车联网时空协调竞争优化媒体访问控制协议

李丽君 刘鸿飞

1(重庆理工大学理学院 重庆 400050) 2(重庆科创职业学院人工智能学院 重庆 402160)

0 引 言

在过去几十年中,车辆自组织网络(VANETs)[1-2]作为重要研究方向被提出。2010年专用短程通信(DSRC)被纳入IEEE 802.11p标准化协议,用于车辆环境(WAVE)中的无线接入。但研究结果表明,当车辆密度较高时,WAVE接入恶化[3-4]。

MAC协议可在分布式协调功能(DCF)模式(即基于竞争)、点协调功能(PCF)模式(即基于无竞争)或混合协调功能(HCF)模式下运行[5]。为确保驾驶安全,DCF模式下的MAC协议基于带碰撞避免的载波感知多址(CSMA/CA)机制执行,但对于城市环境中拥挤交通情况,会导致较高的帧碰撞率。相反,PCF模式下的MAC协议可使用路边单元(RSU)或接入点(AP)作为协调器来调度发射机时隙,可降低帧冲突率,并保证一定延迟范围。然而,由于必须管理多个发射机,这种方法增加了数据传送延迟[6]。同时,调整PCF和DCF模式的最佳组合对于车辆驾驶安全仍具有挑战性。RSU可部署在车辆网络的交叉口和街道上。具有强大计算能力的RSU可作为边缘设备来协调车辆信道接入,同时防止信道冲突,并提供Internet连接来传播安全信息[7-8]。此外,全球定位系统(GPS)的实施是车辆网络的另一趋势。RSU可采集所在区域内车辆的GPS数据,从而优化车辆传输调度,但是很少有研究探讨RSUs对行车安全的重要作用。

本文提出基于时空协调的城市场景MAC协议,利用城市地区时空特征和道路布局特征,在车辆网络中实现更好的无线信道接入。协议目标是通过车辆基础设施协调,支持车辆间可靠和快速数据交换,以确保行车安全,例如利用独特时空特征形成碰撞线(LoC)图,多个车辆可在同一时间段内传输,而无需信道干扰或利用定向天线和发射功率控制的碰撞。

1 问题表述

时空协调竞争优化媒体访问控制协议的目标是通过路边单位(RSU)协调控制,在相邻车辆之间提供可靠和快速的消息交换,以确保安全驾驶。为实现这一目标,可使用定向传输,以最大限度通过时空传输调度并发传输的数量。

1.1 模型假设

在时空协调竞争优化媒体访问控制协议设计中,首先给出以下假设[9]:

假设1车辆配备有DSRC接口和具有相移的定向天线阵列,而RSU配备有全向天线。定向天线阵列可同时向多个接收机(例如,MU-MIMO)产生多个波束。在时空协调竞争优化媒体访问控制协议中,可避免窄波束问题,即每个波束的方向和通信覆盖范围(即R和β,其中:R是通信范围,定义为在几乎没有比特错误的情况下,将来自发送方车辆的数据帧成功发送到接收方车辆的距离;β是由定向天线阵列的相移构成的通信波束角)通过定位接收车的位置和控制射频发射功率来调整,如图1所示。

图1 传输信号的覆盖范围和干扰范围

RF发射功率Wt可以确定如下[10-11]:

式中:d是发射器和接收器之间的距离;α是最小路径损耗系数;Λ是信号的波长;Wr是能够物理接收信号的最小功率电平,可由Wr=10sa/10计算,sa是最小信号衰减阈值。

假设2如图1所示,传输干扰范围I被认为是通信范围R的两倍,该通信范围用于在计算传输调度时确定干扰集的算法。此外,考虑了圆形扇形信号覆盖而不是实际的传输信号覆盖,并且为了建模的简单性而忽略旁瓣和后瓣。

假设3通过使用两个DSRC服务信道来实现类似于WAVE-PCF-MAC协议(WPCF)[11]的切换过程。第一信道用于RSU的覆盖,第二信道用于相邻RSU的覆盖。具体说明见WPCF。

假设4车辆配备了基于GPS的导航系统,该系统可随时提供车辆的位置、速度和方向。

假设5建筑物或树木的影响(称为地形效应)存在于真实车辆网络中。Nakagami衰落模型通常用于车载网络。如果有更好的地形效应衰落模型,所提时空协调竞争优化媒体访问控制协议同样适应这种模型。

1.2 目标情景

目标场景是车辆数据交换,例如移动信息(例如,位置、方向和速度)和车载设备状态(例如,中断、挡位、发动机和车轴),用于城市道路网络中的安全驾驶。如图2所示,RSU通常部署在道路交叉口处,并充当VANET和智能交通系统(ITS)基础设施之间的网关。RSU的传输覆盖范围被设置为覆盖路段的两半长度的最大值。

