基于网络状态信息的车载网功率控制方法

陈淑群， 罗小华

(浙江大学 超大规模集成电路设计研究所，浙江 杭州 310027)

基于网络状态信息的车载网功率控制方法

陈淑群， 罗小华

(浙江大学超大规模集成电路设计研究所，浙江杭州310027)

针对车载自组网中,节点密度较高时，容易出现网络拥堵的情况，提出了一种动态调整消息发射功率的方法。通过信道忙闲比例(CBR)评估节点的网络状况，并在出现网络拥堵时泛洪广播拥堵信息，通知其他节点作出相应的功率调整。综合考虑功率覆盖范围和覆盖节点数两方面因素，设计了功率调整曲线。实验结果表明:方法能根据网络状况自适应地调整发射功率，降低了发生信道过载的可能性，并提高了信标消息传递的成功率。

车载自组网； 信道忙闲比例； 功率控制； 信道负载

0 引 言

在车载自组网(vehicular Ad-hoc network,VANET)中，车辆节点之间基于FlexRay总线周期性的广播信标消息，实现位置、速度等行驶状态信息的共享[1,2]。采用固定的消息发射功率，容易在节点密集区域，因信标消息发送量过大导致信道过载。由此造成的消息碰撞和延迟，使车辆驾驶的安全性受到影响[2]。

为了改善VANET的网络状况，本文提出了一种动态调整发射功率的方法。首先对自身和邻居节点的网络状态进行评估；然后在自身网络拥堵的情况下，判断是否泛洪广播拥堵信息；如果不需要泛洪广播，则根据邻居节点的网络状态以及功率调整曲线，进行功率值的调整。这种功率调整方式在降低网络负载的同时，确保节点与近距离邻居节点间的网络连接不受影响，从而提高了安全信息的传输性能。

1 网络状况的评估与发送机制

在IEEE 802.11p标准中，将具有冲突检测的载波侦听多路访问(carrier sense multiple access/collision detect，CSMA/CD)作为信道访问的竞争机制[3]。在载波侦听机制中，每次数据传输前会检测信道是否繁忙。信道忙闲比(channel busy ratio，CBR)定义为一定的监测时间T内，信道检测为繁忙状态的时间所占比例[4]。CBR通过周期内多次信道检测的平均值计算

(1)

式中n为信道检测次数；ki在信道繁忙时为1，空闲时为0。

本文的功率控制方法将CBR值作为对网络状况评估的依据。当CBR高于可接受阈值时，认为信道占用率过高，当前节点为网络拥堵节点。为了在邻居节点之间进行网络状态的交流，将节点每个监测周期的CBR信息加入到信标消息包中，并在下一周期发送。

2 功率控制方案

节点通过载波侦听机制对信道进行监测，在每个监测周期结束时，进行发射功率的调整。调整方式通过以下三个步骤确定:

1)网络状况分析

在监测周期结束后，计算当前信道的CBR值，并解析本周期内接收到信标消息，获得所有邻居节点的CBR信息，确定其当前网络状态。

2)泛洪广播权的竞争

处于网络拥堵状态的节点，应将拥堵信息通知给所有邻居节点。然而在交通密集区域，经常有多个临近节点同时处于网络拥堵状态。如果所有拥堵节点均大范围广播信标消息，在造成信息冗余的同时会进一步加重网络负担。因此，只选择一个节点代表整个拥堵区域，以最大功率广播拥堵消息。多个拥堵节点之间的泛洪广播权竞争流程如下：

a.对于拥堵节点u，检查所有邻居节点的网络状况。

b.如果不存在其他网络拥堵节点，则节点u获得泛洪广播权，结束判断流程。

c.如果邻居中存在拥堵节点，则对每一个拥堵节点i，根据u和i之间的距离du,i，以及u从i接收消息的接收功率Pu，通过Friis传输公式[5]计算i节点的发射功率Pi。

d.如果存在节点i，其发射功率Pi等于最大发射功率，则当前泛洪广播权属于节点i，节点u竞争失败；否则,节点u获得泛洪广播权。

3)无广播权节点的功率控制

如果上周期具有广播权的节点，在本周期失去广播权，则其发射功率由最大值降为初始功率，重新进行覆盖范围的调整。

其他节点进行功率调整的方式，由其功率覆盖范围内邻居节点的网络状况决定。如果所有覆盖节点的网络状况良好，则按照功率调整曲线提高发射功率，尝试与更多节点建立通信链路；如果存在网络拥堵的覆盖节点，则按照功率调整曲线降低发射功率，减小覆盖该节点的概率。

3 功率调整曲线设计

设计功率调整曲线的目的，是在进行功率调整时，对于不同的发射功率值Ppre和覆盖范围内节点数量N，使用不同的功率变化量。

设定Pmax和Pmin为最大和最小发射功率，对应覆盖半径Rmax和Rmin。由于节点信息的价值随节点间距离增大而下降，在功率降低时，Ppre的覆盖半径R越接近Rmax，则半径缩减量ΔRfall越大，从而放弃与远端不重要节点的通信以降低网络负载；在功率提高时则相反，R越大，半径增加量ΔRrise越小，防止因覆盖不重要节点造成的网络拥堵。

