（通信与信息系统专业论文）基于ieee80211p协议的车载网络接入协议性能研究.pdf

一熘一 摘要 车载自组织网络是无线a dh o c 网络在车载环境下的应用。它的主要目的是提高 行车的安全性，有效性和舒适性。 无线信道媒体接入控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 机制是车载自组织 网络的关键技术之一，也是车载自组织网络支持服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 的关键。专用短程通信( d e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n s ，d s r c ) 使用的 接入协议i e e e8 0 2 1 1 p 通过增强型分布式接入控制( e n h a n c e dd i s t r i b u t i o n c o o r d i n a t ea c c e s s ，e d c a ) 及优先级划分来提供q o s 保证。本文对d s r c 进行介绍， 分析i e e e8 0 2 1 l p 接入原理，并对其性能进行仿真分析。在i e e e8 0 2 1l pm a c 的基 础上，针对窗口调整算法存在的缺陷，提出了基于网络密度检测和重传次数的自 适应窗口调整算法。仿真结果表明，新算法的时延，丢包率和吞吐量都优于原有 算法。 如果节点的传输距离固定，那么节点很难适应车载自组织网络环境的动态变 化。为了解决这个问题，本文提出了一种基于信道忙闲状态时间比检测和误分组 率检测的自适应传输距离调整算法。仿真结果表明，新算法能在较大程度上改善 网络性能。 关键字：车载自组织网络媒体接入控制l e e e8 0 2 1 1 p 增强型分布式接入控制 a b s t r a c t a b s t r a c t v e h i c u l a ra dh o en e t w o r ki sa na p p l i c a t i o no fw i r e l e s sa dh o en e t w o r ki nt h e a u t o m o t i v ee n v i r o n m e n t i t sm a i np u r p o s e sa l et o i m p r o v et r a f f i cs a f e t y , t r a f f i c e f f e c t i v e n e s sa n dt r a f f i cc o m f o r t w i r e l e s sc h a n n e lm e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) m e c h a n i s mi so n eo ft h ek e y t e c h n o l o g yo f v e h i c u l a ra dh o cn e t w o r k a l s oi st h es t i c k i n gp o i n to fs u p p o r t i n gq u a l i t y o fs e r v i c e ( q o s ) i nv e h i c u l a ra dh o en e t w o r k m e d i u ma c c e s sp r o t o c o li e e e8 0 2 1lp ， w h i c hi su s e di nt h ed e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n ( d s r c ) ，u t i l i z e se n h a n c e d d i s t r i b u t i o nc o o r d i n a t ea c c e s s ( e d c a ) a n dp r i o r i t i z a t i o nt op r o v i d eq o sg u a r a n t e e s i nt h i sp a p e r , w ei n t r o d u c et h ed s r cs y s t e m s ，a n da n a l y z et h ea c c e s sp r i n c i p l e so f i e e e8 0 2 1lpa n di t sp e r f o r m a n c et h r o u g hs i m u l a t i o n b a s e do nt h er e s e a r c ho ni e e e 8 0 2 1lpm a cm e c h a n i s m ，i nt e r m so ft h es h o r t c o m i n g so ft h ec o n t e n t i o nw i n d o w a d j u s t m e n ta l g o r i t h m ，a na d a p t i v ec o n t e n t i o nw i