CN104507051A - Vaent中面向消息广播的mac层改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于移动通信技术领域，涉及VAENT中面向消息广播的MAC层改进方法。本发明针对流媒体消息，使用RTB/CTB机制选择中继车辆，为了保证用户接收流媒体数据的流畅性，提出了ARC-SMB方法，根据检测到的信道传输数据帧情况，广播车辆对数据发送速率进行调整，降低丢包率；为了提高用户体验度，提出了用户手动调整流媒体需要质量的思想。本发明模拟真实环境下安全消息的广播情况，使车辆获得更好的交付率、降低单跳延迟、减小负载率；采用ARC-SMB方法是能够模拟真实环境下安全消息的广播情况，使车辆获得较好的交付率，降低消息的丢包率，为用户提供更流畅的流媒体传输。

Description

VAENT中面向消息广播的MAC层改进方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，在VANET(Vehicular Ad-hoc NETwork)中，广播消息内容主要包括安全消息和流媒体消息，如何有效的管理和传输这两种消息是一个非常重要的问题。针对安全消息，主要解决中继车辆选择的问题，提出了DVO-SB方法，通过考虑车辆之间的距离、车辆速度和车辆行驶方向选择中继车辆。针对流媒体消息，使用RTB/CTB(Request-to-broadcast/clear-to-broadcast)机制选择中继车辆，为了保证用户接收流媒体数据的流畅性，提出了ARC-SMB方法，根据检测到的信道传输数据帧情况，广播车辆对数据发送速率进行调整，降低丢包率；为了进一步提高用户体验度，提出了用户手动调整流媒体需要质量的思想。

背景技术

在VANET中，车辆之间通过DSRC(Dedicated Short Range Communication)协议进行信息传输，车辆之间通过相互合作和协调传输道路安全消息和流媒体消息。道路安全消息包括交通信息和交通事故报警消息，流媒体消息包括语音、文本、视频等。由于VANET中，车辆的高速移动性，导致网络拓扑结构不断变化，所以通信协议需要适应这种动态变化。同时，在VANET中，这两种类型的消息在传输方面有很多不同。道路安全消息通常内容非常小，而且时延性要求高；流媒体消息通常内容比较多，因此需要较大的带宽。因此，需要提出一种可扩展的数据传输方法。

对于消息广播，在车辆比较稠密的VANET场景中，采用洪泛式的广播会产生大量的广播浪费。而且，在一个VANET子网中，大量车辆可能同时广播数据，大量的数据包碰撞产生广播风暴。通常的解决方案是消除多余的广播消息，降低消息碰撞概率。比较典型的就是，在车辆进行广播通信时，选择部分车辆进行中继广播，其余车辆不进行广播。

针对不同类型消息的广播，需要解决的问题也不同。因为安全消息对时延要求较高，所以需要提出有效的方法来降低广播延迟，保证消息快速、安全的传输。因为流媒体消息对带宽和丢包率要求较高，所以需要提出相应的机制保证用户接收到的流媒体的流畅性。

在VANET领域，广播通信已经得到广泛的研究，有很多广播机制已经被提出。例如：提出UMB(Urban Multihop Broadcast)机制选择最远车辆作为中继车辆最大化消息广播范围，采用RTB/CTB避免隐藏点问题，但会产生相对较大的通信延迟(车辆通信系统中的城市多跳广播协议，G.Korkmaz,E.Ekici,F.Ozgliner,U.Ozguner.Urban multi-hop broadcast protocol for inter-vehiclecommunication systems.Proc.of ACM International Workshop on Vehicular Ad hocNetworks.New York,NY,USA,2004.76-85.)；提出SB(Smart Broadcast)机制，通过执行IEEE 802.11p协议的竞争窗口机制，最大化广播距离、最小化广播延迟，SB机制能比UMB机制获得更短的平均广播延迟(车联网中一个有效的报警信息广播机制，Fasolo E.,Zanella A.,Zorzi M..An Effective Broadcast Scheme forAlert Message Propagation in Vehicular Ad hoc Networks.Proc.of IEEEInternational ICC,Istanbul,2006,3960-3965.)；提出IVG(Intervehicle Geocast)机制广播紧急消息，此机制只有在危险区域才会广播紧急消息。收到这个紧急消息的车辆会等待一个延期时间再次转发消息。IVG机制的缺点是，延期时间导致消息传输时间较长(车联网中基于位置的多播协议，A.Bachir,A.Benslimane.A multicast protocol in ad hoc networks inter-vehicle geocast.Proc.of 57th IEEESemiannu Vehicular Technology Conference.Seoul,Korea,2003,2456–2460.)；提出OB-VAN(Opportunistic Broadcast in VANETs)机制，采用一个算法选择中继车辆、采用随机退避算法避免碰撞，减小安全消息广播延迟、提高交付率(VANET中基于活跃信号的机会广播方式选择中继车辆，B.Blaszczyszyn,A.Laouiti,P.Muhlethaler,Y.Toor.Opportunistic broadcast in VANETs(OB-VAN)using activesignaling for relays selection.Proc.of 8th Int.Conf.ITS Telecommun,Phuket,Thailand,2008,384–389.)。

