張 宏，呂悅晶

（1．內(nèi)蒙古大學(xué)交通學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021；2．武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，湖北 武漢 430081）

基于啟發(fā)式算法和自適應(yīng)模糊邏輯方案優(yōu)化VANET性能

張 宏1，呂悅晶2

（1．內(nèi)蒙古大學(xué)交通學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021；2．武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，湖北 武漢 430081）

固有的高速移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和不可預(yù)測(cè)的環(huán)境使得車載自組織網(wǎng)絡(luò)（Vehicular Ad-hoc Network，簡稱VANET）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化。為了確保有效的數(shù)據(jù)包傳輸，VANET中的節(jié)點(diǎn)應(yīng)能適應(yīng)VANET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。本文提出一種新的啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯方案，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)和交通情況調(diào)整競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸和傳輸功率?，F(xiàn)有的VANET方案只從一個(gè)參數(shù)優(yōu)化競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸和傳輸功率，未考慮干擾這一主要因素在VANET劣化傳輸時(shí)的影響。在VANET中，由于干擾或在運(yùn)行的時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)丟包可以出現(xiàn)在不同的傳輸階段，在方案中，基于3個(gè)參數(shù)（即碰撞丟包率、信噪比和隊(duì)列溢出），代表不同傳輸階段的數(shù)據(jù)包丟包，模糊邏輯自適應(yīng)地優(yōu)化數(shù)據(jù)包競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸。傳輸功率通常是靜態(tài)參數(shù)，在考慮了VANET干擾影響的情況下，也可以用啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯方案優(yōu)化。啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯方案能評(píng)估道路交通仿真網(wǎng)絡(luò)和城市交通網(wǎng)絡(luò)仿真，其仿真結(jié)果表明，與默認(rèn)的IEEE802.11P和現(xiàn)有的方案比較，此方案能提高吞吐量，降低端到端延遲和提高數(shù)據(jù)包傳輸成功率。

VANET；競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸；傳輸功率；模糊邏輯優(yōu)化

文獻(xiàn)［2］中討論了VANET所面臨的挑戰(zhàn)，舉例說明VANET動(dòng)態(tài)特性對(duì)隱藏終端的影響。在文獻(xiàn)［3］和文獻(xiàn)［4］中提出了解決VANET動(dòng)態(tài)特性的方法和隱藏終端難題，其中，在文獻(xiàn)［3］中，闡述碰撞丟包率用于設(shè)置競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸，傳輸功率在計(jì)算出的傳輸范圍的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整；文獻(xiàn)［4］闡述一種新的基于集群的分布式多通道和移動(dòng)MAC協(xié)議（DMCMAC）用來緩解隱藏終端問題的影響。而在IEEE802.11p標(biāo)準(zhǔn)草案中，VANET采用專用短程通信技術(shù)（DSRC）加強(qiáng)道路安全［5］。為了支持VANET在車載環(huán)境中無線接入，開發(fā)了用于支持VANET無線接入（WAVE）的標(biāo)準(zhǔn)。WAVE與IEEE802.11p和IEEE1619標(biāo)準(zhǔn)一起設(shè)計(jì)。IEEE802.11p探討了一種新的物理層和修正MAC層，WAVE則提供了一種無線傳輸協(xié)議［6］。有2種不同類型的WAVE，稱為車載單元OBU和路邊單元RSU，所以也有2種不同的通信類型通過OBUs和RSUs啟用，即車輛與車輛之間（V2 V）的通信和車輛與基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）之間的通信［7］。在部署VANET之前，研究者們對(duì)VANET效率的研究開展了大量的工作。

綜上所述，VANET凸顯出干擾和隱藏終端問題，在文獻(xiàn)［4］中，隱藏終端被認(rèn)為是數(shù)據(jù)包丟失的主要原因。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)不能探測(cè)到另外一個(gè)正在傳遞數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)存在，就會(huì)產(chǎn)生隱藏終端，從而引起數(shù)據(jù)包碰撞。隱藏終端問題在接收端導(dǎo)致低吞吐量。如果隱藏終端問題能緩解，網(wǎng)絡(luò)容量和可靠性就能隨之增加。為了降低由干擾和隱藏終端導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)退化，我們發(fā)現(xiàn)自適應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)窗和傳輸功率非常重要，因此，在接下來的部分，我們重點(diǎn)討論在網(wǎng)絡(luò)擁堵狀態(tài)下采用啟發(fā)式和自適應(yīng)邏輯方案優(yōu)化競(jìng)爭(zhēng)窗和傳輸功率。

