一種基于概率預(yù)測的退避方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于概率預(yù)測的退避方法，該方法通過建立Markov鏈模型，從理論上推導(dǎo)出信標消息的碰撞概率和過期概率隨最小競爭窗口的變化關(guān)系，保證廣播消息的接收率達到最佳；針對傳統(tǒng)車載自組織網(wǎng)絡(luò)退避方法退避因素過于單一，退避階數(shù)幅度過大等問題，本發(fā)明提供了一種基于概率預(yù)測的退避方法(簡稱CEB)，該方法是基于信標消息碰撞概率、過期概率與競爭窗口值的關(guān)系這一思想提出的，根據(jù)碰撞概率和過期概率的相對大小線性調(diào)整競爭窗口值；該方法在廣播消息的接收率和平均到達時延方面的性能均有所提升，且信道接入的公平性也得到了優(yōu)化，能夠保證緊急廣播消息接入信道的優(yōu)先權(quán)。
【專利說明】—種基于概率預(yù)測的退避方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及車載自組織網(wǎng)絡(luò)中基于概率預(yù)測的退避方法，屬于網(wǎng)絡(luò)通訊【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，車載自組織網(wǎng)絡(luò)已逐步成為解決各種交通問題的新途徑，并且近年來得到了大力發(fā)展，其中安全應(yīng)用作為其基礎(chǔ)應(yīng)用，主要用來解決交通事故、提供交通預(yù)警等。安全應(yīng)用對廣播消息的接收率及平均到達時延要求極高，但是由于車載自組織網(wǎng)絡(luò)IEEE802.1lp 協(xié)議中傳統(tǒng)二進制指數(shù)退避方法(Binary Exponentially Backoff, BEB)的局限性，導(dǎo)致其性能不能滿足安全應(yīng)用的要求。
[0003]1990年IEEE802標準化委員會成立IEEE802.11無線局域網(wǎng)標準工作組。該標準定義了無線局域網(wǎng)絡(luò)的物理層和媒體訪問控制(MAC)規(guī)范，主要用于解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中，用戶與用戶終端的無線接入，業(yè)務(wù)主要限于數(shù)據(jù)存取。由于該協(xié)議傳輸速率最高只能達到2Mbps，所以業(yè)務(wù)主要被用于數(shù)據(jù)的存取。
[0004]IEEE802.1lp(WAVE)是一個由IEEE802.11標準擴充的通信協(xié)議，主要用于車載通信系統(tǒng)。車載網(wǎng)中的通信大致可以分為交通安全、交通效率和服務(wù)價值(例如娛樂或商業(yè)服務(wù)等)幾種類型[3]。802.1lp標準從美國專用短程通信標準(Dedicated Short RangeCommunicat1ns，簡稱DSRC)演化而來。DSRC是專為車輛間的短程通信設(shè)定的標準。最近幾年，美國的相關(guān)研究機構(gòu)和政府部門積極在DSRC頻譜上部署和發(fā)展無線通信標準及協(xié)議，即車載環(huán)境無線接入(Wireless Access in Vehicular Environment,簡稱 WAVE)。
[0005]在DSRC中，5.9GHz頻域上的75MHz帶寬被分配專門用來給車輛與車輛(Vehicle-to-Vehicle, V2V)和車輛與路邊基礎(chǔ)設(shè)施(Vehicle-to-1nfrastructure,簡稱V2I)之間進行通信，其主要目的在于保證車輛環(huán)境下的公共安全應(yīng)用及防止交通事故和提高交通效率。這些帶寬被劃分為7個帶寬為1MHz的信道:一個控制信道(ControlChannel，簡稱CCH)用來廣播有關(guān)安全的廣播消息，其余六個為服務(wù)信道(ServiceChannel,簡稱SCH), SCHs既可用于安全通信,也可用于非安全應(yīng)用。
[0006]目前，針對車載自組織網(wǎng)絡(luò)的可擴展性問題，研究VANET的組織進行了各種各樣的處理。例如:Rawat D B等人在文獻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.中提出聯(lián)合調(diào)整傳輸功率和競爭窗口值來增強VANET性能的方法。該方案的缺點是:當網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)好時，就將當前的競爭窗口值減半。當網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)差時，就將當前的競爭窗口值加倍。但是如何衡量網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的好壞是該方案的一個瓶頸。此外，根據(jù)傳輸范圍估算來調(diào)整傳輸功率也會帶來一定的誤差。
