CN107277855A - 一种保障安全类业务的车联网媒体接入方法 - Google Patents

一种保障安全类业务的车联网媒体接入方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于车联网技术领域，公开了一种保障安全类业务的车联网媒体接入方法，包括：对车辆道路进行分区，并且，各分区采用集中调度，调度车辆选取最靠近分区中心的车辆；采用TDMA接入机制，对beacon信息和EMW信息的车辆传输时隙进行了划分；为了提高信道的利用率，在不会产生干扰的分区间进行时隙共用。本发明综合考虑了beacon和EMW两种信息，并采用针对两种信息的交叉口接入机制；对车辆道路进行了分区，并且，各分区采用集中调度方法接入信道；仿真结果表明，本发明提出的方法极大的提高了车辆网络吞吐量，降低了***MAC接入时延，保证了时隙的充分利用，实现了车辆间安全类信息的可靠通信。

Description

一种保障安全类业务的车联网媒体接入方法
技术领域
本发明属于车联网技术领域，尤其涉及一种保障安全类业务的车联网媒体接入方法。
背景技术
道路交通安全与本发明每个人的生活息息相关，严重交通事故可能会造成大规模的人员伤亡及不必要的财产损失，进而导致局部地区通行能力受阻，基础设施长时间瘫痪，给出行造成极大的不便，并会影响正常公共秩序。随着物联网科学及无线通信技术的快速发展，使得快速构建车联网成为可能。车辆自组织网络(VANETs)是移动自组织网络一个极具应用价值的研究方向，并且为智能交通***的发展提供了一个有效的解决方案。车辆自组织网络以行驶的车辆和道路基础设施为节点，实现车与车之间以及车与道路设施之间的信息交换，从而形成了由车辆与道路基础设施组成的实时通信网络，不仅提高了道路交通的安全性与管理效率，而且增加了驾驶舒适性。近年来，VANETs中车辆安全相关信息的传输在智能交通***中引起了极大的关注。道路上的VANETs安全相关应用也取得了很大的发展，主要包括合作碰撞预警(CCW)，违反交通信号警告(TSVW)，换道警告(LCW)等等。尽管紧急情况下，主要应用通常依靠的是事件驱动信息的交换，但是VANET中周期信息的广播也对安全增强和保障具有极大的意义。对于这些安全相关的应用，消息的正确性和时效性极大地依赖于紧急广播投递率和周期beacon的频率。例如，在合作碰撞预警(CCW)或合作碰撞避免(CCA)***中，成功接收来自邻居车辆的制动通知直接影响了取决于车间距离和数据包传输时延的车间碰撞概率。尽管跟在制动的前车后的两辆车可能有额外的时间进行准备，通过尽可能的无线广播避免潜在碰撞的发生，但是其他beacon信息或事件驱动信息的碰撞可能会使紧急通知传输失败。交叉口道路不同方向上，相互接近的两辆车分别在对方车辆监测的盲点区域，只有在两辆车至少接收到一次广播信息的时候，才能避免潜在碰撞的发生。在VANETs中，一般将车辆视为节点，由于车辆自组网中的车辆基本上都处于运动状态且移动速度较快，如果不考虑车辆的运动速度和方向会造成邻居节点信息的不准确，进而失去一些很好的数据包转发节点，甚至造成数据转发失败。再者，在城市交叉口环境下，由于车流量大、车辆行驶受交通灯和道路的限制、无线信号易受街道上的障碍物阻挡等众多原因，使得VANETs中的信息传输变得更加复杂。因此，如何结合城市道路环境下车辆自组织网络的特点设计出稳定、高效的数据分发协议是车辆自组织网络研究的一个重点。VANETs主要通过车间通信来提高车辆的安全。目前，国际上普遍采用专用短程通信(DSRC)技术来实现VANETs，该技术是基于IEEE 802.11p/WAVE标准，其物理层采用IEEE 802.11a，并能提供3-27Mb/s的传输速率。作为安全类通告信息，其主要包含周期信息和事件驱动信息。周期信息也被称为beacon，它在特定的时间间隔由主车传递给它的邻居车辆。这种信息携带车辆的状态信息，比如位置，速度等等。一旦车辆接收到邻居车辆的beacon信息，车辆就得到了周围环境信息，能够预判可能的危险，如交叉口碰撞或者前方事故信息。这种传输是通过一跳广播实现的。对于beacon信息的接入，一种自适应竞争窗口机制，此设计依赖于本地信道状态信息来改变竞争窗口大小以减少周期性消息的同步冲突，并且用加权窗口选择方法代替IEEE 802.11p中的激进窗口选择方法。此外，在高密度网络中，该设计给丢包的beacon车辆提供优先的信道接入机会。一种保证安全信息优先传输，同时提供非安全信息的高效接入的WAVE兼容增强方案。所提出的方案依赖于beacon的动态生成，通过减少beacon的传输频率来减轻信道拥塞和低效的带宽利用。同时，充分考虑车辆移动性，通过使用聚类机制，分配给车辆不同的beacon频率和不同的数据传输速率。事件驱动型信息或非周期信息传输是通过探测到非常规状况(如道路事故，不安全道路表面等)触发的。探测到事故的车辆马上发送一个预警信号给后面的车辆，从而警告司机采取恰当的行动。由于车辆的传输范围有限，信息需要经过中继车辆的转发从而覆盖相关区域。因此，多跳广播常用来实现事件驱动型预警信息的传输。在保持广播覆盖范围的同时限制转播节点，以控制冗余信息减少过警和虚警的方法，该方法对于超实时消息的快速有效传播有借鉴意义。城市多跳广播协议(UMB)通过引入RTS/CTS握手过程和ACK消息回复，提高了广播消息的可靠性但同时也会导致长时间的延迟，尤其是在节点密度高的网络中。为解决UMB协议的这种弊端，提出了一种基于位置感知的路由协议，称为智能广播(smart broadcast)，使得车联网中广播消息传输更加快速和可靠。频繁地交换beacon信息给通信信道造成了极大的网络负载，在高密度条件下极易造成信息拥塞，降低了吞吐量，增大了时延。同时，当事故发生时，由于网络拥塞，保证生命安全的EMW信息不能接入网络，或者接入时延过长，所以需要对beacon信息和EMW信息的传输进行协调，设计一种缓解网络拥塞的接入机制。