摘  要： 為了實(shí)現(xiàn)多接口車載自組織網(wǎng)絡(luò)（VANET）車輛節(jié)點(diǎn)合理高效的信道接入，提出了一種基于車輛節(jié)點(diǎn)多接口狀態(tài)字的時(shí)分競(jìng)爭(zhēng)信道接入算法,。根據(jù)車輛節(jié)點(diǎn)的多接口狀態(tài)字給出了時(shí)隙劃分的方法與競(jìng)爭(zhēng)退避機(jī)制原則,，通過(guò)綜合考慮競(jìng)爭(zhēng)類技術(shù)與時(shí)分多址技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，有效解決了信道公平接入的問(wèn)題,。通過(guò)軟件仿真比較可以看出,，該算法實(shí)現(xiàn)了信道的合理接入，減小了平均端到端時(shí)延,，增加了網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量,，顯著提高了多接口VANET的網(wǎng)絡(luò)性能。

　　關(guān)鍵詞： 多接口狀態(tài)字,；車載自組網(wǎng),；時(shí)分；競(jìng)爭(zhēng),；信道接入

0 引言

　　車載自組網(wǎng)作為智能交通系統(tǒng)（ITS）的重要組成部分,，引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大興趣[1]。在需要QoS（Quality of Service）保證的環(huán)境下,，多接口車載自組網(wǎng)成為研究的熱點(diǎn),。多接口VANET中一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是信道的合理接入。通過(guò)利用時(shí)分競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信道的合理接入,，讓車輛之間可以并行通信,，從而降低了由于競(jìng)爭(zhēng)信道資源而產(chǎn)生的沖突，顯著提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐性能,。

1 相關(guān)工作

　　多接口車載自組網(wǎng)信道接入算法的主要功能就是控制車輛節(jié)點(diǎn)利用有限的無(wú)線信道資源接入信道,。目前有以下幾種常用的信道接入方案,。參考文獻(xiàn)[2]提出了一種按需分配類信道接入方案，該方案通常采用預(yù)約和輪詢的方式,，解決隱藏與暴露終端的問(wèn)題,，但在VANET中會(huì)帶來(lái)很多控制開(kāi)銷。參考文獻(xiàn)[3]提出了一種基于調(diào)度類信道接入方案和DATS信道接入機(jī)制,，該機(jī)制可以提供可靠的服務(wù),，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)多個(gè)射頻接口并行通信,。參考文獻(xiàn)[4]提出了一種基于競(jìng)爭(zhēng)類信道接入方案,，它是基于IEEE802.11p標(biāo)準(zhǔn)，該方案不需要整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的同步,，但是當(dāng)面臨車輛節(jié)點(diǎn)密度增加時(shí),，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)丟包率增高。

　　本文結(jié)合參考文獻(xiàn)[3]與參考文獻(xiàn)[4]信道接入方案的優(yōu)點(diǎn),，給出車輛節(jié)點(diǎn)的多接口狀態(tài)字,、時(shí)隙劃分方法以及競(jìng)爭(zhēng)退避機(jī)制原則，提出了一種基于多接口狀態(tài)字的時(shí)分競(jìng)爭(zhēng)信道接入算法（Time-division Competition Channel Accessing,，TCCA）,。該算法有效解決了上述方案運(yùn)用在車載自組織網(wǎng)中的不足，經(jīng)過(guò)仿真分析,，其性能明顯優(yōu)于上述方案,。

2 主要工作

　　2.1多接口狀態(tài)字

　　用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以表征車輛節(jié)點(diǎn)的多接口工作狀態(tài)，共16 bit,，高16 bit中記錄的是源節(jié)點(diǎn)ID,，低16 bit用于記錄車輛節(jié)點(diǎn)的射頻接口的狀態(tài)，其中第8 bit用于表征車輛節(jié)點(diǎn)具有安全類應(yīng)用[5],，剩下的7 bit每一個(gè)bit對(duì)應(yīng)一個(gè)射頻接口,。所有bit中，“1”表示有通信業(yè)務(wù),，“0”表示沒(méi)有業(yè)務(wù),，如圖1所示。

　　2.2 時(shí)隙劃分

　　參考文獻(xiàn)[3]提出的DATS機(jī)制是一種簡(jiǎn)單的自適應(yīng)分布式時(shí)隙分配策略,。所有車輛都配備GPS定位系統(tǒng)來(lái)判定車輛的位置與移動(dòng)方向,，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)方向?yàn)樽笥曳较颍繋瑒澐譃樽笥覂蓚€(gè)時(shí)隙集,，分別用L,、R表示，如圖2所示,。