对覆盖节点数N的分析类似。随着N增大，竞争信道的节点数增多，为了降低网络拥堵的发生率，在功率上升时ΔRrise减小，功率下降时ΔRfall增大。定义Nmax为信道不拥堵情况下所能容纳的节点数上限；Nmin为保证基本安全通信要求需覆盖的最小节点数。节点数量N应保持在Nmin和Nmax之间。

基于上述分析，设计了功率调整曲线，功率的单位为mW，k为可调系数。在功率上升时，功率增加值ΔPrise为

ΔPrise=(Pmax-Ppre)(Nmax-N)k

(2)

当Ppre>Pmax，或N>Nmax时，此次上升调整取消。

在功率下降时，功率降低值ΔPfall为

ΔPfall=(Ppre-Pmin)(N-Nmin)k

(3)

当Ppre

图1为功率调整曲线在功率上升和下降阶段的覆盖半径变化，其结果符合设计要求。

图1 功率调整曲线在不同阶段的半径变化

4 实验结果与分析

本文使用Veins(vehicles in network simulation)中的SUMO作为交通环境模拟工具，对网络通信的模拟则使用OMNET++[6,7]。

仿真模型采用长度4 km的双向四车道模型，车速范围为30～60 km/h，仿真时间500 s。Nmax设定为30，Nmin设定为4。传输模型采用Two-ray Ground，数据流采用固定码率，数据包大小为300 B，信标消息生成周期为100 ms，信道忙闲比阈值设为0.7。发射功率变化范围7～34 dBm，初始功率14 dBm，并以34 dBm固定功率作为对照组。

图2为分组投递率随车辆密度的变化。在车辆密度极低时，由于动态功率控制的调整周期长，分组接收率略低于固定发射功率。随着车辆密度的升高，在固定发射功率情况下，参与信道竞争的节点数增多，网络拥堵状况愈发严重。而使用动态功率控制时，通过缩减覆盖半径来减缓信道竞争节点数量的增长，使网络状态保持良好。

图2 不同车辆密度下的分组投递率

图3为分发延时随车辆密度的变化。在固定发射功率情况下，分发延时随车辆密度的增高迅速增加，使面向安全应用的可靠性受到影响。而对于动态功率控制，分发延迟始终保持在较低水平，保证了信标消息传递的及时性。

图3 不同车辆密度下的分发延迟

5 结 论

针对VANET网络在节点密度较大时易出现网络拥堵的问题，提出了一种动态调整发射功率的方法,通过对各节点网络状况的分析，制定了相应的功率调整策略。仿真结果表明:该方法能够根据VANET网络状况自适应地调整信号覆盖范围，降低了网络拥堵的发生率并提升了车辆驾驶的安全性。

[1] Hartenstein H.VANET:Vehicular applications and inter-networking technologies[M].Chichester:Wiley,2010.

[2] 魏叶华,颜碧云.车载FlexRay网络调度算法综述[J].传感器与微系统,2014,33(1):5-10.

[3] Biswas S,Tatchikou R,Dion F.Vehicle-to-vehicle wireless communication protocols for enhancing highway traffic safety[J].IEEE Communications Magazine,2006,44(1):74-78.

[4] 张 民,李德敏,金 康.一种多接口多信道 VANET 动态信道分配算法研究[J].计算机应用研究,2014,31(5):1516-1519.

[5] Autolitano A,Reineri M,Scopigno R M,et al.Understanding the channel busy ratio metrics for decentralized congestion control in VANETs[C]∥2014 International Conference on Connected Vehicles and Expo(ICCVE):IEEE,2014:717-722.

[6] Schmidt R K,Leinmüller T,Schäfer G.Adapting the wireless carrier sensing for VANETs[C]∥The 6th International Workshop on Intelligent Transportation(WIT),Hamburg:2010.

[7] Sommer C,German R,Dressler F.Bidirectionally coupled network and road traffic simulation for improved IVC analysis[J].IEEE Transactions on Mobile Computing,2011,10(1):3-15.

PowercontrolmethodbasedonnetworkconditioninformationforVANET

CHEN Shu-qun， LUO Xiao-hua

(InstituteofVLSIDesign,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

When node density of vehicle Ad-hoc network(VANET)is high,the number of channel collisions increases occurrence of congestion in VANET.To solve this problem,a dynamic power control algorithm is proposed.The network condition of nodes is evaluated by the value of channel busy ratio(CBR).In case of network congestion,the congestion information is flooded,so that other nodes can adjust transmission power accordingly.Moreover,a power control function is designed, in which power coverage and the number of covered nodes are considered.The simulation results show that this method can adaptively adjust the transmission power and performs well in reducing the probability of channel overload and improving the packet reception rate.

vehicular Ad-hoc network(VANET); channel busy ratio(CBR); power control; channel load

10.13873/J.1000—9787(2017)11—0044—03

TN 929

A

1000—9787(2017)11—0044—03

2017—01—08

陈淑群(1990-) ，女，硕士研究生，主要研究方向为智能物联与集成电路设计,E—mail：21410085@zju.edu.cn。