歐莽 汪繼文

(安徽大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230601)

作為智能交通的重要組成部分，車載自組織網(wǎng)(Vehicular Ad hoc Networks，VANETs)包含兩種基本通信方式：車輛與車輛之間(Vehicle to Vehicle，V2V)以及車輛與路側(cè)單元(Road Side Unit，RSU)之間(Vehicle to Infrastructure，V2I)通信[1-2]。V2I通信能夠?qū)崿F(xiàn)碰撞預(yù)警、交通信息播報(bào)、位置感知和信息娛樂(lè)等移動(dòng)分布式應(yīng)用，一直是智能交通領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。然而，由于動(dòng)態(tài)拓?fù)?、信道衰落和多普勒效?yīng)，VANETs環(huán)境中的信道條件相比一般無(wú)線環(huán)境更差，使得如何及時(shí)可靠地將數(shù)據(jù)從行駛車輛傳送到路邊RSU面臨著很大挑戰(zhàn)[3- 5]。

由于媒體訪問(wèn)控制層(Media Access Control，MAC)協(xié)議直接控制著數(shù)據(jù)分組在無(wú)線信道上的收發(fā)過(guò)程，如何設(shè)計(jì)有效可靠的MAC協(xié)議一直是VANETs研究領(lǐng)域的關(guān)鍵。分布式時(shí)分多址(Distributed Time Division Multiple Access，DTDMA)協(xié)議[6- 12]近年來(lái)成為人們探究的熱點(diǎn)，例如ADHOC MAC[8]，VeMAC[9- 10]，sdnMAC[11]，MoMAC[12]和DTMAC[13]等，其中最具代表性的協(xié)議是VeMAC協(xié)議。大量的分析和實(shí)驗(yàn)表明，VeMAC協(xié)議不但能夠滿足VANETs安全應(yīng)用對(duì)服務(wù)質(zhì)量(QoS)的嚴(yán)格要求，而且，相對(duì)于IEEE802.11系列協(xié)議，它在信道利用率、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和協(xié)議公平性等方面均獲得了較好的性能[9- 10，14- 16]。

由于有限的頻譜資源，單純從點(diǎn)到點(diǎn)無(wú)線信道來(lái)提升網(wǎng)絡(luò)性能面臨諸多瓶頸，而協(xié)作通信可以利用無(wú)線信道的廣播特性通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作來(lái)提高無(wú)線鏈路的可靠性。文獻(xiàn)[17]中，協(xié)作節(jié)點(diǎn)在源節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙期間執(zhí)行協(xié)作重傳，當(dāng)不存在協(xié)作節(jié)點(diǎn)時(shí)，源節(jié)點(diǎn)重新發(fā)送失敗的數(shù)據(jù)分組；文獻(xiàn)[18- 19]中，協(xié)作節(jié)點(diǎn)利用未分配的時(shí)隙進(jìn)行協(xié)作，然而，當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度較大時(shí)，幀中存在未分配時(shí)隙的概率極低；文獻(xiàn)[20]中，協(xié)作節(jié)點(diǎn)利用自身的空閑時(shí)隙進(jìn)行協(xié)作，但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)繁忙時(shí)，幾乎沒(méi)有機(jī)會(huì)找到具有空閑時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)；文獻(xiàn)[21]中，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)用于訪問(wèn)未授權(quán)的無(wú)線信道以執(zhí)行協(xié)作重傳，不可避免地引入額外的信令開(kāi)銷以獲知未授權(quán)的信道。

上述所有方案中，協(xié)作節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作時(shí)，并不傳輸自己的數(shù)據(jù)分組。網(wǎng)絡(luò)編碼(Network Coding，NC)能夠把多條數(shù)據(jù)流進(jìn)行合并，使得協(xié)作節(jié)點(diǎn)在協(xié)作傳輸其它節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)分組同時(shí)傳輸自己的數(shù)據(jù)分組，以提高網(wǎng)絡(luò)效率[22-24]。然而，NC僅能從正確接收的分組中解碼信息，不能處理出錯(cuò)分組的解碼。為此，F(xiàn)asolo等[25]把網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼相結(jié)合提出了MIMO_NC編碼方法，用以解碼出錯(cuò)的數(shù)據(jù)分組信息[25-26]。本研究將MIMO_NC應(yīng)用到VANETs上行鏈路應(yīng)用場(chǎng)景中，提出一種基于分布式TDMA的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)編碼(Distributed TDMA Based Cooperative Network Coding For Medium Access Control，DTCNC-MAC)方法，使得協(xié)作節(jié)點(diǎn)能夠在發(fā)送自身業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的同時(shí)協(xié)作發(fā)送其它節(jié)點(diǎn)出錯(cuò)的數(shù)據(jù)分組，從而在不影響網(wǎng)絡(luò)正常數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的情形下實(shí)現(xiàn)VANETs上行鏈路節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作，提高VANETs上行鏈路通信可靠性；DTCNC-MAC所有操作以分布式方式進(jìn)行，而且能夠適應(yīng)VANETs網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化的特點(diǎn)；最后，從數(shù)據(jù)發(fā)送概率、數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)延和丟包率3方面對(duì)所提方法的可靠性進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。