车联网中安全信息的可靠实时传输是面向交通安全应用的基础。车联网的节点具有移动速度快和拓扑变换频繁的特点，因此适用于VANET环境的MAC是十分必要的。调研以往的研究工作，对MAC的研究主要对接入机制进行研究。VANETs中MAC接入协议的研究主要分为三类，基于竞争的接入机制，竞争避免的接入机制，和混合接入机制。在竞争避免的接入协议中，当节点有数据要进行传输的时候，首先侦听信道是否为空，如果信道为空，则进行传输，否则需要等待一定预定义的时间，才能接入信道。基于竞争的接入机制则是通过节点之间的竞争获得接入信道的机会。目前车联网的MAC标准是基于IEEE 802.11系列协议的改进的IEEE 802.11p和1609协议，IEEE802.11p是基于竞争模式的MAC协议的典型代表，该协议在2010年被IEEE组织公布为车联网通信的标准协议。但相关研究表明，其以CSMA/CA竞争机制为基础的接入控制方法，在车流密度比较大时，该协议的消息碰撞概率会急剧增加进而导致数据传输成功率急剧下降，同时传输延迟也大幅上升。很容易导致信息拥塞，这对于超实时通信是不能接受的。通过仿真分析评价了IEEE 802.11p的性能，显示当数据传输量较大时IEEE 802.11p不能确保时间敏感业务的传输要求，指出了IEEE 802.11p协议性能和技术上的局限性。基于V2I模式的两种接入优化方案。一是集中式方法，在获取当前通信车辆信息的前提下，以坚持CSMA机制计算退避窗口值替换基于竞争窗口的退避机制，以减少车辆密度增加时导致的冲突现象；二是分布式方法，通过测定固定时间间隔内信道忙闲比例的变化，来决定退避窗口值的增加或减少，以寻求自适应控制信道负载的方法。对应用于车联网的IEEE 802.11MAC协议中竞争窗口的计算方法进行了改进，即首先根据事故位置对节点进行分簇，再按簇中节点的受威胁程度或发布事件的紧急程度计算退避算法所使用的竞争窗口大小，但其所提出的依据紧急程度的退避调整方法只适用于一个簇内避免汽车追尾时的事故预警。提出了一种多信道MAC协议，采用类似于IEEE 802.11p的一个控制信道和多个服务信道，并使用了分布式信标方法和分配式的服务信道接入来提高信道利用率，但该协议并没有考虑安全类应用信息的可靠传输需求。此外，该协议还需要集中控制器，不适合于分布式环境的应用。非竞争的接入机制主要是借助于多址接入。提出了一种集中控制的信道接入控制方法，由于结合使用了TDMA和SDMA，因而降低了安全类信息的传送时延，并且避免了由于隐藏终端而产生的分组冲突。此外，针对空间分集的引入，定向天线也是一种解决信道快速接入并减少冲突和冗余的方法。提出了基于定向天线的信道接入方法，虽然实现相对复杂，但其允许多个终端同时接入同一信道，提高了信道利用率，降低了冲突，从而减少了安全类消息的交互时延。还提出了基于令牌的信道接入控制方法，V2V之间通过协调令牌的使用来快速传递安全类信息。提出了一种免竞争的VeMAC协议，VeMAC协议中每个车辆配备两个天线，其中一个指向控制信道，另一个指向服务信道。控制信道的分配以分布式的方式进行，但这种分布式的信道分配策略效率并不高。提出了一种自适应广播的多信道MAC协议(DMMAC)，DMMAC协议将控制信道分为基于TDMA的自适应广播部分和基于竞争的保留周期部分，自适应广播部分和保留周期部分是根据车辆密度自适应调整的，但该协议的传输时延不是有界的。由于没有考虑环境因素，对信道进行不恰当的选择，容易造成吞吐量效率低下，针对这个问题，提出了一种考虑变化的环境，包括城市，高速高路，乡村等的环境模型，对DSRC通信中的MAC协议进行了环境因素对吞吐量性能和丢包率的影响，但该协议没有对不同环境下具体采用的调度机制进行研究。为了提高信息接入信道的广泛性，很多相关研究工作综合了基于竞争和竞争避免的接入机制。提出了基于车队(platoon)并保障QoS的多信道接入控制方法，在队间采用非竞争接入方法而在队内采用竞争接入，因而适用于安全类应用和非安全类应用。该方案提出使用车队的队首车辆来辅助安全信息的搜集和传送，队首车辆间采用特殊的控制信道通信，保障安全类消息的超实时传送。而对于非实时消息，则由队首节点为对内节点分配基于竞争的服务信道来接入。Abstract近年来，车辆自组织网络(VANETs)被认为是最吸引人的网络结构之一，它提供了包括道路安全到娱乐等多种应用。VANETs主要通过车间通信来提高车辆的安全。安全通信信息主要包含beacon信息和EMW信息。频繁地交换beacon信息给通信信道造成了极大的网络负载，在高密度条件下极易造成信息拥塞，降低网络吞吐量并增大了平均端到端分组时延。同时，当事故发生时，需要对beacon信息和EMW信息的传输进行协调。
综上所述，现有技术存在的问题是：目前车联网接入控制方法存在车流密度比较大时，消息碰撞概率会急剧增加进而导致数据传输成功率急剧下降，同时传输延迟也大幅上升，很容易导致信息拥塞。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种保障安全类业务的车联网媒体接入方法。
本发明是这样实现的，一种保障安全类业务的车联网媒体接入方法，所述保障安全类业务的车联网媒体接入方法包括以下步骤：
步骤一，对车辆道路进行分区，并且，各分区采用集中调度，调度车辆选取最靠近分区中心的车辆；
步骤二，采用TDMA接入机制，对beacon信息和EMW信息的车辆传输时隙进行划分；beacon时隙和EMW时隙的最大分配表示为：
Maximize Z＝x+y；
Subject to
tB*NB*x+tE*NE*y≤t；
其中，x和y分别表示beacon和EMW信息的时隙数；tB和tE分别表示beacon和EMW信息的传输时间，NB和NE分别表示beacon和EMW信息的个数；t表示传输周期总时间；求得的x和y对beacon和EMW信息的时隙数进行划分；