n d o wa d j u s t m e n ta l g o r i t h m ，w h i c hi s b a s e do nt h en e t w o r kd e n s i t yd e t e c ta n dp a c k e tr e t r a n s m i s s i o n s ，i sp r e s e n t e di nt h i s p a p e r s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en e wa l g o r i t h mi sb e t t e rt h a nt h eo r i g i n a l a l g o r i t h mi nd e l a y , p a c k e tl o s sr a t i oa n dt h r o u g h p u t n o d e sa r ed i f f i c u l tt oa d a p tt ot h ed y n a m i cc h a n g e so ft h ev e h i c u l a ra dh o e n e t w o r ke n v i r o n m e n ti fan o d e st r a n s m i td i s t a n c ei sf i x e d i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m ， t h i sp a p e rp r o p o s e sa na d a p t i v et r a n s m i s s i o nd i s t a n c ea d j u s t m e n ta l g o r i t h mw h i c hi s b a s e do nc h a n n e lb u s ys t a t u sd e t e c ta n df a l s ep a c k e tr a t i od e t e c t s i m u l a t i o nr e s u l t i n d i c a t e st h a tt h en e wa l g o r i t h mc a l li m p r o v en e t w o r kp e r f o r m a n c et oag r e a t e re x t e n t k e y w o r d s ：v e h i c u l a r a dh o c n e t w o r km a ci e e e8 0 2 1i pe d c a 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 随着人们生活水平的不断提高，公共交通越来越拥挤，而车辆的数量却在逐 年增多，交通事故，尤其是高速公路下的追尾事故时有发生，因此行车安全越来 越受到人们的广泛关注。据公安部交通管理局通报，2 0 0 9 年，全国共发生道路交 通事故2 3 8 3 5 1 起，造成6 7 7 5 9 人死亡、2 7 5 1 2 5 人受伤，直接财产损失9 1 亿元。 由于当前车载环境的安全问题令人堪忧，且交通拥堵越来越严重，仅仅依靠基础 设施建设不仅要投入大量的资金，还会造成资源的巨大浪费。为了改善行车的安 全性，有效性和舒适性，车载自组织网络便应运而生。对于车载自组织网络，涉 及安全等信息的传输时延非常敏感。举个例子，高速公路下车辆以1 2 0 k m h 的速 度行驶。假设安全距离为1 5 0 m ，当发生车祸时，必须在不到5 s 的时间内将车辆停 下来才能避免碰撞，除去驾驶员反应时间，真正用于刹车的时间是非常有限的。 而如果我们能成功的让驾驶员提前1 s 做出反应，那么就相当于安全距离增大了 3 3 m 。无线信道媒体接入控制m a c 机制是车载自组织网络的关键技术之一，也是 车载自组织网络支持服务质量( q o s m 1 1 】) 的关键。专用短程通信d s r c 3 1 1 4 1 1 5 1 中采 用i e e e8 0 2 1 1 p 1 6 1 17 】作为其媒体访问接入技术。它的目标是提高行车安全，通过关 于路况信息的及时传播充分利用现有的道路资源，以及行车可能需要的如电子地 图等信息下载提供服务。 1 2a dh o c 网络概述 计算机网络1 8 j 目前正在向核心高速化和终端无线化快速发展，无线自组网络【9 】 由于没有有线网络难于架设和维护等诸多缺点而得到了快速的发展。按照无线网 络是否具有基础设施，可以把无线网络分成两类，即基于基础设施的网络和无基 础设施的无线自组织网络，即a dh o e 网络。无线自组织网由一组带有无线通信收 发装置的移动节点组成的一个多跳的临时性无中心网络，可以随时随地的快速构 建，其中网络中的每个终端地位平等且可以自由移动。由于a dh o e 网络在组网方 面具有快速、灵活、方便等特点，使得该网络的应用越来越受到了人们的广泛关 注。a dh o c 网络在军事，紧急救灾领域等方面有着非常广泛的应用前景。