基于空分多址的車(chē)聯(lián)網(wǎng)信標(biāo)消息同步廣播協(xié)議

張洋+劉海燕+鄭雪峰

摘 要： 依據(jù)車(chē)聯(lián)網(wǎng)中專用短距離通信DSRC協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)，車(chē)輛通過(guò)周期地廣播包含車(chē)輛狀態(tài)信息的信標(biāo)消息，實(shí)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)感知的鏈路層服務(wù)，并且信標(biāo)消息以隨機(jī)方式共享傳輸安全消息的控制信道。然而，這種方式可能導(dǎo)致嚴(yán)重信道競(jìng)爭(zhēng)和數(shù)據(jù)丟失，降低鄰居節(jié)點(diǎn)感知率。為此，提出基于空分多址的信標(biāo)消息同步廣播協(xié)議SDMA?SB。通過(guò)SDMA?SB協(xié)議，使得車(chē)輛以分布式方式同步地廣播信標(biāo)，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛在同一個(gè)信標(biāo)時(shí)區(qū)內(nèi)有序地廣播，降低信道競(jìng)爭(zhēng)概率，進(jìn)而提高鄰居節(jié)點(diǎn)感知效率。SDMA?SB協(xié)議先建立有序化的道路模型，然后依據(jù)距離信息為同一路段車(chē)輛選擇一個(gè)控制信道間隔CCHI作為信標(biāo)時(shí)區(qū)，再根據(jù)距離計(jì)算廣播信標(biāo)所需的等待時(shí)間，并保證車(chē)輛等待時(shí)間的惟一性。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的信標(biāo)廣播協(xié)議相比，提出的SDMA?SB協(xié)議提高了鄰居感知率以及信息的新鮮度。

關(guān)鍵詞： 車(chē)聯(lián)網(wǎng)； 專用短距離通信； 信標(biāo)； 控制信道； 鄰居節(jié)點(diǎn)感知率

中圖分類號(hào)： TN915.04?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）11?0137?05

Space division multiple access based synchronized beacons sending protocol in VANETs

ZHANG Yang1， LIU Haiyan1， ZHENG Xuefeng2

（1. Department of Hydraulic Engineering， Tsinghua University， Beijing 100062， China；

2. School of Computer & Communication Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100101， China）

Abstract： According to the standard of the dedicated short?range communication （DSRC） protocol in vehicular Ad Hoc networks （VANETs）， the vehicle can realize the link?layer service of neighborhood discovery by broadcasting the beacon information including vehicle status information periodically. The beacon information shares the control channel （CCH） transmitting safety information with random mode， which may cause the severe channel competition and packet loss， and reduce the neighborhood?discovery ratio. Therefore， a space?division multiple access based synchronized beacons （SDMA?SB） sending protocol is proposed， with which the vehicles can broadcast the beacon synchronously in distributed mode to realize its sequential broadcast in the same beacon time zone， reduce the channel competition probability， and improve the neighborhood?discovery ratio. The ordering channel model is constructed with SDMA?SB protocol. According to the distance information， a control channel interval （CCHI） is selected for the vehicle in the same path section as the beacon time zone. The waiting time needed by the broadcast beacon is calculated according to the distance to guarantee the uniqueness of vehicle waiting time. The simulation results show that， in comparison with the traditional beacons broadcast protocol， the SDMA?SB protocol can improve the neighborhood?discovery ratio and information freshness efficiently.

Keywords： vehicular Ad Hoc network； dedicated short?range communication； beacon； control channel； neighborhood?discovery ratio

0 引 言

基于短距離通信的車(chē)聯(lián)網(wǎng)VANETs （Vehicular Ad Hoc Networks）被認(rèn)為是應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)最有前景的技術(shù)之一[1]。VANETs提供了車(chē)間通信V2V和車(chē)與設(shè)施通信V2I平臺(tái)，使得車(chē)輛間能夠?qū)崟r(shí)交互車(chē)道、車(chē)輛行駛狀態(tài)等信息，進(jìn)而提高交通行駛安全以及效率。

1999年，美國(guó)聯(lián)邦通信協(xié)會(huì)FCC給VANETs的車(chē)間通信V2V和車(chē)與設(shè)施通信V2I制定了專用短距離通信DSRC（Dedicated Short?Range Communication）標(biāo)準(zhǔn)，并分配75 MHz的頻譜[2?3]。DSRC頻譜被劃分為7個(gè)10 MHz信道和5 MHz的保護(hù)間隔，其中某一信道作為控制信道CCH（Control Channel），用于安全通信，包括信標(biāo)[4]，其他信道作為服務(wù)信道SCHs（Service Channels）。

