基于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息的車載網(wǎng)功率控制方法

陳淑群， 羅小華

(浙江大學(xué) 超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)研究所，浙江 杭州 310027)

基于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息的車載網(wǎng)功率控制方法

陳淑群， 羅小華

(浙江大學(xué)超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)研究所，浙江杭州310027)

針對(duì)車載自組網(wǎng)中,節(jié)點(diǎn)密度較高時(shí)，容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁堵的情況，提出了一種動(dòng)態(tài)調(diào)整消息發(fā)射功率的方法。通過信道忙閑比例(CBR)評(píng)估節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)狀況，并在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁堵時(shí)泛洪廣播擁堵信息，通知其他節(jié)點(diǎn)作出相應(yīng)的功率調(diào)整。綜合考慮功率覆蓋范圍和覆蓋節(jié)點(diǎn)數(shù)兩方面因素，設(shè)計(jì)了功率調(diào)整曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:方法能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況自適應(yīng)地調(diào)整發(fā)射功率，降低了發(fā)生信道過載的可能性，并提高了信標(biāo)消息傳遞的成功率。

車載自組網(wǎng)； 信道忙閑比例； 功率控制； 信道負(fù)載

0 引 言

在車載自組網(wǎng)(vehicular Ad-hoc network,VANET)中，車輛節(jié)點(diǎn)之間基于FlexRay總線周期性的廣播信標(biāo)消息，實(shí)現(xiàn)位置、速度等行駛狀態(tài)信息的共享[1,2]。采用固定的消息發(fā)射功率，容易在節(jié)點(diǎn)密集區(qū)域，因信標(biāo)消息發(fā)送量過大導(dǎo)致信道過載。由此造成的消息碰撞和延遲，使車輛駕駛的安全性受到影響[2]。

為了改善VANET的網(wǎng)絡(luò)狀況，本文提出了一種動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)射功率的方法。首先對(duì)自身和鄰居節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估；然后在自身網(wǎng)絡(luò)擁堵的情況下，判斷是否泛洪廣播擁堵信息；如果不需要泛洪廣播，則根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)以及功率調(diào)整曲線，進(jìn)行功率值的調(diào)整。這種功率調(diào)整方式在降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的同時(shí)，確保節(jié)點(diǎn)與近距離鄰居節(jié)點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)連接不受影響，從而提高了安全信息的傳輸性能。

1 網(wǎng)絡(luò)狀況的評(píng)估與發(fā)送機(jī)制

在IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)中，將具有沖突檢測的載波偵聽多路訪問(carrier sense multiple access/collision detect，CSMA/CD)作為信道訪問的競爭機(jī)制[3]。在載波偵聽機(jī)制中，每次數(shù)據(jù)傳輸前會(huì)檢測信道是否繁忙。信道忙閑比(channel busy ratio，CBR)定義為一定的監(jiān)測時(shí)間T內(nèi)，信道檢測為繁忙狀態(tài)的時(shí)間所占比例[4]。CBR通過周期內(nèi)多次信道檢測的平均值計(jì)算

(1)

式中n為信道檢測次數(shù)；ki在信道繁忙時(shí)為1，空閑時(shí)為0。

本文的功率控制方法將CBR值作為對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀況評(píng)估的依據(jù)。當(dāng)CBR高于可接受閾值時(shí)，認(rèn)為信道占用率過高，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)擁堵節(jié)點(diǎn)。為了在鄰居節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的交流，將節(jié)點(diǎn)每個(gè)監(jiān)測周期的CBR信息加入到信標(biāo)消息包中，并在下一周期發(fā)送。

2 功率控制方案

節(jié)點(diǎn)通過載波偵聽機(jī)制對(duì)信道進(jìn)行監(jiān)測，在每個(gè)監(jiān)測周期結(jié)束時(shí)，進(jìn)行發(fā)射功率的調(diào)整。調(diào)整方式通過以下三個(gè)步驟確定:

1)網(wǎng)絡(luò)狀況分析

在監(jiān)測周期結(jié)束后，計(jì)算當(dāng)前信道的CBR值，并解析本周期內(nèi)接收到信標(biāo)消息，獲得所有鄰居節(jié)點(diǎn)的CBR信息，確定其當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

2)泛洪廣播權(quán)的競爭

處于網(wǎng)絡(luò)擁堵狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，應(yīng)將擁堵信息通知給所有鄰居節(jié)點(diǎn)。然而在交通密集區(qū)域，經(jīng)常有多個(gè)臨近節(jié)點(diǎn)同時(shí)處于網(wǎng)絡(luò)擁堵狀態(tài)。如果所有擁堵節(jié)點(diǎn)均大范圍廣播信標(biāo)消息，在造成信息冗余的同時(shí)會(huì)進(jìn)一步加重網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。因此，只選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)代表整個(gè)擁堵區(qū)域，以最大功率廣播擁堵消息。多個(gè)擁堵節(jié)點(diǎn)之間的泛洪廣播權(quán)競爭流程如下：

a.對(duì)于擁堵節(jié)點(diǎn)u，檢查所有鄰居節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)狀況。

b.如果不存在其他網(wǎng)絡(luò)擁堵節(jié)點(diǎn)，則節(jié)點(diǎn)u獲得泛洪廣播權(quán)，結(jié)束判斷流程。

c.如果鄰居中存在擁堵節(jié)點(diǎn)，則對(duì)每一個(gè)擁堵節(jié)點(diǎn)i，根據(jù)u和i之間的距離du,i，以及u從i接收消息的接收功率Pu，通過Friis傳輸公式[5]計(jì)算i節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率Pi。

d.如果存在節(jié)點(diǎn)i，其發(fā)射功率Pi等于最大發(fā)射功率，則當(dāng)前泛洪廣播權(quán)屬于節(jié)點(diǎn)i，節(jié)點(diǎn)u競爭失??；否則,節(jié)點(diǎn)u獲得泛洪廣播權(quán)。

