摘 要： 通過分析自組網(wǎng)中不同接入機制對網(wǎng)絡通信性能產(chǎn)生的影響，根據(jù)車隊自身的特點，針對車隊自組網(wǎng)的組織形式提出了一種基于分配的節(jié)點接入機制。該機制將競爭信息與業(yè)務信息相分離，有效地克服了車隊自組網(wǎng)中競爭信息對正常業(yè)務信息造成干擾的問題，提高了車隊通信的性能。
關鍵詞： 車隊通信；自組網(wǎng)；接入機制
0 引言
近年來，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，物流業(yè)也隨之不斷地壯大。運輸車隊作為公路運輸?shù)闹饕问剑谖锪鬟\輸中所占的比重在逐年增加。而隨著人們生活水平的提高，自駕游成為大眾又一種外出旅游的方式，而自駕游車隊也成為一種常見的組織形式。同時，在國家大抓軍隊戰(zhàn)斗力提升的背景下，部隊遠程摩托化機動日益頻繁。可以說車隊的這一組織形式越來越成為一種新的常態(tài)。然而傳統(tǒng)的通信方式卻遠不能應對信息化條件下車隊的通信需求。以無線電臺、對講機組網(wǎng)僅能滿足語音的廣播式的通信需求；以手機方式組網(wǎng)，不僅需要地面基站等基礎設施的支持，還會產(chǎn)生大量的通信費用。因此，為了車隊能夠應對不同外部環(huán)境以及高帶寬的通信需求，在車隊中建立自組織網(wǎng)絡就成為一種不錯的選擇。
1 自組網(wǎng)信道沖突問題
自組網(wǎng)的優(yōu)勢在于構成網(wǎng)絡的終端既具有主機的功能也具有路由的功能，使網(wǎng)絡的拓撲結構更加靈活多變，同時網(wǎng)絡中終端數(shù)可以根據(jù)需要隨時增加或減少[1]。由于終端間的地位都是平等的，沒有一個中心控制節(jié)點，自組網(wǎng)大多采用競爭的信道接入方式，這也會不可避免地為自組網(wǎng)帶來了隱蔽端和暴露端的問題，這一問題大大影響自組網(wǎng)的通信效果，制約著自組網(wǎng)的發(fā)展。
所謂“隱藏終端”問題，是指多個通信終端由于無法相互協(xié)調而同時向同一個通信終端發(fā)送信息，導致通信失敗的問題，對一個通信終端來說，每一個對其構成影響的無法協(xié)調的終端都可以看作是它的一個隱藏終端。如圖1所示，基站A向基站B發(fā)送信息，基站C未偵測到A也向B發(fā)送信息，故A和C同時將信號發(fā)送至B，引起信號沖突，最終導致發(fā)送至B的信號都丟失了。“隱藏終端”多發(fā)生在大型單元中（一般在室外環(huán)境），這將帶來效率損失，并且需要錯誤恢復機制。當需要傳送大容量文件時，尤其需要杜絕“隱藏終端”現(xiàn)象的發(fā)生。
暴露終端問題是指一個需要發(fā)送信息的終端由于檢測到其范圍內有正在發(fā)送信息的終端而推遲發(fā)送數(shù)據(jù)。事實上被檢測的終端對其并不產(chǎn)生實質的影響，這就造成了終端不必要的傳輸延誤。如圖2所示，基站A正處于信息發(fā)送狀態(tài)，但由于基站C并不在基站A的通信范圍內，因此基站A發(fā)送的信息并不會對基站C接收基站B的信息造成影響，可是基站B認為基站A會對其造成影響而選擇推遲發(fā)送，造成了不必要的傳輸延誤。
在解決自組網(wǎng)通信中存在的隱藏終端和暴露終端問題方面，國內外學者做了大量的研究工作，比如近些年提出的IEEE802.11P協(xié)議中雙握手的CSMA機制，雖然在一定程上使隱藏終端和暴露終端問題得到了改善，但并沒有從根本上解決[2]。而基于動態(tài)TDMA的分布式RR-ALOHA協(xié)議雖然有效解決了網(wǎng)絡穩(wěn)定后的信道沖突的問題，但在網(wǎng)絡建立過程中以及在網(wǎng)絡建立后有新的終端加入時，信道沖突依舊會對網(wǎng)絡構成較大的影響[3]。
