VANETs中基于分布式TDMA的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)編碼方法

歐莽 汪繼文

(安徽大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230601)

作為智能交通的重要組成部分，車載自組織網(wǎng)(Vehicular Ad hoc Networks，VANETs)包含兩種基本通信方式：車輛與車輛之間(Vehicle to Vehicle，V2V)以及車輛與路側(cè)單元(Road Side Unit，RSU)之間(Vehicle to Infrastructure，V2I)通信[1-2]。V2I通信能夠?qū)崿F(xiàn)碰撞預(yù)警、交通信息播報、位置感知和信息娛樂等移動分布式應(yīng)用，一直是智能交通領(lǐng)域的研究重點。然而，由于動態(tài)拓撲、信道衰落和多普勒效應(yīng)，VANETs環(huán)境中的信道條件相比一般無線環(huán)境更差，使得如何及時可靠地將數(shù)據(jù)從行駛車輛傳送到路邊RSU面臨著很大挑戰(zhàn)[3- 5]。

由于媒體訪問控制層(Media Access Control，MAC)協(xié)議直接控制著數(shù)據(jù)分組在無線信道上的收發(fā)過程，如何設(shè)計有效可靠的MAC協(xié)議一直是VANETs研究領(lǐng)域的關(guān)鍵。分布式時分多址(Distributed Time Division Multiple Access，DTDMA)協(xié)議[6- 12]近年來成為人們探究的熱點，例如ADHOC MAC[8]，VeMAC[9- 10]，sdnMAC[11]，MoMAC[12]和DTMAC[13]等，其中最具代表性的協(xié)議是VeMAC協(xié)議。大量的分析和實驗表明，VeMAC協(xié)議不但能夠滿足VANETs安全應(yīng)用對服務(wù)質(zhì)量(QoS)的嚴(yán)格要求，而且，相對于IEEE802.11系列協(xié)議，它在信道利用率、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和協(xié)議公平性等方面均獲得了較好的性能[9- 10，14- 16]。

由于有限的頻譜資源，單純從點到點無線信道來提升網(wǎng)絡(luò)性能面臨諸多瓶頸，而協(xié)作通信可以利用無線信道的廣播特性通過節(jié)點間的協(xié)作來提高無線鏈路的可靠性。文獻[17]中，協(xié)作節(jié)點在源節(jié)點的時隙期間執(zhí)行協(xié)作重傳，當(dāng)不存在協(xié)作節(jié)點時，源節(jié)點重新發(fā)送失敗的數(shù)據(jù)分組；文獻[18- 19]中，協(xié)作節(jié)點利用未分配的時隙進行協(xié)作，然而，當(dāng)節(jié)點密度較大時，幀中存在未分配時隙的概率極低；文獻[20]中，協(xié)作節(jié)點利用自身的空閑時隙進行協(xié)作，但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)繁忙時，幾乎沒有機會找到具有空閑時隙的節(jié)點；文獻[21]中，認知無線電技術(shù)用于訪問未授權(quán)的無線信道以執(zhí)行協(xié)作重傳，不可避免地引入額外的信令開銷以獲知未授權(quán)的信道。

上述所有方案中，協(xié)作節(jié)點進行協(xié)作時，并不傳輸自己的數(shù)據(jù)分組。網(wǎng)絡(luò)編碼(Network Coding，NC)能夠把多條數(shù)據(jù)流進行合并，使得協(xié)作節(jié)點在協(xié)作傳輸其它節(jié)點數(shù)據(jù)分組同時傳輸自己的數(shù)據(jù)分組，以提高網(wǎng)絡(luò)效率[22-24]。然而，NC僅能從正確接收的分組中解碼信息，不能處理出錯分組的解碼。為此，F(xiàn)asolo等[25]把網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼相結(jié)合提出了MIMO_NC編碼方法，用以解碼出錯的數(shù)據(jù)分組信息[25-26]。本研究將MIMO_NC應(yīng)用到VANETs上行鏈路應(yīng)用場景中，提出一種基于分布式TDMA的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)編碼(Distributed TDMA Based Cooperative Network Coding For Medium Access Control，DTCNC-MAC)方法，使得協(xié)作節(jié)點能夠在發(fā)送自身業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的同時協(xié)作發(fā)送其它節(jié)點出錯的數(shù)據(jù)分組，從而在不影響網(wǎng)絡(luò)正常數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的情形下實現(xiàn)VANETs上行鏈路節(jié)點間的協(xié)作，提高VANETs上行鏈路通信可靠性；DTCNC-MAC所有操作以分布式方式進行，而且能夠適應(yīng)VANETs網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)頻繁變化的特點；最后，從數(shù)據(jù)發(fā)送概率、數(shù)據(jù)發(fā)送時延和丟包率3方面對所提方法的可靠性進行了分析和驗證。

