V2X网络中基于跨层设计的分区查找广播算法*

费 凡，郭爱煌

（同济大学 电子信息与工程学院,上海 201804）

V2X网络中基于跨层设计的分区查找广播算法*

费 凡，郭爱煌

（同济大学 电子信息与工程学院,上海 201804）

车辆与外界信息交换（Vehicle to X,V2X）网络中，紧急安全消息的多跳广播分发机制用于保证安全的车辆网络环境。而节点移动性、无线资源的有限性和无线通信的损耗特性，致使设计有效的消息分发机制成为挑战。针对V2X网络模型，研究分区查找广播算法中迭代次数、竞争窗口数目对广播一跳时延带来的影响，通过仿真得出，迭代次数为2、竞争窗口数目为4时的一跳时延最小，消息分发速度最快。对分区查找广播算法进行改进，加入跨层设计，引入中继变量，同时考虑信道质量、车辆相对移动速度、发射功率和传输速率因素，以提高消息传输成功率。仿真结果表明，基于跨层设计的分区查找广播算法的数据包传输成功率最高可达到99.9%，而高密度车辆环境下广播一跳时延减小约0.1 ms。

V2X;跨层设计;广播算法;中继变量;时延;传输成功率

0 引 言

伴随着现代汽车工业技术和无线通信技术的飞速发展，车联网正在从概念变为现实。V2X包含车车、车路、车人（V2V、V2I、V2P）之间的短程通信，加上车与网络之间的远程通信，一同构成车联网的整体架构。车联网旨在提高道路交通安全和行车效率，改善驾驶体验，丰富车载娱乐信息等。V2X网络传递信息对于网络时延、可靠性能要求极高，尤其对紧急安全相关信息，只有达到毫秒级的端到端传输时延和99.999%的可靠性，才能保证有效的信息传输。

美国联邦通信委员会颁布5.85～5.925 GHz、75 MHz频段用于车路互联网系统，控制信道（Control Channel，CCH）用于分发紧急安全消息。IEEE 802.11p规定媒体访问控制层（Media Access Control，MAC）和物理层的基本功能。IEEE 802.11p采用载波帧听冲突避免的随机退避竞争机制，实现节点的无线信道接入。在高密度车辆环境下，相关安全消息增多，隐藏终端问题等，造成数据包大量碰撞，实时性和可靠性能恶化。DSRC协议下的紧急安全消息广播存在大量信息冗余，消息不能及时可靠传播。

车联网络中的紧急安全消息广播分发机制成为研究热点。文献[1]总结归纳当前广播机制的分类，包含基于时延的、基于距离的、基于概率和基于网络编码的多条广播机制及性能度量标准。文献[2]使用路侧单元（Road Side Unit，RSU）和V2I协助多跳广播，并验证RSU的数量和位置对性能产生的影响。文献[3]根据链路质量和车辆动态，选择骨干车辆作为转发节点，并使用网络编码来提高可靠性。文献[4]研究了移动车辆发射功率控制技术对数据传输可靠性和实时性的影响，设计了局部最优中继选择算法。文献[5]提出了分区查找广播算法，采用迭代分区方法选择距离消息节点最远的车辆作为中继转播。

传统的分层协议结构不能很好地整体优化网络性能，而跨层设计可以实现无线资源的有效管理，针对各层协议的状态和要求，调节相关协议层的控制参数，实现网络性能的整体优化。本文在文献[5]的基础上加入跨层设计，同时考虑物理信道质量、车辆移动速度、发射功率和传输速率等因素，提出基于跨层的分区查找广播算法，从而在时延最优的基础上，提高消息传输成功率。仿真分析表明，在原算法基础上加入跨层设计后网络整体性能得到提升。

1 系统模型及问题描述

1.1 系统模型

考虑车联网络运行在高速直行道路环境下，因此对于系统模型做出以下假设：

（1）假设道路没有其他基础设施，如RSU。

（2）车辆之间通过IEEE 802.11p网络通信接口实现通信。该系统模型下，两个方向的车辆都可以参与紧急安全消息的分发，所有车辆的功能相同，不存在簇头或网关节点的区别。

（3）该模型中，每辆车装有一个车载通信单元（On Board Unit，OBU），用于车车通信；传感器，如全球定位系统（Global Positioning System，GPS），用于获取车辆位置信息；数据库单元，用于存储控制信息。

（4）检测到非正常情况下的车辆如失衡、碰撞发生时，具体位置信息被感知、处理、传输到OBU。

（5）假设GPS支持车辆之间的时钟同步。

系统模型如图1所示，源节点车辆产生的消息通过中继节点以多跳广播方式向远处车辆分发。

图1 V2X网络系统模型

1.2 分区查找广播算法描述

消息源节点产生紧急安全消息（Emergency Message，EM）后，要求以极低时延接入信道，并以最快速度分发至周围车辆。广播使用请求广播/允许广播（Request To Broadcast/Clear To Broadcast，RTB/CTB）机制，类似于IEEE802.11标准中的请求发送/允许发送机制，即在消息源节点传输范围内，选择最合适的节点作为中继进行下一跳消息广播。实现上述要求的方法如下。