1 分布式TDMA信道訪問(wèn)

在分布式TDMA協(xié)議中，信道時(shí)間被劃分成不同的幀(Frame)，每幀包含固定數(shù)目的時(shí)隙(Slot)，設(shè)每幀包含的時(shí)隙數(shù)為F。為了確定每幀起始時(shí)間和幀內(nèi)各個(gè)時(shí)隙的起始時(shí)間，DTDMA中不同車輛節(jié)點(diǎn)利用全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步[7]。在DTDMA中，為了獲知幀內(nèi)時(shí)隙狀態(tài)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)需要交換時(shí)隙分配信息，具體方式為[9- 10]：每個(gè)節(jié)點(diǎn)在自身數(shù)據(jù)分組頭部中插入幀狀態(tài)信息(Frame Information，F(xiàn)I)域，F(xiàn)I域記錄了車輛節(jié)點(diǎn)一跳傳輸半徑范圍內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙分配及占用情況，通過(guò)與一跳傳輸半徑內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)交換FI域，節(jié)點(diǎn)判斷出兩跳傳輸半徑范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙分配及占用情況。為了避免隱藏節(jié)點(diǎn)和信息碰撞問(wèn)題，節(jié)點(diǎn)只能請(qǐng)求訪問(wèn)兩跳傳輸半徑范圍內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)未訪問(wèn)的時(shí)隙。分布式TDMA協(xié)議時(shí)隙訪問(wèn)機(jī)制如圖1所示，由于車輛A和車輛G在彼此兩跳傳輸半徑外，它們可以訪問(wèn)幀內(nèi)相同的時(shí)隙，而車輛A、B、C、D、E都在彼此兩跳傳輸半徑內(nèi)，它們需要訪問(wèn)幀內(nèi)不同的時(shí)隙。

車輛節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)時(shí)隙序號(hào)E1F2…3…4車輛節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)時(shí)隙序號(hào)B5A/G6C7D8

圖1 分布式TDMA協(xié)議時(shí)隙訪問(wèn)機(jī)制

Fig.1 Slot access mechanism in distributed TDMA protocol

在VANETs中，距離兩跳范圍外的車輛節(jié)點(diǎn)由于相對(duì)移動(dòng)而彼此接近，可能成為兩跳范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)，如果原來(lái)這些節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)幀內(nèi)同一時(shí)隙，就會(huì)引發(fā)時(shí)隙訪問(wèn)沖突問(wèn)題，這種情形下，沖突節(jié)點(diǎn)需要重新申請(qǐng)時(shí)隙[7]。VeMAC將幀時(shí)分為3個(gè)不相交的時(shí)隙子集，行駛在公路不同方向上的車輛和路旁固定通信設(shè)備分別訪問(wèn)幀內(nèi)不同的時(shí)隙子集，從而減少了時(shí)隙訪問(wèn)沖突次數(shù)，提高了網(wǎng)絡(luò)性能。下面假設(shè)在VeMAC協(xié)議下車輛節(jié)點(diǎn)和路側(cè)單元RSU都已獲得相應(yīng)時(shí)隙。

2 MIMO_NC編碼

實(shí)現(xiàn)DTDMA協(xié)議的編碼重傳，必須考慮兩個(gè)因素：(1)處理編碼重傳的物理層；(2)用于協(xié)調(diào)訪問(wèn)的MAC層。對(duì)于(1)，如圖2所示，假設(shè)源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送數(shù)據(jù)分組x到D，但是D不能正確接收x，記D接收的出錯(cuò)分組為x′。如果節(jié)點(diǎn)D接收到編碼分組x⊕y(符號(hào)⊕代表NC編碼操作)，則NC不能通過(guò)分組x′和x⊕y解碼出分組x、y，因?yàn)镹C只能對(duì)完全正確接收的分組進(jìn)行解碼。而MIMO_NC可以利用分組x′和x?y解碼出分組x、y(符號(hào)?代表MIMO_NC編碼操作，x?y是應(yīng)用物理層NC原理在伽羅瓦域中矢量的線性組合)。

