CN104902511B - 一种缓解控制信道同步冲突的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种缓解控制信道同步冲突的方法，该方法应用于车载自组织网络多信道传输中，能够缓解控制信道的同步冲突，将控制信道上传输的各类消息进行优先级划分，并对控制信道的传输机制进行明确与改进，能够保证安全消息优先发送，并减少消息传输过程中的碰撞与丢包，有效的缓解了同步冲突；当网络中节点密度过大时，同步冲突问题非常严重，因此在本发明中还提供了自适应信道负载分散算法，该算法使节点能够根据当前信道负载状况决定是否立即发送消息，信道拥挤情况越严重，获得发送机会的节点数量就越少，则消息之间的碰撞及冲突就会得到相应的缓解，该方法在消息的接收率和平均传输时延方面的性能均有所提升。

Description

一种缓解控制信道同步冲突的方法
技术领域
本发明涉及车载自组织网络MAC层多信道传输机制中的控制信道同步冲突缓解方法，属于网络通讯技术领域。
背景技术
作为物联网技术的热门发展方向之一，车联网能够实现车，路，人三者之间的消息互通，达到缓解交通拥堵、减少交通事故、改善出行条件等一系列目的，最终实现智慧交通系统(Intelligent Transportation System，ITS)。车载自组织网络作为ITS的基础部分，能够实现移动中的车与车(Vehicle to Vehicle，V2V)通信、车与基础设施(Vehicle toInfrastructure，V2I)通信。VANET能够为车辆提供两类应用：安全应用主要是公共交通安全，例如交通事故告警、障碍物避让、灾害天气预报等可以减少交通事故，提高驾驶安全性的应用；非安全应用一方面是指智能交通管理，例如不停车收费、车队管理等；另一方面是提供信息服务，例如地图导航、服务广播、文件传输等资讯信息广播服务。
为了实现VANET的各种应用，高效可靠的媒体接入控制(Media Access Control，MAC)技术是十分关键的。车载环境无线接入(Wireless Access in VehicularEnvironment，WAVE)是近几年美国相关部门在车辆专用短程通信(Dedicated Short RangeCommunication，DSRC)频谱上部署和发展的标准和协议。WAVE协议体系包括IEEE802.11p协议和IEEE1609系列协议，802.11p协议定义了物理层和基本的MAC层标准，1609协议族是以802.11p协议为基础的上层协议，其中1609.4协议作为MAC层的上半层协议，主要规定了WAVE的多信道管理操作和服务原语等内容。WAVE信道划分为一个控制信道(ControlChannel，CCH)以及六个服务信道(Service Channel，SCH)，每个信道带宽均为10MHz，信道上的消息竞争传输过程由IEEE802.11p标准规定，信道之间的协调机制主要由IEEE1609.4标准制定。
VANET中传输的信息包含网络管理控制信息、行车安全信息和娱乐服务信 息等等，如果所有信息都在一条信道上传输极易引起网络拥塞，无法保证网络的服务质量(Quality of Service，QoS)，采用多信道MAC机制能够有效解决这一问题。WAVE系统规定CCH主要用于广播安全和管理控制信息，SCH主要传输非安全业务消息，信道之间通过建立合理的切换机制确保VANET可靠高效的业务数据传输。