1.2.1 mDIFS（微分布式帧间间隔）

这是针对IEEE802.11p标准中增强分布式信道 接 入（Enhanced Distributed Channel Access，EDCA）机制的修正。当有极低时延要求的紧急安全告警消息到达MAC层并在发送队列的前端时，等待分布式帧间间隔（Dedicated Inter-Frame Space，D IFS）的一部分而不是整个DIFS间隔，从而相比于其他非时延要求的消息提早争用信道，减少紧急告警消息的平均信道接入时延[4]。mDIFS的时间长度l和数量w分别为：

式中，d为传输半径内最大信道传播时延，Tswitch为发射接收机切换时延，TDIFS为DIFS的时间长度，TSIFS为短帧帧间间隔（Short Inter-Frame Space，SIFS）的时间长度。

1.2.2 分区查找

根据文献[5]，用n表示分区数，N表示迭代次数，举例说明n=3，N=3情况下的分区查找算法。

（1）候选区节点依据自身地理位置信息确定所处分区inner/middle/outer，具体分区信息通过RTB数据包携带。

迭代过程

①outer分区内节点在第一时隙同时广播black burst；

②middle分区内节点在第一个时隙帧听信道，如果没有收到black burst，则在第二个时隙广播black burst；如果帧听到black burst，则middle分区全部放弃作为候选，表明outer分区有更好的候选中继；

③inner分区节点在第一、第二时隙帧听信道，如果没有听到black burst，则表明inner分区有最好的候选节点；如果侦听到black burst，则inner分区放弃候选。

（3）完成N次迭代过程，确定最优候选区。

1.2.3 碰撞处理

在最终的候选区域内采用随机退避竞争选择最优中继，退避期最早结束的节点成为中继，作为下一跳广播节点。该节点传输CTB数据包，经SIFS后传输紧急安全消息。中继转播安全消息，重复该过程，以低时延将安全消息分发至周围车辆，但没有考虑传输可靠性。

1.3 IEEE 802.11p跨层参数描述

1.3.1 物理信道误包率

用e表示物理信道的误包率，用Emax表示最大误包率。提取物理层信息，由误比特率计算得出：

式中，ε是单位时间内的错误比特数。在加性高斯白噪声信道中，误比特率可以由Q函数计算：

式中，γB是信号与噪声功率的比值，PR是接收功率，N0是噪声能量谱密度，Rb是传输速率。

1.3.2 发射功率

用PT表示车辆节点的发射功率，可以从物理层协议直接读取，用PT_max表示最大发射功率。

1.3.3 传输速率

用Rb表示车辆节点的传输速率，取值来自集合{3，4.5，6，9，12，18，25，27} Mbps，用Rb-max表示最大传输速率。

1.3.4 相对速度

用Δv表示计算节点与广播节点的相对运动速度，用VP表示车辆最大行驶速度。

1.3.5 应用层权重因子

用αi表示中继变量的权重因子，由应用层用户决定。

2 分区查找广播算法的改进

2.1 分区查找广播算法

针对图1中的交通场景，广播机制的整个过程如图2所示。mDIFS使极低时延要求的紧急消息节点快速接入信道，成功争用信道的节点广播RTB数据包。t1时刻，所有候选中继节点广播Black Burst消息，之后进行分区查找选择最优候选区域。contention部分采用随机退避竞争得到中继节点。

广播一跳 时延Td：定义为当一个紧急安全处在发送队列前端开始到成功传输到下一跳中继节点的平均时延。

文献[5]提出的Td分析模型为：

具体的执行过程如下：

（1）Tinitial包含图2中的mDIFS帧和RTB传输阶段。在mDIFS阶段，有三种情况出现：

①Idle：没有车辆广播RTB，信道在mDIFS时隙一直保持空闲；

②Success：只有一辆车广播RTB，传输成功；

③Collision：多于一辆车同时广播RTB，产生碰撞。

（2）Tpartition表示分区查找最优候选区域所需时间：

（3）Tcont表示在最优候选区得到最优中继所需的时间。采用随机退避竞争，经过数学分析，一跳时延分析模型的公式为：

2.2 基于跨层设计的分区查找广播算法

本文提出改进算法，如图3所示。定义“中继变量”，在2.1算法基础上，为候选区节点内存中分别放置各自的中继变量，通过中继变量计算退避时间，具有最短退避时间的节点最先回复CTB数据包，成为最优中继。

