CN103826284A - 一种车载无线网络中基于车辆密度的介质访问控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载无线网络中基于车辆密度的介质访问控制方法，在车辆节点转发数据时，依据当前车辆节点密度和地理位置自适应地选择转发节点。本发明可以使车载无线网络有效降低无线信道的竞争，避免过高的数据传播延时，减少广播次数，从而提高数据传输的整体性能。

Description

一种车载无线网络中基于车辆密度的介质访问控制方法

技术领域

本发明涉及一种车载无线网络中基于车辆密度的介质访问控制方法。

背景技术

车载无线网络使用无线传输技术，通过探测和传播交通安全信息来避免交通事故。当事故发生时，利用车辆之间通信迅速传播安全警告信息。但是由于无线传输范围有限，车载无线网络在转发安全消息时采取多跳广播的方式，需要通过多次广播才能将安全信息传播到网络中的全部车辆节点。

因此，当交通事故发生时面临着两个问题：一是在很短的时间里如何完成多跳传输；二是如何保证消息传输的可靠性。在车载无线网络的高移动环境下，很多文献对设计低延时、高可靠性的快速消息传播机制进行了深入研究。

IEEE802.11p协议是一个由IEEE802.11标准扩充的车载无线网络接入控制层协议。IEEE802.11p采用了二进制退避算法。当节点在发送数据前，首先载波侦听确定信道的闲忙状态。如果信道持续空闲，那么节点将分组发送出去。如果信道忙，则启动一个退避计时器，继续侦听信道。随机退避时间的计算如下式：

BackoffTime=Random()×aSlotTime()

当信道持续空闲，则退避计时器执行减计数。Random()为从[0,CW]均匀分布的整数中随机选择的伪随机数，CW的取值范围为CW_min到CW_max，aSlotTime为时隙长度。CW的初始值设置为CW_min，取值为31。每个节点都要记录重传次数SRC。当节点进行重传时，则重传次数SRC增加1。节点每次发送失败都会增大CW，直到CW达到最大值aCW_max。当CW大于或等于aCW_max，CW将维持不变，直到CW被重设。CW的更新算法如下式：

CW_new=min((CW_old+1)×2－1,CWmax)

其中，CW_old和CW_new分别是更新前后的CW值。节点每次成功发送数据后，或者SRC达到限定值后，会将CW重设为CW_min。IEEE802.11p协议的问题在于：在通信过程中随着车辆密度的增加，会出现冲突次数变大、传输延时增高等问题，降低了网络整体传输性能。

Rec协议中各车辆节点通过GPS获取自己的地理位置信息，在发送消息时选择在传输范围内离当前节点最远的节点作为转发节点。该转发节点收到消息，便立即转发，能减少不必要的重传，从而减少传输延时。但是由于车辆的高移动性，很难对周围节点完成完整持续的更新。而且当车辆密度大时，Rec协议选取较远节点的方法导致消息覆盖范围内出现大量消息碰撞，信道竞争加剧，从而导致端到端传输延时和广播次数急剧增加。

发明内容

为了解决上述车载无线网在车辆密度大时端到端的传输延时高、冲突次数高等问题，本发明提供了一种车载无线网络中基于车辆密度的介质访问控制方法。

本发明的技术方案包括以下步骤：

步骤一：当前节点初始化，计时器清零并开始计时；

步骤二：当前节点等待接收消息，收到消息后转入步骤三；

步骤三：当前节点判断计时器是否超时，如果超时则广播所收到的消息，并通过发送beacon包中通告本节点成为转发节点，计时器清零，返回步骤二；如果没超时则判断消息类型，如果是beacon包则转入步骤四，如果是message包则跳转至步骤五；

步骤四：当前节点依据beacon包首先判断此beacon包的发送节点是否在当前节点的邻居列表中，如果不在邻居列表内则添加该发送节点到邻居列表中，并更新车辆密度α并返回步骤二，如果在邻居列表内，再判断该发送节点是否为转发节点，如果是则记录该发送节点为转发节点F，并更新当前节点距转发节点F的距离d_f后返回步骤二，如果不是则直接返回步骤二，其中所述的车辆密度α为当前节点广播范围内的车辆数量；

步骤五：当前节点依据message包内容判断其是否为新消息，如果是则计算计算距转发节点F的最优距离d_opt和等待时隙CW，计时器开始计时，返回步骤三；如果不是新消息，则计时器停止计时，返回步骤二。