　　圖3顯示了節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙的過(guò)程,。為了確定左右時(shí)隙數(shù)目與左右兩跳鄰居數(shù)目之間的關(guān)系,，用NL（x）和NR（x）分別表示節(jié)點(diǎn)x的左右方向上兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目；   SL（x）和SR（x）分別表示節(jié)點(diǎn)x的左右時(shí)隙集數(shù)目,，Umax表示最大門(mén)限值,。初始狀態(tài)時(shí)節(jié)點(diǎn)x的左右方向上鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)的比值為：

　　NL（x）/NR（x）≈1（1）

　　隨著車輛節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)滿足式（2）時(shí)需要調(diào)整左右時(shí)隙集時(shí)隙數(shù)目,。此時(shí),，車輛節(jié)點(diǎn)x會(huì)通過(guò)控制信道廣播調(diào)整左右時(shí)隙比值的消息，所有鄰居車輛節(jié)點(diǎn)接到消息后檢查自己的左右鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目是否滿足調(diào)整條件,。

　　NR（x）/SR（x）>Umax or NL（x）/SL（x）>Umax（2）

　　2.3 競(jìng)爭(zhēng)退避機(jī)制

　　車輛節(jié)點(diǎn)獲得時(shí)隙后,，以不浪費(fèi)時(shí)隙為原則考慮車輛節(jié)點(diǎn)前一次發(fā)送數(shù)據(jù)成功以后CWmin值的選擇。由于BEB算法[6]在車輛節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)成功以后直接將此車輛節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)窗口值減小到固定的最小值CWmin,，不能如實(shí)反映網(wǎng)絡(luò)中信道競(jìng)爭(zhēng)的情況,，因此本節(jié)利用參考文獻(xiàn)[4]中系統(tǒng)吞吐量S、節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)母怕师右约肮?jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)發(fā)生沖突的概率p三者的表達(dá)式,。其中p可以表示為：

　　p=1-（1-τ）n-1（3）

　　令Tc*=Tc/,，為一個(gè)時(shí)隙單元長(zhǎng)度，則推導(dǎo)出在使吞吐量S最大情況下,，節(jié)點(diǎn)在任一時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)母怕师拥淖顑?yōu)值τopt為：

　　其中,，最大退避階數(shù)m取802.11p[7]提供的建議值5。每個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)運(yùn)行一個(gè)查找協(xié)議,，從而得到一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)n,。最后將n以及Tc*的值代入式（4），可以計(jì)算出τopt的值,，再將τopt以及m和n代入式（5）,，從而可以計(jì)算出CWmin_opt。

　　2.4 算法實(shí)現(xiàn)流程

　　本文提出的TCCA算法能夠有效解決BEB退避算法[7]應(yīng)對(duì)車輛節(jié)點(diǎn)多個(gè)接口競(jìng)爭(zhēng)信道帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)高負(fù)載,，其流程如圖4所示,。

3 仿真與分析

　　3.1 仿真場(chǎng)景

　　為了驗(yàn)證算法的有效性，本文利用MATLAB軟件對(duì)算法進(jìn)行了模擬[8],，仿真過(guò)程統(tǒng)一采用802.11協(xié)議規(guī)定的物理層參數(shù)[9],，如表1所示。

　　3.2 性能比較與結(jié)果分析

　　仿真結(jié)果如圖5和圖6所示,。從圖5可以看出,，TCCA信道接入算法在網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量性能上明顯優(yōu)于802.11p和DATS。當(dāng)接入網(wǎng)絡(luò)的車輛節(jié)點(diǎn)數(shù)比較少時(shí),，由于網(wǎng)絡(luò)資源競(jìng)爭(zhēng)不激烈,，3種算法的網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量相差不多，但是當(dāng)車輛節(jié)點(diǎn)數(shù)逐步變多時(shí)，網(wǎng)絡(luò)資源競(jìng)爭(zhēng)比較激烈,。從圖6可以看出,，TCCA算法的平均端到端時(shí)延整體上要小于802.11p和DATS。由于802.11p中的信道接入機(jī)制存在車輛節(jié)點(diǎn)多接口接入的不公平性,，并且隨著車輛節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加,，時(shí)延的上升速度是3種信道接入算法中最快的，DATS機(jī)制居中,。

4 結(jié)論

　　本文提出的信道接入算法TCCA,，通過(guò)多接口狀態(tài)字的管理，給出時(shí)隙劃分方法與競(jìng)爭(zhēng)退避機(jī)制原則,，最后對(duì)TCCA算法進(jìn)行仿真與分析,。仿真結(jié)果表明，TCCA算法既保證了車輛節(jié)點(diǎn)時(shí)隙的合理劃分帶來(lái)的公平性與穩(wěn)定性,，又保證了優(yōu)先級(jí)競(jìng)爭(zhēng)接入帶來(lái)的合理性和高效性,，極大地提高了信道利用率與網(wǎng)絡(luò)吞吐性能,。

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