徐哲鑫　李世杰　林瀟　吳怡

摘要：針對(duì)車載自組織網(wǎng)（VANET）中節(jié)點(diǎn)以固定功率發(fā)送信息導(dǎo)致的信道資源無法優(yōu)化分配的問題，以車輛周期發(fā)送的狀態(tài)信息的廣播為研究對(duì)象，提出一種可自適應(yīng)于車流密度變化的VANET功率控制算法。該算法通過定義功率控制周期構(gòu)建并更新直接鄰居列表，根據(jù)直接鄰居車輛的位置來調(diào)整發(fā)射功率，進(jìn)而控制節(jié)點(diǎn)的廣播信息覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)信道資源的優(yōu)化分配以及節(jié)點(diǎn)路由性能的優(yōu)化。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出算法的有效性，表明該算法能夠有效根據(jù)車輛密度自適應(yīng)調(diào)整發(fā)射功率、降低信道占用率并提高直接鄰居數(shù)據(jù)包投遞率，從而保證安全信息的有效傳輸。

關(guān)鍵詞：功率控制；車輛狀態(tài)信息；車載自組織網(wǎng)；直接鄰居；周期廣播

中圖分類號(hào)：TN929.52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

車載自組織網(wǎng)（Vehicular Ad-hoc NETwork， VANET）的應(yīng)用非常廣泛，主要可以分為三大類：交通安全、車輛調(diào)度和娛樂服務(wù)。但是，最開始研究和發(fā)展VANET的首要目的就是安全，也是最主要的目的。在安全方面的消息可分成兩類：其一，車輛節(jié)點(diǎn)之間周期交互的車輛狀態(tài)信息，如位置、速度和行駛方向等；其二，交通事故等突發(fā)情況下的緊急消息，使得車輛用戶能夠?qū)崟r(shí)掌握周圍駕駛環(huán)境的變化，發(fā)現(xiàn)潛在的危險(xiǎn)因素，從而有效避免交通事故的發(fā)生。

無線通信中廣播特性是天然屬性，廣播技術(shù)自然成為VANET傳輸安全信息的最主要方式之一。目前，VANET中的廣播協(xié)議大都是從傳統(tǒng)的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中發(fā)展而來的。在移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的密集程度會(huì)對(duì)廣播協(xié)議的性能造成重大影響：節(jié)點(diǎn)較為密集則會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，而較為稀疏又會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)連通性[1]。而在VANET中，由于車輛節(jié)點(diǎn)本身的特點(diǎn)，在不同的情況下，節(jié)點(diǎn)的密集程度會(huì)發(fā)生較大的變化。因此，VANET中的廣播協(xié)議設(shè)計(jì)，應(yīng)該針對(duì)不同應(yīng)用背景和節(jié)點(diǎn)的密集程度采用不同的策略，以獲得較好的適應(yīng)性和延展性。目前，國內(nèi)外都還沒有提出一個(gè)統(tǒng)一的方案來解決VANET在不同的車輛節(jié)點(diǎn)密集程度下的通信問題[2]。

在VANET中，廣播信息的覆蓋范圍需要有選擇性地進(jìn)行調(diào)整，這可以通過調(diào)整車輛節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于功率控制的研究，在移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)比較成熟，但絕大部分的功率控制研究都是以最優(yōu)化節(jié)點(diǎn)能量、尋找能量消耗最少的路由和延長網(wǎng)絡(luò)使用壽命等作為研究的主要目的。相比傳統(tǒng)的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，VANET中車輛節(jié)點(diǎn)只要行駛就能得到能量補(bǔ)充，因此以上那些目的不再是VANET功率控制的主要目標(biāo)，這就使得傳統(tǒng)的功率控制方法并不適合于VANET?；赩ANET的功率控制研究應(yīng)該是以提高網(wǎng)絡(luò)通信性能、使信息能夠快速有效的傳輸為主要目標(biāo)。