當(dāng)2個(gè)站點(diǎn)彼此距離太遠(yuǎn)時(shí)，VANET隱藏終端（中介、第三方）用于在它們之間進(jìn)行感知傳輸。因此，當(dāng)2個(gè)站點(diǎn)檢測(cè)到中介空閑時(shí)，如果2個(gè)站點(diǎn)同時(shí)嘗試將信息發(fā)送至它們之間的第三方，傳輸會(huì)被干擾，數(shù)據(jù)包將被丟棄。鑒于此，隱藏終端的影響應(yīng)減少，因其能構(gòu)成VANET的一個(gè)主要缺陷。由于VANET的動(dòng)態(tài)特性和考慮丟包可能發(fā)生在傳播的不同階段，在優(yōu)化競(jìng)爭(zhēng)窗大小和傳輸功率之前，我們建議使用幾個(gè)參數(shù)以確保計(jì)算的準(zhǔn)確性來評(píng)估交通狀況。為了解決隱藏終端問題，據(jù)我們了解，從不同的層面使用多個(gè)參數(shù)（即信噪比、隊(duì)列長度和碰撞丟包率）聯(lián)合優(yōu)化競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸和傳輸功能，在機(jī)動(dòng)車和非機(jī)動(dòng)車物體引起的周圍干擾環(huán)境中，用隊(duì)列長度和碰撞丟包率精確地優(yōu)化競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸，使用信噪比優(yōu)化傳輸功率還未開展。

本文的主要貢獻(xiàn)如下：首先，基于信噪比干擾可靠性指標(biāo)，我們提出了啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯傳輸功率優(yōu)化方案。VANET中的節(jié)點(diǎn)流動(dòng)性很大，容易出現(xiàn)干擾。低信噪比傳輸會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包傳輸失敗，而高信噪比又會(huì)導(dǎo)致隱藏終端問題。因此，為了部署VANET，使用信噪比表示干擾，優(yōu)化傳輸功率。其次，我們提出自適應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)窗方案，在通道擁塞狀態(tài)下優(yōu)化競(jìng)爭(zhēng)窗。現(xiàn)行的IEEE802.11p基于數(shù)據(jù)類型定義了常競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸，然而，VANET中的高速移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可能在短時(shí)間內(nèi)從一個(gè)擁堵的通道跳到一個(gè)不太擁塞的通道。因此，在VANET中一個(gè)自適應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)窗在一段時(shí)間內(nèi)自始至終連續(xù)進(jìn)行通道擁堵監(jiān)測(cè)非常重要，以確保有效的數(shù)據(jù)包傳輸。第三，為監(jiān)測(cè)通道擁堵，我們提出使用3個(gè)參數(shù)，即信噪比、碰撞丟包率和隊(duì)列。丟包現(xiàn)象可能發(fā)生在傳輸?shù)牟煌A段，當(dāng)信噪比低、碰撞丟包率高和隊(duì)列溢出時(shí)，數(shù)據(jù)包被丟棄。因此，信噪比、碰撞丟包率和隊(duì)列用于表示通道狀況。第四，進(jìn)行優(yōu)化，我們提出了一種基于模糊邏輯的方案，使用信噪比、碰撞丟包率和隊(duì)列作為輸入，以優(yōu)化輸出競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸。啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯方案與由信噪比、碰撞丟包率和隊(duì)列表示的通道擁堵自適應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸，實(shí)現(xiàn)高吞吐量、降低延遲和提高數(shù)據(jù)包傳輸成功率，是實(shí)現(xiàn)可靠的車載自組網(wǎng)VANET環(huán)境的基礎(chǔ)。

2 改進(jìn)的啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯方案

VANET車輛節(jié)點(diǎn)的高速移動(dòng)性導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)變化，所以競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸和傳輸功率也需隨之自適應(yīng)變化。啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯方案內(nèi)容包括準(zhǔn)確表示通道擁堵狀態(tài)、自適應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸、傳輸功率優(yōu)化等。

