任秀麗，陳梓航

(遼寧大學(xué) 信息學(xué)院，沈陽(yáng) 110036) E-mail：892529546@qq.com

1 引 言

車載自組網(wǎng)(Vehicular Ad-hoc NETwork，VANET)是傳統(tǒng)移動(dòng)自組織網(wǎng)在交通領(lǐng)域的重要應(yīng)用，其通過(guò)車載單元(On-Board Unit，OBU)和路側(cè)單元(Road Side Unit，RSU)實(shí)現(xiàn)車與車、車與道路間的雙向通信.美國(guó)IEEE 1609工作組在IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)[1]基礎(chǔ)上，根據(jù)VANET的特殊需求為其制定了IEEE 1609.4標(biāo)準(zhǔn)[2].該標(biāo)準(zhǔn)將75MHz的專用帶寬劃分成1條控制信道(Control CHannel，CCH)和6條服務(wù)信道(Service CHannel，SCH)，并規(guī)定了信道接入的同步周期為100ms.由于固定的同步周期劃分不適合高移動(dòng)性的車載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，因此，研究一種適合VANET環(huán)境的高效、可靠的MAC協(xié)議具有重要意義.

目前，車載自組織網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議按節(jié)點(diǎn)切換信道的工作方式分為時(shí)間同步切換和時(shí)間異步切換.在時(shí)間同步MAC協(xié)議中，文獻(xiàn)[3-5]提出了一種可變CCH周期的方法，有效地提高了信道吞吐量，但在數(shù)據(jù)周期內(nèi)會(huì)造成CCH資源的浪費(fèi).文獻(xiàn)[6]采用自排序過(guò)程形成隊(duì)列，按照隊(duì)列順序訪問信道，減少時(shí)延但時(shí)間同步所導(dǎo)致的信道空閑問題仍然存在.文獻(xiàn)[7]提出一種基于分簇的移動(dòng)感知分布式多信道MAC協(xié)議(Distribute Multichannel and Mobility-Aware Cluster-based，DMMAC)，雖基于簇的分配機(jī)制在信道空間利用率上占有很大優(yōu)勢(shì)[8]，但為保證簇內(nèi)成員間的可靠通信，簇頭傳輸范圍減小，從而影響到安全應(yīng)用的性能.在時(shí)間異步MAC協(xié)議中，分布式多信道異步MAC方案(Asynchronous Multi-channel MAC，AMMAC)[9]將50ms首尾相接的控制周期分成100個(gè)等長(zhǎng)的時(shí)間槽，按照優(yōu)先級(jí)的高低分配不同數(shù)量的時(shí)間槽，每個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇時(shí)間槽接入信道，安全消息不受這種約束.但這種時(shí)間槽分配與選擇機(jī)制略顯復(fù)雜進(jìn)而影響協(xié)議的運(yùn)行穩(wěn)定性.為了解決這個(gè)問題，文獻(xiàn)[10]中提出基于時(shí)分復(fù)用的異步多信道MAC協(xié)議(Asynchronous TDMA-based Multi-channel MAC，ATMP)采用簡(jiǎn)單的時(shí)分復(fù)用機(jī)制將周期分成5個(gè)時(shí)隙，節(jié)點(diǎn)等概率隨機(jī)選擇接入時(shí)隙，攜帶服務(wù)信息的節(jié)點(diǎn)只有在自己時(shí)隙內(nèi)才能競(jìng)爭(zhēng)信道，這減少了控制信道上的碰撞概率，但不適用于稀疏網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，不具備一般性.文獻(xiàn)[11]提出一種高效可靠的MAC協(xié)議允許節(jié)點(diǎn)在控制周期和數(shù)據(jù)周期內(nèi)各廣播一次安全信息，提高了安全信息的可靠性，但傳輸安全信息時(shí)，較高的計(jì)算復(fù)雜度會(huì)增大網(wǎng)絡(luò)時(shí)延.