图2 RSU时空协同的目标场景

通过让两个相邻的RSU使用不同的DSRC业务信道来避免RSU间的干扰。车辆周期性地向RSU发送时隙请求及其移动信息(即当前位置、移动方向和速度)。RSU使用请求信息来构造无线信道接入的传输调度。利用时间表中指定的时间段,相邻车辆之间直接交换安全信息,以防止发生事故。

2 时空协调与竞争周期优化

本文提出一种新的基于增强集覆盖算法的信道接入方案,该方案通过刻画城市车辆网络的时空特征来实现,还提出一种基于交叉口车辆到达率的竞争周期自适应算法。为了描述车辆环境中的时空特征,首先解释了碰撞线图(LoC)的形成。

2.1 基于时空协调的信道接入

在城市地区,车辆事故通常是车辆之间的直接碰撞或碰撞(例如正面、侧面和后部碰撞)。防止最初的直接撞击事故可以在很大程度上减少死亡人数和财产损失。这里提出了一个基于几何关系的车辆间LoC图来描述初始直接碰撞。如图3所示,车辆A和车辆B之间没有中间车辆,因此它们之间具有位置关系,因此可以直接碰撞。从A出发,圆上的两条切线可以根据B的半长(半径r)导出。

图3 碰撞线关系构造

在两条切线之间的区域内(图3中的灰色区域),距离B远的任何车辆被视为A的非LoC车辆,例如C。通过比较两条切线的两个角度γ和φ以及由第二条规则确定的不安全距离,还可确定是否有任何其他车辆可以是A的LoC车辆。例如,D与A没有LoC关系,因为角度ωD小于γ,但大于φ。另一方面,基于角度ωE小于φ且在不安全距离内的事实,E是A的LoC车辆。注意,不同尺寸的车辆可被视为同一类,例如,长度小于5 m的车辆可被归类为5 m车辆,以确定半径r。从通信冲突角度看,如果C在A的干扰范围内,即A的传输范围的2倍,则C可以被干扰。但通过将车辆A和C安排在不同的时隙来避免这种干扰,这意味着如果C在A的干扰范围内,则当A向B发送时,C既不接收也不发送分组。LoC是指碰撞线,它表示两个相邻车辆直接物理碰撞关系,而不是通信范围视线。

基于LoC关系,可构造LoC图,考虑车辆在路段中以多车道移动的场景。车辆构造的LoC图G=(V,E),其中:V中的顶点是车辆,E中的边表示两个相邻车辆之间的LoC关系,这两个车辆可以直接碰撞。因此,对于LoC图G中连接的车辆来说,连续通信是必要的。在时空协调竞争优化媒体访问控制协议中使用LoC图来减少介质碰撞。

通过车辆的LoC图,提出了一种基于时空协调的信道接入方案,该方案采用了增强的集覆盖算法。时空协调竞争优化媒体访问控制协议的增强集覆盖算法试图在给定的LoC图中找到最优时隙分配的最小集覆盖。我们的时空协调竞争优化媒体访问控制协议集合覆盖算法试图在每个时隙中允许尽可能多的并发传输,以减少所有LoC车辆所需传输的无争用周期。首先,为时空协调竞争优化媒体访问控制协议集合覆盖算法定义了以下术语:

定义1(覆盖集)设覆盖集为LoC图G中的边集Si,其中边相互不干扰(即相容),即任何一对边eu,v,ex,y∈E(G)彼此相容。例如,如图4所示,对于时隙1,覆盖集S1是{e3 ,1,e3 ,2,e3 ,4,e3,5,e7,6,e7,8}。

图4 最大相容覆盖集的搜索序列

现在提出可同时传输的非干扰边覆盖集的时隙分配优化方法。设2N为自然数集N的幂集,作为时隙集,如2N={∅,{1},{1,2},{1,2,3},…}。设E为有向边集。设Si为时隙的覆盖集,即设E(Si)为Si中的非干涉边集。时隙分配优化如下:

式中:S={Si},E=∪Si∈SE(Si)。对于这种优化,提出时空协调竞争优化媒体访问控制协议集覆盖算法,如算法1所示。时空协调竞争优化媒体访问控制协议集覆盖算法的优化目标是找到具有最小时隙数的集覆盖,映射到覆盖集上。覆盖集的边是特定时隙的并发传输的调度可表示为从时隙集Si(即覆盖集)到边ej∈E的映射。算法1返回的集覆盖可能不是最优的,因为集覆盖问题最初是NP难问题。时空协调竞争优化媒体访问控制协议集覆盖是遗留集覆盖的扩展,其中族(即元素集)是固定的。然而,在时空协调竞争优化媒体访问控制协议集覆盖中,没有给出这些族,而是应该在映射期间动态地构造为覆盖集。每个覆盖集Si需要时隙i,因此时隙被映射到作为G中的非干扰边集的覆盖集。