1 分布式TDMA信道訪問

在分布式TDMA協(xié)議中，信道時間被劃分成不同的幀(Frame)，每幀包含固定數(shù)目的時隙(Slot)，設(shè)每幀包含的時隙數(shù)為F。為了確定每幀起始時間和幀內(nèi)各個時隙的起始時間，DTDMA中不同車輛節(jié)點利用全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)實現(xiàn)時鐘同步[7]。在DTDMA中，為了獲知幀內(nèi)時隙狀態(tài)，各個節(jié)點需要交換時隙分配信息，具體方式為[9- 10]：每個節(jié)點在自身數(shù)據(jù)分組頭部中插入幀狀態(tài)信息(Frame Information，F(xiàn)I)域，F(xiàn)I域記錄了車輛節(jié)點一跳傳輸半徑范圍內(nèi)鄰居節(jié)點的時隙分配及占用情況，通過與一跳傳輸半徑內(nèi)的鄰居節(jié)點交換FI域，節(jié)點判斷出兩跳傳輸半徑范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點的時隙分配及占用情況。為了避免隱藏節(jié)點和信息碰撞問題，節(jié)點只能請求訪問兩跳傳輸半徑范圍內(nèi)鄰居節(jié)點未訪問的時隙。分布式TDMA協(xié)議時隙訪問機制如圖1所示，由于車輛A和車輛G在彼此兩跳傳輸半徑外，它們可以訪問幀內(nèi)相同的時隙，而車輛A、B、C、D、E都在彼此兩跳傳輸半徑內(nèi)，它們需要訪問幀內(nèi)不同的時隙。

車輛節(jié)點訪問時隙序號E1F2…3…4車輛節(jié)點訪問時隙序號B5A/G6C7D8

圖1 分布式TDMA協(xié)議時隙訪問機制

Fig.1 Slot access mechanism in distributed TDMA protocol

在VANETs中，距離兩跳范圍外的車輛節(jié)點由于相對移動而彼此接近，可能成為兩跳范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點，如果原來這些節(jié)點訪問幀內(nèi)同一時隙，就會引發(fā)時隙訪問沖突問題，這種情形下，沖突節(jié)點需要重新申請時隙[7]。VeMAC將幀時分為3個不相交的時隙子集，行駛在公路不同方向上的車輛和路旁固定通信設(shè)備分別訪問幀內(nèi)不同的時隙子集，從而減少了時隙訪問沖突次數(shù)，提高了網(wǎng)絡(luò)性能。下面假設(shè)在VeMAC協(xié)議下車輛節(jié)點和路側(cè)單元RSU都已獲得相應(yīng)時隙。

2 MIMO_NC編碼

實現(xiàn)DTDMA協(xié)議的編碼重傳，必須考慮兩個因素：(1)處理編碼重傳的物理層；(2)用于協(xié)調(diào)訪問的MAC層。對于(1)，如圖2所示，假設(shè)源節(jié)點S發(fā)送數(shù)據(jù)分組x到D，但是D不能正確接收x，記D接收的出錯分組為x′。如果節(jié)點D接收到編碼分組x⊕y(符號⊕代表NC編碼操作)，則NC不能通過分組x′和x⊕y解碼出分組x、y，因為NC只能對完全正確接收的分組進行解碼。而MIMO_NC可以利用分組x′和x?y解碼出分組x、y(符號?代表MIMO_NC編碼操作，x?y是應(yīng)用物理層NC原理在伽羅瓦域中矢量的線性組合)。

