李麗君 劉鴻飛

1(重慶理工大學理學院 重慶 400050) 2(重慶科創(chuàng)職業(yè)學院人工智能學院 重慶 402160)

0 引 言

在過去幾十年中,車輛自組織網(wǎng)絡(luò)(VANETs)[1-2]作為重要研究方向被提出。2010年專用短程通信(DSRC)被納入IEEE 802.11p標準化協(xié)議,用于車輛環(huán)境(WAVE)中的無線接入。但研究結(jié)果表明,當車輛密度較高時,WAVE接入惡化[3-4]。

MAC協(xié)議可在分布式協(xié)調(diào)功能(DCF)模式(即基于競爭)、點協(xié)調(diào)功能(PCF)模式(即基于無競爭)或混合協(xié)調(diào)功能(HCF)模式下運行[5]。為確保駕駛安全,DCF模式下的MAC協(xié)議基于帶碰撞避免的載波感知多址(CSMA/CA)機制執(zhí)行,但對于城市環(huán)境中擁擠交通情況,會導致較高的幀碰撞率。相反,PCF模式下的MAC協(xié)議可使用路邊單元(RSU)或接入點(AP)作為協(xié)調(diào)器來調(diào)度發(fā)射機時隙,可降低幀沖突率,并保證一定延遲范圍。然而,由于必須管理多個發(fā)射機,這種方法增加了數(shù)據(jù)傳送延遲[6]。同時,調(diào)整PCF和DCF模式的最佳組合對于車輛駕駛安全仍具有挑戰(zhàn)性。RSU可部署在車輛網(wǎng)絡(luò)的交叉口和街道上。具有強大計算能力的RSU可作為邊緣設(shè)備來協(xié)調(diào)車輛信道接入,同時防止信道沖突,并提供Internet連接來傳播安全信息[7-8]。此外,全球定位系統(tǒng)(GPS)的實施是車輛網(wǎng)絡(luò)的另一趨勢。RSU可采集所在區(qū)域內(nèi)車輛的GPS數(shù)據(jù),從而優(yōu)化車輛傳輸調(diào)度,但是很少有研究探討RSUs對行車安全的重要作用。

本文提出基于時空協(xié)調(diào)的城市場景MAC協(xié)議,利用城市地區(qū)時空特征和道路布局特征,在車輛網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)更好的無線信道接入。協(xié)議目標是通過車輛基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)調(diào),支持車輛間可靠和快速數(shù)據(jù)交換,以確保行車安全,例如利用獨特時空特征形成碰撞線(LoC)圖,多個車輛可在同一時間段內(nèi)傳輸,而無需信道干擾或利用定向天線和發(fā)射功率控制的碰撞。

1 問題表述

時空協(xié)調(diào)競爭優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議的目標是通過路邊單位(RSU)協(xié)調(diào)控制,在相鄰車輛之間提供可靠和快速的消息交換,以確保安全駕駛。為實現(xiàn)這一目標,可使用定向傳輸,以最大限度通過時空傳輸調(diào)度并發(fā)傳輸?shù)臄?shù)量。

1.1 模型假設(shè)

在時空協(xié)調(diào)競爭優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議設(shè)計中,首先給出以下假設(shè)[9]:

假設(shè)1車輛配備有DSRC接口和具有相移的定向天線陣列,而RSU配備有全向天線。定向天線陣列可同時向多個接收機(例如,MU-MIMO)產(chǎn)生多個波束。在時空協(xié)調(diào)競爭優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議中,可避免窄波束問題,即每個波束的方向和通信覆蓋范圍(即R和β,其中:R是通信范圍,定義為在幾乎沒有比特錯誤的情況下,將來自發(fā)送方車輛的數(shù)據(jù)幀成功發(fā)送到接收方車輛的距離;β是由定向天線陣列的相移構(gòu)成的通信波束角)通過定位接收車的位置和控制射頻發(fā)射功率來調(diào)整,如圖1所示。

圖1 傳輸信號的覆蓋范圍和干擾范圍

RF發(fā)射功率Wt可以確定如下[10-11]:

式中:d是發(fā)射器和接收器之間的距離;α是最小路徑損耗系數(shù);Λ是信號的波長;Wr是能夠物理接收信號的最小功率電平,可由Wr=10sa/10計算,sa是最小信號衰減閾值。

假設(shè)2如圖1所示,傳輸干擾范圍I被認為是通信范圍R的兩倍,該通信范圍用于在計算傳輸調(diào)度時確定干擾集的算法。此外,考慮了圓形扇形信號覆蓋而不是實際的傳輸信號覆蓋,并且為了建模的簡單性而忽略旁瓣和后瓣。

假設(shè)3通過使用兩個DSRC服務(wù)信道來實現(xiàn)類似于WAVE-PCF-MAC協(xié)議(WPCF)[11]的切換過程。第一信道用于RSU的覆蓋,第二信道用于相鄰RSU的覆蓋。具體說明見WPCF。

假設(shè)4車輛配備了基于GPS的導航系統(tǒng),該系統(tǒng)可隨時提供車輛的位置、速度和方向。

假設(shè)5建筑物或樹木的影響(稱為地形效應)存在于真實車輛網(wǎng)絡(luò)中。Nakagami衰落模型通常用于車載網(wǎng)絡(luò)。如果有更好的地形效應衰落模型,所提時空協(xié)調(diào)競爭優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議同樣適應這種模型。

1.2 目標情景

目標場景是車輛數(shù)據(jù)交換,例如移動信息(例如,位置、方向和速度)和車載設(shè)備狀態(tài)(例如,中斷、擋位、發(fā)動機和車軸),用于城市道路網(wǎng)絡(luò)中的安全駕駛。如圖2所示,RSU通常部署在道路交叉口處,并充當VANET和智能交通系統(tǒng)(ITS)基礎(chǔ)設(shè)施之間的網(wǎng)關(guān)。RSU的傳輸覆蓋范圍被設(shè)置為覆蓋路段的兩半長度的最大值。

圖2 RSU時空協(xié)同的目標場景

通過讓兩個相鄰的RSU使用不同的DSRC業(yè)務(wù)信道來避免RSU間的干擾。車輛周期性地向RSU發(fā)送時隙請求及其移動信息(即當前位置、移動方向和速度)。RSU使用請求信息來構(gòu)造無線信道接入的傳輸調(diào)度。利用時間表中指定的時間段,相鄰車輛之間直接交換安全信息,以防止發(fā)生事故。

2 時空協(xié)調(diào)與競爭周期優(yōu)化

本文提出一種新的基于增強集覆蓋算法的信道接入方案,該方案通過刻畫城市車輛網(wǎng)絡(luò)的時空特征來實現(xiàn),還提出一種基于交叉口車輛到達率的競爭周期自適應算法。為了描述車輛環(huán)境中的時空特征,首先解釋了碰撞線圖(LoC)的形成。

2.1 基于時空協(xié)調(diào)的信道接入

在城市地區(qū),車輛事故通常是車輛之間的直接碰撞或碰撞(例如正面、側(cè)面和后部碰撞)。防止最初的直接撞擊事故可以在很大程度上減少死亡人數(shù)和財產(chǎn)損失。這里提出了一個基于幾何關(guān)系的車輛間LoC圖來描述初始直接碰撞。如圖3所示,車輛A和車輛B之間沒有中間車輛,因此它們之間具有位置關(guān)系,因此可以直接碰撞。從A出發(fā),圓上的兩條切線可以根據(jù)B的半長(半徑r)導出。

圖3 碰撞線關(guān)系構(gòu)造

在兩條切線之間的區(qū)域內(nèi)(圖3中的灰色區(qū)域),距離B遠的任何車輛被視為A的非LoC車輛,例如C。通過比較兩條切線的兩個角度γ和φ以及由第二條規(guī)則確定的不安全距離,還可確定是否有任何其他車輛可以是A的LoC車輛。例如,D與A沒有LoC關(guān)系,因為角度ωD小于γ,但大于φ。另一方面,基于角度ωE小于φ且在不安全距離內(nèi)的事實,E是A的LoC車輛。注意,不同尺寸的車輛可被視為同一類,例如,長度小于5 m的車輛可被歸類為5 m車輛,以確定半徑r。從通信沖突角度看,如果C在A的干擾范圍內(nèi),即A的傳輸范圍的2倍,則C可以被干擾。但通過將車輛A和C安排在不同的時隙來避免這種干擾,這意味著如果C在A的干擾范圍內(nèi),則當A向B發(fā)送時,C既不接收也不發(fā)送分組。LoC是指碰撞線,它表示兩個相鄰車輛直接物理碰撞關(guān)系,而不是通信范圍視線。

