一种基于概率预测的退避方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于概率预测的退避方法，该方法通过建立Markov链模型，从理论上推导出信标消息的碰撞概率和过期概率随最小竞争窗口的变化关系，保证广播消息的接收率达到最佳；针对传统车载自组织网络退避方法退避因素过于单一，退避阶数幅度过大等问题，本发明提供了一种基于概率预测的退避方法(简称CEB)，该方法是基于信标消息碰撞概率、过期概率与竞争窗口值的关系这一思想提出的，根据碰撞概率和过期概率的相对大小线性调整竞争窗口值；该方法在广播消息的接收率和平均到达时延方面的性能均有所提升，且信道接入的公平性也得到了优化，能够保证紧急广播消息接入信道的优先权。
【专利说明】—种基于概率预测的退避方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及车载自组织网络中基于概率预测的退避方法，属于网络通讯【技术领域】。
【背景技术】
[0002]目前，车载自组织网络已逐步成为解决各种交通问题的新途径，并且近年来得到了大力发展，其中安全应用作为其基础应用，主要用来解决交通事故、提供交通预警等。安全应用对广播消息的接收率及平均到达时延要求极高，但是由于车载自组织网络IEEE802.1lp 协议中传统二进制指数退避方法(Binary Exponentially Backoff, BEB)的局限性，导致其性能不能满足安全应用的要求。
[0003]1990年IEEE802标准化委员会成立IEEE802.11无线局域网标准工作组。该标准定义了无线局域网络的物理层和媒体访问控制(MAC)规范，主要用于解决办公室局域网和校园网中，用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据存取。由于该协议传输速率最高只能达到2Mbps，所以业务主要被用于数据的存取。
[0004]IEEE802.1lp(WAVE)是一个由IEEE802.11标准扩充的通信协议，主要用于车载通信系统。车载网中的通信大致可以分为交通安全、交通效率和服务价值(例如娱乐或商业服务等)几种类型[3]。802.1lp标准从美国专用短程通信标准(Dedicated Short RangeCommunicat1ns，简称DSRC)演化而来。DSRC是专为车辆间的短程通信设定的标准。最近几年，美国的相关研究机构和政府部门积极在DSRC频谱上部署和发展无线通信标准及协议，即车载环境无线接入(Wireless Access in Vehicular Environment,简称 WAVE)。
[0005]在DSRC中，5.9GHz频域上的75MHz带宽被分配专门用来给车辆与车辆(Vehicle-to-Vehicle, V2V)和车辆与路边基础设施(Vehicle-to-1nfrastructure,简称V2I)之间进行通信，其主要目的在于保证车辆环境下的公共安全应用及防止交通事故和提高交通效率。这些带宽被划分为7个带宽为1MHz的信道:一个控制信道(ControlChannel，简称CCH)用来广播有关安全的广播消息，其余六个为服务信道(ServiceChannel,简称SCH), SCHs既可用于安全通信,也可用于非安全应用。
[0006]目前，针对车载自组织网络的可扩展性问题，研究VANET的组织进行了各种各样的处理。例如:Rawat D B等人在文献RAWAT D B, P0PESCU D C，YAN G, etal.Enhancing VANET performance by joint adaptat1n of transmiss1n power andcontent1n window size[J].Parallel and Distributed Systems, IEEE Transact1nson, 2011，22(9): 1528-1535.中提出联合调整传输功率和竞争窗口值来增强VANET性能的方法。该方案的缺点是:当网络状态好时，就将当前的竞争窗口值减半。当网络状态差时，就将当前的竞争窗口值加倍。但是如何衡量网络状态的好坏是该方案的一个瓶颈。此外，根据传输范围估算来调整传输功率也会带来一定的误差。
