CN104080190A - 一种基于概率预测的退避方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于概率预测的退避方法，该方法通过建立Markov链模型，从理论上推导出信标消息的碰撞概率和过期概率随最小竞争窗口的变化关系，保证广播消息的接收率达到最佳；针对传统车载自组织网络退避方法退避因素过于单一，退避阶数幅度过大等问题，本发明提供了一种基于概率预测的退避方法(简称CEB)，该方法是基于信标消息碰撞概率、过期概率与竞争窗口值的关系这一思想提出的，根据碰撞概率和过期概率的相对大小线性调整竞争窗口值；该方法在广播消息的接收率和平均到达时延方面的性能均有所提升，且信道接入的公平性也得到了优化，能够保证紧急广播消息接入信道的优先权。

Description

一种基于概率预测的退避方法

技术领域

本发明涉及车载自组织网络中基于概率预测的退避方法，属于网络通讯技术领域。

背景技术

目前，车载自组织网络已逐步成为解决各种交通问题的新途径，并且近年来得到了大力发展，其中安全应用作为其基础应用，主要用来解决交通事故、提供交通预警等。安全应用对广播消息的接收率及平均到达时延要求极高，但是由于车载自组织网络IEEE802.11p协议中传统二进制指数退避方法(BinaryExponentially Backoff，BEB)的局限性，导致其性能不能满足安全应用的要求。

1990年IEEE802标准化委员会成立IEEE802.11无线局域网标准工作组。该标准定义了无线局域网络的物理层和媒体访问控制(MAC)规范，主要用于解决办公室局域网和校园网中，用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据存取。由于该协议传输速率最高只能达到2Mbps，所以业务主要被用于数据的存取。

IEEE802.11p(WAVE)是一个由IEEE802.11标准扩充的通信协议，主要用于车载通信系统。车载网中的通信大致可以分为交通安全、交通效率和服务价值(例如娱乐或商业服务等)几种类型[3]。802.11p标准从美国专用短程通信标准(Dedicated Short Range Communications，简称DSRC)演化而来。DSRC是专为车辆间的短程通信设定的标准。最近几年，美国的相关研究机构和政府部门积极在DSRC频谱上部署和发展无线通信标准及协议，即车载环境无线接入(Wireless Access in Vehicular Environment，简称WAVE)。

在DSRC中，5.9GHz频域上的75MHz带宽被分配专门用来给车辆与车辆(Vehicle-to-Vehicle，V2V)和车辆与路边基础设施(Vehicle-to-Infrastructure，简称V2I)之间进行通信，其主要目的在于保证车辆环境下的公共安全应用及防止交通事故和提高交通效率。这些带宽被划分为7个带宽为10MHz的信道：一个控制信道(Control Channel，简称CCH)用来广播有关安全的广播消息，其余六个为服务信道(Service Channel，简称SCH)，SCHs既可用于安全通信，也可用于非安全应用。

目前，针对车载自组织网络的可扩展性问题，研究VANET的组织进行了各种各样的处理。例如：Rawat D B等人在文献RAWAT D B,POPESCU D C,YAN G,et al.Enhancing VANET performance by joint adaptation of transmissionpower and contention window size[J].Parallel and Distributed Systems,IEEE Transactions on,2011,22(9):1528-1535.中提出联合调整传输功率和竞争窗口值来增强VANET性能的方法。该方案的缺点是：当网络状态好时，就将当前的竞争窗口值减半。当网络状态差时，就将当前的竞争窗口值加倍。但是如何衡量网络状态的好坏是该方案的一个瓶颈。此外，根据传输范围估算来调整传输功率也会带来一定的误差。

目前，Razvan Stanica等人在文献STANICA R,CHAPUT E,BEYLOT A L.Enhancements of ieee802.11p protocol for access control on a vanetcontrol channel[C]//Communications(ICC),2011IEEE InternationalConference on.IEEE,2011:1-5.中根据信标消息具有过期性的特点，提出了反二进制指数退避(Reserve Binary Exponentially Backoff，RBEB)方法。该方案的缺点是，每当站点中有消息过期时，就将竞争窗口值减半。每当站点成功传输一个消息时，就将竞争窗口值恢复。这种做法均不能很好地反映当前的网络状况。首先是决定退避的因素过于单一，再者，采用指数退避的方式退避阶层过大，与实际的网络状态差距较大。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种应用于车载自组织网络媒体接入过程的退避方法，该方法针对传统方法中广播消息接收率低的问题，通过建立Markov链模型，从理论上推导出信标消息的碰撞概率和过期概率随最小竞争窗口的变化关系，保证广播消息的接收率达到最佳；针对传统车载自组织网络退避方法退避因素过于单一，退避阶数幅度过大等问题，本发明提供了一种基于概率预测的退避方法(简称CEB)，该方法是基于信标消息碰撞概率、过期概率与竞争窗口值的关系这一思想提出的，根据碰撞概率和过期概率的相对大小线性调整竞争窗口值。该方法在广播消息的接收率和平均到达时延方面的性能均有所提升，且信道接入的公平性也得到了优化，能够保证紧急广播消息接入信道的优先权。

