Vaent中面向消息廣播的mac層改進方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于移動通信【技術領域】，涉及VAENT中面向消息廣播的MAC層改進方法。本發(fā)明針對流媒體消息，使用RTB/CTB機制選擇中繼車輛，為了保證用戶接收流媒體數(shù)據(jù)的流暢性，提出了ARC-SMB方法，根據(jù)檢測到的信道傳輸數(shù)據(jù)幀情況，廣播車輛對數(shù)據(jù)發(fā)送速率進行調(diào)整，降低丟包率；為了提高用戶體驗度，提出了用戶手動調(diào)整流媒體需要質(zhì)量的思想。本發(fā)明模擬真實環(huán)境下安全消息的廣播情況，使車輛獲得更好的交付率、降低單跳延遲、減小負載率；采用ARC-SMB方法是能夠模擬真實環(huán)境下安全消息的廣播情況，使車輛獲得較好的交付率，降低消息的丟包率，為用戶提供更流暢的流媒體傳輸。
【專利說明】VAENT中面向消息廣播的MAC層改進方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于移動通信【技術領域】，在VANET(VehicularAd-hocNETwork)中，廣播 消息內(nèi)容主要包括安全消息和流媒體消息，如何有效的管理和傳輸這兩種消息是一個非常 重要的問題。針對安全消息，主要解決中繼車輛選擇的問題，提出了DV0-SB方法，通過考 慮車輛之間的距離、車輛速度和車輛行駛方向選擇中繼車輛。針對流媒體消息，使用RTB/ CTB(Request-to-broadcast/clear-to-broadcast)機制選擇中繼車輛，為了保證用戶接收 流媒體數(shù)據(jù)的流暢性，提出了ARC-SMB方法，根據(jù)檢測到的信道傳輸數(shù)據(jù)幀情況，廣播車輛 對數(shù)據(jù)發(fā)送速率進行調(diào)整，降低丟包率；為了進一步提高用戶體驗度，提出了用戶手動調(diào)整 流媒體需要質(zhì)量的思想。

【背景技術】
[0002] 在VANET中，車輛之間通過DSRC(DedicatedShortRangeCommunication)協(xié)議進 行信息傳輸，車輛之間通過相互合作和協(xié)調(diào)傳輸?shù)缆钒踩⒑土髅襟w消息。道路安全消 息包括交通信息和交通事故報警消息，流媒體消息包括語音、文本、視頻等。由于VANET中， 車輛的高速移動性，導致網(wǎng)絡拓撲結構不斷變化，所以通信協(xié)議需要適應這種動態(tài)變化。同 時，在VANET中，這兩種類型的消息在傳輸方面有很多不同。道路安全消息通常內(nèi)容非常 小，而且時延性要求高；流媒體消息通常內(nèi)容比較多，因此需要較大的帶寬。因此，需要提出 一種可擴展的數(shù)據(jù)傳輸方法。
[0003] 對于消息廣播，在車輛比較稠密的VANET場景中，采用洪泛式的廣播會產(chǎn)生大量 的廣播浪費。而且，在一個VANET子網(wǎng)中，大量車輛可能同時廣播數(shù)據(jù)，大量的數(shù)據(jù)包碰撞 產(chǎn)生廣播風暴。通常的解決方案是消除多余的廣播消息，降低消息碰撞概率。比較典型的 就是，在車輛進行廣播通信時，選擇部分車輛進行中繼廣播，其余車輛不進行廣播。
[0004] 針對不同類型消息的廣播，需要解決的問題也不同。因為安全消息對時延要求較 高，所以需要提出有效的方法來降低廣播延遲，保證消息快速、安全的傳輸。因為流媒體消 息對帶寬和丟包率要求較高，所以需要提出相應的機制保證用戶接收到的流媒體的流暢 性。
[0005] 在VANET領域，廣播通信已經(jīng)得到廣泛的研宄，有很多廣播機制已經(jīng)被提出。例如： 提出UMB(UrbanMultihopBroadcast)機制選擇最遠車輛作為中繼車輛最大化消息廣播范 圍，采用RTB/CTB避免隱藏點問題，但會產(chǎn)生相對較大的通信延遲（車輛通信系統(tǒng)中的城市 多跳廣播協(xié)議，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)機制，通過執(zhí)行IEEE802.lip協(xié)議的競爭窗口機制，最大化廣播 距離、最小化廣播延遲，SB機制能比UMB機制獲得更短的平均廣播延遲（車聯(lián)網(wǎng)中一個 有效的報警信息廣播機制，F(xiàn)asoloE.