2.1 改進(jìn)的啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯傳輸功率優(yōu)化

隱藏終端問題由VANET中過高的信噪比引發(fā)，低信噪比會(huì)導(dǎo)致失敗的數(shù)據(jù)包傳輸。已知：信噪比=信號(hào)功率/（干擾+噪聲）功率，在干擾和噪聲保持不變的情況下，信噪比隨傳輸功率線性增加。圖1表明了隱藏終端出現(xiàn)的原因及其影響程度，數(shù)據(jù)包成功傳輸?shù)目赡苄愿哂酶咝旁氡缺硎?，?shù)據(jù)包丟失或碰撞丟包的可能性高用低信噪比表示。因此，信噪比是在有噪聲和干擾的情境中衡量節(jié)點(diǎn)信號(hào)傳遞強(qiáng)度的重要指標(biāo)。為保證數(shù)據(jù)包的有效傳輸，通常信號(hào)強(qiáng)度在有噪聲和干擾的環(huán)境中應(yīng)相對(duì)較高。然而，過高的信噪比會(huì)造成浪費(fèi)能量，導(dǎo)致更大的重疊區(qū)域，進(jìn)一步增加隱藏終端問題。綜上所述，信噪比應(yīng)保持最佳值，以保證系統(tǒng)最優(yōu)的性能。

圖1 隱藏終端出現(xiàn)的原因及其影響程度

在文獻(xiàn)［8］中，根據(jù)距中心車輛的距離，車輛無線信號(hào)通信范圍可分為3個(gè)區(qū)域，如圖1a所示。在通信范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)包被成功接收和解碼的可能性高，在探測(cè)范圍內(nèi)可檢測(cè)到正在進(jìn)行的通信。另一方面，在噪聲和干擾范圍內(nèi)，從終端A碰撞丟失數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包從終端B到接收端C也傳輸失敗，如圖1b所示。在噪聲和干擾區(qū)域內(nèi)，因干擾強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)不能完全探測(cè)到或無法探測(cè)到另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)的存在，導(dǎo)致車輛無法檢測(cè)到隱藏終端。干擾導(dǎo)致了不可見的終端，是VANET數(shù)據(jù)包傳輸失敗的主要原因之一。傳輸功率較高時(shí)引起干擾和噪聲，所以，在我們提出的啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯方案里，優(yōu)化傳輸功率能保證數(shù)據(jù)包被成功傳輸，節(jié)省能量和減少隱藏終端問題。

在啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯方案中，基于信噪比進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化傳輸功率，如表1所示。如果信噪比小于0，節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度比周圍區(qū)域中的噪聲和干擾低，此時(shí)高傳輸功率應(yīng)分配更高的參數(shù)，傳輸功率增益用參數(shù)T表示，是一個(gè)介于0和1之間的值，依據(jù)環(huán)境和應(yīng)用選擇，例如城市取0.5～0.9，農(nóng)村取0.1～0.49。如果信噪比在0～β之間，傳輸功率T=1。如果信噪比大于β，將傳輸功率優(yōu)化為較低值，以減少干擾和功率損耗。

2.2 改進(jìn)的啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間窗尺寸模糊邏輯方案

VANET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快導(dǎo)致丟包率增加，用戶不能及時(shí)收到緊急消息。在本文的仿真案例中，選取影響VANET數(shù)據(jù)包丟包的各種參數(shù)見表2，仿真時(shí)間為250 s，數(shù)據(jù)包到達(dá)的時(shí)間間隔為0.5 s，仿真模擬擁堵的市內(nèi)交通，車輛勻速行駛，所有車輛從一個(gè)固定起點(diǎn)沿最短路徑行駛至固定終點(diǎn)，通過停車引起交通擁堵。在仿真時(shí)間內(nèi)，總數(shù)據(jù)丟包主要由數(shù)據(jù)包碰撞、信噪比和隊(duì)列溢出3個(gè)因素決定，研究表明數(shù)據(jù)包碰撞主要由干擾和隱藏終端問題引起，數(shù)據(jù)包碰撞導(dǎo)致VANET數(shù)據(jù)包丟失率幾乎達(dá)54%，如表3所示。因低信噪比引起的數(shù)據(jù)包丟失主要是由環(huán)境干擾和噪聲中的低傳輸功率造成的；因隊(duì)列溢出引起的數(shù)據(jù)包丟失主要是由交通擁堵中低競(jìng)爭(zhēng)窗或交通暢通中高競(jìng)爭(zhēng)窗造成的。所以，在改進(jìn)的啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯方案中，可以用導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失的因素作為交通擁堵的指標(biāo)優(yōu)化競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸。