如圖2(c)所示，MIMO_NC將網(wǎng)絡(luò)編碼下潛到物理層的信道編碼之后，在編碼階段，每個節(jié)點根據(jù)經(jīng)典NC方法將其緩沖器中信道編碼后的信息單元(Information Units，IUs)組合成由8比特伽羅瓦域中符號陣列表示的編碼分組(Coded Packets，CPs)，然后經(jīng)由BPSK調(diào)制器調(diào)制并發(fā)送。解碼階段在采用MIMO解碼算法的物理層執(zhí)行。將接收存儲到緩沖器中的分組樣本執(zhí)行基于球形解碼的軟解碼方案重建IUs。MIMO_NC相對于經(jīng)典方法的主要區(qū)別在于所有接收的分組，包括損壞的分組和冗余分組，都可用以解碼，從而獲得SNR增益和分集階數(shù)的提升，進一步了解請參考文獻[25]。

(a)NC編碼/解碼

(b)MIMO_NC編碼/解碼

(c)MIMO_NC編碼/解碼過程[25]

用pMIMO_NC表示MIMO_NC正確解碼的概率。文獻[25]研究表明，即使在較差的信道條件下，MIMO_NC仍有較高的解碼概率。例如，即使信道干擾(加噪聲)功率上升到信號功率，該值也超過66%[26]。文中，重點關(guān)注因素(2)——MAC層實現(xiàn)。

3 結(jié)合MIMO_NC的分布式TDMA協(xié)議

考慮VANETs上行鏈路，如圖3所示，其中，RSU部署在道路旁，車輛以相同的平均速度(例如高速公路場景)經(jīng)過RSU。我們假設(shè)RSU和車輛的傳輸半徑是相同的，每對節(jié)點(V2V和V2I)僅在彼此傳輸半徑內(nèi)才能通信，并且RSU和車輛都配備了相應(yīng)的MINO_NC編碼/解碼模塊。

圖3 VANETs上行鏈路中的協(xié)作編碼轉(zhuǎn)發(fā)

Fig.3 Cooperative network coding and forwarding in VANETs uplink

車輛節(jié)點S1發(fā)送數(shù)據(jù)分組到路側(cè)單元RSU時，由于無線信道廣播特性，處于S1節(jié)點與RSU節(jié)點共同傳輸半徑內(nèi)的其它節(jié)點S2、S3也能正確接收源節(jié)點S1數(shù)據(jù)，因此，在RSU未能正確接收S1數(shù)據(jù)時，這些節(jié)點可以利用自身時隙協(xié)作編碼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點S1數(shù)據(jù)。下面把進行協(xié)作編碼轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點稱為協(xié)作節(jié)點。

3.1 協(xié)作編碼請求與協(xié)作編碼確認域

設(shè)計一種網(wǎng)絡(luò)握手協(xié)議來確定協(xié)作節(jié)點，同時，為避免發(fā)送專門的控制分組，采用消息搭載(Piggyback)機制來交換相關(guān)控制信息。

(1)協(xié)作編碼請求域(Cooperative Network Coding Request，CNC-REQ)

CNC-REQ用于RSU請求其它節(jié)點協(xié)作重發(fā)源節(jié)點數(shù)據(jù)。如果RSU未能正確接收來自源節(jié)點的數(shù)據(jù)分組，但接收的數(shù)據(jù)信號干擾噪聲比(Signal To Interference And Noise Ratio，SINR)大于MIMO_NC解碼閾值θTH，即SINR≥θTH，則RSU通過在自身數(shù)據(jù)分組頭部中插入CNC-REQ域來請求其它節(jié)點利用MIMO_NC技術(shù)協(xié)作編碼重發(fā)傳輸失敗的數(shù)據(jù)。如圖4(a)所示，在新插入的CNC-REQ域中，標(biāo)識位為0，表示數(shù)據(jù)分組頭部中插入的是協(xié)作編碼請求域，源節(jié)點ID、分組序號和目標(biāo)節(jié)點ID分別對應(yīng)了待協(xié)作編碼重發(fā)數(shù)據(jù)的源節(jié)點標(biāo)識、分組序號和RSU標(biāo)識，這些信息標(biāo)識了待協(xié)作編碼重發(fā)的數(shù)據(jù)信息。