方法流程：

步骤1：将时间分成周期性的观察间隔OI，每个OI设定为一个信标消息周期，每过一个OI就统计当前的过期消息数目并将当前区域内的值清空。

步骤2：每个节点在MAC帧头部增加一个统计过期消息数的区域，用于统计由于信道繁忙或退避时间较长而过期的消息数mi，并设定合理的过期消息数门限m0(m0为经过多次仿真后取得的合理值),计算d＝mi/m0。

步骤3：当mi小于m0时，网络中的丢包主要由消息的碰撞导致，为了提高广播的接收率应该增加竞争窗口CW的值，CW＝CWinit/d；

步骤4：当mi大于m0时，认为网络中的丢包主要由消息过期导致，此时应该减小竞争窗口CW的值，CW＝CWinit/d；

步骤5：当过期消息数为m0时，竞争窗口的值保持不变。

步骤6：如果CW<＝3,则取CW＝3；如果CW>＝1023，则取CW＝1023。

有益效果：

1、本发明通过优化退避机制来降低信标消息传送过程中信道竞争程度，提高了信标消息的广播接收率，降低了平均到达时延，有效地提高了车载网中安全消息的可靠传输。

2、本发明合理地为竞争节点分配信道，保证节点接入信道的公平性和有效性，降低消息的碰撞概率。

附图说明

图1为本发明信标消息的马尔科夫链(当t＝T时消息过期)示意图。

图2为本发明的广播接收率变化示意图。

图3为本发明广播平均到达时延变化示意图。

图4为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步的详细说明。

实施例一

如图4所示，本发明提供一种基于概率预测的退避方法，该方法是根据信标消息的过期概率/碰撞概率与竞争窗口值的关系调整退避过程中的竞争窗口大小,包括如下步骤：

步骤1：通过建立马尔科夫链模型分析信标消息的退避过程，得到如下结论：当竞争窗口在一个较小范围时，消息的碰撞概率大于过期概率，而碰撞概率会随着竞争窗口的增大而减小，因此为了增加广播的接收率应该增加竞争窗口的值；当竞争窗口处于较大值范围时，消息的过期概率占主要成分，而过期概率会随着竞争窗口值的增大而增大，所以为了增加广播的接收率，此时应该减小竞争窗口的值；当消息的碰撞概率与过期概率达到均衡时，广播接收率达到最大值。最优的竞争窗口应该能够保证消息的碰撞概率和过期概率之间的均衡。

步骤2：根据步骤1所得结论，提出一种基于碰撞概率和过期概率相对大小的退避方法CEB，该方法更能反映信道真实情况。

步骤3：本发明所述CEB方法具体流程为：将时间分成周期性的观察间隔OI，每个OI设定为一个信标消息周期，每过一个OI就统计当前的过期消息数目并将当前区域内的值清空；每个节点在MAC帧头部增加一个统计过期消息数的区域，用于统计由于信道繁忙或退避时间较长而过期的消息数mi，并设定合理的过期消息数门限m0(m0为经过多次仿真后取得的合理值),计算d＝mi/m0。

步骤4：根据步骤3得到mi与m0的大小关系，当mi小于m0时，网络中的丢包主要由消息的碰撞导致，为了提高广播的接收率应该增加竞争窗口CW的值，CW＝CWinit/d；当mi大于m0时，认为网络中的丢包主要由消息过期导致，此时应该减小竞争窗口CW的值，CW＝CWinit/d；当过期消息数为m0时，竞争窗口的值保持不变。

步骤5：采用VanetMobiSim1.1和NS2.35对本发明所述CEB方法进行联合仿真，分析比较本发明所述CEB方法与BEB、RBEB方法的广播接收率，结果表明本发明所述CEB方法更能够根据当前的信道情况进行竞争窗口值的调整，使得当前的竞争窗口值能够最大化反应当前网络中信道的竞争情况。本发明所述CEB方法在提高广播接收率的同时也带来了信标平均到达时延性能的提升，本发明所述CEB方法的最小竞争窗口是线性变化的，能够较好的反映当前网络中信道的竞争情况。

