CN110691349A - 车联网中面向安全应用的联合功率和竞争窗口的自适应控制算法 - Google Patents

车联网中面向安全应用的联合功率和竞争窗口的自适应控制算法 Download PDF

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CN110691349A CN201810722466.0A CN201810722466A CN110691349A CN 110691349 A CN110691349 A CN 110691349A CN 201810722466 A CN201810722466 A CN 201810722466A CN 110691349 A CN110691349 A CN 110691349A
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Abstract

本发明涉及一种车联网中面向安全应用的联合功率和竞争窗口的自适应控制（joint Power and Contention window size Adaptive Control,PCAC）算法。根据对本地车辆密度估计来动态调整传输功率，以解决传输范围与干扰之间的冲突；零竞争窗口、minislot方法结合基于接收端的隐式确认机制用来确保紧急消息的抢占式优先级与可靠传输；节点根据从邻居节点收到的数据包来估计冲突率，基于估计的冲突率，采用粗调结合细调方法调节基本安全消息的竞争窗口大小来提高系统的吞吐量。PCAC算法采用分布式方式，没有额外的通信花费，通过大量的仿真实验，证明了PCAC能明显提高安全服务的数据包投递率、吞吐量，降低传输延迟。

Description

车联网中面向安全应用的联合功率和竞争窗口的自适应控制 算法
技术领域
本发明涉及车联网通信技术领域，尤其涉及一种车联网中面向安全应用的联合功率和竞争窗口的自适应控制算法。
背景技术
车载自组织网络 (Vehicular Ad Hoc Networks, VANETs)，又名车联网，是专门用于车辆与基础设施(Vehicle-to-Infrastructure, V2I)和车辆与车辆(Vehicle-to-Vehicle, V2V)通信的，目的是提高道路安全。VANETs是智能交通系统的重要组成部分,它使车辆能够快速、准确地收集实时道路交通信息，及时通知邻近车辆道路上的潜在危险。值得注意的是，大多数安全应用都是以广播方式形式工作的，这是因为安全信息需要发送给周围所有车辆。为了提高交通安全，车载自组织网络使用事件驱动的紧急消息和周期性的基本安全信息(Basic Safety Messages, BSMs)。一方面，每个车辆周期性地广播BSMs,其内容包含媒体访问控制(Media Access Control, MAC)地址、速度、位置、方向和其它相关信息，用来通知其邻居。另一方面，诸如车祸或紧急刹车等危险事件将触发紧急信息，这类消息具有最高优先级将消息传播给附近的车辆。
然而，为了改善道路安全，向某些感兴趣的地区或特定地区广播与安全有关的信息面临着许多挑战：
Figure 821578DEST_PATH_IMAGE001
众所周知，由于车辆的高速移动性，V2V和V2I之间的通信链路往往是短暂的。 此 外，交通密度从稀疏到稠密的快速变化可能导致共享信道迅速饱和并拥塞，从而出现可扩 展性问题。
Figure 223740DEST_PATH_IMAGE002
在VANETs中，交通事故和紧急刹车等紧急信息需要及时可靠地传递给邻近车 辆，以便使司机及时的做出决策。
Figure 830302DEST_PATH_IMAGE003
在协同车辆安全系统（Cooperative Vehicle Safety Systems, CVSSs）或协 同主动安全系统（Cooperative Active Safety Systems, CASSs）中，精确跟踪是基础，其 依赖于BSMs的消息传播率（Information Dissemination Rate, IDR），也称为广播吞吐量。 由此可见，在VANETs的安全相关应用中，可扩展性，低延迟，高可靠性和高吞吐量是最关键 的因素。
增加VANETs中通信链路持续时间的一种策略是增加传输功率以提高传输范围。然而，增加传输功率可能在高密度通信条件下产生严重的干扰和高的网络开销。因此，根据不断变化的交通流密度动态调整功率是一项关键需求。
