尚佳慶,鄭國強,2,馬華紅,吳紅海,李濟順,2,3

1(河南科技大學 信息工程學院,河南 洛陽 471023) 2(河南科技大學 河南省機械設計及傳動系統(tǒng)重點實驗室,河南 洛陽 471003) 3(礦山重型裝備國家重點實驗室,河南 洛陽 471039)

1 引 言

車聯(lián)網(wǎng)WAVE(Wireless Access in Vehicular Environment)協(xié)議是一種用于車與路邊設施、車與車之間通信的無線標準協(xié)議,其提出主要是為了適應車聯(lián)網(wǎng)通信中車輛高速移動、拓撲網(wǎng)絡動態(tài)變化快、車輛移動軌跡可預測和服務質量與應用相關等特點.該協(xié)議前身是專用短程通信技術DSRC(Dedicated Short Range Communication),后來經過IEEE組織完善,以802.11p和IEEE 1609協(xié)議為主組成了現(xiàn)在主流研究的WAVE協(xié)議.WAVE協(xié)議棧結構參考了OSI七層模型,結構上主要分為管理平面和數(shù)據(jù)平面,管理平面負責同步、信道功換等控制信息,數(shù)據(jù)平面負責數(shù)據(jù)信息的處理,包括添加/移除包頭等[1-3].本文研究的問題主要集中在WAVE MAC層部分.

WAVE MAC協(xié)議主要實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)通信中信息優(yōu)先級控制、信道時隙分配以及信息沖突處理功能,對車聯(lián)網(wǎng)通信具有決定性的影響[4].WAVE MAC協(xié)議使用的優(yōu)先級劃分機制和時隙分配機制雖然與傳統(tǒng)無線網(wǎng)MAC協(xié)議相比更適合車聯(lián)網(wǎng)通信的特點,但在提高道路安全類信息傳輸效率方面還存在以下問題:

1)WAVE MAC對信息劃分不明確,不能區(qū)分道路上信息的重要性且不考慮多用戶下的通信干擾,導致安全類信息投遞率低,影響行車安全.

2)WAVE MAC使用固定時隙分配機制,安全類信息只能在固定時隙階段傳輸,導致安全類信息傳輸時延增大.

3)WAVE MAC不支持信息跨時隙連續(xù)傳輸.當有一個較大的數(shù)據(jù)在當前時隙沒有傳輸完成,切換到下一時隙時,傳輸將被迫中斷且必須重新競爭信道完成傳輸,導致安全類數(shù)據(jù)的傳輸時延,引發(fā)車輛安全事故.

上述問題的存在,使得車聯(lián)網(wǎng)通信中安全類信息的傳輸效率大大降低,直接影響車輛行駛安全.針對這些問題,本文提出一種基于認知無線電技術的車聯(lián)網(wǎng)MAC協(xié)議,即CR-WAVE MAC協(xié)議,以提高安全類信息在投遞率和時延方面的性能.

2 相關工作

2.1 WAVE MAC協(xié)議概述

WAVE MAC協(xié)議是專為車聯(lián)網(wǎng)制定的MAC層通信協(xié)議,主要在信息優(yōu)先級劃分和信道時隙分配上根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)通信的特點對傳統(tǒng)無線網(wǎng)MAC協(xié)議進行改進.該協(xié)議信息優(yōu)先級劃分參考IEEE 802.11e協(xié)議的EDCA模式,定義了4個訪問類別(Access Categories,AC)和8個優(yōu)先級(User Priority,UP),并將8個優(yōu)先級映射到4個訪問類別中,如表1所示.優(yōu)先級在表中從低到高排列,7表示最高優(yōu)先級,1表示最低優(yōu)先級,0的優(yōu)先級在2和3之間.每個訪問類別都有一個表2中CWmin是最小競爭窗口;CWmax是最大競爭窗口;AIFS表示必須等待的信道空閑時間.在四個訪問類別中,AC(3)與AC(2)的優(yōu)先級較高,一般使用這兩個訪問類別發(fā)送交通安全消息.由上表可以看出,傳統(tǒng)的EDCA模式在只是簡單的將信息劃分為視頻、音頻、背景類和盡力而為類,這樣的劃分方法無法體現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)通信中信息的輕重緩急,而且默認的EDCA參數(shù)設置也沒有考慮附近的用戶數(shù),這會導致在用戶數(shù)量增多時信息傳輸干擾增大.