如圖2(c)所示，MIMO_NC將網(wǎng)絡(luò)編碼下潛到物理層的信道編碼之后，在編碼階段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)經(jīng)典NC方法將其緩沖器中信道編碼后的信息單元(Information Units，IUs)組合成由8比特伽羅瓦域中符號(hào)陣列表示的編碼分組(Coded Packets，CPs)，然后經(jīng)由BPSK調(diào)制器調(diào)制并發(fā)送。解碼階段在采用MIMO解碼算法的物理層執(zhí)行。將接收存儲(chǔ)到緩沖器中的分組樣本執(zhí)行基于球形解碼的軟解碼方案重建IUs。MIMO_NC相對(duì)于經(jīng)典方法的主要區(qū)別在于所有接收的分組，包括損壞的分組和冗余分組，都可用以解碼，從而獲得SNR增益和分集階數(shù)的提升，進(jìn)一步了解請(qǐng)參考文獻(xiàn)[25]。

(a)NC編碼/解碼

(b)MIMO_NC編碼/解碼

(c)MIMO_NC編碼/解碼過(guò)程[25]

用pMIMO_NC表示MIMO_NC正確解碼的概率。文獻(xiàn)[25]研究表明，即使在較差的信道條件下，MIMO_NC仍有較高的解碼概率。例如，即使信道干擾(加噪聲)功率上升到信號(hào)功率，該值也超過(guò)66%[26]。文中，重點(diǎn)關(guān)注因素(2)——MAC層實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)合MIMO_NC的分布式TDMA協(xié)議

考慮VANETs上行鏈路，如圖3所示，其中，RSU部署在道路旁，車輛以相同的平均速度(例如高速公路場(chǎng)景)經(jīng)過(guò)RSU。我們假設(shè)RSU和車輛的傳輸半徑是相同的，每對(duì)節(jié)點(diǎn)(V2V和V2I)僅在彼此傳輸半徑內(nèi)才能通信，并且RSU和車輛都配備了相應(yīng)的MINO_NC編碼/解碼模塊。

圖3 VANETs上行鏈路中的協(xié)作編碼轉(zhuǎn)發(fā)

Fig.3 Cooperative network coding and forwarding in VANETs uplink

車輛節(jié)點(diǎn)S1發(fā)送數(shù)據(jù)分組到路側(cè)單元RSU時(shí)，由于無(wú)線信道廣播特性，處于S1節(jié)點(diǎn)與RSU節(jié)點(diǎn)共同傳輸半徑內(nèi)的其它節(jié)點(diǎn)S2、S3也能正確接收源節(jié)點(diǎn)S1數(shù)據(jù)，因此，在RSU未能正確接收S1數(shù)據(jù)時(shí)，這些節(jié)點(diǎn)可以利用自身時(shí)隙協(xié)作編碼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)S1數(shù)據(jù)。下面把進(jìn)行協(xié)作編碼轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)稱為協(xié)作節(jié)點(diǎn)。

3.1 協(xié)作編碼請(qǐng)求與協(xié)作編碼確認(rèn)域

設(shè)計(jì)一種網(wǎng)絡(luò)握手協(xié)議來(lái)確定協(xié)作節(jié)點(diǎn)，同時(shí)，為避免發(fā)送專門的控制分組，采用消息搭載(Piggyback)機(jī)制來(lái)交換相關(guān)控制信息。

(1)協(xié)作編碼請(qǐng)求域(Cooperative Network Coding Request，CNC-REQ)

CNC-REQ用于RSU請(qǐng)求其它節(jié)點(diǎn)協(xié)作重發(fā)源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。如果RSU未能正確接收來(lái)自源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組，但接收的數(shù)據(jù)信號(hào)干擾噪聲比(Signal To Interference And Noise Ratio，SINR)大于MIMO_NC解碼閾值θTH，即SINR≥θTH，則RSU通過(guò)在自身數(shù)據(jù)分組頭部中插入CNC-REQ域來(lái)請(qǐng)求其它節(jié)點(diǎn)利用MIMO_NC技術(shù)協(xié)作編碼重發(fā)傳輸失敗的數(shù)據(jù)。如圖4(a)所示，在新插入的CNC-REQ域中，標(biāo)識(shí)位為0，表示數(shù)據(jù)分組頭部中插入的是協(xié)作編碼請(qǐng)求域，源節(jié)點(diǎn)ID、分組序號(hào)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ID分別對(duì)應(yīng)了待協(xié)作編碼重發(fā)數(shù)據(jù)的源節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)、分組序號(hào)和RSU標(biāo)識(shí)，這些信息標(biāo)識(shí)了待協(xié)作編碼重發(fā)的數(shù)據(jù)信息。