步骤三，在不会产生干扰的分区间进行时隙共用，车辆产生一个安全信息，定义区域内的干扰Is为：
其中，πm表示一个常数，Pow(i)表示源节点i发送的数据包在接收节点的信号强度；
Pow(i,k)＝Pow(i)-[92.44+20logf(GHZ)+logdik(km)]；
其中，dik表示发送节点与其预期接收节点之间的距离；
接收信号的SINR应当至少满足接收机处的SINR阈值，根据载波侦听门限CCAh的定义有：
CCAth≥Is；
取：
CCAth＝Is；
给定载波侦听阈值CCAth，即可得到其对应的载波侦听范围D，即两个并发发送节点之间允许的最小距离；当两个分区之间调度车辆的距离大于载波侦听范围距离D时，则两分区之间共用传输周期和传输时隙。
进一步，所述步骤一中车辆道路分区具体包括：
(1)车载无线信息收发器的无线通信半径R确定为：
R＝LM+Ly；
其中，Ly表示确保安全距离的边缘信息可达的裕量；
Lm表示车辆安全的最小间距。
(2)交叉口道路划分，交叉口内部区域具有最高的优先级，表示为分区1，最远区域表示为分区2，分区1与分区2之间的区域表示为分区3，同样左边道路也进行同样的划分；
(3)分区宽度的平均间距E(l)表示为：
其中，R表示车辆的传输范围，表示车间距服从指数分布的参数，f(x)为每个车间距概率；取分区宽度为E(l)。
进一步，所述步骤二中时隙分配包括：
无碰撞事故时，车辆间只进行beacon信息的交换；
有碰撞事故时，车辆间进行beacon信息和EMW信息的交换。
进一步，所述步骤二中时隙调度用一个二进制矩阵来表示；时隙调度矩阵为X＝[xmi]M×N的表示形式，每一行表示一个时隙，每一列表示一辆车，如果xmi＝1，则表示时隙m分配给车辆i；
时隙调度矩阵分为三种；
时隙和车辆一一对应的情况，调度矩阵表示为
一个时隙对应多个车辆的情况，调度矩阵表示为
多个时隙分配给一个车辆的情况，调度矩阵表示为
本发明的另一目的在于提供一种应用所述保障安全类业务的车联网媒体接入方法的车联网。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述保障安全类业务的车联网媒体接入方法的汽车。
本发明的优点及积极效果为：对车辆道路进行分区，并且，各分区采用集中调度，调度车辆选取最靠近分区中心的车辆；采用TDMA接入机制，对beacon信息和EMW信息的车辆传输时隙进行了划分；最后，为了提高信道的利用率，本发明在不会产生干扰的分区间进行时隙共用。本发明综合考虑了beacon和EMW两种信息，并采用了针对两种信息的交叉口接入机制；对车辆道路进行了分区，并且，各分区采用集中调度方法接入信道；仿真结果表明，本发明提出的方案极大的提高了车辆网络吞吐量，降低了***MAC(接入or信息传输)时延，保证了时隙的充分利用，实现了车辆间安全信息的可靠通信。
附图说明
图1是本发明实施例提供的保障安全类业务的车联网媒体接入方法流程图。
图2是本发明实施例提供的安全信息接入机制框架示意图。
图3是本发明实施例提供的道路分区示意图。
图4是本发明实施例提供的时隙划分示意图。
图5是本发明实施例提供的时隙预留示意图。
图6是本发明实施例提供的时隙车辆对应关系示意图；
(a)一一对应；(b)一对多；(c)多对一。
图7是本发明实施例提供的干扰距离示意图。
图8是本发明实施例提供的平均吞吐量示意图。
图9是本发明实施例提供的平均传输时延示意图。
图10是本发明实施例提供的信道利用率示意图。
图11是本发明实施例提供的分组接收概率曲线图。
图12是本发明实施例提供的分组接收概率示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的保障安全类业务的车联网媒体接入方法包括以下步骤：
S101：对车辆道路进行分区，并且，各分区采用集中调度，调度车辆选取最靠近分区中心的车辆；
S102：采用TDMA接入机制，对beacon信息和EMW信息的车辆传输时隙进行了划分；
S103：为了提高信道的利用率，在不会产生干扰的分区间进行时隙共用。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
本发明研究对象为十字形无信号交叉口，在此场景下，车辆较为密集，由于车辆网通信的信道资源有限，车辆之间的通信会产生拥塞。对于主动安全***的应用，信道拥塞会严重影响***的性能。当有大量车辆通过高速率发送beacon信息，或者产生多种事件驱动型信息时，信道带宽会被很快耗尽，从而大量数据包碰撞会发生。在紧急条件下(如发生事故)，当信道发生拥塞时，不能接入信道的重要生命安全驱动信息或者被丢弃，或者经过长时间的时延才传递到目的接收车辆。另一方面，beacon信息又有重要的作用，beacon信息给车辆提供周围环境信息，对探测潜在碰撞具有重要的帮助。因此，beacon的丢失会对车辆的安全造成严重的威胁。因为拥塞场景的重大影响，保持信道免于拥塞具有重大意义。本发明的目的是设计一个媒介接入方案，保证足够的带宽分配给beacon信息和事件驱动型信息(如EMW)，从而使安全应用的时延和可靠性不被影响，特别是车辆密度大的时候，避免网络拥塞，提高网络的吞吐量，减少传输时延。
本发明的为解决安全信息的接入问题，即VANET中的beacon和EMW信息。采用TDMA接入机制，本发明将时间划分为时隙，期望车辆在每个时隙发送一个beacon，如果车辆检测到异常情况，发送EMW消息。本发明假设每辆车都配备了GPS接收机和数字地图。图3给出了本发明提出的基于MAC的安全信息接入机制设计的总体框架。首先，对道路和车辆进行分区并对分区进行编号。由于车辆的高速移动性和隐藏终端的存在，在所提出的MAC中，本发明采用集中调度，在每个分区中选择一个调度车辆。然后，采用TDMA接入机制，对beacon和EMW信息的车辆传输时隙进行了划分。此外，本发明对于beacon和EMW信息的时隙调度进行了简单的分析。最后，为了提高信道利用率，本发明设计了分区间时隙共用机制，在不产生互相干扰的两道路分区间可以进行时隙的共用。
