基于空分多址的车联网信标消息同步广播协议

张洋+刘海燕+郑雪峰

摘 要： 依据车联网中专用短距离通信DSRC协议的标准，车辆通过周期地广播包含车辆状态信息的信标消息，实现邻居节点感知的链路层服务，并且信标消息以随机方式共享传输安全消息的控制信道。然而，这种方式可能导致严重信道竞争和数据丢失，降低邻居节点感知率。为此，提出基于空分多址的信标消息同步广播协议SDMA?SB。通过SDMA?SB协议，使得车辆以分布式方式同步地广播信标，实现车辆在同一个信标时区内有序地广播，降低信道竞争概率，进而提高邻居节点感知效率。SDMA?SB协议先建立有序化的道路模型，然后依据距离信息为同一路段车辆选择一个控制信道间隔CCHI作为信标时区，再根据距离计算广播信标所需的等待时间，并保证车辆等待时间的惟一性。仿真结果表明，与传统的信标广播协议相比，提出的SDMA?SB协议提高了邻居感知率以及信息的新鲜度。

关键词： 车联网； 专用短距离通信； 信标； 控制信道； 邻居节点感知率

中图分类号： TN915.04?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 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

基于短距离通信的车联网VANETs （Vehicular Ad Hoc Networks）被认为是应用于智能交通系统最有前景的技术之一[1]。VANETs提供了车间通信V2V和车与设施通信V2I平台，使得车辆间能够实时交互车道、车辆行驶状态等信息，进而提高交通行驶安全以及效率。

1999年，美国联邦通信协会FCC给VANETs的车间通信V2V和车与设施通信V2I制定了专用短距离通信DSRC（Dedicated Short?Range Communication）标准，并分配75 MHz的频谱[2?3]。DSRC频谱被划分为7个10 MHz信道和5 MHz的保护间隔，其中某一信道作为控制信道CCH（Control Channel），用于安全通信，包括信标[4]，其他信道作为服务信道SCHs（Service Channels）。

VANETs中的基本安全应用就是周期性地广播信标（Beacon），其包含车辆实时位置、速度、行驶方向等信息。通过周期地广播信标，邻近车辆间可交互彼此信息，进而监测当前道路的行驶条件，便于及时应对道路危险情况，实现事故预警的作用。换而言之，VANETs的安全应用依赖于通过信标感知邻居效率和获取信息的效率。前者表示发现邻居节点的能力，后者表示从邻居节点获取信息的实效性。从安全角度出发，当信标周期越短、传输范围越大，车辆感知邻居效率越高，所获取信息的实时性也越高，相应地，安全系数也越高。在针对典型车辆安全应用中，信标周期为0.1 s，传输范围为[5]300～500 m。

然而，DSRC标准的信标广播协议仍存在几个挑战。首先，所有车辆以周期，但非同步方式广播信标，极大地增加了网络负担，导致通信性能下降；第二，广播信标易产生信道竞争，加大碰撞概率[6?7]；第三，信标与其他安全应用共享信道，存在信道接入冲突；最后，就是广播信标周期的设定。周期的大小直接影响系统性能。这就存在周期与开销的权衡问题：缩短周期，提高邻居感知率，但加大了系统开销，反之，减少了邻居感知率，降低了安全应用性能。

针对上述挑战，本文提出基于空分多址的信标消息同步广播SDMA?SB（Space?division Multiple Access?based Synchronized Beacons Sending Protocol）协议。SDMA?SB协议以分布式的同步策略，使得车辆在CCHI内有序地广播信标。通过建立有序化的道路模型计算距离，为同一路段车辆选择同一个CCHI。将此CCHI用于信标广播。然后，再依据距离设置等待时间，并保证同一路段车辆的等待时间具有惟一性，进而避免冲突。仿真结果表明，提出的SDMA?SB协议能够有效地发现邻居节点，降低系统开销。

1 系统模型及总体策略

1.1 系统模型

假定所有车辆采用全向天线，并且传输范围为每个车辆均装备了全球导航卫星系统GNSS（Global Navigation Satellite System），能够获取自己的地理位置以及时钟信息。此外，每个车辆预下载了数字地图。结合GNSS和数字地图，每个车辆能够获取自己所处道路的相关信息，包括交叉路口坐标、所在车道。本文考虑所有车辆同行行驶。依据道路规则，车辆间的距离满足安全行驶距离SD（Safety Distance）。道路模型见图1。

