周興凱，竇祖芳，楊喜娟，楊喬禮

（1.蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，蘭州 730070）

前言

車(chē)聯(lián)網(wǎng)（internet of vehicles，IoV）作為汽車(chē)駕駛、電子信息、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)深度融合的新型產(chǎn)業(yè)形態(tài)，越來(lái)越成為各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的重要方向。車(chē)聯(lián)網(wǎng)以車(chē)內(nèi)網(wǎng)、車(chē)際網(wǎng)和車(chē)載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，利用先進(jìn)的人工智能、信息處理、通信傳輸、電子傳感及控制等技術(shù)，在車(chē)與X（X：車(chē)、路、人、服務(wù)平臺(tái)）間進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信和信息交換，是實(shí)現(xiàn)智能交通、信息服務(wù)和車(chē)輛智能控制的一體化網(wǎng)絡(luò)［1］。

對(duì)于V2X技術(shù)，目前國(guó)際上主要有專(zhuān)用短程通信 技 術(shù)（dedicated short range communication，DSRC）［2］和蜂窩網(wǎng)絡(luò)車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（cellular vehicleto-everything，C-V2X）兩種［3］。其中，DSRC的物理層由標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11p構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，帶寬可達(dá)3～27 Mb/s。IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)采用的載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)沖突避免（carrier sense multiple access with collision avoidance，CSMA/CA）機(jī)制，能很好地保證車(chē)輛在移動(dòng)中的通信效率，但在高密度的場(chǎng)景下現(xiàn)有的指數(shù)退避（binary exponential backoff，BEB）算法導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸性能急劇下降。C-V2X是一項(xiàng)利用和提高現(xiàn)有的長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)（long term evolution，LTE）特點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)要素的信息技術(shù)［4］。同時(shí)，基于LTE的C-V2X能夠與5G、6G進(jìn)行復(fù)用。LTE采用多波技術(shù)，主要支持靜態(tài)場(chǎng)景，對(duì)于車(chē)輛擁擠的情況可能無(wú)法提供所需的效能［5-7］。顯然，結(jié)合兩者的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)兩種技術(shù)的融合實(shí)現(xiàn)車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信是未來(lái)研究的一個(gè)方向［8-9］。然而，在交通密集場(chǎng)景中，兩者都不能很好地解決高效數(shù)據(jù)傳輸。所以，本文主要探討在交通密集場(chǎng)景中，如何降低數(shù)據(jù)通信時(shí)延，以提高系統(tǒng)可靠性。

