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        基于時分復(fù)用的車載自組織網(wǎng)多信道MAC協(xié)議

        2014-05-04 08:06:12王晨夢趙云鵬
        關(guān)鍵詞:時隙吞吐量個數(shù)

        王晨夢,趙云鵬,唐 倫

        (1.重慶郵電大學(xué) 移動通信技術(shù)重慶市市級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400065;2.中國人民解放軍海軍工程大學(xué) 勤務(wù)學(xué)院,天津300000)

        0 引 言

        車載自組網(wǎng)基于IEEE 802.11p[1]標(biāo)準(zhǔn),采用專用短距離通信 (DSRC)技術(shù)。根據(jù)其中的多信道操作標(biāo)準(zhǔn)IEEE1609.4[2],時間以100ms為一個周期,前50ms為控制周期,后50ms為數(shù)據(jù)周期。在控制周期所有數(shù)據(jù)信道都空閑,資源浪費(fèi)。另外,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時,在同一時間有很多節(jié)點(diǎn)競爭控制信道,碰撞概率很高。本文針對這兩個問題,提出相適應(yīng)的機(jī)制,試圖充分利用信道資源,降低碰撞概率。每個節(jié)點(diǎn)使用兩部收發(fā)機(jī),其中一部持續(xù)工作在數(shù)據(jù)信道,杜絕數(shù)據(jù)信道空閑。為降低碰撞概率,使用節(jié)點(diǎn)分時段接入控制信道的機(jī)制。另外,使用一個優(yōu)化模型確定退避過程參數(shù)以達(dá)到最大的飽和吞吐量。

        與此相關(guān)的工作:文獻(xiàn) [3]提出的協(xié)議將信息分為兩個優(yōu)先級,使用馬爾可夫模型求取合適的發(fā)送概率。文獻(xiàn)[4]提出的VCI協(xié)議使用自己的多信道協(xié)調(diào)機(jī)制,并且動態(tài)調(diào)整控制周期和數(shù)據(jù)周期的長度,來實(shí)現(xiàn)安全信息包的及時交付并支持吞吐量敏感的服務(wù)信息的傳送。文獻(xiàn) [5]提出一種自適應(yīng)動態(tài)調(diào)整傳輸功率和競爭窗口長度的多信道MAC協(xié)議。文獻(xiàn) [6]提出一種根據(jù)節(jié)點(diǎn)密度控制競爭窗口長度以提高各類信息吞吐量的方法。文獻(xiàn) [7]提出一種適用于大規(guī)模車載自組織網(wǎng)的多信道MAC協(xié)議。該協(xié)議也使用時分復(fù)用的思想解決控制信道擁塞的問題,但具體方案與本文提出的協(xié)議不同。

        1 協(xié)議描述

        頻譜被劃分為7條信道,1條為控制信道,6條為數(shù)據(jù)信道。每個節(jié)點(diǎn)使用2部收發(fā)機(jī)。一部工作在控制信道,另一部在各服務(wù)信道間切換,負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)包。在控制信道上劃分周期,以100ms為一個周期,每周期均分為5個時隙;服務(wù)信道不劃分周期,持續(xù)傳送服務(wù)信息。

        安全信息只在控制信道上傳輸,因?yàn)樵谌我粫r刻,每個節(jié)點(diǎn)都有一部收發(fā)機(jī)在監(jiān)聽著控制信道,這樣可以保證安全信息的可靠交付??刂菩诺肋€傳輸服務(wù)聲明信息(WSA),WSA是服務(wù)提供者用來聲明自己將要發(fā)送的服務(wù)的信令。WSA包含服務(wù)提供者的ID,發(fā)送服務(wù)信息所使用的服務(wù)信道的ID和發(fā)送該服務(wù)信息的起止時間。每個節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個網(wǎng)絡(luò)分配矢量 (NAV),用來記錄各服務(wù)信道和鄰節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài),根據(jù)自己接收到的WSA實(shí)時更新NAV。當(dāng)某個節(jié)點(diǎn)要發(fā)布服務(wù)信息時,根據(jù)自己的NAV選擇不會發(fā)生沖突的信道。需要服務(wù)的節(jié)點(diǎn)回復(fù)ACK,并將另一部收發(fā)機(jī)轉(zhuǎn)到相應(yīng)服務(wù)信道去準(zhǔn)備接收服務(wù)包。源節(jié)點(diǎn)收到后立即將另一部收發(fā)機(jī)轉(zhuǎn)到相應(yīng)服務(wù)信道去發(fā)送服務(wù)信息。下文將說明控制信道的接入方法。

