車聯網時空協調競爭優化媒體訪問控制協議

李麗君 劉鴻飛

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

0 引 言

在過去幾十年中,車輛自組織網絡(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標準化協議,用于車輛環境(WAVE)中的無線接入。但研究結果表明,當車輛密度較高時,WAVE接入惡化[3-4]。

MAC協議可在分布式協調功能(DCF)模式(即基于競爭)、點協調功能(PCF)模式(即基于無競爭)或混合協調功能(HCF)模式下運行[5]。為確保駕駛安全,DCF模式下的MAC協議基于帶碰撞避免的載波感知多址(CSMA/CA)機制執行,但對于城市環境中擁擠交通情況,會導致較高的幀碰撞率。相反,PCF模式下的MAC協議可使用路邊單元(RSU)或接入點(AP)作為協調器來調度發射機時隙,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射機,這種方法增加了數據傳送延遲[6]。同時,調整PCF和DCF模式的最佳組合對于車輛駕駛安全仍具有挑戰性。RSU可部署在車輛網絡的交叉口和街道上。具有強大計算能力的RSU可作為邊緣設備來協調車輛信道接入,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(GPS)的實施是車輛網絡的另一趨勢。RSU可采集所在區域內車輛的GPS數據,從而優化車輛傳輸調度,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調的城市場景MAC協議,利用城市地區時空特征和道路布局特征,在車輛網絡中實現更好的無線信道接入。協議目標是通過車輛基礎設施協調,支持車輛間可靠和快速數據交換,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傳輸,而無需信道干擾或利用定向天線和發射功率控制的碰撞。

1 問題表述

時空協調競爭優化媒體訪問控制協議的目標是通過路邊單位(RSU)協調控制,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。為實現這一目標,可使用定向傳輸,以最大限度通過時空傳輸調度并發傳輸的數量。

1.1 模型假設

在時空協調競爭優化媒體訪問控制協議設計中,首先給出以下假設[9]:

假設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)產生多個波束。在時空協調競爭優化媒體訪問控制協議中,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,將來自發送方車輛的數據幀成功發送到接收方車輛的距離;β是由定向天線陣列的相移構成的通信波束角)通過定位接收車的位置和控制射頻發射功率來調整,如圖1所示。

圖1 傳輸信號的覆蓋范圍和干擾范圍

RF發射功率Wt可以確定如下[10-11]:

式中:d是發射器和接收器之間的距離;α是最小路徑損耗系數;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3通過使用兩個DSRC服務信道來實現類似于WAVE-PCF-MAC協議(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4車輛配備了基于GPS的導航系統,該系統可隨時提供車輛的位置、速度和方向。

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

1.2 目標情景

目標場景是車輛數據交換,例如移動信息(例如,位置、方向和速度)和車載設備狀態(例如,中斷、擋位、發動機和車軸),用于城市道路網絡中的安全駕駛。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(ITS)基礎設施之間的網關。RSU的傳輸覆蓋范圍被設置為覆蓋路段的兩半長度的最大值。

圖2 RSU時空協同的目標場景

通過讓兩個相鄰的RSU使用不同的DSRC業務信道來避免RSU間的干擾。車輛周期性地向RSU發送時隙請求及其移動信息(即當前位置、移動方向和速度)。RSU使用請求信息來構造無線信道接入的傳輸調度。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,以防止發生事故。

2 時空協調與競爭周期優化

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絡的時空特征來實現,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 基于時空協調的信道接入

在城市地區,車輛事故通常是車輛之間的直接碰撞或碰撞(例如正面、側面和后部碰撞)。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和財產損失。這里提出了一個基于幾何關系的車輛間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系,因此可以直接碰撞。從A出發,圓上的兩條切線可以根據B的半長(半徑r)導出。

圖3 碰撞線關系構造

在兩條切線之間的區域內(圖3中的灰色區域),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,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,則當A向B發送時,C既不接收也不發送分組。LoC是指碰撞線,它表示兩個相鄰車輛直接物理碰撞關系,而不是通信范圍視線。