IEEE1609.4协议中规定信道切换间隔为50ms，在CCH时隙所有节点切换至CCH，在SCH时隙可以选择停留在CCH或者切换至SCH传输非安全消息。节点在CCH时隙传输的安全消息可以分为两种：一种是节点周期性广播消息(称为beacon消息)，主要包括当前车辆的车速和位置等；还有一种是紧急情况下产生的安全消息(Safety Message，SMsg)，SMsg只有在发生交通事故或出现其他影响行车安全的情况下才会产生，一旦产生必须快速广播出去。非安全消息包括用户信息服务和娱乐服务等各项应用数据。当网络中车辆节点密度较大，beacon消息较多时，消息传输产生的碰撞概率及发送延迟会增加。根据IEEE1609.4协议中所有节点在CCH时隙到来时全部切换至CCH通过竞争发送消息的规定，CCH时隙起始处(即：GI之后)将会有大量报文等待传输，这势必会使消息发生碰撞的概率大大增加。如果不能对这些报文进行有效的管理，极易引起时隙起始处的同步冲突，从而无法保证CCH信道的QoS，严重情况下还可能会导致网络拥塞，影响交通安全。
发明内容
本发明目的在于提供了一种缓解控制信道同步冲突的方法，该方法将节点在CCH时隙内传输的消息进行分类并设置优先级，采用EDCA机制进行信道竞争。当CCH时隙到来时，各类消息都将通过竞争信道获取发送的机会。为了减少信道内冲突的发生，还需要对CCH时隙内传输的各类消息进行传输设置，优化CCH时隙传输方案，并设计自适应信道负载分散算法进一步缓解信道同步冲突。仿真实验证明该方法能使整个CCH信道上发送消息的包转发率都得到有效 的提高，并有效降低消息的平均传输时延。
方法流程：
步骤1：为所有在CCH时隙内发送的消息设置优先级。SMsg消息传输优先级最高，该消息对于传输时延比较敏感，对应的EDCA竞争参数为AC_VO级别；beacon消息的传输优先级次之，对应于AC_VI级别的EDCA竞争参数；WSA消息对应于AC_BE级别的EDCA竞争参数；其他可能会传输的控制和管理类消息，对应的EDCA竞争参数为AC_BK级别，即传输优先级最低。
步骤2：根据EDCA机制的信道竞争接入过程，不同类型的消息按照优先级选择传输队列，每个队列都有独立的信道竞争参数，因此优先级高的消息队列AIFS值较小，占用信道的机会就比较大，其他消息队列在AIFS[AC]期间侦听到信道已经被占用于是开始执行退避过程，在[0,CWmin[AC]]之间随机选择一个初值CW进行退避计数。退避过程中节点仍然在每一退避时隙内对信道进行侦听，每当侦听到信道有一个时隙(SlotTime)空闲则将CW减1，信道忙碌则暂停退避计数，当退避计数到0时，如果信道空闲则立即将消息发送出去；如果信道被占用则执行下一轮退避。
步骤3：节点通过估算当前信道占用率(Channel Utilization，CU)来估测信道的拥塞程度，依据CU值计算发送概率，以此来决定节点是否能够获得发送机会。当信道负载较重时，消息的发送概率应减小，以避免大量消息同时竞争信道。
步骤4：节点获得发送机会后每次只能发送一个MPDU报文，如果还有报文要发送则需要再次竞争信道。成功发送一次报文后需要重置退避计数器，即竞争窗口值重新在[0,CWmin[AC]]之间随机选择。在CCH时隙内始终没有获得发送机会的节点将在下一个CCH时隙到来后继续竞争信道。
步骤5：节点在发送消息的同时也在接收其他节点的广播消息。如果节点接收到某一节点广播的SMsg消息，则应立即采取相应的措施避免发生交通事故；如果节点接收到某一节点广播的beacon消息，则应立即更新beacon消息所对应节点的状态信息；如果节点收到WSA消息，则应根据这些消息更新SCH信道使用状态并保存在节点的分布式队列中，同时选择需要接收的服务，当SCH时隙到来后，根据要求切换至相应的SCH，不接受任何服务的节点可以选择继续留在CCH信道侦听消息。
本发明将节点在CCH时隙内传输的消息进行分类并设置优先级，采用EDCA机制进行信道竞争；当CCH时隙到来时，各类消息都将通过竞争信道获取发送的机会。
本发明的所述方法应用于车载自组织网络多信道传输中。
有益效果：
1、本发明通过优化CCH信道传输机制来明确各类消息的发送过程，缓解了消息发送过程中产生的同步冲突问题，提高了各类消息的包转发率并降低了平均传输时延，有效的提高了CCH信道的传输性能。