，ZanellaA.，ZorziM..AnEffectiveBroadcast SchemeforAlertMessagePropagationinVehicularAdhocNetworks.Proc.ofIEEE InternationalICC,Istanbul, 2006, 3960-3965.);提出IVG(IntervehicleGeocast)機 制廣播緊急消息，此機制只有在危險區(qū)域才會廣播緊急消息。收到這個緊急消息的車輛 會等待一個延期時間再次轉(zhuǎn)發(fā)消息。IVG機制的缺點是，延期時間導致消息傳輸時間較 長（車聯(lián)網(wǎng)中基于位置的多播協(xié)議，A.Bachir，A.Benslimane.Amulticastprotocolin adhocnetworksinter-vehiclegeocast.Proc.of57thIEEESemiannuVehicular TechnologyConference.Seoul,Korea, 2003, 2456 - 2460.);提出OB-VAN(Opportunistic BroadcastinVANETs)機制，采用一個算法選擇中繼車輛、采用隨機退避算法避免碰撞， 減小安全消息廣播延遲、提高交付率（VANET中基于活躍信號的機會廣播方式選擇中繼車 輛，B.Blaszczyszyn,A.Laouiti,P.Muhlethaler,Y.Toor.Opportunisticbroadcastin VANETs(OB-VAN)usingactivesignalingforrelaysselection.Proc.of8thInt. Conf.ITSTelecommun,Phuket,Thailand, 2008, 384 - 389.) 〇
[0006] 一種分層混合自動請求重傳機制，采用納什討價還價博弈選擇組播組中的執(zhí)行 車輛（層次討價還價：無線網(wǎng)絡中的多播層次視頻，z.Liu,Z.Wu,P.Liu,H.Liu,Y.Wang. Layerbargaining:Multicastlayeredvideooverwirelessnetworks.IEEEJ.Sel. AreasCommun.，2010, 28 (3) : 445 - 455.);采用時間分片技術使不同類型的接收車輛 選擇合適的子視頻，節(jié)省車輛能量。但不能保證接收視頻的質(zhì)量，也沒有考慮信道條件 的影響（適用于不同移動設備的可擴展視頻流的靈活廣播，C. -H.Hsu,M.M.Hefeeda. Flexiblebroadcastingofscalablevideostreamstoheterogeneousmobile devices.IEEETrans.MobileComput.，2011，10(3):406 - 418.);考慮了多樣化的廣播 用戶，基于幀之間距離的主成分分析進行目標失真度量，優(yōu)化廣播過程。然而，此機制沒 有適合SVC(sourcecodingrate)的信道自適應擴展（適用于不同設備的層次視頻廣 播的節(jié)點信道聯(lián)合編碼和優(yōu)化，W.Ji，Z.Li,Y.Chen.Jointsource-channelcodingand optimizationforlayeredvideobroadcastingtoheterogeneousdevices.IEEE Trans.Multimedia, 2012, 14(2) : 443 - 455.);-個夸層優(yōu)化框架，在流媒體廣播過程中，提 高用戶Q〇E(QualityofExperience)和節(jié)省能量使用（在無線多媒體廣播中考慮用戶體 驗和能量效用的節(jié)點優(yōu)化，ChetnaSinghal，SwadesDe,RamonaTrestian，Gabriel-Miro Muntean.JointOptimizationofUser-ExperienceandEnergy-EfficiencyinWireless MultimediaBroadcast.IEEETrans,onmobilecomputing, 2014, 13(7):1522-1535.)〇


