摘  要： 為了實現多接口車載自組織網絡（VANET）車輛節點合理高效的信道接入，提出了一種基于車輛節點多接口狀態字的時分競爭信道接入算法。根據車輛節點的多接口狀態字給出了時隙劃分的方法與競爭退避機制原則，通過綜合考慮競爭類技術與時分多址技術的優點，有效解決了信道公平接入的問題。通過軟件仿真比較可以看出，該算法實現了信道的合理接入，減小了平均端到端時延，增加了網絡平均吞吐量，顯著提高了多接口VANET的網絡性能。

　　關鍵詞： 多接口狀態字；車載自組網；時分；競爭；信道接入

0 引言

　　車載自組網作為智能交通系統（ITS）的重要組成部分，引起了學術界和工業界的極大興趣[1]。在需要QoS（Quality of Service）保證的環境下，多接口車載自組網成為研究的熱點。多接口VANET中一個關鍵問題是信道的合理接入。通過利用時分競爭技術實現信道的合理接入，讓車輛之間可以并行通信，從而降低了由于競爭信道資源而產生的沖突，顯著提高了網絡吞吐性能。

1 相關工作

　　多接口車載自組網信道接入算法的主要功能就是控制車輛節點利用有限的無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[2]提出了一種按需分配類信道接入方案，該方案通常采用預約和輪詢的方式，解決隱藏與暴露終端的問題，但在VANET中會帶來很多控制開銷。參考文獻[3]提出了一種基于調度類信道接入方案和DATS信道接入機制，該機制可以提供可靠的服務，但無法實現多個射頻接口并行通信。參考文獻[4]提出了一種基于競爭類信道接入方案，它是基于IEEE802.11p標準，該方案不需要整個網絡的同步，但是當面臨車輛節點密度增加時，會導致網絡丟包率增高。

　　本文結合參考文獻[3]與參考文獻[4]信道接入方案的優點，給出車輛節點的多接口狀態字、時隙劃分方法以及競爭退避機制原則，提出了一種基于多接口狀態字的時分競爭信道接入算法（Time-division Competition Channel Accessing，TCCA）。該算法有效解決了上述方案運用在車載自組織網中的不足，經過仿真分析，其性能明顯優于上述方案。

2 主要工作

　　2.1多接口狀態字

　　用數據結構以表征車輛節點的多接口工作狀態，共16 bit，高16 bit中記錄的是源節點ID，低16 bit用于記錄車輛節點的射頻接口的狀態，其中第8 bit用于表征車輛節點具有安全類應用[5]，剩下的7 bit每一個bit對應一個射頻接口。所有bit中，“1”表示有通信業務，“0”表示沒有業務，如圖1所示。

　　2.2 時隙劃分

　　參考文獻[3]提出的DATS機制是一種簡單的自適應分布式時隙分配策略。所有車輛都配備GPS定位系統來判定車輛的位置與移動方向，節點移動方向為左右方向，每幀劃分為左右兩個時隙集，分別用L、R表示，如圖2所示。

　　圖3顯示了節點競爭時隙的過程。為了確定左右時隙數目與左右兩跳鄰居數目之間的關系，用NL（x）和NR（x）分別表示節點x的左右方向上兩跳鄰居節點數目；   SL（x）和SR（x）分別表示節點x的左右時隙集數目，Umax表示最大門限值。初始狀態時節點x的左右方向上鄰居節點數的比值為：

　　NL（x）/NR（x）≈1（1）

　　隨著車輛節點的運動，當滿足式（2）時需要調整左右時隙集時隙數目。此時，車輛節點x會通過控制信道廣播調整左右時隙比值的消息，所有鄰居車輛節點接到消息后檢查自己的左右鄰居節點數目是否滿足調整條件。