2、本发明中的自适应信道负载分散算法能根据当前信道的拥塞程度动态调整各类报文的发送概率，有效的减少了信道负载较重时各类消息的碰撞，并缓解了信道的同步冲突。
3、本发明明确了各类消息的优先级和发送过程，避免了大量消息同时竞争信道，另外设计合理的信道冲突缓解算法，节点根据信道占用情况计算发送概率，当信道较为忙碌时获得发送机会的节点数量就减少，以此来缓解信道同步冲突，改善网络性能。
附图说明
图1为本发明中CCH时隙内各类消息的传输过程示意图。
图2为本发明中消息发送概率随信道占用率的变化关系示意图。
图3中3(a)、3(b)、3(c)为本发明中SMsg消息，beacon消息和WSA消息的转发率随车辆密度变化关系示意图。
图4中4(a)、4(b)、4(c)为本发明中SMsg消息，beacon消息和WSA消息的平均传输时延随车辆密度变化关系示意图。
图5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。
如图1所示，本发明提供一种应用于车载自组织网络多信道传输中缓解控制信道同步冲突的方法，该方法通过优化改进原IEEE1609.4协议中关于多信道传输的控制信道传输机制，并引入自适应信道负载分散算法，使节点能够根据当前信道状况决定是否立即发送消息，从而有效的缓解信道冲突，减少消息碰撞。
每当进入一个新的传输时隙，信道首先需要进行初始化。初始化期间完成的主要工作是物理信道的切换和时序同步，这段时间称为系统的保护间隔GI。在GI内物理信道处于切换状态，信道状态标识为忙碌，因此节点在这段时间内不能传输消息，如果在上一个时隙结束时有未完成的数据传输将会被中断。所有的传输队列在GI内都要执行退避过程，直到GI结束才可以开始传输数据。
根据EDCA机制的信道竞争接入过程，不同类型的消息按照优先级选择传输队列，每个队列都有独立的信道竞争参数，因此优先级高的消息队列AIFS值较小，占用信道的机会就比较大，其他消息队列在AIFS[AC]期间侦听到信道已经被占用于是开始执行退避过程，在[0,CWmin[AC]]之间随机选择一个初值CW进行退避计数。退避过程中节点仍然在每一退避时隙内对信道进行侦听，每当侦听到信道有一个时隙(SlotTime)空闲则将CW减1，信道忙碌则暂停退避计数，当退避计数到0时，如果信道空闲则立即将消息发送出去；如果信道被占用则 执行下一轮退避，以上就是本发明所采用的退避冻结机制。在消息竞争信道过程中，执行随机时间的退避可以减少发送冲突，退避冻结机制可以减少节点的退避次数，等待越久的消息获得发送机会的概率就越大，这在一定程度上维护了节点之间的接入公平性。
当有多个传输队列的消息同时退避到0，即同时获得占用信道的机会，传输过程会发生虚拟碰撞，此时队列调度器按照优先级选择其中优先级最高的传输队列消息接入信道，低优先级的消息则按照二进制指数退避算法将竞争窗口值加倍继续执行下一轮退避，就像是检测到信道已经被占用一样。消息在抢占信道的过程中可以进行多次退避，但是其竞争窗口值不能超过CWmax[AC]。
上述过程主要是为了保证安全消息的优先发送，减少消息在竞争信道过程中发生冲突的概率，其次在CCH时隙内发送的WSA消息可以完成对SCH的预约，从而实现SCH的无竞争访问。然而在CCH时隙内传输最多的消息是beacon消息，这些消息仍然会在传输过程中产生冲突，带来传输延时和丢包，因此在对CCH时隙的传输方案进行规划后还需要设计算法来进一步缓解信道冲突。
为了保证安全消息在各种网络环境下都能准确及时的发送，节点要能够判断信道负载状况并动态调整各类报文的发送以缓解信道冲突和消息碰撞，当信道负载较重时消息的发送概率应减小，以避免大量消息同时竞争信道。图5给出了本方法中的自适应信道负载分散算法描述框图，该算法的核心思想是节点通过估测信道负载状况获知信道的拥塞程度，然后将拥塞程度转化为消息的发送概率，从而决定是否要立即发送消息，以此来缓解同步冲突。整个算法由四个功能模块组成，下面将逐一进行介绍。为了方便讨论，所有在CCH时隙内发送的消息都用HELLO报文表示。