一种分层混合自动请求重传机制，采用纳什讨价还价博弈选择组播组中的执行车辆(层次讨价还价：无线网络中的多播层次视频，Z.Liu,Z.Wu,P.Liu,H.Liu,Y.Wang.Layer bargaining:Multicast layered video over wireless networks.IEEE J.Sel.Areas Commun.,2010,28(3):445–455.)；采用时间分片技术使不同类型的接收车辆选择合适的子视频，节省车辆能量。但不能保证接收视频的质量，也没有考虑信道条件的影响(适用于不同移动设备的可扩展视频流的灵活广播，C.-H.Hsu,M.M.Hefeeda.Flexible broadcasting of scalable video streams toheterogeneous mobile devices.IEEE Trans.Mobile Comput.,2011,10(3):406–418.)；考虑了多样化的广播用户，基于帧之间距离的主成分分析进行目标失真度量，优化广播过程。然而，此机制没有适合SVC(source coding rate)的信道自适应扩展(适用于不同设备的层次视频广播的节点信道联合编码和优化，W.Ji,Z.Li,Y.Chen.Joint source-channel coding and optimization for layered videobroadcasting to heterogeneous devices.IEEE Trans.Multimedia,2012,14(2):443–455.)；一个夸层优化框架，在流媒体广播过程中，提高用户QoE(Quality ofExperience)和节省能量使用(在无线多媒体广播中考虑用户体验和能量效用的节点优化，Chetna Singhal,Swades De,Ramona Trestian,Gabriel-Miro Muntean.JointOptimization of User-Experience and Energy-Efficiency in Wireless MultimediaBroadcast.IEEE Trans.on mobile computing,2014,13(7):1522-1535.)。

发明内容

本发明提供VAENT中面向消息广播的MAC层改进方法，通过考虑车辆之间的距离、车辆速度和车辆行驶方向选择中继车辆，能够模拟真实环境下安全消息的广播情况，使车辆获得更好的交付率、降低单跳延迟、减小负载率。

本发明的VAENT中面向消息广播的MAC层改进方法，具体步骤如下：

一、设置系统模型和进行VANET架构分析

如图1所示，本发明的城市VANET场景，不存在路边基础设施，例如RSU(roadside unit)，车辆之间只能通过OBU(On-Board Unit)直接通信。道路上存在不同方向的两个车道，不同方向行驶的车辆都参与安全消息和流媒体消息的广播。

图2是对系统模型的细化，每辆车上配备有完成V2V(vehicle to vehicle)通信的OBU模块、GPS、传感器和数据库等。GPS主要用于定位车辆的位置，便于计算车辆之间的距离。传感器包括速度传感器、加速度传感器、方向传感器等。数据库主要为了缓存安全消息和流媒体消息，以便于消息的转发和中继。车辆实时统计这些内容，并传输给车辆的OBU模块，OBU通过获得的这些信息，考虑车辆行驶状况，优化消息广播过程。

因为VANET的拓扑结构是实时变化的，需要特定的结构来适应安全消息和流媒体信息的传输。本发明采用基于IEEE 802.11p的网络架构实现，如图3所示。为了保证安全消息的时延性，在VANET的网络层和传输层采用WSMP(车载环境无线接入短消息协议)机制，可以使用任意信道传输，并且允许应用程序通过传输消息直接控制物理层的信息，例如信道信息、传输功率、传输速率等，简化了UDP和IPv6协议的复杂度，采用更加简单的信息传输格式，降低安全消息传输的时延。对于流媒体消息，网络层和传输层分别采用IPv6和TCP/UDP机制，UDP是必须使用的，TCP可以选择性的采用，通过CCH(控制信道)传输命令信息等，通过SCH(服务信道)传输流媒体等数据信息。

