CN103795646B - 一种针对IEEE802.11p车载系统的分布式优先级拥塞控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种针对IEEE802.11p车载系统的分布式优先级拥塞控制方法，其主要内容包括：每个优先级等级的业务周期性统计其所在队列的包发送状况(包括总需求传输包数，队列中等待传输包数和已经碰撞失败传输包数)，根据统计结果设计表征不同等级业务所在队列的信道拥塞状况；不同等级业务对应不同的信道拥塞阈值；结合业务所在队列的信道拥塞状况和拥塞阈值，调整该等级业务的信道接入的控制参数——最小回退窗长，以减少业务间的碰撞概率，保证高优先级业务的传输质量，提高系统的吞吐量。

Description

一种针对IEEE802.11p车载系统的分布式优先级拥塞控制 方法

技术领域

本发明涉及一种应用于IEEE802.11p协议的车载系统的拥塞控制方法，目的在于利用分布式的方法解决多种优先级业务并存情况下的信道拥塞问题，以保证高优先级业务的服务质量。

背景技术

IEEE802.11p协议是面向车载环境制定的传输协议，是目前针对车载系统设计最为成熟的协议。为了支持车载系统中不同类型的传输业务，IEEE802.11p的MAC层设计了4个具有不同传输优先级的传输队列。该4个传输队列都采用碰撞避免的载波侦听(CSMA/CA)的信道接入机制进行传输信道的竞争。为了保证高优先级业务能够更快获得传输信道，在信道接入机制中采用了如下两种方法：

1)对于高优先级业务，采用较短的帧间仲裁时间(AISF)和较小的回退窗长最小值(CW_min)和回退窗长最大值(CW_max)。

2)当一个接入点或车辆(STA)内的不同优先级业务间信道竞争发生拥塞碰撞时，将信道传输机会分配给发生碰撞的最高优先级业务。

虽然CSMA/CA机制在一定程度上可以缓解不同车辆间的信道碰撞，但是当车辆数增多时，车辆间的信道碰撞概率增大，导致系统的吞吐率严重下降。由于车辆间没有类似于车辆内的不同优先级业务间的碰撞避免机制，单纯依靠CSMA/CA机制不能解决该碰撞问题。因此，需要额外采用拥塞控制方案解决信道碰撞问题，进一步保证高优先级的业务的传输可靠性，提高系统的吞吐率。

目前，有很多研究提出了基于CSMA/CA机制的拥塞控制方案。具体参见M.Sepulcre所著的“Congestion and Awareness Control in Cooperative Vehicular Systems”，Proceedings of the IEEE，vol.99，no.7，pp.1260-1279，Jul.2011，其中总结了现有的基于车车通信的拥塞控制方案，方案主要分为包传输速率控制和包发送功率控制两类：

1)包传输速率控制，在应用层基于车辆间交互的负载信息，计算出碰撞概率最小化或者系统吞吐量最大化的最优包传输速率。

2)包发送功率控制，基于车辆检测到的周围车辆数信息，判决出一定碰撞概率下的包发送功率。

对于目前的包传输速率控制方案，由于在最优化问题中考虑业务优先级计算复杂度很高，所以一般不考虑业务的传输优先级，因此还没有适合于IEEE802.11p系统的基于业务优先级包传输速率控制下的拥塞控制方案。对于包发送功率控制方案，车辆需要和邻节点交互获取邻节点信息，而在拓扑结构随时变化的车载环境，这种根据车辆交互获取的信息进行功率控制并不可靠，并且增加系统的控制开销。

针对IEEE802.11p系统的考虑业务优先级的拥塞控制方案，有研究给出了在MAC层利用调整回退窗长的方法进行拥塞控制，以保证高优先级业务的传输质量，具体参见Y.Zang所著的“Congestion control in wireless networks for vehicular safetyapplications”，in Proc.The 8th European Wireless Conference，2007，其中主要是通过调整回退窗长减少低优先级业务的信道竞争来保证高优先级业务的传输机会。而在IEEE802.11p中，高优先级业务相比低优先级业务，具有绝对信道接入优势，在拥塞环境中高优先级业务的传输性能下降主要来源于同等级业务的信道竞争，具体参见C.Han所著的，“Analytical Study of the IEEE802.11p MAC Sublayer in Vehicular Networks，”IEEETransactions on Intelligent Transportation Systems，vol.13，no.2，pp.873-886，June2012。因此，Y.Zhang方案并不能有效保证高优先级业务的传输。由此，我们可以知道在IEEE802.11p系统的考虑业务优先级的拥塞控制方案中，需要对高优先级业务也进行相应的信道接入参数调整，才能更好的保证其传输质量。