(2)協(xié)作編碼確認域(Cooperative Network Coding Acknowledgement，CNC-ACK)

CNC-ACK用于協(xié)作節(jié)點確認協(xié)作編碼重發(fā)。如圖4(b)所示，在CNC-ACK域中，標(biāo)識位設(shè)置為1，表示插入的是協(xié)作編碼確認域，其余信息與CNC-REQ域相同。當(dāng)RSU與源節(jié)點共同傳輸半徑內(nèi)的某個節(jié)點收到RSU發(fā)送的CNC-REQ域時，但沒有偵聽到其它節(jié)點發(fā)送CNC-ACK域時，節(jié)點將自身數(shù)據(jù)和待重發(fā)的源節(jié)點數(shù)據(jù)進行編碼發(fā)送，并在數(shù)據(jù)分組頭部中插入CNC-ACK域確認已協(xié)作重發(fā)數(shù)據(jù)。

(a)CNC-REQ

(b)CNC- ACK域

Fig.4 CNC-REQ/ACK field in DTCNC-MAC packet

3.2 節(jié)點間的信息交互

基于圖3所示的應(yīng)用場景，下面結(jié)合圖5(以節(jié)點RSU時隙為時間參考點)來說明相關(guān)節(jié)點信息交互過程。

(1)第i幀中，當(dāng)源節(jié)點S1在自身時隙中發(fā)送數(shù)據(jù)PS1到RSU時，節(jié)點S2、S3等在節(jié)點S1與RSU的共同傳輸半徑內(nèi)，如果它們正確接收數(shù)據(jù)PS1，則將數(shù)據(jù)PS1保存在自身緩存中。

(2)如果RSU未完全正確接收數(shù)據(jù)PS1，但接收的數(shù)據(jù)平均信號干擾噪聲比SINR≥θTH，則在第i+1幀中，RSU在自身時隙中發(fā)送的數(shù)據(jù)分組頭部中插入CNC-REQ域來請求協(xié)作節(jié)點協(xié)作編碼重發(fā)源節(jié)點S1數(shù)據(jù)PS1。

(3)節(jié)點S2要發(fā)送數(shù)據(jù)PS2到節(jié)點RSU，且已接收到RSU發(fā)送的CNC-REQ域，則在第i+1幀中自身時隙內(nèi)編碼發(fā)送PS1?PS2，并在其分組頭部中插入CNC-ACK域來確認已協(xié)作重發(fā)源節(jié)點S1數(shù)據(jù)。當(dāng)其它節(jié)點(如節(jié)點S3等)偵聽到節(jié)點S2發(fā)送的CNC-ACK后，則不再協(xié)作重發(fā)源節(jié)點S1數(shù)據(jù)。

(4)在接收到S2發(fā)送的PS1?PS2后，節(jié)點RSU利用MIMO_NC解碼得到PS1和PS2。

需要指出的是，如果節(jié)點RSU解碼失敗，在下一幀時節(jié)點S1重發(fā)數(shù)據(jù)分組PS1，節(jié)點RSU利用MIMO_NC解碼PS1?PS2和PS1得到數(shù)據(jù)分組PS2。

上述協(xié)作過程各個節(jié)點根據(jù)所接收的一跳范圍內(nèi)信息來決定時隙的獲取和協(xié)作編碼數(shù)據(jù)的重發(fā)，因此，協(xié)作過程是分布式的(節(jié)點根據(jù)自身局部范圍內(nèi)的信息工作)，同時，協(xié)作過程利用TDMA的確定信道訪問方式(不同節(jié)點對應(yīng)了不同時隙，且只在自身時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，在其它時隙內(nèi)接收數(shù)據(jù))，使得源節(jié)點、目標(biāo)節(jié)點和協(xié)作節(jié)點能以確定和有序的分布式方式進行交互。另外，VANETs安全應(yīng)用要求在100 ms內(nèi)將信息傳送到RSU，為保證車輛節(jié)點及時傳遞信息，分布式TDMA設(shè)置長度很短(幾十毫秒)的幀時間。通常只需1～2幀時間就能完成協(xié)作數(shù)據(jù)重發(fā)，期間節(jié)點的相對位置幾乎沒有發(fā)生變化，因而能滿足VANETs快速網(wǎng)絡(luò)拓撲變化等特點。

