基于空分多址的车联网信标消息同步广播协议

1、基于空分多址的车联网信标消息同步播送协议摘 要： 根据车联网中专用短间隔 通信DSRC协议的标准，车辆通过周期地播送包含车辆状态信息的信标消息，实现邻居节点感知的链路层效劳，并且信标消息以随机方式共享传输平安消息的控制信道。然而，这种方式可能导致严重信道竞争和数据丧失，降低邻居节点感知率。为此，提出基于空分多址的信标消息同步播送协议SDMA?SB。通过SDMA?SB协议，使得车辆以分布式方式同步地播送信标，实现车辆在同一个信标时区内有序地播送，降低信道竞争概率，进而进步邻居节点感知效率。SDMA?SB协议先建立有序化的道路模型，然后根据间隔 信息为同一路段车辆选择一个控制信道间隔CCHI作为信

2、标时区，再根据间隔 计算播送信标所需的等待时间，并保证车辆等待时间的惟一性。仿真结果说明，与传统的信标播送协议相比，提出的SDMA?SB协议进步了邻居感知率以及信息的新颖度。关键词： 车联网； 专用短间隔 通信； 信标； 控制信道； 邻居节点感知率中图分类号： TN915.04?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X202111?0137?05Space division multiple access based synchronized beacons sending protocol in VANETsZHANG Yang1， LIU Haiyan1， ZH

3、ENG Xuefeng21. Department of Hydraulic Engineering， Tsinghua University， Beijing 100062， China；2. School of Computer Communication Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100101， ChinaAbstract： According to the standard of the dedicated short?range communication DSRC proto

4、col in vehicular Ad Hoc networks VANETs， the vehicle can realize the link?layer service of neighborhood discovery by broadcasting the beacon information including vehicle status information periodically. The beacon information shares the control channel CCH transmitting safety information with rando

5、m mode， which may cause the severe channel competition and packet loss， and reduce the neighborhood?discovery ratio. Therefore， a space?division multiple access based synchronized beacons SDMA?SB sending protocol is proposed， with which the vehicles can broadcast the beacon synchronously in distribu

6、ted mode to realize its sequential broadcast in the same beacon time zone， reduce the channel competition probability， and improve the neighborhood?discovery ratio. The ordering channel model is constructed with SDMA?SB protocol. According to the distance information， a control channel interval CCHI

7、 is selected for the vehicle in the same path section as the beacon time zone. The waiting time needed by the broadcast beacon is calculated according to the distance to guarantee the uniqueness of vehicle waiting time. The simulation results show that， in comparison with the traditional beacons bro

8、adcast protocol， the SDMA?SB protocol can improve the neighborhood?discovery ratio and information freshness efficiently.Keywords： vehicular Ad Hoc network； dedicated short?range communication； beacon； control channel； neighborhood?discovery ratio0 引 言基于短间隔 通信的车联网VANETs Vehicular Ad Hoc Networks被认为是

9、应用于智能交通系统最有前景的技术之一1。VANETs提供了车间通信V2V和车与设施通信V2I平台，使得车辆间可以实时交互车道、车辆行驶状态等信息，进而进步交通行驶平安以及效率。 1999年，美国联邦通信协会FCC给VANETs的车间通信V2V和车与设施通信V2I制定了专用短间隔 通信DSRCDedicated Short?Range Communication标准，并分配75 MHz的频谱2?3。DSRC频谱被划分为7个10 MHz信道和5 MHz的保护间隔，其中某一信道作为控制信道CCHControl Channel，用于平安通信，包括信标4，其他信道作为效劳信道SCHsService Ch

10、annels。VANETs中的根本平安应用就是周期性地播送信标Beacon，其包含车辆实时位置、速度、行驶方向等信息。通过周期地播送信标，邻近车辆间可交互彼此信息，进而监测当前道路的行驶条件，便于及时应对道路危险情况，实现事故预警的作用。换而言之，VANETs的平安应用依赖于通过信标感知邻居效率和获取信息的效率。前者表示发现邻居节点的才能，后者表示从邻居节点获取信息的实效性。从平安角度出发，当信标周期越短、传输范围越大，车辆感知邻居效率越高，所获取信息的实时性也越高，相应地，平安系数也越高。在针对典型车辆平安应用中，信标周期为0.1 s，传输范围为5300500 m。然而，DSRC标准的信标播

