王夢(mèng)雪,徐哲鑫,吳 怡,林 瀟

(福建師范大學(xué) 光電與信息工程學(xué)院,福州 350007)

1 引言

車載自組織網(wǎng)(Vehicular Ad-hoc Network,VANET)[1]具有節(jié)點(diǎn)高移動(dòng)性、拓?fù)涓邉?dòng)態(tài)性及節(jié)點(diǎn)軌跡規(guī)律性等特點(diǎn),使得介質(zhì)訪問(wèn)控制(Medium Access Control,MAC)協(xié)議成為VANET研究的重點(diǎn)之一[2–4].目前,車載自組織網(wǎng)MAC協(xié)議主要分成基于“競(jìng)爭(zhēng)”的、基于“非競(jìng)爭(zhēng)”的[5].基于“競(jìng)爭(zhēng)”的MAC協(xié)議以CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)為基礎(chǔ),其中最為經(jīng)典的是IEEE 802.11p協(xié)議[6–8].IEEE 802.11p協(xié)議被批準(zhǔn)成為VANET 標(biāo)準(zhǔn)MAC協(xié)議之一,但是其隨機(jī)性的信道接入機(jī)制導(dǎo)致接入延遲無(wú)界,難以精確預(yù)估.另外,當(dāng)車輛節(jié)點(diǎn)密度高時(shí),信道沖突急劇增加,導(dǎo)致吞吐量和傳輸延遲性能嚴(yán)重惡化[9].基于“非競(jìng)爭(zhēng)”的MAC協(xié)議[10,11]中,車輛節(jié)點(diǎn)依照一定規(guī)則有序使用信道資源,其中以時(shí)分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)機(jī)制應(yīng)用最為廣泛.TDMA[12]機(jī)制將頻率信道從時(shí)間維度上劃分為連續(xù)時(shí)間幀,每一個(gè)時(shí)間幀又分割成若干個(gè)固定時(shí)長(zhǎng)的時(shí)隙,節(jié)點(diǎn)以時(shí)隙為信道接入的基本單位.TDMA機(jī)制主要分為集中式和分布式兩大類[13].相比于集中式TDMA需要中心控制器集中分配時(shí)隙,分布式 TDMA 無(wú)需中心控制器,節(jié)點(diǎn)以一定的秩序自主分配時(shí)隙的機(jī)制顯然更加靈活,更加適應(yīng)于拓?fù)涓叨茸兓腣ANET.

ADHOC MAC協(xié)議[14]是經(jīng)典的分布式TDMA MAC協(xié)議,以RR-ALOHA協(xié)議[15]為基礎(chǔ).車輛節(jié)點(diǎn)間通過(guò)交互幀信息(Frame Information,FI),其中包含一跳鄰居節(jié)點(diǎn)時(shí)隙占用信息,獲知其兩跳范圍內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙占用信息,并隨機(jī)選擇一個(gè)空閑時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)接入信道.ADHOC MAC協(xié)議解決了隱藏節(jié)點(diǎn)的問(wèn)題,但在拓?fù)渥兓^頻繁和節(jié)點(diǎn)密度較高的場(chǎng)景下,信道接入沖突較為嚴(yán)重.其后續(xù)改進(jìn)的版本[16,17]主要解決ADHOC MAC協(xié)議時(shí)隙利用率較低的問(wèn)題,并沒(méi)有解決密集場(chǎng)景下信道沖突嚴(yán)重的問(wèn)題.

VeMAC協(xié)議[18]在ADHOC MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上,為不同行駛方向的車輛節(jié)點(diǎn)與路邊基礎(chǔ)設(shè)施(Road-Side Unit,RSU)分配不同的時(shí)隙集LRF,降低對(duì)向行駛的車輛節(jié)點(diǎn)間信道沖突的可能性,提高通信鏈路生存期.VeMAC協(xié)議存在的問(wèn)題是同向車輛節(jié)點(diǎn)間仍然隨機(jī)地選擇空閑時(shí)隙來(lái)競(jìng)爭(zhēng)接入信道,當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度較高時(shí),由于時(shí)隙集的劃分導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)可用空閑時(shí)隙范圍變小,信道接入性能嚴(yán)重惡化.

