陳 振 韓江洪

(1合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,合肥230009)(2安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)部,合肥230601)

車載自組網(wǎng)中基于分布式TDMA的協(xié)作數(shù)據(jù)重發(fā)方法

陳 振1,2韓江洪1

(1合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,合肥230009)(2安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)部,合肥230601)

為進(jìn)一步利用車載自組網(wǎng)中分布式TDMA的節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)隙資源,提出了一種分布式協(xié)作數(shù)據(jù)重發(fā)方法,即協(xié)作分布式TDMA (cooperative distributed TDMA,Co-DTDMA)方法.利用無線信道的廣播特性與分布式TDMA的信道訪問確定方式,Co-DTDMA中的信息交互過程能夠以一種有序和確定的方式進(jìn)行,在節(jié)點(diǎn)未成功發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),附近的鄰居節(jié)點(diǎn)利用自身空閑時(shí)隙進(jìn)行協(xié)作數(shù)據(jù)重發(fā),從而在不影響正常數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)情形下,傳輸失敗的數(shù)據(jù)擁有更多的發(fā)送機(jī)會.上述協(xié)作重發(fā)不依賴于中心節(jié)點(diǎn),以分布式方式執(zhí)行,因而適應(yīng)車載自組網(wǎng)的應(yīng)用場合.理論分析與仿真結(jié)果表明,Co-DTDMA顯著提高了數(shù)據(jù)包發(fā)送成功概率,降低了數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延和丟包率,顯著提高了網(wǎng)絡(luò)可靠性.

移動自組網(wǎng);車載自組網(wǎng);時(shí)分多址;可靠性

作為移動自組網(wǎng)(mobile ad hoc networks，MANET)的一種新應(yīng)用，車載自組網(wǎng)(vehicular ad hoc networks，VANET)吸引了人們越來越多的關(guān)注.VANET是智能交通不可或缺的重要基礎(chǔ)，能夠應(yīng)用于道路安全、交通優(yōu)化、信息服務(wù)、車載娛樂等多個(gè)領(lǐng)域[1].

由于交通事故給人類的生命安全和社會財(cái)富造成了巨大威脅，對VANET在安全方面的應(yīng)用需求顯得尤為迫切.由于以競爭方式訪問信道，車載通信中的IEEE 802.11p協(xié)議無法保證VANET安全應(yīng)用信息及時(shí)可靠地傳輸[2-3].此外,該協(xié)議還會產(chǎn)生“信息碰撞”問題,不能對廣播的安全信息進(jìn)行確認(rèn)等[4].鑒于競爭型MAC協(xié)議的諸多問題,近年來人們一直在積極探索研究VANET中的無競爭型MAC協(xié)議[5].由于CDMA比較適合于有中心基站的應(yīng)用情況,對于無中心、節(jié)點(diǎn)快速移動的VANET場合并不適用[6],考慮到VANET中的通信內(nèi)容和要求,針對VANET場合的分布式TDMA(distributed TDMA)獲得了廣泛關(guān)注[7-11].分布式TDMA不但能夠及時(shí)穩(wěn)定地傳輸VANET安全應(yīng)用信息,而且相對于IEEE 802.11p,該協(xié)議在信道利用率、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和信道訪問公平性等方面均獲得了較好性能[8-9].

然而,考慮到車輛高速移動,以及車輛或路旁建筑物對無線信號的阻擋等因素,相對于一般的通信環(huán)境,車載環(huán)境下的無線通信更不可靠[12].在上述分布式TDMA中,由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)占時(shí)隙,如果節(jié)點(diǎn)在自身時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)失敗,即使其他節(jié)點(diǎn)時(shí)隙空閑,它也只能在以后的自身時(shí)隙內(nèi)重發(fā)數(shù)據(jù).顯然,上述分布式TDMA未能充分利用信道資源,且不能避免由于信道質(zhì)量差所導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)可靠性差問題.