(1)信道接入模块
节点要发送的HELLO报文从逻辑链路控制层传递到MAC层时包装在MSDU数据单元内，MAC层通过解析MSDU获取报文信息并添加MAC报头形成MPDU数据单元，MPDU经过路由选择到达CCH信道，在信道内根据消息优先级选择发送队列。如果当前信道被占用，则执行相应的退避过程，并将退避过程中侦听到的信道信息传递给信道负载估测模块，当退避结束或者信道空闲，HELLO报文将到达信道传输模块，由该模块决定是否立即将报文发送出去。
(2)信道负载估测模块
该模块的主要作用是通过估算当前信道占用率(Channel Utilization，CU)来估测信道的拥塞程度，它依赖于车辆节点在每次发送报文之前侦听到的信道信息，如节点的CW值、退避次数和退避冻结时长等。CUnow的计算公式如下：
Tfrozen表示节点在退避过程中退避计数器冻结的时间，即信道被其他节点传输消息占用的时间，CWi表示节点在第i次退避中选择的竞争窗口值，N表示节点的退避次数，通常在一次传输中的退避次数不会超过6次，则整个分母表示节点在准备发送到开始发送报文所经历的时间总和。显然CUnow的取值范围是[0,1)，它能衡量消息在退避过程中信道的忙碌程度。CUnow＝0表示节点在退避过程中信道一直处于空闲状态(不退避则不需要计算CUnow，即CU始终为0)。CUnow只是提供了当前信道拥塞程度的下界，因为当前节点无法获得此时正在执行退避过程的其他节点的数量。节点在每次退避过程中都会计算CUnow，如果在一个CCH时隙内节点要发送多个消息，则可以将CU的历史值CUpast作为参考，因为节点在一次传输消息过程中得到的CU值并不能准确反映当前信道的拥挤状态，为了提高估测的准确性，定义
CU＝αCUnow+(1-α)CUpast (2)
CUpast的初值为0，参数α描述了CUnow和CUpast的相关性，其值随CUnow动态变化。从理论上讲，退避时间越长得到的信道占用率越具有参考价值，因此设
α＝CWi/CW[AC] (3)
退避时间越久，α值越大，CUnow的参考权重也越大，利用公式(2)得到的CU值也越能反映当前信道的真实拥挤情况。
(3)信道传输模块
该模块根据节点估算出的CU值计算发送概率PT，由PT决定是否立即发送HELLO报文。当信道占用率较高时，任何报文的传输都极易产生冲突，为了避免冲突的出现，需要将某些报文推迟发送，即以少量数据包的延迟传输来缓解信道冲突状况，使整个网络的冲突和时延都有效降低，因此选取PT的计算公式如下：
PT＝1-CUω (4)
图2当中给出了当ω分别等于1，2，8时PT随CU的变化关系图。从图中可以看出，在CU相同的情况下ω越大，其发送概率PT也越大，这可以看作是一种有效的优先传输控制方法。
ω的计算公式如下：
ω＝N+Nf (5)
其中N表示报文发送过程中的退避次数，初值为1，每退避一次加1，报文发送成功后置0；Nf表示报文在退避过程中退避计数器的冻结次数，初值为0，每冻结一次加1，报文发送成功后置0。参数ω的作用是保证等待时间较长的节点获得更大的发送概率，从而保证所有车辆节点的公平性。
计算出发送概率PT之后，车辆节点将在(0,1)的范围内随机选择一个值与PT相比较，若小于PT则立即将HELLO报文发送出去；否则说明此次信道竞争失败，需要将竞争窗口值加倍，并返回到信道接入模块开始执行新的退避过程，此时节点可以认为传输发生了虚拟碰撞。总之信道占用率越高，发送概率PT就越小， 在同一时刻获得发送机会的消息数量也越少，从而减少了消息传输碰撞，达到了缓解信道冲突的目的。
(4)信道负载联合估测模块
