［劉文晶 黃河清 劉巧］

1 引言

典型V2I（Vehicle to Infrastructure，車輛到基礎(chǔ)設(shè)施）網(wǎng)絡(luò)除了提供娛樂信息服務(wù)外，其作用還包括：提供與安全相關(guān)的實時、本地和基于情境的服務(wù)，例如限速信息、安全距離警告、車道保持支持、交叉路口安全、交通擁堵和事故警告等。所有這些服務(wù)都旨在通過直接向汽車和駕駛員及時的提供信息來防止事故發(fā)生。V2I 網(wǎng)絡(luò)通信面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是節(jié)點的高移動性、高動態(tài)拓撲、節(jié)點密度的高可變性和極短的通信持續(xù)時間。

IEEE 802.11p 使用基于分布式協(xié)調(diào)功能（DCF，Distributed Coordination Function）的增強型分布式信道訪問（EDCA，Enhanced Distribution Channel Access）介質(zhì)訪問控制（MAC，Media Access Control）子層協(xié)議。在DCF 模式下，所有站點使用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問）協(xié)議競爭訪問信道，在發(fā)送信息之前先感知信道是否空閑，如果發(fā)現(xiàn)信道空閑的時間等于分布式幀間間隙DIFS（DIFS，Distributed Inter-frameSpacing），數(shù)據(jù)分組將被發(fā)送。否則，該站點進入隨機退避階段。

在V2I 網(wǎng)絡(luò)中，由于車輛具有不同移動特性而導(dǎo)致的不公平性問題已經(jīng)引起了學(xué)者們的廣泛研究。IEEE 802.11p 標準沒有考慮到每個路邊單元（RSU，Road Side Unit）覆蓋范圍內(nèi)車輛節(jié)點的駐留時間。在RSU 覆蓋范圍內(nèi)，不同速度的車輛具有不同的駐留時間。在一個飽和的網(wǎng)絡(luò)中，如果所有車輛都使用相同的MAC 參數(shù)，則DCF協(xié)議為所有車輛提供平等的分組傳輸機會，前提是它們在路邊單元的覆蓋區(qū)域內(nèi)具有相同的停留時間。當車輛具有不同的移動性特征（例如，較高速度和較低速度）時，它們則不具有相同的信道訪問機會。與緩慢移動的車輛相比，以較高速度移動的車輛與其RSU 通信的機會較少，因為它在RSU 的覆蓋區(qū)域內(nèi)停留時間短。因此，與速度較低車輛相比，速度較高車輛的信息傳遞成功率會顯著降低，從而導(dǎo)致它們之間的不公平性問題。RSU 覆蓋的每個區(qū)域都會出現(xiàn)這樣的問題，因此，每個區(qū)域傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并不相等，不同RSU 所覆蓋的連續(xù)區(qū)域以及不同RSU 間的切換并不能解決這個問題。由于緊急信息對于高速車輛更為重要，上述問題對車載自組網(wǎng)的可靠性具有很大的劣化影響。基于代價最小化原則，本文接下來，將根據(jù)每輛車的速度，通過更改最小爭用窗口CWmin 大小的方式，調(diào)整各車輛的分組傳輸概率用以解決上述飽和網(wǎng)絡(luò)中存在的不公平問題。

2 V2I 網(wǎng)絡(luò)中的公平性研究

考慮如圖1 所示的V2I 場景，車輛沿路邊間斷性的連接到路邊單元RSU，在對無線網(wǎng)絡(luò)的MAC 層吞吐量進行性能分析時，這里采用理論研究常用假設(shè)：每個節(jié)點（車輛）始終有一個幀準備傳輸、信道條件完美（即數(shù)據(jù)傳輸過程沒有發(fā)生傳輸錯誤），并且忽略隱藏終端和暴露終端的影響[1，2]。

圖1 V2I 場景

如前所述，V2I 網(wǎng)絡(luò)中的不公平問題是由車輛的不同速度引起的。與緩慢移動的車輛相比，快速移動的車輛與RSU 通信的機會更少，因為它們在RSU 覆蓋范圍內(nèi)的停留時間減少。因此，與速度較低的車輛相比，快速移動車輛傳輸?shù)谋忍匦畔⑤^少。本文基于V2I 網(wǎng)絡(luò)飽和吞吐量場景，實現(xiàn)獲取公平性所需的最優(yōu)CWmin，這里使用公平性因子F 來評估信道訪問的公平性[3，4]。