为了实现紧急消息的及时可靠的传输，为VANETs提出了IEEE 802.11p标准。IEEE802.11p标准利用增强型分布式信道接入（Enhanced Distributed Channel Access,EDCA）- 802.11e 来支持不同应用的服务质量（Quality of Service, QoS）。 根据802.11e操作标准，我们根据消息对车辆安全性的不同重要程度，给消息分配不同的优先级。消息的不同优先级通过不同的信道访问参数来区分，包括竞争窗口（Contention Window, CW）大小和仲裁帧间间隔（Arbitration Inter Frame Space, AIFS）。然而，目前的IEEE 802.11pMAC无法为高优先级的安全服务提供可预测的QoS。在紧急情况下，考虑到驾驶员对交通紧急消息的反应时间可以达到700毫秒或更长的时间，紧急信息必须在500毫秒内发出。基于可靠性要求，紧急消息应该具有较高的包传递率（Packet Delivery Ratio, PDR）。因此，非零竞争窗口大小和无确认（Acknowledgment, ACK）机制（这是广播方式的特点）不能满足车辆环境下的紧急消息的及时和严格的可靠性要求，特别是在高流量密度条件下。
在CVSSs或CASSs，BSMs是在一个共享的信道上面以广播形式发送的。当在通信范围之内的多个节点同时传输的时候会导致很高的传输碰撞概率的发生。初次之外，当BSMs之间发生冲突时，由于没有诸如（Clear To Send, CTS）和ACK的冲突检测帧，竞争窗口大小不会加倍。实际上，理想的竞争窗口值应该足够大，这样可以避免由于多个节点有相同的退避窗口的概率足够小；另一方面，竞争窗口值应该足够小，这样可以避免较高的传输延迟。
越来越多学术界和工业界的研究人员，他们正在解决第一部分讨论的问题。在文献“A Beacon Transmission Power Control Algorithm Based on Wireless ChannelLoad Forecasting in VANETs”提出了一种信道负荷预测算法KF-BCLF。 在KFBCLF，基于所述预测的信道负载中，每个节点预先调整其功率，使下一个预定范围的信道负载，因此，鲁棒性和信标传播的稳定性得到改善。但该算法提高了存储空间和计算强度的要求。“Localdensity estimation and dynamic transmission-range assignment in vehicular adhoc networks”中的研究仅观测自身速度来估计局部车辆的交通密度，并且基于估计的密度，车辆改变传输功率以调整传输范围。因此，该算法可以保持高速车辆之间的链路寿命。解决了稀疏、密集的交通环境中的连接性问题。然而，车辆密度估计完全是基于车辆的运动，并不总是给出一个好的估计，最终网络连接可能不能总是给出良好的性能。
在VANETs中，安全相关的应用需要满足严格的性能要求，如在不同网络条件下的低延迟，高可靠性和可扩展性，“Application oriented cross-layer multi-channel MACprotocol for VANETs，APDM: An adaptive multi-priority distributed multichannelMAC protocol for vehicular ad hoc networks in unsaturated conditions”。为了实现这些目标，可以调整三个关键参数：物理层的传输功率，MAC层的竞争窗口和应用层的信标生成速率，因此它是一种跨层方法。文献“Analysis of Information Dissemination inVehicular Ad-Hoc Networks With Application to Cooperative Vehicle SafetySystems”的研究提出了一种联合速率 - 功率控制算法来广播自己的信息用于相邻跟踪，并根据跟踪精度调整发射功率和传输速率，以提高CVSS的性能。文献“Enhancing VANETPerformance by Joint Adaptation of Transmission Power and Contention WindowSize”提出了一个联合功率和竞争窗口调整算法的大小来改进VANETs的性能。该算法根据现场车辆密度估计和瞬时碰撞率，改变功率和竞争窗口尺寸。仿真结果表明，该算法可以显著提高吞吐量，降低端到端延迟。然而，传输功率和竞争窗口的调整都难以满足安全要求。这是因为此文献将非零竞争窗口分配给紧急消息，并且紧急消息仍然需要退避，因此该算法不能保证在确定的持续时间内紧急消息的传输延迟。
发明内容
车联网采用广播方式支持安全相关的服务，安全相关的服务对性能有严格的要求，包括低延迟、高可靠性与可扩展性等。然而，由于车辆密度的高度动态变化以及安全应用的严格要求，设计一种有效与可靠的广播服务面临很多挑战。因此，我们提出本算法，重点实现改善不同网络条件下的安全相关的消息可扩展性，及时，可靠，高效地传输。
为了实现上述目的，本发明通过车联网中面向安全应用的联合功率和竞争窗口的自适应控制算法，算法包括以下步骤：
1）一旦车辆驶入道路，对系统参数进行初始化，传输功率取最大值，竞争窗口取最小 值，=0.25，其中，
Figure 30525DEST_PATH_IMAGE005
是一个常数，依赖于交通流理论；
2）每辆车周期性的广播包含该车辆ID、12位序列号、运动状态的基本安全消息BSMs的数据包；