但是a dh o e 网络也存在诸多缺点，如终端设备复杂度受限，网络带宽受限，网络的分布式特 性使得网络难于有效的管理，尤其是很难保证网络的抗毁性，这些缺点也给研究 基于1 e e e8 0 2 11 p 协议的车载网络接入协议性能研究 者提出了挑战。 1 3a dh o c 网络在车载环境下的应用 车载自组织网络是基于a dh o c 网络基础上发展而来的，它将a dh o e 网络运用 于车载环境下，以达到改善目前的行车环境的目的。车载自组织网络与普通的无 线局域网不同，它具有自己独特的特点： ( 1 ) 节点快速移动，网络拓扑和网络密度快速变化； ( 2 ) 节点移动具有一定的规律性； ( 3 ) 带宽受限： ( 4 ) 对信息的时延很敏感； ( 5 ) 节点能量不受限制，位置信息可通过全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ， g p s ) 获得； 由于车载自组织网络的以上特点，使得传统的基于接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 的无线局域网很难适应车载自组织网络的需求，而a dh o c 网络却能很好的适应。根 据a dh o c 网络的划分，可以把车载自组织网络分成三类。第一类是基于路边基础设 施【1 0 1 ( r o a ds i d eu n i t ，r s u ) 的移动车载自组织网络，即基础设施全覆盖，路边 基础设施充当网络的接入点，分组的转发由路边基础设施或车载单元( o nb o a r d u n i t ，o b u ) 进行。第二类是借助路边基础设施辅助的移动车载自组织网络，如在 高速公路某些事故高发区，交叉路口等地段铺设路边单元，借助路边单元在某些 地段有针对性的保证网络的联通性。第三类是无路边基础设施的移动车载自组织 网络，即完全的车载a dh o e 网络，它通过车辆之间的多跳连接建立起一个完全自组 织的网络。由于完全基于路边单元覆盖的网络技术相对简单，但成本太高，而完 全自组织又很难保证网络的连通性，所以笔者认为将来基于路边单元辅助的车载 自组织网络是最有可能被采用的方案。 1 4 车载自组织网络两类m a c 协议 由于车载环境的特殊性，使得车载自组织网络面临许多挑战。目前车载自组 织网络m a c 协议的研究主要有两种：基于竞争的c s m a c a ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s sw i t hc o l l i s i o n a v o i d a n c e ，c s m 刖c a ) 协议和基于预约的时分多址技术( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，t d m a ) 协议，如图1 1 所示，其中比较有代表性的分别 为i e e e8 0 2 1 1 p 协议和可靠预约a l o h a ( r e l i a b l er e s e r v a t i o na l o h a ， r r a l o h a ) 1 3 ji j 协议。 车载自组织网络的通信对时延的要求是相当苛刻的，而i e e e8 0 2 1 1 p 采用的 第一章绪论3 基于异步竞争的c s m a c a 协议存在一个最大的缺点就是不能保证时延的有限性， 其另一个主要缺点就是数据传输可能发生碰撞，尤其是在车载自组织网络这种拓 扑快速变化的网络场景下。针对以上缺点，许多学者提出了基于时隙预约的t d m a m a c 协议。虽然基于预约的t d m am a c 协议能保证时延的有限性1 4 】，但是由于 增加了预约过程，使得时延较大，其平均时延往往大于c s m a c a 。还有要保证所 有节点都能接入网络，则时隙数必须大于等于节点数，而t d m a 的时隙数往往是 固定的，节点数却是动态的变化，而基于竞争的c s m a c a 协议由于允许业务通 过竞争接入信道，对节点数没有任何限制。可见，基于t d m a 的预约m a c 协议 在扩展性i l2 j 方面不如基于竞争的c s m a c a 协议，下文主要针对基于竞争的 c s m c am a c 协议展开研究。 图1 1 车载自组织网络m a c 协议分类 1 5 论文研究内容和各章节安排 本文对基于无线a dh o c 网络的车载自组织网络中m a c 接入协议i e e e8 0 2 1 1 p 的机制和算法作了较为深入的研究，主要内容包括车载自组织网络系统概述，m a c 接入机制分析、性能仿真及i e e e8 0 2 1 1 p 性能改进研究。同时指出i e e e8 0 2 1 1 p 在车载自组织网络应用中所存在的一些问题及未来的研究方向。 第一章为绪论，主要介绍了本文的研究背景、研究意义、该课题的目前国内 外研究现状以及论文工作和各章节安排。 第二章主要是对2 0 0 7 年修订的i e e e8 0 2 11 1 1 3 】接入协议原理和机制进行详细 介绍，并指出了车载自组织网络应用背景及i e e e8 0 2 1 1 p 为适应车载自组织网络 的特殊要求而进行的有针对性的修改。 