        每個節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后,隨機(jī)地在5個時隙中選擇一個,作為自己的接入時隙。當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要遞交服務(wù)信息時,先檢查當(dāng)前時間是否處于自己的接入時隙內(nèi),若是,則競爭信道以發(fā)送WSA,若不是,就等待下一個自己的接入時隙到來。這種機(jī)制可以將攜帶服務(wù)信息的節(jié)點(diǎn)大致平均地在時間上分開,減少同一時間參與競爭的節(jié)點(diǎn)數(shù),降低沖突概率。為了保證安全信息的可靠高速交付,節(jié)點(diǎn)攜帶安全信息時,不受時隙的約束,隨時競爭信道以發(fā)送。這樣,在任一時刻,與安全信息同時競爭信道的服務(wù)信息會減少很多,有利于安全信息的低時延交付。圖1是協(xié)議運(yùn)行機(jī)制示意圖。

        圖1 協(xié)議運(yùn)行過程

        網(wǎng)絡(luò)中安全信息的優(yōu)先級高于服務(wù)信息,安全信息的相對優(yōu)勢體現(xiàn)在下面兩方面:①安全信息可以隨時競爭控制信道,而服務(wù)信息只有1/5的時間可以競爭控制信道;②安全信息在與服務(wù)信息同時競爭信道的時候,退避窗口較短,因而有較短的平均退避時間。

        2 求解最優(yōu)發(fā)送概率

        使用一個優(yōu)化模型,確定安全信息和服務(wù)信息的最優(yōu)發(fā)送概率,進(jìn)而反解出兩種信息的最優(yōu)退避窗口長度 (即退避過程參數(shù))。

        為了使用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行分析,我們做出如下規(guī)定和假設(shè):

        (1)時間線被分為一個個等長的時間槽,每個槽長20us。

        (2)分析網(wǎng)絡(luò)負(fù)載飽和的情況,即在任一時刻,所有節(jié)點(diǎn)的發(fā)送隊(duì)列不為空。

        (3)設(shè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)總數(shù)為N,攜帶安全信息的車輛數(shù)為N1,攜帶WSA的車輛數(shù)為N2,N=N1+N2。

        2.1 包發(fā)送概率計(jì)算

        文獻(xiàn) [8]建立了一個馬爾可夫模型來模擬節(jié)點(diǎn)使用二進(jìn)制退避算法競爭控制信道的過程,并根據(jù)這個模型計(jì)算出節(jié)點(diǎn)在任一時間槽發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率p

        式中:pc——發(fā)生碰撞的概率,W ——最小退避窗口長度,W =W0,m——最高退避級別,令m=5。

        根據(jù)式 (1),可以得到攜帶安全信息的車輛在任一個時間槽發(fā)送安全信息的概率p1,攜帶WSA的車輛在任一時間槽發(fā)送WSA的概率p2

        式中:pc1——節(jié)點(diǎn)傳輸安全信息時因碰撞而失敗的概率,pc2——節(jié)點(diǎn)傳輸WSA時因碰撞而失敗的概率;W1——安全信息的最小退避窗口,W2——WSA的最小退避窗口;m=5。

        2.2 吞吐量計(jì)算

        下面計(jì)算系統(tǒng)飽和狀態(tài)下的有效吞吐量S,如下所示[9]

        式中:S1、S2——控制信道上安全信息的吞吐量和數(shù)據(jù)信道上服務(wù)信息的吞吐量。

        計(jì)算S1

        式中:C——一條信道的信道容量,ρ1——信道利用率

        式中:Nsafe——在一個接入時隙內(nèi)傳輸?shù)陌踩畔€數(shù),Tsafe——發(fā)送一條安全信息所需占用的時間槽個數(shù),T——一個接入時隙所包含的時間槽個數(shù),則一個周期包含的時間槽數(shù)為5T