圖5 DTCNC-MAC節(jié)點協(xié)作時序

Fig.5 DTCNC-MAC node cooperation timing

3.3 開銷分析

為避免發(fā)送專門用于控制的數(shù)據(jù)，DTCNC-MAC采用消息搭載機制來傳輸相關(guān)控制信息，即通過在相關(guān)節(jié)點數(shù)據(jù)分組頭部中插入CNC-REQ/ACK域來交換控制信息，其開銷為插入的CNC-REQ/ACK域。CNC-REQ/ACK域包含了標(biāo)識位(大小為1 b)、源節(jié)點ID、分組序號和RSU節(jié)點ID。參考文獻[9]，節(jié)點ID數(shù)據(jù)位為7 b、分組序號大小為2B、時隙時間長度設(shè)為1 ms。這樣CNC-REQ/ACK域所占用的數(shù)據(jù)位數(shù)為31 b。參考車輛專用短程通信(Dedicated Short Range Communications，DSRC)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸速率為24 Mbps，則在1個時隙內(nèi)節(jié)點能夠發(fā)送25 165 b數(shù)據(jù)。由于CNC-REQ/ACK域所占用的數(shù)據(jù)位數(shù)遠小于節(jié)點在1個時隙內(nèi)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，因此，相對于DTCNC-MAC復(fù)用的時隙資源，CNC-REQ/ACK域開銷可以忽略不計。在下面分析中，假設(shè)節(jié)點都能正確地收發(fā)CNC-REQ/ACK域。

另一方面，MIMO_NC采用球形譯碼算法把搜索空間限制在以接收向量為球心的超球體格點內(nèi)，大大縮短計算時間。在某些 SNR和天線數(shù)范圍內(nèi)，球檢測算法復(fù)雜度已是多項式的。因此，對于具有高計算通信能力和能量不受限的VANETs車輛節(jié)點，相對于頻譜效率的提高和傳輸時延的降低，MIMO_NC解碼計算開銷也可以忽略不計。

4 性能分析

參考文獻[18- 20]中單位圓盤模型表示信道。假設(shè)車輛具有相同的無線一跳傳輸半徑，在不考慮數(shù)據(jù)碰撞的情況下，在一跳傳輸半徑內(nèi)，車輛之間成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率為p。p是信道質(zhì)量的反映，p越大，受到信道衰落和多普勒效應(yīng)等影響就越小，信道質(zhì)量越好，相反，信道質(zhì)量越差。

為了簡化分析，我們基于一維場景進行分析，并假設(shè)車輛在一維直線車道上服從泊松分布[9，19]。如有M條車道，m∈{1，2，3，…，M}，βm為車道m(xù)上的平均車輛密度，則在長度為l的道路上分布j輛車的概率為

(1)

假設(shè)RSU和車輛的傳輸半徑是相同的，并記傳輸半徑為r，則車輛節(jié)點前后一跳傳輸半徑內(nèi)的相鄰節(jié)點數(shù)Nn(包括節(jié)點自身)等于j的概率Pr{Nn=j}可用l=2r代入式(1)得：

(2)

下面分析和比較VeMAC和DTCNC-MAC的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)成功發(fā)送概率、數(shù)據(jù)分組傳輸時延和丟包率。

4.1 VeMAC性能分析

設(shè)ps為VeMAC的一跳傳輸半徑內(nèi)數(shù)據(jù)成功發(fā)送的概率，pc為信息相互碰撞的概率。由于信道質(zhì)量(p)和信息相互碰撞彼此獨立，則ps為

ps=(1-pc)p

(3)

由前文可知，由于分布式TDMA中使用確定的信道訪問方式，故pc為0，所以ps=p。

在傳輸失敗時，源節(jié)點嘗試重傳數(shù)據(jù)包直到它成功到達目的節(jié)點。在DTDMA中，分組傳輸時延(Packet Transmission Delay，PTD)定義為成功將分組發(fā)送到目的節(jié)點所需的幀數(shù)。在VeMAC中，設(shè)TDVeMAC為分組傳輸時延，數(shù)據(jù)分組經(jīng)過i次重發(fā)才能被目標(biāo)節(jié)點正確接收的概率為