表1 EDCA機制優(yōu)先級劃分
Table 1 EDCA mechanism priority partition

優(yōu)先級AC用途14Backgroundtraffic24Backgroundtraffic03BestEfforttraffic33BestEfforttraffic42Videotraffic52Videotraffic61Voicetraffic71Voicetraffic

獨立的發(fā)送隊列,通過為每個訪問類別分配不同的競爭參數(shù)達到區(qū)分優(yōu)先級高低的目的[5].WAVE協(xié)議競爭控制信道過程所使用的EDCA默認參數(shù)值如表2所示.

表2 四種訪問類別默認EDCA值
Table 2 Default EDCA values for four access categories

ACCWminCWmaxAIFSNAC_VO(3)372AC_VI(2)7153AC_BE(0)1510236AC_BK(1)1510239

WAVE MAC協(xié)議在信道時隙分配上參考1609.4標準將5.9GHz的車聯(lián)網(wǎng)頻段分為了一條控制信道(Control Channel,CCH)和六條業(yè)務信道(Service Channel,SCH),共占有75MHz帶寬,每條信道占據(jù)10MHz帶寬.時域上,七條信道以100ms為一個同步間隔進行周期性的循環(huán),這100ms的同步間隔被均分為50ms的控制間隔(CCH interval)和50ms的業(yè)務間隔(SCH interval),如圖1所示.緊急信息在CCH間隔通過CCH信道傳輸,非緊急信息在SCH間隔通過SCH信道傳輸[6,7].雖然這種固定時隙分配機制使用上對路邊設備設計要求較低,但明顯不能適應復雜多變的道路交通環(huán)境和網(wǎng)絡負載變化,一旦安全信息傳輸需求突然增大容易造成信道阻塞.

圖1 WAVE MAC協(xié)議信道劃分Fig.1 Channel division of WAVE MAC protocol

2.2 相關MAC協(xié)議

近年來,對認知無線電技術的研究逐漸增多,研究發(fā)現(xiàn)認知無線電技術在保證重要信息傳輸質量和增加信道利用率方面作用很大,因此在很多方面都有認知無線電技術的應用,但是目前將認知無線電技術應用在車聯(lián)網(wǎng)通信方面的研究還很少.此外,對車聯(lián)網(wǎng)MAC協(xié)議信息優(yōu)先級和信道時隙分配方式的研究也一直在進行.文獻[8]提出的協(xié)議基于用戶信息的重要程度將其分為生命安全性、安全性、非安全性三大服務類型,其中生命安全性是指直接影響到駕駛員生命安全的一類信息.該文章提出的劃分方法符合車聯(lián)網(wǎng)通信的特點,從本質上區(qū)別了所要傳輸信息的重要性.文獻[9]基于專用短程通信的應用需求將信息分類,包括突發(fā)性安全事件連環(huán)撞車警告、緊急剎車警告、路口撞車警告和非安全性不停車收費、服務公告等.這種劃分方式更加明確,有利于駕駛員對所面臨狀況進行反應調整.本文也是參考了這類文章對信息的劃分方法,以車輛行駛過程中具體出現(xiàn)的業(yè)務類型對信息進行劃分.

在時隙分配和信道接入方面,文獻[10]提出VCI MAC協(xié)議主要利用動態(tài)CCH和SCH間隔的方法,該方法將CCH間隔進一步分為安全間隔和WSA間隔.在安全間隔傳輸安全相關的應用數(shù)據(jù),包括車輛狀態(tài)信息等.在WSA間隔提供服務的節(jié)點將廣播例如服務信息,使用的SCH標識等消息.動態(tài)的時隙分配有更好的適應性,能應對道路通信環(huán)境的不斷變化,提高行車安全.文獻[11]研究了一種基于時分多址的接入機制,避免了基于競爭接入機制帶來時延不確定的問題,通過給路邊設施及相向運動的車輛分配不同的時隙集的方式,有效減少了由于用戶移動性帶來的碰撞,為車聯(lián)網(wǎng)通信提供較好的質量保證.本文的時隙分配機制也參考了上述文章,引入認知無線電技術頻譜感知和分配功能進行調整,使之更適應車聯(lián)網(wǎng)通信特點.

3 CR-WAVE MAC協(xié)議設計

3.1 優(yōu)先級劃分機制

在車聯(lián)網(wǎng)實際通信中根據(jù)業(yè)務類型主要會產生兩大類信息,一類是比較重要的行車安全類信息,另一類是非行車安全類信息.CR-WAVE MAC協(xié)議將直接影響駕駛員生命的信息歸為PU,具體包括道路上發(fā)生的交通事故、出現(xiàn)的自然災害和突發(fā)性的車輛自身故障,這三種同時作為最高優(yōu)先級信息傳輸.交通管制信息也被歸為PU,但優(yōu)先級低于前三種.道路服務和娛樂類信息歸為SU,此類信息不會對駕駛安全造成嚴重影響,但此類信息一般傳輸較為頻繁.雖然作為SU對信道沒有主要使用權,但因為PU出現(xiàn)的頻率不高,所以在車聯(lián)網(wǎng)通信中占用信道的時間最長.四類優(yōu)先級劃分如表3所示.