因此，本文針對(duì)上述問題，提出一種基于分簇的多優(yōu)先級(jí)MAC協(xié)議.該協(xié)議采用時(shí)間異步和多優(yōu)先級(jí)接入機(jī)制，在保證安全信息實(shí)時(shí)可靠傳輸前提下，使消息按優(yōu)先級(jí)別訪問控制信道；基于移動(dòng)感知位置分簇算法完成簇頭選舉及分簇過(guò)程，并提出服務(wù)信道預(yù)約選擇方法，提高信道的吞吐量.

2 網(wǎng)絡(luò)模型

車載自組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的頻繁動(dòng)態(tài)變化和車輛的高速移動(dòng)為MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)帶來(lái)極大挑戰(zhàn).為使安全信息以最小時(shí)延并在可容忍范圍內(nèi)訪問信道，以適用于不同交通流量.VANET情景模型，如圖1所示.圖中橢圓部分成簇，各簇由一個(gè)簇頭和若干簇成員組成.考慮到由N輛車形成的車載自組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)中存在m個(gè)簇及t個(gè)其他節(jié)點(diǎn)(稱為孤兒節(jié)點(diǎn))，si代表第i個(gè)簇的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù).因此，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)目集合為S={s1，s2，…，sm}，N滿足公式(1).

(1)

圖1 VANET情景分簇示意圖Fig.1 VANET scenario with clustering of vehicles

現(xiàn)對(duì)該網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景作以下假設(shè)：

1)每個(gè)節(jié)點(diǎn)均配有GPS車載設(shè)備.

2)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有兩種發(fā)射功率，分簇完成后，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)使用低發(fā)射功率進(jìn)行簇內(nèi)通信，簇頭節(jié)點(diǎn)使用高發(fā)射功率進(jìn)行簇外通信.

3)新節(jié)點(diǎn)的通信及簇內(nèi)通信皆在1條服務(wù)信道上完成，該條服務(wù)信道是隨機(jī)選擇的；其余5條服務(wù)信道仍用于傳輸服務(wù)消息.

4)每隔一個(gè)傳輸半徑都有一個(gè)RSU，用于與簇頭進(jìn)行簇外通信；每個(gè)RSU可以互相傳輸信息.

3 ACMP協(xié)議

ACMP協(xié)議主要包括以下四個(gè)方面：時(shí)間異步、多優(yōu)先級(jí)訪問信道機(jī)制、基于移動(dòng)位置感知的分簇算法、服務(wù)信道預(yù)約與選擇方法.ACMP協(xié)議中所用符號(hào)，如表1所示.

3.1 時(shí)間異步

為解決大多數(shù)時(shí)間同步協(xié)議信道利用率低的問題，ACMP協(xié)議采用如下改進(jìn)的時(shí)間異步切換方式[9，10]：不進(jìn)行服務(wù)信息收發(fā)的節(jié)點(diǎn)，繼續(xù)監(jiān)聽控制信道；節(jié)點(diǎn)按照3.4節(jié)所提出的預(yù)約信道方法對(duì)服務(wù)信道進(jìn)行無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的訪問.當(dāng)節(jié)點(diǎn)預(yù)約信道完成時(shí)，就會(huì)立刻轉(zhuǎn)到已預(yù)約的信道上，進(jìn)行有關(guān)服務(wù)信息的傳輸.服務(wù)信息全部傳輸完成后，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)到控制信道繼續(xù)監(jiān)聽.為使當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的新節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到緊急消息，所有簇頭節(jié)點(diǎn)將會(huì)在同步周期的空閑時(shí)隙進(jìn)行廣播，如圖2所示.與時(shí)間同步的協(xié)議不同，ACMP協(xié)議沒有嚴(yán)格的控制周期和服務(wù)周期的界限，不需要所有節(jié)點(diǎn)同步地在控制信道和服務(wù)信道之間切換，最終使信道的資源得到充分利用.信道利用率提高的同時(shí)，也帶來(lái)了控制信道和服務(wù)信道吞吐量的提高.