表1 傳輸功率優(yōu)化

在VANET系統(tǒng)中，因VANET內(nèi)在非可預(yù)測(cè)性和隨機(jī)特性，易于發(fā)生隱藏終端問題。因此，信噪比是一個(gè)良好的衡量VANET因隱藏終端問題導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失的指標(biāo)。VANET通道擁堵的發(fā)生是隨機(jī)的。節(jié)點(diǎn)可以在短時(shí)間內(nèi)變成通道擁堵狀態(tài)和移出通道擁堵狀態(tài)。因此，在改進(jìn)的啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯方案中，可以采用數(shù)據(jù)包碰撞丟包率、低信噪比和隊(duì)列溢出參數(shù)表達(dá)通道擁堵。

隱藏終端和通道擁堵能引起數(shù)據(jù)包碰撞，因此，數(shù)據(jù)包碰撞丟包率在描述實(shí)際VANET條件時(shí)是一個(gè)有用的參數(shù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失的隊(duì)列溢出是建議描述通道擁堵另一個(gè)主要的參數(shù)。數(shù)據(jù)包碰撞丟包率、信噪比和隊(duì)列溢出是表達(dá)交通擁堵主要的3個(gè)因素，因此，競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸可依據(jù)這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

如果檢測(cè)到隊(duì)列溢出、高碰撞丟包率和低信噪比，在下一個(gè)傳送發(fā)生之前，競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸的增加可使網(wǎng)絡(luò)有充分的時(shí)間完成當(dāng)前的傳送；另一方面，如果沒有檢測(cè)到隊(duì)列溢出，檢測(cè)到了低碰撞丟包率和高信噪比，競(jìng)爭(zhēng)窗相應(yīng)減少，允許更多的傳送發(fā)生。然而，通道擁堵和低信噪比可能并不總是作為數(shù)據(jù)包的并行結(jié)果，因低信噪比，甚至在到達(dá)目的地節(jié)點(diǎn)之前，數(shù)據(jù)包可能已經(jīng)被丟棄了。在這種情況下，持續(xù)適當(dāng)?shù)臅r(shí)間使用模糊邏輯方案優(yōu)化競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸。使用模糊邏輯方案，結(jié)合輸入碰撞丟包率、隊(duì)列和信噪比參數(shù)，綜合優(yōu)化競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸，可輸出優(yōu)化的競(jìng)爭(zhēng)窗。

表2 仿真參數(shù)

表3 VANET數(shù)據(jù)包丟失

改進(jìn)的啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯具體解釋如下：①圖2a輸入啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯隸屬函數(shù)信噪比，其中低信噪比表示競(jìng)爭(zhēng)窗高隸屬度值，高信噪比表示競(jìng)爭(zhēng)窗低隸屬度值。②圖2b輸入啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯當(dāng)前隊(duì)列長度隸屬函數(shù)，其中高隊(duì)列長度表示競(jìng)爭(zhēng)窗高隸屬度值，低隊(duì)列長度表示競(jìng)爭(zhēng)窗低隸屬度值。③圖2c輸入啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯碰撞丟包率隸屬函數(shù)，其中高碰撞丟包率表示競(jìng)爭(zhēng)窗高隸屬度值，低碰撞丟包率表示競(jìng)爭(zhēng)窗低隸屬度值。圖2a、b、c通常具有相同Y軸值，而X軸值從推薦參數(shù)仿真值的最小到最大的范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。論域X模糊集隸屬函數(shù)定義為：μA:X→［0，1］，其中X的每個(gè)元素映射到0和1之間的某個(gè)值，這個(gè)值稱為隸屬值或隸屬度，量化模糊集合X中的元素的隸屬等級(jí)。用于啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯真值的隸屬度值見表4，我們提出啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯公式（1）～（4）來確定最終的競(jìng)爭(zhēng)窗輸出。如表4所示，在啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯真值表的基礎(chǔ)上獲得或確定輸入隸屬函數(shù)值，表4和公式（1）～（4）根據(jù)Mamdani模糊邏輯概念獲得。