在VANET的MAC层，本发明采用IEEE 1609.4标准。IEEE 1609.4标准中定义了四种信道接入方式：continuous方式，alternating方式，immediate方式和extended方式。为了更好的进行安全消息和流媒体消息的传输，本发明IEEE1609.4标准采用immediate方式，如图4所示，即系统在CCH和SCH下交替工作，交替切换的时间间隔可以变化，CCH信道空闲时，SCH可以使用信道。但当下一个同步周期到来时，系统必须切换到CCH信道。

二、DVO-SB安全消息广播方法

因为安全消息数据量非常小，可以通过一个数据包传输给其他的车辆，而且这些消息具有共需性，所以通常采用广播方式进行传输。对于安全消息的传输，可靠性和速度是必须考虑的。因为VANET结构的动态变化快，寻找一个有效的多跳算法来广播安全消息是非常必要的。以前的广播算法，在广播消息之前利用RTB/CTB机制，在广播消息之后再利用ACKs机制。这个过程增加了消息传输负载，并且降低了消息传输速度。因此，本发明提出一种更有效的传输方法，即DVO-SB方法,省去了RTB/CTB交互过程。

DVO-SB方法考虑车辆的行驶速度、车辆之间的距离和车辆行驶方向，为每个车辆设置不同的竞争窗口，拥有较小等待时间的车辆优先转发消息。基于此，在进行广播方式传输时，DVO-SB方法需要考虑的问题主要有：竞争窗口的确定和中继车辆的选择。针对这两个问题，下文将进行详细的分析。

(1)竞争窗口求解

很多已经提出的竞争窗口机制主要是考虑欧氏距离，选择最远的车辆作为中继车辆。本发明提出的方法是根据车辆之间的欧式距离、车辆速度和车辆行驶方向来确定竞争窗口。

为了减少消息从源车辆传输到目的车辆的跳数，车辆会选择广播范围内距离较远的车辆为中继车辆，进行下一阶段的广播。本发明通过GPS计算车辆之间的欧氏距离，每辆车辆计算自身距离广播车辆之间的距离，并计算出被选为中继车辆的概率P_d：

$P_d=\frac{R}{R_{\max }}---\left(1\right)$

其中R为车辆S和车辆F之间的欧氏距离，R_max为车辆S的通信范围。

当道路上车辆较少时，即交通密度较小时，驾驶员可选择较高速度行驶；随着路上的车辆增多，交通流密度增大，车辆的行驶速度受到前后车辆的约束而有所下降。所以，车辆速度比较慢的区域，交通流密度比较大，这个区域存在大量的车辆需要通信，导致车辆成功传输概率较低；车辆速度比较快的区域，交通流密度比较小，车辆有更大的概率成功广播消息。基于车辆速度对于道路车辆密度的反应，在选择广播中继车辆时，我们可以选择速度相对较大的车辆作为中继车辆，这能提高中继车辆成功转发的概率。

根据以上分析，为了选择更有效的中继车辆，引入车辆速度参数，当车辆速度较低时，车辆被选为中继车辆的概率较低；当车辆速度较高时，车辆被选为中继车辆的概率较高。根据车辆速度，车辆被选为中继车辆的概率P_v表示为：

$P_v=\frac{V_F}{V_{\max }}---\left(2\right)$

其中，V_F为车辆F行驶速度，V_max车辆限制的最大速度。

在VANET子网中，车辆拓扑结构变化非常快，车辆之间的相对位置也变化较快。为了降低车辆在完成整个广播通信前离开这个VANET子网，本发明会优先选择相对较为稳定的车辆，即离开VANET子网的概率最小的车辆为中继车辆。考虑广播车辆S和接收车辆F之间的相对速度和行驶的相对方向，根据GPS可以很方便的求出车辆之间的相对行驶方向向量再结合速度传感器，求解出车辆之间的相对速度向量根据车辆行驶方向，车辆被选为中继车辆的概率P_o可以表示为：

$P_o=\frac{|\stackrel{\→}{\mathrm{\η}}\×\stackrel{\→}{\mathrm{\μ}}|}{V_{\max }\×R_{\max }}---\left(3\right)$

根据上面求出的车辆之间的距离、车辆速度和行驶方向对中继车辆选择的影响，本发明设置相应的竞争窗口，不同的车辆通过竞争窗口来竞争中继车辆，每个接收到广播消息的车辆通过计算自身的最大竞争窗口(CW)：