3) 如果遇到紧急状况，每辆车就发送包含车辆ID、12位序列号、紧急消息的紧急消息数据包；
4）根据收到的BSMs数据包或者紧急消息数据包，车辆节点更新自身的邻居表，计算冲突率；
5）阶段一：传输功率调整：根据更新的邻居表，每辆车估计局部车辆密度，如果估计的局部车辆密度小于一个阈值或者是存在紧急消息，则调整传输范围为最大传输范围值；否则，进入下一步；
6）通过公式
Figure 236378DEST_PATH_IMAGE006
计算传输范围，其中TR是传输范围；
Figure 228605DEST_PATH_IMAGE007
是 道路段的长度，车辆在此路段上估计本地车辆密度；是估计的局部车辆密度，估计K的公 式是
Figure 818517DEST_PATH_IMAGE009
，其中的
Figure 828061DEST_PATH_IMAGE010
代表给定车辆的当前传输范围之内的车辆的实际数目，
Figure 940374DEST_PATH_IMAGE011
是在 当前给定车辆传输范围之内，道路上一共能容纳车辆的数目；
7）根据传输范围，查表获得相应的传输功率，进入下一步；
8）阶段二：竞争窗口调整：如果有紧急消息则采用零竞争窗口与minislot方法调整竞争窗口，中继节点转发紧急消息；否则根据冲突率采用粗调和细调相结合的方式调整BSMs的竞争窗口。
9) 车辆每隔一定周期就返回步骤4），根据收到的数据包，不断调整传输功率和竞争窗口。
所述步骤8）中的所述如果有紧急消息则采用零竞争窗口与minislot方法调整竞争窗口，具体包含以下步骤：
801.1）计算一个minislot的长度
Figure 993649DEST_PATH_IMAGE012
为:
Figure 925833DEST_PATH_IMAGE013
,其中，
Figure 739068DEST_PATH_IMAGE014
代表在传输范围
Figure 705887DEST_PATH_IMAGE015
中 最大的信号传播延迟，
Figure 930064DEST_PATH_IMAGE016
是无线电在接收模式与发送模式之间切换的切换延迟；
801.2) 当发送节点检测到信道空闲
Figure 615123DEST_PATH_IMAGE017
时，采用零竞争窗口（不采用二进制截断指数方 式退避），并且随机从
Figure 966470DEST_PATH_IMAGE018
中选择一个等待时间
Figure 787796DEST_PATH_IMAGE019
（
Figure 448453DEST_PATH_IMAGE020
），当时间到零时，就 发送紧急消息，其中
Figure 355229DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 244688DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure 186099DEST_PATH_IMAGE023
分别代表一个分布式帧间间隔（Distributed Inter Frame Space, DIFS）的持续时间和向下取整函数；
所述步骤8）中的中继节点转发紧急消息包括以下步骤：
802.1) 节点收到紧急消息，当节点在
Figure 755008DEST_PATH_IMAGE024
时间内 没有收到其它节点转发此条紧急消息，成为中继者，转发此消息，其中d为接受者与发送者 之间的距离，P Thresh 为接收阈值，P r 为接收信号功率，
Figure 149080DEST_PATH_IMAGE025
（
Figure 842230DEST_PATH_IMAGE026
[0, 1]）为权重因子，T max 是允 许的最大接入延迟间隔；
802.2) 中继者转发紧急消息，对于发送节点来说是隐式确认，如果发送节点没有收到隐式确认并且紧急消息生命周期没有结束，就重新广播紧急消息；否则转所述步骤8）中的根据冲突率采用粗调和细调相结合的方式调整BSMs的竞争窗口。
所述步骤8）中的根据冲突率采用粗调和细调相结合的方式调整BSMs的竞争窗口具体包含以下步骤：
803.1) 当根据邻居表计算的冲突率p大于阈值，则W bc
Figure 640607DEST_PATH_IMAGE028
min(2W bc ; W max )，其中W max 为最大竞争窗口。否则转步骤803.2)；
803.2) 如果冲突率p小于等于阈值
Figure 521976DEST_PATH_IMAGE027
且大于阈值
Figure 753237DEST_PATH_IMAGE029
，则
Figure 403661DEST_PATH_IMAGE030
，其 中
Figure 577022DEST_PATH_IMAGE031
；否则转步骤803.3）；
803.3）如果冲突率p小于等于阈值
Figure 211266DEST_PATH_IMAGE029
且大于等于阈值
Figure 246218DEST_PATH_IMAGE032