通過使用表4和公式（1）～（4）Mamdani模糊邏輯計(jì)算重疊區(qū)域能得出最終結(jié)果。表4考慮了所有的可能輸入值，又為模糊邏輯方案分配了適當(dāng)?shù)妮敵鲋?。針?duì)模糊邏輯真值表，應(yīng)當(dāng)注意的是，在低信噪比引起丟包的情況下，極不可能出現(xiàn)因碰撞和隊(duì)列溢出引起丟包。然而，高隊(duì)列引起的丟包，可能會(huì)出現(xiàn)低信噪比和低碰撞丟包率引起丟包。因此，如果碰撞丟包率、隊(duì)列和信噪比出現(xiàn)不同的結(jié)果，用提出的模糊邏輯方案優(yōu)化競(jìng)爭(zhēng)窗。最終的競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸（輸出）基于啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯公式（4）計(jì)算得出，其中，從公式（1）～（3）獲得低競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸α1、中競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸α2和高競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸α3。啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯輸出的競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸隸屬函數(shù)見圖2d。如果輸入值返回真，則規(guī)則返回0.5，否則規(guī)則返回0。

最終的競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸由公式（4）和圖2d獲得。如果檢測(cè)到高碰撞丟包率、高隊(duì)列和低信噪比（通道條件較差），為了減少因隱藏終端導(dǎo)致的數(shù)據(jù)包碰撞，應(yīng)增加競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸。然而，當(dāng)檢測(cè)到低碰撞丟包率、低隊(duì)列和高信噪比（通道條件最好）時(shí)，應(yīng)降低競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸，以允許多個(gè)傳輸發(fā)生。如果參數(shù)得出不同的結(jié)果，用提出的模糊邏輯方案優(yōu)化競(jìng)爭(zhēng)窗。競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸引起后臺(tái)計(jì)數(shù)器變化，以便根據(jù)參數(shù)隊(duì)列、碰撞丟包率和信噪比指示的網(wǎng)絡(luò)條件進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。高競(jìng)爭(zhēng)窗允許在下一個(gè)傳輸發(fā)生之間緩解通道擁堵。當(dāng)參數(shù)指示無通道擁堵時(shí)，低競(jìng)爭(zhēng)窗允許多個(gè)傳輸發(fā)生。

圖2 改進(jìn)的啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯

表4 啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯真值表

相對(duì)于噪聲和干擾測(cè)量信噪比信號(hào)強(qiáng)度，一般信號(hào)的劣化（因隱藏終端、碰撞、干擾等）使用信噪比可以測(cè)量出來，信噪比決定了數(shù)據(jù)包成功傳輸至目的節(jié)點(diǎn)的能力。這樣，當(dāng)檢測(cè)到低信噪比時(shí)，啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯檢測(cè)出數(shù)據(jù)包傳輸至目的節(jié)點(diǎn)失敗的概率，此時(shí)，增加競(jìng)爭(zhēng)窗，調(diào)整傳輸功率，確保數(shù)據(jù)包傳輸成功。在數(shù)據(jù)包擁堵時(shí)，因數(shù)據(jù)包碰撞增加而增加了延遲，因此，如果設(shè)置略高的競(jìng)爭(zhēng)窗，就會(huì)給出更多的時(shí)間用于清除大量的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包碰撞和延遲可以大幅度降低。但是，當(dāng)處于低碰撞丟包率、低隊(duì)列和高信噪比（通道條件最好）時(shí)，應(yīng)降低競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸，以允許多個(gè)傳輸發(fā)生。如果沒有檢測(cè)到通道擁堵、數(shù)據(jù)包碰撞或信號(hào)退化，數(shù)據(jù)包被傳輸?shù)狡淠康牡毓?jié)點(diǎn)的概率更高，競(jìng)爭(zhēng)窗可以設(shè)置得較低，以允許更多的數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間。如果極不可能發(fā)生碰撞，競(jìng)爭(zhēng)窗不需要調(diào)節(jié)到高值，以允許更多的數(shù)據(jù)包傳輸。