其中，CW₀是根据VANET网络密度优化的初始竞争窗口，λ为加权系数。

当车辆计算出自己的最大竞争窗口CW，车辆在竞争窗口(0,CW]中随机选择一个时间点进行消息的转发。最早获得转发机会的车辆被选为中继车辆，并且转发消息。所有其他车辆接收到这个转发消息，知道已经选择好中继车辆，进而放弃继续竞争转发。通过公式(4)可以看出，距离广播车辆S较远、行驶速度较快和行驶出车辆S通信范围概率较小的车辆具有较小的竞争窗口，因此会等待较短的时间再次转发消息。因此，这样的车辆更可能被选为中继车辆。被转发的消息也作为对广播车辆S确认的消息。

车辆的等待重传时延T_r可以通过公式(5)计算出：

T_r＝2δ+t_switch+k×CW_max×T_slot  (5)

其中δ为车辆OBU在通信范围R中最大传输延迟，t_switch为收发器从接收状态转换为发送状态的时间，k为加权系数，CW_max为竞争窗口CW的最大值。

只要通信信道空闲，车辆的安全消息就随机等待n个时间戳T_slot时间进行广播，其中n∈(0,CW]。随机等待时间T_w可以表示为：

T_w＝n×T_slot  (6)

在等待一个T_w时间，广播车辆发送一个数据包，并且等待相应的确认数据包，从而确定中继车辆。

(2)中继车辆选择过程

本发明提出的DVO-SB方法主要是省去了RTB/CTB过程来降低信道接入时间，并且通过省去ACK过程来降低消息传输延迟。

中继车辆选择过程如图5所示，在一个VANET子网中，可能存在多个车辆同时发送广播消息，每个车辆根据自身广播数据包计算随机等待时间T_w，当车辆竞争到传输信道，车辆就作为中继车辆广播消息。详细过程如下：广播车辆S成功广播消息，在S通信范围内的车辆收到这个广播消息，收到该消息的车辆根据GPS和各类传感器计算自己与S之间的欧氏距离、车辆速度和车辆行驶方向，求出自身的竞争窗口，等待一个T_w再次广播消息。根据T_w机制设计，距离车辆S相对较远的车辆F会作为下一跳中继继续广播消息，其他车辆不进行广播。中继车辆F在数据帧中添加上自己的信息，再次广播此消息。当车辆S通信范围内的其他车辆再次收到这个广播消息时，知道这是中继车辆F广播的消息，从而放弃继续广播这个消息，终止执行竞争窗口。发送车辆S也收到这条广播消息，作为确认消息，知道已经找到中继车辆，从而放弃再次广播这条消息。

如图6所示，如果因为中继车辆F行驶出了车辆S的通信范围，导致车辆S未能收到中继车辆F广播的消息，车辆S等待时间超过重传时间T_r，S重新广播一次该消息，当车辆S通信范围内的其他车辆再次收到这条广播消息，其他车辆知道车辆S没有收到中继车辆F发送的消息，其他车辆根据公式(4)的相对公式，即公式(7)，计算竞争窗口，即选择距离车辆S相对较近、道路情况较优的车辆向车辆S发送一个ACK确认消息，告诉车辆S下一跳的中继车辆已经选择好。

其中ξ为加权系数。

综上所述，在大部分情况下，广播车辆可以接收到中继车辆转发的广播消息，并作为一个确认消息。因此，消息广播过程省去了中继车辆向广播车辆发送ACK消息的过程。然而，在一些场景下，中继车辆驶出了广播车辆的通信范围，导致广播车辆没有收到中继车辆转发的消息。对于这种情况，需要增加一个ACK恢复机制。需要强调的是，ACK恢复机制与中继车辆广播过程是完全独立和并行的，不影响消息的广播速度。下面是中继车辆选择的整个过程：

1)源车辆/广播车辆广播一个安全消息；

2)在广播车辆VANET通信子网中的所有车辆接收到广播消息，并且根据T_w公式，选择一个相对较远、速度相对较高和行驶出广播车辆通信范围概率较小的车辆作为中继车辆；

3)中继车辆转发此消息；

4)如果源车辆/广播车辆接收到这个转发消息，广播车辆知道已经选择好中继车辆；

5)如果广播车辆没有收到这个转发消息，广播车辆重新广播这条消息；

6)在广播车辆通信范围内的其他车辆收到广播车辆再次发送的消息，向广播车辆发送一个ACK消息，防止广播车辆继续重发这条消息；

7)如果在广播车辆通信范围内不存在有效的车辆，广播车辆在重传时间T_r内没有收到反馈消息，则重新开始步骤1。

三、ARC-SMB流媒体消息广播方法

流媒体信息的传输方式是在CCH信道传输相应的控制信息和命令消息，在SCH信道传输相应的数据信息。对于流媒体信息，主要是降低流媒体消息的丢包率，保证流媒体消息的流畅性。