基于LoC關(guān)系,可構(gòu)造LoC圖,考慮車輛在路段中以多車道移動的場景。車輛構(gòu)造的LoC圖G=(V,E),其中:V中的頂點是車輛,E中的邊表示兩個相鄰車輛之間的LoC關(guān)系,這兩個車輛可以直接碰撞。因此,對于LoC圖G中連接的車輛來說,連續(xù)通信是必要的。在時空協(xié)調(diào)競爭優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議中使用LoC圖來減少介質(zhì)碰撞。

通過車輛的LoC圖,提出了一種基于時空協(xié)調(diào)的信道接入方案,該方案采用了增強的集覆蓋算法。時空協(xié)調(diào)競爭優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議的增強集覆蓋算法試圖在給定的LoC圖中找到最優(yōu)時隙分配的最小集覆蓋。我們的時空協(xié)調(diào)競爭優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議集合覆蓋算法試圖在每個時隙中允許盡可能多的并發(fā)傳輸,以減少所有LoC車輛所需傳輸?shù)臒o爭用周期。首先,為時空協(xié)調(diào)競爭優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議集合覆蓋算法定義了以下術(shù)語:

定義1(覆蓋集)設(shè)覆蓋集為LoC圖G中的邊集Si,其中邊相互不干擾(即相容),即任何一對邊eu,v,ex,y∈E(G)彼此相容。例如,如圖4所示,對于時隙1,覆蓋集S1是{e3 ,1,e3 ,2,e3 ,4,e3,5,e7,6,e7,8}。

圖4 最大相容覆蓋集的搜索序列

現(xiàn)在提出可同時傳輸?shù)姆歉蓴_邊覆蓋集的時隙分配優(yōu)化方法。設(shè)2N為自然數(shù)集N的冪集,作為時隙集,如2N={?,{1},{1,2},{1,2,3},…}。設(shè)E為有向邊集。設(shè)Si為時隙的覆蓋集,即設(shè)E(Si)為Si中的非干涉邊集。時隙分配優(yōu)化如下:

式中:S={Si},E=∪Si∈SE(Si)。對于這種優(yōu)化,提出時空協(xié)調(diào)競爭優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議集覆蓋算法,如算法1所示。時空協(xié)調(diào)競爭優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議集覆蓋算法的優(yōu)化目標是找到具有最小時隙數(shù)的集覆蓋,映射到覆蓋集上。覆蓋集的邊是特定時隙的并發(fā)傳輸?shù)恼{(diào)度可表示為從時隙集Si(即覆蓋集)到邊ej∈E的映射。算法1返回的集覆蓋可能不是最優(yōu)的,因為集覆蓋問題最初是NP難問題。時空協(xié)調(diào)競爭優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議集覆蓋是遺留集覆蓋的擴展,其中族(即元素集)是固定的。然而,在時空協(xié)調(diào)競爭優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議集覆蓋中,沒有給出這些族,而是應該在映射期間動態(tài)地構(gòu)造為覆蓋集。每個覆蓋集Si需要時隙i,因此時隙被映射到作為G中的非干擾邊集的覆蓋集。

算法1時空協(xié)調(diào)競爭優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議集覆蓋算法

1. function 時空協(xié)調(diào)競爭優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議_SET_COVER(G)

2.E′←G(E);

//E′剩余邊緣集合是屬于任何封面集合

3.S←?;

//S是集合覆蓋;

4.i←1;

5. whileE′≠?do

6.Si←SearchMaxCompatibleCoverSet(G,E′);

7.E′←E′-Si;

8.S←S∪{Si};

9.i←i+1;