文獻(xiàn)[3]針對(duì)對(duì)向行駛車輛間視頻數(shù)據(jù)傳輸問題，提出了一種基于通信連通性和視頻數(shù)據(jù)流比特率自適應(yīng)的功率控制算法，較大發(fā)送功率可抵抗信道衰落，較小發(fā)送功率則可以減少節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)之間的碰撞，因此就在這兩者之間運(yùn)用啟發(fā)式理念構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)尋求發(fā)送功率的最優(yōu)化。但本文的算法只定位在雙向兩車道的場景下，并且是對(duì)向行駛車輛間數(shù)據(jù)傳輸，其局限性較大。文獻(xiàn)[4]通過功率控制解決了數(shù)據(jù)廣播時(shí)的覆蓋率問題。當(dāng)節(jié)點(diǎn)可收到源節(jié)點(diǎn)信息但無法正確解碼時(shí)，通過所提出的基于NACK （Negative Acknowledgement）反饋機(jī)制并結(jié)合功率控制，與即時(shí)鄰居之間建立聯(lián)系，尋求即時(shí)鄰居的信息重傳；當(dāng)節(jié)點(diǎn)無法收到源節(jié)點(diǎn)信息，即處于空洞狀態(tài)時(shí)，即時(shí)鄰居通過接收信號(hào)強(qiáng)度預(yù)判周邊空洞節(jié)點(diǎn)，從而即時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)信息，提高覆蓋率。該算法更適用于緊急消息的發(fā)送，對(duì)于周期發(fā)送的車輛狀態(tài)信息而言，只需覆蓋附近車輛即可，無需長距離高覆蓋率的轉(zhuǎn)發(fā)。文獻(xiàn)[5]將節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率設(shè)置為隨機(jī)的，遠(yuǎn)距離的節(jié)點(diǎn)只能收到大功率發(fā)送的信號(hào)，而近距離的節(jié)點(diǎn)大功率和較小功率的信號(hào)均可接收，從而減小了遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)包的碰撞。信道的利用率和數(shù)據(jù)包的碰撞可通過改變發(fā)送功率的隨機(jī)分布調(diào)整。該算法發(fā)送功率所遵循的隨機(jī)分布是影響性能的關(guān)鍵，這需要具體場景的實(shí)測或者復(fù)雜的數(shù)據(jù)建模，無疑降低了算法的實(shí)用性以及自適應(yīng)性。文獻(xiàn)[6]針對(duì)緊急消息傳播提出了單跳區(qū)域間快速轉(zhuǎn)發(fā)與區(qū)域內(nèi)廣播重傳相結(jié)合的機(jī)制，兼顧了信息傳播速率以及覆蓋率性能。在區(qū)域內(nèi)廣播重傳機(jī)制中，節(jié)點(diǎn)通過檢查信道占用率調(diào)節(jié)發(fā)送功率以提升數(shù)據(jù)包發(fā)送成功率。其功率控制的思想值得借鑒，但如何運(yùn)用在短距離周期廣播的車輛狀態(tài)信息上還有待研究。文獻(xiàn)[7]在分簇的VANET架構(gòu)下提出基于非協(xié)作博弈的功率控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了簇間和簇內(nèi)通信性能的權(quán)衡。該機(jī)制為VANET功率控制開辟了一個(gè)新的視角，但在無分簇場景下的運(yùn)用有待研究。文獻(xiàn)[8]提出基于信道占用率檢測的節(jié)點(diǎn)功率控制算法。不同場景下的最優(yōu)信道占用率已載入節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)介質(zhì)，節(jié)點(diǎn)使用不同的發(fā)送功率嘗試，通過檢測到的信道占用率反饋調(diào)整發(fā)送功率直到達(dá)到最優(yōu)性能。然而實(shí)際中不同場景下信道是多變的，VANET拓?fù)湟彩遣淮_定的，該算法的自適應(yīng)性能還需進(jìn)一步改進(jìn)。文獻(xiàn)[9]根據(jù)接收到鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率、相對(duì)速度、接收到最后一個(gè)包距離現(xiàn)在時(shí)間等信息給鄰居節(jié)點(diǎn)標(biāo)定度量值；而后對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)依據(jù)度量值排序，再根據(jù)通信指標(biāo)要求依排序篩選出要通信的節(jié)點(diǎn)，然后估算所需的發(fā)送功率。該算法的度量體系值得借鑒，但如何運(yùn)用在周期狀態(tài)信息上需要進(jìn)一步研究。文獻(xiàn)[10]主要研究在高速公路場景下，將車輛分簇后的路邊單元（Road Side Unit， RSU）功率控制問題，以保障同向行駛車輛間的連通性。但RSU的布設(shè)將增大系統(tǒng)成本，在無RSU系統(tǒng)框架下車輛節(jié)點(diǎn)的功率控制問題并非本文研究重點(diǎn)。文獻(xiàn)[11]兼顧駕駛員的反應(yīng)時(shí)間以及車輛節(jié)點(diǎn)間通信沖突性能，提出了基于兩類信標(biāo)的發(fā)送功率控制機(jī)制。L信標(biāo)用于大功率長距離發(fā)送，適用于安全應(yīng)用，因此總是采用最大發(fā)送功率發(fā)送；S信標(biāo)用于小功率短距離發(fā)送，適用于常規(guī)車輛信息應(yīng)用，車速越快則發(fā)送功率越大，從而節(jié)點(diǎn)通信覆蓋半徑越大，以給駕駛員充足的反應(yīng)時(shí)間。同時(shí)提出了新的隊(duì)列中信標(biāo)更新機(jī)制，保持信標(biāo)信息的時(shí)效性。該機(jī)制對(duì)功率控制目的性的切入點(diǎn)值得借鑒，但節(jié)點(diǎn)的覆蓋半徑只是簡單地與車速形成對(duì)應(yīng)關(guān)系，通信方面性能的考量較少。文獻(xiàn)[12]根據(jù)實(shí)際交通流數(shù)據(jù)得到流量分布，并且構(gòu)建了信號(hào)傳播模型，求得功率衰減和距離之間的關(guān)系；并在給定接收門限以及最大發(fā)射功率的情況下，仿真了不同傳輸距離對(duì)應(yīng)的不同發(fā)射功率。其仿真結(jié)果值得借鑒，但針對(duì)周期狀態(tài)信息如何自適應(yīng)地調(diào)整發(fā)送功率有待進(jìn)一步的研究。