基于LoC關系,可構造LoC圖,考慮車輛在路段中以多車道移動的場景。車輛構造的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,連續通信是必要的。在時空協調競爭優化媒體訪問控制協議中使用LoC圖來減少介質碰撞。

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

定義1(覆蓋集)設覆蓋集為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

現在提出可同時傳輸的非干擾邊覆蓋集的時隙分配優化方法。設2N為自然數集N的冪集,作為時隙集,如2N={?,{1},{1,2},{1,2,3},…}。設E為有向邊集。設Si為時隙的覆蓋集,即設E(Si)為Si中的非干涉邊集。時隙分配優化如下:

式中:S={Si},E=∪Si∈SE(Si)。對于這種優化,提出時空協調競爭優化媒體訪問控制協議集覆蓋算法,如算法1所示。時空協調競爭優化媒體訪問控制協議集覆蓋算法的優化目標是找到具有最小時隙數的集覆蓋,映射到覆蓋集上。覆蓋集的邊是特定時隙的并發傳輸的調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的,因為集覆蓋問題最初是NP難問題。時空協調競爭優化媒體訪問控制協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,在時空協調競爭優化媒體訪問控制協議集覆蓋中,沒有給出這些族,而是應該在映射期間動態地構造為覆蓋集。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時空協調競爭優化媒體訪問控制協議集覆蓋算法

1. function 時空協調競爭優化媒體訪問控制協議_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作為廣度優先搜索(BFS)起始節點(即根節點),在第7-12行中,找到候選最大相容集M。如果M中元素數大于Mmax,則M被設置為Mmax。在第7-12行的for循環后,Mmax作為給定邊緣集E′最大兼容覆蓋集返回。

2.2 競爭周期優化

競爭周期根據未注冊車輛到達率動態地適應RSU通信范圍。隨RSU車輛數量增加,在超幀持續時間內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的有限時間內在RSU注冊。

設λjki表示從相鄰交叉口jk到交叉口i的車輛到達率。設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的車輛數量。可簡單地用單位時間內所有進入路段的車輛總到達量來計算λ。設s為超幀持續時間,包括CP和CFP持續時間,且有:① 未注冊車輛嘗試以概率p發送其注冊幀。② 在此超幀持續時間內,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信道接入概率p和總時隙數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仍可以處理這些程序。

2.3 基于時空協調的媒體訪問控制協議

時空協調競爭優化媒體訪問控制協議是一種混合MAC協議,它將PCF和DCF模式結合起來,以實現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通信中不會發生幀碰撞。

在時空協調競爭優化媒體訪問控制協議中,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。在時空協調競爭優化媒體訪問控制協議中,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(時空協調競爭優化媒體訪問 控制協議)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、超幀持續時間CP 最大持續時間(即M)和CFP最大持續時間。圖5(a)所示CP的廠商特定的TAF字段還包含最優訪問概率(即p),即注冊車輛數,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量、傳輸調度和鄰居向量(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時間,且每個超幀持續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 時空協調競爭優化媒體訪問控制協議中的時間序列

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服務信道號(SCH#)。接著,在接收到TAF之后,車輛開始與發送機會競爭以發送登記請求(即圖6(a)中的REQ)。有可能是多輛車試圖與RSU發生碰撞。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是發送數據包的車輛數量,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發送緊急信息,以便發布緊急數據(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射功率控制來構建其預期發射的覆蓋區域。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,時空協調競爭優化媒體訪問控制協議不僅可實現車輛間駕駛安全信息的快速交換,還可實現RSU下車輛緊急數據的快速發布。

過程3(車輛移動信息更新)在時空協調競爭優化媒體訪問控制協議中,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。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發送包括其移動信息的BSM來發送其更新移動信息。考慮到移動預測精度,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)時刻調度移動信息。