IEEE 802.11p協(xié)議 的MAC層 使用CSMA/CA機(jī)制，該機(jī)制主要基于競(jìng)爭(zhēng)窗口（contention window，CW）的指數(shù)增長(zhǎng)來(lái)避免節(jié)點(diǎn)沖突。然而，在交通密集場(chǎng)景下，大量的節(jié)點(diǎn)同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)信道資源時(shí)，由于CW的固定尺寸大大降低了系統(tǒng)性能。另外，在交通稀疏場(chǎng)景下，CW的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)會(huì)引起信道長(zhǎng)時(shí)間空閑，導(dǎo)致信道資源浪費(fèi)，信息的實(shí)時(shí)性得不到保障［10］。針對(duì)不同場(chǎng)景的應(yīng)用，學(xué)者們對(duì)IEEE 802.11p相關(guān)協(xié)議做了大量的研究工作以期提高網(wǎng)絡(luò)性能。Du等［11］提出了一種自適應(yīng)退避算法，通過(guò)連續(xù)兩幀傳輸數(shù)據(jù)最大化單位時(shí)隙內(nèi)的傳輸成功率。Karaca等［12］通過(guò)改變退避計(jì)數(shù)器的減量來(lái)增強(qiáng)傳統(tǒng)協(xié)議的性能，其中退避計(jì)數(shù)器的減量取決于信道條件和競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。Syed等［13］設(shè)計(jì)了競(jìng)爭(zhēng)窗口自適應(yīng)退避機(jī)制，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)整CW值，但此類(lèi)方案均適用于特定場(chǎng)景中。針對(duì)在傳輸成功后最小化退避階段導(dǎo)致的沖突和短期低公平性的問(wèn)題，Lee等［14］提出了一種競(jìng)爭(zhēng)窗口自適應(yīng)方案，使用單個(gè)退避階段，改善了短期的公平性和吞吐量。隨著日常應(yīng)用環(huán)境中節(jié)點(diǎn)數(shù)量不斷增加，傳統(tǒng)機(jī)制的缺點(diǎn)變得更加明顯。為增強(qiáng)傳統(tǒng)機(jī)制的性能，Lin等［15］提出了一種動(dòng)態(tài)連續(xù)波控制方案，通過(guò)沖突率來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整初始CW值以獲得最大吞吐量。然而，該方案沒(méi)有對(duì)沖突和信道訪(fǎng)問(wèn)失敗的情況進(jìn)行區(qū)分，忽略了在信道訪(fǎng)問(wèn)失敗的情況下對(duì)CW值調(diào)整的策略。Kefa等［16］提出了一種退避過(guò)程和信道清晰評(píng)估（clear channel assessment，CCA）的組合機(jī)制，由此改善在高度動(dòng)態(tài)的環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)的性能。傳統(tǒng)的機(jī)制中爭(zhēng)用期較短，導(dǎo)致沖突加劇，直接影響了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和傳輸時(shí)延，Pressas［17］等設(shè)計(jì)了一種基于QLearning的獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，能夠估計(jì)最優(yōu)的CW值。在IEEE 802.11p協(xié)議中車(chē)輛節(jié)點(diǎn)通過(guò)“競(jìng)爭(zhēng)”獲得信道資源，為保障數(shù)據(jù)及時(shí)可靠地傳輸，Bharati等［18］提出CRB機(jī)制，它是基于D-TDMA的協(xié)同MAC協(xié)議，通過(guò)主動(dòng)對(duì)發(fā)端報(bào)文進(jìn)行重廣播提高系統(tǒng)的可靠性，但由于動(dòng)態(tài)拓?fù)浜椭鲃?dòng)報(bào)文中繼的原因，造成了時(shí)間槽的浪費(fèi)，增加了沖突率。IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)中缺乏中央?yún)f(xié)調(diào)器，鑒于車(chē)輛的高速移動(dòng)特性，很難實(shí)現(xiàn)可靠的多通道協(xié)調(diào)和自適應(yīng)資源預(yù)留，Cao等［19］提出了一種自適應(yīng)的高吞吐量多信道MAC協(xié)議，解決了系統(tǒng)吞吐量急劇下降的問(wèn)題。

綜合上述文獻(xiàn)，目前大多數(shù)設(shè)計(jì)的協(xié)議都提出了不同的性能增強(qiáng)機(jī)制，通過(guò)信息重傳、改進(jìn)競(jìng)爭(zhēng)窗口、優(yōu)先級(jí)、引入CCA機(jī)制等方法來(lái)提高信道利用率。然而提出的方法只適用于特定的應(yīng)用，很難應(yīng)對(duì)通用車(chē)聯(lián)網(wǎng)所面臨的挑戰(zhàn)，同時(shí)探討交通密集場(chǎng)景下IEEE 802.11p協(xié)議的成果極少。

因此，針對(duì)交通密集場(chǎng)景，本文提出一種基于IEEE 802.11p的自適應(yīng)主次窗口退避機(jī)制，將退避過(guò)程劃分為主次窗口，并依據(jù)通信狀況動(dòng)態(tài)地調(diào)整窗口劃分，達(dá)到提高系統(tǒng)的傳輸成功率，減少?zèng)_突的發(fā)生和降低傳輸時(shí)延的目標(biāo)。仿真結(jié)果顯示改進(jìn)后的機(jī)制均能夠滿(mǎn)足交通稀疏和密集環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸需求。本文的主要貢獻(xiàn)總結(jié)如下：

（1）主次窗口的劃分能夠大幅降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。在傳統(tǒng)機(jī)制中，退避窗口的尺寸根據(jù)BEB算法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)沖突后，退避窗口呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，退避時(shí)間大幅增加。本文首先通過(guò)主次窗口的劃分將一個(gè)退避過(guò)程分為主次退避兩個(gè)階段，主退避結(jié)束后節(jié)點(diǎn)嘗試傳輸數(shù)據(jù)，沖突后再進(jìn)入次退避階段，通過(guò)增加一次傳輸降低系統(tǒng)時(shí)延。