实施例二

IEEE802.11p的MAC层采用的基本接入协议是基于IEEE802.11的DCF机制，该机制不区分消息的优先级，节点应该在指定的时间间隔内，利用载波监听机制来判断信道是否空闲，通过退避减少消息间的碰撞；DCF机制的核心是带冲突检测的载波侦听多址接入(CSMA/CA)协议及随机退避机制。当某个站点需要传输数据分组时，它首先侦听信道直到检测到信道的空闲时长达到DIFS为止。在这DIFS媒体空闲时间之后，节点开始在[0,CWmin－1]之间随机选择时间进行退避，当退避计数器为0时节点开始传输数据分组。为了解决V2V通信模式下信标消息广播接收率过低的问题，针对车载网中信标消息的特性，本发明提出一种基于碰撞消息概率和过期消息概率的退避方法(简称CEB)。由于无法统计分组丢失中的碰撞消息数，在本发明采取一种折中的方法：每个车辆节点根据本节点统计的过期消息数目与预先设定的过期消息数门限的比值动态调整最小竞争窗口值，达到提高车载网中广播接收率的目的。

1.Markov建模分析信标消息性能

为了能够更好地理解信标消息的特性(考虑信标消息具有有限的生命时长)，通过建立如图1所示的马尔科夫链模型进行分析。

马尔科夫状态转移概率为：

$\left\{\begin{array}{cc}P\left\{i\right|i+1\}=1,& i\&Element;[0,W_0-2]\\ P\left\{i\right|0\}=1/W_0,& i\&Element;[0,W_0-1]\end{array}\right.---\left(1\right)$

W0为最小竞争窗口值。在退避阶段，节点会从[0,W0－1]间随机选择值进行退避。

(1)单独考虑某一时刻(t＝i)的退避过程，一阶马尔科夫链的平稳概率为：

$\left\{\begin{array}{cc}{b}_k=\frac{W_0-k}{W_0}{b}_0,& 0\&le;k\&le;W_0-1\\ \underset{k=0}{\overset{W_0-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_k=1,& b_k\&GreaterEqual;0\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，

$b_k=\underset{t\&RightArrow;\&infin;}{\lim }\{b\left(t\right)=k\},k\&Element;[0,W_0-1]---\left(3\right)$

解式(2)得，

$b_0=\frac{2}{W_0+1}----\left(4\right)$

设τ为节点在该时刻进行信息传输的概率，则

$\mathrm{\&tau;}=b_0=\frac{2}{W_0+1}----\left(5\right)$

不考虑信道存在误码的情况，有p_c＝p_b-p_s  (6)

其中，Pc为消息产生碰撞的概率，Ps为消息成功传输的概率，Pb为信道繁忙的概率：

p_b＝1-(1-τ)^M   (7)

p_s＝Mτ(1-τ)^M-1   (8)

M为竞争节点数目，结合式(7)、式(8)可知：

$p_c=1-{(1-\frac{2}{W_0+1})}^{M-1}\frac{W_0-1+2M}{W_0+1}---\left(9\right)$

(2)考虑多个时刻时，得到：

$P_e=1-P_b\stackrel{\&OverBar;}{P_b}-\frac{P_b}{W_0}(1-\stackrel{\&OverBar;}{P_b})-\underset{i=W_0-1}{\overset{T-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\stackrel{\&OverBar;}{P_b}{P_1}^{\left(i\right)}---\left(10\right)$

其中，P_e为信标消息过期的概率，表示t＝i时退避值为1的概率。根据式(9)和式(10)可知，当增大竞争窗口W₀时，消息的碰撞概率P_c会减小，而消息的过期概率P_e会增加。

综上可以得出如下结论：当竞争窗口在一个较小范围时，消息的碰撞概率大于消息的过期概率，而碰撞概率会随着竞争窗口的增大而减小，因此为了增加广播的接收率应该增加最小竞争窗口的值；当竞争窗口处于较大值范围时，消息的过期概率占据主要成分，而消息的过期概率会随着最小竞争窗口的增大而增大，所以为了增加广播的接收率，此时应减小最小竞争窗口的值；当消息的碰撞概率与过期概率达到均衡时，广播接收率能够达到最大值。因此最优的竞争窗口应该能够保证消息的碰撞概率和过期概率之间的均衡。

2.基于信标消息碰撞概率和过期概率相对大小的竞争窗口调整方法

本发明是基于信标消息过期概率、碰撞概率与最小竞争窗口的关系提出的，它的实现十分简单方便。每个节点只需要在MAC帧头增加一个区域用于统计过期消息数，并设定一个合理的过期消息数门限m₀(m₀为经过多次仿真后取得的合理值)。节点根据区域里的值与m₀的大小关系进行最小竞争窗口调整。在本发明中认为当过期消息数小于m₀时，网络中的分组丢失主要由消息的碰撞导致，此时根据前面的分析，为了提高广播的接收率应该增加最小窗口的值；当过期消息数大于m₀时，认为网络中的分组丢失主要由消息过期导致，此时应该减小最小竞争窗口的值；当过期消息数为m₀时，最小竞争窗口的值保持不变。在统计区域内的过期消息数时，需要将时间分成周期性的观察间隔(observationinterval，OI)，每过一个OI就统计当前的过期消息数目并将当前区域内的值清空。本发明中将OI的值设定为一个信标消息周期。