表1 符號(hào)定義Table 1 Notations definition

圖2 ACMP協(xié)議的同步周期框架Fig.2 Synchronization interval framework of the ACMP protocol

3.2 多優(yōu)先級(jí)訪問信道機(jī)制

在非飽和的車載自組網(wǎng)中，為保證安全信息可靠、實(shí)時(shí)傳輸，ACMP協(xié)議將在CCH上傳遞的信息分為三種類型：緊急的事件驅(qū)動(dòng)型信息，一般的信標(biāo)信息和非緊急的控制信息，優(yōu)先級(jí)依次降低，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都應(yīng)采用IEEE 802.11e增強(qiáng)型分布式協(xié)調(diào)接入機(jī)制.在該機(jī)制中，不同優(yōu)先級(jí)接入類型(Access Category，AC)使用可變的仲裁幀間間隔(Arbitration Inter Frame Space，AIFS)和競(jìng)爭(zhēng)窗口(Contention Windows，CW)來(lái)獲得不同的訪問信道機(jī)會(huì).當(dāng)信道空閑時(shí)，對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)信道的節(jié)點(diǎn)，本文將改變AIFS和競(jìng)爭(zhēng)窗口的大小執(zhí)行延時(shí)退避，仲裁幀間間隔為：

AIFSACi=AIFSNACi×SlotTime+SIFS

(2)

其中：AIFSN為仲裁幀間間隔數(shù)，SlotTime為一個(gè)時(shí)隙的長(zhǎng)度，SIFS為常量短幀幀間間隔.設(shè)置AC1，AC2，AC3的AIFSN值分別為2，2，3；競(jìng)爭(zhēng)窗口分別為7，15，15.相較于AC2和AC3的分組，AC1的分組具有較小的AIFS和CW值，故其在傳輸前將獲得較高的傳輸概率和較少的退避時(shí)間.根據(jù)多優(yōu)先級(jí)訪問機(jī)制，ACMP協(xié)議控制周期包括三個(gè)階段，如圖2所示.緊急階段，用來(lái)傳輸緊急的安全信息SA(safety)；信標(biāo)階段，用來(lái)廣播擴(kuò)展的Beacon；服務(wù)階段，用來(lái)傳輸新增節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展Beacon和WSA(Wave Service Advertisement，WSA)服務(wù)、發(fā)送請(qǐng)求幀(Request To Send，RTS)以及確認(rèn)幀(Clear To Send，CTS).

3.3 基于移動(dòng)位置感知的分簇算法

3.3.1 簇頭的選舉

簇頭的選擇是分簇算法中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)之一，直接關(guān)系著簇的有效運(yùn)行時(shí)間和穩(wěn)定程度.ACMP協(xié)議提出了簇頭選擇參數(shù)：簇頭系數(shù)CCP，并將此參數(shù)寫入信標(biāo)幀中.具體實(shí)現(xiàn)如下：

在信標(biāo)階段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在信標(biāo)幀中擴(kuò)展以下三個(gè)部分來(lái)完成簇頭的選舉過(guò)程：(1)自身ID，占8byte；(2)所屬簇簇頭ID，占8byte；(3)簇頭參數(shù)，占4byte.信標(biāo)幀結(jié)構(gòu)，如圖3所示.與DMMAC協(xié)議不同，不需要傳遞額外的狀態(tài)信息占用控制信道.

圖3 信標(biāo)幀結(jié)構(gòu)Fig.3 Framework of beacon frame

本文采取如下三種信息作為簇頭系數(shù)的量化標(biāo)準(zhǔn)：

1)位置信息.網(wǎng)絡(luò)中每輛車計(jì)算其最佳簇頭位置及距最佳簇頭的距離，例如：第i個(gè)節(jié)點(diǎn)以自身的位置為原點(diǎn)，自身的行駛方向?yàn)閤軸正半軸建立直角坐標(biāo)系.假設(shè)第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍內(nèi)有ni個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的位置通過(guò)坐標(biāo)(X,Y)={(x1,xy),(x2,y2),L,(xni,yni)}表示出來(lái).最佳簇頭的坐標(biāo)，如公式(3)所示；并計(jì)算第i個(gè)節(jié)點(diǎn)到最佳簇頭的距離di，如公式(4)所示.