10. end while

11. returnS

12. end function

算法1中第5-10行用來搜索新的最大覆蓋集,它是覆蓋了由時隙覆蓋的最大邊緣數(shù)的覆蓋集,直到E中的所有邊都被覆蓋集覆蓋。第6行搜索最大相容覆蓋集執(zhí)行過程見算法2。

算法2搜索最大相容覆蓋集算法

1. functionSearchMaxCompatibleCoverSet(G,E′)

2.V′←φ;

//V′是指在E中有定向邊且初始化為?的頂點

3.Mmax←?;

//Mmax用于最大兼容覆蓋集并初始化為零

4. for all edgesei,j∈E′do

5.V′←V′∪{vi,vj};

6. end for

7. for each vertexs∈V′do

8.M←MakeMaximalCompatibleSet(G,V′,E′,s);

9. if |Mmax|<|M|then

10.Mmax←M;

11. end if

12. end for

13. returnMmax

14. end function

算法2將輸入E′作為一組不屬于任何兼容覆蓋集的邊,且返回最大兼容覆蓋集Mmax。V′表示定向邊E′中的一組頂點,第2-3行將V′和Mmax初始化為?。在第4-6行中,V′是一組頂點,使得vi和vj與E′中的任何有向邊ei,j相連接。V′中每個頂點s作為廣度優(yōu)先搜索(BFS)起始節(jié)點(即根節(jié)點),在第7-12行中,找到候選最大相容集M。如果M中元素數(shù)大于Mmax,則M被設(shè)置為Mmax。在第7-12行的for循環(huán)后,Mmax作為給定邊緣集E′最大兼容覆蓋集返回。

2.2 競爭周期優(yōu)化

競爭周期根據(jù)未注冊車輛到達率動態(tài)地適應RSU通信范圍。隨RSU車輛數(shù)量增加,在超幀持續(xù)時間內(nèi)CFP長度將增加,因為更多車輛分配其信道接入時隙。如果CP長度太短,則在嘗試注冊時,朝向RSU的注冊幀將遇到許多碰撞,因此只能注冊少數(shù)車輛。如果CP長度太長,則CP中的大部分時間將在RSU中注冊所有到達的車輛后浪費,從而導致信道利用率差。因此,需要找到合適CP長度,保證新進入車輛有機會在同一超幀內(nèi)的有限時間內(nèi)在RSU注冊。

設(shè)λjki表示從相鄰交叉口jk到交叉口i的車輛到達率。設(shè)λ為每單位時間(如1 s)交叉口i處RSU通信范圍的總到達率,且有:

式中:n是交叉口i的相鄰交叉口數(shù)量。RSU在交叉口i觀察從其相鄰路段到達其傳輸覆蓋范圍內(nèi)的車輛數(shù)量?？珊唵蔚赜脝挝粫r間內(nèi)所有進入路段的車輛總到達量來計算λ。設(shè)s為超幀持續(xù)時間,包括CP和CFP持續(xù)時間,且有:① 未注冊車輛嘗試以概率p發(fā)送其注冊幀。② 在此超幀持續(xù)時間內(nèi),N輛車嘗試在RSU中注冊,使得N=λ·s。③N輛車成功注冊其在N輛車之間的時隙的傳輸請求的概率為:

gN=N·p·(1-p)N-1

為提高運算效率,在離線處理中,將λ的可能值映射成最優(yōu)信道接入概率p和總時隙數(shù)M的對。當前的這對p和M由RSU通過廣播向未注冊的車輛公布。雖然RSU負責車輛注冊和封面集計算,但即使在高峰時間它們?nèi)钥梢蕴幚磉@些程序。

2.3 基于時空協(xié)調(diào)的媒體訪問控制協(xié)議

時空協(xié)調(diào)競爭優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議是一種混合MAC協(xié)議,它將PCF和DCF模式結(jié)合起來,以實現(xiàn)高效的信道利用率和快速的駕駛安全信息交換。PCF模式作用:① 在RSU中使用其移動性信息注冊未注冊車輛;② 為注冊車輛構(gòu)建無碰撞信道訪問計劃;③ 以類似于WPCF的方式宣布V2V通信的信道訪問計劃。相反,DCF模式用于使注冊車輛的安全信息能夠與其他注冊車輛交換,并且在V2V通信中不會發(fā)生幀碰撞。