第三章主要是基于i e e e8 0 2 1 l p 的车载自组织网络接入协议的性能仿真研究 【1 4 1 ，通过这些研究对其性能有深入了解。 4 基于i e e e8 0 2 1l p 协议的车载网络接入协议性能研究 第四章针对i e e e8 0 2 1 1 二进制指数退避算法( b i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k o f r a l g o r i t h m ，b e b ) 1 1 5 】1 1 6 l 【1 7 1 存在的问题提出了基于分组重传次数【1 8 1 和网络密度检测 f 1 9 】【2 0 】【2 1 】的自适应竞争窗i ：l 调整算法【1 5 1 1 1 6 】【17 1 。仿真结果表明，该算法能减小网络的 平均时延和丢包率，吞吐量也有不小的提升，算法也更公平。针对节点传输距离 固定而无法适应网络的动态变化，提出了基于信道忙闲状态时间比和误分组率检 测的自适应传输距离调整算法【2 2 】【2 3 】【2 4 】1 2 5 l 【2 6 】【2 7 1 。仿真结果表明，该算法能在很大程 度上改善网络性能。 第五章对全文进行总结和展望。 第二章1 e e e8 0 2 1 1 协议体系及工作原理分析s 第二章i e e e8 0 2 11 协议体系及工作原理分析 2 1i e e e8 0 2 11 工作机制分析 i e e e8 0 2 1 1 是无线局域网采用的接入协议，它定义了无线局域网通信要执行 的一系列操作。i e e e8 0 2 1 1 规定无线局域网的最小构件是基本服务集( b a s i c s e r v i c es e t ，b s s ) ，它由一个基站和若干个无线节点组成，b s s 内各节点之间的通 信和b s s 间的通信都必须通过a p 中转。一个b s s 可以是孤立的，也可以通过a p 连接到一个分配系统( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，d s ) ，然后再连接到另一个b s s ，这样 就构成了一个扩展的服务集( e x t e n d e ds e r v i c es e t ，e s s ) 。分配系统的作用就是使 得e s s 对上层的表现就像一个b s s 一样。一个节点若要与其它节点通信，就必须 先加入b s s 。若节点要加入b s s ，就必须先选择一个接入点a p ，并与该a p 建立 关联( a s s o c i a t i o n ) 。无线节点与a p 建立关联的方法有两种。一种是被动扫描， 即无线节点等待接收a p 周期性发送的信标帧，信标帧中包含有若干系统参数，使 用这些参数，无线节点就可以加入到相应的b s s ；另一种是主动扫描，即无线节 点主动发出探测请求帧，然后等待接收从a p 返回的探测响应帧，并使用探测响应 帧的参数加入到相应的b s s 。 r 、 l 丢 h c fh c f c o n t e n t i o n c o n t m l l e d a c c , 9 5 5a c c e s s 瓜i a c ；( p c f ) ：( e d c a ) ( h c c a )雁 一 - e n i d i s a - i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n 图2 1i e e e8 0 2 1 1m a c 架构 i e e e8 0 2 1 1 基本架构如图2 1 所示。i e e e8 0 2 1 1 主要有两种m a c 层接入机 制，即基于竞争的分布协调功能( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ，d c f ) 机制和 可选的基于集中管理的点协调功能( p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ，p c f ) 机制，后 来又增加了一种新的接入机制，即混合协调功能( h y b r i dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ， h c f ) 机制。d c f 是基本的接入机制，所有的实现都必须支持d c f 功能，p c f 基 6 基于i e e e8 0 2 1l p 协议的车载网络接入协议性能研究 于分布协调功能机制，通过点协调器p c ( p o i n tc o o r d i n a t o r ) 实现对数据传输的集 中管理，h c f 则是为了支持q o s 而增加的新机制。 2 1 1i e e e8 0 2 1 1d c f 机制 i e e e8 0 2 1 1d c f 是基于载波侦听多点接入碰撞避免c s m a c a 协议的，其信 道接入流程如图2 2 所示。 n o 图2 2c s m _ a c a 接入信道流程 i e e e8 0 2 1 1d c f 采用了四次握手( r t s c t s d 删a c k ) 机制或两次握手机 第二章i e e e8 0 2 1 l 协议体系及t 作原理分析7 制( d a t a a c k ) 完成分布式数据业务的传输。