Vaent中面向消息广播的mac层改进方法
【专利摘要】本发明属于移动通信【技术领域】，涉及VAENT中面向消息广播的MAC层改进方法。本发明针对流媒体消息，使用RTB/CTB机制选择中继车辆，为了保证用户接收流媒体数据的流畅性，提出了ARC-SMB方法，根据检测到的信道传输数据帧情况，广播车辆对数据发送速率进行调整，降低丢包率；为了提高用户体验度，提出了用户手动调整流媒体需要质量的思想。本发明模拟真实环境下安全消息的广播情况，使车辆获得更好的交付率、降低单跳延迟、减小负载率；采用ARC-SMB方法是能够模拟真实环境下安全消息的广播情况，使车辆获得较好的交付率，降低消息的丢包率，为用户提供更流畅的流媒体传输。
【专利说明】VAENT中面向消息广播的MAC层改进方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于移动通信【技术领域】，在VANET(VehicularAd-hocNETwork)中，广播 消息内容主要包括安全消息和流媒体消息，如何有效的管理和传输这两种消息是一个非常 重要的问题。针对安全消息，主要解决中继车辆选择的问题，提出了DV0-SB方法，通过考 虑车辆之间的距离、车辆速度和车辆行驶方向选择中继车辆。针对流媒体消息，使用RTB/ CTB(Request-to-broadcast/clear-to-broadcast)机制选择中继车辆，为了保证用户接收 流媒体数据的流畅性，提出了ARC-SMB方法，根据检测到的信道传输数据帧情况，广播车辆 对数据发送速率进行调整，降低丢包率；为了进一步提高用户体验度，提出了用户手动调整 流媒体需要质量的思想。
【背景技术】
[0002] 在VANET中，车辆之间通过DSRC(DedicatedShortRangeCommunication)协议进 行信息传输，车辆之间通过相互合作和协调传输道路安全消息和流媒体消息。道路安全消 息包括交通信息和交通事故报警消息，流媒体消息包括语音、文本、视频等。由于VANET中， 车辆的高速移动性，导致网络拓扑结构不断变化，所以通信协议需要适应这种动态变化。同 时，在VANET中，这两种类型的消息在传输方面有很多不同。道路安全消息通常内容非常 小，而且时延性要求高；流媒体消息通常内容比较多，因此需要较大的带宽。因此，需要提出 一种可扩展的数据传输方法。
[0003] 对于消息广播，在车辆比较稠密的VANET场景中，采用洪泛式的广播会产生大量 的广播浪费。而且，在一个VANET子网中，大量车辆可能同时广播数据，大量的数据包碰撞 产生广播风暴。通常的解决方案是消除多余的广播消息，降低消息碰撞概率。比较典型的 就是，在车辆进行广播通信时，选择部分车辆进行中继广播，其余车辆不进行广播。
[0004] 针对不同类型消息的广播，需要解决的问题也不同。因为安全消息对时延要求较 高，所以需要提出有效的方法来降低广播延迟，保证消息快速、安全的传输。因为流媒体消 息对带宽和丢包率要求较高，所以需要提出相应的机制保证用户接收到的流媒体的流畅 性。
[0005] 在VANET领域，广播通信已经得到广泛的研宄，有很多广播机制已经被提出。例如： 提出UMB(UrbanMultihopBroadcast)机制选择最远车辆作为中继车辆最大化消息广播范 围，采用RTB/CTB避免隐藏点问题，但会产生相对较大的通信延迟（车辆通信系统中的城市 多跳广播协议，G.Korkmaz,E.Ekici,F.Ozgliner,U.Ozguner.Urbanmulti-hopbroadcast protocolforinter-vehiclecommunicationsystems.Proc.ofACMInternational WorkshoponVehicularAdhocNetworks.NewYork，NY，USA，2004. 