曹文靜 李文強(qiáng) 韓慶田 徐勝紅

海軍航空工程學(xué)院控制工程系 山東 264001

0 引言

車用安全信息的分發(fā)是車載無線自組織網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要應(yīng)用類型。當(dāng)車輛檢測(cè)到和車輛安全相關(guān)的事件時(shí)，通常僅需要在小范圍內(nèi)廣播該安全信息，為鄰居節(jié)點(diǎn)提供各種緊急交通信息，以提醒鄰居車輛應(yīng)對(duì)可能的危險(xiǎn)狀況?；谲囕d無線自組織網(wǎng)絡(luò)的廣播協(xié)議按信息傳輸跳數(shù)可分為單跳和多跳廣播。對(duì)于車用安全信息的分發(fā)，采用單跳廣播就足夠了。

對(duì)于車用安全信息而言，由于安全信息本身的有效期比較短，而且，對(duì)于周圍的鄰居節(jié)點(diǎn)是非常重要的，因此，較長(zhǎng)的信息傳輸延時(shí)和較高的包丟失率是不可容忍的。如何使車輛及時(shí)接入信道，確保安全信息的及時(shí)可靠傳輸，是車用安全信息廣播需要解決的主要問題。為保證車輛可靠地接入信道，需要預(yù)約信道；為保證安全信息的可靠傳輸，需要實(shí)時(shí)指示信道的當(dāng)前使用狀況。在車用安全信息廣播中，預(yù)約信道機(jī)制和信道狀態(tài)指示機(jī)制是影響安全信息及時(shí)可靠傳輸?shù)年P(guān)鍵問題。

1 現(xiàn)有的信道預(yù)約和信道狀態(tài)指示機(jī)制

1.1 現(xiàn)有信道預(yù)約機(jī)制

目前，最主要的預(yù)約信道方式就是利用RTS/CTS握手機(jī)制預(yù)約信道。利用RTS/CTS握手機(jī)制預(yù)約信道就是在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，利用源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間交互較短的控制包RTS和CTS來預(yù)約信道。例如BSMA協(xié)議，在廣播數(shù)據(jù)包前，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS；對(duì)于每個(gè)接收到RTS的鄰居節(jié)點(diǎn)，若能夠接收數(shù)據(jù)，則回復(fù)CTS；若源節(jié)點(diǎn)接收到CTS，則發(fā)送廣播數(shù)據(jù)。

在廣播協(xié)議中，為了進(jìn)一步避免CTS之間的沖突，保證可靠地預(yù)約信道，可以將每個(gè)廣播看作多個(gè)利用 RTS/CTS預(yù)約信道的單播，這種協(xié)議包括BMW和BMMM協(xié)議。在這種協(xié)議中，為了依次與各個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)握手預(yù)約信道，源節(jié)點(diǎn)需要維護(hù)一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的列表。

對(duì)于車用安全信息廣播而言，利用RTS/CTS握手機(jī)制預(yù)約信道存在以下問題：

(1) 由于車輛之間相對(duì)位置的迅速變化，精確維護(hù)鄰居節(jié)點(diǎn)信息是比較困難的；

(2) 由于車輛之間相對(duì)位置的迅速變化，廣播源節(jié)點(diǎn)難以與所有接收節(jié)點(diǎn)之間完成完整的RTS/CTS握手，因此，難以可靠地預(yù)約信道；

(3) RTS/CTS握手不僅預(yù)約了源節(jié)點(diǎn)的一跳范圍的信道，也通過CTS通知了隱藏終端，因此，利用RTS/CTS預(yù)約信道的單跳廣播協(xié)議預(yù)約了源節(jié)點(diǎn)的兩跳范圍的信道。在車輛節(jié)點(diǎn)密度大的情況下，這會(huì)導(dǎo)致大量的節(jié)點(diǎn)等待接入信道，從而直接影響到接入信道的速度。

總之，利用RTS/CTS握手機(jī)制預(yù)約信道具有信道接入算法復(fù)雜、接入速度慢等缺點(diǎn)，難以保證車輛節(jié)點(diǎn)密集情況下的車用安全信息的有效廣播。