其核心思想是载波侦听，信道预 约( 如果使用r t s c t s ) ，数据传输，等待确认。d c f 不采用任何中心控制，而是 在每个节点使用c s m a 算法，让各个站通过竞争来获得信道的使用权。因此，d c f 向上提供争用服务。c s m a c a 算法可简单归纳如下： ( 1 ) 若节点最初有数据需要发送，且检测到信道空闲，则继续侦听分布式协调功能 帧问间隔( d c fi n t e rf r a m es p a c e ，d i f s ) ，如果在这期间信道一直空闲，则发 送整个数据帧。 ( 2 ) 否则，节点执行c s m a c a 退避算法。一旦检测到信道忙，就冻结退避计时器， 只要信道空闲d i f s ，就启动退避计时器进行倒计时。 ( 3 ) 当退避计时器减小到零时，节点就发送整个数据帧并等待确认。 ( 4 ) 源节点若收到确认，就认为发送的帧被正确接收。如果还有数据需要发送，则 重新执行( 1 ) 到( 4 ) 。若没有收到确认，则执行( 2 ) 到( 4 ) 。 除了采用c s m a c a 外，i e e e8 0 2 1 1 还采用了虚拟载波侦听( v i r t u a lc a r t i e r s e n s e ) 机制。它通过在源节点发送的数据中写入要占用信道的时间，当其它节点 接收到该数据后，就调整自己的网络分配向量( n e t w o r k a l l o c a t i o n v e c t o r ，n a v ) ， 指出信道处于忙态的持续时间。这样节点就不用持续侦听信道，而又等同于它侦 听了信道一样。由于无线网络存在隐藏终端问题，发送长数据帧发生碰撞而导致 分组丢弃，就会造成带宽资源的较大浪费。为此，i e e e8 0 2 1 1d c f 引入了信道预 约机制，它通过发送i 玎s c t s 来实现。也就是在发送d a t a 之前先进行r t s c t s 的发送，它们的发送依然是按照c s m a c a 机制进行。当节点需要发送数据时， 它首先发送r t s 帧，如果能够正确接收返回的c t s 帧，则信道预约成功，反之， 预约失败。i e e e8 0 2 1 l 四次握手过程如图2 3 所示。 h 卜_ h r t s d a t a i 掣目 b 刮 l i o n c t sa c k 1 d i f s 7铷t 眄7 n a v ( r t s ) n a v ( c t s ) 1 d e 衙a c c e s s 7 b a c k o f f a t t e rd e f e r 图2 3d c f 四次握手机制 通过r t s c t s 的交互，能够使得在接收端和发送端的载波侦听范围之内的节 点设置各自的n a v ，从而大大减小数据碰撞的概率。 8 基于i e e e8 0 2 11 p 协议的车载网络接入协议性能研究 2 1 2i e e e8 0 2 1 1p c f 机制 i e e e8 0 2 1 1 定义了可选的p c f 机制。p c f 实现了一种无竞争的信道接入机制， 它通过点协调器p c 进行集中控制，其帧交换过程如图2 4 所示。 c o n t e n t i o n f r e er e p e t i t i o ni n t e r v a l 。 ： c o n t e n t i o n f r e ep e r i o d s i 。：ss i 】：ss i i? sl，l fss i is h一_ 一h - +_- 一 d 2 + a c kl i j + a c k广i ，耵 b e a c o n t d i + p o l l + o o l i+ p o j i p o l l u 1 l u 2 + l u 4 + a c k t d x = f r a m e s i a k l 篮k e c f e1 d s e n t b yp o i n t _ j 一 - - kl+【- 一 n or e s p o n s e - - i t c o o r d i n a t t o n t o r p i f ：ssi f ss1 f s t oc f p o l l s 】f s r e s e t u x = f r a m e s s e n tb yp o l l e d n a v rs t a t i o n s n a v c f m a x d u r a t i o n 图2 4p c f 帧交换过程 在时间上，p c f 将时间分为无竞争期( c o n t e n t i o n f r e ep e r i o d ，c f p ) 和竞争期 ( c o n t e n t i o np e r i o d ，c p ) 。在每个c f p 开始之前，p c 首先侦听信道，如果信道空 闲点协调功能帧间间隔( p c fi n t e rf r a m es p a c e ，p i f s ) ，贝j j p c 发送初始b e a c o n ， 所有接收到该b e a c o n 的节点都设置自己的n a v ，大小为c f p 的最大长度 ( c f p m a x d u r a t i o n ) 。