本文在RR-ALOHA協(xié)議的基礎上，提出一種競爭和分配相結合的信道使用機制（DR-ALOHA）。機制對幀結構進行劃分，將信道競爭集中控制在一個特定的時隙內，這樣車隊自組網(wǎng)中車輛站點周期性的廣播信息就不會占用正常的站點業(yè)務帶寬，同時可以避免因申請時隙過程中信息沖突對網(wǎng)絡正常通信造成的影響。
2 車隊自組網(wǎng)DR-ALOHA機制
2.1 車隊自組網(wǎng)中幀的結構
車隊自組網(wǎng)中幀結構如圖3所示，它主要由兩部分組成，一部分是競爭部分，用于各車輛站點以競爭的方式來申請獲得空閑的時隙；另一部分是業(yè)務部分，由若干個時隙組成，用于被各個車輛站點申請，完成相應站點的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務。兩部分構成一個完整的周期幀，顯然業(yè)務部分占了整個幀的絕大部分，這樣，所有用于時隙申請的信令都會在競爭部分這一固定的時隙內完成，不會對正常的網(wǎng)絡通信造成影響。
2.2 時隙申請流程
時隙申請的流程如圖4所示。建立網(wǎng)絡之初，所有車輛站點處于一跳范圍內，構成一個全連通網(wǎng)絡。需要申請時隙的站點采用CSMA方式偵聽信道的使用情況。如果信道空閑，則隨機地選擇一個空閑時隙的編號，并以廣播的方式將本站點建立的時隙使用情況列表以及申請的時隙編號在一幀的競爭部分向其他站點發(fā)布。其他站點收到這樣的發(fā)布信息后，更新本站點的時隙使用情況列表，并以相同的方式申請所需的時隙。為了防止不同站點申請相同的時隙造成混亂，任何站點只依據(jù)第一次接收的申請信息來更新本站點的時隙使用情況列表。如果除本站點以外的所有站點所發(fā)布的時隙使用情況列表都認可本站點所申請的時隙，則表達時隙申請成功。只要站點不離開網(wǎng)絡，其他站點就不能占用它申請的時隙，而這一站點也只能在這一時隙內發(fā)送業(yè)務信息。
在整個車隊運行過程中，如果有新的站點加入網(wǎng)絡，需要申請時隙時，首先需要通過偵聽相鄰站點在一幀的競爭部分周期性地發(fā)布時隙使用情況列表，從而獲得所有站點對時隙的占用情況，然后隨機選擇一個未使用的時隙編號作為申請時隙，向相鄰的一個站點發(fā)送申請，當收到該站點的認可響應后，時隙申請成功。在網(wǎng)絡運行過程中，每個站點都必須利用一幀的競爭部分定期地發(fā)布本站點的時隙使用情況列表，同時根據(jù)其他站點發(fā)布的列表來更新本站點的列表。
2.3 同步時鐘
采用基于時隙結構的車隊自組網(wǎng)無線信道接入方式，需要節(jié)點間的時鐘同步，并盡量減小節(jié)點間的時鐘誤差，從而避免接入信道的沖突。因此，時鐘同步對于以時分復用的網(wǎng)絡來說至關重要。由于車輛在室外行駛，能夠很容易地獲得GPS信號，因此車隊自組網(wǎng)可以采用同步信標方式實現(xiàn)區(qū)域內節(jié)點的時隙同步，采用GPS提供的全局基準時鐘，其精度可達Ls級[4]，能夠滿足車載移動自組網(wǎng)的網(wǎng)絡時鐘同步要求[5]。
3 機制的性能分析
本文提出的車隊自組網(wǎng)信道接入機制通過NS2仿真平臺進行了測試，并對機制的性能進行了初步的分析，測試采用網(wǎng)絡吞吐量和分組時延兩個指標作為分析對象，并針對車隊的實際運行情況設置了靜態(tài)和動態(tài)兩種仿真場景。