11、送协议仍存在几个挑战。首先，所有车辆以周期，但非同步方式播送信标，极大地增加了网络负担，导致通信性能下降；第二，播送信标易产生信道竞争，加大碰撞概率6?7；第三，信标与其他平安应用共享信道，存在信道接入冲突；最后，就是播送信标周期的设定。周期的大小直接影响系统性能。这就存在周期与开销的权衡问题：缩短周期，进步邻居感知率，但加大了系统开销，反之，减少了邻居感知率，降低了平安应用性能。针对上述挑战，本文提出基于空分多址的信标消息同步播送SDMA?SBSpace?division Multiple Access?based Synchronized Beacons Sending Protocol协

12、议。SDMA?SB协议以分布式的同步策略，使得车辆在CCHI内有序地播送信标。通过建立有序化的道路模型计算间隔 ，为同一路段车辆选择同一个CCHI。将此CCHI用于信标播送。然后，再根据间隔 设置等待时间，并保证同一路段车辆的等待时间具有惟一性，进而防止冲突。仿真结果说明，提出的SDMA?SB协议可以有效地发现邻居节点，降低系统开销。1 系统模型及总体策略1.1 系统模型假定所有车辆采用全向天线，并且传输范围为每个车辆均装备了全球导航卫星系统GNSSGlobal Navigation Satellite System，可以获取自己的地理位置以及时钟信息。此外，每个车辆预下载了数字地图。结合GN

13、SS和数字地图，每个车辆可以获取自己所处道路的相关信息，包括穿插路口坐标、所在车道。本文考虑所有车辆同行行驶。根据道路规那么，车辆间的间隔 满足平安行驶间隔 SDSafety Distance。道路模型见图1。在分析信标消息播送策略时，只考虑直行单向的道路，不考虑穿插道路。通过道路上的车辆，将道路划分为不同的路段。假定道路长为，将其划分为个路段，每个路段的长度为，如图1所示。每个路段又划分为两个子路段，子路段长为。为了简化描绘，将这些子路段标识为其中为子路段的个数。道路长与子路段数满足如下关系：1式中表示向下取整数。此外，图1中的。图1 道路模型引用IEEE 1609.4标准所定义的信道同步方

14、案。如图2所示，在每个同步间隔内划分控制信道CCH和效劳信道SCH。两类信道间设为保护间隔GTGuard Time。CCH间隔CCHI为50 ms、服招诺SCH间隔SCHI为50 ms，而保护间隔GT为4 ms。控制信道CCHI内播送信标。假设信标周期=1 s，那么每个信标周期内含有10个CCHI。仅用某一个CCHI作为信标播送时段，其余的CCHI不用于播送信标。图2 IEEE 1609.4标准的多信道1.2 总体策略目前，正如文献8所采用的标准，信标以随机方式接入网络。在每个播送周期内，节点盲目地发送信标，并没有考虑其他节点的存在。它们利用MAC层接入控制和退避算法。然而，多项研究说明，这类

15、策略的缺乏之处在于容易产生播送竞争、数据包丧失以及开销增加问题9?11。为此，本文提出分布式的同步信标播送策略SDMA?SB，其目的在于：邻近车辆在同一个时间段循序地播送信标，防止因随机播送而引发信道竞争。将此时间段称为信标时区beacon session。由于在CCHI内播送信标，信标时区也称为CCHI时区。分布式的同步信标播送策略的重点在于如何使车辆在同一个信标时区内有序地播送信标。这涉及两个问题：如何使得车辆在同一个CCHI内播送，即同步；如何在同一个CCHI内有序地播送信标。为此，SDMA?SB根据道路模型设定在此模型下的间隔 ，致使间隔 具有惟一性，然后根据间隔 设定播送信标的等待时