VANETs中的基本安全應(yīng)用就是周期性地廣播信標(biāo)（Beacon），其包含車(chē)輛實(shí)時(shí)位置、速度、行駛方向等信息。通過(guò)周期地廣播信標(biāo)，鄰近車(chē)輛間可交互彼此信息，進(jìn)而監(jiān)測(cè)當(dāng)前道路的行駛條件，便于及時(shí)應(yīng)對(duì)道路危險(xiǎn)情況，實(shí)現(xiàn)事故預(yù)警的作用。換而言之，VANETs的安全應(yīng)用依賴于通過(guò)信標(biāo)感知鄰居效率和獲取信息的效率。前者表示發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)的能力，后者表示從鄰居節(jié)點(diǎn)獲取信息的實(shí)效性。從安全角度出發(fā)，當(dāng)信標(biāo)周期越短、傳輸范圍越大，車(chē)輛感知鄰居效率越高，所獲取信息的實(shí)時(shí)性也越高，相應(yīng)地，安全系數(shù)也越高。在針對(duì)典型車(chē)輛安全應(yīng)用中，信標(biāo)周期為0.1 s，傳輸范圍為[5]300～500 m。

然而，DSRC標(biāo)準(zhǔn)的信標(biāo)廣播協(xié)議仍存在幾個(gè)挑戰(zhàn)。首先，所有車(chē)輛以周期，但非同步方式廣播信標(biāo)，極大地增加了網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致通信性能下降；第二，廣播信標(biāo)易產(chǎn)生信道競(jìng)爭(zhēng)，加大碰撞概率[6?7]；第三，信標(biāo)與其他安全應(yīng)用共享信道，存在信道接入沖突；最后，就是廣播信標(biāo)周期的設(shè)定。周期的大小直接影響系統(tǒng)性能。這就存在周期與開(kāi)銷(xiāo)的權(quán)衡問(wèn)題：縮短周期，提高鄰居感知率，但加大了系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，反之，減少了鄰居感知率，降低了安全應(yīng)用性能。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，本文提出基于空分多址的信標(biāo)消息同步廣播SDMA?SB（Space?division Multiple Access?based Synchronized Beacons Sending Protocol）協(xié)議。SDMA?SB協(xié)議以分布式的同步策略，使得車(chē)輛在CCHI內(nèi)有序地廣播信標(biāo)。通過(guò)建立有序化的道路模型計(jì)算距離，為同一路段車(chē)輛選擇同一個(gè)CCHI。將此CCHI用于信標(biāo)廣播。然后，再依據(jù)距離設(shè)置等待時(shí)間，并保證同一路段車(chē)輛的等待時(shí)間具有惟一性，進(jìn)而避免沖突。仿真結(jié)果表明，提出的SDMA?SB協(xié)議能夠有效地發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)，降低系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)。

1 系統(tǒng)模型及總體策略

1.1 系統(tǒng)模型

假定所有車(chē)輛采用全向天線，并且傳輸范圍為每個(gè)車(chē)輛均裝備了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS（Global Navigation Satellite System），能夠獲取自己的地理位置以及時(shí)鐘信息。此外，每個(gè)車(chē)輛預(yù)下載了數(shù)字地圖。結(jié)合GNSS和數(shù)字地圖，每個(gè)車(chē)輛能夠獲取自己所處道路的相關(guān)信息，包括交叉路口坐標(biāo)、所在車(chē)道。本文考慮所有車(chē)輛同行行駛。依據(jù)道路規(guī)則，車(chē)輛間的距離滿足安全行駛距離SD（Safety Distance）。道路模型見(jiàn)圖1。

在分析信標(biāo)消息廣播策略時(shí)，只考慮直行單向的道路，不考慮交叉道路。通過(guò)道路上的車(chē)輛，將道路劃分為不同的路段。假定道路長(zhǎng)為，將其劃分為個(gè)路段，每個(gè)路段的長(zhǎng)度為，如圖1所示。每個(gè)路段又劃分為兩個(gè)子路段，子路段長(zhǎng)為。為了簡(jiǎn)化描述，將這些子路段標(biāo)識(shí)為其中為子路段的個(gè)數(shù)。道路長(zhǎng)與子路段數(shù)滿足如下關(guān)系：