76-85.);提出 SB(SmartBroadcast)机制，通过执行IEEE802.lip协议的竞争窗口机制，最大化广播 距离、最小化广播延迟，SB机制能比UMB机制获得更短的平均广播延迟（车联网中一个 有效的报警信息广播机制，FasoloE.，ZanellaA.，ZorziM..AnEffectiveBroadcast SchemeforAlertMessagePropagationinVehicularAdhocNetworks.Proc.ofIEEE InternationalICC,Istanbul, 2006, 3960-3965.);提出IVG(IntervehicleGeocast)机 制广播紧急消息，此机制只有在危险区域才会广播紧急消息。收到这个紧急消息的车辆 会等待一个延期时间再次转发消息。IVG机制的缺点是，延期时间导致消息传输时间较 长（车联网中基于位置的多播协议，A.Bachir，A.Benslimane.Amulticastprotocolin adhocnetworksinter-vehiclegeocast.Proc.of57thIEEESemiannuVehicular TechnologyConference.Seoul,Korea, 2003, 2456 - 2460.);提出OB-VAN(Opportunistic BroadcastinVANETs)机制，采用一个算法选择中继车辆、采用随机退避算法避免碰撞， 减小安全消息广播延迟、提高交付率（VANET中基于活跃信号的机会广播方式选择中继车 辆，B.Blaszczyszyn,A.Laouiti,P.Muhlethaler,Y.Toor.Opportunisticbroadcastin VANETs(OB-VAN)usingactivesignalingforrelaysselection.Proc.of8thInt. Conf.ITSTelecommun,Phuket,Thailand, 2008, 384 - 389.) 〇
[0006] 一种分层混合自动请求重传机制，采用纳什讨价还价博弈选择组播组中的执行 车辆（层次讨价还价：无线网络中的多播层次视频，z.Liu,Z.Wu,P.Liu,H.Liu,Y.Wang. Layerbargaining:Multicastlayeredvideooverwirelessnetworks.IEEEJ.Sel. AreasCommun.，2010, 28 (3) : 445 - 455.);采用时间分片技术使不同类型的接收车辆 选择合适的子视频，节省车辆能量。但不能保证接收视频的质量，也没有考虑信道条件 的影响（适用于不同移动设备的可扩展视频流的灵活广播，C. -H.Hsu,M.M.Hefeeda. Flexiblebroadcastingofscalablevideostreamstoheterogeneousmobile devices.IEEETrans.MobileComput.，2011，10(3):406 - 418.);考虑了多样化的广播 用户，基于帧之间距离的主成分分析进行目标失真度量，优化广播过程。然而，此机制没 有适合SVC(sourcecodingrate)的信道自适应扩展（适用于不同设备的层次视频广 播的节点信道联合编码和优化，W.Ji，Z.Li,Y.Chen.Jointsource-channelcodingand optimizationforlayeredvideobroadcastingtoheterogeneousdevices.IEEE Trans.Multimedia, 2012, 14(2) : 443 - 455.);-个夸层优化框架，在流媒体广播过程中，提 高用户Q〇E(QualityofExperience)和节省能量使用（在无线多媒体广播中考虑用户体 验和能量效用的节点优化，ChetnaSinghal，SwadesDe,RamonaTrestian，Gabriel-Miro Muntean.JointOptimizationofUser-ExperienceandEnergy-EfficiencyinWireless MultimediaBroadcast.IEEETrans,onmobilecomputing, 2014, 13(7):1522-1535.)〇