算法1时空协调竞争优化媒体访问控制协议集覆盖算法

1. function 时空协调竞争优化媒体访问控制协议_SET_COVER(G)

2.E′←G(E);

//E′剩余边缘集合是属于任何封面集合

3.S←∅;

//S是集合覆盖;

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行用来搜索新的最大覆盖集,它是覆盖了由时隙覆盖的最大边缘数的覆盖集,直到E中的所有边都被覆盖集覆盖。第6行搜索最大相容覆盖集执行过程见算法2。

算法2搜索最大相容覆盖集算法

1. functionSearchMaxCompatibleCoverSet(G,E′)

2.V′←φ;

//V′是指在E中有定向边且初始化为∅的顶点

3.Mmax←∅;

//Mmax用于最大兼容覆盖集并初始化为零

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将输入E′作为一组不属于任何兼容覆盖集的边,且返回最大兼容覆盖集Mmax。V′表示定向边E′中的一组顶点,第2-3行将V′和Mmax初始化为∅。在第4-6行中,V′是一组顶点,使得vi和vj与E′中的任何有向边ei,j相连接。V′中每个顶点s作为广度优先搜索(BFS)起始节点(即根节点),在第7-12行中,找到候选最大相容集M。如果M中元素数大于Mmax,则M被设置为Mmax。在第7-12行的for循环后,Mmax作为给定边缘集E′最大兼容覆盖集返回。

2.2 竞争周期优化

竞争周期根据未注册车辆到达率动态地适应RSU通信范围。随RSU车辆数量增加,在超帧持续时间内CFP长度将增加,因为更多车辆分配其信道接入时隙。如果CP长度太短,则在尝试注册时,朝向RSU的注册帧将遇到许多碰撞,因此只能注册少数车辆。如果CP长度太长,则CP中的大部分时间将在RSU中注册所有到达的车辆后浪费,从而导致信道利用率差。因此,需要找到合适CP长度,保证新进入车辆有机会在同一超帧内的有限时间内在RSU注册。

设λjki表示从相邻交叉口jk到交叉口i的车辆到达率。设λ为每单位时间(如1 s)交叉口i处RSU通信范围的总到达率,且有:

式中:n是交叉口i的相邻交叉口数量。RSU在交叉口i观察从其相邻路段到达其传输覆盖范围内的车辆数量。可简单地用单位时间内所有进入路段的车辆总到达量来计算λ。设s为超帧持续时间,包括CP和CFP持续时间,且有:① 未注册车辆尝试以概率p发送其注册帧。② 在此超帧持续时间内,N辆车尝试在RSU中注册,使得N=λ·s。③N辆车成功注册其在N辆车之间的时隙的传输请求的概率为:

gN=N·p·(1-p)N-1

为提高运算效率,在离线处理中,将λ的可能值映射成最优信道接入概率p和总时隙数M的对。当前的这对p和M由RSU通过广播向未注册的车辆公布。虽然RSU负责车辆注册和封面集计算,但即使在高峰时间它们仍可以处理这些程序。

2.3 基于时空协调的媒体访问控制协议

时空协调竞争优化媒体访问控制协议是一种混合MAC协议,它将PCF和DCF模式结合起来,以实现高效的信道利用率和快速的驾驶安全信息交换。PCF模式作用:① 在RSU中使用其移动性信息注册未注册车辆;② 为注册车辆构建无碰撞信道访问计划;③ 以类似于WPCF的方式宣布V2V通信的信道访问计划。相反,DCF模式用于使注册车辆的安全信息能够与其他注册车辆交换,并且在V2V通信中不会发生帧碰撞。

在时空协调竞争优化媒体访问控制协议中,RSU周期性地广播定时广播帧(TAF)。TAF是遵循IEEE第4波标准的信标帧。在时空协调竞争优化媒体访问控制协议中,它有两种格式,包括CP中的TAF和CFP中的TAF,如图5所示。