，则 ， 其中
Figure 95411DEST_PATH_IMAGE034
；否则转步骤803.4)；
803.4) 如果冲突率p小于阈值
Figure 685793DEST_PATH_IMAGE035
，则
Figure 524436DEST_PATH_IMAGE036
。
本发明的有益效果是：1. 采用传输功率自适应方法来减缓高密度环境下，高的传输功率对通信的不利影响，而在低交通流密度情况下增加通信链路的持续时间。2.基于零竞争窗口与minislot的抢占式优先级的传输方式，以及面向接受者的隐式确认方法，确保了紧急消息的及时、可靠传输。3.根据从邻居节点收到的数据包估计冲突率，利用粗调和微调相结合的方式自适应调节BSMs的竞争窗口大小，大大提高了系统吞吐量。4.局部车辆密度估计，隐式确认和数据包冲突率估计均是通过正常广播紧急消息或BSMs来实现，没有额外的通信开销。
附图说明
图1是本发明流程图；
图2是每个方向两车道的高速公路场景图；
图3（a）是紧急消息的数据包投递率随节点数量变化图；
图3（b）是BSMs的数据包投递率随节点数量变化图；
图4（a）是紧急消息的数据包平均延迟随节点数量变化图；
图4（b）是BSMs的数据包平均延迟随节点数量变化图；
图5（a）是紧急消息的系统吞吐量随节点数量变化图；
图5（b）是BSMs的系统吞吐量随节点数量变化图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。车联网中面向安全应用的联合功率和竞争窗口的自适应控制算法，如图1所示，算法包括如下步骤：
1）一旦车辆驶入道路，对系统参数进行初始化，传输功率取最大值，竞争窗口取最小 值，=0.25，其中，
Figure 661686DEST_PATH_IMAGE038
是一个常数，依赖于交通流理论。 传输功率最大值是32，竞争窗口的 最小值是15。
Figure 739364DEST_PATH_IMAGE037
来自文献“Local density estimation and dynamic transmission-range assignment in vehicular ad hoc networks”。
2）每辆车周期性的广播包含该车辆ID、12位序列号、运动状态的基本安全消息BSMs的数据包。车辆的运动状态的基本安全消息包括车辆的速度，加速度，静止还是运动，运动方向等。
3） 如果遇到紧急状况，每辆车就发送包含车辆ID、12位序列号、紧急消息的紧急消息数据包。
4）根据收到的BSMs数据包或者紧急消息数据包，车辆节点更新自身的邻居表，计算冲突率。本地网络状态通过对文献“Increasing broadcast reliability in vehicularad hoc networks”中计算冲突率的方法进行了改进来确定的。我们算法的具体做法：在每一个要发送的数据包的包头有一个12位的序列号字段，该序列号字段的组成包含：发送的数据包的类型（1位）+发送的数据包的序号（11位）。数据包的类型：0代表紧急消息，1代表BSMs消息。每个节点在发送每一类新消息之前，序列号加1。在一段时间内，节点A收到来自节点B的BSMs数据包，其序列号为11,13,14,15,17,19,20。则节点A就可以得出结论，来自B的BSMs数据包12,16,18丢失或者是被破坏掉不能译码，则来自节点B的BSMs数据包的丢失率为30%。在某一段时间，来自节点B的数据包的丢失率为BSMs数据包的丢失率与紧急消息的丢失率的和。每个节点都维护一个周围一跳邻居表，如表1 所示。
表1：邻居
时间戳用来帮助删除节点。如果在一段时间内都没有收到来自某一个节点的数据包，则就把这个节点的记录从表1中删除。最后一个序列号就是用来记录的序列号的起始值。
在给定的一段时间内，根据接收到的数据包，每个节点维护自己的邻居表。通过邻居表中的序列号，来查找每个节点的丢失序列号，从而计算出碰撞率或丢失数据包的百分比。根据这些统计数据，每辆车确定交通状况并使用它来调整竞争窗口大小。
5）阶段一：传输功率调整：根据更新的邻居表，每辆车估计局部车辆密度，如果估 计的局部车辆密度小于一个阈值（
Figure 861221DEST_PATH_IMAGE040
=0.5）或者是存在紧急消息，则调整传输范围为最大传 输范围值；否则，进入下一步；
6）通过下面公式，计算传输范围：
（1）
其中TR是传输范围；
Figure 112259DEST_PATH_IMAGE042
是道路段的长度，车辆在此路段上估计本地车辆密度；是估 计的局部车辆密度，估计K的公式是
Figure 626734DEST_PATH_IMAGE044
，其中的代表给定车辆的当前传输范围之 内的车辆的实际数目，
Figure 535970DEST_PATH_IMAGE046
是在当前给定车辆传输范围之内，道路上一共能容纳车辆的数 目。