近年來,協(xié)作通信在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界引起了廣泛關(guān)注,這種方式利用了無線信道的廣播特性,能夠有效地修復(fù)信道并提高網(wǎng)絡(luò)可靠性[13].文獻(xiàn)[14-16]提出了相關(guān)TDMA協(xié)作通信方法,但它們都是基于有中心節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用場合,且這些方法都未考慮再利用分布式TDMA的節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)隙資源.為此,本文基于分布式TDMA提出一種協(xié)作分布式TDMA (cooperative distributed TDMA,Co-DTDMA)方法,通過再利用節(jié)點(diǎn)自身空閑TDMA時(shí)隙進(jìn)行協(xié)作通信以提高VANET中的通信可靠性.不同于已有的基于中心節(jié)點(diǎn)的TDMA協(xié)作通信方法,Co-DTDMA所有操作都以分布式方式進(jìn)行,不依賴中心節(jié)點(diǎn),因而適合用于VANET場合.

1 網(wǎng)絡(luò)模型

參考相關(guān)VANET文獻(xiàn)和汽車工業(yè)發(fā)展趨勢,本文作如下假設(shè):

1) 車輛都裝有GPS和導(dǎo)航系統(tǒng),不同車輛可借助GPS脈沖信號實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步.

2) 基于高速公路場景或一維空間公路進(jìn)行研究,且車輛在公路上服從泊松分布[3-4].設(shè)車輛平均密度為β,長度為l的公路上有n輛車的概率為

(1)

3) 用單位圓盤模型表示信道[3-4].設(shè)所有車輛的無線一跳傳輸距離為r.在一跳傳輸距離內(nèi)，它們之間能夠成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率為p(不考慮信息碰撞)，否則不能夠直接通信.

4) 如圖1所示，在源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送數(shù)據(jù)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D時(shí)，附近的其他節(jié)點(diǎn)也能成功接收S數(shù)據(jù)，如果S到D的數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，附近的其他節(jié)點(diǎn)(如節(jié)點(diǎn)H2)可以嘗試協(xié)作重發(fā)S數(shù)據(jù).

圖1 節(jié)點(diǎn)H2協(xié)作重發(fā)源節(jié)點(diǎn)S數(shù)據(jù)

2 利用節(jié)點(diǎn)自身空閑時(shí)隙協(xié)作重發(fā)數(shù)據(jù)

2.1 信道訪問

在分布式TDMA中,由于不存在中心節(jié)點(diǎn),各個(gè)節(jié)點(diǎn)需要交換時(shí)隙分配信息來請求確定自身時(shí)隙[7-11].每個(gè)節(jié)點(diǎn)在自身包頭中都包含了幀信息(frame information,FI)域[8].設(shè)每幀的時(shí)隙數(shù)為F,則FI實(shí)際上含有F個(gè)入口的向量,對應(yīng)了節(jié)點(diǎn)所監(jiān)聽到的F個(gè)時(shí)隙狀態(tài).每個(gè)時(shí)隙只有Busy和Free狀態(tài):當(dāng)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)正確接收數(shù)據(jù)包,則在自身包頭的FI域中將該時(shí)隙標(biāo)注為Busy狀態(tài),否則標(biāo)注為Free狀態(tài).如果時(shí)隙為Busy狀態(tài),FI還包含在該時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包的源節(jié)點(diǎn)標(biāo)識.參考文獻(xiàn)[8],每個(gè)節(jié)點(diǎn)都采用ID號來標(biāo)識.在分布式TDMA中,即使節(jié)點(diǎn)在自身時(shí)隙內(nèi)不發(fā)送實(shí)際業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),也要發(fā)送實(shí)際業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)為空的虛擬數(shù)據(jù)包(dummy packet),以便和其他節(jié)點(diǎn)交換時(shí)隙分配信息[7-11].通過與一跳范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)交換FI域，節(jié)點(diǎn)獲知2跳范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)信息和幀內(nèi)各時(shí)隙的占用情況[7-8].當(dāng)請求時(shí)隙時(shí)，節(jié)點(diǎn)首先連續(xù)偵聽F個(gè)時(shí)隙狀態(tài)(不必在同一幀內(nèi))，隨后基于2跳范圍內(nèi)的時(shí)隙占用信息選擇時(shí)隙.