基于上述分析，本文對(duì)VANET研究的出發(fā)點(diǎn)在于車輛的安全應(yīng)用，因此，主要對(duì)狀態(tài)安全信息的廣播范圍進(jìn)行研究。整體思路是根據(jù)狀態(tài)安全信息的需求范圍來確定廣播的目標(biāo)區(qū)域，進(jìn)而調(diào)整發(fā)射功率，控制廣播的覆蓋范圍，這就形成了一種新的VANET組網(wǎng)方式。這種新的組網(wǎng)方式能夠有效減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，降低“廣播風(fēng)暴”的發(fā)生概率，大大提高了網(wǎng)絡(luò)性能，也提高了安全信息的傳輸性，進(jìn)而提升車輛行駛的安全性。

1系統(tǒng)場景及模型

系統(tǒng)場景設(shè)定為雙向六車道的高速公路，在車輛速度較快的高速公路場景下，當(dāng)駕駛員行車時(shí)注意力不集中時(shí)，周圍鄰居車輛一些常規(guī)的駕駛行為都有可能引起重大交通事故。分析通常的交通事故可以發(fā)現(xiàn)，引起交通事故的原因主要是因?yàn)轳{駛員對(duì)鄰居車輛行駛狀態(tài)的變化不敏感以及反應(yīng)時(shí)間不足，因此，獲取鄰居車輛的狀態(tài)安全信息有利于提高駕駛員的警覺性和提早做出反應(yīng)，從而避免事故的發(fā)生。因此，直接鄰居車輛的狀態(tài)安全信息對(duì)本車輛的安全行駛具有重大意義，而相對(duì)的，其他位置上車輛的狀態(tài)安全信息并沒有太大的意義。也就是說，每個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)發(fā)出的狀態(tài)安全信息都只對(duì)與其直接鄰居車輛節(jié)點(diǎn)有較大的價(jià)值。

假設(shè)所有的車輛節(jié)點(diǎn)都裝有全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System， GPS）、各種傳感器、攝像頭以及智能處理系統(tǒng)等車載設(shè)備，并通過衛(wèi)星定位、傳感器技術(shù)以及圖像處理車道標(biāo)志線技術(shù)等，使車輛節(jié)點(diǎn)能夠收集到自身的狀態(tài)安全信息，主要包括位置、速度、加速度及方向，當(dāng)前發(fā)射功率以及時(shí)間戳等。

定義狀態(tài)安全信息需求范圍為每個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)的廣播能夠覆蓋所有的直接鄰居車輛節(jié)點(diǎn)的最小范圍。直接鄰居車輛節(jié)點(diǎn)是指在某節(jié)點(diǎn)周圍各個(gè)方向上最接近的鄰居節(jié)點(diǎn)。需要說明的是，對(duì)發(fā)射功率的控制可轉(zhuǎn)化為對(duì)通信覆蓋半徑的控制，即發(fā)射功率實(shí)際上可通過有效通信覆蓋半徑表征[6]。所謂有效通信覆蓋半徑是指在給定信道環(huán)境以及給定發(fā)射功率時(shí)，以發(fā)射節(jié)點(diǎn)為中心，能達(dá)到接收靈敏度的距離。由于車輛行駛過程中，車輛的分布是不均勻且不斷變化的，所以R也是實(shí)時(shí)變化的，其取值范圍是（0，Rmax），其中Rmax是車輛節(jié)點(diǎn)采用最大發(fā)射功率所對(duì)應(yīng)的最大信息發(fā)送距離。圖1為三車道公路車輛分布示例，將車輛節(jié)點(diǎn)抽象成位于其中心位置的點(diǎn)，則車輛節(jié)點(diǎn)的位置則用該點(diǎn)的坐標(biāo)表示，點(diǎn)之間的距離則表示對(duì)應(yīng)車輛節(jié)點(diǎn)之間的距離。圖中節(jié)點(diǎn)F0的狀態(tài)安全信息的需求范圍R0=max（d0i）（i=1，2，…，8），其中d0i為節(jié)點(diǎn)F0與Fi之間的距離。在IEEE 802.11p中規(guī)定的最大節(jié)點(diǎn)通信半徑約Rmax=1000m，車輛狀態(tài)信息主要目的將用于鄰居節(jié)點(diǎn)間交互以保持安全距離，因此節(jié)點(diǎn)的需求范圍的上限設(shè)定為Rmax足以滿足實(shí)際安全需要。節(jié)點(diǎn)F0與Fi之間的距離可以通過位置坐標(biāo)算出，假設(shè)F0坐標(biāo)為（x0， y0），F(xiàn)i坐標(biāo)為（xi， yi），則：