16、间，最终使每个车辆可以在信标时区内有序、无冲突地播送信标。2 SDMA?SB协议根据上述分析可知，SDMA?SB协议主要由两个阶段构成：同一个路段的车辆选择同一个CCHI，称为同步阶段；在同一个CCHI阶段，循序播送，称为播送时序设置阶段。接下来，分别从这两个阶段分析SDMA?SB协议。2.1 同步阶段当车辆进入道路，每辆车执行初始化阶段。车辆先获取系统参数，包括当前道路位置、所在的车道以及周期值。然后，定义二值变量，并初始化为零。再定义同步时间变量，此时间等于车辆接入路段的当前时间。同时，计算变量的值，等于每个周期含有CCHI的间隔数，其中的单位为毫秒。 2初始阶段的过程如下所示：目的：初始

17、化Step 1： 获取系统参数T，P，lStep 2：Step 3：Step 4：Step 5：Step 6：其中为计数变量，初始阶段完毕时，将设置为1。完成初始阶段后，便进入设置同步阶段。一旦接收了来自邻居节点的信标消息，说明邻居节点已经进入了信标时区。此时，接收节点要判断是否能与发送节点保持同步。假设发送节点的小于自己那么将与发送节点保持同步，将发送节点的交换自己的然后再将设置为1，将赋予。最后进入播送信标阶段，其流程如下：目的：有序播送信标Step 1： if flag thenStep 2：Step 3： if thenStep 4：Step 5： Compute waiting ti

18、me WTStep 6： End ifStep 7： While doStep 8： Send beaconStep 9： End if在播送信标前，先计算等待时间计算过程见下节。当计时为零就播送信标。2.2 计算为了简化描绘，以一个路段为分析对象，如图3所示，10辆车随机分布于4个车道上。表示两个子路段间的中线。同时，对车道进展从左向右、从下向上进展编号，称为子车道数。如车辆的子车道为1，而的子车道为5。图3 一个路段模型车辆的等待时间WT应正比于间隔 定义如下所示：3式中表示车辆离中线的间隔 ，如图3所示。例如，车辆的间隔 为。为了保证在同一个CCHI内每个车辆间隔 的惟一性，WT应与间隔

19、 保持线性关系：4式中为系数。取两个特殊的点，便可计算它们的值。当=0，那么节点的等待时间WT应至少大于从CCH接入SCH的保护间隔GT。当时，等待时间WT应为CCH的间隔时延CCHI与两节点间最大传输时延的差，即。利用这两对取值，便可计算代入式4，可得：5从式5可知，WT为的增函数。接下来，进一步分析WT的性能要求。假定车辆的等待时间分别表示为WT1，WT2。由于它们连续播送信标，因此它们的等待时间差应大于最大传输时延即将此关系代入式5，可得车辆的间隔 满足如下关系：6式6说明，B续车辆间的最小间隔称为车间最小间隔 minGap。然后，对处于同一路段不同子车道数numlane进展序列化，即将

20、图3所示的模型转换成一个车道，如图4a所示。图4a描绘了被序列化后的车道模型。然而，根据式6应充分考虑最小车间间隔 minGap，为此定义了虚拟间隔 间隔，如图4b所示。图4 序列化的路段模型根据图4b模型，式3可转换为：7最终，可得到包含的等待时间WT的表达式：83 数值分析3.1 仿真场景采用Veins?2.1工具12建立仿真平台。仿真的道路长度，4个单向道。车辆挪动的最大速度为30 m/s，车辆通信传输半径详细的仿真参数如表1所示。每次实验独立重复100次，取平均值作为最终的仿真数据。为了更好地分析SDMA?SB协议，选择传统的DSRC标准的信标播送协议作为参照。3.2 仿真结果及分析为

21、了可以充分地分析SDMA?SB协议性能，引用文献13定义的性能指标。考察SDMA?SB协议的信道开销、邻居节点感知率以及信标信息新颖期三方面性能。3.2.1 信道开销信道开销是指网络内任意一节点每秒内所接收和发送的数据比特数13。仿真结果如图5所示。图5描绘了两个协议的信道开销随车密度的变化，以及周期对信标开销的影响。从图5可知，SDMA?SB协议信道开销略优于DSRC信道开销，原因在于：1 与DSRC相比，SDMA?SB协议在信标中增加了2个字节的区域，用于记录值，这增加了信道开销；2 SDMA?SB协议通过同步信标播送策略，减少了信标碰撞概率，进步了信标的传输效率，进而降低信道开销。这两个