此外，節(jié)點(diǎn)的相對移動極大地影響了分布式TDMA的網(wǎng)絡(luò)性能[8].文獻(xiàn)[8-11]基于ADHOC MAC提出了VeMAC方法，將幀內(nèi)時(shí)隙分為3個(gè)獨(dú)立的子集，它們分別對應(yīng)公路不同方向上的車輛和路旁固定通信設(shè)施，從而減少了節(jié)點(diǎn)相對移動所造成的影響，提高了網(wǎng)絡(luò)性能.

在下面研究中，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都通過VeMAC請求獲得時(shí)隙.

2.2 傳輸確認(rèn)

FI除提供時(shí)隙分配信息外,還提供數(shù)據(jù)包是否已被正確接收的確認(rèn)信息.圖1中,S在自身時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包到D,若D未成功接收S數(shù)據(jù)包,則D在隨后的自身時(shí)隙內(nèi)所發(fā)送的FI域就不含有S的標(biāo)識信息.因此,當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)接收到D發(fā)送的FI域時(shí),如果其中未包含S的ID,則判斷出D未成功接收S數(shù)據(jù)包,相當(dāng)于提供了一個(gè)NACK(negative acknowledgement)消息,否則相當(dāng)于提供了一個(gè)ACK消息.

2.3 Coop Header

如圖2所示,為了區(qū)分節(jié)點(diǎn)在自身時(shí)隙內(nèi)是否進(jìn)行協(xié)作數(shù)據(jù)重發(fā),在分布式TDMA包頭中增加了COOP Header域,其中,PHY Header, MAC Header, FI, Payload Data和CRC(cyclic redundancy check)等與分布式TDMA相同.在Coop Header域中,Flag用于標(biāo)志節(jié)點(diǎn)是否進(jìn)行協(xié)作數(shù)據(jù)重發(fā).

當(dāng)Flag設(shè)置為0時(shí),表明節(jié)點(diǎn)發(fā)送自身數(shù)據(jù)(見圖2(a));當(dāng)Flag設(shè)置為1時(shí),表明節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作數(shù)據(jù)重發(fā)(見圖2(b)).Coop Header域中的Position保存節(jié)點(diǎn)自身位置信息,用于確定協(xié)作節(jié)點(diǎn)范圍.此外,如果節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作數(shù)據(jù)重發(fā),Coop Header還包含了Source ID, Destination ID和Packet Sequence(見圖2(b)),它們對應(yīng)待協(xié)作重發(fā)數(shù)據(jù)包的原來源節(jié)點(diǎn)標(biāo)識、包序號和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識,這些信息標(biāo)識了待協(xié)作重發(fā)的數(shù)據(jù)包.

(a) 節(jié)點(diǎn)發(fā)送自身數(shù)據(jù)時(shí)的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

(b) 節(jié)點(diǎn)協(xié)作重發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

2.4 節(jié)點(diǎn)間的信息交互

當(dāng)節(jié)點(diǎn)滿足以下條件時(shí)能成為協(xié)作節(jié)點(diǎn)：① 成功接收源節(jié)點(diǎn)S數(shù)據(jù)包；② 在自身時(shí)隙內(nèi)不需要發(fā)送數(shù)據(jù)；③ 與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D在S同側(cè)(見圖1).

考慮到與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D異側(cè)的節(jié)點(diǎn)到D的范圍包含了S到D的范圍，因而這些節(jié)點(diǎn)到D與S到D有著相似的信道特性和條件，而S到D的數(shù)據(jù)傳輸已失敗，因此選與D同側(cè)的節(jié)點(diǎn)為協(xié)作節(jié)點(diǎn).此外，與D同側(cè)的節(jié)點(diǎn)到D的平均間距也較小.節(jié)點(diǎn)從S和D的數(shù)據(jù)包頭中獲知S和D的位置信息，基于S,D和自身位置信息，節(jié)點(diǎn)判斷自身是否與D同側(cè).