下面分别对各部分进行具体的解释说明，即(A)车辆道路分区，(B)选取调度车辆，(C)时隙划分，(D)时隙调度，(E)分区间时隙共用。
下面分节对图2中的各模块做出说明。
1、车辆道路分区
确定广播半径
本发明定义车辆安全的最小间距由三部分组成：驾驶员反应时间内行驶的距离L1，开始制动汽车到汽车完全停止所行驶距离(制动距离)L2，再加安全距离L0(5～10m)。按下式计算：
LM＝L1+L2+L0, (1)
任一汽车将该安全范围内的车辆视为汽车群，需要及时收听群内其他汽车播发的信息，定时向群内成员广播信息，对安全距离以外的车辆视为群外成员，群外的信息可不必知晓。因此车载无线信息收发器的无线通信半径R可确定为：
R＝LM+Ly, (2)
其中，Ly表示确保安全距离的边缘信息可达的裕量。
交叉口道路划分
在本发明中，假设存在一个密集网络，车辆节点独立分布于交叉口区域，假设发送车辆知道交叉口周围车辆的位置信息，本发明设定位于交叉口区域内部的车辆具有比较高的优先级，能够首先进行信息的转发。
本发明的接入机制对图2所示场景建立了4个道路分区，如图3所示。每一个分区分配一个ID。交叉口内部区域具有最高的优先级，表示为分区1，最远区域表示为分区2，分区1与分区2之间的区域表示为分区3，同样左边道路也进行同样的划分。
确定分区宽度
为了减少同一分区内车辆竞争同一时隙，所以对于分区宽度的选取，本发明根据车辆间距来确定。
在通常情况下，分区车辆的到达过程服从到达率是邻居车辆密度的泊松过程。假设车辆间距服从参数为的指数分布。
如果车间距服从参数为的指数分布，那么要计算两车的平均车间距E(l)，本发明需要计算在发送传输范围内的每个车间距概率f(l|l≤R)，并对其进行加权积分。
车间距概率可以表示为：
其中，f(l|l≤R)表示车间距的概率密度分布函数。所以本发明可以得到车辆的平均间距E(l)可以表示为：
其中，R表示车辆的传输范围。本发明中，本发明取分区宽度为E(l)。
2、选取调度车辆
在每个广播周期中，每个分区的调度车辆进行该分区中的车辆的信息传输调度。传输调度提供诸如向车辆分配时隙的信息，传输什么信息(beacon或EMW)等。
在每个分区中，车辆的时隙分配需要集中式或分布式调度方法。分布式调度指的是车辆通过监测邻居车辆的行为自己进行时隙的选择。然而，由于车辆高速移动和隐藏终端的存在，分布式方法不会免于分组冲突。在本发明的接入机制中，本发明采用集中调度，在每个分区中选择一个调度车辆。
本发明在beacon中引入flag状态变量，如果设置flag＝1，则表示该车为调度车辆，如果设置flag＝0，则表示该车为普通车辆。具体选择过程可以表述如下：
在MAC开始阶段，每个车辆通过接收到的邻居车辆的beacon信息(位置，速度，加速度)确定到该分区的中心最近的车辆。如果车辆发现自己是最近的车辆，它广播其作为调度车辆的beacon状态信息。本发明假设每个分区中的车辆可以成功地接收彼此的beacon。然而，由于移动性，车辆不能获得其他车辆的确切位置。此外，可能存在多于一个车辆位于距离分区中心相等的距离处。因此，多个车辆在其beacon中设置其调度车辆的地位。为了选择一个车辆作为调度车辆，当车辆首次接收到具有调度车辆状态的beacon时，发送车辆被认为是该分区的调度车辆。当其他相等距离车辆接收到这样的beacon时，他们设置自己beacon中的flag＝0，车辆变为普通车辆。
调度车辆选择过程在以下三种情况下被调用：初始调度阶段(情况1)，当前调度车辆离开该分区(情况2)，车辆进入空分区(情况3)。
情况1：在初始调度阶段，在经过一定数量的传输周期后，车辆行驶入交叉口区域，在该车所处的分区中，车辆将参与调度车辆的选择过程。具体实现是：每个车辆通过接收到的邻居车辆的beacon信息(位置，速度，加速度)确定到该分区的中心最近的车辆。如果车辆发现自己是最近的车辆，设置其flag＝1，并广播其作为调度车辆的beacon状态信息；否则，设置其flag＝0。
情况2：为了避免调度过程中断，应在当前调度车辆离开该分区之前选择一个新的调度车辆。为了保证信息的及时传输，本发明应该确保经过很少的传输周期来选择新的调度车辆。假设在第i个传输周期中，如果当前调度车辆估计在第i+1个传输周期中它将位于新的分区中，则它通知车辆选择新的调度车辆。由于已经为当前调度车辆的beacon传输分配了明确的时隙，因此，使用基本调度车辆选择过程，可以成功地选择单个车辆作为新的调度车辆。
情况3：当分区内没有车辆时，不需要调度车辆，但是，当稍后有车辆进入该分区时，需要进行调度车辆的选取。这种情况与情况1相似，只需当车辆接收到具有调度车辆状态的有效beacon时，选择相应的发送车辆作为调度车辆即可。同时，对于存在多于一个最近车辆选择相同随机时隙的情况，也通过针对情况1描述的机制来实现单个调度车辆的选择。
3、时隙划分
网络采用TDMA接入机制时，如图4所示，时间被分为大量等宽的分区，称为帧。每帧对应一个传输周期，每个传输周期由很多时隙组成，每个时隙能够传递一个安全信息(beacon或者EMW信息)。时隙分配的问题就是根据不同的网络环境，将时隙资源分配给网络中的对象，对象分为链路和节点，在本发明中，本发明面向节点分配时隙，这种分配称为广播式调度。
安全信息的时隙分配分成两种情况，分为：
无碰撞事故时
在这种情况下，车辆间只进行beacon信息的交换。
有碰撞事故时
在这种情况下，车辆间进行两种信息(beacon和EMW信息)的交换。采用TDMA的接入机制时，需要对两种信息的时隙进行分配，即需要计算MAC帧中beacon和EMW信息的时隙数。