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供VAENT中面向消息廣播的MAC層改進方法，通過考慮車輛之間的距離、 車輛速度和車輛行駛方向選擇中繼車輛，能夠模擬真實環(huán)境下安全消息的廣播情況，使車 輛獲得更好的交付率、降低單跳延遲、減小負載率。
[0008] 本發(fā)明的VAENT中面向消息廣播的MAC層改進方法，具體步驟如下：
[0009] -、設置系統(tǒng)模型和進行VANET架構分析
[0010] 如圖1所示，本發(fā)明的城市VANET場景，不存在路邊基礎設施，例如RSU(roadside unit)，車輛之間只能通過0BU(0n-BoardUnit)直接通信。道路上存在不同方向的兩個車 道，不同方向行駛的車輛都參與安全消息和流媒體消息的廣播。
[0011] 圖2是對系統(tǒng)模型的細化，每輛車上配備有完成V2V(vehicletovehicle)通信 的OBU模塊、GPS、傳感器和數(shù)據(jù)庫等。GPS主要用于定位車輛的位置，便于計算車輛之間的 距離。傳感器包括速度傳感器、加速度傳感器、方向傳感器等。數(shù)據(jù)庫主要為了緩存安全消 息和流媒體消息，以便于消息的轉(zhuǎn)發(fā)和中繼。車輛實時統(tǒng)計這些內(nèi)容，并傳輸給車輛的0BU 模塊，0BU通過獲得的這些信息，考慮車輛行駛狀況，優(yōu)化消息廣播過程。
[0012] 因為VANET的拓撲結構是實時變化的，需要特定的結構來適應安全消息和流媒體 信息的傳輸。本發(fā)明采用基于IEEE802.lip的網(wǎng)絡架構實現(xiàn)，如圖3所示。為了保證安全 消息的時延性，在VANET的網(wǎng)絡層和傳輸層采用WSMP(車載環(huán)境無線接入短消息協(xié)議）機 制，可以使用任意信道傳輸，并且允許應用程序通過傳輸消息直接控制物理層的信息，例如 信道信息、傳輸功率、傳輸速率等，簡化了UDP和IPv6協(xié)議的復雜度，采用更加簡單的信息 傳輸格式，降低安全消息傳輸?shù)臅r延。對于流媒體消息，網(wǎng)絡層和傳輸層分別采用IPv6和 TCP/UDP機制，UDP是必須使用的，TCP可以選擇性的采用，通過CCH(控制信道）傳輸命令 信息等，通過SCH(服務信道）傳輸流媒體等數(shù)據(jù)信息。
[0013] 在VANET的MAC層，本發(fā)明采用IEEE1609. 4標準。IEEE1609. 4標準中定義了四 種信道接入方式：continuous方式，alternating方式，immediate方式和extended方式。 為了更好的進行安全消息和流媒體消息的傳輸，本發(fā)明IEEE1609. 4標準采用immediate 方式，如圖4所示，即系統(tǒng)在CCH和SCH下交替工作，交替切換的時間間隔可以變化，CCH信 道空閑時，SCH可以使用信道。但當下一個同步周期到來時，系統(tǒng)必須切換到CCH信道。
[0014]二、DV0-SB安全消息廣播方法
[0015] 因為安全消息數(shù)據(jù)量非常小，可以通過一個數(shù)據(jù)包傳輸給其他的車輛，而且這些 消息具有共需性，所以通常采用廣播方式進行傳輸。對于安全消息的傳輸，可靠性和速度是 必須考慮的。因為VANET結構的動態(tài)變化快，尋找一個有效的多跳算法來廣播安全消息是 非常必要的。以前的廣播算法，在廣播消息之前利用RTB/CTB機制，在廣播消息之后再利用 ACKs機制。這個過程增加了消息傳輸負載，并且降低了消息傳輸速度。因此，本發(fā)明提出一 種更有效的傳輸方法，即DV0-SB方法，省去了RTB/CTB交互過程。
[0016] DV0-SB方法考慮車輛的行駛速度、車輛之間的距離和車輛行駛方向，為每個車輛 設置不同的競爭窗口，擁有較小等待時間的車輛優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)消息。基于此，在進行廣播方式傳 輸時，DV0-SB方法需要考慮的問題主要有：競爭窗口的確定和中繼車輛的選擇。針對這兩 個問題，下文將進行詳細的分析。
[0017] (1)競爭窗口求解
[0018] 很多已經(jīng)提出的競爭窗口機制主要是考慮歐氏距離，選擇最遠的車輛作為中繼車 輛。本發(fā)明提出的方法是根據(jù)車輛之間的歐式距離、車輛速度和車輛行駛方向來確定競爭 窗口。