文獻(xiàn)[19]提出分布式自適應(yīng)TDMA調(diào)度策略(Decentralized Adaptive TDMA Scheduling strategy,DATS).DATS協(xié)議車輛節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己與最近車輛節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系競(jìng)爭(zhēng)對(duì)應(yīng)的空閑時(shí)隙.DATS協(xié)議利用車輛節(jié)點(diǎn)行駛方向與地理位置的差異性,有效緩解VeMAC協(xié)議隨機(jī)選擇空閑時(shí)隙造成的信道沖突嚴(yán)重的問(wèn)題.但由于車輛節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)受限于道路環(huán)境和交通法規(guī),當(dāng)多個(gè)地理位置接近的車輛節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時(shí),DATS協(xié)議通過(guò)對(duì)時(shí)隙子集中剩余空閑時(shí)隙均分后隨機(jī)獲取完成新加入節(jié)點(diǎn)時(shí)隙分配,然而這種隨機(jī)性在高節(jié)點(diǎn)密度時(shí)將導(dǎo)致嚴(yán)重的沖突.此外,DATS協(xié)議根據(jù)實(shí)時(shí)車輛密度變化,動(dòng)態(tài)調(diào)整不同行駛方向車輛節(jié)點(diǎn)左右時(shí)隙集時(shí)隙數(shù)的節(jié)點(diǎn)協(xié)商機(jī)制較為復(fù)雜,不適應(yīng)于拓?fù)淇焖僮兓腣ANET.

為了解決DATS協(xié)議中多節(jié)點(diǎn)同時(shí)接入信道時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)沖突問(wèn)題,本文提出改進(jìn)的分布式自適應(yīng)時(shí)分多址分配機(jī)制(Modified Decentralized Adaptive TDMA Scheduling mechanism,MDATS).MDATS主要借鑒空分多址(Space Division Multiple Access,SDMA)的思想,根據(jù)可用空閑時(shí)隙數(shù)將同向最近已接入信道節(jié)點(diǎn)的通信區(qū)域均分為若干邏輯區(qū)段.車輛節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的地理位置信息,以及邏輯區(qū)段與空閑時(shí)隙的映射關(guān)系選擇對(duì)應(yīng)的空閑時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)接入信道.MDATS協(xié)議通過(guò)邏輯區(qū)段與空閑時(shí)隙的映射關(guān)系,將位置接近且同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)的車輛節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)隙在空間上分散化,達(dá)到提高信道接入成功率和降低信道接入延遲的目的.同時(shí),MDATS協(xié)議摒棄了DATS協(xié)議中復(fù)雜的左右時(shí)隙集時(shí)隙數(shù)協(xié)商調(diào)整機(jī)制.MDATS協(xié)議中,當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)可用空閑時(shí)隙集為空,即無(wú)空閑時(shí)隙可用時(shí),允許該節(jié)點(diǎn)將對(duì)向道路對(duì)應(yīng)的空閑時(shí)隙集作為自己的可用空閑時(shí)隙集,達(dá)到擴(kuò)展可用空閑時(shí)隙集,提高時(shí)隙利用率的目的.

2 系統(tǒng)模型

2.1 場(chǎng)景設(shè)定

道路上每隔一定距離鋪設(shè)路邊基礎(chǔ)設(shè)施(Road-Side Unit,RSU),為其覆蓋范圍內(nèi)的車輛節(jié)點(diǎn)周期性地廣播道路基本信息、幀結(jié)構(gòu)信息、網(wǎng)絡(luò)基本信息等.每個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)均配備車載通信單元(Onboard Unit,OBU)、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)等設(shè)備.車輛節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPS定位系統(tǒng)周期性獲取精確的地理位置信息,判斷行駛方向,同時(shí)通過(guò)GPS模塊提供的1PPS信號(hào)實(shí)現(xiàn)車輛節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘同步.