在分析信标消息广播策略时，只考虑直行单向的道路，不考虑交叉道路。通过道路上的车辆，将道路划分为不同的路段。假定道路长为，将其划分为个路段，每个路段的长度为，如图1所示。每个路段又划分为两个子路段，子路段长为。为了简化描述，将这些子路段标识为其中为子路段的个数。道路长与子路段数满足如下关系：

（1）

式中表示向下取整数。此外，图1中的。

图1 道路模型

引用IEEE 1609.4标准所定义的信道同步方案。如图2所示，在每个同步间隔内划分控制信道CCH和服务信道SCH。两类信道间设为保护间隔GT（Guard Time）。CCH间隔CCHI为50 ms、服務信道SCH间隔SCHI为50 ms，而保护间隔GT为4 ms。控制信道CCHI内广播信标。如果信标周期=1 s，则每个信标周期内含有10个CCHI。仅用某一个CCHI作为信标广播时段，其余的CCHI不用于广播信标。

图2 IEEE 1609.4标准的多信道

1.2 总体策略

目前，正如文献[8]所采用的标准，信标以随机方式接入网络。在每个广播周期内，节点盲目地发送信标，并没有考虑其他节点的存在。它们利用MAC层接入控制和退避算法。然而，多项研究表明，这类策略的不足之处在于容易产生广播竞争、数据包丢失以及开销增加问题[9?11]。

为此，本文提出分布式的同步信标广播策略SDMA?SB，其目的在于：邻近车辆在同一个时间段循序地广播信标，避免因随机广播而引发信道竞争。将此时间段称为信标时区（beacon session）。由于在CCHI内广播信标，信标时区也称为CCHI时区。

分布式的同步信标广播策略的重点在于如何使车辆在同一个信标时区内有序地广播信标。这涉及两个问题：如何使得车辆在同一个CCHI内广播，即同步；如何在同一个CCHI内有序地广播信标。为此，SDMA?SB依据道路模型设定在此模型下的距离，致使距离具有惟一性，然后依据距离设定广播信标的等待时间，最终使每个车辆能够在信标时区内有序、无冲突地广播信标。

2 SDMA?SB协议

依据上述分析可知，SDMA?SB协议主要由两个阶段构成：同一个路段的车辆选择同一个CCHI，称为同步阶段；在同一个CCHI阶段，循序广播，称为广播时序设置阶段。接下来，分别从这两个阶段分析SDMA?SB协议。

2.1 同步阶段

当车辆进入道路，每辆车执行初始化阶段。车辆先获取系统参数，包括当前道路位置、所在的车道以及周期值。然后，定义二值变量，并初始化为零。再定义同步时间变量，此时间等于车辆接入路段的当前时间。同时，计算变量的值，等于每个周期含有CCHI的间隔数，其中的单位为毫秒。

（2）

初始阶段的过程如下所示：

目的：初始化

Step 1： 获取系统参数（T，P，l）

Step 2：

Step 3：

Step 4：

Step 5：

Step 6：

其中为计数变量，初始阶段结束时，将设置为1。

完成初始阶段后，便进入设置同步阶段。一旦接收了来自邻居节点的信标消息，表明邻居节点已经进入了信标时区。此时，接收节点要判断是否能与发送节点保持同步。如果发送节点的小于自己则将与发送节点保持同步，将发送节点的替换自己的然后再将设置为1，将赋予。

最后进入广播信标阶段，其流程如下：

目的：有序广播信标

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

在广播信标前，先计算等待时间计算过程见下节。当计时为零就广播信标。

2.2 计算

为了简化描述，以一个路段为分析对象，如图3所示，10辆车随机分布于4个车道上。表示两个子路段间的中线。同时，对车道进行从左向右、从下向上进行编号，称为子车道数。如车辆的子车道为1，而的子车道为5。

图3 一个路段模型

车辆的等待时间WT应正比于距离定义如下所示：

（3）

式中表示车辆离中线的距离，如图3所示。例如，车辆的距离为。

为了保证在同一个CCHI内每个车辆距离的惟一性，WT应与距离保持线性关系：

（4）

式中为系数。取两个特殊的点，便可计算它们的值。当=0，则节点的等待时间WT应至少大于从CCH接入SCH的保护间隔GT。当时，等待时间WT应为CCH的间隔时延CCHI与两节点间最大传输时延的差，即。利用这两对取值，便可计算代入式（4），可得：