[0007]目前，Razvan Stanica 等人在文獻 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.中根據(jù)信標消息具有過期性的特點，提出了反二進制指數(shù)退避(Reserve Binary Exponentially Backoff, RBEB)方法。該方案的缺點是，每當站點中有消息過期時，就將競爭窗口值減半。每當站點成功傳輸一個消息時，就將競爭窗口值恢復(fù)。這種做法均不能很好地反映當前的網(wǎng)絡(luò)狀況。首先是決定退避的因素過于單一，再者，采用指數(shù)退避的方式退避階層過大，與實際的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)差距較大。而本發(fā)明能夠很好地解決上面的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明目的在于提供一種應(yīng)用于車載自組織網(wǎng)絡(luò)媒體接入過程的退避方法，該方法針對傳統(tǒng)方法中廣播消息接收率低的問題，通過建立Markov鏈模型，從理論上推導(dǎo)出信標消息的碰撞概率和過期概率隨最小競爭窗口的變化關(guān)系，保證廣播消息的接收率達到最佳；針對傳統(tǒng)車載自組織網(wǎng)絡(luò)退避方法退避因素過于單一，退避階數(shù)幅度過大等問題，本發(fā)明提供了一種基于概率預(yù)測的退避方法(簡稱CEB)，該方法是基于信標消息碰撞概率、過期概率與競爭窗口值的關(guān)系這一思想提出的，根據(jù)碰撞概率和過期概率的相對大小線性調(diào)整競爭窗口值。該方法在廣播消息的接收率和平均到達時延方面的性能均有所提升，且信道接入的公平性也得到了優(yōu)化，能夠保證緊急廣播消息接入信道的優(yōu)先權(quán)。
[0009]方法流程:
[0010]步驟1:將時間分成周期性的觀察間隔01，每個01設(shè)定為一個信標消息周期，每過一個01就統(tǒng)計當前的過期消息數(shù)目并將當前區(qū)域內(nèi)的值清空。
[0011]步驟2:每個節(jié)點在MAC幀頭部增加一個統(tǒng)計過期消息數(shù)的區(qū)域，用于統(tǒng)計由于信道繁忙或退避時間較長而過期的消息數(shù)mi，并設(shè)定合理的過期消息數(shù)門限mO (mO為經(jīng)過多次仿真后取得的合理值)，計算d = mi/m0。
[0012]步驟3:當mi小于mO時，網(wǎng)絡(luò)中的丟包主要由消息的碰撞導(dǎo)致，為了提高廣播的接收率應(yīng)該增加競爭窗口 CW的值，Cff = Cffinit/d ；
[0013]步驟4:當mi大于mO時，認為網(wǎng)絡(luò)中的丟包主要由消息過期導(dǎo)致，此時應(yīng)該減小競爭窗口 CW 的值，Cff = Cffinit/d ；
[0014]步驟5:當過期消息數(shù)為mO時，競爭窗口的值保持不變。
[0015]步驟6:如果 CW〈 = 3，則取 CW = 3 ;如果 CW> = 1023，則取 CW = 1023。
[0016]有益效果:
[0017]1、本發(fā)明通過優(yōu)化退避機制來降低信標消息傳送過程中信道競爭程度，提高了信標消息的廣播接收率，降低了平均到達時延，有效地提高了車載網(wǎng)中安全消息的可靠傳輸。
[0018]2、本發(fā)明合理地為競爭節(jié)點分配信道，保證節(jié)點接入信道的公平性和有效性，降低消息的碰撞概率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明信標消息的馬爾科夫鏈(當t = T時消息過期)示意圖。
[0020]圖2為本發(fā)明的廣播接收率變化示意圖。
[0021]圖3為本發(fā)明廣播平均到達時延變化示意圖。
[0022]圖4為本發(fā)明的方法流程圖。

【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0024]實施例一
[0025]如圖4所示，本發(fā)明提供一種基于概率預(yù)測的退避方法，該方法是根據(jù)信標消息的過期概率/碰撞概率與競爭窗口值的關(guān)系調(diào)整退避過程中的競爭窗口大小，包括如下步驟:
[0026]步驟1:通過建立馬爾科夫鏈模型分析信標消息的退避過程，得到如下結(jié)論:當競爭窗口在一個較小范圍時，消息的碰撞概率大于過期概率，而碰撞概率會隨著競爭窗口的增大而減小，因此為了增加廣播的接收率應(yīng)該增加競爭窗口的值；當競爭窗口處于較大值范圍時，消息的過期概率占主要成分，而過期概率會隨著競爭窗口值的增大而增大，所以為了增加廣播的接收率，此時應(yīng)該減小競爭窗口的值；當消息的碰撞概率與過期概率達到均衡時，廣播接收率達到最大值。最優(yōu)的競爭窗口應(yīng)該能夠保證消息的碰撞概率和過期概率之間的均衡。
[0027]步驟2:根據(jù)步驟I所得結(jié)論，提出一種基于碰撞概率和過期概率相對大小的退避方法CEB，該方法更能反映信道真實情況。
[0028]步驟3:本發(fā)明所述CEB方法具體流程為:將時間分成周期性的觀察間隔01，每個OI設(shè)定為一個信標消息周期，每過一個OI就統(tǒng)計當前的過期消息數(shù)目并將當前區(qū)域內(nèi)的值清空；每個節(jié)點在MAC幀頭部增加一個統(tǒng)計過期消息數(shù)的區(qū)域，用于統(tǒng)計由于信道繁忙或退避時間較長而過期的消息數(shù)mi，并設(shè)定合理的過期消息數(shù)門限mO (mO為經(jīng)過多次仿真后取得的合理值)，計算d = mi/mO。