表3 數(shù)據(jù)優(yōu)先級劃分
Table 3 Data priority partition

PU第一優(yōu)先級(PU1)交通事故(突發(fā)性)自然災害(突發(fā)性)車輛故障(突發(fā)性)第二優(yōu)先級(PU2)交通管制(計劃性)SU第三優(yōu)先級(SU1)道路服務(ETC)第四優(yōu)先級(SU2)娛樂服務

PU、SU類型信息具體EDCA參數(shù)會以車輛數(shù)和重傳次數(shù)為標準進行調整.一般情況下,優(yōu)先級較高的幀(k)在發(fā)送之前等待的最長時間為AIFS[k]加上最大的退避間隔時間,而優(yōu)先級較低的幀(k-1)在發(fā)送之前等待的最短時間為AIFS[k-1]加上最小的退避間隔時間,為了保證優(yōu)先級順序,前者的等待時間必須比后者的要短,用公式(1)表示:

AIFSN[k]+CWmax[k]≤AIFSN[k-1]+CWmin[k-1]

(1)

表4 四類優(yōu)先級EDCA參數(shù)
Table 4 Four types of priority EDCA parameters

優(yōu)先級Re(1)Re(2)Re(3)Re(4)AIFSNPU11234N4PU24567N2SU1101214N30SU2151719N15

每個應用的競爭窗口(CW)與仲裁幀間間隔數(shù)(AIFSN)都是隨交通狀況而變化的,CW會隨著重傳次數(shù)增多而線性增大,AIFSN的大小與通信范圍內車輛數(shù)量有關.表4列出了四類優(yōu)先級的具體EDCA參數(shù).其中,Re(n)表示第n次重傳時的競爭窗口,N是范圍內的車輛總數(shù).

使用表4中所列參數(shù)代入公式(1)中得出,當N一定時,較高優(yōu)先級信息的最長等待時間一定會小于較低優(yōu)先級信息的最短等待時間,這樣就保證了高優(yōu)先級信息能被優(yōu)先傳送.

3.2 時隙分配機制

CR-WAVE協(xié)議時隙分配機制的基礎是設置的路邊單元RSU設備加入信息優(yōu)先級劃分和CR感測功能.優(yōu)先級劃分功能是對RSU收集到的附近信息根據(jù)上一節(jié)提出的優(yōu)先級劃分機制進行信息處理,CR感測功能在CCH間隔開始階段進行主要完成3個工作,首先確認信道使用情況,建立信道狀態(tài)表,指示信道是處于空閑狀態(tài)還是忙狀態(tài);然后查詢是否有PU信息需要傳輸;最后給需要傳輸?shù)男畔⒎峙淇臻e信道開始傳輸.具體傳輸前,經過優(yōu)先級劃分機制將所有信息劃分為PU、SU后,信道時隙分配階段存在只有PU、只有SU和既有PU又有SU三種情況.由于只有SU類型信息的時隙分配機制對車輛安全行駛影響較小,所以在本節(jié)不予以討論,本節(jié)只討論存在PU類型信息的時隙分配機制.

3.2.1 僅出現(xiàn)PU類信息時隙分配

在時隙分配階段,當只有PU的情況下,感測時間結束后PU內部進行競爭,優(yōu)先級高的PU信息會最先開始傳輸,傳輸完成后接收方向RSU發(fā)送確認幀.在高優(yōu)先級PU傳輸完成后,繼續(xù)在該信道上進行低優(yōu)先級PU的傳輸,PU信息全部傳輸完成后,CCH間隔結束.在接收到傳輸完成指令前RSU不會進行時隙感測和爭用操作,數(shù)據(jù)傳輸完成后才返回正常的同步間隔和信道切換過程.時隙分配過程如圖2所示.