(2)協(xié)作編碼確認(rèn)域(Cooperative Network Coding Acknowledgement，CNC-ACK)

CNC-ACK用于協(xié)作節(jié)點(diǎn)確認(rèn)協(xié)作編碼重發(fā)。如圖4(b)所示，在CNC-ACK域中，標(biāo)識(shí)位設(shè)置為1，表示插入的是協(xié)作編碼確認(rèn)域，其余信息與CNC-REQ域相同。當(dāng)RSU與源節(jié)點(diǎn)共同傳輸半徑內(nèi)的某個(gè)節(jié)點(diǎn)收到RSU發(fā)送的CNC-REQ域時(shí)，但沒(méi)有偵聽(tīng)到其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送CNC-ACK域時(shí)，節(jié)點(diǎn)將自身數(shù)據(jù)和待重發(fā)的源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼發(fā)送，并在數(shù)據(jù)分組頭部中插入CNC-ACK域確認(rèn)已協(xié)作重發(fā)數(shù)據(jù)。

(a)CNC-REQ

(b)CNC- ACK域

Fig.4 CNC-REQ/ACK field in DTCNC-MAC packet

3.2 節(jié)點(diǎn)間的信息交互

基于圖3所示的應(yīng)用場(chǎng)景，下面結(jié)合圖5(以節(jié)點(diǎn)RSU時(shí)隙為時(shí)間參考點(diǎn))來(lái)說(shuō)明相關(guān)節(jié)點(diǎn)信息交互過(guò)程。

(1)第i幀中，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)S1在自身時(shí)隙中發(fā)送數(shù)據(jù)PS1到RSU時(shí)，節(jié)點(diǎn)S2、S3等在節(jié)點(diǎn)S1與RSU的共同傳輸半徑內(nèi)，如果它們正確接收數(shù)據(jù)PS1，則將數(shù)據(jù)PS1保存在自身緩存中。

(2)如果RSU未完全正確接收數(shù)據(jù)PS1，但接收的數(shù)據(jù)平均信號(hào)干擾噪聲比SINR≥θTH，則在第i+1幀中，RSU在自身時(shí)隙中發(fā)送的數(shù)據(jù)分組頭部中插入CNC-REQ域來(lái)請(qǐng)求協(xié)作節(jié)點(diǎn)協(xié)作編碼重發(fā)源節(jié)點(diǎn)S1數(shù)據(jù)PS1。

(3)節(jié)點(diǎn)S2要發(fā)送數(shù)據(jù)PS2到節(jié)點(diǎn)RSU，且已接收到RSU發(fā)送的CNC-REQ域，則在第i+1幀中自身時(shí)隙內(nèi)編碼發(fā)送PS1?PS2，并在其分組頭部中插入CNC-ACK域來(lái)確認(rèn)已協(xié)作重發(fā)源節(jié)點(diǎn)S1數(shù)據(jù)。當(dāng)其它節(jié)點(diǎn)(如節(jié)點(diǎn)S3等)偵聽(tīng)到節(jié)點(diǎn)S2發(fā)送的CNC-ACK后，則不再協(xié)作重發(fā)源節(jié)點(diǎn)S1數(shù)據(jù)。

(4)在接收到S2發(fā)送的PS1?PS2后，節(jié)點(diǎn)RSU利用MIMO_NC解碼得到PS1和PS2。

需要指出的是，如果節(jié)點(diǎn)RSU解碼失敗，在下一幀時(shí)節(jié)點(diǎn)S1重發(fā)數(shù)據(jù)分組PS1，節(jié)點(diǎn)RSU利用MIMO_NC解碼PS1?PS2和PS1得到數(shù)據(jù)分組PS2。

上述協(xié)作過(guò)程各個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)所接收的一跳范圍內(nèi)信息來(lái)決定時(shí)隙的獲取和協(xié)作編碼數(shù)據(jù)的重發(fā)，因此，協(xié)作過(guò)程是分布式的(節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身局部范圍內(nèi)的信息工作)，同時(shí)，協(xié)作過(guò)程利用TDMA的確定信道訪問(wèn)方式(不同節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)了不同時(shí)隙，且只在自身時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，在其它時(shí)隙內(nèi)接收數(shù)據(jù))，使得源節(jié)點(diǎn)、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和協(xié)作節(jié)點(diǎn)能以確定和有序的分布式方式進(jìn)行交互。另外，VANETs安全應(yīng)用要求在100 ms內(nèi)將信息傳送到RSU，為保證車輛節(jié)點(diǎn)及時(shí)傳遞信息，分布式TDMA設(shè)置長(zhǎng)度很短(幾十毫秒)的幀時(shí)間。通常只需1～2幀時(shí)間就能完成協(xié)作數(shù)據(jù)重發(fā)，期間節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置幾乎沒(méi)有發(fā)生變化，因而能滿足VANETs快速網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓忍攸c(diǎn)。