所述车载无线网络中基于车辆密度的访问控制方法，所述步骤一中：当前节点初始化包括：当前节点的邻居列表中节点数量n_v初始化为0；当前节点所记录的转发节点F初始化为空；当前节点距转发节点的距离d_f初始化为0；当前节点的邻居表neighbour_list初始化为空；计时器超时时间的初值设为0和31个时隙之间的随机值；当前节点距转发节点F的最优距离d_opt的初值设为300m。

所述车载无线网络中基于车辆密度的访问控制方法，所述步骤五中：当前节点计算距转发节点F的最优距离d_opt，首先，消息在道路路段的起端到末端传输延时T的计算如下：

$T=\frac{\mathrm{\σL}[m+D-(m+D-1){(1-p)}^{\mathrm{\αd}}]}{{\mathrm{\αd}}^{2}p{(1-p)}^{\mathrm{\αd}-1}}$

其中，车辆密度α为当前车辆节点300m广播范围内车辆数量，时隙长度σ为20μs，道路路段长度L为5000m，传输概率p=2/(1+CW_min)，发送一个message数据包的时隙数m为1000，DIFS的时隙数D为2.5，最小等待时隙CW_min为31，依据一阶导数T’(d)=0可以得到当前节点距转发节点F距离d的最优值d_opt；

等待时隙CW的计算如下：

$\mathrm{CW}=\left|\frac{d_f-d_{\mathrm{opt}}}{R}\right|\×({\mathrm{CW}}_{\max }-{\mathrm{CW}}_{\min })+{\mathrm{CW}}_{\min }$

其中，d_f为当前节点距转发节点F的距离，广播范围R为300，最大等待时隙CW_max为1023。

本发明的技术效果在于：我们提出在车载无线网络中基于车辆密度的介质访问控制方法依据当前车辆节点密度和地理位置自适应地选择转发节点，使车载无线网络有效降低无线信道的竞争，避免过高的数据传播延迟，减少转发次数，从而提高数据传输的整体性能。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为车辆密度从50辆/千米到250辆/千米变化时，不同协议端到端的传输延时；

图3为车辆密度从50辆/千米到250辆/千米变化时，不同协议端到端的广播次数；

图4为车辆距离固定8米，发送节点数量从总车辆节点的5%到25%变化时，不同协议端到端的传输延时；

图5为车辆距离固定8米，发送节点数量从总车辆节点的5%到25%变化时，不同协议端到端的广播次数；

图6为发包间隔从0.01秒到0.5秒变化时，不同协议端到端的传输延时。

具体实施方式

参见图1，本发明的流程如下：

当前节点初始化其邻居列表中节点数量n_v初始化为0，所记录的转发节点F初始化为空，当前节点距转发节点的距离d_f初始化为0，邻居表neighbour_list初始化为空，计时器超时时间的初值设为0和31个时隙之间的随机值，当前节点距转发节点F的最优距离d_opt的初值设为300m。

在各项参数初始化后，当前节点接收消息，首先判断定时器是否超时，如果定时器超时，该节点广播收到的消息，并成为转发节点F，即在其后发送的beacon包中通告本节点成为转发节点。如果定时器没超时则判断消息类型。

收到的消息如果是beacon包，当前节点依据beacon包判断其发送节点是否属于邻居列表中，如果不属于邻居列表则添加该发送节点到邻居列表中，并更新车辆密度α，然后继续等待接收信息，如果在邻居列表内，当前节点再判断该发送节点是否为转发节点F，如果是则记录该发送节点为转发节点F，并更新当前节点距转发节点的距离d_f，信息更新完后，等待接收消息。如果不是转发节点则继续等待接收消息。

收到的消息如果是message包，当前节点计算当前节点距转发节点F的最优距离d_opt。消息在道路路段的起端到末端传输延时T的计算如下：

$T=\frac{\mathrm{\σL}[m+D-(m+D-1){(1-p)}^{\mathrm{\αd}}]}{{\mathrm{\αd}}^{2}p{(1-p)}^{\mathrm{\αd}-1}}$

其中，车辆密度α为当前车辆节点300m广播范围内车辆数量，时隙长度σ为20μs，道路路段长度L为5000m，传输概率p=2/(1+CW_min)，发送一个message数据包的时隙数m为1000，DIFS的时隙数D为2.5，最小等待时隙CW_min为31。依据一阶导数T’(d)=0可以得到当前节点距转发节点F的最优距离d_opt。