（1）

式中表示向下取整數(shù)。此外，圖1中的。

圖1 道路模型

引用IEEE 1609.4標(biāo)準(zhǔn)所定義的信道同步方案。如圖2所示，在每個(gè)同步間隔內(nèi)劃分控制信道CCH和服務(wù)信道SCH。兩類信道間設(shè)為保護(hù)間隔GT（Guard Time）。CCH間隔CCHI為50 ms、服務(wù)信道SCH間隔SCHI為50 ms，而保護(hù)間隔GT為4 ms。控制信道CCHI內(nèi)廣播信標(biāo)。如果信標(biāo)周期=1 s，則每個(gè)信標(biāo)周期內(nèi)含有10個(gè)CCHI。僅用某一個(gè)CCHI作為信標(biāo)廣播時(shí)段，其余的CCHI不用于廣播信標(biāo)。

圖2 IEEE 1609.4標(biāo)準(zhǔn)的多信道

1.2 總體策略

目前，正如文獻(xiàn)[8]所采用的標(biāo)準(zhǔn)，信標(biāo)以隨機(jī)方式接入網(wǎng)絡(luò)。在每個(gè)廣播周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)盲目地發(fā)送信標(biāo)，并沒(méi)有考慮其他節(jié)點(diǎn)的存在。它們利用MAC層接入控制和退避算法。然而，多項(xiàng)研究表明，這類策略的不足之處在于容易產(chǎn)生廣播競(jìng)爭(zhēng)、數(shù)據(jù)包丟失以及開(kāi)銷(xiāo)增加問(wèn)題[9?11]。

為此，本文提出分布式的同步信標(biāo)廣播策略SDMA?SB，其目的在于：鄰近車(chē)輛在同一個(gè)時(shí)間段循序地廣播信標(biāo)，避免因隨機(jī)廣播而引發(fā)信道競(jìng)爭(zhēng)。將此時(shí)間段稱為信標(biāo)時(shí)區(qū)（beacon session）。由于在CCHI內(nèi)廣播信標(biāo)，信標(biāo)時(shí)區(qū)也稱為CCHI時(shí)區(qū)。

分布式的同步信標(biāo)廣播策略的重點(diǎn)在于如何使車(chē)輛在同一個(gè)信標(biāo)時(shí)區(qū)內(nèi)有序地廣播信標(biāo)。這涉及兩個(gè)問(wèn)題：如何使得車(chē)輛在同一個(gè)CCHI內(nèi)廣播，即同步；如何在同一個(gè)CCHI內(nèi)有序地廣播信標(biāo)。為此，SDMA?SB依據(jù)道路模型設(shè)定在此模型下的距離，致使距離具有惟一性，然后依據(jù)距離設(shè)定廣播信標(biāo)的等待時(shí)間，最終使每個(gè)車(chē)輛能夠在信標(biāo)時(shí)區(qū)內(nèi)有序、無(wú)沖突地廣播信標(biāo)。

2 SDMA?SB協(xié)議

依據(jù)上述分析可知，SDMA?SB協(xié)議主要由兩個(gè)階段構(gòu)成：同一個(gè)路段的車(chē)輛選擇同一個(gè)CCHI，稱為同步階段；在同一個(gè)CCHI階段，循序廣播，稱為廣播時(shí)序設(shè)置階段。接下來(lái)，分別從這兩個(gè)階段分析SDMA?SB協(xié)議。

2.1 同步階段

當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入道路，每輛車(chē)執(zhí)行初始化階段。車(chē)輛先獲取系統(tǒng)參數(shù)，包括當(dāng)前道路位置、所在的車(chē)道以及周期值。然后，定義二值變量，并初始化為零。再定義同步時(shí)間變量，此時(shí)間等于車(chē)輛接入路段的當(dāng)前時(shí)間。同時(shí)，計(jì)算變量的值，等于每個(gè)周期含有CCHI的間隔數(shù)，其中的單位為毫秒。

（2）

初始階段的過(guò)程如下所示：

目的：初始化

Step 1： 獲取系統(tǒng)參數(shù)（T，P，l）

Step 2：

Step 3：

Step 4：

Step 5：

Step 6：

其中為計(jì)數(shù)變量，初始階段結(jié)束時(shí)，將設(shè)置為1。

完成初始階段后，便進(jìn)入設(shè)置同步階段。一旦接收了來(lái)自鄰居節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)消息，表明鄰居節(jié)點(diǎn)已經(jīng)進(jìn)入了信標(biāo)時(shí)區(qū)。此時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)要判斷是否能與發(fā)送節(jié)點(diǎn)保持同步。如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)的小于自己則將與發(fā)送節(jié)點(diǎn)保持同步，將發(fā)送節(jié)點(diǎn)的替換自己的然后再將設(shè)置為1，將賦予。

最后進(jìn)入廣播信標(biāo)階段，其流程如下：

目的：有序廣播信標(biāo)