发明内容

本发明目的在于提供一种针对IEEE802.11p车载系统的分布式优先级拥塞控制方案，可以有效将业务间的碰撞概率保证在很低的水平，提高系统的吞吐率，保证高优先级业务的传输质量。

为实现上述目的，本发明设计了一种针对IEEE802.11p车载系统的分布式优先级拥塞控制方法，其特征在于包括以下步骤：

每个等级的业务周期性统计其所在队列的包发送状况，包括总需求传输包数、队列中等待传输包数和已经碰撞失败传输包数，根据统计结果表征的业务所处信道拥塞状况，调整该等级业务的信道接入的控制参数——最小回退窗长(CW_min)，以减少业务间的碰撞概率，其中

1)等级为m的业务所处队列v的信道拥塞状况C_m(v)设计为：

其中N_queue(v)表示队列v中等待传输包数，N_fail(v)表示队列v中已经碰撞失败传输包数，N_total(v)表示队列v中总需求传输包数。当队列所处的信道拥塞状况较大时，由于数据包迟迟不能获得信道传输机会引起队列中等待传输的包数增加，并且发送出的数据包也由于信道碰撞概率较大的原因导致传输失败概率增加，因此当C_m(v)越大时，表明等级为m的业务所在队列v的信道拥塞程度越大。

2)为不同等级的业务设置的信道拥塞阈值不同，等级为m的业务对应的信道拥塞阈值为C_th(m)。业务等级越低，其对应的信道拥塞阈值越低，为高优先级业务预留信道资源，保证高优先级业务的传输。而当高优先级业务所在队列的信道拥塞状况超过其对应的信道拥塞阈值时，仍然需要增加最小回退窗长，以减少信道的竞争，降低信道碰撞概率。

3)当等级为m的业务所处队列v的信道拥塞状况C_m(v)超过阈值C_th(m)时，增大其队列信道接入的CW_min，但不大于CW_max，以减少信道竞争。而当C_m(v)低于阈值C_th(m)时，减小其队列信道接入的CW_min，但不小于CW_min的初始值，以增加信道的使用率，提高系统吞吐率。

根据本发明提供的方法，可以解决车辆内和车辆间不同等级业务间的信道碰撞问题，保证高优先级业务的传输，使系统的吞吐量得到改善。

结合附图阅读本发明具体实施方式的详细论述后，本发明的其他特点和优势将会更加清晰。

附图说明

图1是IEEE802.11p系统中4个不同优先级等级业务队列示意图；

图2是使用本发明和IEEE802.11p信道接入机制的不同优先级等级业务的包成功传输数的性能对比；

图3是使用本发明和IEEE802.11p信道接入机制的信道碰撞概率性能对比；

图4是使用本发明和IEEE802.11p信道接入机制的平均包成功传输概率性能对比；

图5使用本发明和IEEE802.11p信道接入机制的总成功传输包数(系统吞吐量)的性能对比。

具体实施方式

下面将对本发明的具体实施方式进行详细说明。本发明采用分布式优先级拥塞控制方法，每个等级的业务周期性统计其所在队列的包发送状况(包括总需求传输包数，队列中等待传输包数和已经碰撞失败传输包数)，根据统计结果表征的业务所处信道拥塞状况调整该等级业务的信道接入最小回退窗长，以减少业务间的碰撞概率。具体的实施步骤如下：

1)等级为m的业务所在的队列v初始化最小回退窗长值CW_min(m)

2)当未达到一个周期的统计时间长度(假设为统计周期长度为T)时，统计更新队列v中等待传输包数、碰撞失败传输包数和总需求传输包数。其中总需求传输包数为等待传输包数、碰撞失败传输包数、由于信道恶化而传输失败的包数和成功传输包数之和。

3)当达到一个周期的统计时间长度时，更新等级为m的业务所在的队列v的信道拥塞状况C_m(v)，当C_m(v)大于对应的业务等级的信道拥塞阈值C_th(m)时，则将CW_min(m)值乘以因子a(a为大于1的整数)，但不大于其对应的最大回退窗长值CW_max(m)，以减少信道竞争。而当C_m(v)小于对应的业务等级的信道拥塞阈值C_th(m)时，则将CW_min(m)值除以a，但不小于其对应的最小回退窗长初始值，以提高信道利用率。