在時空協(xié)調(diào)競爭優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議中,RSU周期性地廣播定時廣播幀(TAF)。TAF是遵循IEEE第4波標準的信標幀。在時空協(xié)調(diào)競爭優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議中,它有兩種格式,包括CP中的TAF和CFP中的TAF,如圖5所示。

(a) CP中的TAF

(b) CFP中的TAF圖5 定時廣播幀(時空協(xié)調(diào)競爭優(yōu)化媒體訪問 控制協(xié)議)中的TAF格式

供應商特定字段中的兩種格式都有公共字段,例如RSU信息、超幀持續(xù)時間CP 最大持續(xù)時間(即M)和CFP最大持續(xù)時間。圖5(a)所示CP的廠商特定的TAF字段還包含最優(yōu)訪問概率(即p),即注冊車輛數(shù),以及注冊車輛MAC地址。圖5(b)中用于CFP的特定于供應商的TAF字段包含其他信息,例如每個時隙中的時隙數(shù)量、傳輸調(diào)度和鄰居向量(NV)。NV包含TMAC中相鄰車輛的移動信息(即當前位置、方向和速度)。時間被劃分為超幀持續(xù)時間,且每個超幀持續(xù)時間由兩個階段組成,即CP階段和CFP階段,如圖6所示。

(a) 競爭周期時間序列

(b) 無競爭時段時間序列圖6 時空協(xié)調(diào)競爭優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議中的時間序列

算法具體過程如下:

過程1(車輛注冊的CP階段)在CP階段,未注冊車輛嘗試基于爭用在RSU中注冊。圖5(a)給出如圖6(a)所示的用于車輛登記的競爭周期時間序列,在DCF幀間空間(DIFS)周期后,CP開始處的TAF首先由DSRC控制信道(CCH)中RSU發(fā)送,指示競爭周期開始。如圖5(a)所示,TAF主要包含注冊車輛的列表和RSU信息部分中的RSUS服務(wù)信道號(SCH#)。接著,在接收到TAF之后,車輛開始與發(fā)送機會競爭以發(fā)送登記請求(即圖6(a)中的REQ)。有可能是多輛車試圖與RSU發(fā)生碰撞。在此爭用周期之后,無爭用周期開始,所有注冊的車輛(包括新注冊的車輛)將其CCH信道切換到TAF中指定的SCH信道。

令Oc是發(fā)送數(shù)據(jù)包的車輛數(shù)量,然后最大CP長度可以計算如下:

式中:SDIF、FTA、FREQ、SSIF、FACK、TCS和TGI分別是DCF幀間空間、定時通告幀、注冊請求幀、短幀間空間、確認幀、信道切換和保護間隔的時間。在CP階段,注冊車輛和未注冊車輛都可以向RSU發(fā)送緊急信息,以便發(fā)布緊急數(shù)據(jù)(例如,事故通知)。

SSIF+TCS+TGI+FTA

式中:SPIF和MBS,i分別是PCF幀間空間的時間和車輛i的基本安全消息。利用來自FTA的NVs,每輛車通過定向天線和發(fā)射功率控制來構(gòu)建其預期發(fā)射的覆蓋區(qū)域。在CFP階段,如果RSU有緊急信息,它可宣布TAF有緊急信息。因此,通過CP和CFP階段,時空協(xié)調(diào)競爭優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議不僅可實現(xiàn)車輛間駕駛安全信息的快速交換,還可實現(xiàn)RSU下車輛緊急數(shù)據(jù)的快速發(fā)布。

過程3(車輛移動信息更新)在時空協(xié)調(diào)競爭優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議中,RSU在CP階段周期性地廣播特殊TAF,以收集所有注冊車輛的最新移動信息,使得車輛能夠根據(jù)接收車輛的最新位置正確選擇變速器方向和功率控制參數(shù)。此TAF還用于注銷離開RSU通信范圍且不響應此TAF的車輛。每個注冊車輛通過向RSU發(fā)送包括其移動信息的BSM來發(fā)送其更新移動信息?？紤]到移動預測精度,車輛移動信息更新的超幀每U次重復,例如U=10。通過此更新,RSU估計車輛在將來(例如100 ms后)時刻調(diào)度移動信息。

