于衛(wèi)波，牛大偉，米志超，董 超

(解放軍理工大學通信工程學院 南京 210007)

無線通信技術的快速發(fā)展，最大程度地滿足了人們在任何時間、任何地點通信的需求，而各種需求的出現(xiàn)也推動了無線通信技術的進步。目前在行駛車輛上通信的需求日益增加，駕駛人員希望可以通過車載網絡獲取所在路段的交通信息、事故警報、路況信息，同時也希望實現(xiàn)車輛間的數(shù)據(jù)共享、游戲互聯(lián)、網絡接入等功能。車載網絡由于其面向的用戶眾多而具有廣闊的應用前景。車載網絡分為V2V(vehicle-to-vehicle)網 絡 和V2I(vehicle-toinfrastructure)網絡，其中V2V網絡具有不需要基礎設施，開設簡單的特點，在目前公共基礎設施欠缺的情況下，可以率先開展相應的業(yè)務，V2V網絡在目前的研究更具有實際意義。

WIFI技術作為目前主流的無線接入技術，已經走入人們生活的方方面面，文獻[1-2]中嘗試將其用于車載網絡，分析了802.11[3]在無線車載網絡中應用的可行性，并得到了肯定的結果。文獻[4]提出利用802.11協(xié)議構建車載通信網絡的方案(VANETs)。可以預見，將成熟的802.11技術應用于新興的車載網絡領域必將推動車載網絡的快速發(fā)展。

1 相關工作與研究動機

采用802.11 DCF協(xié)議的無線設備通過競爭的方式獲取對公共信道的訪問機會，由于單個無線設備只能有限地獲取網絡上其他設備的通信信息，802.11協(xié)議面臨著嚴重的公平性問題[5-6]，研究者在相關領域進行了大量的研究工作，其中早期的多數(shù)研究都是基于無線傳輸設備的物理載波偵聽范圍與數(shù)據(jù)的傳輸距離相等的假設，試圖通過調整擁塞窗口大小進而改變不同節(jié)點退避時間的方法解決公平性問題，這與實際設備的工作情況嚴重不符，大大限定了該類協(xié)議的應用范圍[5,7]。文獻[6]在物理載波偵聽范圍大于信息傳輸范圍的基礎上，提出了基于鏈路層流公平性的解決策略，分析了現(xiàn)有的公平性解決策略，認為導致這些策略不能很好工作的原因是現(xiàn)有的策略沒有在競爭流之間提供一定的同步機制。因此，當不公平性問題出現(xiàn)時，公平性策略不僅要增加弱勢節(jié)點的發(fā)送機會，而且要降低強勢節(jié)點的發(fā)送機會(采用為每個流建立一個限定輸入速率隊列的策略，當該隊列長度超過門限時，認為該流被擁塞，觸發(fā)該節(jié)點在短時間內發(fā)送大量的分組，引發(fā)競爭節(jié)點的沖突概率增加，從而讓出信道給被擁塞節(jié)點使用，但是由于導致?lián)砣脑虿]有消除，在過一段時間后該節(jié)點重新被阻塞，再一次進入上述同步過程)。文獻[6]中通過動態(tài)的擁塞-解除擁塞-再擁塞的過程來實現(xiàn)各個數(shù)據(jù)發(fā)送者之間的公平。文獻[8,11]基于實際物理信道環(huán)境提出了基于功率的控制方式，通過動態(tài)調整競爭流的公平性地位來達到動態(tài)公平性的方法。文獻[10]對基于CSMA/CA的MANET網絡的吞吐量與公平性進行了研究，但其各節(jié)點掌握全網拓撲的假設在現(xiàn)實中實用性不強。上述各方法都以基于周期性動態(tài)調整的方式實現(xiàn)無線設備間的長期公平性，即在一個比較長的時間段內，各個節(jié)點或者流之間實現(xiàn)了統(tǒng)計意義上的公平。而在V2V網絡的雙向車道會車[9]過程中，由于相向行駛的兩對車輛的速度很高，如圖1所示，流(a,b)與流(c,d)產生干擾的時間很短(一般在20 s左右)，此時短期公平性問題是網絡面臨的一個突出問題，如何解決短期公平性問題，是目前雙向路數(shù)據(jù)流競爭公平性所需著重研究的問題。