圖3以節(jié)點(diǎn)D時(shí)隙為時(shí)間參考點(diǎn)來說明相關(guān)節(jié)點(diǎn)時(shí)隙的時(shí)序關(guān)系.在以D時(shí)隙為時(shí)間參考點(diǎn)的第i幀中(D時(shí)隙為幀中最前面時(shí)隙),假設(shè)源節(jié)點(diǎn)S在自身時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)到D.在第i+1幀內(nèi),假設(shè)節(jié)點(diǎn)H2為滿足上述協(xié)作通信條件的第1個(gè)時(shí)隙空閑節(jié)點(diǎn).

圖3 協(xié)作通信過程中的時(shí)序關(guān)系示意圖

圖4給出了節(jié)點(diǎn)H2協(xié)作重發(fā)S數(shù)據(jù)包過程.圖4(a)表明,節(jié)點(diǎn)H1,H2,H3在S的一跳范圍內(nèi),S在第i幀的自身時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包到D時(shí),由于無線信道的廣播特性,若它們成功接收S數(shù)據(jù)包,則將S數(shù)據(jù)包保存在自身緩存中.圖4(b)表明,目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D在第i+1幀的自身時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包,如果H1，H2，H3等節(jié)點(diǎn)在D數(shù)據(jù)包頭的FI域中未發(fā)現(xiàn)S的ID號,則H1，H2，H3等節(jié)點(diǎn)判斷出D未成功接收S數(shù)據(jù)包.圖4(c)表明,如果H2在第i+1幀的自身時(shí)隙前未偵聽到其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作重發(fā)S數(shù)據(jù)包,且H2沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送,則H2在第i+1幀的自身時(shí)隙內(nèi)協(xié)作重發(fā)S數(shù)據(jù)包.如果附近的其他節(jié)點(diǎn)偵聽到S數(shù)據(jù)包已被協(xié)作重發(fā),則不再進(jìn)行協(xié)作重發(fā).

上述協(xié)作過程沒有節(jié)點(diǎn)充當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)的作用，各個(gè)節(jié)點(diǎn)都是根據(jù)一跳范圍內(nèi)信息來決定是否進(jìn)行協(xié)作數(shù)據(jù)重發(fā)，因此上述協(xié)作過程是分布式的.此外,考慮到VANET安全應(yīng)用通常要求在100 ms內(nèi)將信息傳遞給附近的目標(biāo)車輛[3],為保證VANET節(jié)點(diǎn)及時(shí)傳播信息,分布式TDMA的幀時(shí)間長度通常設(shè)置的很短(幾十ms).從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)作數(shù)據(jù)重發(fā)完成,全過程發(fā)生在1～2幀內(nèi),由于時(shí)間短,節(jié)點(diǎn)的相對位置在此過程中幾乎不發(fā)生變化.上述協(xié)作過程為分布式且時(shí)間短,因而能適應(yīng)VANET無中心節(jié)點(diǎn)且網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁的特點(diǎn).

(a) S發(fā)送數(shù)據(jù)包到D

(b) D發(fā)送數(shù)據(jù)包

(c) H2協(xié)作重發(fā)S數(shù)據(jù)包

2.5 網(wǎng)絡(luò)開銷分析

為實(shí)現(xiàn)協(xié)作數(shù)據(jù)重發(fā)過程，Co-DTDMA在原來的分布式TDMA包頭中增加了Coop Header域.由2.3節(jié)知,Coop Header域最多包含了Flag標(biāo)志(1 bit)、節(jié)點(diǎn)自身位置(采用經(jīng)度和緯度表示,均為4 B)、源節(jié)點(diǎn)ID、包序號和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ID信息.參考文獻(xiàn)[8],將時(shí)隙時(shí)間設(shè)為1 ms,節(jié)點(diǎn)ID設(shè)置為7 bit,數(shù)據(jù)包序號長度設(shè)置為2 B(數(shù)據(jù)包序號大于最大序號時(shí),從0開始重新計(jì)數(shù)).在上述設(shè)置下,Coop Header的最大長度為95 bit.參考車輛專用短程通信(DSRC)標(biāo)準(zhǔn),將VANET中的數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)為18 Mbit/s,則節(jié)點(diǎn)在自身時(shí)隙內(nèi)能夠發(fā)送18 874 bit數(shù)據(jù).由于Coop Header的最大長度遠(yuǎn)小于節(jié)點(diǎn)在自身時(shí)隙內(nèi)能夠發(fā)送的數(shù)據(jù)量,因此,相對于Co-DTDMA利用的空閑時(shí)隙資源,Coop Header的長度開銷可忽略不計(jì).