圖5 DTCNC-MAC節(jié)點(diǎn)協(xié)作時(shí)序

Fig.5 DTCNC-MAC node cooperation timing

3.3 開(kāi)銷分析

為避免發(fā)送專門用于控制的數(shù)據(jù)，DTCNC-MAC采用消息搭載機(jī)制來(lái)傳輸相關(guān)控制信息，即通過(guò)在相關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)分組頭部中插入CNC-REQ/ACK域來(lái)交換控制信息，其開(kāi)銷為插入的CNC-REQ/ACK域。CNC-REQ/ACK域包含了標(biāo)識(shí)位(大小為1 b)、源節(jié)點(diǎn)ID、分組序號(hào)和RSU節(jié)點(diǎn)ID。參考文獻(xiàn)[9]，節(jié)點(diǎn)ID數(shù)據(jù)位為7 b、分組序號(hào)大小為2B、時(shí)隙時(shí)間長(zhǎng)度設(shè)為1 ms。這樣CNC-REQ/ACK域所占用的數(shù)據(jù)位數(shù)為31 b。參考車輛專用短程通信(Dedicated Short Range Communications，DSRC)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸速率為24 Mbps，則在1個(gè)時(shí)隙內(nèi)節(jié)點(diǎn)能夠發(fā)送25 165 b數(shù)據(jù)。由于CNC-REQ/ACK域所占用的數(shù)據(jù)位數(shù)遠(yuǎn)小于節(jié)點(diǎn)在1個(gè)時(shí)隙內(nèi)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，因此，相對(duì)于DTCNC-MAC復(fù)用的時(shí)隙資源，CNC-REQ/ACK域開(kāi)銷可以忽略不計(jì)。在下面分析中，假設(shè)節(jié)點(diǎn)都能正確地收發(fā)CNC-REQ/ACK域。

另一方面，MIMO_NC采用球形譯碼算法把搜索空間限制在以接收向量為球心的超球體格點(diǎn)內(nèi)，大大縮短計(jì)算時(shí)間。在某些 SNR和天線數(shù)范圍內(nèi)，球檢測(cè)算法復(fù)雜度已是多項(xiàng)式的。因此，對(duì)于具有高計(jì)算通信能力和能量不受限的VANETs車輛節(jié)點(diǎn)，相對(duì)于頻譜效率的提高和傳輸時(shí)延的降低，MIMO_NC解碼計(jì)算開(kāi)銷也可以忽略不計(jì)。

4 性能分析

參考文獻(xiàn)[18- 20]中單位圓盤模型表示信道。假設(shè)車輛具有相同的無(wú)線一跳傳輸半徑，在不考慮數(shù)據(jù)碰撞的情況下，在一跳傳輸半徑內(nèi)，車輛之間成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率為p。p是信道質(zhì)量的反映，p越大，受到信道衰落和多普勒效應(yīng)等影響就越小，信道質(zhì)量越好，相反，信道質(zhì)量越差。

為了簡(jiǎn)化分析，我們基于一維場(chǎng)景進(jìn)行分析，并假設(shè)車輛在一維直線車道上服從泊松分布[9，19]。如有M條車道，m∈{1，2，3，…，M}，βm為車道m(xù)上的平均車輛密度，則在長(zhǎng)度為l的道路上分布j輛車的概率為

(1)

假設(shè)RSU和車輛的傳輸半徑是相同的，并記傳輸半徑為r，則車輛節(jié)點(diǎn)前后一跳傳輸半徑內(nèi)的相鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)Nn(包括節(jié)點(diǎn)自身)等于j的概率Pr{Nn=j}可用l=2r代入式(1)得：

(2)

下面分析和比較VeMAC和DTCNC-MAC的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)成功發(fā)送概率、數(shù)據(jù)分組傳輸時(shí)延和丟包率。

4.1 VeMAC性能分析

設(shè)ps為VeMAC的一跳傳輸半徑內(nèi)數(shù)據(jù)成功發(fā)送的概率，pc為信息相互碰撞的概率。由于信道質(zhì)量(p)和信息相互碰撞彼此獨(dú)立，則ps為

ps=(1-pc)p

(3)