文獻[9]描述了雙向車道所面臨的公平性問題，圖1為雙向車道兩對正在通信的車輛會車，由于相互間信號的干擾會出現(xiàn)不公平問題。文獻[9]提出了通過調整數(shù)據(jù)包大小的方式改善公平性，但是文獻研究與仿真場景主要集中于圖1a所示兩個通信流為相向流的情況，即其中一個流的數(shù)據(jù)流向為a到b，另一個流的數(shù)據(jù)流向為d到c。而文獻[8]的研究表明更嚴重的公平性問題出現(xiàn)在圖1b所示的兩個同向流相遇的情況下，此時將出現(xiàn)1/0公平性問題。本文后續(xù)的仿真證明了文獻[8]的減小發(fā)送數(shù)據(jù)分組長度的方法并不能解決該場景下的公平性問題。

本文針對雙向路上的數(shù)據(jù)流競爭的公平性問題，參考文獻[8,11]中的功率控制思想，提出基于功率控制的雙向路數(shù)據(jù)競爭公平性解決方法，從根本上解決了該通信模式下的公平性問題。

圖1 雙向車數(shù)據(jù)通信示意圖

2 雙向車道公平性問題

利用文獻[6]所采用的方法分析圖1所示場景面臨的公平性問題。在兩個數(shù)據(jù)流的收發(fā)雙方信號不發(fā)生干擾的情況下，兩個通信流相互獨立，不會出現(xiàn)公平性問題。隨著車輛的繼續(xù)行駛，b車和c車進入相互的信號干擾范圍時，可能出現(xiàn)公平性問題。但是當兩車會車并逐漸遠離后，a車和d車間的信號不再相互干擾時，公平性問題將不再出現(xiàn)。

通過仿真分析兩個干擾流之間的距離與流間的公平性關系。本文仿真參考文獻[6]設置并考慮流間距離不等的情況，作出如下定義：約定各個節(jié)點的發(fā)送功率和接收門限相同，節(jié)點間的傳輸距離為Cd，載波偵聽距離為Id，ab間的鏈路長度為l(a,b)和cd間的鏈路長度為l(c,d)，為了更具有普遍性，取消了文獻[6]中l(wèi)(a,b)=l(c,d)的限制，l(a,b)、l(c,d)分別保持不變。定義兩個流間距離D為兩個流所涉及的4個節(jié)點間相距最遠的兩個節(jié)點之間的距離。按照兩個流之間的相互干擾情況，兩個流的相互位置關系需要經歷以下幾個階段：

1)D>l(a,b)+l(c,d)+Id時，兩個流間不存在干擾影響，不存在公平性問題。

2)l(a,b)+l(c,d)+Cd＜D＜l(a,b)+l(c,d)+Id時，兩個流間信號相互干擾，但是相互無法聽到彼此的RTS和CTS分組。

3)Cd＜D＜l(a,b)+l(c,d)+Cd時，兩個流間的信號相互干擾，可以正確接收另一個流的部分數(shù)據(jù)。

4) min(l(a,b),l(c,d))＜D＜Cd時，兩個流間的信號相互干擾，可以正確接收另一個流的全部未沖突數(shù)據(jù)。

階段4)后，可以認為兩個流的位置交換，重新按序進入階段4)、階段3)、階段2)和階段1)。

兩個流將隨著階段的不同表現(xiàn)出不同的公平性現(xiàn)象。下面通過仿真來分析不同階段的公平性情況。利用quanlnet 3.7進行仿真，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設置

假設兩個流都有足夠多的分組發(fā)送。分別進行數(shù)據(jù)傳輸方向同向(圖1b)和相向(圖1a)兩個場景的仿真，為了避免由于偶然因素影響仿真結果，每個仿真采用不同隨機數(shù)種子進行100次，然后取均值。同時，為了評價業(yè)務流分組長度對公平性的影響，分別取較長 分組長度(1 000 byte)和較短分組長度(100 byte)兩種情況進行仿真，比較各個流的吞吐量隨d的變化情況。仿真結果分別如圖2、圖3所示。

圖2 相向流公平性比較

首先比較圖中不同分組長度的兩個流，可以發(fā)現(xiàn)，無論是在相向流環(huán)境還是同向流環(huán)境中，兩個流的公平性關系都沒有因流所發(fā)送的分組長度不同而變化。分析802.11 DCF協(xié)議可以知道，分組的沖突概率、回退情況都不會因分組的長度而改變，也不會對公平性帶來本質的影響，文獻[9]中的仿真結果出現(xiàn)的原因是由于仿真的隨機性因素，當分組短時，單位時間內發(fā)送的分組數(shù)多，在統(tǒng)計上就更加地接近真值的原因。