以前，比较流行的流媒体标准是H.264/MPEG-4AVC。SVC(scalable videocoding)264/AVC的扩展，可以获得更低的失真率和相同视觉质量。SVC主要用于自适应的流媒体服务。所以，本发明采用SVC视频格式传输。SVC编码分为不同的层次：基本层和提高层。基本层是保证流媒体传输质量的基础，是流媒体必须的内容。提高层是附加层，接收车辆收到的提高层越多流媒体质量越高。

本发明提出一种基于IEEE 802.11p协议的自适应速率控制流媒体广播机制，简称ARC-SMB方法，在MAC层对流媒体传输过程进行改进，接收车辆检测自己接收到的数据包丢包率，广播车辆根据从接收车辆接收到的反馈消息进行相应数据发送速率的调整。

ARC-SMB方法的执行过程如图7所示。首先，需要对发送的数据帧进行改进，在数据帧中添加一个“lost”位，负责告诉接收车辆启动守护进程，进行丢包率的计算。然后，广播车辆向VANET子网中的车辆发送流媒体消息，接收车辆收到此消息，根据“lost”位启动守护进程，监控流媒体消息丢包率。接着，广播车辆定期向VANET子网中的车辆广播“probe”探测消息，接收车辆收到这个“probe”消息，向广播车辆反馈一个“respond”消息。最后，广播车辆根据“respond”消息中丢包率的大小调整流媒体数据发送速率，继续发送流媒体消息。

当广播车辆发送“probe”探测消息，统计邻居车辆的丢包率时，广播车辆会收到多个邻居车辆发送的“respond”消息，每个接收车辆发送的丢包率都是不一样的，为了兼顾整个VANET子网的整体性能，我们通过选择所有接收车辆丢包率的中位数作为参考，进行相应发送速率的调整。

为了更好的控制发送速率，我们对丢包率进行了分级，如表1所示：

表1  丢包率门限值与发送速率调整策略

当PLR∈(0,0.06)，发送速率增大速度服从公式(8)；当PLR∈(0.16,1)，发送速率减小速度服从公式(9)。

SR＝SR+τ  (8)

SR＝(1-α)SR  (9)

其中，τ,α为加权系数，τ>0，α∈(0,1]。

另外，发送速率频繁的调整，会导致较高的丢包率，影响流媒体传输质量。基于此，本发明根据发送速率历史调整记录确定当前发送速率是否要进行变动。如果前两次发送速率调整方向相反，此时，数据发送速率保持不变。

在实际场景中，不能完全通过调整发送速率实现流媒体的高质量传输。在车辆比较稠密的场景中，由于信道占用率比较高，不能保证流媒体数据的传输质量。当车辆发送数据速率小于数据发送速率最小门限值时，还是不能保证丢包率，用户不能获得流畅的的流媒体消息，这就需要用户对需求的流媒体质量进行调整。因为，本发明中，流媒体采用SVC视频格式传输，用户根据自己的需要或网络性能选择不同数量的提高层。根据接收提高层的数量情况，本发明设置优、良、中、差四个级别的流媒体质量级别，例如视频播放器把视频分为高清、标清和流畅三个等级，车辆用户根据自己的实际情况进行人工调整，选择不同级别的流媒体进接收。如果用户选择优级别，流媒体不能流畅的传输，系统会建议用户切换到其他相对较低的级别。例如，用户可能在看视频，不需要看质量较高的视频，可以选择良、中或差质量级别的流媒体数据传输，这样用户可以获得更流畅体验。

附图说明

附图1是系统模型的示意图；

附图2是系统模型细化的示意图；

附图3是网络架构图；

附图4是IEEE 1609.4标准信道接入方式的示意图；

附图5是广播车辆成功接收到确认消息的示意图；

附图6是广播车辆未能成功收到中继车辆发送的确认消息的示意图；

附图7是ARC-SMB方法的执行过程的示意图；

附图8是初始竞争窗口CW₀分析的示意图；

附图9是平均单跳延迟的示意图；

附图10(a)是交付率-车辆数量的示意图；

附图10(b)是交付率-车辆之间的距离的示意图；

附图11是负载率的示意图；

附图12是probe消息时间间隔的示意图；

附图13是丢包率的示意图；

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细说明本发明的实施例；

1.实施例设置和工具

通过实施例来说明在本发明提出的方法下，安全消息传输的延迟性和流媒体消息的流畅性改善情况。实施例参数如表2所示，采用ONE(opportunistic networkenvironment)网络仿真工具进行验证，本发明采用OpenStreetMap下载中国大连市道路数据进行仿真。根据实际场景，把车辆分为三种类型：公共汽车、私家车和出租车，所占比例为1:10:5，不同的车辆选择不同的移动模型。本发明设定，公共车辆选择MapBasedMovement移动模型，私家车选择ShortestPathMapBasedMovement移动模型，出租车选择CarMovement移动模型。设定以10second/msg-100second/msg的速度产生消息。