22、原因的综合导致SDMA?SB协议信标开销略优于DSRC协议。此外，周期的降低，增加了信道开销。这是因为的降低，使一样时间内发送的信标数越大。类似地，信道开销随车密度的增加而上升。车辆越多，发送的信标数越多，信道开销也随之增加。3.2.2 邻居节点感知率邻居节点感知率反映了节点感知邻居节点的才能，数值等于在一个周期内节点从邻居节点接收的信标数与它的邻居节点数之比。从这个定义可知，邻居节点感知率也反映了数据包的接收才能。仿真结果如图6所示。从图6可知，SDMA?SB协议在周期时，邻居节点感知率逼近100%，并不受车密度的影响。而传统的DSRC的邻居节点感知率随车密度的增加而下降，并且的减少也降低了

23、邻居节点感知率。与DSRC相比，SDMA?SB协议的邻居节点感知率得到有效进步。例如，当车密度为90，在时，SDMA?SB协议的邻居节点感知率高达95%，而DSRC协议为85%，进步了近10%；当时，SDMA?SB协议比DSRC进步了近30%。 3.2.3 信标信息新颖期最后，考察了协议的信标信息新颖期，其等于接收来自同一个节点所发送的两个信标间隔，仿真结果如图7所示。从图7可知，提出的SDMA?SB协议的信标信息新颖期接近于周期，特别是在低密度区域。此外，SDMA?SB协议的信标信息新颖期在整个车密度变化区域保持平稳，几乎不受车密度影响。而DSRC协议的信标信息新颖期随车密度变化产生波动，并

24、且高于SDMA?SB协议。4 结 语本文针对车联网中的信标播送协议展开分析，并提出基于空分多址的信标消息同步播送SDMA?SB协议。SDMA?SB协议采用分布式同步播送策略传输信标，降低信标接入信道的碰撞概率，进步信道播送效率，进而进步邻居感知率。首先，建立车道模型，再据此计算间隔 ，并结合SDMA技术，为处于同一路段的车辆找到CCHI，即信标时区。然后，根据间隔 计算车辆在CCHI内播送信标所需的等待时间，并保证每个车辆的等待时间的惟一性，进而使得车辆可以在同一CCHI内有序地播送信标，降低碰撞概率。仿真结果说明，与DSRC标准的信标播送相比，提出的SDMA?SB协议可以进步信标播送效率，提

25、升邻居感知率，并增加了信标内的信息新颖度。参考文献1 PANICHPAPIBOON S， PATTARA?ATIKOM W. A review of information dissemination protocols for vehicular Ad Hoc networks J. IEEE communications surveys and tutorials， 2021， 143： 784?798.2 莫元富，于德新，宋军，等.基于信道负载阈值的车联网信标消息生成策略J.浙江大学学报工学版，2021，501：21?26.3 周文刚，彭海云，朱海.基于上下文感知分布式信标调度方案的V2

26、VC拥塞控制J.计算机应用研究，2021，327：2105?2111.4 陈冰洁.VANET自适应信标率的模糊逻辑算法J.现代电子技术，2021，3617：140?142.5 WISITPONGPHAN N， TONGUZ O K， PARIKH J S， et al. Broadcast storm mitigation techniques in vehicular Ad Hoc networks J. IEEE wireless communications， 2007， 146： 84?94.6 TORRENT?MONERO M， JIANG D， HARTENSTEIN H. Bro

27、adcast reception rates and effects of priority access in 802.11?based vehicular Ad?Hoc networks C/ Proceedings of the 1st ACM International Workshop on Vehicular Ad Hoc Networks. Philadelphia： ACM， 2004： 10?18.7 ZRAR GHAFOOR K， ABU BAKAR K， EENENNAAM M， et al. A fuzzy logic approach to beaconing for vehicular Ad Hoc networks J. Telecommunication systems， 2021， 521： 139?149.8 SCHMIDT R K， LEINMULLER T， SCHOCH E， et al. Exploration of adaptive beaconing for efficient intervehicle safety communication J. IEEE network， 2021， 241： 14?19.9 SEBASTIAN A， TANG M L， F