(a) CP中的TAF

(b) CFP中的TAF图5 定时广播帧(时空协调竞争优化媒体访问 控制协议)中的TAF格式

供应商特定字段中的两种格式都有公共字段,例如RSU信息、超帧持续时间CP 最大持续时间(即M)和CFP最大持续时间。图5(a)所示CP的厂商特定的TAF字段还包含最优访问概率(即p),即注册车辆数,以及注册车辆MAC地址。图5(b)中用于CFP的特定于供应商的TAF字段包含其他信息,例如每个时隙中的时隙数量、传输调度和邻居向量(NV)。NV包含TMAC中相邻车辆的移动信息(即当前位置、方向和速度)。时间被划分为超帧持续时间,且每个超帧持续时间由两个阶段组成,即CP阶段和CFP阶段,如图6所示。

(a) 竞争周期时间序列

(b) 无竞争时段时间序列图6 时空协调竞争优化媒体访问控制协议中的时间序列

算法具体过程如下:

过程1(车辆注册的CP阶段)在CP阶段,未注册车辆尝试基于争用在RSU中注册。图5(a)给出如图6(a)所示的用于车辆登记的竞争周期时间序列,在DCF帧间空间(DIFS)周期后,CP开始处的TAF首先由DSRC控制信道(CCH)中RSU发送,指示竞争周期开始。如图5(a)所示,TAF主要包含注册车辆的列表和RSU信息部分中的RSUS服务信道号(SCH#)。接着,在接收到TAF之后,车辆开始与发送机会竞争以发送登记请求(即图6(a)中的REQ)。有可能是多辆车试图与RSU发生碰撞。在此争用周期之后,无争用周期开始,所有注册的车辆(包括新注册的车辆)将其CCH信道切换到TAF中指定的SCH信道。

令Oc是发送数据包的车辆数量,然后最大CP长度可以计算如下:

式中:SDIF、FTA、FREQ、SSIF、FACK、TCS和TGI分别是DCF帧间空间、定时通告帧、注册请求帧、短帧间空间、确认帧、信道切换和保护间隔的时间。在CP阶段,注册车辆和未注册车辆都可以向RSU发送紧急信息,以便发布紧急数据(例如,事故通知)。

SSIF+TCS+TGI+FTA

式中:SPIF和MBS,i分别是PCF帧间空间的时间和车辆i的基本安全消息。利用来自FTA的NVs,每辆车通过定向天线和发射功率控制来构建其预期发射的覆盖区域。在CFP阶段,如果RSU有紧急信息,它可宣布TAF有紧急信息。因此,通过CP和CFP阶段,时空协调竞争优化媒体访问控制协议不仅可实现车辆间驾驶安全信息的快速交换,还可实现RSU下车辆紧急数据的快速发布。

过程3(车辆移动信息更新)在时空协调竞争优化媒体访问控制协议中,RSU在CP阶段周期性地广播特殊TAF,以收集所有注册车辆的最新移动信息,使得车辆能够根据接收车辆的最新位置正确选择变速器方向和功率控制参数。此TAF还用于注销离开RSU通信范围且不响应此TAF的车辆。每个注册车辆通过向RSU发送包括其移动信息的BSM来发送其更新移动信息。考虑到移动预测精度,车辆移动信息更新的超帧每U次重复,例如U=10。通过此更新,RSU估计车辆在将来(例如100 ms后)时刻调度移动信息。

3 实验分析

3.1 仿真设置

硬件配置:处理器是i7-6400K 3.2 GHz,内存是16 GBddr4-2400K,系统为Windows7旗舰版,仿真软件是MATLAB 2012b。

参数设定[12-13]:信道数M=3。ρij是数据从信道i转到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。设定RSU可覆盖的区间半径是150 m,位置相邻的RSU相互间距XR2R=255 m。利用内外两个区域进行RSU覆盖区域的分解,设定划分参数K=3。车辆密度参数和车道中车辆行驶速度参数之间的关系可采用自由流模型进行表示,可得车辆行驶速度v=vf(1-ρ/ρjam),其中,ρ是研究区域上车辆的密度参数;RSU传输覆盖区域内车辆上限设定为Nmax=⎣2Rρjam」,⎣·」是向下取整操作;车辆行驶速度vf=140km/h;ρjam是研究区域上出现拥堵情况的车辆的密度参数,一般选取ρjam=250辆/千米;车速v受到车辆之间相互距离的影响,λ=ρv;时隙Δ=0.53 s,数据资源竞争阶段时长Δauc=0.05 s。