這里考慮兩類速度車輛節(jié)點，用S 代表慢速車輛，F(xiàn)代表快速車輛。nS代表慢速車輛數(shù)量，nF代表快速車輛數(shù)量；μvS、μvF分別表示慢速車輛和快速車輛的速度均值；E[M]代表平均載荷長度；E[Ts]和E[Tc]分別代表成功傳輸及產(chǎn)生碰撞的平均持續(xù)時間；E[T1，S]和E[T1，F(xiàn)]分別代表車輛速度持續(xù)時間均值；WS，min和WF，min分別對應(yīng)兩類車速節(jié)點對應(yīng)的最小窗口；兩類節(jié)點的幀傳輸概率分別為τS和τF，碰撞概率分別為pc，S和pc，F(xiàn)；L 代表最大重傳次數(shù)限制；L’為退避階段的指數(shù)相關(guān)最大值,即對于某類節(jié)點，CW 的最大值CWmax=2L’Wmin。

ptr,s和ptr,F分別代表慢速和快速車輛節(jié)點在給定時隙中至少傳輸一次數(shù)據(jù)的概率：

兩類節(jié)點成功傳輸?shù)母怕蕿椋?/p>

兩類節(jié)點傳輸?shù)谋忍財?shù)為：

假定WS,min，WF,min＞＞1，聯(lián)立式（6）～（8）可以得到兩類節(jié)點的比特數(shù)據(jù)傳輸比：

則兩類節(jié)點中每個節(jié)點的比特傳輸率為：

由于F=1，當zS=zF時，快速車輛達到期望的公平性目標的最佳最小CW 為：

同理，慢速車輛達到期望的公平性目標的最佳最小CW 為：

3 性能分析

VANET 中的仿真包括交通仿真和網(wǎng)絡(luò)仿真。交通仿真生成并提供真實車輛移動的跟蹤文件，側(cè)重車輛移動性，此跟蹤文件隨后被反饋到網(wǎng)絡(luò)仿真器，網(wǎng)絡(luò)仿真器定義了網(wǎng)絡(luò)模擬期間各車輛節(jié)點的靜止位置，隨后由網(wǎng)絡(luò)仿真器實現(xiàn)VANET 協(xié)議并生成一個跟蹤文件，此文件提供有關(guān)場景中發(fā)生的事情的完整信息[5]。這里考慮飽和網(wǎng)絡(luò)場景，設(shè)置慢速車輛和快速車輛具有相同的MAC 參數(shù)：最大重傳次數(shù)限制L=7，退避階段的指數(shù)相關(guān)最大值L'=5，慢速車輛平均車速μvS=60 km/h，快速車輛平均車速μvF=120 km/h，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

對兩類車的數(shù)據(jù)傳輸量同時進行進行理論分析和仿真驗證，結(jié)果如表2 所示?？梢钥吹绞褂媚JCWmin 設(shè)置時，快速車輛的數(shù)據(jù)傳輸量與低速車輛相比是非常低的，這是由于DCF 協(xié)議沒有考慮車輛獲取信道接入的駐留時間，對于默認CWmin 設(shè)置，兩類車輛每個節(jié)點的比特傳輸比率與它們的平均駐留時間比率相一致。

表2 默認窗口設(shè)置下的傳輸數(shù)據(jù)

為了簡化分析，仿真過程中，我們令WF,min=16,nS=12,nF=7，快速車輛CWF,min保持不變，慢速車輛的最小窗口CWS,min可調(diào)，通過調(diào)整慢速車輛節(jié)點的CWS,min值，評估之前為每個節(jié)點定義的公平性因子，可以得到一個最優(yōu)的W’S,min使得公平指數(shù)F=1，其值為33，如圖2 所示。在理論分析模型中方程的數(shù)值解也給出了33 的最優(yōu)值。然后改變慢速車輛節(jié)點和快速車輛節(jié)點的數(shù)量，令nS=25，nF=10，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)W’S,min無變化，說明最優(yōu)W’S,min與網(wǎng)絡(luò)中慢速車輛和快速車輛的具體數(shù)量無關(guān)。

圖2 Ws,min 與公平性因子關(guān)系（WF,min=16）

令WS,min=16,nS=12,nF=7，慢速車輛CWS,min保持不變，快速車輛最小窗口值CWF,min可變，通過調(diào)整快速車輛節(jié)點的CWF,min值，評估之前為每個節(jié)點定義的公平性因子，可以得到一個最優(yōu)的W’F,min使得公平指數(shù)F=1，其值為10，如圖3 所示。在理論分析模型中方程的數(shù)值解也給出了10 的最優(yōu)值。然后改變慢速車輛節(jié)點和快速車輛節(jié)點的數(shù)量，令nS=25，nF=10，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)W’F,min無變化，說明最優(yōu)W’F,min亦與網(wǎng)絡(luò)中慢速車輛和快速車輛的數(shù)量無關(guān)。

圖3 WF,min 與公平性因子關(guān)系（WS,min=16）

4 總結(jié)

本文討論了基于IEEE 802.11p 的V2I 網(wǎng)絡(luò)中所存在的不公平性問題，在與路邊RSU 進行通信的過程中，高速車輛與低速車輛相比，不具有相同的信道訪問機會。本文基于此設(shè)計了一種信道訪問機制，根據(jù)車輛節(jié)點速度來調(diào)整每個節(jié)點的CWmin值并確定所需的最佳CW’min值，使得具有不同速度的節(jié)點在RSU 的駐留時間內(nèi)具有相同的通信機會。并且仿真結(jié)果表明這些最優(yōu)的CW’min值與網(wǎng)絡(luò)中的車輛數(shù)量無關(guān)。