根据统计，本发明得到无信号控制交叉口中双向两车道交叉口的车车冲突数的一般表示形式如下式所示：
Nm＝Nd＝n(n-2), (7)
Nt＝Nj+Nm+Nd, (8)
其中，Nj表示交叉冲突数，Nm表示合流冲突点数，Nd表示分流冲突点数。n表示交叉口相交道路数。
则交叉口冲突数Nc，即EMW信息个数NE可表示为：
NE＝Nc＝Nt·P, (9)
其中，P表示车辆碰撞概率。在不使用beacon信息的条件下，Artimy等得到了车辆密度ρ的表示如下式所示：
λ'＝λ/umaxkjam, (11)
其中，Ts表示测试车辆离开交叉口的时间，Tt表示测试车辆进入交叉口的时间，umax表示车辆最大速度，kjam表示已经拥塞的车辆网络的最大车辆密度，λ和η表示道路的交通服务水平，对于城市，郊区和高速公路场景，他们取不同的值，这些值是基于在交通堵塞情况下车辆之间的安全车头时间计算的，通过统计或仿真通过模拟来确定。
则在长度为L的分区中，beacon信息的个数可表示为：
NB＝ρ·L. (12)
一般地，一个时隙传输一个信息，但是由于VANET中安全型消息对时延要求严格，对每个时间帧的长度有限制，每个时间帧中能划分的时隙数有限，因此在每个时间帧中能容纳的信息数也是有限的。为了保证向分区提供最大数量的时隙，本发明提出以下混合整数规划(MIP)公式，其解决方案确保beacon时隙和EMW时隙的最大分配：
Maximize Z＝x+y, (13)
Subject to
tB*NB*x+tE*NE*y≤t, (14)
其中，x和y分别表示beacon和EMW信息的时隙数。tB和tE分别表示beacon和EMW信息的传输时间，t表示传输周期总时间。
这样，本发明根据求得的x和y对beacon和EMW信息的时隙数进行了划分，下面本发明介绍车辆对两种信息的调度过程。
4、时隙调度
如图4所示，每个传输周期分为TB和TE两个传输时段，分别传输beacon信息和EMW信息，调度车辆使用车辆NodeID为车辆分配传输时隙，构建用于两个传输时段的时隙调度。调度车辆对分区内n个车辆将要传输的信息进行分类，并形成两组，按照NodeID分别存到相应的缓存区。在发送周期TE中调度具有第k个NodeID的车辆，而在发送周期TB中调度具有n-k个NodeID的剩余部分的车辆。
对于EMW信息，由于EMW信息具有高优先级，当车辆i传输的信息为EMW信息时，车辆i可以在分配的EMW信息时隙中进行优先随机选择，并通过黑脉冲进行占领。基本上，本发明在每个时隙之前引入一个小间隙，如图5所示，其中该间隙由紧急消息发送器用来发送能量脉冲以保留下一个时隙。
由于在特定的预留时隙中发送紧急消息，所以确保了可靠性，没有留下冲突的范围。
对于beacon信息的时隙调度，参照VeSOMAC协议，本发明采用基于车辆节点的位置和行驶方向的时隙分配。在行驶方向上位置越靠前的车辆节点在时间帧中被分配到的时隙也越靠前。若车辆节点按照行驶方向上的位置排序为A-B-C-D，则在每个时间帧的时隙顺序也是A-B-C-D。每一个时间帧的第一个时隙都是分配给调度车辆，调度车辆根据分区中其他车辆的位置进行时隙分配并在分区车辆发生变化时调整时隙分配。例如，在有新车辆加入分区、车辆离开分区，或分区内车辆的位置发生了变化时，需要重新进行时隙分配。
本发明可以用一个二进制矩阵来表示调度过程。图6演示了调度矩阵X＝[xmi]M×N的表示形式，如图所示，每一行表示一个时隙，每一列表示一辆车，如果xmi＝1，则表示时隙m分配给车辆i。调度矩阵主要分为三种情况：其中，图6(a)是时隙和车辆一一对应的情况，调度矩阵表示为图6(b)是一个时隙对应多个车辆的情况，调度矩阵表示为图6(c)是多个时隙分配给一个车辆的情况，调度矩阵表示为
每个车辆知道其所在的分区以及同一分区内其他车辆的存在。车辆考虑自己的NodeID和邻居车辆的NodeID，形成排序列表，它们属于相同分区和相同传输周期。然后，根据从调度车辆接收的时隙序列，车辆基于其在排序列表中的顺序来获取其时隙。
5、分区间时隙共用
如果两个分区之间的距离足以避免由同时传输引起的干扰，如图3中的分区2和分区4，则可以向两个分区分配相同的传输时段。
本发明将该问题简化为图7所示的场景，节点A和B属于不同的分区，如果节点A和B同时发送信息，则它们的传输可能彼此干扰，导致分组冲突。但是，若两个分区距离超出一定的门限，节点A和B不能产生干扰，则节点A和B所在的分区能够共用相同传输周期及其时隙。
本发明的目标是允许在特定距离处的这种并行传输，使得A和B的分组在传输范围内被成功接收。
在本发明中，假设存在一个密集网络，车辆节点独立分布于区域Area，每辆车有相同且固定的传输功率P。
假设车辆产生一个安全信息，本发明定义研究区域内的干扰Is为：
其中，πm表示一个常数，Pow(i)表示源节点i发送的数据包在接收节点的信号强度。
Pow(i,k)＝Pow(i)-[92.44+20logf(GHZ)+logdik(km)], (17)
其中，dik表示发送节点与其预期接收节点之间的距离。
为了使安全信息成功解码，只有在用户检测到的无线电信号强度低于载波侦听阈值时，该用户才能尝试访问该信道。接收信号的SINR应当至少满足接收机处的SINR阈值。根据载波侦听门限CCAh的定义，本发明有：
CCAth≥Is (18)
为了尽可能的提高信道利用率，取：
CCAth＝Is (19)
给定载波侦听阈值CCAth，即可得到其对应的载波侦听范围D，即两个并发发送节点之间允许的最小距离。
规定当两个分区之间调度车辆的距离大于载波侦听范围距离D时，则两分区之间可以共用传输周期和传输时隙，提高了时隙利用率。
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。