2功率控制算法設(shè)計(jì)及分析

2.1算法總體流程

節(jié)點(diǎn)間狀態(tài)信息的信道競爭機(jī)制采用IEEE 802.11p中的介質(zhì)訪問控制（Media Access Control， MAC）機(jī)制[15]。借鑒802.11p中信道規(guī)劃，將其用于安全信息的Ch172及Ch184信道分別分配給雙向車道中的來向和去向車道。由于高速公路道路結(jié)構(gòu)單一，車輛總體密度較為稀疏，因此為了提高信道資源利用率，在這兩個(gè)信道上進(jìn)行周期狀態(tài)信息交互時(shí)并不采用IEEE 802.11p的信道切換機(jī)制，而是直接進(jìn)行信道競爭從而發(fā)送信息。將周期狀態(tài)信息的生成周期Tsg參照IEEE 802.11p中信道周期長度設(shè)置為Tsg=100ms[13]，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)每100ms產(chǎn)生一個(gè)新的狀態(tài)信息。需要說明的是，狀態(tài)信息的生成周期不等于其發(fā)送周期，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)在生成狀態(tài)信息后需要參與信道競爭，而周期狀態(tài)信息實(shí)際上是一跳通信范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)間的信息交互，在高速公路場景下，除了節(jié)假日高峰車流或者部分路段因事故等情況出現(xiàn)極端擁堵時(shí)，常規(guī)路況下車輛之間車距都在百米以上，這就意味著總體上看節(jié)點(diǎn)分布較為稀疏，因此常規(guī)路況下車流密度對(duì)應(yīng)的信道接入延遲通常在10-3～10-2s數(shù)量級(jí)[14]，可以認(rèn)為每輛車在一個(gè)狀態(tài)信息生成周期內(nèi)可成功發(fā)送自身狀態(tài)信息。

將發(fā)射功率更新周期定義為功率控制周期，記為Tpc，意味著每間隔Tpc，節(jié)點(diǎn)重新將發(fā)射功率初始化為最大覆蓋范圍，而在功率控制期間則根據(jù)直接鄰居相對(duì)位置變化作微調(diào)。為便于討論，將其設(shè)定為周期狀態(tài)信息的生成周期Tsg的整數(shù)倍，即表示為Tpc=k·Tsg，其中k為正整數(shù)。k的值可根據(jù)高速公路最高與最低限速的車輛間相對(duì)速度差距大小設(shè)定，例如最高限速為120km/h，最低限速為60km/h，則車輛間最大相對(duì)速度差約為16m/s，而實(shí)際上大部分車輛速度分布在80～100km/h，相對(duì)速度差約為5m/s。相對(duì)速度差距越大則k值越小，也就是說應(yīng)讓節(jié)點(diǎn)越頻繁地進(jìn)行功率調(diào)整，通常經(jīng)驗(yàn)值可設(shè)定為10，即Tpc約為1s。在Tpc 期間將通過周期狀態(tài)信息的交互實(shí)現(xiàn)近處車輛間感知，而每隔Tpc進(jìn)行發(fā)射功率重置是用于遠(yuǎn)處車輛間感知。遠(yuǎn)處車輛間Tpc=1s內(nèi)將產(chǎn)生5m的相對(duì)位移，近處車輛間Tsg=0.1s內(nèi)將產(chǎn)生0.5m的相對(duì)位移。在高速公路中百米數(shù)量級(jí)的車距下，上述量級(jí)的相對(duì)位移所導(dǎo)致的發(fā)射功率控制誤差可忽略，并且還可通過略微增加發(fā)射功率余量修正這一誤差帶來的性能損失。

功率控制算法的總體流程如圖2所示。在節(jié)點(diǎn)各自的功率控制周期的起始時(shí)刻，車輛都以其最大發(fā)射功率向其周圍車輛節(jié)點(diǎn)廣播狀態(tài)安全信息。根據(jù)IEEE 802.11p規(guī)定最大的通信半徑約為1000m[11]，在高速公路常規(guī)路況下，對(duì)信道產(chǎn)生相互競爭影響的節(jié)點(diǎn)數(shù)在100～3×101的數(shù)量級(jí)，也就是說參與競爭的節(jié)點(diǎn)數(shù)并不多，并且其他節(jié)點(diǎn)并不都處于功率控制周期起點(diǎn)，即并不都以最大通信半徑覆蓋周圍節(jié)點(diǎn)，也就確保了初始通信半徑下仍可有低于周期狀態(tài)信息生成周期的信道接入延遲（約10-3～10-2s數(shù)量級(jí)[14]）。每個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)收到其周圍鄰居節(jié)點(diǎn)的信息后，創(chuàng)建鄰居節(jié)點(diǎn)列表，為每個(gè)鄰居構(gòu)建表項(xiàng)，表項(xiàng)中包含著鄰居車輛節(jié)點(diǎn)的各項(xiàng)信息。接著車輛節(jié)點(diǎn)在功率控制周期內(nèi)對(duì)鄰居列表進(jìn)行更新和維護(hù)，主要是保留其直接鄰居節(jié)點(diǎn)的信息，刪除其他鄰居節(jié)點(diǎn)，同時(shí)丟棄其他鄰居之后發(fā)來的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)包以節(jié)省存儲(chǔ)空間。確定直接鄰居節(jié)點(diǎn)后，通過檢測接收到的直接鄰居的數(shù)據(jù)包信號(hào)強(qiáng)度以及數(shù)據(jù)包中攜帶的發(fā)射功率評(píng)估信道衰落情況，從而估算車輛節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，使節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息能夠被所有直接鄰居節(jié)點(diǎn)所接收。在確定完數(shù)據(jù)包的發(fā)射功率并成功接入信道將其發(fā)送出去后，在等待下個(gè)狀態(tài)信息生成周期Tsg起始時(shí)刻到來期間通過接收其他節(jié)點(diǎn)的信息更新直接鄰居列表，該過程不斷循環(huán)直至進(jìn)入下一個(gè)功率控制周期。