        式中:i——一個接入時隙內(nèi)可能發(fā)送的安全信息個數(shù),pi——發(fā)送相應(yīng)個數(shù)的安全信息的概率。

        令TWSA代表發(fā)送一條WSA所占用的時間槽個數(shù),TWSA=TWSA-pct+TACK+TSIFS,有理由認(rèn)為TWSA>Tsafe,那么,令

        使用遞歸法求解pi:使得

        以上概率可以使用下面的遞歸關(guān)系求解

        初始條件

        式中

        式 (10)是一個節(jié)點(diǎn)在任一時間槽成功發(fā)送一條安全信息的概率。

        計(jì)算S2

        式中:ρ2——每條數(shù)據(jù)信道的利用率,C——每條信道的數(shù)據(jù)容量。

        使用NWSA代表一個接入時隙內(nèi)成功發(fā)送的WSA個數(shù),使用上面計(jì)算E [Nsafe]的方法計(jì)算E [NWSA]

        使得

        初始條件

        式中

        式 (16)是一個節(jié)點(diǎn)在任一時間槽成功發(fā)送一條WSA的概率。

        那么,在一個周期內(nèi)成功發(fā)起的服務(wù)信息傳輸?shù)膫€數(shù)應(yīng)為:5·E [NWSA] ,認(rèn)為這些傳輸均勻地分布在6條數(shù)據(jù)信道上,則每條信道分配到l或l+1個傳輸,l=設(shè)S條信道分配到l個,(6-S)條信道分配到l+1個。注意到,雖然數(shù)據(jù)信道上的服務(wù)包傳輸不受周期的嚴(yán)格限制,但是信道協(xié)商時需要考慮信道占用時間,不能認(rèn)為信道有無限長的可接入時間。因此,在吞吐量計(jì)算中按一個周期考慮信道的可接入時間,那么

        式中,Tser=服務(wù)包包長+TSIFS+TACK。

        2.3 優(yōu)化模型

        本協(xié)議試圖通過調(diào)整發(fā)送概率p1和p2來達(dá)到最大飽和吞吐量。因此研究了信息的發(fā)送概率對系統(tǒng)飽和吞吐量的影響。選取固定的節(jié)點(diǎn)個數(shù)N1=15,N2=15,讓兩種信息的發(fā)送概率同時變化,得到如圖2所示的吞吐量特性曲線。

        圖2 飽和吞吐量隨發(fā)送概率變化

        如圖2所示,隨著發(fā)送概率增加,系統(tǒng)飽和吞吐量先增大后減小。這是因?yàn)榘l(fā)送概率較低時,雖然碰撞率較低,但攜帶信息的節(jié)點(diǎn)在發(fā)送前要等待一段漫長的退避時間,雖然有信息等待交付,信道卻出現(xiàn)大段空閑時間,信道利用率低,造成吞吐量較低;當(dāng)發(fā)送概率較高時,雖然信道很少出現(xiàn)空閑,但由于同一時間爭用信道的節(jié)點(diǎn)過多,碰撞概率較高,節(jié)點(diǎn)往往需要經(jīng)歷多次碰撞造成的發(fā)送失敗,進(jìn)行多次退避才能成功發(fā)送一條消息,這造成信息成功交付率低,系統(tǒng)吞吐量下降。

        由以上分析可以知道,飽和吞吐量最大值在一個折中的發(fā)送概率處取得。因此提出下面的優(yōu)化模型求解發(fā)送概率,以期得到最大吞吐量

        約束條件表示,安全信息的優(yōu)先級應(yīng)高于WSA,即p1大于p2。

        使用迭代法求解此優(yōu)化模型:

        按優(yōu)化模型解出最優(yōu)發(fā)送概率之后,就可以代回式(2)反解出最小退避窗口長度。所以求解發(fā)送概率的實(shí)質(zhì)就是求解退避過程參數(shù)。

        網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)個數(shù)不同時,相應(yīng)退避窗口長度也不同。對各種節(jié)點(diǎn)個數(shù)的情況使用此模型計(jì)算發(fā)送概率和退避窗口長度,并使用列表記錄下來,根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)個數(shù)動態(tài)變化,就可以使網(wǎng)絡(luò)總是保持吞吐量最大狀態(tài)。

        3 仿 真

        這部分對協(xié)議的性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真中系統(tǒng)參數(shù)見表1。

        表1 仿真系統(tǒng)參數(shù)[10]