根据公式(1)得到的值，可以将TR映射到实际的传输功率值。通过对不同的VANETs环境的基本无线传输模型的广泛模拟，我们获得了查找表如表2 所示。表2与“EnhancingVANET Performance by Joint Adaptation of Transmission Power and ContentionWindow Size”中的表不同。每个节点可以通过查找表2来获得不同传输范围的功率值。由于查找表方法不需要计算，因此速度更快。由于上述方法不会引入明显的网络开销并且没有计算，因此它是一种更快的方法。 在本算法中，节点根据邻居节点的数量来调整传输功率。
仅仅增加传输功率只会使信道情况更糟，不利于提高道路安全。为了实现在不同交通流量条件下，尤其是在高密度交通流量下，安全消息的可靠性传输，我们提出了结合传输功率、抢占式优先级与竞争窗口调整机制。
表2.对应于给定传输范围的传输功率的查找表。
Figure 254528DEST_PATH_IMAGE047
7）根据传输范围，查表2获得相应的传输功率之后，进入下一步；
8）阶段二：竞争窗口调整：如果有紧急消息则采用零竞争窗口与minislot方法调整竞争窗口，中继节点转发紧急消息；否则根据冲突率采用粗调和细调相结合的方式调整BSMs的竞争窗口。
801.1）其有紧急消息则采用零竞争窗口与minislot方法调整竞争窗口，具体包含以下步骤：IEEE 802.11p采用具有优先级的EDCA协议来为四种接入种类（AccessCategories, ACs）提供可区分的接入。可区分的接入是通过一组不同的信道接入参数来实现，包括AIFS与竞争窗口范围。在PCAC方案中，紧急消息具有最高优先级，我们采用抢占式优先级的传输方式进行传输。零竞争窗口与在分布式帧间间隔（Distributed Inter FrameSpace, DIFS）中的minislot，这两种机制来确保紧急消息的及时传输。非零竞争窗口大小用于周期性的BSMs服务。通过利用“Design and Analysis of a Robust BroadcastScheme for VANET Safety-Related Services，A multi-hop broadcast protocol foremergency message dissemination in urban vehicular ad hoc networks”中的minislot的概念，我们将DIFS间隔划分为多个minislots，从而确保紧急消息的抢占式优先传输。
计算一个minislot的长度
Figure 708643DEST_PATH_IMAGE012
为:
（2）
其中，
Figure 276076DEST_PATH_IMAGE049
代表在传输范围
Figure 63904DEST_PATH_IMAGE050
中最大的信号传播延迟，
Figure 372525DEST_PATH_IMAGE016
是无线电在接收模式与发送 模式之间切换的切换延迟；
801.2）当发送节点检测到信道空闲时，采用零竞争窗口（不采用二进制截断指数方 式退避），并且随机从
Figure 335506DEST_PATH_IMAGE018
中选择一个等待时间
Figure 661446DEST_PATH_IMAGE051
（
Figure 824574DEST_PATH_IMAGE052
），当时间到零时，就 发送紧急消息，其中
Figure 944976DEST_PATH_IMAGE053
（3）
Figure 708402DEST_PATH_IMAGE054
和
Figure 572453DEST_PATH_IMAGE055
分别代表一个分布式帧间间隔的持续时间和向下取整函数。如果一个节点 有紧急消息需要发送，当它检测信道空闲
Figure 590087DEST_PATH_IMAGE017
时，就随机从中选择一个等待时间
Figure 132113DEST_PATH_IMAGE057
（
Figure 534276DEST_PATH_IMAGE058
）。一旦消息准备好传输，具有零退避窗口大小的节点将立即访问该信道。该 机制确保具有紧急消息的节点可以在具有BSMs的节点之前访问信道。这是因为即使BSMs节 点的退避计数器为零，节点在传播之前仍然需要等待
Figure 937575DEST_PATH_IMAGE059
时间。另一方面，在TDIFS内采用 minislot的机制可以减少紧急消息接入信道的时间，从而可以减少数据的端到端延迟。此 外，minislot机制可以减少紧急消息同时传输引起的冲突。minislot技术可以与当前IEEE 802.11p中的DIFS共存。我们发现：。假定和
Figure 343652DEST_PATH_IMAGE062
，其中T SIFS , T AIFS[AC]，AIFSN[AC]和δ分别表 示短帧间间隔（Short Inter Frame Space, SIFS）的持续时间，接入种类[AC]的AIFS持续 时间，接入种类[AC]的AIFS数量，和一个时隙的持续时间。因此抢占式优先级机制可以保证 紧急消息的传输时延低于BSMs，从而确保了紧急消息的实时传输；