等待时隙CW的计算如下：

$\mathrm{CW}=\left|\frac{d_f-d_{\mathrm{opt}}}{R}\right|\×({\mathrm{CW}}_{\max }-{\mathrm{CW}}_{\min })+{\mathrm{CW}}_{\min }$

其中，d_f为当前节点距转发节点F的距离，广播范围R为300，最大等待时隙CW_max为1023。

当前节点依据message包判断其是否为新消息，如果是则计算等待时隙CW，计时器开始计时；如果不是新消息，则计时器停止计时，开始等待新消息。因为其他节点已经转发该消息，所以该节点不再转发该消息。

从上式可以看出，d_f为当前节点距转发节点F的距离，d_opt为发送方距理想转发节点的距离，d_f与d_opt两者之间的差越小，则该节点与理想转发节点越接近，该节点发送数据的等待时隙CW越小，成为转发节点的概率更大。

本发明利用NS2.29网络仿真平台来实现，并进行了性能测试。其中，我们提出的车载无线网络中基于车辆密度的介质访问控制方法称为VDF。

实验设置如下：道路长度为5000米，选择道路最前的一个车辆节点作为消息的发送点，其发送恒定比特流的起止时间分别为0和0.1秒。发送间隔时间0.05秒，包大小为2000字节。无线信道速率为1Mbps。

图2、图3是车辆密度变化时，分别测试IEEE802.11p、Rec和VDF的传输延时和广播次数。从图2可以看出，在IEEE802.11p、Rec和VDF下，随着车辆密度增大，端到端的传输延时增大。当车辆密度从50辆/千米至100辆/千米变化时，传输延时增长较为缓慢。此时因为车辆密度较小，信道竞争不强。Rec选择传输范围内最远的节点作为转发节点，提高了消息覆盖范围，加快了消息传输速度，所以Rec协议的传输延时比IEEE802.11p小。当密度大于150辆/千米时，车辆密集程度变大，信道竞争加剧，Rec选择最大消息覆盖范围的方法会加重无线信道的碰撞，传输延时比IEEE802.11p的大。而且，随着车辆密度增大，Rec的延时增长更快。

当车辆密度小于100辆/千米时，VDF延时相对于IEEE802.11p降低了约为20%。这是因为车辆密度较小时，IEEE802.11p不考虑车辆密度因素，随机选择转发节点，平均覆盖范围较小，延时性能最差。当密度在150辆/千米至250辆/千米变化时，VDF的端到端传输延时比802.11p减少了约15%，较Rec减少了约30%。这是由于车辆密度变大时，VDF根据接收节点接收范围内车辆密度决定下一次传输范围，能有效地避免了信道冲突，减少退避延时和重传次数，性能显著提高。

从图3可以看出，随着车辆密度增大，IEEE802.11p协议的广播次数增长较快。Rec和VDF在车辆密度较小时，广播次数相差不大。而在车辆密度变大时，VDF比Rec的广播次数低。其原因是Rec协议在传输范围中选取最远节点作为转发节点，在车辆密度小时，广播次数较小；但当车辆密度大时，Rec也选择最大传输范围，导致发送方传输覆盖范围内消息碰撞次数更多，重传广播次数增长。而VDF根据车辆密集程度调节其传输覆盖范围，保证了较高的消息发送成功率，所以广播次数相对稳定，低于IEEE802.11p协议和Rec，有效地改善了性能。

图4、图5是在车辆密度固定为125辆/千米情况下，发送节点数量从当前车辆总数的5%增加到25%时，IEEE802.11p、Rec和VDF的传输延时和广播次数的变化。

从图4可以看出，三种协议的传输延时都随着发送节点数量的增加而增长。当发送节点数量从5%到15%变化时，Rec协议下的延时比IEEE802.11p协议下的延时减少了约20%，而VDF的延时较Rec的减少了约20%。因为当发送节点数量较少时，节点附近范围内的数据量不够密集，碰撞现象不严重，所以选择较大的覆盖范围能减少传输延时。但是当发送节点数量超过15%时，信息碰撞现象严重，信道竞争激烈，较大的覆盖范围会加剧信道竞争，所以Rec协议下的延时急剧增长。发送节点数量从5%到25%变化时，VDF整体传输延时增长水平较IEEE802.11p和Rec低，整体性能比802.11p提高了55%。特别是在发送节点数量数量较多时，VDF较Rec性能提升更明显，达到了约30%。这是因为发送节点数量越多时，VDF根据发送节点数量的密集程度选择合理覆盖范围，能减少数据碰撞，降低了传输延时。