本算法是否有效完全取决于CU的估测准确度，由于车辆节点的移动性导致每次测得的CU值偏差比较大。为了进一步提高估测精度，需要网络中的节点相互交换本地CU值，尤其是距离较近的节点之间，通常空间距离越近的节点得到的CU值也越相近。为此节点需要在HELLO报文里添加广播CU的字段，假设CU1是节点1得到的信道占用率，节点2收到节点1广播的HELLO报文后从中解析出CU1，并结合自己测得的CU2计算联合信道占用率CUcombine：
CUcombine＝βCU2+(1-β)CU1 (6)
L(1,2)代表节点1和节点2之间的实际距离(可以通过车载GPS得到)，R1代表节点1的广播范围，则参数β表示节点1和2的空间相关性。β越小说明节点之间的距离就越近，节点1测得的CU1对于节点2越具有参考意义，其权重也越大；反之β值越大，CU1的参考价值就越小。因此节点可以根据收听到的HELLO报文得知附近节点估测的CU值并计算CUcombine，利用CUcombine计算发送概率PT，因为CUcombine更能准确的反应信道真实的拥挤状况。
为了对本发明进行性能评估，需要通过设计仿真拓扑图进行实验验证。本方法使用EstiNet8.1仿真软件模拟双向4车道公路，绘制成带有五个路口的田字格路网拓扑结构，每个车道宽5米，假设在CCH时隙内发送的所有报文大小相同，所有节点的消息广播范围也相同，不单独考虑车速对网络性能的影响，车辆速度随机设置为10-30m/s的范围内，通过改变每一车道上的车辆节点密度探讨节点数量对包转发率和网络时延的影响，具体仿真参数如表1所示。节点的最小竞争窗口和其他竞争信道的参数均按照IEEE802.11p协议的规定值进行设 置。
表1仿真参数设置
在每次仿真中改变车辆密度，车辆节点随机分布在车道上，沿着各自的车道向前行驶，所有车辆均在每一CCH时隙广播beacon消息并接听周围节点发送的各类消息。由于SMsg消息只在发生交通意外或危险的情况下产生，为了模拟其广播接收性能，假设广播SMsg消息的节点占仿真总节点数的5％，这样就保证了每次仿真都可以得到SMsg消息的广播性能。在网络中随机选择10％的节点扮演Provider的角色，每个Provider都可以发送多个不同服务种类的WSA消息，所有WSA消息的优先级相同；其余节点扮演User角色，每个User都可以选择接收的WSA消息，这样可以保证有足够的WSA消息(充足的服务种类)可供选择。网络中所有消息均为单跳广播，不涉及路由选择问题。
本发明的EstiNet仿真结果包括：
图3对比了采用本发明提出的信道传输方案和自适应信道负载分散算法与原始IEEE802.11p/1609.4协议对各类消息转发率的影响(原始协议中CCH时隙传输消息的优先级划分与本章传输方案相同)。从图3中看出虽然随着车辆密度不断增加，三种数据包的转发率都在降低，但采用自适应信道负载分散算法得 到的包转发率明显高于原协议，这说明该算法能够在不同的车辆密度下都有效减少丢包数量。
从图3(a)可以看出SMsg消息转发率随车辆密度的下降幅度不大，采用自适应信道负载分散算法后SMsg的包转发率都在85％以上，由于优先级和消息数量的影响，SMsg的包转发率明显高于其他消息。图3(b)和3(c)给出了beacon消息和WSA消息转发率随车辆密度变化曲线，在相同的车辆密度下beacon消息的包转发率高于WSA消息。当车辆密度变大，网络中有大量的beacon消息和WSA消息等待发送时，网络性能逐渐变差，原始协议中beacon消息和WSA消息的包转发率下降趋势接近，采用自适应信道负载分散算法后包转发率下降较为缓慢，在车辆密度较大的情况下这两种消息的包转发率逐渐趋于相同，即在网络性能较差的环境下，该算法能通过延缓部分数据包的发送提高所有数据包的转发率，而这一过程不受消息优先级的影响。
图4对比了采用自适应信道负载分散算法和原始协议仿真后，得到CCH时隙发送的三类消息平均传输时延随车辆密度的变化情况。从图中可以看出，随着车辆密度增加，消息传输时延都有所增加，但采用本方法可以减少时延，SMsg消息的传输时延最小，beacon消息次之。