（5）

从式（5）可知，WT为的增函数。

接下来，进一步分析WT的性能要求。假定车辆的等待时间分别表示为WT1，WT2。由于它们连续广播信标，因此它们的等待时间差应大于最大传输时延即将此关系代入式（5），可得车辆的距离满足如下关系：

（6）

式（6）表明，連续车辆间的最小间隔称为车间最小距离minGap。

然后，对处于同一路段不同子车道数numlane进行序列化，即将图3所示的模型转换成一个车道，如图4（a）所示。图4（a）描述了被序列化后的车道模型。然而，依据式（6）应充分考虑最小车间距离minGap，为此定义了虚拟距离间隔，如图4（b）所示。

图4 序列化的路段模型

依据图4（b）模型，式（3）可转换为：

（7）

最终，可得到包含的等待时间WT的表达式：

（8）

3 数值分析

3.1 仿真场景

采用Veins?2.1工具[12]建立仿真平台。仿真的道路长度，4个单向道。车辆移动的最大速度为30 m/s，车辆通信传输半径具体的仿真参数如表1所示。

每次实验独立重复100次，取平均值作为最终的仿真数据。为了更好地分析SDMA?SB协议，选择传统的DSRC标准的信标广播协议作为参照。

3.2 仿真结果及分析

为了能够充分地分析SDMA?SB协议性能，引用文献[13]定义的性能指标。考查SDMA?SB协议的信道开销、邻居节点感知率以及信标信息新鲜期三方面性能。

3.2.1 信道开销

信道开销是指网络内任意一节点每秒内所接收和发送的数据比特数[13]。仿真结果如图5所示。图5描述了两个协议的信道开销随车密度的变化，以及周期对信标开销的影响。

从图5可知，SDMA?SB协议信道开销略优于DSRC信道开销，原因在于：

（1） 与DSRC相比，SDMA?SB协议在信标中增加了2个字节的区域，用于记录值，这增加了信道开销；

（2） SDMA?SB协议通过同步信标广播策略，减少了信标碰撞概率，提高了信标的传输效率，进而降低信道开销。

这两个原因的综合导致SDMA?SB协议信标开销略优于DSRC协议。此外，周期的降低，增加了信道开销。这是因为的降低，使相同时间内发送的信标数越大。类似地，信道开销随车密度的增加而上升。车辆越多，发送的信标数越多，信道开销也随之增加。

3.2.2 邻居节点感知率

邻居节点感知率反映了节点感知邻居节点的能力，数值等于在一个周期内节点从邻居节点接收的信标数与它的邻居节点数之比。从这个定义可知，邻居节点感知率也反映了数据包的接收能力。仿真结果如图6所示。

从图6可知，SDMA?SB协议在周期时，邻居节点感知率逼近100%，并不受车密度的影响。而传统的DSRC的邻居节点感知率随车密度的增加而下降，并且的减少也降低了邻居节点感知率。与DSRC相比，SDMA?SB协议的邻居节点感知率得到有效提高。例如，当车密度为90，在时，SDMA?SB协议的邻居节点感知率高达95%，而DSRC协议为85%，提高了近10%；当时，SDMA?SB协议比DSRC提高了近30%。

3.2.3 信标信息新鲜期

最后，考查了协议的信标信息新鲜期，其等于接收来自同一个节点所发送的两个信标间隔，仿真结果如图7所示。从图7可知，提出的SDMA?SB协议的信标信息新鲜期接近于周期，特别是在低密度区域。此外，SDMA?SB协议的信标信息新鲜期在整个车密度变化区域保持平稳，几乎不受车密度影响。而DSRC协议的信标信息新鲜期随车密度变化产生波动，并且高于SDMA?SB协议。

4 结 语

本文针对车联网中的信标广播协议展开分析，并提出基于空分多址的信标消息同步广播SDMA?SB协议。SDMA?SB协议采用分布式同步广播策略传输信标，降低信标接入信道的碰撞概率，提高信道广播效率，进而提高邻居感知率。首先，建立车道模型，再据此计算距离，并结合SDMA技术，为处于同一路段的车辆找到CCHI，即信标时区。然后，依据距离计算车辆在CCHI内广播信标所需的等待时间，并保证每个车辆的等待时间的惟一性，进而使得车辆能够在同一CCHI内有序地广播信标，降低碰撞概率。仿真结果表明，与DSRC标准的信标广播相比，提出的SDMA?SB协议能够提高信标广播效率，提升邻居感知率，并增加了信标内的信息新鲜度。

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