本文主要考慮雙向四車道的城市道路場(chǎng)景.為了降低對(duì)向行駛的車輛節(jié)點(diǎn)間的信道沖突的概率,本文將每幀的時(shí)隙劃分為左時(shí)隙集SL和右時(shí)隙集SR,分配給不同行駛方向的車輛節(jié)點(diǎn).如圖1所示,車輛行駛方向定義如下:以南北方向線為基準(zhǔn),車輛節(jié)點(diǎn)行駛方向位于其左邊定義其行駛方向?yàn)樽?車輛節(jié)點(diǎn)行駛方向位于其右邊的定義其行駛方向?yàn)橛?如圖1所示.因此,左時(shí)隙集SL和右時(shí)隙集SR分別分配給左行駛方向R的車輛節(jié)點(diǎn)和右行駛方向DR的車輛節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信道接入.

圖1 時(shí)隙規(guī)劃圖

車輛節(jié)點(diǎn)僅接收通信半徑R范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)(即一跳鄰居節(jié)點(diǎn))發(fā)送的信號(hào),通信范圍之外節(jié)點(diǎn)的信號(hào)默認(rèn)無(wú)法接收.但隱藏節(jié)點(diǎn)的問(wèn)題仍然存在,導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收通信范圍內(nèi)多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)而無(wú)法正確解析信號(hào),造成信道沖突.

2.2 幀信息FI

為了保證道路環(huán)境的安全性,每個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)必須周期性地廣播自己的位置、速度、方向信息為安全應(yīng)用提供服務(wù).此外,為了保證車輛節(jié)點(diǎn)能夠獲知其兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙占用信息,每個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)還必須周期性地發(fā)送幀信息[14],其中包含節(jié)點(diǎn)自己及其一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙占用信息.

對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)而言,空閑時(shí)隙定義為未被其兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)占用的時(shí)隙.同時(shí),MDATS協(xié)議中定義新加入節(jié)點(diǎn)為初始接入網(wǎng)絡(luò),還未成功占用時(shí)隙的節(jié)點(diǎn);成功節(jié)點(diǎn)定義為已成功占用時(shí)隙的節(jié)點(diǎn).一旦節(jié)點(diǎn)成功占用一個(gè)時(shí)隙,即無(wú)沖突地接入信道,則在接下來(lái)的每幀里該節(jié)點(diǎn)都將占用相同的時(shí)隙,直至發(fā)生信道沖突或該節(jié)點(diǎn)無(wú)通訊需求時(shí)才釋放該時(shí)隙.

圖2 MDATS協(xié)議總體流程

MDATS協(xié)議針對(duì)節(jié)點(diǎn)X定義以下5類相關(guān)集合:

list(X):節(jié)點(diǎn)X的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息列表,具體內(nèi)容包括其一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的ID、位置信息、速度、行駛方向以及所占用的時(shí)隙號(hào).

TL(X):節(jié)點(diǎn)X兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)中行駛方向?yàn)樽蟮墓?jié)點(diǎn)所占用的時(shí)隙號(hào).

TR(X):節(jié)點(diǎn)X兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)中行駛方向?yàn)橛业墓?jié)點(diǎn)所占用的時(shí)隙號(hào).

IL(X):左時(shí)隙集SL中節(jié)點(diǎn)X可用空閑時(shí)隙號(hào).

IR(X):右時(shí)隙集SR中節(jié)點(diǎn)X可用空閑時(shí)隙號(hào).

3 MDATS時(shí)隙分配機(jī)制

MDATS時(shí)隙分配機(jī)制可分為初始化過(guò)程、邏輯區(qū)段-空閑時(shí)隙映射過(guò)程、時(shí)隙分配過(guò)程和可用空閑時(shí)隙集擴(kuò)展的過(guò)程,其詳細(xì)的機(jī)制流程如圖2所示.