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

　　2.3 競爭退避機制

　　車輛節點獲得時隙后，以不浪費時隙為原則考慮車輛節點前一次發送數據成功以后CWmin值的選擇。由于BEB算法[6]在車輛節點傳輸數據成功以后直接將此車輛節點的競爭窗口值減小到固定的最小值CWmin，不能如實反映網絡中信道競爭的情況，因此本節利用參考文獻[4]中系統吞吐量S、節點進行數據傳輸的概率τ以及節點傳輸數據發生沖突的概率p三者的表達式。其中p可以表示為：

　　p=1-（1-τ）n-1（3）

　　令Tc*=Tc/，為一個時隙單元長度，則推導出在使吞吐量S最大情況下，節點在任一時隙內進行數據傳輸的概率τ的最優值τopt為：

　　其中，最大退避階數m取802.11p[7]提供的建議值5。每個車輛節點運行一個查找協議，從而得到一跳鄰居節點的個數n。最后將n以及Tc*的值代入式（4），可以計算出τopt的值，再將τopt以及m和n代入式（5），從而可以計算出CWmin_opt。

　　2.4 算法實現流程

　　本文提出的TCCA算法能夠有效解決BEB退避算法[7]應對車輛節點多個接口競爭信道帶來的網絡高負載，其流程如圖4所示。

3 仿真與分析

　　3.1 仿真場景

　　為了驗證算法的有效性，本文利用MATLAB軟件對算法進行了模擬[8]，仿真過程統一采用802.11協議規定的物理層參數[9]，如表1所示。

　　3.2 性能比較與結果分析

　　仿真結果如圖5和圖6所示。從圖5可以看出，TCCA信道接入算法在網絡平均吞吐量性能上明顯優于802.11p和DATS。當接入網絡的車輛節點數比較少時，由于網絡資源競爭不激烈，3種算法的網絡平均吞吐量相差不多，但是當車輛節點數逐步變多時，網絡資源競爭比較激烈。從圖6可以看出，TCCA算法的平均端到端時延整體上要小于802.11p和DATS。由于802.11p中的信道接入機制存在車輛節點多接口接入的不公平性，并且隨著車輛節點數的增加，時延的上升速度是3種信道接入算法中最快的，DATS機制居中。

4 結論

　　本文提出的信道接入算法TCCA，通過多接口狀態字的管理，給出時隙劃分方法與競爭退避機制原則，最后對TCCA算法進行仿真與分析。仿真結果表明，TCCA算法既保證了車輛節點時隙的合理劃分帶來的公平性與穩定性，又保證了優先級競爭接入帶來的合理性和高效性，極大地提高了信道利用率與網絡吞吐性能。

參考文獻

　　[1] 羅濤，王昊.車載無線通信網絡及其應用[J].中興通信技術，2011，17（3）：1-7.

　　[2] BORGONOVO F， CAPONE A， CESANA M， et al. ADHOC： a new flexible and reliable MAC architecture for vehicle ad-hoc networks[C]. IEEE Wireless Communications and Networking 2003（WCNC）， 2003： 965-970.

　　[3] 李攀，傅洪亮，王珂，等.車載自組網中一種分布式自適應TDMA時隙分配策略[J].電子質量，2013（1）：1-5.

　　[4] BIANCHI G. Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2000，18（3）： 535-547.

　　[5] 袁濤.基于IEEE802.11p的車載自組網MAC層關鍵技術研究[D].南京：南京郵電大學，2013.

　　[6] 張振川.具有節點訪問公平性的WLAN改進退避算法[J].東北大學學報，2011，32（12）：1709-1712.

　　[7] JIANG D， DELGROSSI L. IEEE 802.11p： towards an international standard for wireless access in vehicular environments[C]. IEEE Vehicular Technology Conference， VTC Spring 2008， 11-14 May， 2008： 2036-2040.

　　[8] 柯志亨.NS2仿真實驗：多媒體和無線網絡通信[M].北京：電子工業出版社，2009.

　　[9] BOOYSEN M J， ZEADALLY S， VAN ROOYEN G J， et al. Survey of medium access control protocols for vehicular ad hoc networks[J]. IET Communications， 2011，11（5）： 1619-1631.