802）中继节点转发紧急消息包括以下步骤：在车联网中，车辆周期性地广播BSMs给一 跳邻居节点。BSMs包含发送者的ID、12位序列号、紧急消息的紧急消息数据包。通过这些信 息，节点可以轻松计算出发送者的距离。另一方面，通过在每一条紧急消息和BSMs的报头上 面的12位的序列号，节点可以识别收到的数据包是新产生的那个是副本。一旦邻居节点收 到紧急消息，就采用竞争方式转发此消息。竞争成功者就是中继节点，负责转发此紧急消 息。中继节点的产生是采用分布式方式产生的，遵循以下两条标准：距离发送者之间的距离 和接受信号强度指示（Received Signal Strength Indication, RSSI）。与发送者距离越 远并且接收到的RSSI越强就越容易被选为中继节点。这是因为远处的节点意味着可以涵盖 更宽的区域，更高的RSSI意味着紧急消息包能被正确解码。通过收到的广播包，邻居节点计 算自己与发送者的距离，并且也知道了信号的强度。令
Figure 335878DEST_PATH_IMAGE063
代表访问延迟计数器值，其值可 以通过下式获得：
（4）
其中d为接受者与发送者之间的距离，P Thresh 为接收阈值，P r 为接收信号功率，
Figure 925790DEST_PATH_IMAGE065
（
Figure 935334DEST_PATH_IMAGE066
[0, 1]）为权重因子，T max 是允许的最大接入延迟间隔。P Thresh 的值基于接收功率，并且当接 收功率低于该值时，数据包不能被成功解码。权重因子表示对距离和接收信号功率的偏好。 在实验中，通过试错，我们将此值设置为0.7。通常，T max 小于紧急信息的生命周期。当节点收 到紧急消息，在经过
Figure 782067DEST_PATH_IMAGE063
时间内没有收到其它节点转发此条紧急消息，就成为中继者，在再 等待一个短的等待时间
Figure 851655DEST_PATH_IMAGE019
之后就转发这条紧急消息（是原始紧急消息的一个拷贝）。
中继者转发紧急消息，对于发送节点来说是隐式确认，如果发送节点没有收到隐式确认并且紧急消息生命周期没有结束，就重新广播紧急消息。
803）根据冲突率采用粗调和细调相结合的方式调整BSMs的竞争窗口具体包含以下步骤：
803.1）当根据邻居表计算的冲突率p大于阈值
Figure 33106DEST_PATH_IMAGE067
（
Figure 846341DEST_PATH_IMAGE067
=0.5），则W bc
Figure 813160DEST_PATH_IMAGE068
min(2W bc ; W max )， 其中W max 为最大竞争窗口。否则转入803.2）；
803.2）如果冲突率p小于等于阈值
Figure 788070DEST_PATH_IMAGE067
且大于阈值
Figure 722396DEST_PATH_IMAGE029
（
Figure 339323DEST_PATH_IMAGE029
=0.3），则
Figure 160648DEST_PATH_IMAGE069
， 其中
Figure 40879DEST_PATH_IMAGE070
；否则转入803.3）；
803.3）如果冲突率p小于等于阈值
Figure 213235DEST_PATH_IMAGE029
且大于等于阈值
Figure 617540DEST_PATH_IMAGE071
（
Figure 293372DEST_PATH_IMAGE071
=0.2），则
Figure 875663DEST_PATH_IMAGE072
，其中
Figure 269735DEST_PATH_IMAGE073
；否则转入803.4）；
803.4）如果冲突率p小于阈值 ，则。自适应调整竞争窗口可 以提高吞吐量。
这种方法不会引入任何额外的网络通信开销，因为它利用了在专用短程通信（Dedicated Short-Range Communications, DSRC）支持的系统“Dedicated Short-RangeCommunications (DSRC) Standards in the United States”中都使用的周期性BSMs。
9)车辆每隔一定周期就返回步骤4），根据收到的数据包，不断调整传输功率和竞争窗口。
10）仿真和数值结果为：
我们进行了大量的仿真实验来验证我们提出的PCAC算法。交通流是使用VISSIM生成的，网络环境中无线通信使用NS-3进行仿真实验。提出的PCAC算法在不同的交通流密度与数据流下进行评估，以保证可扩展性，可靠性和效率。我们将PCAC算法的性能与以下算法进行比较：
固定值算法： 默认的EDCA，对于不同的接入种类，具有固定的功率和固定的竞争窗口。在本算法中，用接入种类0（AC 0 ）和接入种类2（AC 2 ）分别代表具有最高优先级的紧急消息和具有较低优先级的BSMs。