3.1 初始化過(guò)程

新加入節(jié)點(diǎn)X根據(jù)GPS定位系統(tǒng)獲得自己的位置信息(x,y),判斷其行駛方向dr.當(dāng)節(jié)點(diǎn)X 初始接入網(wǎng)絡(luò)時(shí),首先偵聽(tīng)信道一幀的時(shí)長(zhǎng),接收其一跳鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息與FI消息.節(jié)點(diǎn)X根據(jù)一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息,維護(hù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息列表list(X)={(id1,x1,y1,v1,dr1,s1),···,(idn,xn,yn,vn,drn,sn)},其中idi、xi、yi、vi、dri、si(i=1,2,…,n)分別為節(jié)點(diǎn)X的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)i的ID、位置坐標(biāo)、速度、行駛方向以及所占用的時(shí)隙號(hào).同時(shí),節(jié)點(diǎn)X根據(jù)一跳鄰居節(jié)點(diǎn)廣播的FI 消息,收集其兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙占用信息TL(X)、TR(X),從而可計(jì)算出左空閑時(shí)隙集和右空閑時(shí)隙集,且分別定義IL(X)、IR(X)對(duì)應(yīng)的空閑時(shí)隙數(shù)分別為NLI(X)、NRI(X).

節(jié)點(diǎn)X根據(jù)自己的行駛方向dr選擇對(duì)應(yīng)的空閑時(shí)隙集IL(X)或IR(X)作為可用空閑時(shí)隙集.節(jié)點(diǎn)X檢查list(X)是否為空集,即節(jié)點(diǎn)X是否有一跳鄰居節(jié)點(diǎn).若list(X)為空集,則節(jié)點(diǎn)X從可用空閑時(shí)隙集IL(X)或IR(X)中隨機(jī)選擇一個(gè)空閑時(shí)隙進(jìn)行信道接入;若list(X)不為空集,則節(jié)點(diǎn)X根據(jù)list(X)計(jì)算距離自己最近的同向成功節(jié)點(diǎn),計(jì)算公式如下:

其中,(x′,y′)為節(jié)點(diǎn)X相同行駛方向上的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的位置信息,即(x′,y′)∈list(X)且dr′=dr.

若節(jié)點(diǎn)X根據(jù)公式(1)得到多個(gè)距離相等的最近同向成功節(jié)點(diǎn),即節(jié)點(diǎn)X位于最近同向成功節(jié)點(diǎn)的中間.節(jié)點(diǎn)X選擇占用時(shí)隙號(hào)最小的最近同向成功節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn).

3.2 邏輯區(qū)段-空閑時(shí)隙映射過(guò)程

假設(shè)節(jié)點(diǎn)X的參考節(jié)點(diǎn)為Y,則將節(jié)點(diǎn)Y通信區(qū)域均分為M個(gè)邏輯區(qū)段.當(dāng) X ∈DL時(shí),M=NLI(X);當(dāng)X∈DR時(shí),M=NRI(X).其中邏輯區(qū)段1～M沿節(jié)點(diǎn)所在車道行駛方向連續(xù)排列,空閑時(shí)隙依照時(shí)隙號(hào)由小到大,且沿車道行駛方向排列,逐一對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的邏輯區(qū)段,形成邏輯區(qū)段-空閑時(shí)隙映射表.

3.3 時(shí)隙分配過(guò)程

節(jié)點(diǎn)X判斷自己位于參考節(jié)點(diǎn)的第m個(gè)邏輯區(qū)段,則根據(jù)邏輯區(qū)段-空閑時(shí)隙映射表選擇在邏輯區(qū)段m對(duì)應(yīng)的空閑時(shí)隙tm競(jìng)爭(zhēng)接入信道,其中m∈ {1,2,3,···,M}.節(jié)點(diǎn)X的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)在時(shí)隙tm成功接收到節(jié)點(diǎn)X發(fā)送的數(shù)據(jù)后,將自己FI消息中時(shí)隙tm標(biāo)識(shí)為節(jié)點(diǎn)X的ID.若節(jié)點(diǎn)X在接下來(lái)一幀時(shí)長(zhǎng)內(nèi)接收的所有的FI消息中時(shí)隙tm均標(biāo)識(shí)為節(jié)點(diǎn)X的ID,則表示節(jié)點(diǎn)X成功占用時(shí)隙tm.否則表示節(jié)點(diǎn)X未成功占用時(shí)隙tm,與其他車輛節(jié)點(diǎn)發(fā)生信道沖突,則當(dāng)下一幀到來(lái)時(shí),節(jié)點(diǎn)X從對(duì)應(yīng)空閑時(shí)隙子集中隨機(jī)選擇一個(gè)空閑時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)信道.