1.2 現(xiàn)有信道狀態(tài)指示機(jī)制

現(xiàn)有廣播方法主要利用忙音信號(hào)來指示廣播源節(jié)點(diǎn)兩跳范圍內(nèi)信道的使用情況。例如，為了減少隱藏終端，源節(jié)點(diǎn)在廣播數(shù)據(jù)包的同時(shí)發(fā)送大范圍的忙音，從而堵塞隱藏終端發(fā)送數(shù)據(jù)。

指示廣播源節(jié)點(diǎn)兩跳范圍內(nèi)的信道狀態(tài)，可以通知隱藏終端即將或正在進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸，從而避免隱藏終端發(fā)送數(shù)據(jù)導(dǎo)致的沖突，然而，在車輛節(jié)點(diǎn)密度大的情況下，大量的節(jié)點(diǎn)等待接入信道，這直接影響到接入信道的速度，從而難以保證車用安全信息的有效廣播。

2 一種利用忙音的單跳廣播協(xié)議

下面提出一種利用忙音，預(yù)約源節(jié)點(diǎn)一跳范圍信道、并指示源節(jié)點(diǎn)一跳范圍信道使用狀況的單跳廣播協(xié)議。在該協(xié)議中，發(fā)送器和接收器都是兩信道的：一個(gè)信道用于傳輸數(shù)據(jù)包，稱為數(shù)據(jù)信道；另一個(gè)信道用于傳輸忙音信號(hào)，稱為忙音信道。對(duì)于要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，首先檢測(cè)忙音信道，若忙音信道空閑，則在忙音信道上發(fā)送忙音一段時(shí)間來預(yù)約信道，一段時(shí)間后，若數(shù)據(jù)信道仍空閑，且未接收到來自其它節(jié)點(diǎn)的忙音信號(hào)，說明預(yù)約信道成功，則節(jié)點(diǎn)在發(fā)送忙音的同時(shí)，開始發(fā)送數(shù)據(jù)。

在任意節(jié)點(diǎn)上，該協(xié)議的運(yùn)行過程如圖1所示。

在圖1中，節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)為IDLE：

(1) 在IDLE狀態(tài)，偵聽數(shù)據(jù)信道和忙音信道的使用情況：

1) 若偵聽到數(shù)據(jù)信道忙，則節(jié)點(diǎn)狀態(tài)遷移至 RECEIVE狀態(tài)，開始接收數(shù)據(jù)；

2) 若偵聽到忙音信道忙，而數(shù)據(jù)信道閑，意味著本節(jié)點(diǎn)一跳范圍內(nèi)有其它節(jié)點(diǎn)在競(jìng)爭(zhēng)信道，則返回IDLE狀態(tài)，繼續(xù)偵聽數(shù)據(jù)信道和忙音信道的使用情況；

3) 若偵聽到數(shù)據(jù)信道閑，忙音信道閑，且本節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送，則遷移至CONTEND狀態(tài)，開始預(yù)約信道；

4) 若偵聽到數(shù)據(jù)信道閑，忙音信道閑，且本節(jié)點(diǎn)無數(shù)據(jù)發(fā)送，則返回IDLE狀態(tài)，繼續(xù)偵聽數(shù)據(jù)信道和忙音信道的使用情況。

(2) 在RECEIVE狀態(tài)，接收數(shù)據(jù)包，偵聽數(shù)據(jù)信道和忙音信道的使用情況，當(dāng)偵聽到數(shù)據(jù)信道閑，遷移至IDLE狀態(tài)。

(3) 在CONTEND狀態(tài)，在忙音信道發(fā)送忙音信號(hào)一段時(shí)間 t，同時(shí)通過接收器偵聽忙音信道上是否有來自其他節(jié)點(diǎn)的忙音信號(hào)：

1) 若在時(shí)間t內(nèi)通過接收器偵聽到來自其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和忙音信號(hào)，則終止本車輛的忙音發(fā)送，狀態(tài)遷移至RECEIVE狀態(tài)，開始接收數(shù)據(jù)；

2) 若在時(shí)間t內(nèi)通過接收器偵聽到來自其他節(jié)點(diǎn)的忙音信號(hào)，而沒有偵聽到來自其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，則終止本車輛的忙音發(fā)送，狀態(tài)遷移至IDLE狀態(tài)，繼續(xù)偵聽信道狀態(tài)。

