[发明专利]VAENT中面向消息广播的MAC层改进方法

摘要

本发明属于移动通信技术领域，涉及VAENT中面向消息广播的MAC层改进方法。本发明针对流媒体消息，使用RTB/CTB机制选择中继车辆，为了保证用户接收流媒体数据的流畅性，提出了ARC‑SMB方法，根据检测到的信道传输数据帧情况，广播车辆对数据发送速率进行调整，降低丢包率；为了提高用户体验度，提出了用户手动调整流媒体需要质量的思想。本发明模拟真实环境下安全消息的广播情况，使车辆获得更好的交付率、降低单跳延迟、减小负载率；采用ARC‑SMB方法是能够模拟真实环境下安全消息的广播情况，使车辆获得较好的交付率，降低消息的丢包率，为用户提供更流畅的流媒体传输。

主权项

一种VANET中面向消息广播的MAC层改进方法，其特征在于如下步骤：一、设置系统模型和进行VANET架构分析VANET场景，不存在路边基础设施，车辆之间只能通过OBU直接通信；道路上存在不同方向的两个车道，不同方向行驶的车辆都参与安全消息和流媒体消息的广播；每辆车上配备有完成V2V通信的OBU模块、GPS、传感器和数据库；GPS主要用于定位车辆的位置，便于计算车辆之间的距离；传感器包括速度传感器、加速度传感器和方向传感器；数据库主要为了缓存安全消息和流媒体消息，以便于消息的转发和中继；车辆实时统计这些数据，并传输给车辆的OBU模块，OBU通过获得的这些信息，考虑车辆行驶状况，优化消息广播过程；VANET的网络层和传输层采用WSMP机制，使用任意信道传输，并且允许应用程序通过传输消息直接控制物理层的信息；对于流媒体消息，网络层和传输层分别采用IPv6和TCP/UDP机制，UDP是必须使用的，TCP是选择性采用，通过CCH传输命令信息，通过SCH传输流媒体数据信息；在VANET的MAC层，采用IEEE 1609.4标准；IEEE 1609.4标准采用immediate方式，即系统在CCH和SCH下交替工作，交替切换的时间间隔可以变化，CCH信道空闲时，SCH使用信道；但当下一个同步周期到来时，系统必须切换到CCH信道；二、DVO‑SB安全消息广播方法(1)竞争窗口求解选择最远的车辆作为中继车辆，根据车辆之间的欧式距离、车辆速度和车辆行驶方向来确定竞争窗口；通过GPS计算车辆之间的欧氏距离，每辆车辆计算自身距离广播车辆之间的距离，并计算出被选为中继车辆的概率Pd：Pd=RRmax---(1)]]>其中R为车辆S和车辆F之间的欧氏距离，Rmax为车辆S的通信范围；引入车辆速度参数，当车辆速度较低时，车辆被选为中继车辆的概率较低；当车辆速度较高时，车辆被选为中继车辆的概率较高；根据车辆速度，车辆被选为中继车辆的概率Pv表示为：Pv=VFVmax---(2)]]>其中，VF为车辆F行驶速度，Vmax为车辆限制的最大速度；离开VANET子网的概率最小的车辆为中继车辆，广播车辆S和接收车辆F之间的相对速度和行驶的相对方向，根据GPS求出车辆之间的相对行驶方向向量再结合速度传感器，求解出车辆之间的相对速度向量根据车辆行驶方向，车辆被选为中继车辆的概率Po表示为：Po=|η→×μ→|Vmax×Rmax---(3)]]>根据求出的车辆之间的距离、车辆速度和行驶方向对中继车辆选择的影响，设置相应的竞争窗口，不同的车辆通过竞争窗口来竞争中继车辆，每个接收到广播消息的车辆通过计算自身的最大竞争窗口CW：其中，CW0是根据VANET网络密度优化的初始竞争窗口，λ为加权系数；当车辆计算出自己的最大竞争窗口CW，车辆在竞争窗口(0,CW]中随机选择一个时间点进行消息的转发；最早获得转发机会的车辆被选为中继车辆，并且转发消息；所有其他车辆接收到这个转发消息，知道已经选择好中继车辆，进而放弃继续竞争转发；车辆的等待重传时延Tr通过公式(5)计算出：Tr＝2δ+tswitch+k×CWmax×Tslot  (5)其中δ为车辆OBU在通信范围R中最大传输延迟，tswitch为收发器从接收状态转换为发送状态的时间，k为加权系数，CWmax为竞争窗口CW的最大值；只要通信信道空闲，车辆的安全消息就随机等待n个时间戳Tslot时间后车辆进行广播，其中n∈(0,CW]；随机等待时间Tw可以表示为：Tw＝n×Tslot  (6)在等待一个Tw时间后，广播车辆发送一个数据包，并且等待相应的确认数据包，确定中继车辆；(2)中继车辆选择过程广播车辆S成功广播消息，在S通信范围内的车辆收到这个广播消息，收到该消息的车辆根据GPS和各类传感器计算自己与S之间的欧氏距离、车辆速度和车辆行驶方向，求出自身的竞争窗口，等待一个Tw再次广播消息；根据Tw机制设计，距离车辆S相对较远的车辆F会作为下一跳中继继续广播消息，其他车辆不进行广播；中继车辆F在数据帧中添加上自己的信息，再次广播此消息；当车辆S通信范围内的其他车辆再次收到这个广播消息时，知道这是中继车辆F广播的消息，放弃继续广播这个消息，终止执行竞争窗口；发送车辆S也收到这条广播消息，作为确认消息，知道已经找到中继车辆，放弃再次广播这条消息；如果因为中继车辆F行驶出了车辆S的通信范围，导致车辆S未能收到中继车辆F广播的消息，车辆S等待时间超过重传时间Tr，S重新广播一次该消息，当车辆S通信范围内的其他车辆再次收到这条广播消息，其他车辆知道车辆S没有收到中继车辆F发送的消息，其他车辆根据公式(4)的相对公式，即公式(7)，计算竞争窗口，即选择距离车辆S相对较近、道路情况较优的车辆向车辆S发送一个ACK确认消息，告诉车辆S下一跳的中继车辆已经选择好；中继车辆选择的整个过程：1)源车辆/广播车辆广播一个安全消息；2)在车辆S的通信范围中的所有车辆接收到广播消息，并且根据Tw公式，选择一个相对较远、速度相对较高和行驶出广播车辆通信范围概率较小的车辆作为中继车辆；3)中继车辆转发此消息；4)如果源车辆/广播车辆接收到这个转发消息，广播车辆知道已经选择好中继车辆；5)如果广播车辆没有收到这个转发消息，广播车辆重新广播这条消息；6)在广播车辆通信范围内的其他车辆收到广播车辆再次发送的消息，向广播车辆发送一个ACK消息，防止广播车辆继续重发这条消息；7)如果在广播车辆通信范围内不存在有效的车辆，广播车辆在重传时间Tr内没有收到反馈消息，则重新开始步骤1)；三、ARC‑SMB流媒体消息广播方法首先，需要对发送的数据帧进行改进，在数据帧中添加一个“lost”位，负责告诉接收车辆启动守护进程，进行丢包率的计算；然后，广播车辆向VANET子网中的车辆发送流媒体消息，接收车辆收到此消息，根据“lost”位启动守护进程，监控流媒体消息丢包率；接着，广播车辆定期向VANET子网中的车辆广播“probe”探测消息，接收车辆收到这个“probe”消息，向广播车辆反馈一个“respond”消息；最后，广播车辆根据“respond”消息中丢包率的大小调整流媒体数据发送速率，继续发送流媒体消息；当广播车辆发送“probe”探测消息，统计邻居车辆的丢包率时，广播车辆会收到多个邻居车辆发送的“respond”消息，每个接收车辆发送的丢包率都是不一样的，为了兼顾整个VANET子网的整体性能，通过选择所有接收车辆丢包率的中位数作为参考，进行相应发送速率的调整；当PLR∈(0,0.06)，发送速率增大速度服从公式(8)；当PLR∈(0.16,1)，发送速率减小速度服从公式(9)；SR＝SR+τ  (8)SR＝(1‑α)SR  (9)其中，τ,α为加权系数，τ＞0，α∈(0,1]。