2.2直接鄰居列表建立與更新

雖然高速公路場景下VANET中的車輛節(jié)點(diǎn)都在不斷地快速移動(dòng)，車輛節(jié)點(diǎn)的位置以及與周圍車輛的位置關(guān)系也是不斷變化的，但是若只考慮車輛節(jié)點(diǎn)與其他車輛的相對(duì)位置，則周圍車輛與本車輛之間直接相鄰的節(jié)點(diǎn)大致可歸結(jié)為8個(gè)方向上最接近的鄰居，即前、后、左、右、左前，右前、左后、右后。并且高速公路雙向車道中間存在隔離欄，因此只需考慮同向行駛的車輛。最外側(cè)和最內(nèi)側(cè)車道上節(jié)點(diǎn)只需考慮5個(gè)方向上的直接鄰居即可，例如圖1中F4和F5的直接鄰居分別為（F0、F1、F2、F6和F7）和（F0、F2、F3、F7和F8）；而位于中間車道的節(jié)點(diǎn)則要考慮8個(gè)方向的直接鄰居，例如圖1中F0的直接鄰居為（F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7和F8）。但實(shí)際路況中道路上的車輛分布是不規(guī)則的，如圖3所示，圖中F0的直接鄰居車輛節(jié)點(diǎn)是F1及F3，但是F0與F2的距離小于F0與F3之間的距離，所以若僅用最短距離原則判斷車輛的直接鄰居車輛節(jié)點(diǎn)，則可能誤將F2作直接鄰居節(jié)點(diǎn)而忽略掉了真正的直接鄰居節(jié)點(diǎn)F3。因此，本文將通過車輛行駛方向、車輛間距離和車輛所在車道三個(gè)要素來找出其直接相鄰節(jié)點(diǎn)。

由于各節(jié)點(diǎn)的最大通信范圍相同且功率控制周期也均設(shè)為Tpc，其信道接入延遲在10-3～10-2s數(shù)量級(jí)，即小于Tsg，因此盡管各節(jié)點(diǎn)功率控制周期起點(diǎn)不同，但節(jié)點(diǎn)在時(shí)間跨度Tpc+Tsg之內(nèi)必然能夠收到自身最大通信范圍內(nèi)所有鄰居至少一次的信息。這樣，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)功率控制周期起始時(shí)刻再等待一個(gè)狀態(tài)信息生成周期Tsg后，便可根據(jù)最近時(shí)間跨度Tpc+Tsg內(nèi)收到的鄰居節(jié)點(diǎn)信息構(gòu)建一跳鄰居列表。當(dāng)有新增車輛啟動(dòng)時(shí)，由于所有車輛都是采用廣播的形式，該車能接收到周圍車輛發(fā)來的信息，若未接收到任何信息，則說明新車輛不在周邊節(jié)點(diǎn)的通信覆蓋范圍內(nèi)，此時(shí)，新增車輛應(yīng)采用最大功率廣播自身的狀態(tài)安全信息告知周邊節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建鄰居節(jié)點(diǎn)列表后，按鄰居節(jié)點(diǎn)與自身的距離大小排列。此時(shí)，由于反方向車輛也在通信范圍內(nèi)，但是反方向車輛不屬于狀態(tài)安全信息的范圍之內(nèi)，因此刪除鄰居節(jié)點(diǎn)列表里的反方向車輛，并丟棄其發(fā)來的信息包。

對(duì)于剩余的同方向的車輛節(jié)點(diǎn)表項(xiàng)，需要分車道進(jìn)行分析。以圖3為例，對(duì)于與F0同車道的節(jié)點(diǎn)，從F0前后車之中分別選取距離最小的一輛，此處為F1，其中前后位置通過節(jié)點(diǎn)位置的x坐標(biāo)來確定。然后在鄰居節(jié)點(diǎn)列表中刪除與F0同車道中除F1以外的全部鄰居車輛節(jié)點(diǎn)，并丟棄這些節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)包。若F0是在中間車道上，則先添加其兩側(cè)車道上與之距離最近的節(jié)點(diǎn)，如F0左側(cè)車道的F5。再分別選取F5前后離本車距離最近的兩輛，此處為F4和F6，最后刪除F5所在車道其余車輛節(jié)點(diǎn)信息，此后丟棄這些被刪節(jié)點(diǎn)后續(xù)發(fā)來的數(shù)據(jù)包。這樣，F(xiàn)0的直接鄰居節(jié)點(diǎn)列表創(chuàng)建完畢。