Step 1： if flag then

Step 2：

Step 3： if then

Step 4：

Step 5： Compute waiting time （WT）

Step 6： End if

Step 7： While do

Step 8： Send beacon

Step 9： End if

在廣播信標(biāo)前，先計(jì)算等待時(shí)間計(jì)算過(guò)程見(jiàn)下節(jié)。當(dāng)計(jì)時(shí)為零就廣播信標(biāo)。

2.2 計(jì)算

為了簡(jiǎn)化描述，以一個(gè)路段為分析對(duì)象，如圖3所示，10輛車(chē)隨機(jī)分布于4個(gè)車(chē)道上。表示兩個(gè)子路段間的中線。同時(shí)，對(duì)車(chē)道進(jìn)行從左向右、從下向上進(jìn)行編號(hào)，稱為子車(chē)道數(shù)。如車(chē)輛的子車(chē)道為1，而的子車(chē)道為5。

圖3 一個(gè)路段模型

車(chē)輛的等待時(shí)間WT應(yīng)正比于距離定義如下所示：

（3）

式中表示車(chē)輛離中線的距離，如圖3所示。例如，車(chē)輛的距離為。

為了保證在同一個(gè)CCHI內(nèi)每個(gè)車(chē)輛距離的惟一性，WT應(yīng)與距離保持線性關(guān)系：

（4）

式中為系數(shù)。取兩個(gè)特殊的點(diǎn)，便可計(jì)算它們的值。當(dāng)=0，則節(jié)點(diǎn)的等待時(shí)間WT應(yīng)至少大于從CCH接入SCH的保護(hù)間隔GT。當(dāng)時(shí)，等待時(shí)間WT應(yīng)為CCH的間隔時(shí)延CCHI與兩節(jié)點(diǎn)間最大傳輸時(shí)延的差，即。利用這兩對(duì)取值，便可計(jì)算代入式（4），可得：

（5）

從式（5）可知，WT為的增函數(shù)。

接下來(lái)，進(jìn)一步分析WT的性能要求。假定車(chē)輛的等待時(shí)間分別表示為WT1，WT2。由于它們連續(xù)廣播信標(biāo)，因此它們的等待時(shí)間差應(yīng)大于最大傳輸時(shí)延即將此關(guān)系代入式（5），可得車(chē)輛的距離滿足如下關(guān)系：

（6）

式（6）表明，連續(xù)車(chē)輛間的最小間隔稱為車(chē)間最小距離minGap。

然后，對(duì)處于同一路段不同子車(chē)道數(shù)numlane進(jìn)行序列化，即將圖3所示的模型轉(zhuǎn)換成一個(gè)車(chē)道，如圖4（a）所示。圖4（a）描述了被序列化后的車(chē)道模型。然而，依據(jù)式（6）應(yīng)充分考慮最小車(chē)間距離minGap，為此定義了虛擬距離間隔，如圖4（b）所示。

圖4 序列化的路段模型

依據(jù)圖4（b）模型，式（3）可轉(zhuǎn)換為：

（7）

最終，可得到包含的等待時(shí)間WT的表達(dá)式：

（8）

3 數(shù)值分析

3.1 仿真場(chǎng)景

采用Veins?2.1工具[12]建立仿真平臺(tái)。仿真的道路長(zhǎng)度，4個(gè)單向道。車(chē)輛移動(dòng)的最大速度為30 m/s，車(chē)輛通信傳輸半徑具體的仿真參數(shù)如表1所示。

每次實(shí)驗(yàn)獨(dú)立重復(fù)100次，取平均值作為最終的仿真數(shù)據(jù)。為了更好地分析SDMA?SB協(xié)議，選擇傳統(tǒng)的DSRC標(biāo)準(zhǔn)的信標(biāo)廣播協(xié)議作為參照。

3.2 仿真結(jié)果及分析

為了能夠充分地分析SDMA?SB協(xié)議性能，引用文獻(xiàn)[13]定義的性能指標(biāo)。考查SDMA?SB協(xié)議的信道開(kāi)銷(xiāo)、鄰居節(jié)點(diǎn)感知率以及信標(biāo)信息新鮮期三方面性能。

3.2.1 信道開(kāi)銷(xiāo)

信道開(kāi)銷(xiāo)是指網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意一節(jié)點(diǎn)每秒內(nèi)所接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)比特?cái)?shù)[13]。仿真結(jié)果如圖5所示。圖5描述了兩個(gè)協(xié)議的信道開(kāi)銷(xiāo)隨車(chē)密度的變化，以及周期對(duì)信標(biāo)開(kāi)銷(xiāo)的影響。