若節(jié)點(diǎn)X成功占用時(shí)隙tm,則在接下來(lái)的每幀中都使用該時(shí)隙,直至發(fā)生信道沖突或該節(jié)點(diǎn)無(wú)通訊需求時(shí),才釋放該時(shí)隙.

3.4 可用空閑時(shí)隙集擴(kuò)展過(guò)程

節(jié)點(diǎn)X發(fā)現(xiàn)其可用空閑時(shí)隙集為空,即無(wú)空閑時(shí)隙可用,則節(jié)點(diǎn)X可將另一個(gè)行駛方向?qū)?yīng)的空閑時(shí)隙集擴(kuò)展為自己可用的空閑時(shí)隙集,并從中隨機(jī)選擇一個(gè)空閑時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)接入信道.

圖3表示了MDATS協(xié)議詳細(xì)的時(shí)隙分配示意圖,車輛節(jié)點(diǎn)A、E、F、G為成功節(jié)點(diǎn)且分別占用時(shí)隙7、時(shí)隙2、時(shí)隙3、時(shí)隙4.假設(shè)車輛節(jié)點(diǎn)B、C、D為右行駛方向上的新加入節(jié)點(diǎn)且同時(shí)準(zhǔn)備接入網(wǎng)絡(luò).為了更加簡(jiǎn)潔明了地介紹MDATS時(shí)隙分配過(guò)程,首先以車輛節(jié)點(diǎn)B為例詳細(xì)分析時(shí)隙占用過(guò)程.

車輛節(jié)點(diǎn)B根據(jù)GPS定位系統(tǒng)獲得地理位置信息,判斷自己的行駛方向?yàn)橛?當(dāng)車輛節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備接入網(wǎng)絡(luò)時(shí),首先在信道上偵聽(tīng)一幀的時(shí)長(zhǎng),通過(guò)接收車輛節(jié)點(diǎn)A、E、F、G的FI消息,獲知TL(B)={2,3,4},TR(B)={7},故而能夠計(jì)算出IL(B)={1,5},IR(B)={6,8,9,10}.由于車輛節(jié)點(diǎn)B其行駛方向?yàn)橛?故選擇空閑時(shí)隙集IR(B)作為可用空閑時(shí)隙集,可用空閑時(shí)隙數(shù)NRI=4.同時(shí),根據(jù)公式(1)計(jì)算得知其同向最近的成功節(jié)點(diǎn)為車輛節(jié)點(diǎn)A,則將車輛節(jié)點(diǎn)A通信區(qū)域沿著道路方向劃分為4個(gè)相等的邏輯區(qū)段,將邏輯區(qū)段與IR(B)的空閑時(shí)隙號(hào)進(jìn)行一一映射,形成邏輯區(qū)段-空閑時(shí)隙映射表.車輛節(jié)點(diǎn)B判斷自己位于邏輯區(qū)段1,則根據(jù)邏輯區(qū)段-空閑時(shí)隙映射表選擇與邏輯區(qū)段1對(duì)應(yīng)的空閑時(shí)隙6來(lái)競(jìng)爭(zhēng)接入信道.同理,由于車輛節(jié)點(diǎn)C、D與車輛節(jié)點(diǎn)B同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò),根據(jù)公式(1)計(jì)算同向最近的成功節(jié)點(diǎn)也是車輛節(jié)點(diǎn)A,故邏輯區(qū)段-空閑時(shí)隙映射表與車輛節(jié)點(diǎn)B的相同.車輛節(jié)點(diǎn)C、D判斷自己的行駛方向?yàn)橛?分別位于邏輯區(qū)段3與邏輯區(qū)段4,故車輛節(jié)點(diǎn)C選擇競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)隙9,車輛節(jié)點(diǎn)D選擇競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)隙10.