        使用優(yōu)化模型計(jì)算得到的發(fā)送概率如圖3所示。

        圖3顯示,當(dāng)節(jié)點(diǎn)個數(shù)增加時,兩種信息的發(fā)送概率均降低,表示節(jié)點(diǎn)個數(shù)增多時,為了保證碰撞概率維持在較低水平,每個節(jié)點(diǎn)退避的平均時間變長,參與信道競爭的頻率降低。

        圖4描述的是發(fā)送兩種消息產(chǎn)生碰撞的概率隨節(jié)點(diǎn)個數(shù)變化的情況。節(jié)點(diǎn)個數(shù)增多,同一時間參與信道競爭的節(jié)點(diǎn)就增多,雖然各節(jié)點(diǎn)發(fā)送概率降低,碰撞概率仍呈現(xiàn)整體上升的趨勢。但是在曲線的后面部分,碰撞概率能基本保持穩(wěn)定,緩慢上升,沒有急劇增加的情況出現(xiàn)。圖5和圖6顯示了使用最優(yōu)退避窗口的協(xié)議的吞吐量和時延性能。兩圖的圖例中,a代表本協(xié)議,b代表不使用時分復(fù)用機(jī)制的協(xié)議,c代表不使用競爭窗口動態(tài)調(diào)整機(jī)制的協(xié)議,d代表兩種機(jī)制都不使用的協(xié)議。

        圖3 兩種信息的發(fā)送概率隨節(jié)點(diǎn)個數(shù)變化

        圖4 兩種信息的碰撞概率隨節(jié)點(diǎn)個數(shù)變化

        圖5顯示,與IEEE1609.4標(biāo)準(zhǔn)相比,本協(xié)議的飽和吞吐量大為提高,且隨節(jié)點(diǎn)個數(shù)增加緩慢下降,基本保持穩(wěn)定。吞吐量高是本協(xié)議的一個突出優(yōu)勢,主要原因在于,使用兩部收發(fā)機(jī),數(shù)據(jù)信道能夠持續(xù)工作;另外,時分復(fù)用機(jī)制使碰撞概率降低,有效數(shù)據(jù)通過量增加;最后,協(xié)議使用最大化吞吐量的模型來確定兩種信息的發(fā)送概率,也對吞吐量的提高做出了貢獻(xiàn)。由圖5還可以看出,沒有時分復(fù)用機(jī)制的時候,高碰撞概率使吞吐量下降一定程度;沒有競爭窗口動態(tài)調(diào)整機(jī)制的時候,固定長度的競爭窗口不能適應(yīng)變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,也降低了吞吐量性能。

        圖5 吞吐量性能

        圖6 時延性能

        圖6顯示,隨節(jié)點(diǎn)個數(shù)增加,協(xié)議的安全信息時延緩慢上升,基本保持穩(wěn)定。由于時分復(fù)用機(jī)制降低了碰撞概率,而安全信息又不受時分復(fù)用機(jī)制的約束,所以本協(xié)議的安全信息時延低于IEEE 1609.4標(biāo)準(zhǔn)的時延。當(dāng)然,這是以服務(wù)信息時延的提高作為代價的。因?yàn)閰f(xié)議使用的是最大化吞吐量的優(yōu)化模型,所以本協(xié)議的安全信息時延并不是最低的。圖6中時延最低的是不使用競爭窗口動態(tài)調(diào)整機(jī)制,但使用時分復(fù)用機(jī)制的協(xié)議。

        4 結(jié)束語

        本文提出一種使用時分復(fù)用機(jī)制的多信道MAC協(xié)議。節(jié)點(diǎn)分時段接入控制信道,這種機(jī)制使同一時間競爭信道的節(jié)點(diǎn)數(shù)目減少,碰撞概率降低,網(wǎng)絡(luò)效率提高。之后又提出一個優(yōu)化模型,該模型以最大化飽和吞吐量為目的,求解兩種信息的最優(yōu)發(fā)送概率,根據(jù)發(fā)送概率計(jì)算競爭窗口長度值,并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況動態(tài)變化,使網(wǎng)絡(luò)保持在吞吐量最大的狀態(tài)。仿真結(jié)果顯示,在各種網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況下,協(xié)議具有優(yōu)良的吞吐量性能,并且具有穩(wěn)定的、較低的安全信息時延。

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