，提高了DENM傳輸的可靠性，降低了系統中各節點的消息傳輸時延，有效改善了車聯網安全應用消息的傳輸性能。DENM是與道路交通安全息息相關的安全應用消息，其快速可靠的傳輸可以有效減少交通事故的發生。可見，QoS-oriented TDMA協議對提高道路車輛行駛安全性有一定的意義。

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Research on QoS of SafetyApplication Messages OrientedAccess Protocol*

SUN Xiaoyan+,DUAN Linxia,YAO Chenhong

School of Information and Control Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055,China

2016-12,Accepted 2017-05.

In order to achieve the low latency and high reliability transmission of the safety application messages in the Internet of vehicles(IoV),this paper designs a QoS-oriented time division multiple access(TDMA)protocol.The protocol uses TDMA technique,and considers the transmission requirements of two kinds of safety application messages,cooperative awareness message(CAM)and decentralized environmental notification message(DENM),respectively.The combination of traffic simulation software SUMO and network simulation software OMNeT++is used to build a vehicular network simulation platform—Veins,in which the relationship of traffic simulation and network simulation is bidirectional coupling and they can interact in real-time.The simulation of QoS-oriented TDMA protocol is implemented on the platform,and the performance is verified on it too.The simulation results show that the designed protocol does not improve the transmission reliability of CAM obviously,but improves the transmission reliability of DENM,and reduces the message transmission delay of both DENM and CAM.Compared with the IEEE 802.11p protocol,in the high speed scenario and the urban scenario respectively,the reception probability of the CAM in the QoS-oriented TDMA protocol is reduced by 5.8%and 7.1%,and the transmission delay of the CAM in the QoS-oriented TDMA protocol is reduced by 11.4%and 12.8%,the reception probability of the DENM in the QoS-oriented TDMA protocol is improved by 10.5%and 12.9%,and the transmission delay of the DENM in the QoS-oriented TDMAprotocol is reduced by 13.3%and 15.1%.

Internet of vehicles(IoV);multiple access;safety application message;time division multiple access(TDMA)

+Corresponding author:E-mail:xysun@xauat.edu.cn

10.3778/j.issn.1673-9418.1612046

*The 2017 Scientific Research Plan of Shaanxi Provincial Education Department under Grant No.17JK0464(陜西省教育廳2017年專項科學研究計劃);the School Talent Science and Technology Fund under Grant No.RC1339(校人才科技基金項目).

CNKI網絡優先出版:2017-05-04,http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.5602.TP.20170504.1431.010.html

SUN Xiaoyan,DUAN Linxia,YAO Chenhong.Research on QoS of safety application messages oriented access protocol.Journal of Frontiers of Computer Science and Technology,2017,11(12)：1972-1983.

A

TP391.44

SUN Xiaoyan was born in 1979.She received the Ph.D.degree in information and communication engineering from Xidian University in 2011.Now she is an associate professor and M.S.supervisor at Xi'an University of Architecture and Technology.Her research interests include wireless communications,mobile ad hoc network and communications in Internet of vehicles,etc.

孫曉艷（1979—），女，山東威海人，2011年于西安電子科技大學信息與通信工程專業獲得博士學位，現為西安建筑科技大學信息與控制工程學院副教授、碩士生導師，主要研究領域為無線通信，移動自組織網絡，車聯網通信等。發表學術論文10余篇，主持陜西省教育廳2017年專項科學研究計劃和校人才科技基金各1項。

DUAN Linxia was born in 1988.She is an M.S.candidate at School of Information and Control Engineering,Xi'an University ofArchitecture and Technology.Her research interest is Internet of vehicle.

段林俠（1988—），女，陜西西安人，西安建筑科技大學信息與控制工程學院碩士研究生，主要研究領域為車聯網。

YAO Chenhong was born in 1982.She received the Ph.D.degree in information and communication engineering from Xidian University in 2016.Now she is a lecturer at Xi'an University of Architecture and Technology.Her research interests include wireless communications,relay network and communications in Internet of vehicles,etc.

要趁紅（1982—），女，河南開封人，2016年于西安電子科技大學信息與通信工程專業獲得博士學位，現為西安建筑科技大學信息與控制工程學院講師，主要研究領域為無線通信，中繼網絡和車聯網通信等。