（2）自適應(yīng)窗口劃分技術(shù)能保證系統(tǒng)可靠性。本文中主次退避階段的劃分占比由參數(shù)BP進(jìn)行控制，BP的取值隨著沖突的增加而增加，實(shí)現(xiàn)根據(jù)沖突狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整主次退避階段的劃分。同時(shí)，BEB退避機(jī)制改進(jìn)后為不規(guī)則退避，即退避窗口尺寸由常量改進(jìn)為變量，大大降低了節(jié)點(diǎn)沖突的概率，保證了系統(tǒng)的可靠性。

（3）獲得車(chē)輛密度與系統(tǒng)性能指標(biāo)的解析關(guān)系。以簇內(nèi)車(chē)輛個(gè)數(shù)及簇頭個(gè)數(shù)為主要參數(shù)，建立二維馬爾科夫鏈模型，對(duì)提出的基于自適應(yīng)主次窗口劃分的IEEE 802.11p協(xié)議進(jìn)行分析，并獲得車(chē)輛密度與系統(tǒng)時(shí)延、可靠性等各項(xiàng)性能指標(biāo)的解析關(guān)系式。

1 車(chē)聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

本文使用的車(chē)聯(lián)網(wǎng)拓?fù)淙鐖D1所示。該網(wǎng)絡(luò)中主要包含兩個(gè)基礎(chǔ)模塊：車(chē)載單元（on board unit，OBU）模塊和路邊單元（road side unit，RSU）模塊。OBU由車(chē)輛配備的全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）和車(chē)載傳感器等組成，負(fù)責(zé)獲取本車(chē)及附近交通信息。RSU與外部公共網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)接入互聯(lián)網(wǎng)的功能，在車(chē)輛和外部公共網(wǎng)絡(luò)之間起到中轉(zhuǎn)作用。車(chē)輛間可以通過(guò)OBU進(jìn)行實(shí)時(shí)的交通信息共享，采用C-V2V技術(shù)。

圖1 車(chē)聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

車(chē)輛通過(guò)RSU將信息上傳至智能交通系統(tǒng)云端，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛與外部公共網(wǎng)絡(luò)之間的信息共享。如果采用C-V2I技術(shù)，即每個(gè)車(chē)輛向RSU預(yù)約固定的時(shí)間及頻帶，但車(chē)輛的移動(dòng)性導(dǎo)致其與RSU間通信時(shí)長(zhǎng)很短，預(yù)約機(jī)制在浪費(fèi)較多網(wǎng)絡(luò)資源的同時(shí)也存在資源碰撞。所以在本文中，車(chē)輛與RSU間采用IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)，即車(chē)輛間通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制與RSU傳遞信息。

2 基于IEEE 802.11p的自適應(yīng)主次窗口退避機(jī)制

2.1 經(jīng)典的IEEE 802.11p機(jī)制

圖2描述了經(jīng)典的IEEE 802.11p機(jī)制的基本流程圖。經(jīng)典的IEEE 802.11p協(xié)議較好地緩解了由車(chē)輛移動(dòng)帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多變?cè)斐尚畔鬟f效率低的問(wèn)題。但在交通密集場(chǎng)景下，大量車(chē)輛節(jié)點(diǎn)參與競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致沖突發(fā)生的概率增加，退避次數(shù)增加，且退避時(shí)延呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，即車(chē)輛節(jié)點(diǎn)在退避階段花費(fèi)大量時(shí)間，使通信資源造成極大的浪費(fèi)，同時(shí)通信效率急劇下降［20］。所以經(jīng)典的IEEE 802.11p協(xié)議不適用于交通密集場(chǎng)景，有必要設(shè)計(jì)專(zhuān)用于交通密集場(chǎng)景下的V2I數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。

圖2 經(jīng)典的IEEE 802.11p機(jī)制

2.2 基于IEEE 802.11p的自適應(yīng)主次窗口退避機(jī)制的設(shè)計(jì)

為了提高交通密集場(chǎng)景下車(chē)聯(lián)網(wǎng)的通信性能，本文提出了一種基于IEEE 802.11p的自適應(yīng)主次窗口退避機(jī)制。通過(guò)劃分退避窗口將退避階段分為兩部分，即主退避階段（main backoff，MB）和次退避階段（secondary backoff，SB）。