【发明内容】
[0007] 本发明提供VAENT中面向消息广播的MAC层改进方法，通过考虑车辆之间的距离、 车辆速度和车辆行驶方向选择中继车辆，能够模拟真实环境下安全消息的广播情况，使车 辆获得更好的交付率、降低单跳延迟、减小负载率。
[0008] 本发明的VAENT中面向消息广播的MAC层改进方法，具体步骤如下：
[0009] -、设置系统模型和进行VANET架构分析
[0010] 如图1所示，本发明的城市VANET场景，不存在路边基础设施，例如RSU(roadside unit)，车辆之间只能通过0BU(0n-BoardUnit)直接通信。道路上存在不同方向的两个车 道，不同方向行驶的车辆都参与安全消息和流媒体消息的广播。
[0011] 图2是对系统模型的细化，每辆车上配备有完成V2V(vehicletovehicle)通信 的OBU模块、GPS、传感器和数据库等。GPS主要用于定位车辆的位置，便于计算车辆之间的 距离。传感器包括速度传感器、加速度传感器、方向传感器等。数据库主要为了缓存安全消 息和流媒体消息，以便于消息的转发和中继。车辆实时统计这些内容，并传输给车辆的0BU 模块，0BU通过获得的这些信息，考虑车辆行驶状况，优化消息广播过程。
[0012] 因为VANET的拓扑结构是实时变化的，需要特定的结构来适应安全消息和流媒体 信息的传输。本发明采用基于IEEE802.lip的网络架构实现，如图3所示。为了保证安全 消息的时延性，在VANET的网络层和传输层采用WSMP(车载环境无线接入短消息协议）机 制，可以使用任意信道传输，并且允许应用程序通过传输消息直接控制物理层的信息，例如 信道信息、传输功率、传输速率等，简化了UDP和IPv6协议的复杂度，采用更加简单的信息 传输格式，降低安全消息传输的时延。对于流媒体消息，网络层和传输层分别采用IPv6和 TCP/UDP机制，UDP是必须使用的，TCP可以选择性的采用，通过CCH(控制信道）传输命令 信息等，通过SCH(服务信道）传输流媒体等数据信息。
[0013] 在VANET的MAC层，本发明采用IEEE1609. 4标准。IEEE1609. 4标准中定义了四 种信道接入方式：continuous方式，alternating方式，immediate方式和extended方式。 为了更好的进行安全消息和流媒体消息的传输，本发明IEEE1609. 4标准采用immediate 方式，如图4所示，即系统在CCH和SCH下交替工作，交替切换的时间间隔可以变化，CCH信 道空闲时，SCH可以使用信道。但当下一个同步周期到来时，系统必须切换到CCH信道。
[0014]二、DV0-SB安全消息广播方法
[0015] 因为安全消息数据量非常小，可以通过一个数据包传输给其他的车辆，而且这些 消息具有共需性，所以通常采用广播方式进行传输。对于安全消息的传输，可靠性和速度是 必须考虑的。因为VANET结构的动态变化快，寻找一个有效的多跳算法来广播安全消息是 非常必要的。以前的广播算法，在广播消息之前利用RTB/CTB机制，在广播消息之后再利用 ACKs机制。这个过程增加了消息传输负载，并且降低了消息传输速度。因此，本发明提出一 种更有效的传输方法，即DV0-SB方法，省去了RTB/CTB交互过程。