4 性能仿真與分析

本文利用交通流仿真軟件SUMO(Simulation of Urban Mobility)[20]和Matlab工具構(gòu)建VANET仿真環(huán)境.SUMO是一個(gè)微觀的、多模態(tài)的、空間連續(xù)的、時(shí)間離散的交通流仿真平臺(tái),通過(guò)道路環(huán)境和車輛行駛模型的設(shè)定生成相應(yīng)交通流數(shù)據(jù).仿真過(guò)程中,首先利用SUMO工具生成交通流數(shù)據(jù),將其導(dǎo)入Matlab中構(gòu)建VANET的通信環(huán)境,仿真VAENT MAC協(xié)議.本文所選的對(duì)比對(duì)象為DATS協(xié)議[19]、VeMAC協(xié)議[18]、ADHOC MAC協(xié)議[14].仿真參數(shù)如表1所示,仿真場(chǎng)景示意圖如圖4所示,本文采用3 km×3 km曼哈頓網(wǎng)格為道路拓?fù)湫螤?雙向四車道的道路場(chǎng)景如圖3.

圖3 MDATS時(shí)隙分配示意圖

圖4 仿真場(chǎng)景

表1 網(wǎng)絡(luò)性能仿真參數(shù)設(shè)置

假設(shè),每幀時(shí)長(zhǎng)為Tframe,幀數(shù)為n,每幀的時(shí)隙數(shù)量為N,新加入節(jié)點(diǎn)數(shù)為K.圖5表示n幀內(nèi)所有新加入節(jié)點(diǎn)成功獲得時(shí)隙的概率.當(dāng)N=20,K=20時(shí),若要保證9 5%以上的新加入節(jié)點(diǎn)成功獲得時(shí)隙,MDATS協(xié)議和DATS協(xié)議都需要4個(gè)幀長(zhǎng),即時(shí)延τ=4·Tframe;VeMAC協(xié)議需要 5個(gè)幀長(zhǎng),時(shí)延τ=5·Tframe;ADHOC MAC協(xié)議需要6個(gè)幀長(zhǎng),時(shí)延τ=6·Tframe.當(dāng)N=64,K=50時(shí),若要保證95%以上的新加入節(jié)點(diǎn)成功獲得時(shí)隙,MDATS協(xié)議和DATS協(xié)議都需要3個(gè)幀長(zhǎng),即時(shí)延 τ=3·Tframe;VeMAC協(xié)議需要4個(gè)幀長(zhǎng),時(shí)延 τ=4·Tframe;ADHOC MAC協(xié)議需要4個(gè)幀長(zhǎng),時(shí)延 τ=4·Tframe.MDATS協(xié)議相比于DATS協(xié)議,雖然整體時(shí)延相近,但在相同時(shí)間維度時(shí),MDATS協(xié)議有更多數(shù)量的節(jié)點(diǎn)成功獲得時(shí)隙.因?yàn)镸DATS協(xié)議將地理位置相近且同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)的新加入節(jié)點(diǎn)選擇的空閑時(shí)隙分散化,降低信道沖突的概率.MDATS協(xié)議相對(duì)于VeMAC協(xié)議至少能減少20%的接入時(shí)延,而比ADHOC MAC協(xié)議至少能減少30%的接入時(shí)延.

圖6表示每個(gè)幀成功獲取時(shí)隙節(jié)點(diǎn)的平均數(shù)目,即平均成功節(jié)點(diǎn)數(shù).由圖6可以看出,當(dāng)N=100,K=100時(shí),MDATS協(xié)議在5幀內(nèi)就能夠讓所有新加入節(jié)點(diǎn)都成功接入信道,而DATS協(xié)議需要6幀,VeMAC協(xié)議與ADHOC MAC協(xié)議則需要12幀.當(dāng)N=100,K=50時(shí),MDATS協(xié)議在3幀內(nèi)就能夠讓所有新加入節(jié)點(diǎn)都成功接入信道,而DATS協(xié)議需要4幀,VeMAC協(xié)議與ADHOC MAC協(xié)議則需要5幀.因此,當(dāng)N＞K時(shí),MDATS協(xié)議能夠使車輛節(jié)點(diǎn)相比于其他三類MAC協(xié)議更加快速地接入信道,且平均成功節(jié)點(diǎn)數(shù)更多.當(dāng)N=K時(shí),MDATS協(xié)議的優(yōu)勢(shì)就更為明顯.