圖3描述了基于自適應(yīng)主次窗口劃分的IEEE 802.11p機(jī)制的基本流程，其具體步驟如下。

圖3 改進(jìn)后的IEEE 802.11p機(jī)制

步驟1當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，初始化參數(shù)為NB=0，Backoff=2macMaxBE-1。節(jié)點(diǎn)執(zhí)行CCA來(lái)持續(xù)偵聽(tīng)信道，當(dāng)偵聽(tīng)到信道空閑時(shí)隨機(jī)選取BP后執(zhí)行步驟2。

步驟2節(jié)點(diǎn)在(0，W0)范圍內(nèi)選擇一個(gè)隨機(jī)數(shù)作為退避計(jì)時(shí)器的初值。若信道空閑，則進(jìn)行一次倒數(shù)，計(jì)時(shí)器減1，若信道被占用，計(jì)時(shí)器保持不變，不進(jìn)行倒數(shù)。

步驟3當(dāng)退避計(jì)時(shí)器下降為0時(shí)，節(jié)點(diǎn)執(zhí)行CCA。若信道空閑，則節(jié)點(diǎn)可以傳輸數(shù)據(jù)包。若信道處于占用狀態(tài)，表示主退避階段信道訪(fǎng)問(wèn)失敗。進(jìn)入次退避階段，執(zhí)行步驟4。

步驟4節(jié)點(diǎn)在(0，W1)范圍內(nèi)選擇一個(gè)隨機(jī)數(shù)作為退避計(jì)時(shí)器的初值。若信道空閑，則進(jìn)行一次倒數(shù)，計(jì)時(shí)器減1。若信道被占用，計(jì)時(shí)器保持不變，不進(jìn)行倒數(shù)。

步驟5當(dāng)計(jì)時(shí)器下降為0時(shí)，節(jié)點(diǎn)執(zhí)行CCA。若信道空閑，則節(jié)點(diǎn)可以傳輸數(shù)據(jù)包。若信道處于占用狀態(tài)，表示次退避階段信道訪(fǎng)問(wèn)失敗，則進(jìn)行下一級(jí)退避，對(duì)BP和NB分別加1，執(zhí)行步驟6。

步驟6若NB

步驟7當(dāng)節(jié)點(diǎn)成功收到ACK反饋，表示傳輸成功，結(jié)束流程。

其中，參數(shù)BP是主退避窗口尺寸與整個(gè)退避窗口尺寸之比，表示主窗口的占比。為了有效降低節(jié)點(diǎn)的退避時(shí)延，通常取較小的主窗口尺寸，即BP的值可以取1，2，3，4，5。用Backoff、W0和W1分別表示整個(gè)退避窗口、主窗口和次窗口的尺寸，三者的關(guān)系式如式（1）～式（3）。

改進(jìn)后的機(jī)制有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）通過(guò)主次窗口的劃分提高數(shù)據(jù)傳輸率，降低退避時(shí)延。本文通過(guò)主次窗口的劃分將一個(gè)退避過(guò)程分為主次退避兩個(gè)階段，主退避結(jié)束后節(jié)點(diǎn)嘗試傳輸數(shù)據(jù)，沖突后進(jìn)入次退避階段，通過(guò)增加一次傳輸提高數(shù)據(jù)傳輸率，同時(shí)降低系統(tǒng)時(shí)延。

（2）主次窗口的線(xiàn)性劃分有效降低節(jié)點(diǎn)間的沖突。在傳統(tǒng)機(jī)制中，相同退避階段節(jié)點(diǎn)的退避窗口大小為定量，會(huì)出現(xiàn)選擇同一退避計(jì)時(shí)器值的可能。但本文所提出的機(jī)制中隨機(jī)選取主次窗口的劃分比例參數(shù)BP的初值，導(dǎo)致相同退避階段節(jié)點(diǎn)的主退避窗口大小為變量，極大地降低了節(jié)點(diǎn)選擇同一退避計(jì)時(shí)器值的可能性，有效降低節(jié)點(diǎn)間的沖突。