Pr{TDVeMAC=i}=(1-ps)i-1ps

(4)

因此，TDVeMAC均值為

(5)

在通信系統(tǒng)中，當(dāng)源節(jié)點無法在預(yù)定義的時間限制內(nèi)將數(shù)據(jù)包傳送到目的節(jié)點時，源節(jié)點從其緩沖存儲器中丟棄該數(shù)據(jù)包。在DTDMA中，根據(jù)幀數(shù)考慮這個時間限制。令I(lǐng)max表示源節(jié)點嘗試發(fā)送分組的最大幀數(shù)，稱為最大傳輸限制。把超過最大傳輸限制Imax幀后數(shù)據(jù)還沒有被發(fā)送到目的節(jié)點的概率定義為丟包率。因此，對于給定的Imax值，VeMAC的丟包率(Packet Dropping Rate，PDR) PDRVeMAC由下式給出：

(6)

4.2 DTCNC-MAC性能分析

如果RSU沒有正確接收數(shù)據(jù)分組，為了獲得較高的重傳解碼概率，在數(shù)據(jù)分組的SINR≥3 dB時(此時MIMO_NC解碼概率pMIMO_NC大于2/3)，RSU才請求協(xié)作編碼重傳(根據(jù)MIMO_NC的BER/SINR表[26]，當(dāng)SINR<3 dB，編碼重傳的解碼概率pMIMO_NC低于2/3)。

當(dāng)S1到RSU的數(shù)據(jù)傳輸失敗時，在S1一跳傳輸半徑r內(nèi)且與RSU同側(cè)的其它節(jié)點(異側(cè)的節(jié)點與S1到RSU有著相似的信道特性和條件，且間距更大，協(xié)作重發(fā)成功概率小，不予考慮)將協(xié)作重發(fā)數(shù)據(jù)，設(shè)其間的節(jié)點數(shù)為Nr，用r替換式(1)的l，則Nr等于u的概率為

(7)

式中，u=0，1，2，…。

Pr{Nh>0|Nr=u}=

(8)

在Nr所有條件下，存在協(xié)作編碼節(jié)點的概率為

Pr{Nh>0}=Pr{Nh>0|2

Pr{Nh>0|Nr>F}

(9)

其中，Nh為u-2個節(jié)點中滿足協(xié)作條件節(jié)點數(shù)。

當(dāng)2

Pr{Nh>0|2

u}

(10)

當(dāng)Nr>F時：

Pr{Nh>0|Nr>F}=

(11)

RSU接收數(shù)據(jù)失敗時，可能存在協(xié)作節(jié)點協(xié)作編碼重發(fā)數(shù)據(jù)，所以，DTCNC-MAC的成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率為

(12)

(13)

其中，TDDTCNC-MAC為DTCNC-MAC的數(shù)據(jù)傳輸時延。

(14)

5 網(wǎng)絡(luò)仿真

車輛行駛場景用MATLAB進行仿真。假設(shè)車輛行駛在方向相反的兩條車道上，則道路上車輛密度β=2βm。車輛平均速度為50 km/h，標(biāo)準(zhǔn)偏差為10 km/h。無線信道采用DSRC標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，其中，工作頻段為5.9 GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為24 Mbps。公路旁路側(cè)單元RSU和兩跳范圍內(nèi)的車輛已經(jīng)在VeMAC協(xié)議下獲得相應(yīng)時隙，時隙長度為1 ms，每幀中包含60時隙，記為F。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 模擬參數(shù)

對于不同的參數(shù)，下面就VeMAC和DTCNC-MAC的成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率、傳輸時延和數(shù)據(jù)丟包率進行比較。

在仿真過程中，對于每組參數(shù)，500種不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)由β值隨機產(chǎn)生，在每種拓撲結(jié)構(gòu)上統(tǒng)計105幀的仿真數(shù)據(jù)，結(jié)果取平均值[19- 20]。