针对安全消息的广播，本发明采用OB-VAN方法(VANET中基于活跃信号的机会广播方式选择中继车辆，B.Blaszczyszyn,A.Laouiti,P.Muhlethaler,Y.Toor.Opportunistic broadcast in VANETs(OB-VAN)using active signaling for relaysselection.Proc.of 8th Int.Conf.ITS Telecommun,Phuket,Thailand,2008,384–389.)和SNRACK-SB方法(VANET中采用SNR和ACK去耦方法的快速可靠广播方法，Razvan Cristian Voicu,Hamza ljaz Abbasi,Huangwei Fang,Billy Kihei,JohnA.Copeland,Yusun Chang.Fast and Reliable Broadcasting in VANETs using SNRwith ACK Decoupling.Proc.of IEEE ICC Ad-hoc and Sensor NetworkingSymposium,Sydney,NSW,2014,574-579.)作为对比方法，验证本发明提出的DVO-SB方法对于单跳延迟、交付率和负载率优化的有效性。针对流媒体消息的广播，把本发明提出的ARC-SMB方法与不使用此方法情况下进行对比，验证ARC-SMB方法的有效性。

表2  实施例参数

2.实施例结果

A.DVO-SB方法在安全消息广播中的性能

在进行安全消息广播方法性能对比时，设置车辆发送速率为5Mbps。

CW₀选择：首先，在DVO-SB方法中，分析不同初始竞争窗口CW₀取值对车辆平均单跳延迟的影响。如图8所示，车辆数量为50-350辆，CW₀取值为分别为2,4,6。当车辆数量较少时，平均每跳延迟较大。这是因为车辆较少时，车辆通信范围内不存在中继车辆，当车辆等待重传时间超过T_r，车辆重新传输安全消息。另外，当车辆数量超过一定范围(250辆左右)，车辆的单跳延迟也会稍微增大。这是因为在同一个VANET子网内，会存在更多的车辆同时竞争信道，导致信道碰撞概率增大，增大的单跳延迟。从图中，也可以看出较低的竞争窗口具有较小的单跳延迟。很明显，较低的初始竞争窗口会减小车辆消息碰撞重传时间，使消息发生碰撞的机会更小。基于上面的分析，下面实施例都是采用CW₀取值为2进行的。

单跳延迟：图9表示在不同机制下车辆数量与平均单跳延迟的关系。DVO-SB方法和SNRACK-SB方法明显好于OB-VAN方法。DVO-SB方法略好于SNRACK-SB方法，是因为DVO-SB方法除了考虑到车辆之间的相对位置，还考虑了车辆所处环境的车辆密度和行驶方向，能选择更加有效的中继车辆进行广播消息，减少信道碰撞重传概率，降低广播延迟。

交付率：图10(a)表示车辆数量与交付率之间的关系。当车辆数量较少时，随着车辆数量的增加，广播消息交付率逐渐增大；当车辆超过200辆时，广播消息交付率逐渐降低。这是因为车辆较多时，广播消息之间相互竞争信道，导致消息发生碰撞，不能成功被传输。DVO-SB方法和SNRACK-SB方法下的交付率明显好于OB-VAN方法，DVO-SB机制略优于SNRACK-SB方法。图10(b)表示车辆之间的距离与交付率之间的关系，看出DVO-SB方法和SNRACK-SB方法下的交付率明显好于OB-VAN方法，这是因为DVO-SB方法和SNRACK-SB方法可以选择更加有效的中继车辆转发安全消息，提高消息成功到达目的车辆的概率。DVO-SB方法下的交付率整体要高于SNRACK-SB方法下的交付率。

负载率：图11表示车辆数量与负载率之间的关系。负载率是指传输的所有消息数量与成功传输的消息数量的比值。一个消息被删除的原因有三个：1)TTL时间到期；2)被路由删除；3)发送车辆已经收到消息成功到达的消息。与其他方法相比，本发明提出的DVO-SB方法能获得较低的负载率。这是因为本发明提出方法中，不仅考虑，在中继车辆选择后其他车辆会删除相应的消息，减小相互碰撞的概率。同时，方法会选择车辆密度相对较小的车辆为中继车辆，提高消息成功传输概率。