圖2 只存在PU的傳輸時隙圖Fig.2 Transmission slot diagram with only Pus

3.2.2 PU、SU信息同時出現(xiàn)時隙分配

在一般的道路通信環(huán)境中,非安全類信息的傳輸較為頻繁,在時隙分配上還是SU所占用的時間較長,但安全類信息的重要性高,所以在SU信息的傳輸時也必須隨時關注是否有PU信息需要傳輸.當同時存在PU和SU時,如果PU先出現(xiàn),RSU在CCH間隔CR感測時間發(fā)現(xiàn)有PU存在,就不再對后出現(xiàn)的SU進行處理,只為PU分配信道.等待PU全部傳輸完成后,在下一個同步間隔開始沒有感測到PU后才在當前信道進行SU信息的傳輸.如果SU先出現(xiàn),感測時間結束后SU內部進行競爭,高優(yōu)先級的SU贏得競爭開始傳輸.但在傳輸30ms后,系統(tǒng)會切換到SCH間隔階段并且在SCH間隔開始時運行一個簡化版的感測時間.簡化版的感測時間只會查詢此時是否有PU需要傳輸,當發(fā)現(xiàn)存在PU需要傳輸時,在當前信道中傳輸?shù)腟U會被終止并將信道讓給PU傳輸,在PU傳輸完成前同樣不進行信道感測和爭用操作.PU傳輸完成后SCH間隔結束,重新切換到CCH間隔開始感測時間.時隙分配過程如圖3所示.

圖3 PU和SU同時存在的傳輸時隙圖Fig.3 Transmission slot diagram with PUs and SUs

圖4 CR-WAVE MAC工作流程圖Fig.4 CR-WAVE MAC workflow diagram

3.3 MAC協(xié)議工作過程

CR-WAVE MAC協(xié)議的工作過程如圖4所示.路邊單元(RSU)事先對自身范圍內道路情況進行收集,隨后根據(jù)3.1提出的信息劃分規(guī)則對收集到信息進行優(yōu)先級劃分,將不同優(yōu)先級信息放入各自發(fā)送隊列.當有車輛駛入RSU范圍內時,RSU開始對信道使用情況進行感測,開始CR感測階段,感測階段完成后根據(jù)出現(xiàn)的信息類別進行具體時隙分配,完成傳輸.

4 實驗仿真與結果分析

本文只對MAC層協(xié)議進行研究,在仿真時其它層設置仍使用WAVE協(xié)議標準.在設置了相關的仿真參數(shù)后,對CR-WAVE MAC協(xié)議進行模擬,并與WAVE MAC協(xié)議和VCI MAC協(xié)議在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包投遞率、吞吐量和平均時延這三個方面作對比,分析實驗結果.

4.1 仿真參數(shù)設置

本實驗使用Matlab軟件對協(xié)議進行模擬仿真,選取10-50個車輛節(jié)點,物理層采用WAVE協(xié)議的配置,信道頻段范圍為5.8-5.9GHz,傳輸速率為6Mbit/s.仿真環(huán)境為城市道路環(huán)境,雙車道各長200m,道路中車速限制為60km/h,具體城市道路環(huán)境如圖5所示.安全類數(shù)據(jù)包,大小固定為300字節(jié).所有的數(shù)據(jù)包將基于單跳發(fā)送,不進行路由轉發(fā).具體仿真參數(shù)如表5所示.

圖5 城市道路環(huán)境圖Fig.5 City road environment map

4.2 仿真結果分析

本文在城市道路環(huán)境下將CR-WAVE MAC協(xié)議與WAVE MAC協(xié)議以及VCI MAC協(xié)議作對比,分析改進后的優(yōu)先級機制和時隙分配方式在數(shù)據(jù)包投遞率、吞吐量和時延上的優(yōu)勢.本文在進行仿真時,使用的數(shù)據(jù)包類型既包括道路安全類數(shù)據(jù)也包括非安全類數(shù)據(jù),在對比三種協(xié)議的投遞率和時延方面性能時只統(tǒng)計道路安全類數(shù)據(jù)包,而吞吐量的統(tǒng)計結果包括所有類型數(shù)據(jù)包.

表5 仿真參數(shù)設置
Table 5 Simulation parameters setting

參數(shù)名參數(shù)值車道數(shù)量2車道長度200m車速60km/h車輛數(shù)量10,20,30,40,50信道頻段范圍5.8-5.9GHz傳輸速率6Mbit/s信道數(shù)量1個CCH,6個SCHCWmin1CWmax19數(shù)據(jù)包大小300byte