为了了解本发明所提出的接入机制的性能，本发明使用MATLAB模拟一个传输周期内节点选择时隙的过程，并模拟其在若干个周期内的运行情况。
1、仿真参数
本发明中提出的分区数据传输协议的应用场合为城市道路场合。每个车辆定期生成beacon。此外，本发明允许5％的车辆在仿真期间在不同时刻产生紧急消息。为了对比本发明提出的CCAM(Congestion Control Access Mechanism)协议和D-FPAV、IEEE802.11p协议的性能，本次仿真中车联网环境参数设置如表1所示。
表1仿真参数配置
车道通信半径 300m
车辆数目 20～160
无线信息传输速率 6Mbps
通信半径 300m
beacon信息周期 100ms
EMW信息周期 100ms
数据包大小 300Byte
2、仿真指标
(1)网络吞吐量(S)
网络吞吐量定义为每秒成功传输有效载荷位的平均数目。此参数可直接评估本发明的模型的性能。现在，本发明分析证明CCAM协议能够提高网络吞吐量。
设第i个节点需要发送数据的概率为Pi，IEEE802.11p和CCAM的网络平均吞吐量分别为Sp、Sc，则有网络吞吐量期望值表示为：
其中，S表示网络随机吞吐量，Si表示第i个节点网络吞吐量，Nc表示当前已关联节点数，Ns表示可分配的传输时隙总数，μi表示时隙中成功发送数据帧的平均个数，D表示帧中数据开销大小，Ls表示帧长度。
在相同的场景和参数设置下，CCAM协议与IEEE802.11p协议的参数D、Ls、Pi是相同的。而CCAM协议有更多的时隙用于正常数据传输，因此μi'＞μi，Ns'＞Ns，即Sc＞Sp。
(2)分组传输时延(TD)
分组传输时延定义为所有发送的分组通过所有的活动的车辆在仿真周期中的平均的延迟时间。计算公式如下：
其中di表示第i个数据时延，N表示当前网络中MAC层已正确接收的数据个数。
(3)时隙利用率(SU)
时隙利用率是指数据帧传输时间占信道总时间的比例，最能体现MAC协议的工作效率，计算公式如下：
其中Ti表示第i个数据帧传输时延，Ts表示网络通信总时长。数据帧传输时间所占比例越大，说明信道资源无效浪费越少，MAC工作效率越高。
(4)分组接收概率(Pc)
分组接收概率定义为当发送分组时，与消息发送方距离d±2.5m处的成功接收广播分组的车辆占所有车辆的百分比。本发明在两种传输情况下研究了本参数的性能。第一种情况仅涉及beacon信息接入。第二种情况涉及beacon和EMW信息。这种情况的动机主要是研究在遇到紧急事故的情况下，两种信息同时传输的可靠性。
3、仿真结果
本发明将CCAM方案与IEEE 802.11p和D-FPAV进行性能比较。其中在IEEE 802.11p中，车辆使用泛洪广播安全信息。D-FPAV也是在车辆通信研究中高度引用的工作，它通过传输功率控制来解决信道拥塞问题，主要在传播延迟和消息重传量方面改善网络性能。
图8表示了节点密度从10变化到110的网络平均吞吐量性能。值得注意的是，在这种情况下，本发明的CCAM总是胜过其他两个。在整个仿真过程中，CCAM的平均吞吐量持续增加，并且增加速率持续比较高，最终CCAM输出大约2.4Mbps，远远大于IEEE 802.11p和D-FPAV的吞吐量。后期工作中本发明可以继续增大车辆密度，观察吞吐量速率减小时候的吞吐量增加情况。首先，这个结果表明引进更多发送节点对吞吐量的影响大于随之带来的引入车辆网络的冲突的影响。IEEE802.11p与D-FPAV在整体上性能差别不大。一般情况下，D-FPAV性能略好。但是，与点50相比，D-FPAV在点70点吞吐量增加缓慢。这是因为在D-FPAV中，研究重点在于如何实现不同活动节点之间的传输机会的公平性。每个节点从分配的最小发射功率开始，然后只要满足beacon网络负载上的条件，就同时增加它们的发射功率。以这种方式，公平性得到保证，但是网络中的总吞吐量被损坏。结果，当有太多节点同时增加其发送功率时，D-FPAV输出较低的平均吞吐量，由此也增加了相互干扰，从而导致每个节点的较低传输机会。此外，本发明的CCAM比IEEE802.11p和D-FPAV的优越性实际上归因于分布式干扰消除机制。以这种方式，可以通过本地节点之间的传输机会分配来最大化全局吞吐量。
接下来，本发明观察beacon和EMW信息的平均传输时延。如图9所示，所有方案的平均传输时延随着车辆密度的增加而增加。但是，在D-FPAV和IEEE 802.11p中，平均传输时延增长率远远高于本发明的CCAM方案。当本发明的车辆密度达到110车/km时，IEEE 802.11p传输时延达到500ms，同时，D-FPAV也将近500ms，但是，本发明提出的CCAM方案将所有车辆密度的传输时延保持在大约150ms。这是由于在D-FPAV和IEEE 802.11p中，由于EMW信息以较高优先级发送，beacon被延迟发送，甚至一些beacon信息达到其等待时间而被丢弃。然而，在CCAM中，当生成EMW信息时，仍然会分给beacon时隙进行传输。因此，CCAM显示最低平均传输时延。
图10给出了在不同车辆密度条件下，时隙利用率的变化曲线。如图所示，在车辆密度较低的情况下(低于70车/km)，时隙利用率快速增加，随后，随着车辆密度继续增加，时隙利用率增加缓慢。对于IEEE 802.11p，随着车辆密度的增加，时隙利用率最多时达到67％，对于D-FPAV，时隙利用率最多时也不超过70％。相比之下，本发明的模型最大时隙利用率达到了90％，远远低于D-FPAV和IEEE 802.11p，这是由于时隙的充分利用及服务延迟的需求得到了保证，并且不同时隙之间的干扰也被考虑其中，这样为分组的成功传输提供了保证，进一步提高了时隙利用率。(删除)