在鄰居節(jié)點(diǎn)列表添加完畢以后，車輛節(jié)點(diǎn)就調(diào)整其發(fā)射功率，使要廣播的狀態(tài)安全信息恰好能夠覆蓋每個(gè)直接鄰居車輛節(jié)點(diǎn)。當(dāng)然，為了覆蓋到某個(gè)方向上的直接鄰居可能在其他方向上會(huì)覆蓋到直接鄰居之外的節(jié)點(diǎn)，例如圖3中F0為了覆蓋到右側(cè)車道F3也將覆蓋同側(cè)車道F2。在高速公路總體節(jié)點(diǎn)分布較為稀疏的情況下，這種冗余覆蓋并不會(huì)過多增加信道競爭。

由于車輛是不斷移動(dòng)的，車輛間的相對(duì)位置也是一直發(fā)生變化，每個(gè)車輛的直接鄰居節(jié)點(diǎn)也會(huì)發(fā)生改變。由于狀態(tài)安全信息是周期性的廣播消息，因此，每個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)需要功率控制周期內(nèi)根據(jù)收到最新的直接車輛狀態(tài)安全信息作出通信覆蓋范圍的微調(diào)。若在此期間收到新增節(jié)點(diǎn)的信息則需要更新直接鄰居列表并對(duì)應(yīng)地調(diào)整發(fā)射功率。在覆蓋直接鄰居的原則下，節(jié)點(diǎn)間發(fā)射功率調(diào)整具有反饋效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整。并且由于節(jié)點(diǎn)只覆蓋各自的直接鄰居，競爭同一信道的節(jié)點(diǎn)數(shù)很少，信道接入時(shí)延可降至僅為10-3s數(shù)量級(jí)，遠(yuǎn)小于周期狀態(tài)信息的生成周期。例如，圖3中假設(shè)節(jié)點(diǎn)F2比節(jié)點(diǎn)F1先接入信道，則節(jié)點(diǎn)F0收到節(jié)點(diǎn)F2的信息后根據(jù)當(dāng)前鄰居表判斷在F2方向上暫無更近鄰居，則下個(gè)周期狀態(tài)信息的發(fā)射功率預(yù)設(shè)為覆蓋到F2的值。若在F0發(fā)送下個(gè)周期狀態(tài)信息之前又收到來自F1的信息，F(xiàn)0則將該方向上的直接鄰居更新為F1，因此F0下個(gè)周期狀態(tài)信息只覆蓋到F1。而當(dāng)F0收到F3的信息后，發(fā)現(xiàn)其為對(duì)應(yīng)方向上直接鄰居，則F0將增大發(fā)射功率使得下個(gè)周期狀態(tài)信息能夠覆蓋到F3，此時(shí)F2將作為冗余鄰居被覆蓋。這樣，無論周邊節(jié)點(diǎn)以何種發(fā)射功率發(fā)送信息，接收節(jié)點(diǎn)總能利用直接鄰居原則自適應(yīng)調(diào)整發(fā)射功率，在確保安全性的同時(shí)盡量減少冗余覆蓋，降低信道資源競爭。

3性能仿真與分析

3.1仿真場景及參數(shù)設(shè)置

VANET中節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)受到道路及障礙物的影響，同時(shí)節(jié)點(diǎn)的高速移動(dòng)使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂胁环€(wěn)定性。為了在NS-2中對(duì)功率控制算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，先要保證仿真場景中車輛節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)軌跡盡量接近現(xiàn)實(shí)中的車輛移動(dòng)軌跡。基于這個(gè)目的，本文利用SUMO（Simulation of Urban Mobility）交通仿真器構(gòu)建長度為10km的雙向六車道高速公路模型，單向車道每公里車輛密度為3～30輛，車速范圍60～120km/h。