2.3 啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯算法和傳輸功率與競(jìng)爭(zhēng)窗聯(lián)合優(yōu)化

啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯方案分成2個(gè)階段：第1階段討論啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯傳輸功率優(yōu)化。在傳輸功率優(yōu)化中，最初，所有車輛啟動(dòng)預(yù)設(shè)的傳輸功率，所有節(jié)點(diǎn)采用模擬啟動(dòng)時(shí)的可用傳輸。一旦從其他車輛獲得信息，開始計(jì)算信噪比。為了降低干擾和節(jié)省功率，傳輸功率在信噪比的基礎(chǔ)上優(yōu)化。當(dāng)檢測(cè)到信噪比相對(duì)較低時(shí)，傳輸功率增加；當(dāng)檢測(cè)到信噪比相對(duì)較高時(shí)，傳輸功率降低。在一些應(yīng)用場(chǎng)景中，最大傳輸功率可以變化，閾值的選擇，T值在第1階段的實(shí)施中非常重要，T根據(jù)閾值歷史數(shù)據(jù)和一段連續(xù)時(shí)間內(nèi)觀測(cè)到的局域密度進(jìn)行優(yōu)化。第2階段討論啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸優(yōu)化。第2階段用模糊邏輯算法獲得的競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸優(yōu)化偽代碼見圖3，模糊邏輯算法定義了當(dāng)多個(gè)輸入、多個(gè)輸出存在時(shí)的決策步驟［8］。首先，信噪比、隊(duì)列長度和碰撞丟包率在輸入隸屬函數(shù)的基礎(chǔ)上計(jì)算出來，然后計(jì)算出的隸屬度值根據(jù)模糊邏輯真值表映射，最后競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸根據(jù)公式（4）計(jì)算得出。

圖3 啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯偽代碼

3 結(jié)論

高速移動(dòng)的車輛節(jié)點(diǎn)在無法預(yù)知的環(huán)境中，導(dǎo)致車載自組織網(wǎng)絡(luò)VANET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快，隱藏終端和通道擁堵往往引起數(shù)據(jù)包丟失和延遲，所以，對(duì)VANET系統(tǒng)自適應(yīng)優(yōu)化非常關(guān)鍵。傳輸?shù)娜魏坞A段都可能發(fā)生丟包，用隊(duì)列長度、碰撞丟包率和信噪比檢測(cè)通道擁堵狀態(tài)。本文提出了啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯方案，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)和交通情況自適應(yīng)優(yōu)化VANET競(jìng)爭(zhēng)窗尺寸和傳輸功率，基于信噪比優(yōu)化傳輸功率至最佳性能，以保證最佳的數(shù)據(jù)傳輸可靠性。

提出的啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯方案對(duì)到達(dá)率不同和車輛數(shù)量不等的多個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，得到了吞吐量更高、端到端延遲更低和數(shù)據(jù)包傳輸成功率更高的結(jié)果。與已有方案對(duì)比，在VANET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快速的場(chǎng)景下，改進(jìn)的啟發(fā)式和自適應(yīng)模糊邏輯方案適應(yīng)性更好、吞吐量更高、端到端延遲更低，數(shù)據(jù)包傳輸成功率更高。

［1］ Ye F，Yim R，Guo J，et al. Prioritized broadcast contention control in VANET［C］.In Proceedings of Communications （ICC） 2010 IEEE International Conference，2010:1-5.

［2］ Jeyaprakash T， Mukesh R. A survey of mobility models of vehicular adhoc networks and simulators［J］.International Journal of Electronics and Information Engineering， 2015，2（2）:94-101.

［3］ Rawat D B，Popescu D C，Yan G， et al. Enhancing VANET performance by joint adaptation of transmission power and contention window size［J］.IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems，2011，22（9）:1528-1535.

［4］ Hafeez K A. Design and analysis of an efficient and reliable MAC protocol for VANETS ［D］.Canada：Ryerson University，2012.