從圖6可以看出,三種協(xié)議的數(shù)據(jù)包投遞率都會隨著車輛數(shù)目的增加而減少,但比較而言,CR-WAVE MAC協(xié)議的安全類數(shù)據(jù)包投遞率降幅更低.當車輛數(shù)目較少時,通信環(huán)境中空閑信道多,安全類數(shù)據(jù)與非安全類數(shù)據(jù)之間沖突干擾較少,三種協(xié)議的安全類數(shù)據(jù)包投遞率相差不大.當車輛數(shù)目增多,信道逐漸滿載,由于WAVE MAC協(xié)議優(yōu)先級機制不能準確區(qū)別安全類數(shù)據(jù)和非安全類數(shù)據(jù),且固定時隙分配方法不能保證安全類數(shù)據(jù)的傳輸成功率,導致安全類數(shù)據(jù)包的傳輸受到沖突干擾增多,投遞率快速降低,而VCI MAC協(xié)議和CR-WAVE MAC協(xié)議使用動態(tài)時隙劃分方法保證了安全類信息的高投遞率.此外,CR-WAVE MAC在優(yōu)先級劃分上也有相應改變,也對提高安全類數(shù)據(jù)的傳輸投遞率有積極影響,所以CR-WAVE MAC協(xié)議的安全類數(shù)據(jù)包傳輸投遞率受車輛數(shù)影響最低,降幅最小.

圖6 數(shù)據(jù)包投遞率Fig.6 Packet delivery ratio

從圖7可以看出,三種協(xié)議的平均時延都會隨著汽車數(shù)量的增多而增加,但以30輛汽車為限,少于30輛汽車時三種協(xié)議的平均時延相差不大,而當汽車數(shù)量多于30輛時,WAVE MAC協(xié)議時延急劇增大,VCI MAC協(xié)議和CR-WAVE MAC協(xié)議增幅較小,較WAVE MAC協(xié)議有明顯優(yōu)勢.當車輛較少時,通信環(huán)境中空閑信道多,各類數(shù)據(jù)間的干擾較小,CR-WAVE MAC協(xié)議由于在時隙切換階段存在感測時間,所以在車輛較少時時延會比另外兩種協(xié)議稍大.但當汽車數(shù)量增多,通信環(huán)境逐漸擁擠,WAVE MAC協(xié)議固定時隙分配方法不支持安全類數(shù)據(jù)跨時隙傳輸,頻繁切換控制和數(shù)據(jù)信道,導致網(wǎng)絡傳世時延急劇加大.VCI MAC協(xié)議增加的時隙間隔能降低安全類信息的傳輸時延,但每個CCH間隔被劃分出的WSA間隔只提高了非安全類信息傳輸效率而對安全類信息傳輸沒有顯著影響,所以在安全類信息傳輸時延方面不如本文提出的CR-WAVE MAC協(xié)議,CR-WAVE MAC協(xié)議通過動態(tài)時隙劃分,支持安全類數(shù)據(jù)連續(xù)不中斷傳輸,使得安全類數(shù)據(jù)的傳輸時延與其它兩種協(xié)議相比增幅最小.

圖7 平均時延Fig.7 Average Delay

圖8比較了三種協(xié)議的在吞吐量方面的性能表現(xiàn),三種協(xié)議中CR-WAVE MAC協(xié)議和VCI MAC協(xié)議的吞吐量性能較WAVE MAC協(xié)議有較大提升.WAVE MAC協(xié)議的固定時隙不僅導致信道利用率低,同時也不支持數(shù)據(jù)包的連續(xù)傳輸,極大的降低了網(wǎng)絡吞吐量.而VCI MAC協(xié)議對CCH間隔重新劃分出的WSA間隔提高了非安全類信息的傳輸效率,所以在統(tǒng)計所有類型數(shù)據(jù)包后網(wǎng)絡吞吐量性能表現(xiàn)最好.本文提出的CR-WAVE MAC協(xié)議的目的是保證安全駕駛所以重點關注安全類信息的傳輸效率,在安全類信息傳輸效率上較其它兩種協(xié)議有較大程度提高,總體網(wǎng)絡吞吐量高于WAVE MAC協(xié)議且與VCI MAC協(xié)議相差較小.因此,本文提出協(xié)議在保證安全類信息傳輸效率方面優(yōu)于另兩種協(xié)議.

圖8 吞吐量Fig.8 Throughput

5 結束語

本文針對車聯(lián)網(wǎng)WAVE MAC協(xié)議存在的問題,提出一種基于認知無線電技術的CR-WAVE MAC協(xié)議.該協(xié)議改進信息優(yōu)先級劃分機制,使用業(yè)務類型和用戶數(shù)作為劃分依據(jù),同時在時隙分配上引入認知無線電技術,摒棄了原有的固定時隙分配機制,根據(jù)道路通信環(huán)境自適應合理分配傳輸時隙,優(yōu)先為安全類信息分配信道.通過仿真,對CR-WAVE MAC協(xié)議、WAVE MAC協(xié)議和VCI MAC協(xié)議進行性能比較和分析,結果表明CR-WAVE MAC協(xié)議能提高安全類數(shù)據(jù)包投遞率,降低傳輸時延并且提高總體網(wǎng)絡吞吐量,有效提高安全信息傳輸效率.