[0007]目前，Razvan Stanica 等人在文献 STANICA R, CHAPUT E, BEYLOT AL.Enhancements of ieee802.1lp protocol for access control on a vanetcontrolchannel[C]//Communicat1ns(ICC) , 2011 IEEE Internat1nal Conferenceon.1EEE, 2011:1-5.中根据信标消息具有过期性的特点，提出了反二进制指数退避(Reserve Binary Exponentially Backoff, RBEB)方法。该方案的缺点是，每当站点中有消息过期时，就将竞争窗口值减半。每当站点成功传输一个消息时，就将竞争窗口值恢复。这种做法均不能很好地反映当前的网络状况。首先是决定退避的因素过于单一，再者，采用指数退避的方式退避阶层过大，与实际的网络状态差距较大。而本发明能够很好地解决上面的问题。
【发明内容】
[0008]本发明目的在于提供一种应用于车载自组织网络媒体接入过程的退避方法，该方法针对传统方法中广播消息接收率低的问题，通过建立Markov链模型，从理论上推导出信标消息的碰撞概率和过期概率随最小竞争窗口的变化关系，保证广播消息的接收率达到最佳；针对传统车载自组织网络退避方法退避因素过于单一，退避阶数幅度过大等问题，本发明提供了一种基于概率预测的退避方法(简称CEB)，该方法是基于信标消息碰撞概率、过期概率与竞争窗口值的关系这一思想提出的，根据碰撞概率和过期概率的相对大小线性调整竞争窗口值。该方法在广播消息的接收率和平均到达时延方面的性能均有所提升，且信道接入的公平性也得到了优化，能够保证紧急广播消息接入信道的优先权。
[0009]方法流程:
[0010]步骤1:将时间分成周期性的观察间隔01，每个01设定为一个信标消息周期，每过一个01就统计当前的过期消息数目并将当前区域内的值清空。
[0011]步骤2:每个节点在MAC帧头部增加一个统计过期消息数的区域，用于统计由于信道繁忙或退避时间较长而过期的消息数mi，并设定合理的过期消息数门限mO (mO为经过多次仿真后取得的合理值)，计算d = mi/m0。
[0012]步骤3:当mi小于mO时，网络中的丢包主要由消息的碰撞导致，为了提高广播的接收率应该增加竞争窗口 CW的值，Cff = Cffinit/d ；
[0013]步骤4:当mi大于mO时，认为网络中的丢包主要由消息过期导致，此时应该减小竞争窗口 CW 的值，Cff = Cffinit/d ；
[0014]步骤5:当过期消息数为mO时，竞争窗口的值保持不变。
[0015]步骤6:如果 CW〈 = 3，则取 CW = 3 ;如果 CW> = 1023，则取 CW = 1023。
[0016]有益效果:
[0017]1、本发明通过优化退避机制来降低信标消息传送过程中信道竞争程度，提高了信标消息的广播接收率，降低了平均到达时延，有效地提高了车载网中安全消息的可靠传输。
[0018]2、本发明合理地为竞争节点分配信道，保证节点接入信道的公平性和有效性，降低消息的碰撞概率。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明信标消息的马尔科夫链(当t = T时消息过期)示意图。
[0020]图2为本发明的广播接收率变化示意图。
[0021]图3为本发明广播平均到达时延变化示意图。
[0022]图4为本发明的方法流程图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合说明书附图对本发明作进一步的详细说明。
[0024]实施例一
[0025]如图4所示，本发明提供一种基于概率预测的退避方法，该方法是根据信标消息的过期概率/碰撞概率与竞争窗口值的关系调整退避过程中的竞争窗口大小，包括如下步骤:
[0026]步骤1:通过建立马尔科夫链模型分析信标消息的退避过程，得到如下结论:当竞争窗口在一个较小范围时，消息的碰撞概率大于过期概率，而碰撞概率会随着竞争窗口的增大而减小，因此为了增加广播的接收率应该增加竞争窗口的值；当竞争窗口处于较大值范围时，消息的过期概率占主要成分，而过期概率会随着竞争窗口值的增大而增大，所以为了增加广播的接收率，此时应该减小竞争窗口的值；当消息的碰撞概率与过期概率达到均衡时，广播接收率达到最大值。最优的竞争窗口应该能够保证消息的碰撞概率和过期概率之间的均衡。
[0027]步骤2:根据步骤I所得结论，提出一种基于碰撞概率和过期概率相对大小的退避方法CEB，该方法更能反映信道真实情况。