3 性能分析

3.1 VeMAC性能分析

設(shè)ps為VeMAC的一跳范圍內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)送成功概率.由于信道質(zhì)量(p)和信息碰撞相互獨(dú)立,因此ps的計(jì)算公式為

ps=(1-pc)p

(2)

式中,pc為信息碰撞概率.由2.1節(jié)知,pc=0,因此ps=p.

在源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送數(shù)據(jù)包后,如果目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D未成功接收S數(shù)據(jù)包,通常情況是在等待一預(yù)設(shè)的固定時(shí)間(如timeout)后,S將繼續(xù)重發(fā)數(shù)據(jù)包,該過程不斷重復(fù)進(jìn)行,直到D成功接收S數(shù)據(jù)包.考慮到數(shù)據(jù)包每次重發(fā)的時(shí)間間隔基本相同,下面將數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延T定義為在D成功接收S數(shù)據(jù)包前,S嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)包的次數(shù).S數(shù)據(jù)包需要經(jīng)過k次發(fā)送才能被D成功接收的概率為

Pr{T=k}=(1-ps)k-1ps

(3)

由于T服從幾何分布,因此T均值為

(4)

在通信系統(tǒng)中,若數(shù)據(jù)包超過最大的預(yù)定發(fā)送次數(shù)M仍未被正確接收,則通常會丟掉該包.經(jīng)過M次發(fā)送,S數(shù)據(jù)包仍沒有被D成功接收的概率即為丟包率 (PDR),其計(jì)算公式為

(5)

3.2 Co-DTDMA性能分析

當(dāng)S到D的數(shù)據(jù)包傳輸失敗時(shí),在S的一跳范圍內(nèi)且與D同側(cè)的其他節(jié)點(diǎn)將協(xié)作重發(fā)數(shù)據(jù)包,設(shè)此期間的節(jié)點(diǎn)數(shù)為Nr,則

(6)

Pr{Nh=0Nr=u}=

(7)

當(dāng)Nr=u時(shí),存在協(xié)作節(jié)點(diǎn)的概率為

(8)

在所有可能條件下,存在協(xié)作節(jié)點(diǎn)的概率為

Pr{Nh>0}= Pr{Nh>02

Pr{Nh>0Nr>F}

(9)

當(dāng)2

Pr{Nh>02

(10)

當(dāng)Nr>F時(shí),

Pr{Nh>0Nr>F}=

(11)

S發(fā)送數(shù)據(jù)包失敗時(shí),可能存在協(xié)作節(jié)點(diǎn)協(xié)作重發(fā)數(shù)據(jù)包,因此Co-DTDMA的數(shù)據(jù)包發(fā)送成功概率為

(12)

(13)

(14)

4 網(wǎng)絡(luò)仿真

用Matlab仿真一段公路車輛行駛場景.公路有2條方向相反的車道,每條車道上車輛服從泊松分布,設(shè)每車道的車輛密度為βl,則公路車輛密度β=2βl.車輛平均速度為80 km/h,標(biāo)準(zhǔn)偏差為20 km/h.幀內(nèi)時(shí)隙數(shù)F為60.VeMAC把幀內(nèi)時(shí)隙分為3個(gè)不相交的子集,分別對應(yīng)了朝相反方向行駛的車輛和路旁固定通信設(shè)備,本文不考慮路旁固定通信設(shè)備,因此每車道對應(yīng)的時(shí)隙數(shù)為30.下面在不同參數(shù)下仿真比較VeMAC與Co-DTDMA的性能.在仿真過程中,對于每組參數(shù),根據(jù)其中的β值隨機(jī)生成500種不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并在每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上抽取1.0×105幀的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果取均值.