（3）自適應(yīng)主次窗口劃分實(shí)現(xiàn)機(jī)制的動(dòng)態(tài)調(diào)整。由于信道沖突或信道占用導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)退避失敗時(shí)，在下一級(jí)退避中，BP值會(huì)增加1個(gè)單位來(lái)增大主退避階段的競(jìng)爭(zhēng)窗口尺寸，進(jìn)而提高傳輸成功率。若此后退避失敗，則以此類(lèi)推。通過(guò)控制BP值來(lái)選擇合適的競(jìng)爭(zhēng)窗口尺寸，進(jìn)而提高系統(tǒng)性能。也就是說(shuō)，所提出的機(jī)制是依據(jù)節(jié)點(diǎn)密度動(dòng)態(tài)調(diào)整主次窗口的比例，在節(jié)點(diǎn)密度較大時(shí)增加主窗口，進(jìn)而降低沖突，節(jié)點(diǎn)密度較小時(shí)減小主窗口，由此有效地降低退避時(shí)延并保持系統(tǒng)的可靠性。

通過(guò)以上分析，所提出的機(jī)制通過(guò)自適應(yīng)窗口劃分方法有效減少節(jié)點(diǎn)退避時(shí)延，降低節(jié)點(diǎn)沖突，提高數(shù)據(jù)傳輸率，保證系統(tǒng)可靠性。為了驗(yàn)證所提出機(jī)制的有效性，在下一部分中開(kāi)展了對(duì)所提出機(jī)制的建模分析。

3 基于IEEE 802.11p的自適應(yīng)主次窗口退避機(jī)制的建模分析

3.1 改進(jìn)IEEE 802.11p機(jī)制的數(shù)學(xué)建模

為了簡(jiǎn)化多級(jí)退避過(guò)程建模，考慮到節(jié)點(diǎn)退避，執(zhí)行CCA以及傳輸數(shù)據(jù)成對(duì)出現(xiàn)，將這3部分組合為一個(gè)Block，記為Block B(i，j)，其中在二維Markov狀態(tài)Block B(i，j)中，j(j=0，1，2，???，m)表示節(jié)點(diǎn)的退避級(jí)數(shù)，i(i=0，1)表示主次退避階段，i=0表示節(jié)點(diǎn)處于主退避階段。

圖4（a）為本文提出的基于IEEE 802.11p的自適應(yīng)主次窗口退避機(jī)制的馬爾可夫鏈模型［21-23］，圖4（b）為 圖4（a）中 的B塊。將Block B(i，j)簡(jiǎn) 記 為B(i，j)，其包含3部分：退避過(guò)程、CCA和傳輸數(shù)據(jù)。其中Wi表示主次退避階段的競(jìng)爭(zhēng)窗口尺寸。本文中，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的N個(gè)車(chē)輛總有數(shù)據(jù)傳輸需求，即討論飽和網(wǎng)絡(luò)下的系統(tǒng)模型分析。本文所使用的符號(hào)如表1所示。

表1 本文所使用的符號(hào)

節(jié)點(diǎn)處于Block B(i，j)的穩(wěn)態(tài)概率用PB(i，j)表示，由圖4（a）可得各Block B(i，j)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率：

在備案審查主體方面，要進(jìn)一步暢通政府規(guī)章審查渠道，一是從備案審查機(jī)構(gòu)著手，提升備案審查主體的獨(dú)立性和權(quán)威性，從而提升備案審查工作的整體效能。二是賦予公民參與更大的權(quán)重，賦予審查建議和審查要求同等待遇，從而提高公眾參與和提起審查建議的積極性，通過(guò)外力助推審查工作。三是探索擴(kuò)大行政復(fù)議規(guī)范性文件審查范圍，將政府規(guī)章逐步納入行政復(fù)議受理范圍。四是探索規(guī)章備案審查與司法機(jī)關(guān)監(jiān)督的有效銜接，逐步完善法院有效參與的法律監(jiān)督體制。

圖4 馬爾科夫鏈模型

用Pback(i，j)表示節(jié)點(diǎn)處于Block B(i，j)中退避狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率，其表達(dá)式如下：

式中Wi表示退避階段的競(jìng)爭(zhēng)窗口尺寸。

節(jié)點(diǎn)處于Block B(i，j)中CCA狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率等于對(duì)應(yīng)退避狀態(tài)B(i，j)的穩(wěn)態(tài)概率，因?yàn)橥吮軤顟B(tài)后就執(zhí)行CCA檢查信道。所以CCA過(guò)程的概率可以表示為