由前文可知，由于分布式TDMA中使用確定的信道訪問(wèn)方式，故pc為0，所以ps=p。

在傳輸失敗時(shí)，源節(jié)點(diǎn)嘗試重傳數(shù)據(jù)包直到它成功到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。在DTDMA中，分組傳輸時(shí)延(Packet Transmission Delay，PTD)定義為成功將分組發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)所需的幀數(shù)。在VeMAC中，設(shè)TDVeMAC為分組傳輸時(shí)延，數(shù)據(jù)分組經(jīng)過(guò)i次重發(fā)才能被目標(biāo)節(jié)點(diǎn)正確接收的概率為

Pr{TDVeMAC=i}=(1-ps)i-1ps

(4)

因此，TDVeMAC均值為

(5)

在通信系統(tǒng)中，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)無(wú)法在預(yù)定義的時(shí)間限制內(nèi)將數(shù)據(jù)包傳送到目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，源節(jié)點(diǎn)從其緩沖存儲(chǔ)器中丟棄該數(shù)據(jù)包。在DTDMA中，根據(jù)幀數(shù)考慮這個(gè)時(shí)間限制。令I(lǐng)max表示源節(jié)點(diǎn)嘗試發(fā)送分組的最大幀數(shù)，稱為最大傳輸限制。把超過(guò)最大傳輸限制Imax幀后數(shù)據(jù)還沒(méi)有被發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)的概率定義為丟包率。因此，對(duì)于給定的Imax值，VeMAC的丟包率(Packet Dropping Rate，PDR) PDRVeMAC由下式給出：

(6)

4.2 DTCNC-MAC性能分析

如果RSU沒(méi)有正確接收數(shù)據(jù)分組，為了獲得較高的重傳解碼概率，在數(shù)據(jù)分組的SINR≥3 dB時(shí)(此時(shí)MIMO_NC解碼概率pMIMO_NC大于2/3)，RSU才請(qǐng)求協(xié)作編碼重傳(根據(jù)MIMO_NC的BER/SINR表[26]，當(dāng)SINR<3 dB，編碼重傳的解碼概率pMIMO_NC低于2/3)。

當(dāng)S1到RSU的數(shù)據(jù)傳輸失敗時(shí)，在S1一跳傳輸半徑r內(nèi)且與RSU同側(cè)的其它節(jié)點(diǎn)(異側(cè)的節(jié)點(diǎn)與S1到RSU有著相似的信道特性和條件，且間距更大，協(xié)作重發(fā)成功概率小，不予考慮)將協(xié)作重發(fā)數(shù)據(jù)，設(shè)其間的節(jié)點(diǎn)數(shù)為Nr，用r替換式(1)的l，則Nr等于u的概率為

(7)

式中，u=0，1，2，…。

Pr{Nh>0|Nr=u}=

(8)

在Nr所有條件下，存在協(xié)作編碼節(jié)點(diǎn)的概率為

Pr{Nh>0}=Pr{Nh>0|2

Pr{Nh>0|Nr>F}

(9)

其中，Nh為u-2個(gè)節(jié)點(diǎn)中滿足協(xié)作條件節(jié)點(diǎn)數(shù)。

當(dāng)2

Pr{Nh>0|2

u}

(10)

當(dāng)Nr>F時(shí)：

Pr{Nh>0|Nr>F}=

(11)

RSU接收數(shù)據(jù)失敗時(shí)，可能存在協(xié)作節(jié)點(diǎn)協(xié)作編碼重發(fā)數(shù)據(jù)，所以，DTCNC-MAC的成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率為

(12)

(13)

其中，TDDTCNC-MAC為DTCNC-MAC的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。

(14)

5 網(wǎng)絡(luò)仿真

車輛行駛場(chǎng)景用MATLAB進(jìn)行仿真。假設(shè)車輛行駛在方向相反的兩條車道上，則道路上車輛密度β=2βm。車輛平均速度為50 km/h，標(biāo)準(zhǔn)偏差為10 km/h。無(wú)線信道采用DSRC標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，其中，工作頻段為5.9 GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為24 Mbps。公路旁路側(cè)單元RSU和兩跳范圍內(nèi)的車輛已經(jīng)在VeMAC協(xié)議下獲得相應(yīng)時(shí)隙，時(shí)隙長(zhǎng)度為1 ms，每幀中包含60時(shí)隙，記為F。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 模擬參數(shù)

對(duì)于不同的參數(shù)，下面就VeMAC和DTCNC-MAC的成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率、傳輸時(shí)延和數(shù)據(jù)丟包率進(jìn)行比較。