用x表示中继变量，定义 为

假设信道质量较差，应用层可以增大α1的值，以选择信道质量好的中继节点，提高传输可靠性；假设网络拓扑结构比较稳定，车辆之间相对行驶速度不高，应用层决定减小α2的值；假设节点设置的传输速率较小，应用层决定增大α4的值。

由式（3）和式（4）得到：

一跳时延分析模型在公式的基础上得到改进：

图2 分区查找广播机制的整个过程

图3 基于跨层设计的分区查找广播算法的整个过程

3 仿真结果及分析

采用IEEE 802.11p标准中的参数[10]进行仿真性能分析。仿真参数符号及实验取值如表1所示。

表1 模型仿真参数

由式（1）和式（2）得到，mDIFS帧的长度l=5 μs、数量w=5，设置紧急安全消息的到达率为5个/秒。在车辆密度取值范围从5到40辆每单位区域的情况下，仿真比较分区广播机制的一跳时延性能。图4为N=2次迭代，竞争窗口数目取值CW=[2,3,4,5,6]情况下的时延-车辆密度曲线；图5为竞争窗口数目CW=4时，迭代N=[2,3,4,5,6]情况下时延-车辆密度曲线。分析得出，在迭代次数为2、竞争窗口数目为4的情况下，时延性能最优。

图4 竞争窗口数 目对时延的影响

原算法以广播分发速度和时延性能最优为目的，能快速选择距离广播节点最远的节点作为中继，从而使时延性能达到最优状态。但是，原算法没有考虑消息转播的可靠性，而基于跨层设计的分区查找广播算法，在原算法的基础上加入“中继变量”，并将信道质量、发射功率、传输速率、相对运动速度等跨层信息考虑在内，大大提高了消息转播的可靠性，降低了丢包率。两种算法在时延和可靠性方面的仿真比较如图6、图7所示。

图5 迭代次数 对时延的影响

图6 加入跨层设计对广播一跳时延的影响

由图6可以看出，基于跨层设计的分区查找广播算法与原算法在时延性能上变化不大，没有严重的时延损失，且随着车辆密度增大体现出时延性能优势，如在高密度车辆环境下，时延减小约100μs。两种算法的一跳传输时延先随车辆密度增大而降低，在15辆/单位区域之后体现出增大趋势。由于在车密度较大的情况下查找最优候选区域所需时间更久，而基于跨层设计的分区查找算法将物理层信道质量、相对速度、发射功率和传输速率的因素考虑在内，选择最优的中继节点，在时延最优的基础上可尽可能保证消息传输的成功率。由图7可以看出，基于跨层设计的分区查找广播算法的数据包传输成功率始终优于原算法，最高可达99.9%。总体而言，基于跨层设计的分区查找广播算法性能更优。

图7 加入跨层设计对传输成 功率的影响

4 结 语

本文提出了一种基于跨层设计的分 区查找广播算法。通过跨层设计方法，引入中继变量，全面考虑信道链路质量、车辆移动性、发射功率和传输功率等因素，在保证原算法时延性能损失最小的前提下，提升消息传输成功率。通过仿真得到，分区查找广播算法在迭代次数为2、竞争窗口数目为4的情况下，广播一跳时延最小，消息分发速度最快。综上所述，基于跨层设计的分区查找广播算法与原算法相比，在时延和消息传输成功率上均有改善。此外，通过仿真发现，车辆密度增大会造成时延和可靠性能的损失，因此下一步可以继续研究车辆密度因素在广播算法中的应用。

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费 凡（1993—），女，硕士研究生，主要研究方向为V2X通信；

郭爱煌（1964—），男，博士，教授，主要研究方向为宽带无线通信、宽带光纤通信信号与信息处理等。

Partition Search Broadcast Algorithm based on Cross-layer Design in V2X Networks

FEI Fan, GUO Ai-huang
(School of Electronics and Information Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China)

The design of multi-hop broadcast protocol for emergency message in V2X is to ensure the safety of the vehicle network. Node mobility, limited wireless resources and loss characteristics of wireless communication led to the design of effective message dissemination a challenge. For V2X model, find the impact of iterations and the number of contention windows on the one-hop delay in partition search broadcast algorithm. Simulation show the minimal latency and highest message dissemination speed for two iterations and four contention window. Improve the existing algorithm by adding cross-layer design and relay variable, considering the link quality, movement of vehicle, transmission power and rate of transmission. The goal is to improve the packet delivery ratio. Simulation show the packet delivery ratio reach 99.9% by using partition search broadcast algorithm based on cross-layer design. Latency for high-density network is reduced by approximately 0.1ms.

V2X;Cross-layer design;Broadcast algorithm;Relay variables;Delay;Packet delivery ratio

TN929.5

：A

：1002-0802(2016)-06-0723-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.06.014

2016-02-12;

：2016-05-08 Received date:2016-02-12;Revised date:2016-05-08