這里用tb-slot表示倒計(jì)時(shí)器的單位時(shí)間1。為了方便計(jì)算，將數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延換算成計(jì)時(shí)器的時(shí)間長(zhǎng)度L。假設(shè)tb-slot等于320 μs，數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度為120 bytes，傳輸數(shù)據(jù)包的速率為250 kbps，則發(fā)送的持續(xù)時(shí)間為3.84 ms。數(shù)據(jù)包的等效傳輸時(shí)延等于384 ms/320 μs，結(jié)果為12個(gè)單位時(shí)間。

節(jié)點(diǎn)處于Block B(i，j)的穩(wěn)態(tài)概率之和PSPB(i，j)由3部分求和得到，其表達(dá)式為

根據(jù)式（10）和歸一化原理，得到所有Block B(i，j)的穩(wěn)態(tài)概率和為1，如式（11）和式（12）所示。

3.2 改進(jìn)機(jī)制的系統(tǒng)性能評(píng)估

3.2.1 沖突率

沖突率［21］定義為信道內(nèi)節(jié)點(diǎn)傳輸發(fā)生碰撞的概率，由PC表示。碰撞發(fā)生表示至少有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)向RSU發(fā)送數(shù)據(jù)包，其表達(dá)式為

3.2.2 信道占用率

信道占用率表示當(dāng)節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)發(fā)現(xiàn)信道處于占用狀態(tài)的概率，由α表示。也就是，當(dāng)沒(méi)有節(jié)點(diǎn)向信道發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，信道是空閑的。其表達(dá)式為

3.2.3 平均傳輸時(shí)延

平均傳輸時(shí)延表示數(shù)據(jù)包從退避過(guò)程開(kāi)始執(zhí)行CCA到數(shù)據(jù)包傳輸成功總共花費(fèi)的平均時(shí)間。退避過(guò)程的時(shí)延定義為節(jié)點(diǎn)經(jīng)歷所有主次退避過(guò)程花費(fèi)的時(shí)間之和，用DBack表示；CCA的時(shí)延定義為節(jié)點(diǎn)執(zhí)行所有CCA所需的時(shí)間之和，用DCCA表示；數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延定義為節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)所花費(fèi)的時(shí)間，用Dtrans表示。

那么總時(shí)延D的表達(dá)式為

3.2.4 傳輸成功率

傳輸成功率（packet delivery ratio，PDR）定義為節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率，表示所有Block B(i，j)中成功傳輸?shù)母怕手停?5］，它的表達(dá)式如下：

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提出機(jī)制的有效性，本節(jié)對(duì)所提出機(jī)制進(jìn)行了MATLAB仿真性能評(píng)估，并對(duì)改進(jìn)后的機(jī)制與經(jīng)典機(jī)制進(jìn)行了性能比較。同時(shí)，用RSU內(nèi)的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)表征車(chē)輛密度，分析了車(chē)輛密度和BP值與系統(tǒng)傳輸延遲、傳輸成功率之間的關(guān)系。

仿真場(chǎng)景如圖5，設(shè)置一段長(zhǎng)1 km的雙車(chē)道公路為一個(gè)單位區(qū)域，RSU位于道路中部。假設(shè)單位區(qū)域內(nèi)車(chē)輛數(shù)不變，所有車(chē)輛均在RSU通信范圍內(nèi)且傳輸速率相同。車(chē)輛配備的OBU設(shè)備采用相同的物理層參數(shù)和MAC層參數(shù)，不存在隱終端問(wèn)題和捕獲效應(yīng)。具體仿真參數(shù)設(shè)定如表2所示。

圖5 仿真場(chǎng)景

表2 仿真參數(shù)

4.1 沖突率和信道占用率

圖6中對(duì)經(jīng)典機(jī)制與改進(jìn)機(jī)制下的沖突率進(jìn)行了比較。從圖中可以看出，在交通稀疏和交通密集場(chǎng)景下，改進(jìn)機(jī)制其沖突率都低于經(jīng)典機(jī)制。同時(shí)，沖突率隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加而增加。在飽和網(wǎng)絡(luò)中，參與競(jìng)爭(zhēng)的車(chē)輛越多，碰撞的概率越大，沖突率越高。由圖6可知，當(dāng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)不變時(shí)，BP初值設(shè)定越大，沖突率就越小。這是因?yàn)樵诟倪M(jìn)機(jī)制中，傳輸失敗后將BP值增加1個(gè)單位，通過(guò)增加下一級(jí)主退避窗口尺寸降低沖突，即主退避窗口占比越大，沖突率越小。