这样做的目的就是禁止节点在c f p 阶段接入信道，从而保 证p c 在整个c f p 期间拥有对信道的控制权。如果c f p 为空( p c 没有缓存数据，没 有需要轮询的节点) ，则发送完信标帧之后，p c 立即发送一个c f e n d 帧，告知所 有节点c f p 结束。如果p c 缓存有广播帧和多播帧，贝f j p c 首先发送这些帧，随后才 发送单播帧。在c f p 期间，p c 通过轮询的方式轮询节点，如果被轮询的节点有数 据需要发送，则可以直接发送其数据，并允许进行捎带确认，其它没有被轮询的 节点则处于设置n a v 状态。当p c 轮询完所有的节点后，如果c f p 还未超时，那么 p c 发送一个c f e n d 帧，通告c f p 的结束。其它节点则重设其n a v ，此时网络进入 竞争期c p ，各个节点通过竞争获取信道的使用权。 2 1 3i e e e8 0 2 11h c f 机制 由于不管是d c f ，还是p c f ，它们都不支持q o s 。然而，对不同的业务提供有 区别的服务是我们所希望的。为此，i e e e8 0 2 1 l 增加了一种新的接入机制，b i h c f ， 它仅用于q o s 网络，相应的节点称为q s t a ( q o ss t a t i o n ) 。h c f 机s u r e 有一个很 重要的概念叫做发送机会( t r a n s m i s s i o no p p o r t u n i t y ，t x o p ) ，q s t a 获得发送机会 有两种方式，通过竞争或等待轮询。通过竞争获得的发送机会称为e d c a t 2 8 1t x o p ， 第- 二章i e e e8 0 2 1 1 协议体系及工作原理分析9 而通过q o s ( + ) c f p o l l 帧获得的发送机会称为h c c at x o p ，或p o l l e dt x o p 。 h c f 组合了d c f 和p c f 的一些功能，并增加了一些增强型的功能。h c f 提出了 增强型分布协调功能e d c a 和h c f 控制信道接入h c c a ( h c fc o n t r o l l e dc h a n n e l a c c e s s ) 机制。它们分别是对d c f 和p c f 的改进，以适用于q o s 网络。下面我们分 别对这两种机制进行讨论。 ( 1 ) h c f 基于竞争的信道访问机制( e d c a ) e d c a 机制提供有区别的，分布式的信道访问机制，它通过优先级划分提供 q o s 支持。e d c a 信道访问机制的参考模型如图2 5 所示。 m a p p i n gt oa c c e s s c a t e g o r y t r a n s m i tq u e u e sf o r a c s p e r - q u e u ee 1 ) c a f u n c t i o n sw i t hi n t e m a l c o l l i s i o nr e s o l u t i o n 图2 5h c fe d c a 实现参考模型 e d c a 定义了8 种不同的用户优先级u p ( u s e rp r i o r i t y ) 和4 个不同的信道访问 类型a c ( a c c e s sc a t e g o r y ) 。它们之间的映射关系如表2 1 所示。 表2 1u p 与a c 的映射关系 u p ( s a m e a s 8 0 2 1 l dd e s t i n a t i o n p r i o r i t y 8 0 2 1 l du s e rd e s t i n a t i o n a c ( i n f o r m a t i v e ) p r j o t y ) l o w c s tlb k a cb kb a c k g r o u n d 2a cb k b a c k g r o u n d ob ea cb e b e s te f r o n 3e ea cb eb e s te f r o r t 4c la cv iv c d i o 5v la cv iv c d i o 6v oa cv ov o i c e h i g h e s t 7n ca cv ov o i c e 8 - ? - 优先级分别为0 到7 ，四个访问类型分别为a c - v o ，a c _ - v l ，a c b e ， 1 0 基于i e e e8 0 2 1 1 p 协议的车载网络接入协议性能研究 a c b k ，对应的业务类型为语音( v o i c e ) ，视频( v i d e o ) ，尽最大努力交付( b e s t e f f o r t ) 和背景信息( b a c k g r o u n d ) 。 与d c f 采用基于节点竞争不同，e d c a 采用的是基于a c 的竞争。每一个a c 独 立使用增强的信道访问功能e d c a f ( e n h a n c e dd i s t r i b u t e dc h a n n e la c c e s s f u n c t i o n ) 和使用不同的e d c a 参数集竞争t x o p ，e d c a 参数集如表2 2 所示。 