圖5 n幀內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)成功獲得時(shí)隙的概率

圖6 平均成功節(jié)點(diǎn)數(shù)

圖7則是比較了不同節(jié)點(diǎn)密度下,MDATS、DATS、VeMAC、ADHOC MAC四種MAC協(xié)議在沖突節(jié)點(diǎn)數(shù)上的對(duì)比.相同節(jié)點(diǎn)密度的場(chǎng)景下,MDATS協(xié)議比DATS協(xié)議降低至少40%的沖突節(jié)點(diǎn)數(shù),比VeMAC協(xié)議降低至少50%的沖突節(jié)點(diǎn)數(shù),比

ADHOC MAC協(xié)議降低至少60%的沖突節(jié)點(diǎn)數(shù).其原因在于,MDATS協(xié)議通過(guò)借鑒空分多址的概念,將新加入節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)的空閑時(shí)隙在空間上分散化,降低信道沖突的概率.而DATS協(xié)議僅是將相對(duì)位置和行駛方向作為新加入節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)的空閑時(shí)隙的依據(jù),競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙選擇范圍較小,比MDATS協(xié)議更易發(fā)生信道沖突.VeMAC協(xié)議和ADHOC MAC協(xié)議則是完全隨機(jī)地選擇空閑時(shí)隙來(lái)競(jìng)爭(zhēng)接入信道,信道沖突概率比DATS協(xié)議更高.

圖7 沖突節(jié)點(diǎn)數(shù)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)VANET環(huán)境下,為了解決DATS協(xié)議中多節(jié)點(diǎn)同時(shí)接入信道時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)沖突問(wèn)題,提出改進(jìn)的分布式自適應(yīng)時(shí)分多址分配機(jī)制.MDATS協(xié)議借鑒空分多址的概念,新加入節(jié)點(diǎn)根據(jù)可用空閑時(shí)隙集的空閑時(shí)隙數(shù)將同向最近成功節(jié)點(diǎn)的通信區(qū)域劃分為若干邏輯區(qū)域,并形成邏輯區(qū)域與空閑時(shí)隙的映射關(guān)系.新加入節(jié)點(diǎn)根據(jù)邏輯區(qū)域-空閑時(shí)隙映射關(guān)系,則競(jìng)爭(zhēng)接入相應(yīng)的空閑時(shí)隙.MDATS協(xié)議將位置接近且同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)的新加入節(jié)點(diǎn)所競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)隙分散化,緩解信道沖突嚴(yán)重的情況.同時(shí),在MDATS協(xié)議利用可用空閑時(shí)隙擴(kuò)展過(guò)程代替了DATS協(xié)議復(fù)雜的左右時(shí)隙比例協(xié)商調(diào)整機(jī)制,當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)自己的可用空閑時(shí)隙集為空,即無(wú)空閑時(shí)隙可用時(shí),可將對(duì)向道路空閑時(shí)隙集作為自己的擴(kuò)展可用空閑時(shí)隙集使用,以提高時(shí)隙利用率.由仿真結(jié)果可得,MDATS協(xié)議中的車輛節(jié)點(diǎn)相比于DATS協(xié)議接入時(shí)延更小,節(jié)點(diǎn)能夠更加快速地接入信道,信道沖突率更低;當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度相同時(shí),MDATS協(xié)議相比于DATS協(xié)議降低至少40%的沖突節(jié)點(diǎn)數(shù);MDATS協(xié)議與VeMAC協(xié)議、ADHOC MAC協(xié)議相比,網(wǎng)絡(luò)性能提升更為顯著.