图11表示了三种协议只发送beacon信息的分组接收概率，其收发距离从50到300变化。在收发车辆之间相距50m时，本发明的方案，即CCAM，能够向大约98％的预期接收者传递beacon来实现对TDMA协议的显着改进。即使在300米，它仍然可以保持很高的接收概率，高达95％。这是因为在D-FPAV和IEEE 802.11p二者的情况下使用不可靠的信道接入机制，例如CSMA/CA。然而，D-FPAV在相同负载条件下使用较高的通信范围，即使用较高的发射功率，因此，在较大距离处，其接收概率高于IEEE802.11p。
图12示出了beacon和EMW信息的分组接收概率。如图所示，在所有三种协议(即CCAM、D-FPAV和IEEE 802.11p)中，EMW信息的接收概率始终高于beacon的接收概率。这是因为EMW信息总是通过发送脉冲来保留一个时隙，因此没有分组冲突。如预期的，CCAM在所有协议中实现最高的接收概率。在beacon的接收概率方面，与图12相同，本发明的方案胜过D-FPAV和IEEE 802.11p，因为基于竞争的方案中，beacon必定会由于EMW信息的高优先级传输而花费更多的时间来后退。因此，在D-FPAV和IEEE 802.11p的情况下的接收概率比CCAM的接收概率低得多。
本发明实现了beacon信息和EMW信息的接入机制，该方法提高了信道的利用率，降低了信息传输时延。在本发明中，首先，对车辆道路进行分区，并且，各分区采用集中调度，调度车辆选取最靠近分区中心的车辆；然后，采用TDMA接入机制，对beacon信息和EMW信息的车辆传输时隙进行了划分；最后，为了提高信道的利用率，本发明在不会产生干扰的分区间进行时隙共用。但是，本发明提出的安全信息接入机制在各分区间采用了相同的数据速率，为了提高信息的接入速度，同时避免碰撞，本发明可以在不同分区间采用不同的数据速率，同时可以扩展道路分区方法，实现动态分区。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种保障安全类业务的车联网媒体接入方法，其特征在于，所述保障安全类业务的车联网媒体接入方法包括以下步骤：
步骤一，对车辆道路进行分区，并且，各分区采用集中调度，调度车辆选取最靠近分区中心的车辆；
步骤二，采用TDMA接入机制，对beacon信息和EMW信息的车辆传输时隙进行划分；beacon时隙和EMW时隙的最大分配表示为：
Maximize Z＝x+y；
Subject to
tB*NB*x+tE*NE*y≤t；
<mrow> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>I</mi> <mi>f</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>t</mi> <mi>B</mi> </msub> <mo>*</mo> <msub> <mi>N</mi> <mi>B</mi> </msub> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>E</mi> </msub> <mo>*</mo> <msub> <mi>N</mi> <mi>E</mi> </msub> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>x</mi> <mo>-</mo> <mi>y</mi> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <mn>0</mn> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>y</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>int</mi> <mi>e</mi> <mi>g</mi> <mi>e</mi> <mi>r</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>O</mi> <mi>t</mi> <mi>h</mi> <mi>e</mi> <mi>r</mi> <mi>w</mi> <mi>i</mi> <mi>s</mi> <mi>e</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>y</mi> <mo>-</mo> <mi>x</mi> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <mn>0</mn> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>x</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>int</mi> <mi>e</mi> <mi>g</mi> <mi>e</mi> <mi>r</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mtd> </mtr> </mtable> <mo>;</mo> </mrow>
其中，x和y分别表示beacon和EMW信息的时隙数；tB和tE分别表示beacon和EMW信息的传输时间，t表示传输周期总时间；NB和NE分别表示beacon和EMW信息的个数；求得的x和y对beacon和EMW信息的时隙数进行划分；
步骤三，在不会产生干扰的分区间进行时隙共用，车辆产生一个安全信息，定义区域内的干扰Is为：