Rawat算法：这是著名的功率和竞争窗口的联合调整方法，用来实现高吞吐量和低端到端延迟。Rawat算法分别根据当地车辆密度和网络条件来调整传输功率和竞争窗口的大小，并且我们将该算法作为基准。
1001）仿真场景
仿真场景如图2所示，在长度为1公里和每方向两车道的高速公路上。车辆在道路上遵循泊松分布。车辆速度介于60公里/小时到120公里/小时之间。每辆车都有一个GPS和一个无线电WAVE通信设备。所有节点既可以充当发送者也可以充当接受者。产生的紧急消息按照泊松分布的方式到达MAC层，BSMs数据包以固定频率周期性地广播。考虑到紧急消息是事件驱动的，并且偶尔发生，因此，我们设置紧急消息和BSMs之间的比率为0.1。模拟时间是2分钟，最终结果取每次模拟结果的平均值。表3列出了实验所使用的参数。
表3.仿真参数
Figure 764192DEST_PATH_IMAGE076
1002）性能指标
我们给出以下指标：
数据包投递率（Packet Delivery Ratio, PDR）：它测量在发送者通信范围内的所有车辆都收到的消息的百分比。投递率的计算：用在发送者通信范围内所有的车辆都成功收到的数据包数M succ除以传输的数据包总数。假设有N辆车，每辆车发送M包。我们有
Figure 379981DEST_PATH_IMAGE077
（5）
数据包平均延迟（Packet Average Delay, PAD）：用来衡量传输的及时性。它包含两部分：排队时间和服务时间。排队时间是从数据包到达MAC层队列的时刻开始一直到这个数据包到达MAC层队列头为止持续的时间。服务时间是从数据包成为MAC队列头部的时刻开始直到这个数据包被成功传输为止持续的时间。
系统吞吐量（System Throughput, ST）：衡量的是在一定时间段内，成功收到的数据包的数量。单位是Mbps（百万位/秒）。
1003）仿真结果
图3（a）和3（b）分别显示了紧急消息和BSMs的PDR与节点数量的关系。PDR随着节点数量的增加而减少。这是因为冲突概率随着N的增加而增加。可以看出，PCAC和Rawat算法中的紧急消息和BSMs的PDR均高于固定值算法。这是因为在固定值算法中，每个节点使用固定的传输功率和固定的竞争窗口，而其他两种算法中的每个节点可以根据车辆密度和网络流量条件来调整传输功率和竞争窗口。另外，在PCAC算法中传输紧急消息时，由于采用隐式确认机制，PCAC算法的紧急消息的PDR性能优于Rawat算法。另一方面，当传输BSMs时，由于在PCAC算法中采用了粗调与微调相结合的方法来调整竞争窗口的大小，因此PCAC算法中的BSMs的PDR高于Rawat算法的。例如，在高密度条件下（例如N = 150），PCAC算法的紧急消息的PDR比固定值算法和Rawat算法分别提高了94％和27％，并且PCAC算法中的BSMs的PDR比固定值算法和Rawat算法分别提高了129％和11％。
图4（a）和图 4（b）分别显示了紧急消息和BSMs的PAD与节点数量的关系。从图中可以看出，当N增加时，仿真结果呈上升趋势。这是一个预期的行为，因为当N增加时，节点之间的竞争变得更加激烈。在固定值算法和Rawat算法都增大了两种类型消息的竞争窗口值，而PCAC算法中的紧急消息的重传次数增加，这将导致更高的PAD。从图4（a）可以看出，我们提出的PCAC算法的紧急信息PAD比固定值和Rawat算法的PAD更低。这是因为在PCAC算法中采用了零竞争窗口和minislot机制，并且可以保证抢占式优先级。因此，所提出的PCAC算法能够满足紧急消息的及时传输要求。同时，我们也注意到在PCAC算法中，紧急消息的抢占式优先级导致了BSMs的PAD比其他两种算法更高，如图4（b）所示。考虑到在安全相关应用中，紧急信息需要确保及时可靠的传输，而BSMs需要更高的吞吐量。因此，PCAC算法可以满足安全相关应用的要求。
如图5（a）所示，紧急消息的系统吞吐量随着节点数量的增加而增加。这是因为，相比于BSMs，紧急消息的数量更少，并且具有紧急消息的节点具有更小的竞争窗口（固定值算法和Rawat算法）或者零竞争窗口（PCAC算法）。因此，节点有更多的机会传输紧急消息。另一方面，PCAC算法中紧急消息的系统吞吐量要高于其他两种算法。例如，当N = 150时，PCAC算法中紧急消息的系统吞吐量分别比固定值算法和Rawat算法高出93％和26％。原因在于，PCAC算法中，带有紧急消息的节点可以动态调整传输功率，利用零竞争窗口，minislot和确认机制，从而保证紧急消息的及时可靠的传输。另一方面，从图5（b）中我们发现，由于BSMs在网络流量中占很大比例，在固定值算法和Rawat算法中，当节点数量增加时，信道经历从不饱和到饱和然后过饱和状态的过程，因此 吞吐量先增加然后减小。由于除了动态调整传输功率之外，PCAC算法还采用了粗调和微调的方法，因此PCAC算法中BSMs的系统吞吐量曲线大体保持上升趋势，且高于其他两种算法。当 N = 150时，与固定值算法和Rawat算法中的BSMs的系统吞吐量相比，PCAC算法中的BSMs的系统吞吐量分别提高了128％和10％。