圖3 同向流公平性比較

從圖2中可以看出，當兩個相遇流的數(shù)據(jù)流向為相向情況時，無論處于哪一個階段，兩個數(shù)據(jù)流的發(fā)送都不會出現(xiàn)不公平性問題。而圖3中，當兩個相遇流同向時，在階段1)、階段3)和階段4)都不存在不公平性問題，稱階段2)為不公平性階段。根據(jù)圖3所示，不公平階段又分為兩個部分。

在階段2)-1)中，l(a,b)占有絕對優(yōu)勢，階段2)-2)中l(wèi)(c,d)占有絕對優(yōu)勢，這也是文獻[8]中所提及的1/0公平性問題。分析階段2)中兩個流間相互的干擾情況，可以看到，由于此時D大于信號的發(fā)送距離，兩個流之間的節(jié)點無法監(jiān)聽到對方發(fā)送的分組，文獻[9]中所采用在RTS中攜帶信息通知對方調整數(shù)據(jù)長度的手段，在該階段將無法收到效果。該文獻的仿真中也證實了在兩個流的相互距離處于階段2)情況下，流之間的公平性問題并沒有解決。

3 雙向車道公平性解決策略

從仿真中可了解，在非階段2)情況下無論是同向流還是相向流都不會出現(xiàn)公平性問題，將階段1)～階段4)分為兩種情況，其中階段1)中兩個流相互獨立，互不干擾，兩個流都將達到100%的信道利用率。而階段2)～階段4)中兩個流競爭共享信道，但不存在公平性問題，每個流占用接近50%的信道利用率。由上述分析可知，最好的公平解決策略是將階段2)的情況調整為階段1)，以在解決公平性問題的基礎上，獲得最大的信道利用率。階段2)作為唯一會出現(xiàn)公平性問題的場景，減小D則進入階段3)，增加D則進入階段1)。但由于D為空間距離，車輛在行駛時只能連續(xù)通過該部分距離，而802.11網卡的傳輸距離和干擾距離是兩個功率相關的值，在網卡接收功率和偵聽門限固定的情況下，可以通過調整網卡的發(fā)送功率來改變D與Cd和Id的關系。降低發(fā)送功率將導致進入階段1)，增加發(fā)送功率將導致進入階段3)和階段4)。

如圖1所示，兩個流從相遇到離開，需要經歷從階段1)到階段4)，再從階段4)到階段1)的過程，其中階段1)到階段4)是一個d值不斷減小的過程，而從階段4)到階段1)則是D值逐漸增加的過程。當D值不斷減小時不能采用降低功率進入階段1)的策略，否則為了保持兩個流的位置關系處于階段1)，需要隨著D的減小持續(xù)減小發(fā)送功率，引起Cd降低過多，出現(xiàn)Cd< min (l(a,b),l(c,d))，導致通信中斷。而在D值增加的情況下，由于D的最大值沒有上限，不能采用增加功率的方法將兩個流的位置關系保持在后3個階段。因此為了解決雙向車道通信的公平性問題，在兩個流逼近時采用增大發(fā)送功率到Pmax的策略，在兩個流分離時采用減小發(fā)送功率到Pmin的策略。下面討論功率的調整方法。

3.1 功率調整方法

仿真表明相向流不存在公平性問題，以下討論均基于同向流。假定調整前發(fā)送功率Porig，對應的傳輸距離為Cdorig，干擾距離為Idorig；Pmax對應的傳輸距離為Cdmax；Pmin對應的干擾距離為Idmin。第一次功率調整時的距離臨界點為：

式中，Pt為發(fā)送功率；Pr為接收功率；Gt和Gr分別為發(fā)送增益和接收增益；hb和hm分別為發(fā)送天線和接收天線高度；cd為收發(fā)節(jié)點間距離。本文希望在通過調整Pt來實現(xiàn)增大傳輸距離的前提下，接收功率不變。因此有：

3.2 功率調整工作過程

每個車載網卡設置Pmin和Pmax兩個功率值，在兩個流獨立通信情況下，采用Pmin作為發(fā)送功率，當某個發(fā)送節(jié)點發(fā)現(xiàn)本節(jié)點接收到大量分組(成功完成RTS-CTS-DATA-ACK交互)，而本節(jié)點分組幾乎無法獲得發(fā)送機會時(發(fā)送RTS后無法收到CTS應答)，確定本節(jié)點受到了1/0干擾，此時節(jié)點調整本節(jié)點發(fā)送功率為Pmax。