[0016] DV0-SB方法考虑车辆的行驶速度、车辆之间的距离和车辆行驶方向，为每个车辆 设置不同的竞争窗口，拥有较小等待时间的车辆优先转发消息。基于此，在进行广播方式传 输时，DV0-SB方法需要考虑的问题主要有：竞争窗口的确定和中继车辆的选择。针对这两 个问题，下文将进行详细的分析。
[0017] (1)竞争窗口求解
[0018] 很多已经提出的竞争窗口机制主要是考虑欧氏距离，选择最远的车辆作为中继车 辆。本发明提出的方法是根据车辆之间的欧式距离、车辆速度和车辆行驶方向来确定竞争 窗口。
[0019] 为了减少消息从源车辆传输到目的车辆的跳数，车辆会选择广播范围内距离较远 的车辆为中继车辆，进行下一阶段的广播。本发明通过GPS计算车辆之间的欧氏距离，每辆 车辆计算自身距离广播车辆之间的距离，并计算出被选为中继车辆的概率Pd:
【权利要求】
1. 一种VAENT中面向消息广播的MAC层改进方法，其特征在于如下步骤： 一、设置系统模型和进行VANET架构分析 VANET场景，不存在路边基础设施，车辆之间只能通过OBU直接通信；道路上存在不同 方向的两个车道，不同方向行驶的车辆都参与安全消息和流媒体消息的广播；每辆车上配 备有完成V2V通信的OBU模块、GPS、传感器和数据库；GPS主要用于定位车辆的位置，便于 计算车辆之间的距离；传感器包括速度传感器、加速度传感器和方向传感器；数据库主要 为了缓存安全消息和流媒体消息，以便于消息的转发和中继；车辆实时统计这些数据，并传 输给车辆的OBU模块，OBU通过获得的这些信息，考虑车辆行驶状况，优化消息广播过程； VANET的网络层和传输层采用WSMP机制，使用任意信道传输，并且允许应用程序通过 传输消息直接控制物理层的信息；对于流媒体消息，网络层和传输层分别采用IPv6和TCP/ M)P机制，UDP是必须使用的，TCP是选择性采用，通过CCH传输命令信息，通过SCH传输流 媒体数据信息； 在VANET的MAC层，采用IEEE1609. 4标准；IEEE1609. 4标准采用i_ediate方式， 即系统在CCH和SCH下交替工作，交替切换的时间间隔可以变化，CCH信道空闲时，SCH使用 信道；但当下一个同步周期到来时，系统必须切换到CCH信道； 二、DVO-SB安全消息广播方法 (1)竞争窗口求解 选择最远的车辆作为中继车辆，根据车辆之间的欧式距离、车辆速度和车辆行驶方向 来确定竞争窗口； 通过GPS计算车辆之间的欧氏距离，每辆车辆计算自身距离广播车辆之间的距离，并 计算出被选为中继车辆的概率Pd:
其中R为车辆S和车辆F之间的欧氏距离，Rniax为车辆S的通信范围； 引入车辆速度参数，当车辆速度较低时，车辆被选为中继车辆的概率较低；当车辆速度 较高时，车辆被选为中继车辆的概率较高；根据车辆速度，车辆被选为中继车辆的概率？7表 示为：
其中，Vf为车辆F行驶速度，Vmax车辆限制的最大速度； 离开VANET子网的概率最小的车辆为中继车辆，广播车辆S和接收车辆F之间的相对 速度和行驶的相对方向，根据GPS求出车辆之间的相对行驶方向向量$，再结合速度传感 器，求解出车辆之间的相对速度向量^ ;根据车辆行驶方向，车辆被选为中继车辆的概率P。 表示为：
根据求出的车辆之间的距离、车辆速度和行驶方向对中继车辆选择的影响，设置相应 的竞争窗口，不同的车辆通过竞争窗口来竞争中继车辆，每个接收到广播消息的车辆通过 计算自身的最大竞争窗口CW:
其中，CWtl是根据VANET网络密度优化的初始竞争窗口，A为加权系数； 当车辆计算出自己的最大竞争窗口CW，车辆在竞争窗口（0,CW]中随机选择一个时间 点进行消息的转发；最早获得转发机会的车辆被选为中继车辆，并且转发消息；所有其他 车辆接收到这个转发消息，知道已经选择好中继车辆，进而放弃继续竞争转发； 车辆的等待重传时延T1Jfi过公式（5)计算出： Tr= 2 8+tswitch+kXCffmaxXTslot (5) 其中S为车辆OBU在通信范围R中最大传输延迟，tswitah为收发器从接收状态转换为 