3 實驗分析

3.1 仿真設(shè)置

硬件配置:處理器是i7-6400K 3.2 GHz,內(nèi)存是16 GBddr4-2400K,系統(tǒng)為Windows7旗艦版,仿真軟件是MATLAB 2012b。

參數(shù)設(shè)定[12-13]:信道數(shù)M=3。ρij是數(shù)據(jù)從信道i轉(zhuǎn)到j(luò)的概率,i,j∈{1,2,3}。令p11=p12=p22=0.4,p21=p23=p31=0.3,p13=p33=0.2,p32=0.5。設(shè)定RSU可覆蓋的區(qū)間半徑是150 m,位置相鄰的RSU相互間距XR2R=255 m。利用內(nèi)外兩個區(qū)域進行RSU覆蓋區(qū)域的分解,設(shè)定劃分參數(shù)K=3。車輛密度參數(shù)和車道中車輛行駛速度參數(shù)之間的關(guān)系可采用自由流模型進行表示,可得車輛行駛速度v=vf(1-ρ/ρjam),其中,ρ是研究區(qū)域上車輛的密度參數(shù);RSU傳輸覆蓋區(qū)域內(nèi)車輛上限設(shè)定為Nmax=?2Rρjam」,?·」是向下取整操作;車輛行駛速度vf=140km/h;ρjam是研究區(qū)域上出現(xiàn)擁堵情況的車輛的密度參數(shù),一般選取ρjam=250輛/千米;車速v受到車輛之間相互距離的影響,λ=ρv;時隙Δ=0.53 s,數(shù)據(jù)資源競爭階段時長Δauc=0.05 s。

設(shè)定路段車輛密度ρ=[10,15,20,25,30,35,40]輛/千米,對實驗過程反復執(zhí)行20次,求取平均實驗結(jié)果,每次實驗過程中,對研究區(qū)間上的車輛情況進行隨機初始化。在不同的時隙中,車輛進入不同的RSU信號覆蓋區(qū)域,這些區(qū)域中設(shè)定的車輛行駛速度存在差異,當車輛行駛到設(shè)定道路盡頭時,會重新初始到設(shè)定道路的起點位置。通過這種方式,分別運行多個運行周期,例如這里以運行600個周期為例,通過記錄所有運行周期的數(shù)據(jù)接收層數(shù)以及出現(xiàn)卡頓的時隙數(shù)量,可計算車輛運行過程中接收層數(shù)均值指標(ARL)和卡頓率均值指標(AIR)[14-15]:

式中:TRSUh是測試實驗過程中的時隙總數(shù)(第h個周期);Vnum是所研究道路上的車輛總數(shù);Yi,h是接收數(shù)據(jù)總層數(shù)(第h個周期中的車輛i);Ji,h是卡頓時隙數(shù)(第h個周期中的車輛i)。

3.2 實驗對比

對比算法:① 最大化門限算法。該算法中,RSU將信道資源固定的分配到與其相距最近的車輛中。車輛根據(jù)緩存器和門限數(shù)據(jù)存儲情況進行數(shù)據(jù)請求層數(shù)的計算。最大化門限算法是一種考慮數(shù)據(jù)傳輸安全性的算法,其主要考慮的是降低數(shù)據(jù)傳輸過程的中斷率。② 隨機門限算法。該算法中,RSU將信道資源隨機地分配到車輛中,車輛根據(jù)緩存器和門限數(shù)據(jù)存儲情況進行數(shù)據(jù)請求層數(shù)的計算。每時隙情況下,每輛車分配到的信道數(shù)最多是1個。這是一種隨機化的資源初始配置方式,目的是降低資源配置過程的難度。這兩種算法對于資源的配置思路與本文算法存在較大的差別,算法設(shè)計方向不同,選取作為對比算法目的是對比驗證本文算法設(shè)計思路的有效性。