在NS-2中搭建VANET協(xié)議架構(gòu)如下：在應(yīng)用層，通過數(shù)據(jù)流發(fā)生器CBR（Const-RitRate）建立從信息源到距離信息源xm遠(yuǎn)處裝備車輛的通信連接，數(shù)據(jù)發(fā)生率為10packet/s，數(shù)據(jù)傳輸率為3Mb/s；CBR發(fā)送的數(shù)據(jù)分組大小為230Byte，發(fā)送時(shí)間間隔為0.02s。在傳輸層，使用的傳輸協(xié)議為用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol， UDP）。在網(wǎng)絡(luò)層，路由算法并不是本文研究的重點(diǎn)，因此選擇Ad Hoc按需距離矢量路由（Ad Hoc On-demand Distance Vector routing， AODV）作為網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議進(jìn)行分析，而且為了避免路由性能對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，將只考慮直接鄰居間周期狀態(tài)信息的收發(fā)。在MAC層選擇主要用于車載電子通信的IEEE 802.11p協(xié)議。在物理層，對(duì)車載設(shè)備的各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在傳播模型上選擇Two-ray Ground。周期狀態(tài)信息生成周期設(shè)置為100ms；功率控制周期設(shè)置為1s，因?yàn)槌Ｒ?guī)路況下1s內(nèi)車輛間相對(duì)位置通常變化較小。仿真將比對(duì)本文所提的算法和所有節(jié)點(diǎn)采用固定的發(fā)射功率以及采用隨機(jī)功率控制[5]時(shí)的性能。其中隨機(jī)功率控制的發(fā)射功率范圍依據(jù)文獻(xiàn)[5]的參數(shù)設(shè)定為范圍在[4dBm， 33dBm]的離散均勻分布，功率變化增量為0.5dBm；固定的發(fā)射功率則設(shè)為33dBm，該功率值能夠保證所有的車輛節(jié)點(diǎn)在Two-ray Ground傳播模型下的傳輸距離為1000m。仿真主要針對(duì)在不同的車輛節(jié)點(diǎn)密度進(jìn)行分析，根據(jù)實(shí)際高速公路常規(guī)路況下的交通數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，車輛密度變化范圍為單向三車道3～30輛/km。仿真的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)主要有：1） 平均發(fā)射功率，即網(wǎng)絡(luò)中車輛節(jié)點(diǎn)平均發(fā)射功率變化情況；2） 信道占用率，即單位時(shí)間內(nèi)信道被占用時(shí)間的百分比；3）直接鄰居數(shù)據(jù)包投遞率，即單位時(shí)間內(nèi)直接鄰居平均接收到狀態(tài)信息數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)和源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)的比值。

3.2平均發(fā)射功率

車輛通過找出其直接鄰居車輛節(jié)點(diǎn)來調(diào)整其發(fā)射功率，由于車輛在行駛過程中位置是不斷變化的，因此其發(fā)射功率也是動(dòng)態(tài)變化的。圖4所示的是仿真過程中車輛節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率的變化曲線，從圖中可以看出，固定發(fā)射功率情況下，發(fā)射功率是固定的；隨機(jī)功率控制下功率是時(shí)變的，但是由于采用均勻分布，因此其均值不變，均為18.5dBm；在本文提出的自適應(yīng)功率控制算法下，車輛節(jié)點(diǎn)的平均發(fā)射功率將隨著節(jié)點(diǎn)密度動(dòng)態(tài)變化。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度稀疏時(shí)（單向三車道3輛/km），節(jié)點(diǎn)平均間距約為1000m，因此為了覆蓋該平均間距下的直接鄰居，節(jié)點(diǎn)平均意義下都以最大功率進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，以保障連通性。因此，本文提出的自適應(yīng)功率控制的平均發(fā)射功率約為最大發(fā)射功率值33dBm。隨著節(jié)點(diǎn)密度增加，節(jié)點(diǎn)間平均間距逐漸減小，因此在自適應(yīng)功率控制中覆蓋直接鄰居所用的平均發(fā)射功率也隨之減小。當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度處于高速公路場景中較為密集的單向三車道30輛/km時(shí)，節(jié)點(diǎn)的平均發(fā)射功率降至8dBm左右。同時(shí)，平均發(fā)射功率曲線的變化趨勢也符合本文設(shè)計(jì)的算法，從單向三車道3輛/km開始隨著車輛的增多，車輛間的平均距離縮小較大，使得發(fā)射功率下降趨勢也較快；而當(dāng)車輛密度越來越大，隨著車輛的增多，車輛間的距離縮小幅度減小，因此發(fā)射功率下降也較為平緩。隨機(jī)功率控制和自適應(yīng)功率控制曲線的交叉點(diǎn)意味著在車輛密度為單向三車道13輛/km左右時(shí)，兩者平均意義下節(jié)點(diǎn)的平均發(fā)射功率相同。從上述分析中看出，本文所提出的功率控制算法具有節(jié)點(diǎn)密度自適應(yīng)性。

3.3信道占用率

圖5描繪了不同車輛密度下，自適應(yīng)功率控制、隨機(jī)功率控制以及固定發(fā)射功率下信道占用率情況。三種機(jī)制的信道占用率均隨著節(jié)點(diǎn)密度增大而增大，但固定發(fā)射功率的增長幅度最大，隨機(jī)功率控制次之，自適應(yīng)功率控制最小。這是因?yàn)椋诠潭òl(fā)射功率中，節(jié)點(diǎn)均以最大發(fā)射功率發(fā)送信息，節(jié)點(diǎn)密度增大后節(jié)點(diǎn)間競爭激烈程度愈加嚴(yán)重。隨機(jī)功率控制下，節(jié)點(diǎn)密度增大后節(jié)點(diǎn)間競爭也會(huì)更加激烈，但由于發(fā)送功率的隨機(jī)性，平均意義下相互間直接競爭的節(jié)點(diǎn)數(shù)的增幅將小于固定發(fā)射功率，因此其信道占用率增幅較固定發(fā)射功率的小。自適應(yīng)功率控制下，節(jié)點(diǎn)均以覆蓋直接鄰居為目標(biāo)調(diào)整發(fā)射功率，因此節(jié)點(diǎn)密度不同對(duì)直接鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)影響不大。由于更大的節(jié)點(diǎn)密度將導(dǎo)致覆蓋的冗余鄰居數(shù)更多，因此信道占用率隨著節(jié)點(diǎn)密度增加也將略有增加。