从图5可以看出，随着发送节点数量的增加，IEEE802.11p的广播次数增长相对比较快，Rec和VDF的广播次数都略微增长。整体看来，VDF根据发送节点数量的密集程度自适应选择传输范围，缓解信道竞争，取得了最好的性能。

图6是改变发包间隔时，IEEE802.11p、Rec和VDF三的端到端传输延时。测试中车辆密度为100辆/千米，道路长度5000米，发送节点数量固定为50，其发送恒定比特流的起止时间分别为0和0.1秒，包大小为2000字节。

从图6可以看出，随着发包间隔从0.01秒到0.1秒增加，IEEE802.11p、Rec和VDF的端到端传输延时都呈现递减趋势。原因在于发包间隔变大会降低信道竞争和冲突概率，从而降低了退避延时。而在相同的发包间隔下，IEEE802.11p、Rec和VDF的传输延时依次递减。这显示了VDF针对信道竞争状态具有较好的适应性，能自适应地选择转发节点以较好的覆盖范围来转发广播消息，取得最好的延时性能。

Claims (3)

1.一种车载无线网络中基于车辆密度的介质访问控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：当前节点初始化，计时器清零并开始计时；

步骤二：当前节点等待接收消息，收到消息后转入步骤三；

步骤三：当前节点判断计时器是否超时，如果超时则广播所收到的消息，并通过发送beacon包中通告本节点成为转发节点，计时器清零，返回步骤二；如果没超时则判断消息类型，如果是beacon包则转入步骤四，如果是message包则跳转至步骤五；

步骤四：当前节点依据beacon包首先判断此beacon包的发送节点是否在当前节点的邻居列表中，如果不在邻居列表内则添加该发送节点到邻居列表中，并更新车辆密度α并返回步骤二，如果在邻居列表内，再判断该发送节点是否为转发节点，如果是则记录该发送节点为转发节点F，并更新当前节点距转发节点F的距离d_f后返回步骤二，如果不是则直接返回步骤二，其中所述的车辆密度α为当前节点广播范围内的车辆数量；

步骤五：当前节点依据message包内容判断其是否为新消息，如果是则计算计算距转发节点F的最优距离d_opt和等待时隙CW，计时器开始计时，返回步骤三；如果不是新消息，则计时器停止计时，返回步骤二。

2.根据权利要求1所述车载无线网络中基于车辆密度的访问控制方法，其特征在于，所述步骤一中：当前节点初始化包括：当前节点的邻居列表中节点数量n_v初始化为0；当前节点所记录的转发节点F初始化为空；当前节点距转发节点的距离d_f初始化为0；当前节点的邻居表neighbour_list初始化为空；计时器超时时间的初值设为0和31个时隙之间的随机值；当前节点距转发节点F的最优距离d_opt的初值设为300m。

3.根据权利要求1所述车载无线网络中基于车辆密度的访问控制方法，其特征在于，所述步骤五中：当前节点计算距转发节点F的最优距离d_opt，首先，消息在道路路段的起端到末端传输延时T的计算如下：

$T=\frac{\mathrm{\σL}[m+D-(m+D-1){(1-p)}^{\mathrm{\αd}}]}{{\mathrm{\αd}}^{2}p{(1-p)}^{\mathrm{\αd}-1}}$

其中，车辆密度α为当前车辆节点300m广播范围内车辆数量，时隙长度σ为20μs，道路路段长度L为5000m，传输概率p=2/(1+CW_min)，发送一个message数据包的时隙数m为1000，DIFS的时隙数D为2.5，最小等待时隙CW_min为31，依据一阶导数T’(d)=0可以得到当前节点距转发节点F距离d的最优值d_opt；

等待时隙CW的计算如下：

$\mathrm{CW}=\left|\frac{d_f-d_{\mathrm{opt}}}{R}\right|\×({\mathrm{CW}}_{\max }-{\mathrm{CW}}_{\min })+{\mathrm{CW}}_{\min }$

其中，d_f为当前节点距转发节点F的距离，广播范围R为300，最大等待时隙CW_max为1023。

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