本发明具体的伪代码见表1，其中m_i表示当前OI内某个特定车辆节点的过期消息数目，CW_init为IEEE802.11p协议规定的最小竞争窗口值。

表1CEB方法伪代码

为了验证CEB方法对车载网中信标消息性能的影响，本发明采取VanetMobiSim1.1和NS2.35进行联合仿真。在仿真平台中对直线型的高速公路进行模拟，每个方向两个车道共4个车道，采用IDM_LC模型。每条道路的长度为2000m，车辆数为10～80，广播的通信范围设置为300m。具体的仿真参数见表2。

表2仿真参数设置

参数	值	参数	值
				场景大小	2100m*2100m	噪声门限	-99dBm
仿真时间	200s	发送功率	0.01W
				车辆移动模型	IDM_LC	时隙长度	0.000013s
车辆移动速度	10～30m/s	SIFS时长	0.000032s
				无线传播模型	TwoRayGround	传播时延	0.000001s
MAC层协议类型	802.11p	广播包大小	400B
				工作频率	5.895GHz	发包频率	1～10Hz
信道带宽	10MHz

3.本发明的NS2仿真结果

图2表示改变车辆节点总数，信标消息的广播接收率在BEB、RBEB和CEB方法下的变化趋势。通过对比可以发现，在车载网环境下利用CEB方法，广播接收率的性能相比于BEB方法和RBEB方法有明显的提高。观察曲线可知，随着节点数的增加，CEB方法的优势越趋明显。这是因为CEB方法综合考虑了信标消息的碰撞概率和过期概率，相比于RBEB方法中只考虑信标消息的过期概率和BEB方法只考虑信标消息的碰撞概率来说，更能够根据当前的信道情况进行最小竞争窗口的调整，使得当前的竞争窗口值能够最大化反应当前网络中信道的竞争情况。

分析单个广播接收率的曲线可以发现，信标消息的广播接收率与周围竞争节点数是密切相关的。当周围邻居节点数目较少时，信标消息的信道访问竞争程度轻，此外，隐藏终端的影响也较小，因此此时的广播接收率较大；而当周围的邻居节点数目增多时，竞争信道的节点增多，传输冲突概率增加，因此广播接收率有所下降。

图3表示改变车辆节点总数，信标消息的平均到达时延在BEB、RBEB和CEB方法下的变化趋势。通过对比可以发现，CEB方法在提高广播接收率的同时也带来了信标平均到达时延性能的提升。这是因为相对于BEB和RBEB方法中最小竞争窗口以指数幂变化来说，CEB方法的最小竞争窗口是线性变化的，能够较好地反应当前网络中信道的竞争情况。

Claims (5)

1.一种基于概率预测的退避方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：将时间分成周期性的观察间隔OI，每个OI设定为一个信标消息周期，每过一个OI就统计当前的过期消息数目并将当前区域内的值清空；

步骤2：每个节点在MAC帧头部增加一个统计过期消息数的区域，用于统计由于信道繁忙或退避时间较长而过期的消息数mi，并设定合理的过期消息数门限m0,计算d＝mi/m0；

步骤3：当mi小于m0时，网络中的丢包由消息的碰撞导致；增加竞争窗口CW的值，CW＝CWinit/d；

步骤4：当mi大于m0时，网络中的丢包由消息过期导致，此时减小竞争窗口CW的值，CW＝CWinit/d；

步骤5：当过期消息数为m0时，竞争窗口的值保持不变；

步骤6：如果CW<＝3,则取CW＝3；如果CW>＝1023，则取CW＝1023。

2.根据权利要求1所述的一种基于概率预测的退避方法，其特征在于：所述方法是根据信标消息的过期概率、碰撞概率与竞争窗口值的关系调整退避过程中的竞争窗口大小。

3.根据权利要求1所述的一种基于概率预测的退避方法，其特征在于：所述方法的最小竞争窗口是线性变化。

4.根据权利要求1所述的一种基于概率预测的退避方法，其特征在于：所述方法的最优竞争窗口能保证消息的碰撞概率和过期概率之间均衡。

5.根据权利要求1所述的一种基于概率预测的退避方法，其特征在于：所述方法是通过建立马尔科夫链模型分析信标消息的退避过程。