(3)

(4)

(5)

vmax=max{|vi-v1|，|vi-v2|，…，|vi-vni|}

(6)

3)行駛方向信息.每輛車計(jì)算其傳輸范圍內(nèi)與之同向的車輛個(gè)數(shù)，例如：第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍內(nèi)有ni個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，速度同2)，那么其同向車個(gè)數(shù)Nsd，如公式(7)所示.

(7)

為在未來(lái)時(shí)刻使簇頭和簇內(nèi)成員仍處于彼此通信范圍內(nèi)，避免頻繁變換簇結(jié)構(gòu)，此刻應(yīng)選擇簇頭系數(shù)較大的節(jié)點(diǎn)，簇頭系數(shù)越大代表其成為簇頭的可能性越大，如公式(8)所示；Ps為位置量化標(biāo)準(zhǔn)；Po為速度量化標(biāo)準(zhǔn)；Pc為方向量化標(biāo)準(zhǔn).

(8)

其中α，β，λ為感知位置量化標(biāo)準(zhǔn)的三個(gè)權(quán)值，且

(9)

設(shè)置α=0.4，β=λ=0.3，將在4.4節(jié)給出參數(shù)取值的實(shí)驗(yàn)分析.

3.3.2 分簇算法的實(shí)現(xiàn)

簇頭選舉完成后，簇頭將在其傳輸范圍內(nèi)廣播簇頭消息，監(jiān)聽到該消息的節(jié)點(diǎn)將CHID設(shè)置為簇頭的ID，節(jié)點(diǎn)向CH發(fā)送ACK幀，CH收到其ACK幀更新簇成員信息表，節(jié)點(diǎn)成功加入簇；新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)入簇流程如圖4所示.具體實(shí)現(xiàn)如下：

圖4 新節(jié)點(diǎn)入簇流程圖Fig.4 Process of new nodes join in cluster

步驟 1.新節(jié)點(diǎn)進(jìn)入該網(wǎng)絡(luò)時(shí)，將會(huì)發(fā)送請(qǐng)求加入簇?cái)?shù)據(jù)包CFR.

步驟 2.在一定時(shí)間內(nèi)，節(jié)點(diǎn)是否收到允許加入簇?cái)?shù)據(jù)包CFA.若收到，節(jié)點(diǎn)立即在CCH上廣播其信標(biāo)信息，CH監(jiān)聽到其信標(biāo)信息會(huì)自動(dòng)更新簇成員信息表CMT，節(jié)點(diǎn)成為該簇的成員，新節(jié)點(diǎn)成功加入簇.如該節(jié)點(diǎn)的CCP符合簇頭選舉標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)點(diǎn)將會(huì)被選舉為新的簇頭.注意：如果節(jié)點(diǎn)收到不止一個(gè)CFA包，選擇簇頭ID號(hào)較小的簇加入.否則，執(zhí)行步驟3.

步驟 3.新節(jié)點(diǎn)將暫時(shí)成為一個(gè)“孤兒”節(jié)點(diǎn)，不屬于任何簇也不屬于此網(wǎng)絡(luò).判斷節(jié)點(diǎn)是否收到CFR，若收到，該節(jié)點(diǎn)將會(huì)與發(fā)送CFR的源節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)新簇，簇頭可隨機(jī)選取.否則，轉(zhuǎn)回步驟1.

3.4 服務(wù)信道的預(yù)約與選擇

3.4.1 服務(wù)階段的協(xié)商

與IEEE 1609.4不同，本協(xié)議采用預(yù)約信道方式完成對(duì)服務(wù)信道的無(wú)競(jìng)爭(zhēng)訪問，每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)見表2.簇成員信息表MIL、簇活動(dòng)成員預(yù)約表ARL和信道可用表CUL，表結(jié)構(gòu)分別如表2(a)、(b)和(c)所示.