[0019] 為了減少消息從源車輛傳輸?shù)侥康能囕v的跳數(shù)，車輛會選擇廣播范圍內(nèi)距離較遠 的車輛為中繼車輛，進行下一階段的廣播。本發(fā)明通過GPS計算車輛之間的歐氏距離，每輛 車輛計算自身距離廣播車輛之間的距離，并計算出被選為中繼車輛的概率Pd:

【權利要求】
1. 一種VAENT中面向消息廣播的MAC層改進方法，其特征在于如下步驟： 一、設置系統(tǒng)模型和進行VANET架構分析 VANET場景，不存在路邊基礎設施，車輛之間只能通過OBU直接通信；道路上存在不同 方向的兩個車道，不同方向行駛的車輛都參與安全消息和流媒體消息的廣播；每輛車上配 備有完成V2V通信的OBU模塊、GPS、傳感器和數(shù)據(jù)庫；GPS主要用于定位車輛的位置，便于 計算車輛之間的距離；傳感器包括速度傳感器、加速度傳感器和方向傳感器；數(shù)據(jù)庫主要 為了緩存安全消息和流媒體消息，以便于消息的轉(zhuǎn)發(fā)和中繼；車輛實時統(tǒng)計這些數(shù)據(jù)，并傳 輸給車輛的OBU模塊，OBU通過獲得的這些信息，考慮車輛行駛狀況，優(yōu)化消息廣播過程； VANET的網(wǎng)絡層和傳輸層采用WSMP機制，使用任意信道傳輸，并且允許應用程序通過 傳輸消息直接控制物理層的信息；對于流媒體消息，網(wǎng)絡層和傳輸層分別采用IPv6和TCP/ M)P機制，UDP是必須使用的，TCP是選擇性采用，通過CCH傳輸命令信息，通過SCH傳輸流 媒體數(shù)據(jù)信息； 在VANET的MAC層，采用IEEE1609. 4標準；IEEE1609. 4標準采用i_ediate方式， 即系統(tǒng)在CCH和SCH下交替工作，交替切換的時間間隔可以變化，CCH信道空閑時，SCH使用 信道；但當下一個同步周期到來時，系統(tǒng)必須切換到CCH信道； 二、DVO-SB安全消息廣播方法 (1)競爭窗口求解 選擇最遠的車輛作為中繼車輛，根據(jù)車輛之間的歐式距離、車輛速度和車輛行駛方向 來確定競爭窗口； 通過GPS計算車輛之間的歐氏距離，每輛車輛計算自身距離廣播車輛之間的距離，并 計算出被選為中繼車輛的概率Pd:
其中R為車輛S和車輛F之間的歐氏距離，Rniax為車輛S的通信范圍； 引入車輛速度參數(shù)，當車輛速度較低時，車輛被選為中繼車輛的概率較低；當車輛速度 較高時，車輛被選為中繼車輛的概率較高；根據(jù)車輛速度，車輛被選為中繼車輛的概率？7表 示為：
其中，Vf為車輛F行駛速度，Vmax車輛限制的最大速度； 離開VANET子網(wǎng)的概率最小的車輛為中繼車輛，廣播車輛S和接收車輛F之間的相對 速度和行駛的相對方向，根據(jù)GPS求出車輛之間的相對行駛方向向量$，再結合速度傳感 器，求解出車輛之間的相對速度向量^ ;根據(jù)車輛行駛方向，車輛被選為中繼車輛的概率P。 表示為：
根據(jù)求出的車輛之間的距離、車輛速度和行駛方向?qū)χ欣^車輛選擇的影響，設置相應 的競爭窗口，不同的車輛通過競爭窗口來競爭中繼車輛，每個接收到廣播消息的車輛通過 計算自身的最大競爭窗口CW:
其中，CWtl是根據(jù)VANET網(wǎng)絡密度優(yōu)化的初始競爭窗口，A為加權系數(shù)； 當車輛計算出自己的最大競爭窗口CW，車輛在競爭窗口（0,CW]中隨機選擇一個時間 點進行消息的轉(zhuǎn)發(fā)；最早獲得轉(zhuǎn)發(fā)機會的車輛被選為中繼車輛，并且轉(zhuǎn)發(fā)消息；所有其他 車輛接收到這個轉(zhuǎn)發(fā)消息，知道已經(jīng)選擇好中繼車輛，進而放棄繼續(xù)競爭轉(zhuǎn)發(fā)； 車輛的等待重傳時延T1Jfi過公式（5)計算出： Tr= 2 8+tswitch+kXCffmaxXTslot (5) 其中S為車輛OBU在通信范圍R中最大傳輸延遲，tswitah為收發(fā)器從接收狀態(tài)轉(zhuǎn)換為 發(fā)送狀態(tài)的時間，k為加權系數(shù)，CWmax為競爭窗口CW的最大值； 只要通信信道空閑，車輛的安全消息就隨機等待n個時間戳Tsltrt時間進行廣播，其中nG(〇,CW];隨機等待時間Tw可以表示為： Tw=nXTslot (6) 