B.ARC-SMB方法在流媒体消息广播中的性能

ARC-SMB方法中探测消息的发送过程不在流媒体消息广播过程中，所以不影响广播消息传输延迟。通过实验，当τ,α取值分别为0.1(本发明设置发送速率单位为Mbps)和0.65时，丢包率能取得较好的效果。在进行流媒体消息广播方法性能对比时，设置车辆初始发送速率为45Mbps。

probe消息时间间隔：首先，需要确定probe探测消息发送的频率。通过多次的实验测试发现，较优的取值在0.5s-1.5s之间，本发明针对不同车辆数量情况下，测试probe探测消息发送间隔分别为0.5s、1s和1.5s时的丢包率。由图12发现，当probe发送间隔为1s时，车辆能获得更低的丢包率。

丢包率：为了证明ARC-SMB方法的有效性，本发明对比采用此方法和不采用此方法情况下的丢包率(probe_time＝1)。由图13可以看出，ARC-SMB方法能获得更低、更加稳定的丢包率，平均丢包率会稳定在6％-10％之间，而不采用ARC-SMB方法情况下，随着车辆数量的增加，丢包率会越来越大，严重影响视频的质量。

Claims (1)

1.一种VAENT中面向消息广播的MAC层改进方法，其特征在于如下步骤：

一、设置系统模型和进行VANET架构分析

VANET场景，不存在路边基础设施，车辆之间只能通过OBU直接通信；道路上存在不同方向的两个车道，不同方向行驶的车辆都参与安全消息和流媒体消息的广播；每辆车上配备有完成V2V通信的OBU模块、GPS、传感器和数据库；GPS主要用于定位车辆的位置，便于计算车辆之间的距离；传感器包括速度传感器、加速度传感器和方向传感器；数据库主要为了缓存安全消息和流媒体消息，以便于消息的转发和中继；车辆实时统计这些数据，并传输给车辆的OBU模块，OBU通过获得的这些信息，考虑车辆行驶状况，优化消息广播过程；

VANET的网络层和传输层采用WSMP机制，使用任意信道传输，并且允许应用程序通过传输消息直接控制物理层的信息；对于流媒体消息，网络层和传输层分别采用IPv6和TCP/UDP机制，UDP是必须使用的，TCP是选择性采用，通过CCH传输命令信息，通过SCH传输流媒体数据信息；

在VANET的MAC层，采用IEEE 1609.4标准；IEEE 1609.4标准采用immediate方式，即系统在CCH和SCH下交替工作，交替切换的时间间隔可以变化，CCH信道空闲时，SCH使用信道；但当下一个同步周期到来时，系统必须切换到CCH信道；

二、DVO-SB安全消息广播方法

(1)竞争窗口求解

选择最远的车辆作为中继车辆，根据车辆之间的欧式距离、车辆速度和车辆行驶方向来确定竞争窗口；

通过GPS计算车辆之间的欧氏距离，每辆车辆计算自身距离广播车辆之间的距离，并计算出被选为中继车辆的概率P_d：

$P_d=\frac{R}{R_{\max }}---\left(1\right)$

其中R为车辆S和车辆F之间的欧氏距离，R_max为车辆S的通信范围；

引入车辆速度参数，当车辆速度较低时，车辆被选为中继车辆的概率较低；当车辆速度较高时，车辆被选为中继车辆的概率较高；根据车辆速度，车辆被选为中继车辆的概率P_v表示为：

$P_v=\frac{V_F}{V_{\max }}---\left(2\right)$

其中，V_F为车辆F行驶速度，V_max车辆限制的最大速度；

离开VANET子网的概率最小的车辆为中继车辆，广播车辆S和接收车辆F之间的相对速度和行驶的相对方向，根据GPS求出车辆之间的相对行驶方向向量再结合速度传感器，求解出车辆之间的相对速度向量根据车辆行驶方向，车辆被选为中继车辆的概率P_o表示为：

$P_o=\frac{|\stackrel{\→}{\mathrm{\η}}\×\stackrel{\→}{\mathrm{\μ}}|}{V_{\max }\×R_{\max }}---\left(3\right)$

根据求出的车辆之间的距离、车辆速度和行驶方向对中继车辆选择的影响，设置相应的竞争窗口，不同的车辆通过竞争窗口来竞争中继车辆，每个接收到广播消息的车辆通过计算自身的最大竞争窗口CW：