在仿真過(guò)程中，對(duì)于每組參數(shù)，500種不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由β值隨機(jī)產(chǎn)生，在每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上統(tǒng)計(jì)105幀的仿真數(shù)據(jù)，結(jié)果取平均值[19- 20]。

仿真結(jié)果如圖6-9所示。VeMAC成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率取決于信道質(zhì)量(p)；DTCNC-MAC成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率除決定于信道質(zhì)量(p)外，還受到車輛密度(β)、傳輸半徑(r)和RSU接收到SINR大于閾值θTH的數(shù)據(jù)概率pTH，以及RSU解碼概率pMIMO_NC的影響。在p=0時(shí)，由于信道衰落和多普勒效應(yīng)等影響導(dǎo)致信道質(zhì)量非常差，所有分組傳輸都失敗。對(duì)于DTCNC-MAC，所有節(jié)點(diǎn)都無(wú)法從源節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包，因此無(wú)法找到協(xié)作節(jié)點(diǎn)，因而無(wú)法觸發(fā)協(xié)作編碼重傳，導(dǎo)致PTD為無(wú)限大，并且兩個(gè)協(xié)議的PDR都為1。隨著p增加，源節(jié)點(diǎn)在傳輸失敗時(shí)由于協(xié)作節(jié)點(diǎn)編碼重傳獲得相應(yīng)的協(xié)作分集增益。而在p=1時(shí)，由于信道條件良好導(dǎo)致所有分組傳輸都是成功的，因而源節(jié)點(diǎn)的所有分組都成功發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，因此不需要協(xié)作重傳，導(dǎo)致兩個(gè)協(xié)議的PTD為1，PDR為0。

由圖6-9可知，相對(duì)于VeMAC，DTCNC-MAC顯著地提高了數(shù)據(jù)發(fā)送成功概率、減少了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延和數(shù)據(jù)丟包率。數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)自身時(shí)隙內(nèi)發(fā)送失敗時(shí)，VeMAC必須等待下一幀節(jié)點(diǎn)相應(yīng)時(shí)隙才能進(jìn)行數(shù)據(jù)重發(fā)，而DTCNC-MAC利用協(xié)作節(jié)點(diǎn)幀內(nèi)編碼重發(fā)數(shù)據(jù)，提高成功發(fā)送數(shù)據(jù)概率、減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延和降低數(shù)據(jù)丟包率。從圖6-9可以看出，所有仿真結(jié)果都較好的擬合了分析結(jié)果。

(a)成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率

(b)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延

圖6 兩種方法在不同車輛密度下成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率和傳輸時(shí)延

Fig.6 Probability of successful packet transmission and packet transmission delay in the two methods at different vehicle densities

(a)成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率

(b)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延

圖7 兩種方法在不同傳輸半徑下成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率和傳輸時(shí)延

Fig.7 Probability of successful packet transmission and packet transmission delay in the two methods at different transmission radius

(a)成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率

(b)數(shù)據(jù)丟包率

圖8 兩種方法在不同pTH下成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率和丟包率

Fig.8 Probability of successful packet transmission and packet dropping rate in the two methods under differentpTH

(a)成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率

(b)數(shù)據(jù)丟包率

圖9 兩種方法在不同的pMIMO_NC下成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率和丟包率

Fig.9 Probability of successful packet transmission and packet dropping rate in the two methods under differentpMIMO_NC

在一跳傳輸半徑r(400 m)、概率pTH(0.8)和pMIMO_NC(0.95)固定時(shí)，圖6(a)表明，車輛密度(β)越大，一跳傳輸半徑內(nèi)存在的車輛節(jié)點(diǎn)就越多，能夠進(jìn)行協(xié)作編碼重發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)就越多，因而DTCNC-MAC成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率就越大，如p=0.5時(shí)，VeMAC成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率為0.5，而DTCNC-MAC成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率為0.708(β=0.02)和0.735(β=0.08)，分別提高41.7%和47.0%；圖6(b)表明，車輛密度(β)越大，一跳傳輸半徑內(nèi)存在的車輛節(jié)點(diǎn)就越多，能夠進(jìn)行協(xié)作編碼重發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)就越多，源節(jié)點(diǎn)重發(fā)數(shù)據(jù)的次數(shù)就會(huì)減少，DTCNC-MAC的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延就越小，如p=0.5時(shí)，VeMAC傳輸時(shí)延為2.010，而DTCNC-MAC傳輸時(shí)延為1.412(β=0.02)和1.361(β=0.08)，分別下降29.8%和32.3%。