服務(wù)信道的具體預(yù)約過(guò)程如下：

步驟 1.WSA分組的廣播.在服務(wù)階段，服務(wù)提供者向網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)廣播WSA分組，分組包括將要使用的SCH編號(hào)以及該服務(wù)傳輸時(shí)間長(zhǎng)度、服務(wù)提供者ID等其它信息.

表2 ACMP協(xié)議中的三種表結(jié)構(gòu)Table 2 Three lists structure in ACMP protocol

(b)簇活動(dòng)成員預(yù)約表ARL活動(dòng)成員ID預(yù)約信道編號(hào)預(yù)約信道時(shí)隙數(shù)據(jù)傳輸開始時(shí)間ID12O_t1S_t1…………(c)信道可用表CUL可用信道編號(hào)信道可用時(shí)隙1U_t1……

步驟 2.活動(dòng)節(jié)點(diǎn)(感興趣的節(jié)點(diǎn))的預(yù)約.其它節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到該WSA分組，若對(duì)該服務(wù)感興趣，就會(huì)向CH發(fā)送一個(gè)預(yù)約聲明，表明自己有信息要在SCH上傳輸，執(zhí)行步驟3；否則，節(jié)點(diǎn)將會(huì)繼續(xù)監(jiān)聽CCH.

步驟 3.CH完善簇活動(dòng)成員預(yù)約表.CH將會(huì)收集簇內(nèi)所有活動(dòng)節(jié)點(diǎn)聲明，首先為活動(dòng)節(jié)點(diǎn)分配可用信道：對(duì)照MIL中活動(dòng)節(jié)點(diǎn)傳輸所用信道編號(hào)與WSA分組的信道編號(hào)，取其編號(hào)相同的信道來(lái)完成預(yù)約過(guò)程.如有多個(gè)，可隨機(jī)選取一個(gè).CH就會(huì)為該節(jié)點(diǎn)預(yù)約此信道進(jìn)行服務(wù)消息的傳輸；之后CH將為活動(dòng)節(jié)點(diǎn)分配可用時(shí)隙：基于CUL的信道可用時(shí)隙，按照3.4.2節(jié)所排順序?yàn)楣?jié)點(diǎn)預(yù)約信道.在預(yù)約信息寫入ARL之前，CH會(huì)檢查預(yù)約信道號(hào)是否與預(yù)約表中已有預(yù)約信道號(hào)有沖突.如有沖突，就會(huì)在其開始傳輸時(shí)間上加一個(gè)等待時(shí)隙，等待時(shí)隙為信道釋放時(shí)間加上保護(hù)間隔GI.

步驟 4.CH向服務(wù)提供商發(fā)送RTS.簇內(nèi)所有活動(dòng)節(jié)點(diǎn)的預(yù)約信息全部寫入ARL后，CH將從[0，We]中隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)隙向服務(wù)提供商發(fā)送包括活動(dòng)成員預(yù)約表及服務(wù)提供商ID的RTS并在簇內(nèi)廣播ARL.其它CH監(jiān)聽到RTS根據(jù)幀內(nèi)信息更新自己的CUL.

步驟 5.服務(wù)提供商向CH回復(fù)CTS.幀中包括自身ID和簇頭ID.若CTS成功接收，表明信道預(yù)留成功.相應(yīng)節(jié)點(diǎn)立即切換到已預(yù)約SCH進(jìn)行服務(wù)信息的傳輸.傳輸完成后，立即釋放信道，繼續(xù)監(jiān)聽控制信道.