其中，CW₀是根据VANET网络密度优化的初始竞争窗口，λ为加权系数；

当车辆计算出自己的最大竞争窗口CW，车辆在竞争窗口(0,CW]中随机选择一个时间点进行消息的转发；最早获得转发机会的车辆被选为中继车辆，并且转发消息；所有其他车辆接收到这个转发消息，知道已经选择好中继车辆，进而放弃继续竞争转发；

车辆的等待重传时延T_r通过公式(5)计算出：

T_r＝2δ+t_switch+k×CW_max×T_slot             (5)

其中δ为车辆OBU在通信范围R中最大传输延迟，t_switch为收发器从接收状态转换为发送状态的时间，k为加权系数，CW_max为竞争窗口CW的最大值；

只要通信信道空闲，车辆的安全消息就随机等待n个时间戳T_slot时间进行广播，其中n∈(0,CW]；随机等待时间T_w可以表示为：

T_w＝n×T_slot            (6)

在等待一个T_w时间，广播车辆发送一个数据包，并且等待相应的确认数据包，确定中继车辆；

(2)中继车辆选择过程

广播车辆S成功广播消息，在S通信范围内的车辆收到这个广播消息，收到该消息的车辆根据GPS和各类传感器计算自己与S之间的欧氏距离、车辆速度和车辆行驶方向，求出自身的竞争窗口，等待一个T_w再次广播消息；根据T_w机制设计，距离车辆S相对较远的车辆F会作为下一跳中继继续广播消息，其他车辆不进行广播；中继车辆F在数据帧中添加上自己的信息，再次广播此消息；当车辆S通信范围内的其他车辆再次收到这个广播消息时，知道这是中继车辆F广播的消息，放弃继续广播这个消息，终止执行竞争窗口；发送车辆S也收到这条广播消息，作为确认消息，知道已经找到中继车辆，放弃再次广播这条消息；

如果因为中继车辆F行驶出了车辆S的通信范围，导致车辆S未能收到中继车辆F广播的消息，车辆S等待时间超过重传时间T_r，S重新广播一次该消息，当车辆S通信范围内的其他车辆再次收到这条广播消息，其他车辆知道车辆S没有收到中继车辆F发送的消息，其他车辆根据公式(4)的相对公式，即公式(7)，计算竞争窗口，即选择距离车辆S相对较近、道路情况较优的车辆向车辆S发送一个ACK确认消息，告诉车辆S下一跳的中继车辆已经选择好；

中继车辆选择的整个过程：

1)源车辆/广播车辆广播一个安全消息；

2)在广播车辆VANET通信子网中的所有车辆接收到广播消息，并且根据T_w公式，选择一个相对较远、速度相对较高和行驶出广播车辆通信范围概率较小的车辆作为中继车辆；

3)中继车辆转发此消息；

4)如果源车辆/广播车辆接收到这个转发消息，广播车辆知道已经选择好中继车辆；

5)如果广播车辆没有收到这个转发消息，广播车辆重新广播这条消息；

6)在广播车辆通信范围内的其他车辆收到广播车辆再次发送的消息，向广播车辆发送一个ACK消息，防止广播车辆继续重发这条消息；

7)如果在广播车辆通信范围内不存在有效的车辆，广播车辆在重传时间T_r内没有收到反馈消息，则重新开始步骤1)；

三、ARC-SMB流媒体消息广播方法

首先，需要对发送的数据帧进行改进，在数据帧中添加一个“lost”位，负责告诉接收车辆启动守护进程，进行丢包率的计算；然后，广播车辆向VANET子网中的车辆发送流媒体消息，接收车辆收到此消息，根据“lost”位启动守护进程，监控流媒体消息丢包率；接着，广播车辆定期向VANET子网中的车辆广播“probe”探测消息，接收车辆收到这个“probe”消息，向广播车辆反馈一个“respond”消息；最后，广播车辆根据“respond”消息中丢包率的大小调整流媒体数据发送速率，继续发送流媒体消息；

当广播车辆发送“probe”探测消息，统计邻居车辆的丢包率时，广播车辆会收到多个邻居车辆发送的“respond”消息，每个接收车辆发送的丢包率都是不一样的，为了兼顾整个VANET子网的整体性能，通过选择所有接收车辆丢包率的中位数作为参考，进行相应发送速率的调整；

当PLR∈(0,0.06)，发送速率增大速度服从公式(8)；当PLR∈(0.16,1)，发送速率减小速度服从公式(9)；

SR＝SR+τ        (8)

SR＝(1-α)SR         (9)

其中，τ,α为加权系数，τ>0，α∈(0,1]。