设定路段车辆密度ρ=[10,15,20,25,30,35,40]辆/千米,对实验过程反复执行20次,求取平均实验结果,每次实验过程中,对研究区间上的车辆情况进行随机初始化。在不同的时隙中,车辆进入不同的RSU信号覆盖区域,这些区域中设定的车辆行驶速度存在差异,当车辆行驶到设定道路尽头时,会重新初始到设定道路的起点位置。通过这种方式,分别运行多个运行周期,例如这里以运行600个周期为例,通过记录所有运行周期的数据接收层数以及出现卡顿的时隙数量,可计算车辆运行过程中接收层数均值指标(ARL)和卡顿率均值指标(AIR)[14-15]:

式中:TRSUh是测试实验过程中的时隙总数(第h个周期);Vnum是所研究道路上的车辆总数;Yi,h是接收数据总层数(第h个周期中的车辆i);Ji,h是卡顿时隙数(第h个周期中的车辆i)。

3.2 实验对比

对比算法:① 最大化门限算法。该算法中,RSU将信道资源固定的分配到与其相距最近的车辆中。车辆根据缓存器和门限数据存储情况进行数据请求层数的计算。最大化门限算法是一种考虑数据传输安全性的算法,其主要考虑的是降低数据传输过程的中断率。② 随机门限算法。该算法中,RSU将信道资源随机地分配到车辆中,车辆根据缓存器和门限数据存储情况进行数据请求层数的计算。每时隙情况下,每辆车分配到的信道数最多是1个。这是一种随机化的资源初始配置方式,目的是降低资源配置过程的难度。这两种算法对于资源的配置思路与本文算法存在较大的差别,算法设计方向不同,选取作为对比算法目的是对比验证本文算法设计思路的有效性。

图7-图8分别给出RSU稀疏部署情况下,车辆联网数据中断率指标和数据接收层数指标对比结果。

图7 AIR指标实验结果(RSU稀疏部署)

图8 ARL指标实验结果(RSU稀疏部署)

根据图7-图8实验的结果,尽管算法性能存在差异,但是实验结果的变化趋势基本相同:随着所研究区域内车辆密度的增大,ARL指标均出现单调下降趋势,AIR指标均出现单调上升趋势,这表明随着车辆密度的增加,车辆之间的数据传输的连续性逐渐下降,数据传输的吞吐量逐渐降低。原因是随车辆数量增加,车辆间对于数据传输信道的竞争日趋激烈,导致数据传输上存在明显的卡顿问题,同时也影响了车联网数据的传输量。从几种算法的对比情况看,本文算法的ARL指标和AIR指标的实验结果均要优于选取的对比算法,表明所提控制协议具有更佳的数据传输性能。

图9-图10分别给出RSU全覆盖情况下,车辆联网数据中断率和数据接收层数的实验对比结果。根据图9-图10结果,在RSU全覆盖情况下,三种算法在ARL指标和AIR指标的实验结果变化趋势具有相近表现。存在差异的是,在车辆密度ρ为10～20车辆/千米区间内,三种算法的ARL指标和AIR指标的实验结果相对保持问题,主要原因是RSU全覆盖情况下,具有较强的数据传输保持能力,能够满足当前车辆密度情况下的数据传输需求。但是随着车辆密度的进一步增加,即便RSU全覆盖也无法满足车辆数据传输要求时,其实验变化趋势与RSU稀疏部署情况下具有相对一致性。同时在算法对比情况看,本文算法的ARL指标的阈值更大,也就是数据传输的质量更好,也具有更大的数据接收层数,验证了所提控制协议的性能优势。

4 结 语

本文提出基于时空协调的城市无线信道接入控制(时空协调竞争优化媒体访问控制协议)协议,使用碰撞线图来描述时空特征。通过时空协调,时空协调竞争优化媒体访问控制协议能可靠、快速地将安全信息传输到目标车辆上。车辆在时空协调竞争优化媒体访问控制协议中接入无线信道,可融合PCF和DCF模式的优点。在PCF模式下,车辆在RSU中注册其移动性信息以进行时隙预留,然后从RSU发送的信标帧接收其信道接入时隙。在DCF模式下,车辆同时通过时空坐标向相邻车辆发送安全信息。从理论上分析了时空协调竞争优化媒体访问控制协议性能,并进行仿真验证了分析正确性。结果表明,即使在高度拥挤的道路交通条件下,时空协调竞争优化媒体访问控制协议的性能也优于对比MAC协议。

下一步:① 通过时空协调竞争优化媒体访问控制协议将为未来的工作展示一个用于车辆环境中驾驶安全的MAC协议的新设计思路;② 扩展时空协调竞争优化媒体访问控制协议以支持数据服务(例如多媒体流和交互式视频呼叫,以获得高数据吞吐量,而不是短数据包传送时间);③ 还将研究无交通灯通信协议,用于在没有交通灯协调情况下,通过交叉口的自主车辆控制协议设定问题。