仿真結(jié)果如圖6-9所示。VeMAC成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率取決于信道質(zhì)量(p)；DTCNC-MAC成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率除決定于信道質(zhì)量(p)外，還受到車輛密度(β)、傳輸半徑(r)和RSU接收到SINR大于閾值θTH的數(shù)據(jù)概率pTH，以及RSU解碼概率pMIMO_NC的影響。在p=0時，由于信道衰落和多普勒效應(yīng)等影響導(dǎo)致信道質(zhì)量非常差，所有分組傳輸都失敗。對于DTCNC-MAC，所有節(jié)點都無法從源節(jié)點接收數(shù)據(jù)包，因此無法找到協(xié)作節(jié)點，因而無法觸發(fā)協(xié)作編碼重傳，導(dǎo)致PTD為無限大，并且兩個協(xié)議的PDR都為1。隨著p增加，源節(jié)點在傳輸失敗時由于協(xié)作節(jié)點編碼重傳獲得相應(yīng)的協(xié)作分集增益。而在p=1時，由于信道條件良好導(dǎo)致所有分組傳輸都是成功的，因而源節(jié)點的所有分組都成功發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點，因此不需要協(xié)作重傳，導(dǎo)致兩個協(xié)議的PTD為1，PDR為0。

由圖6-9可知，相對于VeMAC，DTCNC-MAC顯著地提高了數(shù)據(jù)發(fā)送成功概率、減少了數(shù)據(jù)傳輸時延和數(shù)據(jù)丟包率。數(shù)據(jù)在節(jié)點自身時隙內(nèi)發(fā)送失敗時，VeMAC必須等待下一幀節(jié)點相應(yīng)時隙才能進行數(shù)據(jù)重發(fā)，而DTCNC-MAC利用協(xié)作節(jié)點幀內(nèi)編碼重發(fā)數(shù)據(jù)，提高成功發(fā)送數(shù)據(jù)概率、減少數(shù)據(jù)傳輸時延和降低數(shù)據(jù)丟包率。從圖6-9可以看出，所有仿真結(jié)果都較好的擬合了分析結(jié)果。

(a)成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率

(b)數(shù)據(jù)傳輸時延

圖6 兩種方法在不同車輛密度下成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率和傳輸時延

Fig.6 Probability of successful packet transmission and packet transmission delay in the two methods at different vehicle densities

(a)成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率

(b)數(shù)據(jù)傳輸時延

圖7 兩種方法在不同傳輸半徑下成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率和傳輸時延

Fig.7 Probability of successful packet transmission and packet transmission delay in the two methods at different transmission radius

(a)成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率

(b)數(shù)據(jù)丟包率

圖8 兩種方法在不同pTH下成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率和丟包率

Fig.8 Probability of successful packet transmission and packet dropping rate in the two methods under differentpTH

(a)成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率

(b)數(shù)據(jù)丟包率

圖9 兩種方法在不同的pMIMO_NC下成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率和丟包率

Fig.9 Probability of successful packet transmission and packet dropping rate in the two methods under differentpMIMO_NC

在一跳傳輸半徑r(400 m)、概率pTH(0.8)和pMIMO_NC(0.95)固定時，圖6(a)表明，車輛密度(β)越大，一跳傳輸半徑內(nèi)存在的車輛節(jié)點就越多，能夠進行協(xié)作編碼重發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點就越多，因而DTCNC-MAC成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率就越大，如p=0.5時，VeMAC成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率為0.5，而DTCNC-MAC成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率為0.708(β=0.02)和0.735(β=0.08)，分別提高41.7%和47.0%；圖6(b)表明，車輛密度(β)越大，一跳傳輸半徑內(nèi)存在的車輛節(jié)點就越多，能夠進行協(xié)作編碼重發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點就越多，源節(jié)點重發(fā)數(shù)據(jù)的次數(shù)就會減少，DTCNC-MAC的數(shù)據(jù)傳輸時延就越小，如p=0.5時，VeMAC傳輸時延為2.010，而DTCNC-MAC傳輸時延為1.412(β=0.02)和1.361(β=0.08)，分別下降29.8%和32.3%。