4)在IEEE802.11p系统的MAC层信道接入机制中，采用本发明控制的最小回退窗长参数。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本技术领域内的熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

下面对比使用本发明的拥塞控制方案与IEEE802.11p信道接入机制的性能。下表1为仿真参数。

表1仿真参数

图2是使用本发明和IEEE802.11p信道接入机制的不同优先级等级业务的包成功传输数的性能对比。图中显示采用本发明方案和IEEE802.11p信道接入机制，视频业务(AC_VI)和语音业务(AC_VO)相比于尽力型业务(AC_BE)和后台业务(AC_BK)有绝对的信道接入优势。随着车辆数的增加，信道竞争加大，业务间的碰撞概率增大，在IEEE802.11p信道接入机制下，各等级业务成功传输包数迅速下降，而高优先级的视频业务和语音业务包成功传输概率下降的主要原因来源与这两个高优先级业务间的信道竞争。由于在本发明的拥塞控制方案中，考虑了高优先级业务的信道竞争问题，视频业务相比语音业务提前调节回退窗长参数，减少信道竞争，有效保证了最高优先级业务——语音业务的传输质量。

图3是使用本发明和IEEE802.11p信道接入机制的信道碰撞概率性能对比。图中显示在原始的IEEE802.11p信道接入机制下，信道碰撞概率随着车辆数的增加而增加，在车辆数为60的情况下已经到达0.8。而采用本发明可以有效将信道碰撞概率保持在较低水平，在车辆数为60的情况下约为0.05。

图4是使用本发明和IEEE802.11p信道接入机制的平均包成功传输概率性能对比，图中显示在原始的IEEE802.11p信道接入机制下，由于信道碰撞概率随着车辆数的增加而增加，相应的包成功传输概率随着车辆数的增加而逐步降低，而采用本发明的平均成功传输概率能保证在较高水平。

图5使用本发明和IEEE802.11p信道接入机制的总成功传输包数(系统吞吐量)的性能对比，图中显示采用本发明能一定程度提高系统的吞吐量。

Claims (4)

1.一种针对IEEE 802.11p车载系统的分布式优先级拥塞控制方法，其特征在于包括以下步骤：

每个等级的业务周期性统计其所在队列的包发送状况，包括总需求传输包数，队列中等待传输包数和已经碰撞失败传输包数，根据统计结果表征的业务所处信道拥塞状况，调整该等级业务的最小回退窗长CW_min，即IEEE 802.11p协议中分布式信道接入回退窗长的初始值，以减少业务间的碰撞概率，其中：

1)等级为m的业务所处队列v的信道拥塞状况C_m(v)设计为：

$C_m\left(v\right)=\frac{N_{queue}\left(v\right)+N_{fail}\left(v\right)}{N_{total}\left(v\right)}$

其中N_queue(v)表示队列v中等待传输包数，N_fail(v)表示队列v中已经碰撞失败传输包数，N_total(v)表示队列v中总需求传输包数；当C_m(v)越大时，表明等级为m的业务所在队列v的信道拥塞程度越大；

2)为不同等级的业务设置不同的信道拥塞阈值，等级为m的业务对应的信道拥塞阈值为C_th(m)；业务等级越低，其对应的信道拥塞阈值越低；

3)当等级为m的业务所处队列v的信道拥塞状况C_m(v)超过阈值C_th(m)时，增大其队列信道接入的CW_min，但不大于最大回退窗长CW_max，即IEEE 802.11p协议中分布式信道接入回退窗长可达的最大值，以减少信道竞争，而当C_m(v)低于阈值C_th(m)时，减小其队列信道接入的CW_min，但不小于CW_min的初始值，以增加信道的使用率，提高系统吞吐率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于分布式信道拥塞状况测量，每个等级的业务根据其所在队列的包传输状况进行信道拥塞状况的测量，不要车辆间的信息交互。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于为不同等级的业务设置不同的信道拥塞阈值，信道拥塞阈值范围为(0,1)；业务等级越低，其对应的信道拥塞阈值越低，以保证高优先级业务的传输。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于结合信道拥塞状况和信道拥塞阈值，调整信道接入的最小回退窗长，各个等级业务遵循相同拥塞控制法则。