在等待一個Tw時間，廣播車輛發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，并且等待相應的確認數(shù)據(jù)包，確定中繼 車輛； (2)中繼車輛選擇過程 廣播車輛S成功廣播消息，在S通信范圍內(nèi)的車輛收到這個廣播消息，收到該消息的車 輛根據(jù)GPS和各類傳感器計算自己與S之間的歐氏距離、車輛速度和車輛行駛方向，求出自 身的競爭窗口，等待一個1；再次廣播消息；根據(jù)T￥機制設計，距離車輛S相對較遠的車輛 F會作為下一跳中繼繼續(xù)廣播消息，其他車輛不進行廣播；中繼車輛F在數(shù)據(jù)幀中添加上自 己的信息，再次廣播此消息；當車輛S通信范圍內(nèi)的其他車輛再次收到這個廣播消息時，知 道這是中繼車輛F廣播的消息，放棄繼續(xù)廣播這個消息，終止執(zhí)行競爭窗口；發(fā)送車輛S也 收到這條廣播消息，作為確認消息，知道已經(jīng)找到中繼車輛，放棄再次廣播這條消息； 如果因為中繼車輛F行駛出了車輛S的通信范圍，導致車輛S未能收到中繼車輛F廣 播的消息，車輛S等待時間超過重傳時間I；，S重新廣播一次該消息，當車輛S通信范圍內(nèi)的 其他車輛再次收到這條廣播消息，其他車輛知道車輛S沒有收到中繼車輛F發(fā)送的消息，其 他車輛根據(jù)公式（4)的相對公式，即公式（7)，計算競爭窗口，即選擇距離車輛S相對較近、 道路情況較優(yōu)的車輛向車輛S發(fā)送一個ACK確認消息，告訴車輛S下一跳的中繼車輛已經(jīng) 選擇好；
中繼車輛選擇的整個過程： 1) 源車輛/廣播車輛廣播一個安全消息； 2) 在廣播車輛VANET通信子網(wǎng)中的所有車輛接收到廣播消息，并且根據(jù)Tw公式，選擇 一個相對較遠、速度相對較高和行駛出廣播車輛通信范圍概率較小的車輛作為中繼車輛； 3) 中繼車輛轉(zhuǎn)發(fā)此消息； 4) 如果源車輛/廣播車輛接收到這個轉(zhuǎn)發(fā)消息，廣播車輛知道已經(jīng)選擇好中繼車輛； 5) 如果廣播車輛沒有收到這個轉(zhuǎn)發(fā)消息，廣播車輛重新廣播這條消息； 6) 在廣播車輛通信范圍內(nèi)的其他車輛收到廣播車輛再次發(fā)送的消息，向廣播車輛發(fā)送 一個ACK消息，防止廣播車輛繼續(xù)重發(fā)這條消息； 7) 如果在廣播車輛通信范圍內(nèi)不存在有效的車輛，廣播車輛在重傳時間I；內(nèi)沒有收到 反饋消息，則重新開始步驟1); 三、ARC-SMB流媒體消息廣播方法 首先，需要對發(fā)送的數(shù)據(jù)幀進行改進，在數(shù)據(jù)幀中添加一個"lost"位，負責告訴接收車 輛啟動守護進程，進行丟包率的計算；然后，廣播車輛向VANET子網(wǎng)中的車輛發(fā)送流媒體消 息，接收車輛收到此消息，根據(jù)"lost"位啟動守護進程，監(jiān)控流媒體消息丟包率；接著，廣 播車輛定期向VANET子網(wǎng)中的車輛廣播"probe"探測消息，接收車輛收到這個"probe"消 息，向廣播車輛反饋一個"respond"消息；最后，廣播車輛根據(jù)"respond"消息中丟包率的 大小調(diào)整流媒體數(shù)據(jù)發(fā)送速率，繼續(xù)發(fā)送流媒體消息； 當廣播車輛發(fā)送"probe"探測消息，統(tǒng)計鄰居車輛的丟包率時，廣播車輛會收到多個 鄰居車輛發(fā)送的"respond"消息，每個接收車輛發(fā)送的丟包率都是不一樣的，為了兼顧整個 VANET子網(wǎng)的整體性能，通過選擇所有接收車輛丟包率的中位數(shù)作為參考，進行相應發(fā)送速 率的調(diào)整； 當PLRG(〇, 〇? 06)，發(fā)送速率增大速度服從公式（8);當PLRG(〇? 16, 1)，發(fā)送速率減 小速度服從公式（9); SR=SR+T (8) SR=(I-Q)SR (9) 其中，T,a為加權系數(shù)，t>〇，aG(〇，1]。
【文檔編號】H04W4/06GK104507051SQ201410783596
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月16日 優(yōu)先權日:2014年12月16日
【發(fā)明者】吳迪, 馬佰彪, 陸偉, 劉荷 申請人:大連理工大學