從圖5可知，SDMA?SB協(xié)議信道開(kāi)銷(xiāo)略優(yōu)于DSRC信道開(kāi)銷(xiāo)，原因在于：

（1） 與DSRC相比，SDMA?SB協(xié)議在信標(biāo)中增加了2個(gè)字節(jié)的區(qū)域，用于記錄值，這增加了信道開(kāi)銷(xiāo)；

（2） SDMA?SB協(xié)議通過(guò)同步信標(biāo)廣播策略，減少了信標(biāo)碰撞概率，提高了信標(biāo)的傳輸效率，進(jìn)而降低信道開(kāi)銷(xiāo)。

這兩個(gè)原因的綜合導(dǎo)致SDMA?SB協(xié)議信標(biāo)開(kāi)銷(xiāo)略優(yōu)于DSRC協(xié)議。此外，周期的降低，增加了信道開(kāi)銷(xiāo)。這是因?yàn)榈慕档停瓜嗤瑫r(shí)間內(nèi)發(fā)送的信標(biāo)數(shù)越大。類似地，信道開(kāi)銷(xiāo)隨車(chē)密度的增加而上升。車(chē)輛越多，發(fā)送的信標(biāo)數(shù)越多，信道開(kāi)銷(xiāo)也隨之增加。

3.2.2 鄰居節(jié)點(diǎn)感知率

鄰居節(jié)點(diǎn)感知率反映了節(jié)點(diǎn)感知鄰居節(jié)點(diǎn)的能力，數(shù)值等于在一個(gè)周期內(nèi)節(jié)點(diǎn)從鄰居節(jié)點(diǎn)接收的信標(biāo)數(shù)與它的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)之比。從這個(gè)定義可知，鄰居節(jié)點(diǎn)感知率也反映了數(shù)據(jù)包的接收能力。仿真結(jié)果如圖6所示。

從圖6可知，SDMA?SB協(xié)議在周期時(shí)，鄰居節(jié)點(diǎn)感知率逼近100%，并不受車(chē)密度的影響。而傳統(tǒng)的DSRC的鄰居節(jié)點(diǎn)感知率隨車(chē)密度的增加而下降，并且的減少也降低了鄰居節(jié)點(diǎn)感知率。與DSRC相比，SDMA?SB協(xié)議的鄰居節(jié)點(diǎn)感知率得到有效提高。例如，當(dāng)車(chē)密度為90，在時(shí)，SDMA?SB協(xié)議的鄰居節(jié)點(diǎn)感知率高達(dá)95%，而DSRC協(xié)議為85%，提高了近10%；當(dāng)時(shí)，SDMA?SB協(xié)議比DSRC提高了近30%。

3.2.3 信標(biāo)信息新鮮期

最后，考查了協(xié)議的信標(biāo)信息新鮮期，其等于接收來(lái)自同一個(gè)節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的兩個(gè)信標(biāo)間隔，仿真結(jié)果如圖7所示。從圖7可知，提出的SDMA?SB協(xié)議的信標(biāo)信息新鮮期接近于周期，特別是在低密度區(qū)域。此外，SDMA?SB協(xié)議的信標(biāo)信息新鮮期在整個(gè)車(chē)密度變化區(qū)域保持平穩(wěn)，幾乎不受車(chē)密度影響。而DSRC協(xié)議的信標(biāo)信息新鮮期隨車(chē)密度變化產(chǎn)生波動(dòng)，并且高于SDMA?SB協(xié)議。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)中的信標(biāo)廣播協(xié)議展開(kāi)分析，并提出基于空分多址的信標(biāo)消息同步廣播SDMA?SB協(xié)議。SDMA?SB協(xié)議采用分布式同步廣播策略傳輸信標(biāo)，降低信標(biāo)接入信道的碰撞概率，提高信道廣播效率，進(jìn)而提高鄰居感知率。首先，建立車(chē)道模型，再據(jù)此計(jì)算距離，并結(jié)合SDMA技術(shù)，為處于同一路段的車(chē)輛找到CCHI，即信標(biāo)時(shí)區(qū)。然后，依據(jù)距離計(jì)算車(chē)輛在CCHI內(nèi)廣播信標(biāo)所需的等待時(shí)間，并保證每個(gè)車(chē)輛的等待時(shí)間的惟一性，進(jìn)而使得車(chē)輛能夠在同一CCHI內(nèi)有序地廣播信標(biāo)，降低碰撞概率。仿真結(jié)果表明，與DSRC標(biāo)準(zhǔn)的信標(biāo)廣播相比，提出的SDMA?SB協(xié)議能夠提高信標(biāo)廣播效率，提升鄰居感知率，并增加了信標(biāo)內(nèi)的信息新鮮度。

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