［5］ Jiang D，Delgrossi L.IEEE 802.11p：Towards an international standard for wireless access in vehicular environments［C］.2008 IEEE Vehicular Technology Conference， VTC Spring 2008，2008:2036-2040.

［6］ Wang Q，Leng S，F(xiàn)u H，et al. An IEEE 802.11 p-based multichannel MAC scheme with channel coordination for vehicular ad hoc networks［J］.IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems，2012，13（2）:449-458.

［7］ Barbosa A，Barros P，Vieira A S S，et al. An adaptive mechanism for access control in VANETs［J］.Computer Networks and Security Laboratory， State University of Ceara，2011，42（8）:123-132.

［8］ Hafeez K A， Zhao L， Liao Z， et al. A fuzzylogic-based cluster head selection algorithm in VANETs［C］.2012 IEEE International Conference on Communications （ICC）. IEEE，2012:203-207.

（編輯 凌 波）

Optimization of VANET Performance Based on Heuristic and Adaptive Fuzzy Logic Scheme

ZHANG Hong1，LV Yue-jing2

（Transportation Institute，Inner Mongolia University，Hohhot 010021；School of Automotive and Traffic Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China）

Rapid topology change in vehicular ad hoc network （VANET） is common due to the inherent high mobility nodes and unpredictable environments in VANET. To ensure efficient packet transmission，nodes in VANET should react adaptively to topology change in VANET. In this paper，we present a new heuristic and adaptive fuzzy logic scheme （HaFL），which adapts the contention window size and transmission power according to network and traffic conditions. The current existing schemes in VANET utilize only a single parameter to optimize the contention window and transmission power without consideration on the effects of interference as one of the main factors in VANET transmission degradation. In VANET，packet loss can occur at different stages of transmission due to interference or due to elapsed time. In the proposed HaFL，fuzzy logic is used to adaptively optimize the contention window size based on three parameters namely collision rate，SINR and queue overflow which represent packet drop at different stages of transmission. Transmission power which is usually a static parameter is also optimized with consideration on the effects of VANET interference in the proposed HaFL. The performance of the proposed HaFL is evaluated in Vehicles in Network Simulation with road traffic simulator，Simulation of Urban mobility.Simulation results show that the proposed HaFL demonstrates adaptability with improved throughput，low end-to-end delay and higher packet success rate in comparison with the default IEEE802.1 1p and existing schemes.

VANET；contention window size；transmission power；fuzzy logic optimization

U463.6

A

1003-8639（2017）10-0053-06

1 研究背景

車載自組織網(wǎng)絡(luò)為當(dāng)今駕駛員在路上進(jìn)行溝通和確保安全帶來了革命性的飛躍。統(tǒng)計(jì)顯示，大量的道路交通事故是由于駕駛員未能預(yù)見道路危險(xiǎn)、超車視線不良或因惡劣天氣條件而做出錯(cuò)誤決定等因素造成的［1］。隨著VANET發(fā)展，駕駛員之間可以共享道路危險(xiǎn)情況，使他們及時(shí)了解前方的路況，因此可以采取預(yù)防措施預(yù)警駕駛員，避免事故發(fā)生。在傳統(tǒng)的VANET場(chǎng)景中，節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)，無法優(yōu)先獲得鄰居節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確位置信息。此外，VANET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易于變化。上述因素會(huì)導(dǎo)致丟包率增加和傳輸延遲，這就阻止了VANET在駕駛員之間分享信息。VANET的主要目的是在駕駛員之間分享信息，以保證路面行車的安全。因此，數(shù)據(jù)包傳輸失敗或延遲可能導(dǎo)致交通事故。如果VANET延遲很少，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸能提高VANET系統(tǒng)效率。

2017-01-17

內(nèi)蒙古大學(xué)高層次人才引進(jìn)項(xiàng)目（22200-5165118）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目（自然科學(xué)類）重點(diǎn)科研平臺(tái)開放基金（310822171134）

張宏（1981-），女，內(nèi)蒙古扎蘭屯人，副教授，博士，主要研究方向?yàn)檐囕d自組織網(wǎng)絡(luò)特性分析及控制理論與方法。