3 實驗分析

3.1 仿真設置

硬件配置:處理器是i7-6400K 3.2 GHz,內存是16 GBddr4-2400K,系統為Windows7旗艦版,仿真軟件是MATLAB 2012b。

參數設定[12-13]:信道數M=3。ρij是數據從信道i轉到j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。設定RSU可覆蓋的區間半徑是150 m,位置相鄰的RSU相互間距XR2R=255 m。利用內外兩個區域進行RSU覆蓋區域的分解,設定劃分參數K=3。車輛密度參數和車道中車輛行駛速度參數之間的關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是研究區域上車輛的密度參數;RSU傳輸覆蓋區域內車輛上限設定為Nmax=?2Rρjam」,?·」是向下取整操作;車輛行駛速度vf=140km/h;ρjam是研究區域上出現擁堵情況的車輛的密度參數,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,數據資源競爭階段時長Δauc=0.05 s。

設定路段車輛密度ρ=[10,15,20,25,30,35,40]輛/千米,對實驗過程反復執行20次,求取平均實驗結果,每次實驗過程中,對研究區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信號覆蓋區域,這些區域中設定的車輛行駛速度存在差異,當車輛行駛到設定道路盡頭時,會重新初始到設定道路的起點位置。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據接收層數以及出現卡頓的時隙數量,可計算車輛運行過程中接收層數均值指標(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(第h個周期);Vnum是所研究道路上的車輛總數;Yi,h是接收數據總層數(第h個周期中的車輛i);Ji,h是卡頓時隙數(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。車輛根據緩存器和門限數據存儲情況進行數據請求層數的計算。最大化門限算法是一種考慮數據傳輸安全性的算法,其主要考慮的是降低數據傳輸過程的中斷率。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,車輛根據緩存器和門限數據存儲情況進行數據請求層數的計算。每時隙情況下,每輛車分配到的信道數最多是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,車輛聯網數據中斷率指標和數據接收層數指標對比結果。

圖7 AIR指標實驗結果(RSU稀疏部署)

圖8 ARL指標實驗結果(RSU稀疏部署)

根據圖7-圖8實驗的結果,盡管算法性能存在差異,但是實驗結果的變化趨勢基本相同:隨著所研究區域內車輛密度的增大,ARL指標均出現單調下降趨勢,AIR指標均出現單調上升趨勢,這表明隨著車輛密度的增加,車輛之間的數據傳輸的連續性逐漸下降,數據傳輸的吞吐量逐漸降低。原因是隨車輛數量增加,車輛間對于數據傳輸信道的競爭日趨激烈,導致數據傳輸上存在明顯的卡頓問題,同時也影響了車聯網數據的傳輸量。從幾種算法的對比情況看,本文算法的ARL指標和AIR指標的實驗結果均要優于選取的對比算法,表明所提控制協議具有更佳的數據傳輸性能。

圖9-圖10分別給出RSU全覆蓋情況下,車輛聯網數據中斷率和數據接收層數的實驗對比結果。根據圖9-圖10結果,在RSU全覆蓋情況下,三種算法在ARL指標和AIR指標的實驗結果變化趨勢具有相近表現。存在差異的是,在車輛密度ρ為10～20車輛/千米區間內,三種算法的ARL指標和AIR指標的實驗結果相對保持問題,主要原因是RSU全覆蓋情況下,具有較強的數據傳輸保持能力,能夠滿足當前車輛密度情況下的數據傳輸需求。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據傳輸要求時,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,也就是數據傳輸的質量更好,也具有更大的數據接收層數,驗證了所提控制協議的性能優勢。

4 結 語

本文提出基于時空協調的城市無線信道接入控制(時空協調競爭優化媒體訪問控制協議)協議,使用碰撞線圖來描述時空特征。通過時空協調,時空協調競爭優化媒體訪問控制協議能可靠、快速地將安全信息傳輸到目標車輛上。車輛在時空協調競爭優化媒體訪問控制協議中接入無線信道,可融合PCF和DCF模式的優點。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送安全信息。從理論上分析了時空協調競爭優化媒體訪問控制協議性能,并進行仿真驗證了分析正確性。結果表明,即使在高度擁擠的道路交通條件下,時空協調競爭優化媒體訪問控制協議的性能也優于對比MAC協議。

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