圖5為2種方法的數(shù)據(jù)包發(fā)送成功概率比較.VeMAC數(shù)據(jù)包發(fā)送成功概率取決于信道質(zhì)量p,Co-DTDMA數(shù)據(jù)包發(fā)送成功概率除取決于p外,還受到節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)概率pd、車輛密度β和一跳傳輸距離r的影響.圖5表明,相對于VeMAC,Co-DTDMA顯著地提高了數(shù)據(jù)包發(fā)送成功概率,這是由于Co-DTDMA能夠利用附近節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)隙協(xié)作重發(fā)傳輸失敗的數(shù)據(jù)包.

(a) 不同β值

(b) 不同pd值

(c) 不同r值

圖5(a)表明,當(dāng)r=200 m和pd=0.5時(shí),車輛密度β越大,源節(jié)點(diǎn)一跳范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)就越多,從而能夠協(xié)作重發(fā)數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)就越多,Co-DTDMA數(shù)據(jù)包發(fā)送成功概率就越大.

圖5(b)表明,當(dāng)r=200 m和β=0.04 veh/m時(shí),節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)概率pd越大,擁有空閑時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)就越少,從而能夠協(xié)作重發(fā)數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)就越少,Co-DTDMA數(shù)據(jù)包發(fā)送成功概率就越小.

圖5(c)表明,當(dāng)pd=0.5和β=0.04 veh/m時(shí),一跳傳輸距離r越大,源節(jié)點(diǎn)一跳范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)就越多,從而能夠協(xié)作重發(fā)數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)就越多,Co-DTDMA數(shù)據(jù)包發(fā)送成功概率就越大.

圖5表明,隨著p增大,VeMAC與Co-DTDMA的數(shù)據(jù)包發(fā)送成功概率不斷增大.當(dāng)p=0時(shí),信道質(zhì)量差,所有數(shù)據(jù)發(fā)送失敗,2種方法的數(shù)據(jù)包發(fā)送成功概率為0;當(dāng)p=1時(shí),信道質(zhì)量好,所有數(shù)據(jù)發(fā)送成功,2種方法的數(shù)據(jù)包發(fā)送成功概率為1.此外,隨著p增大,Co-DTDMA數(shù)據(jù)包發(fā)送成功概率有著相似的變化曲線.為此,下面對Co-DTDMA數(shù)據(jù)包發(fā)送成功概率的性能增量進(jìn)行規(guī)格化處理:

(15)

圖6為r=200 m、pd=0.5、β=0.06 veh/m時(shí)的Co-DTDMA性能增量規(guī)格化曲線.由圖可見,當(dāng)p<0.2時(shí),信道質(zhì)量較差,Co-DTDMA數(shù)據(jù)包發(fā)送成功概率的性能增量隨著信道質(zhì)量的改善而顯著增加;當(dāng)0.2≤p≤0.5時(shí),Co-DTDMA數(shù)據(jù)包發(fā)送成功概率的性能增量超過40%;當(dāng)p>0.5時(shí),隨著信道質(zhì)量的進(jìn)一步改善,由于協(xié)作重發(fā)的必要性降低,Co-DTDMA數(shù)據(jù)包發(fā)送成功概率的性能增量變小.

圖6 Co-DTDMA的數(shù)據(jù)包發(fā)送成功概率性能增量規(guī)格化圖

圖7比較了r=200 m、pd=0.5時(shí)2種方法的數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延.在信道質(zhì)量較差時(shí),相對于VeMAC,Co-DTDMA傳輸時(shí)延的降低幅度超過了30%.如當(dāng)p=0.3時(shí),VeMAC平均傳輸時(shí)延為3.4幀,Co-DTDMA平均傳輸時(shí)延為2.1幀(β=0.06 veh/m時(shí))和2.3幀(β=0.03 veh/m時(shí)).在源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包失敗時(shí),Co-DTDMA利用其他節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)隙協(xié)作重發(fā)數(shù)據(jù)包,在這種情況下,源節(jié)點(diǎn)重發(fā)數(shù)據(jù)包的次數(shù)就會減少,從而減小了數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延.當(dāng)信道質(zhì)量越來越好(p不斷增大)時(shí),協(xié)作重發(fā)的必要性變小,2種方法的傳輸時(shí)延差異也變小.此外,協(xié)作重發(fā)的發(fā)生概率越大(β越大),Co-DTDMA傳輸時(shí)延越小.