3.4.2 信道內(nèi)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)的排序

在一個(gè)同步周期內(nèi)，當(dāng)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道時(shí)，速度對(duì)簇頭到簇成員間的距離影響不大，因此在排序過(guò)程中只考慮相對(duì)位置和行駛方向?qū)Υ爻蓡T的影響.將簇頭指定為參照物，簇頭前方節(jié)點(diǎn)到簇頭的距離為正，反之為負(fù).與簇頭同向的方向系數(shù)為1，反之為-1.本文定義a_dis為實(shí)際位移，其意義為簇成員離開本簇的可能性，如公式(10)所示.

a_dis=μ·s

(10)

公式(10)中μ代表方向系數(shù)，s代表簇頭到簇成員真正距離.a_dis值越大的節(jié)點(diǎn)離開簇的可能性越大，因此要先為a_dis值大的節(jié)點(diǎn)預(yù)約信道.當(dāng)a_dis值相同時(shí)將會(huì)看μ的取值，將μ值為負(fù)的節(jié)點(diǎn)順序排到前面，這樣就完成信道內(nèi)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)的排序過(guò)程.按圖5所示的環(huán)境況下，以節(jié)點(diǎn)A為簇頭，簇內(nèi)的活動(dòng)節(jié)點(diǎn)分別為B、C、D和E，則其排列順序?yàn)镈、B、E和C.

圖5 網(wǎng)絡(luò)中簇內(nèi)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)排序示意圖Fig.5 Schematic diagram of active nodes in a cluster

4 仿真及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證協(xié)議的有效性，在NS-2的仿真環(huán)境下，結(jié)合交通仿真軟件SUMO[12]生成的雙向四車道交通場(chǎng)景，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn).仿真中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)量都相同，主要考察節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)各性能的影響.在大規(guī)模的車載自組網(wǎng)中，ACMP協(xié)議主要解決控制信道碰撞率較高所造成的安全信息延遲及信道吞吐量較低等問題，因此仿真實(shí)驗(yàn)分析安全消息時(shí)延、服務(wù)信道的有效吞吐量及簇穩(wěn)定程度的性能指標(biāo)，結(jié)果與IEEE1609.4、ATMP和DMMAC進(jìn)行比較.仿真參數(shù)設(shè)置如表3所示.

表3 仿真參數(shù)Table 3 Simulation parameters

4.1 安全消息平均時(shí)延

首先，比較隨著節(jié)點(diǎn)密度的變化，消息平均時(shí)延的變化情況.根據(jù)文獻(xiàn)[6]建立馬爾可夫模型并結(jié)合泊松過(guò)程模擬攜帶不同優(yōu)先級(jí)信息的節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)控制信道的過(guò)程，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)消息平均時(shí)延，如公式(11)所示.

(11)

圖6 安全消息時(shí)延隨節(jié)點(diǎn)密度變化Fig.6 Time delay of safety informationversus vehicle density

4.2 服務(wù)信道吞吐量

服務(wù)信道吞吐量是指單位時(shí)間內(nèi)服務(wù)信道成功接收的比特?cái)?shù)，本文中主要受成功預(yù)約服務(wù)信道的節(jié)點(diǎn)數(shù)及在一個(gè)同步周期中簇頭首次收到CTS的時(shí)間的影響.圖7是節(jié)點(diǎn)密度對(duì)服務(wù)信道吞吐量的影響情況.隨著節(jié)點(diǎn)密度增加，這四種協(xié)議的吞吐量都有一個(gè)先增加后減少的趨勢(shì).當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度為0.3米/輛時(shí)，ACMP的服務(wù)吞吐量比IEEE 1609.4標(biāo)準(zhǔn)提高近52.6%，比DMMAC提高36.1%，比ATMP提高21.9%.這是由于IEEE 1609.4和DMMAC的控制周期為固定的50ms，在節(jié)點(diǎn)稀疏時(shí)，服務(wù)信道吞吐量會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)密度增大而增加；當(dāng)服務(wù)信道達(dá)到飽和后，節(jié)點(diǎn)密度的增加會(huì)使服務(wù)信道的競(jìng)爭(zhēng)加劇，進(jìn)而使分組投遞率下降，造成服務(wù)信道吞吐量降低.ATMP協(xié)議和ACMP協(xié)議都采用無(wú)競(jìng)爭(zhēng)訪問服務(wù)信道方式，因此吞吐量會(huì)高于前兩種協(xié)議.另外， ACMP協(xié)議隨著節(jié)點(diǎn)密度增大，簇內(nèi)活動(dòng)成員增加致使預(yù)約信道數(shù)增加，會(huì)有更小的時(shí)延，更早完成服務(wù)信道的數(shù)據(jù)傳輸，比其它協(xié)議較晚進(jìn)入飽和狀態(tài).