表2 2e d c a 的默认参数集 t x o pl i m i t f o r p h y s f o r p h y s d e f i n e di nd e f i n e di no t h e r a cc w m i nc w m a xa i f s n c l a u s e1 5c l a u s e1 7a n dp h y s a n dc l a u s ec l a u s e1 9 1 8 a cb ka c w m i na c w m a x7oo0 a cb ea c w m i na c w m a x3 oo0 a cv l ( a c w m i n + 1 ) 2 一i a c w m i n26 0 1 6 m s3 0 0 8n l s0 a cv 0 ( a c w m i n + 1 ) 4 1( a c w m i n + 1 ) 2 1 2 3 2 6 4 m s1 5 0 4i l 岱o 为了支持不同的优先级，指定的最小信道持续空闲时间不再是固定值d i f s ， 而是一个可变的仲裁帧间间隔( a r b i t r a t i o ni n t e rf r a m es p a c e ，a i f s ) ，它由仲裁 帧间间隔时隙数( a r b i t r a t i o ni n t e rf r a m es p a c en u m b e r ，a i f s n ) 及一个短帧间间 隔( s h o r ti n t e rf r a m es p a c e ，s i f s ) 组成，该值对于某一个a c 而言是固定不变的， 而对于不同a c 而言，它的值是不同的。其计算公式为 a i f s a c 】2a i f s n a c 】xa s l o t t i m e + a s i f s t i m e ( 2 - 1 ) 对于q o sa p 而言，a i f s n a c i ，对于q o ss t a 而言，a i f s n a c 】至2 ， a s l o t t i m e 为时隙大小，a s i f s t i m e 为最短帧间间隔s i f s 。同样，竞争窗口c w m i n 和c w m a x 也是一个与a c 相关的可变参数。由于e d c a 的队列之间是相互独立的， 或者说每一个队列独立运行e d c a f 功能，那么同一个节点内部队列之间有可能同 时获得发送机会，我们称这种情况为内部碰撞。当节点发生内部碰撞时，高优先 级的队列将优先获得t x o p ，而低优先级的队列必须让出t x o p ，这可通过队列协 调器实现。由于队列之间的碰撞属于虚拟碰撞，所以无需像载波碰撞那样启动退 避，设置重传标识位等操作，碰撞在内部处理完成。对于赢得t x o p 的a c 可以连 续发送多个帧，但是这些帧必须来自同一个a c ，因为t x o p 是分配给a c 的，而不 是分配给节点。另外，帧的传输不能超出其限制值t x o p l i m i t ，t x o p l i m i t 指定了 获得发送机会的a c 最多能够占用信道的时间长度，如果t x o p l i m i t 为0 ，则获得 t x o p 的节点只允许发送一帧数据。 e d c a 的退避机制与d c f 的退避机制也是大同小异，都采用了二进制指数退 避算法，但退避没有按节点进行，而是按a c 进行。每个e d c a f 都维护一个状态 变量竞争窗口( c o n t e m i o nw i n d o w ，c w ) ，它是一个与a c 相关的量，其初始值 第二章i e e e8 0 2 1 l 协议体系及1 二作原理分析 设为c w m i n a c ，最大值为c w m a x a c 。每次帧成功发送之后，该值都会重设 为c w m i n a c 】。在下列情况下，e d c a f 会触发退避过程： 该a c 中有一个帧请求发送，且该a c 的退避计时器值为o ，但载波侦听( c a r r i e r s e n s e ，c s ) 标识信道为b u s y ； 在一个t x o p 内成功发送该a c 的所有帧后执行退避算法； 发送失败( 没有收到相应的确认帧) ； 同一个节点内部的e d c a f 之间发生内部碰撞，并且另一个e d c a f 具有更高的 优先级，则该e d c a f 要执行退避： 在第一种情况下，c w a c 值保持不变；在第二种情况下，将c w a c 值设为 c w m i n a c ；后两种情况下在执行退避之前根据下面两种情况设置c w a c 值后 再执行退避： a ) 如果q o ss t a 的q s r c a c 】( q o ss h o r tr e t r yc o u n t e r ) 达至f j d o t l1s h o r t r e t r y l i m i t 或q l r c a c 】( q o sl o n gr e t r yc o u n t e r ) 达至u d o t l1 l o n g r e t r y l i m i t ，c w a c 设为 c w m i n a c ： b ) 否则： 1 ) 如果c w a c 】日一u口u“一1u四 。