另外，可以看到在節(jié)點(diǎn)密度很稀疏 （單向三車道3輛/km） 的情況下，自適應(yīng)功率控制的信道占用率與固定發(fā)射功率相當(dāng)，但大于隨機(jī)功率控制。這是因?yàn)榇藭r(shí)節(jié)點(diǎn)間距約等于節(jié)點(diǎn)的最大通信覆蓋半徑，因此自適應(yīng)功率控制為了覆蓋直接鄰居則和固定發(fā)射功率的發(fā)射功率相當(dāng)。而隨機(jī)功率控制下的節(jié)點(diǎn)由于發(fā)射功率的隨機(jī)性，在某些時(shí)刻的通信覆蓋半徑小于節(jié)點(diǎn)間距，因此節(jié)點(diǎn)間競爭更弱，信道占用率更少。但由于節(jié)點(diǎn)在每個(gè)時(shí)刻具體的發(fā)送功率不可控，這使得隨機(jī)功率控制無法保證節(jié)點(diǎn)間的連通性。

3.4直接鄰居數(shù)據(jù)包投遞率

圖6描繪了在不同車輛密度下自適應(yīng)功率控制、隨機(jī)功率控制以及固定發(fā)射功率的直接鄰居數(shù)據(jù)包投遞率。

由圖6可知，自適應(yīng)功率控制和固定發(fā)射功率的曲線均呈下降趨勢，當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度稀疏 （單向三車道3輛/km） 時(shí)，自適應(yīng)功率控制的直接鄰居數(shù)據(jù)包投遞率與固定發(fā)射功率相當(dāng)，而隨著節(jié)點(diǎn)密度增加自適應(yīng)功率控制曲線的降幅明顯小于固定發(fā)射功率。這是因?yàn)樵诠?jié)點(diǎn)密度稀疏時(shí)車間距已接近最大通信覆蓋半徑，因此自適應(yīng)功率控制下的節(jié)點(diǎn)基本都采用最大發(fā)射功率進(jìn)行數(shù)據(jù)包發(fā)送，其效果與采用最大發(fā)射功率的固定發(fā)射功率相當(dāng)。隨著節(jié)點(diǎn)密度增大，車間距逐漸減小，固定發(fā)射功率下產(chǎn)生競爭關(guān)系的節(jié)點(diǎn)數(shù)量逐漸增多且愈加嚴(yán)重，而自適應(yīng)功率控制的節(jié)點(diǎn)以覆蓋直接鄰居為目標(biāo)，僅覆蓋個(gè)別冗余節(jié)點(diǎn)，因此自適應(yīng)功率控制下產(chǎn)生競爭關(guān)系的節(jié)點(diǎn)數(shù)量僅少量增多，從而其直接鄰居數(shù)據(jù)包投遞率性能下降小于固定發(fā)射功率的情況。另外，可以看到隨機(jī)功率控制的曲線呈上升趨勢，但性總體劣于前兩者。這是因?yàn)樵诠?jié)點(diǎn)密度稀疏時(shí)，隨機(jī)產(chǎn)生的發(fā)射功率可能無法覆蓋直接鄰居從而導(dǎo)致斷鏈，并且節(jié)點(diǎn)密度越稀疏這種情況越嚴(yán)重，在單向三車道車輛密度為3輛/km時(shí)的直接鄰居數(shù)據(jù)包投遞率僅為24.77%。隨著節(jié)點(diǎn)密度逐漸增大，隨機(jī)功率控制節(jié)點(diǎn)間距逐漸減小，相互覆蓋的概率逐漸增大，因此直接鄰居分組投遞率逐漸上升。但在高速公路場景下車輛密度總體較低，因此常規(guī)路況下（單向三車道車輛密度小于30輛/km）隨機(jī)功率控制的節(jié)點(diǎn)相互覆蓋概率仍較低，總體數(shù)據(jù)包投遞率仍小于固定發(fā)射功率及自適應(yīng)功率控制的性能。

4結(jié)語

本文從車載自組織網(wǎng)絡(luò)的安全應(yīng)用角度出發(fā)，在高速公路場景下對(duì)狀態(tài)安全信息的廣播覆蓋范圍進(jìn)行研究，提出新的功率控制算法。該算法以覆蓋各方向上直接鄰居為目標(biāo)，通過功率控制周期期間監(jiān)聽鄰居信息，構(gòu)建并更新直接鄰居列表，進(jìn)而調(diào)整發(fā)射功率，這也將形成一種新的VANET組網(wǎng)方式。仿真結(jié)果表明，采用自適應(yīng)功率控制算法的節(jié)點(diǎn)與固定發(fā)射功率以及隨機(jī)功率控制的節(jié)點(diǎn)相比能夠針對(duì)車輛密度自適應(yīng)地調(diào)整廣播覆蓋范圍，有效降低信道占用率，同時(shí)保障較高的直接鄰居數(shù)據(jù)包投遞率，提高了車輛行駛的安全性。

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