在車輛密度β(0.04車/m)、概率pTH(0.8)和概率pMIMO_NC(0.95)固定時(shí)，圖7(a)表明，一跳傳輸半徑(r)越大，一跳傳輸半徑內(nèi)存在的車輛節(jié)點(diǎn)就越多，能夠進(jìn)行協(xié)作編碼重發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)就越多，因而DTCNC-MAC成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率就越大；圖7(b)表明，一跳傳輸半徑(r)越大，一跳傳輸半徑內(nèi)存在的車輛節(jié)點(diǎn)就越多，源節(jié)點(diǎn)重發(fā)數(shù)據(jù)的次數(shù)就會(huì)減少，DTCNC-MAC的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延就越小。

在車輛密度β(0.04車/m)、一跳傳輸半徑r(400 m)和pMIMO_NC(0.95)固定時(shí)，圖8(a)顯示，隨著概率pTH變大，協(xié)作編碼需求就會(huì)越高，節(jié)點(diǎn)協(xié)作編碼發(fā)送數(shù)據(jù)的幾率就越高，DTCNC-MAC成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率就越大；同樣，圖8(b)顯示，DTCNC-MAC數(shù)據(jù)傳輸時(shí)丟包率就越低。如p=0.4時(shí)，VeMAC丟包率為21.8%，而DTCNC-MAC丟包率為7.3%(pTH=0.3)和5.3%(pTH=0.9)，分別下降66.6%和75.6%。

在車輛密度β(0.04車/m)、一跳傳輸半徑r(400 m)和pTH(0.8)固定時(shí)，圖9(a)顯示，隨著pMIMO_NC變大，RSU解碼概率就越高，DTCNC-MAC成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率就越大；圖9(b)顯示，隨著pMIMO_NC變大，RSU解碼概率越高，DTCNC-MAC數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的丟包率就越低。

圖10所示為不同Imax值下兩種方案的PDR。對(duì)于給定的信道條件，DTCNC-MAC的PDR總是小于VeMAC的PDR。隨著p增大信道條件變好，DTCNC-MAC和VeMAC的PDR值之間的差距也在增加。當(dāng)β=0.08時(shí)兩個(gè)協(xié)議之間的差距大于β=0.02時(shí)的差距。在p=0.4的條件下，當(dāng)Imax=3時(shí)，VeMAC和DTCNC-MAC的丟包率分別是21.8%和7.0%(β=0.02)、5.2%(β=0.08)，分別下降67.9%(β=0.02)和75.9%(β=0.08)；當(dāng)Imax=5時(shí)，VeMAC和DTCNC-MAC的丟包率分別是7.9%和1.2%(β=0.02)、0.7%(β=0.08)，分別下降84.9%(β=0.02)和90.7%(β=0.08)。對(duì)于相同的信道條件，Imax值越大，兩個(gè)協(xié)議的PDR值之間的差距越大。在傳輸失敗時(shí)，在DTCNC-MAC中，協(xié)作節(jié)點(diǎn)使用MIMO_NC方法重傳分組。因此，更大的Imax意味著DTCNC-MAC中的節(jié)點(diǎn)獲得比VeMAC更多的重傳機(jī)會(huì)。這增加了數(shù)據(jù)包在Imax幀內(nèi)成功傳送到目的節(jié)點(diǎn)概率，防止在緩沖存儲(chǔ)器中被丟棄。

(a)Imax=3 幀

(b)Imax=5幀

圖10 不同Imax下DTCNC-MAC和VeMAC的丟包率

Fig.10 Packet Dropping Rate of DTCNC-MAC and VeMAC with differentImax

6 結(jié)語(yǔ)

基于分布式TDMA提出一種協(xié)作編碼數(shù)據(jù)重發(fā)方法，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸失敗時(shí)，協(xié)作節(jié)點(diǎn)利用MIMO_NC技術(shù)來(lái)編碼自身業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)作節(jié)點(diǎn)在發(fā)送自身數(shù)據(jù)的同時(shí)協(xié)作重發(fā)源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。該方法利用分布式TDMA本身所包含的信息來(lái)確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果，同時(shí)采用消息搭載機(jī)制交換控制信息，避免發(fā)送專門的控制分組。方法中所有操作都以分布式方式進(jìn)行，能夠適合VANETs場(chǎng)合。性能分析和實(shí)驗(yàn)表明，該方法顯著地提高了成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率、有效降低了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延和丟包率。

文中基于基本的信道模型對(duì)所提方法進(jìn)行了分析和比較；在后續(xù)研究中，將進(jìn)一步研究更加真實(shí)的物理信道模型對(duì)所提方法性能的影響。