圖7中對(duì)經(jīng)典機(jī)制和改進(jìn)機(jī)制下的信道占用率進(jìn)行了比較。從圖中可以看出，在交通稀疏和密集場(chǎng)景中，改進(jìn)機(jī)制下的信道占用率都小于經(jīng)典機(jī)制。這是因?yàn)楦倪M(jìn)后的機(jī)制采用了動(dòng)態(tài)退避窗口尺寸，有效地降低了沖突發(fā)生的概率。同時(shí)可以看出，兩種機(jī)制下的占用率與節(jié)點(diǎn)密度呈正比。由圖7可知，當(dāng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)不變時(shí)，BP初值設(shè)定越大，沖突率就越小，原理與圖6相同。

圖7 信道占用率隨車(chē)輛密度的變化

4.2 平均傳輸延遲（Delay）

圖8中對(duì)經(jīng)典機(jī)制和改進(jìn)機(jī)制下的傳輸時(shí)延進(jìn)行了比較。從圖中可以看出，在交通稀疏和密集場(chǎng)景下，改進(jìn)后的機(jī)制其時(shí)延遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前者的時(shí)延，相比經(jīng)典機(jī)制，改進(jìn)后的機(jī)制其傳輸延遲平均降低了49.3%。改進(jìn)機(jī)制降低了占用率及沖突率，進(jìn)而降低傳輸時(shí)延。顯然，二者的傳輸時(shí)延隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加而增加。在改進(jìn)機(jī)制中，節(jié)點(diǎn)稀疏場(chǎng)景下，隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，平均傳輸延遲的值增速緩慢。但在節(jié)點(diǎn)密集場(chǎng)景下，隨著參與競(jìng)爭(zhēng)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)增加，平均傳輸延遲的增速變大。具體來(lái)說(shuō)，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)N的增加增大了節(jié)點(diǎn)之間的沖突率，導(dǎo)致信道占用率增加，節(jié)點(diǎn)退避級(jí)數(shù)增加進(jìn)而增大退避時(shí)延，導(dǎo)致傳輸延遲增加。同時(shí)，隨著B(niǎo)P初值的增加，平均傳輸時(shí)延也隨之增加。因?yàn)锽P初值的增大意味著更大的競(jìng)爭(zhēng)窗口，節(jié)點(diǎn)的退避時(shí)間增加，最終平均傳輸時(shí)延增加。這與圖7形成相互驗(yàn)證，BP值越大，競(jìng)爭(zhēng)窗口尺寸越大，節(jié)點(diǎn)沖突率下降，信道占用率降低，但退避時(shí)延增加。

圖8 傳輸延遲對(duì)比

4.3 傳輸成功率（PDR）

圖9表示在經(jīng)典機(jī)制和改進(jìn)機(jī)制下對(duì)傳輸率進(jìn)行比較的結(jié)果。從圖中可以看出，在交通稀疏和密集場(chǎng)景下，改進(jìn)后的機(jī)制其成功率遠(yuǎn)大于經(jīng)典機(jī)制的時(shí)延，相比經(jīng)典機(jī)制，改進(jìn)后的機(jī)制其傳輸延遲平均提高了26.7%。改進(jìn)機(jī)制降低了占用率和沖突率，同時(shí)每級(jí)退避增加一次傳輸，進(jìn)而提高了傳輸率。顯然，二者的傳輸率隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加而降低。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)N增大，意味著更多節(jié)點(diǎn)參與競(jìng)爭(zhēng)，信道占用率和沖突率增大，最終導(dǎo)致傳輸成功率降低。在改進(jìn)后的機(jī)制中，傳輸成功率與BP初值呈反比例。因?yàn)锽P初值越大代表主退避窗口尺寸越大，退避時(shí)延越大，沖突概率越低，成功傳輸率就越大。