3.1 靜態(tài)場景下仿真性能分析
車輛站點隨機分布在100 m×200 m的范圍內，帶寬2 Mbit/s，隊列長度為20個分組，節(jié)點的通信半徑為250 m，仿真時間為100 s。以恒定速率的CBR業(yè)務模擬廣播信息，以基于TCP協(xié)議的FTP業(yè)務模擬數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務。在其他條件不變的前提下，不斷地改變車隊自組網(wǎng)的規(guī)模，以測試不同網(wǎng)絡規(guī)模下的吞吐量。結果如圖5所示。
通過圖5能夠看到，當站點數(shù)量較少時，兩種機制下網(wǎng)絡CBR數(shù)據(jù)的平均吞吐量相比差別不大，但隨著站點數(shù)量的不斷增加，應用RR-ALOHA機制的網(wǎng)絡要略高于應用DR-ALOHA機制的網(wǎng)絡，原因是在站點數(shù)量較少的情況下，RR-ALOHA機制中廣播信息也作為業(yè)務數(shù)據(jù)來發(fā)送的，而DR-ALOHA機制中廣播信息在一幀的競爭部分發(fā)送，隨著站點數(shù)量的增加，沖突的概率也隨之增加。
在FTP數(shù)據(jù)業(yè)務方面，仿真結果如圖6所示，應用DR-ALOHA機制的網(wǎng)絡平均吞吐量要明顯優(yōu)于RR-ALOHA機制的網(wǎng)絡平均吞吐量，主要原因是在RR-ALOHA機制中，廣播信息占用了一定的時隙資源。
3.2 動態(tài)場景下的性能分析
由10個車輛站點組成的車隊等間隔地分布在10 m×1 000 m的道路上，車輛間的間隔為30 m，車隊以10 m/s的速度勻速沿道路行駛。在運行10 s后，每隔5 s就有一個新的車輛站點加入車隊。仿真時間60 s。同樣以恒定速率的CBR業(yè)務模擬廣播信息，以基于TCP協(xié)議的FTP業(yè)務模擬數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務。結果如圖7所示。
通過圖7可以看出，在車隊自組網(wǎng)運行過程中，兩種接入機制在分組傳輸時延方面的性能差別不大，傳輸時延都比較小，但隨著新車輛站點申請加入，DR-ALOHA機制下的網(wǎng)絡分組傳輸時延性能要優(yōu)于RR-ALOHA機制。因為RR-ALOHA機制下新站點的廣播信息會給網(wǎng)絡帶來一定的沖突，從而延誤正常的業(yè)務傳輸。而在DR-ALOHA機制下，由于新站點的申請信息集中在一幀的競爭部分，因此不會對網(wǎng)絡正常的業(yè)務傳輸造成影響。
4 結論
本文提出了一種新的車隊自組網(wǎng)的信道接入機制，該機制將競爭時隙與業(yè)務時隙分離，使周期性的廣播信息集中于競爭時隙內，使車隊在運行過程中的正常通信業(yè)務不受干擾，提高了車隊自組網(wǎng)的傳輸性能。在相同的環(huán)境下，網(wǎng)絡的整體性能較RR-ALOHA機制有所提高，特別是在組網(wǎng)過程中的網(wǎng)絡穩(wěn)定性方面。但在周期性廣播信息的可靠性方面還有待進一步的改進提高。
參考文獻
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[2] 袁利鋒，李盼，司亞雄.基于WAVE和XMPP的車隊即時通信系統(tǒng)[J].電信快報，2014（4）：46-48.
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