葛_jo一00)f冀q 2 4 基于i e e e8 0 2 1 l p 协议的车载网络接入协议性能研究 岔 瞢 再 荀 _ 譬 p a c k e ts e n dt i m e ( s ) 图3 3 高优先级业务时延抖动图( c c h ) 首先说明一下，优先级为0 表示最高优先级，优先级为3 表示最低优先级。 从图3 1 可以看出，在c c h 上，不同优先级的业务分组平均时延都在2 5 m s 以内， 且最高优先级业务分组平均时延大概只有3 m s 。考虑节点在c c h 和s c h 之间切换 的情况，如果加上因为切换而导致的平均时延( 2 5 m s ) ，最低优先级业务分组的时 延大约为5 0 m s ，而最低的只有大约2 8 m s ，这在l o o m s 时延的允许范围之内，可 见在该网络场景和业务模型下，i e e e8 0 2 1 1 p 性能达到实际应用的要求。从图3 2 看来，丢包率最大都小于4 ，而最高优先级的业务丢包率几乎为零，这样低的丢 包率是可以接受的。但是从图3 3 可以看出，第一优先级和第二优先级的分组时延 抖动很大( 我们只画出高优先级的情况) ，虽然抖动还在l o o m s 的允许范围之内， 但是这一切都是在业务极低的情况下得到的。当业务加重时，情况会变得很糟糕， 后面的仿真肯定了这点。 平均来讲，从我们的仿真结果可以看出，i e e e8 0 2 1 1 p 在q o s 方面表现出很 好的性能，但是时延抖动确是其一大缺陷，对于有关生命安全的紧急情况显得难 以接受。然而，生命安全是车载自组织网络必须解决的根本问题。因此，为了保 证能够处理紧急情况，必须严格限制低优先级业务在c c h 上的传输，并且还要考 虑从协议机制本身进行改进，从而达到真正满足车载自组织网络的需要。 3 1 2s c hq o s 仿真研究 s c h 上的通信【3 9 】通常为单播通信，在时延等网络性能方面没有在c c h 上的通 信那样苛刻。所以在s c h 上的通信我们仿真了业务量较重的情况，下面是在s c h 第三章i e e e8 0 2 1 i p 协议性能研究2 5 上的通信不同a c 采用的参数。 表3 4 访问类型参数( s c h ) a ca cv o a cv ia cb ka cb e p a c k e ts i z e ( b y t e s )6 4 1 2 82 5 65 1 2 p a c k e ti n t e r v a l ( s ) 0 2 5 0 512 a l f s n2 23 7 路由协议a o d v 10 o8 o6 04 02 00 o12 t r a f f i cp r i o r i t y 3 图3 4 业务优先级与分组时延的关系曲线图( s c h ) 05 04 旦 罡o3 昌 = 皇0 2 u 时 o1 o0 o12 t r a f f i cp r i o r i t y 3 图3 5 业务优先级与丢包率的关系曲线图( s c h ) 一一：噶一。口um一io盹 2 6 基于i e e e8 0 2 1 l p 协议的车载网络接入协议性能研究 公 蔷 毛 豆 基 图3 6 高优先级业务时延抖动图( s c h ) 从图3 4 可以看出，最高优先级的业务的平均时延都达到了0 3 s 左右，而最低 优先级的分组平均时延则高达l s 左右。如果简单的从时延上看，在s c h 上的通信 似乎还算较好，毕竟l s 钟的延迟，对于非安全的应用是可以接受的。然而，从图 3 5 可以看出，即便是最高优先级的业务，其丢包率都高达3 0 以上，而最低优先 级的分组丢包率更是达到将近5 0 ，且高优先级业务的丢包率却没有明显低于低 优先级的情况。可见，当网络负荷较重时，很难保证高优先级的q o s 。另外，从 图3 6 可以看出，高优先级的时延抖动很大，最高分组时延达到了将近1 2 s ，是对 应优先级( 图3 6 为p r i 0 1 ) 的分组平均时延( 图3 4 约为0 6 s ) 的2 0 倍。可见i e e e 8 0 2 1 l p 在时延抖动方面存在缺陷。 3 2 传输距离对网络性能的影响 在车载自组织网络中，由于网络拓扑的快速变化，节点的传输距离1 2 2 】对网络 性能的影响显得尤为重要。在稀疏的网络场景下出现断续连接的可能性很大，而 在高密度网络场景下又很有可能出现网络拥塞的情况。如果节点采用固定的传输 距离进行数据发送，那么会带来很多问题。首先，为了保证网络的连接性，那么 我们希望节点的传输距离越远越好。但是由此可能会带来吞吐量的急剧降低。毕 竟传输距离增大以后，为了避免数据碰撞，能同时发送数据的节点就会急剧下降， 网络的空分利用率很低。其次，考虑到网络带宽资源的充分利用，我们不希望传 输距离太大，这样子能同时传输数据的节点数就能增多，有利于提高网络的吞吐 量。但是，在稀疏网络场景下，较小的传输距离很容易出现网络断续连接情况， 从而很难保证网络的连接性。可见，传输