圖9 傳輸成功率對(duì)比

5 改進(jìn)機(jī)制的優(yōu)化

仿真結(jié)果展示BP初值的設(shè)定得到的時(shí)延和可靠性是相互矛盾。從圖8和圖9中可以看出，較大的BP初值可以得到理想的系統(tǒng)傳輸率，但傳輸時(shí)延最差，而較小的BP初值可以獲得理想的傳輸時(shí)延，但傳輸率最差。所以，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能中時(shí)延和傳輸成功率是相互矛盾的。為了獲得均衡的系統(tǒng)綜合性能，本文以節(jié)點(diǎn)密度為主要參數(shù)，建立時(shí)延最小傳輸率最大的多目標(biāo)優(yōu)化模型，通過(guò)遺傳算法（genetic algorithm，GA）求解，得到依據(jù)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)動(dòng)態(tài)變化的最優(yōu)BP初值。多目標(biāo)優(yōu)化模型如式（21）所示。

圖10為車(chē)輛密度與目標(biāo)函數(shù)的關(guān)系，目標(biāo)函數(shù)值越小說(shuō)明系統(tǒng)綜合性能越理想。在圖中，當(dāng)車(chē)輛密度為3與5、BP初值為1時(shí)，目標(biāo)函數(shù)值最?。划?dāng)車(chē)輛密度為7與9、BP初值為2時(shí)，目標(biāo)函數(shù)值最?。划?dāng)車(chē)輛密度為13與18、BP初值為3時(shí)，目標(biāo)函數(shù)值最??；當(dāng)車(chē)輛密度為23與27、BP初值為4時(shí)，目標(biāo)函數(shù)值最小；當(dāng)車(chē)輛密度為32與36、BP初值為5時(shí)，目標(biāo)函數(shù)值最小。

圖10 Delay/PDR隨車(chē)輛密度的變化

因此，在交通稀疏網(wǎng)絡(luò)中，選擇較小的BP初值系統(tǒng)的綜合性能更優(yōu)。例如車(chē)輛密度為3、5時(shí)，改進(jìn)后的機(jī)制下主退避階段初值占比為10%后續(xù)增長(zhǎng)至60%時(shí)，系統(tǒng)獲得均衡的時(shí)延和傳輸率。顯然，車(chē)輛密度較小時(shí)，較小的主退避窗口可以降低傳輸時(shí)延同時(shí)保證了傳輸可靠性，這正是改進(jìn)機(jī)制所要達(dá)到的目標(biāo)。

同理，在交通密集網(wǎng)絡(luò)中，選擇較大的BP初值系統(tǒng)的綜合性能更優(yōu)。例如車(chē)輛密度為32、36時(shí)，改進(jìn)機(jī)制下主退避階段初值占比為50%后續(xù)增長(zhǎng)至100%時(shí)，系統(tǒng)獲得均衡的時(shí)延和傳輸率。顯然，車(chē)輛密度較大時(shí)，較大的主退避過(guò)程可以降低沖突率進(jìn)而保證傳輸可靠性，以犧牲時(shí)延為代價(jià)獲得網(wǎng)絡(luò)的均衡性能。

6 結(jié)論

為解決交通密集場(chǎng)景中V2I通信效率差的問(wèn)題，本文提出了基于IEEE 802.11p的自適應(yīng)主次窗口退避機(jī)制方案，通過(guò)退避窗口尺寸的動(dòng)態(tài)變化及傳輸次數(shù)的增加，降低沖突率增加數(shù)據(jù)傳輸率。在此基礎(chǔ)上，以節(jié)點(diǎn)密度為主要參數(shù)，通過(guò)建立二維Markov模型對(duì)改進(jìn)機(jī)制進(jìn)行理論分析，獲得信道占用率、節(jié)點(diǎn)沖突率、傳輸時(shí)延和傳輸率PDR4個(gè)性能指標(biāo)的解析式。仿真結(jié)果表明，與經(jīng)典機(jī)制相比，在交通稀疏和密集場(chǎng)景中，改進(jìn)機(jī)制都能獲得更低的系統(tǒng)時(shí)延、信道占用率、節(jié)點(diǎn)沖突率和更高的數(shù)據(jù)傳輸率。為了得到均衡的系統(tǒng)性能，建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，求解得到最優(yōu)的BP初值設(shè)定并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。然而，改進(jìn)機(jī)制僅考慮有限的退避，沒(méi)有區(qū)分新數(shù)據(jù)和重傳數(shù)據(jù)，在未來(lái)的工作中帶有重傳策略的自適應(yīng)窗口劃分IEEE 802.11p機(jī)制是我們的研究方向。