圖7-圖8分別給出RSU稀疏部署情況下,車輛聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中斷率指標和數(shù)據(jù)接收層數(shù)指標對比結(jié)果。

圖7 AIR指標實驗結(jié)果(RSU稀疏部署)

圖8 ARL指標實驗結(jié)果(RSU稀疏部署)

根據(jù)圖7-圖8實驗的結(jié)果,盡管算法性能存在差異,但是實驗結(jié)果的變化趨勢基本相同:隨著所研究區(qū)域內(nèi)車輛密度的增大,ARL指標均出現(xiàn)單調(diào)下降趨勢,AIR指標均出現(xiàn)單調(diào)上升趨勢,這表明隨著車輛密度的增加,車輛之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性逐漸下降,數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝恐饾u降低。原因是隨車輛數(shù)量增加,車輛間對于數(shù)據(jù)傳輸信道的競爭日趨激烈,導致數(shù)據(jù)傳輸上存在明顯的卡頓問題,同時也影響了車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸量。從幾種算法的對比情況看,本文算法的ARL指標和AIR指標的實驗結(jié)果均要優(yōu)于選取的對比算法,表明所提控制協(xié)議具有更佳的數(shù)據(jù)傳輸性能。

圖9-圖10分別給出RSU全覆蓋情況下,車輛聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中斷率和數(shù)據(jù)接收層數(shù)的實驗對比結(jié)果。根據(jù)圖9-圖10結(jié)果,在RSU全覆蓋情況下,三種算法在ARL指標和AIR指標的實驗結(jié)果變化趨勢具有相近表現(xiàn)。存在差異的是,在車輛密度ρ為10～20車輛/千米區(qū)間內(nèi),三種算法的ARL指標和AIR指標的實驗結(jié)果相對保持問題,主要原因是RSU全覆蓋情況下,具有較強的數(shù)據(jù)傳輸保持能力,能夠滿足當前車輛密度情況下的數(shù)據(jù)傳輸需求。但是隨著車輛密度的進一步增加,即便RSU全覆蓋也無法滿足車輛數(shù)據(jù)傳輸要求時,其實驗變化趨勢與RSU稀疏部署情況下具有相對一致性。同時在算法對比情況看,本文算法的ARL指標的閾值更大,也就是數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量更好,也具有更大的數(shù)據(jù)接收層數(shù),驗證了所提控制協(xié)議的性能優(yōu)勢。

4 結(jié) 語

本文提出基于時空協(xié)調(diào)的城市無線信道接入控制(時空協(xié)調(diào)競爭優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議)協(xié)議,使用碰撞線圖來描述時空特征。通過時空協(xié)調(diào),時空協(xié)調(diào)競爭優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議能可靠、快速地將安全信息傳輸?shù)侥繕塑囕v上。車輛在時空協(xié)調(diào)競爭優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議中接入無線信道,可融合PCF和DCF模式的優(yōu)點。在PCF模式下,車輛在RSU中注冊其移動性信息以進行時隙預留,然后從RSU發(fā)送的信標幀接收其信道接入時隙。在DCF模式下,車輛同時通過時空坐標向相鄰車輛發(fā)送安全信息。從理論上分析了時空協(xié)調(diào)競爭優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議性能,并進行仿真驗證了分析正確性。結(jié)果表明,即使在高度擁擠的道路交通條件下,時空協(xié)調(diào)競爭優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議的性能也優(yōu)于對比MAC協(xié)議。

下一步:① 通過時空協(xié)調(diào)競爭優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議將為未來的工作展示一個用于車輛環(huán)境中駕駛安全的MAC協(xié)議的新設(shè)計思路;② 擴展時空協(xié)調(diào)競爭優(yōu)化媒體訪問控制協(xié)議以支持數(shù)據(jù)服務(wù)(例如多媒體流和交互式視頻呼叫,以獲得高數(shù)據(jù)吞吐量,而不是短數(shù)據(jù)包傳送時間);③ 還將研究無交通燈通信協(xié)議,用于在沒有交通燈協(xié)調(diào)情況下,通過交叉口的自主車輛控制協(xié)議設(shè)定問題。