3)無廣播權(quán)節(jié)點(diǎn)的功率控制

如果上周期具有廣播權(quán)的節(jié)點(diǎn)，在本周期失去廣播權(quán)，則其發(fā)射功率由最大值降為初始功率，重新進(jìn)行覆蓋范圍的調(diào)整。

其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功率調(diào)整的方式，由其功率覆蓋范圍內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)狀況決定。如果所有覆蓋節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)狀況良好，則按照功率調(diào)整曲線提高發(fā)射功率，嘗試與更多節(jié)點(diǎn)建立通信鏈路；如果存在網(wǎng)絡(luò)擁堵的覆蓋節(jié)點(diǎn)，則按照功率調(diào)整曲線降低發(fā)射功率，減小覆蓋該節(jié)點(diǎn)的概率。

3 功率調(diào)整曲線設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)功率調(diào)整曲線的目的，是在進(jìn)行功率調(diào)整時(shí)，對(duì)于不同的發(fā)射功率值Ppre和覆蓋范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量N，使用不同的功率變化量。

設(shè)定Pmax和Pmin為最大和最小發(fā)射功率，對(duì)應(yīng)覆蓋半徑Rmax和Rmin。由于節(jié)點(diǎn)信息的價(jià)值隨節(jié)點(diǎn)間距離增大而下降，在功率降低時(shí)，Ppre的覆蓋半徑R越接近Rmax，則半徑縮減量ΔRfall越大，從而放棄與遠(yuǎn)端不重要節(jié)點(diǎn)的通信以降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載；在功率提高時(shí)則相反，R越大，半徑增加量ΔRrise越小，防止因覆蓋不重要節(jié)點(diǎn)造成的網(wǎng)絡(luò)擁堵。

對(duì)覆蓋節(jié)點(diǎn)數(shù)N的分析類似。隨著N增大，競爭信道的節(jié)點(diǎn)數(shù)增多，為了降低網(wǎng)絡(luò)擁堵的發(fā)生率，在功率上升時(shí)ΔRrise減小，功率下降時(shí)ΔRfall增大。定義Nmax為信道不擁堵情況下所能容納的節(jié)點(diǎn)數(shù)上限；Nmin為保證基本安全通信要求需覆蓋的最小節(jié)點(diǎn)數(shù)。節(jié)點(diǎn)數(shù)量N應(yīng)保持在Nmin和Nmax之間。

基于上述分析，設(shè)計(jì)了功率調(diào)整曲線，功率的單位為mW，k為可調(diào)系數(shù)。在功率上升時(shí)，功率增加值ΔPrise為

ΔPrise=(Pmax-Ppre)(Nmax-N)k

(2)

當(dāng)Ppre>Pmax，或N>Nmax時(shí)，此次上升調(diào)整取消。

在功率下降時(shí)，功率降低值ΔPfall為

ΔPfall=(Ppre-Pmin)(N-Nmin)k

(3)

當(dāng)Ppre

圖1為功率調(diào)整曲線在功率上升和下降階段的覆蓋半徑變化，其結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

圖1 功率調(diào)整曲線在不同階段的半徑變化

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文使用Veins(vehicles in network simulation)中的SUMO作為交通環(huán)境模擬工具，對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的模擬則使用OMNET++[6,7]。

仿真模型采用長度4 km的雙向四車道模型，車速范圍為30～60 km/h，仿真時(shí)間500 s。Nmax設(shè)定為30，Nmin設(shè)定為4。傳輸模型采用Two-ray Ground，數(shù)據(jù)流采用固定碼率，數(shù)據(jù)包大小為300 B，信標(biāo)消息生成周期為100 ms，信道忙閑比閾值設(shè)為0.7。發(fā)射功率變化范圍7～34 dBm，初始功率14 dBm，并以34 dBm固定功率作為對(duì)照組。

圖2為分組投遞率隨車輛密度的變化。在車輛密度極低時(shí)，由于動(dòng)態(tài)功率控制的調(diào)整周期長，分組接收率略低于固定發(fā)射功率。隨著車輛密度的升高，在固定發(fā)射功率情況下，參與信道競爭的節(jié)點(diǎn)數(shù)增多，網(wǎng)絡(luò)擁堵狀況愈發(fā)嚴(yán)重。而使用動(dòng)態(tài)功率控制時(shí)，通過縮減覆蓋半徑來減緩信道競爭節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增長，使網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)保持良好。

圖2 不同車輛密度下的分組投遞率

圖3為分發(fā)延時(shí)隨車輛密度的變化。在固定發(fā)射功率情況下，分發(fā)延時(shí)隨車輛密度的增高迅速增加，使面向安全應(yīng)用的可靠性受到影響。而對(duì)于動(dòng)態(tài)功率控制，分發(fā)延遲始終保持在較低水平，保證了信標(biāo)消息傳遞的及時(shí)性。

圖3 不同車輛密度下的分發(fā)延遲

5 結(jié) 論

針對(duì)VANET網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點(diǎn)密度較大時(shí)易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁堵的問題，提出了一種動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)射功率的方法,通過對(duì)各節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)狀況的分析，制定了相應(yīng)的功率調(diào)整策略。仿真結(jié)果表明:該方法能夠根據(jù)VANET網(wǎng)絡(luò)狀況自適應(yīng)地調(diào)整信號(hào)覆蓋范圍，降低了網(wǎng)絡(luò)擁堵的發(fā)生率并提升了車輛駕駛的安全性。

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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

陳淑群(1990-) ，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹悄芪锫?lián)與集成電路設(shè)計(jì),E—mail：21410085@zju.edu.cn。