在車輛密度β(0.04車/m)、概率pTH(0.8)和概率pMIMO_NC(0.95)固定時，圖7(a)表明，一跳傳輸半徑(r)越大，一跳傳輸半徑內(nèi)存在的車輛節(jié)點就越多，能夠進行協(xié)作編碼重發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點就越多，因而DTCNC-MAC成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率就越大；圖7(b)表明，一跳傳輸半徑(r)越大，一跳傳輸半徑內(nèi)存在的車輛節(jié)點就越多，源節(jié)點重發(fā)數(shù)據(jù)的次數(shù)就會減少，DTCNC-MAC的數(shù)據(jù)傳輸時延就越小。

在車輛密度β(0.04車/m)、一跳傳輸半徑r(400 m)和pMIMO_NC(0.95)固定時，圖8(a)顯示，隨著概率pTH變大，協(xié)作編碼需求就會越高，節(jié)點協(xié)作編碼發(fā)送數(shù)據(jù)的幾率就越高，DTCNC-MAC成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率就越大；同樣，圖8(b)顯示，DTCNC-MAC數(shù)據(jù)傳輸時丟包率就越低。如p=0.4時，VeMAC丟包率為21.8%，而DTCNC-MAC丟包率為7.3%(pTH=0.3)和5.3%(pTH=0.9)，分別下降66.6%和75.6%。

在車輛密度β(0.04車/m)、一跳傳輸半徑r(400 m)和pTH(0.8)固定時，圖9(a)顯示，隨著pMIMO_NC變大，RSU解碼概率就越高，DTCNC-MAC成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率就越大；圖9(b)顯示，隨著pMIMO_NC變大，RSU解碼概率越高，DTCNC-MAC數(shù)據(jù)傳輸時的丟包率就越低。

圖10所示為不同Imax值下兩種方案的PDR。對于給定的信道條件，DTCNC-MAC的PDR總是小于VeMAC的PDR。隨著p增大信道條件變好，DTCNC-MAC和VeMAC的PDR值之間的差距也在增加。當(dāng)β=0.08時兩個協(xié)議之間的差距大于β=0.02時的差距。在p=0.4的條件下，當(dāng)Imax=3時，VeMAC和DTCNC-MAC的丟包率分別是21.8%和7.0%(β=0.02)、5.2%(β=0.08)，分別下降67.9%(β=0.02)和75.9%(β=0.08)；當(dāng)Imax=5時，VeMAC和DTCNC-MAC的丟包率分別是7.9%和1.2%(β=0.02)、0.7%(β=0.08)，分別下降84.9%(β=0.02)和90.7%(β=0.08)。對于相同的信道條件，Imax值越大，兩個協(xié)議的PDR值之間的差距越大。在傳輸失敗時，在DTCNC-MAC中，協(xié)作節(jié)點使用MIMO_NC方法重傳分組。因此，更大的Imax意味著DTCNC-MAC中的節(jié)點獲得比VeMAC更多的重傳機會。這增加了數(shù)據(jù)包在Imax幀內(nèi)成功傳送到目的節(jié)點概率，防止在緩沖存儲器中被丟棄。

(a)Imax=3 幀

(b)Imax=5幀

圖10 不同Imax下DTCNC-MAC和VeMAC的丟包率

Fig.10 Packet Dropping Rate of DTCNC-MAC and VeMAC with differentImax

6 結(jié)語

基于分布式TDMA提出一種協(xié)作編碼數(shù)據(jù)重發(fā)方法，當(dāng)源節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸失敗時，協(xié)作節(jié)點利用MIMO_NC技術(shù)來編碼自身業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和源節(jié)點數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)協(xié)作節(jié)點在發(fā)送自身數(shù)據(jù)的同時協(xié)作重發(fā)源節(jié)點數(shù)據(jù)。該方法利用分布式TDMA本身所包含的信息來確認數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果，同時采用消息搭載機制交換控制信息，避免發(fā)送專門的控制分組。方法中所有操作都以分布式方式進行，能夠適合VANETs場合。性能分析和實驗表明，該方法顯著地提高了成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率、有效降低了數(shù)據(jù)傳輸時延和丟包率。

文中基于基本的信道模型對所提方法進行了分析和比較；在后續(xù)研究中，將進一步研究更加真實的物理信道模型對所提方法性能的影響。