以上内容是结合具体实施方式对本发明的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以提出若干简单的推理或替换，都应视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.车联网中面向安全应用的联合功率和竞争窗口的自适应控制算法，其特征在于，包括如下步骤：
1)一旦车辆驶入道路，对系统参数进行初始化，传输功率取最大值，竞争窗口取最小值，α＝0.25，其中，α是一个常数，依赖于交通流理论；
2)每辆车周期性的广播包含该车辆ID、12位序列号、运动状态的基本安全消息BSMs(Basic Safety Messages,BSMs)的数据包；
3)如果遇到紧急状况，每辆车就发送包含车辆ID、12位序列号、紧急消息的紧急消息数据包；
4)根据收到的BSMs数据包或者紧急消息数据包，车辆节点更新自身的邻居表，计算冲突率；
5)阶段一：传输功率调整：根据更新的邻居表，每辆车估计局部车辆密度，如果估计的局部车辆密度小于一个阈值或者是存在紧急消息，则调整传输范围为最大传输范围值；否则，进入下一步；
6)通过公式
Figure RE-FDA0001733293060000011
计算传输范围，其中TR是传输范围；L是道路段的长度，车辆在此路段上估计本地车辆密度；K是估计的局部车辆密度，估计K的公式是
Figure RE-FDA0001733293060000012
其中的AN代表给定车辆的当前传输范围之内的车辆的实际数目，TN是在当前给定车辆传输范围之内，道路上一共能容纳车辆的数目；
7)根据传输范围，查表获得相应的传输功率，进入下一步；
8)阶段二：竞争窗口调整：如果有紧急消息则采用零竞争窗口与minislot方法调整竞争窗口，中继节点转发紧急消息；否则根据冲突率采用粗调和细调相结合的方式调整BSMs的竞争窗口；
9)车辆每隔一定周期就返回步骤4)，根据收到的数据包，不断调整传输功率和竞争窗口。
2.如权利要求1所述的车联网中面向安全应用的联合功率和竞争窗口的自适应控制，其特征在于，所述步骤8)中的所述如果有紧急消息则采用零竞争窗口与minislot方法调整竞争窗口，具体包含以下步骤：
201)计算一个minislot的长度lm为:
Figure RE-FDA0001733293060000013
其中，
Figure RE-FDA0001733293060000014
代表在传输范围TR中最大的信号传播延迟，
Figure RE-FDA0001733293060000015
是无线电在接收模式与发送模式之间切换的切换延迟；
202)当发送节点检测到信道空闲lm时，采用零竞争窗口(不采用二进制截断指数方式退避)，并且随机从[0，cwm-1]中选择一个等待时间tm(lm≤tm≤TDIFS)，当时间到零时，就发送紧急消息，其中TDIFS和
Figure RE-FDA0001733293060000022
分别代表一个分布式帧间间隔(Distributed InterFrame Space,DIFS)的持续时间和向下取整函数。
3.如权利要求1所述的车联网中面向安全应用的联合功率和竞争窗口的自适应控制算法，其特征在于，所述步骤8)中的中继节点转发紧急消息包括以下步骤：
301)节点收到紧急消息，当节点在
Figure RE-FDA0001733293060000023
时间内没有收到其它节点转发此条紧急消息，成为中继者，转发此消息，其中d为接受者与发送者之间的距离，PThresh为接收阈值，Pr为接收信号功率，ω(ω[0,1])为权重因子，Tmax是允许的最大接入延迟间隔；
302)中继者转发紧急消息，对于发送节点来说是隐式确认，如果发送节点没有收到隐式确认并且紧急消息生命周期没有结束，就重新广播紧急消息；否则转权利要求1所述车联网中面向安全应用的联合功率和竞争窗口的自适应控制算法，其特征在于，所述步骤8)中的否则根据冲突率采用粗调和细调相结合的方式调整BSMs的竞争窗口。
4.如权利要求1所述的车联网中面向安全应用的联合功率和竞争窗口的自适应控制算法，其特征在于，所述步骤8)中的所述否则根据冲突率采用粗调和细调相结合的方式调整BSMs的竞争窗口具体包含以下步骤：
401)当根据邻居表计算的冲突率p大于阈值η2，则Wbc←min(2Wbc；Wmax)，其中Wmax为最大竞争窗口；否则转步骤402)；
402)如果冲突率p小于等于阈值η2且大于阈值η3，则Wbc←min(Wlx·(1+β)，Wmax)，其中β∈[0，1]；否则转步骤403)；
403)如果冲突率p小于等于阈值η3且大于等于阈值η4，则Wbc←max(Wmin，Wbc·(1-γ))，其中γ∈[0，1]；否则转步骤404)；
404)如果冲突率p小于阈值η4，则Wbc←max(Wmin，Wbc/2)。
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