圖7 SCH吞吐量隨節(jié)點(diǎn)密度變化Fig.7 Throughput of SCH with respect to vehicle density

4.3 簇頭平均時(shí)間

本協(xié)議采用分簇算法來(lái)完成對(duì)服務(wù)信道的預(yù)約，因此在考慮簇的穩(wěn)定程度上定義簇頭平均時(shí)間CHT參數(shù)，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中簇的有效運(yùn)行時(shí)間如下：

(12)

其中E[CHT]為簇頭平均時(shí)間，n為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的CH數(shù)量，TCH為簇頭運(yùn)行的有效時(shí)間.圖8顯示的是在服務(wù)分組大小固定的情況下，兩種協(xié)議隨節(jié)點(diǎn)密度的增加，簇頭平均時(shí)間也會(huì)增加.當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度為0.25輛/米時(shí)，ACMP的CHT比DMMAC提高近14.3%，因?yàn)锳CMP采用移動(dòng)感知位置的簇頭選舉算法，簇頭壽命明顯提高，因此簇的有效運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng).隨著節(jié)點(diǎn)密度升高，兩種協(xié)議的CHT差距逐漸減小.這是由于位置對(duì)CHT的影響不大，簇的穩(wěn)定性得到提升.

圖8 簇頭平均時(shí)間隨節(jié)點(diǎn)密度變化Fig.8 Average CH time versus vehicle density

4.4 相關(guān)參數(shù)討論

為獲得權(quán)值α、β和λ的最佳取值，圖9為四種量化標(biāo)準(zhǔn)與簇結(jié)構(gòu)重組次數(shù)的關(guān)系.從圖上可知：速度和方向?qū)Υ亟Y(jié)構(gòu)重組次數(shù)的影響大致相同，因此設(shè)置權(quán)值β=λ.為得出權(quán)值間的關(guān)系，用公式(13)進(jìn)行采樣計(jì)算：

圖9 不同權(quán)值簇結(jié)構(gòu)重組次數(shù)隨時(shí)間變化Fig.9 Recombination times of cluster structure changed with different weights over time

(13)

sk表示Ps的樣本，ok表示Po的樣本.公式(13)的計(jì)算結(jié)果為0.1.即α-β=0.1，根據(jù)公式(9)，可求得α=0.4，β=λ=0.3.

5 結(jié) 論

本文從提高信道利用率角度出發(fā)，提出一種保證安全信息實(shí)時(shí)且可靠的MAC協(xié)議.該協(xié)議將控制信道傳輸?shù)男畔澐殖刹煌悇e，以確保高優(yōu)先級(jí)信息的實(shí)時(shí)可靠的傳輸.并通過(guò)基于移動(dòng)位置感知的分簇算法，增強(qiáng)簇的穩(wěn)定性，在分簇的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)服務(wù)信道預(yù)約，有效地降低碰撞概率，從而增大信道的吞吐量.在交通稀疏時(shí)，ACMP協(xié)議會(huì)為節(jié)點(diǎn)預(yù)約更多的服務(wù)信息；在交通密集時(shí)，在保證與安全有關(guān)的信息可靠傳輸?shù)幕A(chǔ)上，使服務(wù)信道得到充分利用，達(dá)到控制信道和服務(wù)信道較為均衡的狀態(tài).在后續(xù)的研究工作中，將會(huì)完善該協(xié)議，使其適用于多種道路環(huán)境并且在簇的維護(hù)上會(huì)有進(jìn)一步的研究.