[0028]步骤3:本发明所述CEB方法具体流程为:将时间分成周期性的观察间隔01，每个OI设定为一个信标消息周期，每过一个OI就统计当前的过期消息数目并将当前区域内的值清空；每个节点在MAC帧头部增加一个统计过期消息数的区域，用于统计由于信道繁忙或退避时间较长而过期的消息数mi，并设定合理的过期消息数门限mO (mO为经过多次仿真后取得的合理值)，计算d = mi/mO。
[0029]步骤4:根据步骤3得到mi与mO的大小关系，当mi小于mO时，网络中的丢包主要由消息的碰撞导致，为了提高广播的接收率应该增加竞争窗口 CW的值，Cff = Cffinit/d ；当mi大于mO时，认为网络中的丢包主要由消息过期导致，此时应该减小竞争窗口 CW的值，Cff = Cffinit/d ;当过期消息数为mO时，竞争窗口的值保持不变。
[0030]步骤5:采用VanetMobiSiml.1和NS2.35对本发明所述CEB方法进行联合仿真，分析比较本发明所述CEB方法与BEB、RBEB方法的广播接收率，结果表明本发明所述CEB方法更能够根据当前的信道情况进行竞争窗口值的调整，使得当前的竞争窗口值能够最大化反应当前网络中信道的竞争情况。本发明所述CEB方法在提高广播接收率的同时也带来了信标平均到达时延性能的提升，本发明所述CEB方法的最小竞争窗口是线性变化的，能够较好的反映当前网络中信道的竞争情况。
[0031]实施例二
[0032]IEEE802.1lp的MAC层采用的基本接入协议是基于IEEE802.11的DCF机制，该机制不区分消息的优先级，节点应该在指定的时间间隔内，利用载波监听机制来判断信道是否空闲，通过退避减少消息间的碰撞；DCF机制的核心是带冲突检测的载波侦听多址接入(CSMA/CA)协议及随机退避机制。当某个站点需要传输数据分组时，它首先侦听信道直到检测到信道的空闲时长达到DIFS为止。在这DIFS媒体空闲时间之后，节点开始在[O, Cffmin -1]之间随机选择时间进行退避，当退避计数器为O时节点开始传输数据分组。为了解决V2V通信模式下信标消息广播接收率过低的问题，针对车载网中信标消息的特性，本发明提出一种基于碰撞消息概率和过期消息概率的退避方法(简称CEB)。由于无法统计分组丢失中的碰撞消息数，在本发明采取一种折中的方法:每个车辆节点根据本节点统计的过期消息数目与预先设定的过期消息数门限的比值动态调整最小竞争窗口值，达到提高车载网中广播接收率的目的。
[0033]1.Markov建模分析信标消息性能
[0034]为了能够更好地理解信标消息的特性(考虑信标消息具有有限的生命时长)，通过建立如图1所示的马尔科夫链模型进行分析。
[0035]马尔科夫状态转移概率为:
【权利要求】
1.一种基于概率预测的退避方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤: 步骤1:将时间分成周期性的观察间隔01，每个OI设定为一个信标消息周期，每过一个OI就统计当前的过期消息数目并将当前区域内的值清空； 步骤2:每个节点在MAC帧头部增加一个统计过期消息数的区域，用于统计由于信道繁忙或退避时间较长而过期的消息数mi，并设定合理的过期消息数门限m0，计算d = mi/m0 ； 步骤3:当mi小于mO时，网络中的丢包由消息的碰撞导致；增加竞争窗口 CW的值，Cff=Cffinit/d ； 步骤4:当mi大于mO时，网络中的丢包由消息过期导致，此时减小竞争窗口 CW的值，Cff = Cffinit/d ； 步骤5:当过期消息数为mO时，竞争窗口的值保持不变； 步骤6:如果CW〈 = 3，则取CW = 3 ;如果CW> = 1023，则取CW = 1023。
2.根据权利要求1所述的一种基于概率预测的退避方法，其特征在于:所述方法是根据信标消息的过期概率、碰撞概率与竞争窗口值的关系调整退避过程中的竞争窗口大小。
3.根据权利要求1所述的一种基于概率预测的退避方法，其特征在于:所述方法的最小竞争窗口是线性变化。
4.根据权利要求1所述的一种基于概率预测的退避方法，其特征在于:所述方法的最优竞争窗口能保证消息的碰撞概率和过期概率之间均衡。
5.根据权利要求1所述的一种基于概率预测的退避方法，其特征在于:所述方法是通过建立马尔科夫链模型分析信标消息的退避过程。
【文档编号】H04W74/08GK104080190SQ201410326769
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月9日 优先权日:2014年7月9日
【发明者】赵海涛, 张伟, 刘南杰, 朱洪波 申请人:南京邮电大学