[0029]步驟4:根據(jù)步驟3得到mi與mO的大小關(guān)系，當mi小于mO時，網(wǎng)絡(luò)中的丟包主要由消息的碰撞導(dǎo)致，為了提高廣播的接收率應(yīng)該增加競爭窗口 CW的值，Cff = Cffinit/d ；當mi大于mO時，認為網(wǎng)絡(luò)中的丟包主要由消息過期導(dǎo)致，此時應(yīng)該減小競爭窗口 CW的值，Cff = Cffinit/d ;當過期消息數(shù)為mO時，競爭窗口的值保持不變。
[0030]步驟5:采用VanetMobiSiml.1和NS2.35對本發(fā)明所述CEB方法進行聯(lián)合仿真，分析比較本發(fā)明所述CEB方法與BEB、RBEB方法的廣播接收率，結(jié)果表明本發(fā)明所述CEB方法更能夠根據(jù)當前的信道情況進行競爭窗口值的調(diào)整，使得當前的競爭窗口值能夠最大化反應(yīng)當前網(wǎng)絡(luò)中信道的競爭情況。本發(fā)明所述CEB方法在提高廣播接收率的同時也帶來了信標平均到達時延性能的提升，本發(fā)明所述CEB方法的最小競爭窗口是線性變化的，能夠較好的反映當前網(wǎng)絡(luò)中信道的競爭情況。
[0031]實施例二
[0032]IEEE802.1lp的MAC層采用的基本接入?yún)f(xié)議是基于IEEE802.11的DCF機制，該機制不區(qū)分消息的優(yōu)先級，節(jié)點應(yīng)該在指定的時間間隔內(nèi)，利用載波監(jiān)聽機制來判斷信道是否空閑，通過退避減少消息間的碰撞；DCF機制的核心是帶沖突檢測的載波偵聽多址接入(CSMA/CA)協(xié)議及隨機退避機制。當某個站點需要傳輸數(shù)據(jù)分組時，它首先偵聽信道直到檢測到信道的空閑時長達到DIFS為止。在這DIFS媒體空閑時間之后，節(jié)點開始在[O, Cffmin -1]之間隨機選擇時間進行退避，當退避計數(shù)器為O時節(jié)點開始傳輸數(shù)據(jù)分組。為了解決V2V通信模式下信標消息廣播接收率過低的問題，針對車載網(wǎng)中信標消息的特性，本發(fā)明提出一種基于碰撞消息概率和過期消息概率的退避方法(簡稱CEB)。由于無法統(tǒng)計分組丟失中的碰撞消息數(shù)，在本發(fā)明采取一種折中的方法:每個車輛節(jié)點根據(jù)本節(jié)點統(tǒng)計的過期消息數(shù)目與預(yù)先設(shè)定的過期消息數(shù)門限的比值動態(tài)調(diào)整最小競爭窗口值，達到提高車載網(wǎng)中廣播接收率的目的。
[0033]1.Markov建模分析信標消息性能
[0034]為了能夠更好地理解信標消息的特性(考慮信標消息具有有限的生命時長)，通過建立如圖1所示的馬爾科夫鏈模型進行分析。
[0035]馬爾科夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率為:

【權(quán)利要求】
1.一種基于概率預(yù)測的退避方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: 步驟1:將時間分成周期性的觀察間隔01，每個OI設(shè)定為一個信標消息周期，每過一個OI就統(tǒng)計當前的過期消息數(shù)目并將當前區(qū)域內(nèi)的值清空； 步驟2:每個節(jié)點在MAC幀頭部增加一個統(tǒng)計過期消息數(shù)的區(qū)域，用于統(tǒng)計由于信道繁忙或退避時間較長而過期的消息數(shù)mi，并設(shè)定合理的過期消息數(shù)門限m0，計算d = mi/m0 ； 步驟3:當mi小于mO時，網(wǎng)絡(luò)中的丟包由消息的碰撞導(dǎo)致；增加競爭窗口 CW的值，Cff=Cffinit/d ； 步驟4:當mi大于mO時，網(wǎng)絡(luò)中的丟包由消息過期導(dǎo)致，此時減小競爭窗口 CW的值，Cff = Cffinit/d ； 步驟5:當過期消息數(shù)為mO時，競爭窗口的值保持不變； 步驟6:如果CW〈 = 3，則取CW = 3 ;如果CW> = 1023，則取CW = 1023。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于概率預(yù)測的退避方法，其特征在于:所述方法是根據(jù)信標消息的過期概率、碰撞概率與競爭窗口值的關(guān)系調(diào)整退避過程中的競爭窗口大小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于概率預(yù)測的退避方法，其特征在于:所述方法的最小競爭窗口是線性變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于概率預(yù)測的退避方法，其特征在于:所述方法的最優(yōu)競爭窗口能保證消息的碰撞概率和過期概率之間均衡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于概率預(yù)測的退避方法，其特征在于:所述方法是通過建立馬爾科夫鏈模型分析信標消息的退避過程。
【文檔編號】H04W74/08GK104080190SQ201410326769
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月9日
【發(fā)明者】趙海濤, 張偉, 劉南杰, 朱洪波 申請人:南京郵電大學(xué)