摘  要： 为了实现多接口车载自组织网络（VANET）车辆节点合理高效的信道接入，提出了一种基于车辆节点多接口状态字的时分竞争信道接入算法。根据车辆节点的多接口状态字给出了时隙划分的方法与竞争退避机制原则，通过综合考虑竞争类技术与时分多址技术的优点，有效解决了信道公平接入的问题。通过软件仿真比较可以看出，该算法实现了信道的合理接入，减小了平均端到端时延，增加了网络平均吞吐量，显著提高了多接口VANET的网络性能。

　　关键词： 多接口状态字；车载自组网；时分；竞争；信道接入

0 引言

　　车载自组网作为智能交通系统（ITS）的重要组成部分，引起了学术界和工业界的极大兴趣[1]。在需要QoS（Quality of Service）保证的环境下，多接口车载自组网成为研究的热点。多接口VANET中一个关键问题是信道的合理接入。通过利用时分竞争技术实现信道的合理接入，让车辆之间可以并行通信，从而降低了由于竞争信道资源而产生的冲突，显著提高了网络吞吐性能。

1 相关工作

　　多接口车载自组网信道接入算法的主要功能就是控制车辆节点利用有限的无线信道资源接入信道。目前有以下几种常用的信道接入方案。参考文献[2]提出了一种按需分配类信道接入方案，该方案通常采用预约和轮询的方式，解决隐藏与暴露终端的问题，但在VANET中会带来很多控制开销。参考文献[3]提出了一种基于调度类信道接入方案和DATS信道接入机制，该机制可以提供可靠的服务，但无法实现多个射频接口并行通信。参考文献[4]提出了一种基于竞争类信道接入方案，它是基于IEEE802.11p标准，该方案不需要整个网络的同步，但是当面临车辆节点密度增加时，会导致网络丢包率增高。

　　本文结合参考文献[3]与参考文献[4]信道接入方案的优点，给出车辆节点的多接口状态字、时隙划分方法以及竞争退避机制原则，提出了一种基于多接口状态字的时分竞争信道接入算法（Time-division Competition Channel Accessing，TCCA）。该算法有效解决了上述方案运用在车载自组织网中的不足，经过仿真分析，其性能明显优于上述方案。

2 主要工作

　　2.1多接口状态字

　　用数据结构以表征车辆节点的多接口工作状态，共16 bit，高16 bit中记录的是源节点ID，低16 bit用于记录车辆节点的射频接口的状态，其中第8 bit用于表征车辆节点具有安全类应用[5]，剩下的7 bit每一个bit对应一个射频接口。所有bit中，“1”表示有通信业务，“0”表示没有业务，如图1所示。

　　2.2 时隙划分

　　参考文献[3]提出的DATS机制是一种简单的自适应分布式时隙分配策略。所有车辆都配备GPS定位系统来判定车辆的位置与移动方向，节点移动方向为左右方向，每帧划分为左右两个时隙集，分别用L、R表示，如图2所示。

　　图3显示了节点竞争时隙的过程。为了确定左右时隙数目与左右两跳邻居数目之间的关系，用NL（x）和NR（x）分别表示节点x的左右方向上两跳邻居节点数目；   SL（x）和SR（x）分别表示节点x的左右时隙集数目，Umax表示最大门限值。初始状态时节点x的左右方向上邻居节点数的比值为：

　　NL（x）/NR（x）≈1（1）

　　随着车辆节点的运动，当满足式（2）时需要调整左右时隙集时隙数目。此时，车辆节点x会通过控制信道广播调整左右时隙比值的消息，所有邻居车辆节点接到消息后检查自己的左右邻居节点数目是否满足调整条件。

　　NR（x）/SR（x）>Umax or NL（x）/SL（x）>Umax（2）

　　2.3 竞争退避机制

　　车辆节点获得时隙后，以不浪费时隙为原则考虑车辆节点前一次发送数据成功以后CWmin值的选择。由于BEB算法[6]在车辆节点传输数据成功以后直接将此车辆节点的竞争窗口值减小到固定的最小值CWmin，不能如实反映网络中信道竞争的情况，因此本节利用参考文献[4]中系统吞吐量S、节点进行数据传输的概率τ以及节点传输数据发生冲突的概率p三者的表达式。其中p可以表示为：

　　p=1-（1-τ）n-1（3）

　　令Tc*=Tc/，为一个时隙单元长度，则推导出在使吞吐量S最大情况下，节点在任一时隙内进行数据传输的概率τ的最优值τopt为：

　　其中，最大退避阶数m取802.11p[7]提供的建议值5。每个车辆节点运行一个查找协议，从而得到一跳邻居节点的个数n。最后将n以及Tc*的值代入式（4），可以计算出τopt的值，再将τopt以及m和n代入式（5），从而可以计算出CWmin_opt。

　　2.4 算法实现流程

　　本文提出的TCCA算法能够有效解决BEB退避算法[7]应对车辆节点多个接口竞争信道带来的网络高负载，其流程如图4所示。

3 仿真与分析

　　3.1 仿真场景

　　为了验证算法的有效性，本文利用MATLAB软件对算法进行了模拟[8]，仿真过程统一采用802.11协议规定的物理层参数[9]，如表1所示。

　　3.2 性能比较与结果分析

　　仿真结果如图5和图6所示。从图5可以看出，TCCA信道接入算法在网络平均吞吐量性能上明显优于802.11p和DATS。当接入网络的车辆节点数比较少时，由于网络资源竞争不激烈，3种算法的网络平均吞吐量相差不多，但是当车辆节点数逐步变多时，网络资源竞争比较激烈。从图6可以看出，TCCA算法的平均端到端时延整体上要小于802.11p和DATS。由于802.11p中的信道接入机制存在车辆节点多接口接入的不公平性，并且随着车辆节点数的增加，时延的上升速度是3种信道接入算法中最快的，DATS机制居中。

4 结论

　　本文提出的信道接入算法TCCA，通过多接口状态字的管理，给出时隙划分方法与竞争退避机制原则，最后对TCCA算法进行仿真与分析。仿真结果表明，TCCA算法既保证了车辆节点时隙的合理划分带来的公平性与稳定性，又保证了优先级竞争接入带来的合理性和高效性，极大地提高了信道利用率与网络吞吐性能。

参考文献

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　　[2] BORGONOVO F， CAPONE A， CESANA M， et al. ADHOC： a new flexible and reliable MAC architecture for vehicle ad-hoc networks[C]. IEEE Wireless Communications and Networking 2003（WCNC）， 2003： 965-970.

　　[3] 李攀，傅洪亮，王珂，等.车载自组网中一种分布式自适应TDMA时隙分配策略[J].电子质量，2013（1）：1-5.

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　　[5] 袁涛.基于IEEE802.11p的车载自组网MAC层关键技术研究[D].南京：南京邮电大学，2013.

　　[6] 张振川.具有节点访问公平性的WLAN改进退避算法[J].东北大学学报，2011，32（12）：1709-1712.

　　[7] JIANG D， DELGROSSI L. IEEE 802.11p： towards an international standard for wireless access in vehicular environments[C]. IEEE Vehicular Technology Conference， VTC Spring 2008， 11-14 May， 2008： 2036-2040.

　　[8] 柯志亨.NS2仿真实验：多媒体和无线网络通信[M].北京：电子工业出版社，2009.

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