3) 若在時(shí)間t內(nèi)通過接收器沒有偵聽到來自其他節(jié)點(diǎn)的忙音信號(hào)和數(shù)據(jù)，則成功預(yù)約了信道，狀態(tài)遷移至SENDDATA狀態(tài)，開始發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)發(fā)送忙音信號(hào)。

(4) 在 SENDDATA狀態(tài)，發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)發(fā)送忙音信號(hào)。發(fā)送數(shù)據(jù)完畢，則終止發(fā)送忙音信號(hào)，返回IDLE狀態(tài)。

圖1 協(xié)議運(yùn)行狀態(tài)遷移圖

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

為了驗(yàn)證本文提出的利用單跳廣播協(xié)議的性能，本實(shí)驗(yàn)在OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)上設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了如下三個(gè)協(xié)議：

(1) 協(xié)議1：無任何預(yù)約信道機(jī)制和信道狀態(tài)指示機(jī)制的廣播協(xié)議；

(2) 協(xié)議2：利用忙音，預(yù)約源節(jié)點(diǎn)一跳范圍信道、并指示源節(jié)點(diǎn)一跳范圍信道使用狀況的單跳廣播協(xié)議；

(3) 協(xié)議3：利用忙音預(yù)約源節(jié)點(diǎn)兩跳范圍信道、并指示源節(jié)點(diǎn)兩跳范圍信道使用狀況的單跳廣播協(xié)議。

為了評(píng)價(jià)協(xié)議的性能，本研究在實(shí)驗(yàn)中收集了如下的全局統(tǒng)計(jì)量：

(1) 端到端數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)：是指數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時(shí)刻與被成功接收到的時(shí)刻之間的時(shí)差；

(2) 平均接收節(jié)點(diǎn)的數(shù)目：是指平均成功接收到數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目。

為了研究以上三個(gè)協(xié)議在不同網(wǎng)絡(luò)配置下的性能，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一系列的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，如表1所示。在所有的場(chǎng)景中，設(shè)置車用安全信息長(zhǎng)度為 100bit，每個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的周期為1s，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信范圍為300米，即一跳距離為300米，所有的節(jié)點(diǎn)分布在寬50米、長(zhǎng)1200米的道路上。

表1 場(chǎng)景設(shè)置

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3和表2所示。

圖2 場(chǎng)景1—場(chǎng)景5的端到端數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)

如圖3和表2所示，在同樣的網(wǎng)絡(luò)配置下，若協(xié)議1、協(xié)議2、協(xié)議3的端到端數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)都達(dá)到穩(wěn)健，則三個(gè)協(xié)議的端到端數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)、接收節(jié)點(diǎn)的平均數(shù)目基本沒有區(qū)別。如圖2所示，和協(xié)議1和協(xié)議3相比，協(xié)議2的端到端數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)更穩(wěn)健。因此，本文提出的單跳廣播協(xié)議的端到端數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)更穩(wěn)健，而接收節(jié)點(diǎn)的平均數(shù)目并不比其它協(xié)議差，且仿真得到的具體結(jié)果值能夠滿足車用安全信息廣播的傳輸時(shí)延和可靠性需求。

圖3 場(chǎng)景6—場(chǎng)景11的端到端數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)

表2 接收節(jié)點(diǎn)的平均數(shù)目

4 結(jié)束語

本文研究了車用安全信息的單跳廣播協(xié)議，提出了一種利用忙音預(yù)約一跳信道和指示一跳信道狀態(tài)的單跳廣播協(xié)議。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文提出的單跳廣播協(xié)議適合分發(fā)車用安全信息。

[1]Ken Tang,Mario Gerla.Random Access MAC for Efficient Broadcast Support in Ad Hoc Networks.Proc.IEEE WCNC.2000.

[2]Ken Tang,Mario Gerla.MAC Reliable Broadcast in Ad Hoc Networks.Proc.IEEE MILCOM.2001.

[3]Min-Te Sun,Lifei Huang, Anish Arora, Ten-Hwang Lai.Reliable MAC Layer Multicast in IEEE 802.11 Wireless Networks.Proc.ICPP.2002.

[4]Toyserkani A.T..An Efficient Broadcast MAC Scheme for traffic safety applications in automotive networks. Wireless Communications and Networking Conference.2006.

[5]Wen Jing Cao, Sheng Hong Xu, Qing Tian Han, Wen Qiang Li.Simulation of a Dual Busy Tone Broadcasting MAC Protocol.ICIC 2012.