下面以圖1b為例，說明功率調整工作步驟：

1) 節(jié)點a首先發(fā)現(xiàn)本節(jié)點進入阻塞狀態(tài)，調整本節(jié)點發(fā)送功率為Pmax，為了避免公平性震蕩，節(jié)點a通過顯式或者隱式通知方式，通知節(jié)點b調整發(fā)送功率為Pmax。

2) 節(jié)點a的干擾距離增加將對流cd的發(fā)送速率造成影響，造成節(jié)點c的發(fā)送速率下降，從而觸發(fā)節(jié)點c啟動功率調整過程，增加本節(jié)點發(fā)送功率為Pmax，實現(xiàn)兩個流的公平傳輸。節(jié)點c也采用顯式或者隱式通知方式，通知節(jié)點d調整發(fā)送功率為Pmax。

顯式通知方式：在發(fā)送節(jié)點調整功率后發(fā)送RTS分組給接收節(jié)點，其中攜帶功率調整信息，指示接收節(jié)點同步增加發(fā)送功率。

隱式通知方式：接收節(jié)點檢測本節(jié)點的接收功率變化，當檢測到接收功率劇烈增加時觸發(fā)本節(jié)點增加功率，當檢測到接收功率劇烈下降時觸發(fā)本節(jié)點降低功率。該種實現(xiàn)方式不需要修改現(xiàn)有802.11協(xié)議，具有較好的可實現(xiàn)性。如步驟1)中，當節(jié)點b監(jiān)測到來自節(jié)點a的接收功率驟然增加，則同步增加本節(jié)點發(fā)送功率。

3) 當兩個流量完成錯車后逐漸駛離時，兩個流的發(fā)送節(jié)點逐漸遠離，兩個流的位置關系又會由階段4)到階段3)，直至進入階段2)，重新出現(xiàn)不公平情況，此時由于兩個流的發(fā)送速率都會發(fā)生劇烈變化，觸發(fā)兩個流的發(fā)送節(jié)點發(fā)起功率縮小過程，恢復原來的功率Pmin進行通信。然后采用顯式或隱式通知方式觸發(fā)接收節(jié)點降低發(fā)送功率。

4 性能評估

針對圖1b場景采用功率調整策略進行仿真，表1中其他參數(shù)不變，動態(tài)調整傳輸距離和干擾距離，為了驗證該調整策略與分組長度的相關性，仍然對短分組(100 byte)和長分組(1 000 byte)兩種情況進行仿真，結果如圖4所示。

圖4 同向流功率調整策略公平性比較

仿真結果表明：通過功率調整策略，兩個相遇數(shù)據(jù)流跨越了階段2)，從而避開了公平性問題出現(xiàn)的場景，從仿真的吞吐量結果可以看到，在兩個流相互競爭的情況下基本實現(xiàn)了每個流占用信道容量的50%，即基本上保證了最高的信道利用率。但是增加功率必然帶來更多的功率消耗，尤其在車載網絡中采用Two-ray的4次方衰減模型，通信距離增加將導致功率的劇烈增加，以干擾距離為550 m，傳輸距離為250 m計算，為了實現(xiàn)干擾距離的增加以滿足階段跨越要求，需要將功率增加到最小值的16倍，這可能導致功率調整不易實現(xiàn)，可以考慮采用結合調整天線高度的方法以降低功率調整的幅度，若天線高度同時增加1倍，則功率只增加到原來的4倍就可以實現(xiàn)干擾距離的調整。

5 總 結

將IEEE802.11 DCF應用于車載網絡，雙向路上同向流間在競爭信道時將面臨嚴重的公平性問題。仿真結果表明該不公平性將只在兩個數(shù)據(jù)流相互位置關系特定的情況下出現(xiàn)，本文在不修改802.11DCF協(xié)議實現(xiàn)的基礎上提出功率調整的公平性解決策略。通過調整無線網卡的發(fā)送功率解決了該場景的公平性問題。仿真表明該策略不僅保證了兩個流之間的公平性，同時實現(xiàn)了較高的信道利用率。

該方案的不足之處是，為了實現(xiàn)公平性策略將大大增加網卡的功率消耗，但由于研究的對象為車載網絡，供電還不是一個突出的問題。

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