发送状态的时间，k为加权系数，CWmax为竞争窗口CW的最大值； 只要通信信道空闲，车辆的安全消息就随机等待n个时间戳Tsltrt时间进行广播，其中nG(〇,CW];随机等待时间Tw可以表示为： Tw=nXTslot (6) 在等待一个Tw时间，广播车辆发送一个数据包，并且等待相应的确认数据包，确定中继 车辆； (2)中继车辆选择过程 广播车辆S成功广播消息，在S通信范围内的车辆收到这个广播消息，收到该消息的车 辆根据GPS和各类传感器计算自己与S之间的欧氏距离、车辆速度和车辆行驶方向，求出自 身的竞争窗口，等待一个1；再次广播消息；根据T￥机制设计，距离车辆S相对较远的车辆 F会作为下一跳中继继续广播消息，其他车辆不进行广播；中继车辆F在数据帧中添加上自 己的信息，再次广播此消息；当车辆S通信范围内的其他车辆再次收到这个广播消息时，知 道这是中继车辆F广播的消息，放弃继续广播这个消息，终止执行竞争窗口；发送车辆S也 收到这条广播消息，作为确认消息，知道已经找到中继车辆，放弃再次广播这条消息； 如果因为中继车辆F行驶出了车辆S的通信范围，导致车辆S未能收到中继车辆F广 播的消息，车辆S等待时间超过重传时间I；，S重新广播一次该消息，当车辆S通信范围内的 其他车辆再次收到这条广播消息，其他车辆知道车辆S没有收到中继车辆F发送的消息，其 他车辆根据公式（4)的相对公式，即公式（7)，计算竞争窗口，即选择距离车辆S相对较近、 道路情况较优的车辆向车辆S发送一个ACK确认消息，告诉车辆S下一跳的中继车辆已经 选择好；
中继车辆选择的整个过程： 1) 源车辆/广播车辆广播一个安全消息； 2) 在广播车辆VANET通信子网中的所有车辆接收到广播消息，并且根据Tw公式，选择 一个相对较远、速度相对较高和行驶出广播车辆通信范围概率较小的车辆作为中继车辆； 3) 中继车辆转发此消息； 4) 如果源车辆/广播车辆接收到这个转发消息，广播车辆知道已经选择好中继车辆； 5) 如果广播车辆没有收到这个转发消息，广播车辆重新广播这条消息； 6) 在广播车辆通信范围内的其他车辆收到广播车辆再次发送的消息，向广播车辆发送 一个ACK消息，防止广播车辆继续重发这条消息； 7) 如果在广播车辆通信范围内不存在有效的车辆，广播车辆在重传时间I；内没有收到 反馈消息，则重新开始步骤1); 三、ARC-SMB流媒体消息广播方法 首先，需要对发送的数据帧进行改进，在数据帧中添加一个"lost"位，负责告诉接收车 辆启动守护进程，进行丢包率的计算；然后，广播车辆向VANET子网中的车辆发送流媒体消 息，接收车辆收到此消息，根据"lost"位启动守护进程，监控流媒体消息丢包率；接着，广 播车辆定期向VANET子网中的车辆广播"probe"探测消息，接收车辆收到这个"probe"消 息，向广播车辆反馈一个"respond"消息；最后，广播车辆根据"respond"消息中丢包率的 大小调整流媒体数据发送速率，继续发送流媒体消息； 当广播车辆发送"probe"探测消息，统计邻居车辆的丢包率时，广播车辆会收到多个 邻居车辆发送的"respond"消息，每个接收车辆发送的丢包率都是不一样的，为了兼顾整个 VANET子网的整体性能，通过选择所有接收车辆丢包率的中位数作为参考，进行相应发送速 率的调整； 当PLRG(〇, 〇? 06)，发送速率增大速度服从公式（8);当PLRG(〇? 16, 1)，发送速率减 小速度服从公式（9); SR=SR+T (8) SR=(I-Q)SR (9) 其中，T,a为加权系数，t>〇，aG(〇，1]。
【文档编号】H04W4/06GK104507051SQ201410783596
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月16日 优先权日:2014年12月16日
【发明者】吴迪, 马佰彪, 陆伟, 刘荷 申请人:大连理工大学