圖7 2種方法的數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延比較

圖8比較了r=200 m、pd=0.5時(shí)2種方法的丟包率,圖8(a)、(b)中數(shù)據(jù)包最大發(fā)送次數(shù)M分別取值為1和3.在不同信道質(zhì)量下,Co-DTDMA丟包率始終低于VeMAC,且隨著M增大,2種方法的性能差異越大.如p=0.5、β=0.06 veh/m時(shí),圖8(a)中VeMAC丟包率為50%,Co-DTDMA丟包率為37%;圖8(b)中VeMAC丟包率為13%,Co-DTDMA丟包率降低到2%以下.在源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包失敗時(shí),Co-DTDMA利用附近節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)隙協(xié)作重發(fā)數(shù)據(jù)包,M增大時(shí),Co-DTDMA擁有更多的機(jī)會重發(fā)數(shù)據(jù)包,從而擁有更多的機(jī)會防止數(shù)據(jù)包被丟棄,因此,隨著M增大,2種方法的性能差異越大.此外,協(xié)作重發(fā)的發(fā)生概率越大,Co-DTDMA丟包率越小.

5 結(jié)論

1) 基于分布式TDMA提出了一種利用節(jié)點(diǎn)自身空閑時(shí)隙進(jìn)行協(xié)作數(shù)據(jù)重發(fā)的方法,當(dāng)源節(jié)點(diǎn)未成功發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),附近的鄰居節(jié)點(diǎn)利用自身空閑時(shí)隙協(xié)作重發(fā)數(shù)據(jù).由于僅利用節(jié)點(diǎn)自身空閑時(shí)隙進(jìn)行協(xié)作數(shù)據(jù)重發(fā),該方法未影響正常數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù).

2) 仿真結(jié)果表明,由于利用節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)隙進(jìn)行協(xié)作數(shù)據(jù)重發(fā),該方法顯著地提高了數(shù)據(jù)包發(fā)送成功概率,降低了數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延和丟包率,從而顯著地提高了網(wǎng)絡(luò)可靠性.

(a) M=1

(b) M=3

3) 該方法在協(xié)作重發(fā)時(shí)不依賴于中心節(jié)點(diǎn),以分布式方式執(zhí)行,因此適用于VANET應(yīng)用場景.

本文基于基本信道模型(單位圓盤模型)對所提方法進(jìn)行了性能分析和仿真比較,以后將研究更加真實(shí)的信道模型對該方法性能的影響.

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Cooperative retransmission based on distributed TDMA for VANET

Chen Zhen1,2Han Jianghong1

(1School of Computer and Information, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China) (2Department of Computer Teaching, Anhui University, Hefei 230601, China)

To further utilize the idle time slots of the distributed TDMA (time division multiple address) for VANET (vehicular ad hoc networks), a distributed cooperative retransmission scheme, referred to as cooperative distributed TDMA (Co-DTDMA), is presented. Based on the broadcasting nature of wireless medium and the determinate way that the distributed TDMA accesses channel, nodes can interact with each other orderly and determinately in Co-DTDMA. When a node fails to transmit a packet, neighboring nodes exploit their idle slots for retransmitting the failed packet cooperatively, and thus the failed packet has more chance to be transmitted, without interrupting the normal packet transmissions. The cooperative retransmission does not rely on any central node, and is performed in a distributed manner, which makes it suitable for VANET. The numerical and simulation results demonstrate that Co-DTDMA significantly increases the probability of successful packet transmission, decreases the packet transmission delay and packet dropping rate, thus significantly increasing the network reliability.

mobile ad hoc networks; vehicular ad hoc networks; time division multiple access (TDMA); reliability

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.04.003

2016-12-26. 作者簡介: 陳振(1980—)，男，博士生；韓江洪(聯(lián)系人)，男，教授，博士生導(dǎo)師，czahu@163.com.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61370088，61502142)、安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1408085MKL80).

陳振，韓江洪.車載自組網(wǎng)中基于分布式TDMA的協(xié)作數(shù)據(jù)重發(fā)方法[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,47(4):642-648.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.04.003.

TP393.0

A

1001-0505(2017)04-0642-07