图4(a)说明本发明算法对SMsg消息的传输时延并无多大改善，这是因为SMsg消息的优先级较高，其传输时延本身就很小，因此其提高空间不大，10ms以内的传输时延可以满足SMsg消息的发送要求。从图4(b)和图4(c)可以看出，车辆密度越大自适应信道负载分散算法对于消息平均传输时延的改善越明显，虽然该算法为了缓解信道的同步冲突将某些消息的发送延缓，尤其是在车辆密度较大的情况下，但是网络整体的消息平均传输时延并没有大幅度增加，这是因为信道冲突得到了缓解，不会出现大量消息多次退避的情况，因此各类消息的平均传输时延都得到了有效降低。

Claims (2)

1.一种缓解控制信道同步冲突的方法，其特征在于，所述方法如下步骤：
步骤1：为所有在CCH，控制信道时隙内发送的消息设置优先级；SMsg，安全消息消息传输优先级最高，该消息对于传输时延比较敏感，对应的EDCA,增强型分布式信道接入竞争参数为AC_VO,语音接入类别级别；beacon，节点周期性广播消息的传输优先级次之，对应于AC_VI视频接入类别级别的EDCA竞争参数；WSA，WAVE服务宣告消息对应于AC_BE，尽力而为接入类别级别的EDCA竞争参数；其他传输的控制和管理类消息，对应的EDCA竞争参数为AC_BK,背景接入类别级别，即：传输优先级最低；
步骤2：根据EDCA机制的信道竞争接入过程，不同类型的消息按照优先级选择传输队列，每个队列都有独立的信道竞争参数，其他消息队列在AIFS[AC]期间侦听到信道已经被占用于是开始执行退避过程，在[0,CWmin[AC]]之间随机选择一个初值CW,竞争窗口进行退避计数；退避过程中节点仍然在每一退避时隙内对信道进行侦听，每当侦听到信道有一个时隙空闲则将CW减1，信道忙碌则暂停退避计数，当退避计数到0时，如果信道空闲则立即将消息发送出去；如果信道被占用则执行下一轮退避；
步骤3：节点通过估算当前信道占用率来估测信道的拥塞程度，依据CU,信道占用率值计算发送概率，以此来决定节点是否能够获得发送机会；当信道负载较重时，消息的发送概率应减小；
步骤4：节点获得发送机会后每次只能发送一个MPDU，服务数据单元报文，若还有报文要发送，则需要再次竞争信道；成功发送一次报文后需要重置退避计数器，即：竞争窗口值重新在[0,CWmin[AC]]之间随机选择；在CCH时隙内始终没有获得发送机会的节点将在下一个CCH时隙到来后继续竞争信道；
步骤5：节点在发送消息的同时也在接收其他节点的广播消息；若节点接收到某一节点广播的SMsg消息，则应立即采取相应的措施避免发生交通事故；若节点接收到某一节点广播的beacon消息，则应立即更新beacon消息所对应节点的状态信息；若节点收到WSA消息，则应根据这些消息更新SCH，服务信道信道使用状态并保存在节点的分布式队列中，同时选择需要接收的服务，当SCH时隙到来后，根据要求切换至相应的SCH，不接受任何服务的节点选择继续留在CCH信道侦听消息；
信道负载的估测模块是通过估算当前CU来估测信道的拥塞程度，它依赖于车辆节点在每次发送报文之前侦听到的信道信息，即节点的CW值、退避次数和退避冻结时长，CUnow的计算公式如下：
Tfrozen表示节点在退避过程中退避计数器冻结的时间，即信道被其他节点传输消息占用的时间，TAIFS表示随机帧内间隔时长，CWi表示节点在第i次退避中选择的竞争窗口值，N表示节点的退避次数。
2.根据权利要求1所述的一种缓解控制信道同步冲突的方法，其特征在于，所述方法将节点在CCH时隙内传输的消息进行分类并设置优先级，采用EDCA机制进行信道竞争；当CCH时隙到来时，各类消息都将通过竞争信道获取发送的机会。
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