<mrow> <msub> <mi>I</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>=</mo> <munder> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>m</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>A</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>a</mi> </mrow> </munder> <munder> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>A</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>a</mi> </mrow> </munder> <msub> <mi>&amp;pi;</mi> <mi>m</mi> </msub> <mi>P</mi> <mi>o</mi> <mi>w</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>
其中，πm表示一个常数，Pow(i)表示源节点i发送的数据包在接收节点的信号强度；
Pow(i,k)＝Pow(i)-[92.44+20logf(GHZ)+logdik(km)]；
其中，dik表示发送节点与其预期接收节点之间的距离；
接收信号的SINR应当至少满足接收机处的SINR阈值，根据载波侦听门限CCAh的定义有：
CCAth≥Is；
取：
CCAth＝Is；
给定载波侦听阈值CCAth，即可得到其对应的载波侦听范围D，即两个并发发送节点之间允许的最小距离；当两个分区之间调度车辆的距离大于载波侦听范围距离D时，则两分区之间共用传输周期和传输时隙。
2.如权利要求1所述的保障安全类业务的车联网媒体接入方法，其特征在于，所述步骤一中车辆道路分区具体包括：
(1)车载无线信息收发器的无线通信半径R确定为：
R＝LM+Ly；
其中，Ly表示确保安全距离的边缘信息可达的裕量；Lm表示车辆安全的最小间距；
(2)交叉口道路划分，交叉口内部区域具有最高的优先级，表示为分区1，最远区域表示为分区2，分区1与分区2之间的区域表示为分区3，同样左边道路也进行同样的划分；
(3)分区宽度的平均间距E(l)表示为：
<mrow> <mi>E</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>l</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mn>0</mn> <mi>R</mi> </msubsup> <mi>x</mi> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>x</mi> <mo>=</mo> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mn>0</mn> <mi>R</mi> </msubsup> <mi>x</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mfrac> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mo>&amp;part;</mo> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>x</mi> </mrow> </msup> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mo>&amp;part;</mo> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>R</mi> </mrow> </msup> </mrow> </mfrac> <mi>d</mi> <mi>x</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mo>&amp;part;</mo> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mi>R</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mo>&amp;part;</mo> <mi>R</mi> </mrow> </msup> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mo>&amp;part;</mo> <mi>R</mi> </mrow> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>
其中，R表示车辆的传输范围，表示车间距服从指数分布的参数，f(x)为每个车间距概率；取分区宽度为E(l)。
3.如权利要求1所述的保障安全类业务的车联网媒体接入方法，其特征在于，所述步骤二中时隙分配包括：
无碰撞事故时，车辆间只进行beacon信息的交换；
有碰撞事故时，车辆间进行beacon信息和EMW信息的交换。
4.如权利要求1所述的保障安全类业务的车联网媒体接入方法，其特征在于，所述步骤二中时隙调度用一个二进制矩阵来表示；时隙调度矩阵为X＝[xmi]M×N的表示形式，每一行表示一个时隙，每一列表示一辆车，如果xmi＝1，则表示时隙m分配给车辆i；
时隙调度矩阵分为三种；
时隙和车辆一一对应的情况，调度矩阵表示为
一个时隙对应多个车辆的情况，调度矩阵表示为
多个时隙分配给一个车辆的情况，调度矩阵表示为
5.一种应用权利要求1～4任意一项所述保障安全类业务的车联网媒体接入方法的车联网。
6.一种应用权利要求1～4任意一项所述保障安全类业务的车联网媒体接入方法的汽车。
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