一種基於概率預測的退避方法
2023-12-11 16:54:37 1
一種基於概率預測的退避方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於概率預測的退避方法，該方法通過建立Markov鏈模型，從理論上推導出信標消息的碰撞概率和過期概率隨最小競爭窗口的變化關係，保證廣播消息的接收率達到最佳；針對傳統車載自組織網絡退避方法退避因素過於單一，退避階數幅度過大等問題，本發明提供了一種基於概率預測的退避方法(簡稱CEB)，該方法是基於信標消息碰撞概率、過期概率與競爭窗口值的關係這一思想提出的，根據碰撞概率和過期概率的相對大小線性調整競爭窗口值；該方法在廣播消息的接收率和平均到達時延方面的性能均有所提升，且信道接入的公平性也得到了優化，能夠保證緊急廣播消息接入信道的優先權。
【專利說明】—種基於概率預測的退避方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及車載自組織網絡中基於概率預測的退避方法，屬於網絡通訊【技術領域】。
【背景技術】
[0002]目前，車載自組織網絡已逐步成為解決各種交通問題的新途徑，並且近年來得到了大力發展，其中安全應用作為其基礎應用，主要用來解決交通事故、提供交通預警等。安全應用對廣播消息的接收率及平均到達時延要求極高，但是由於車載自組織網絡IEEE802.1lp 協議中傳統二進位指數退避方法(Binary Exponentially Backoff, BEB)的局限性，導致其性能不能滿足安全應用的要求。
[0003]1990年IEEE802標準化委員會成立IEEE802.11無線區域網標準工作組。該標準定義了無線區域網路的物理層和媒體訪問控制(MAC)規範，主要用於解決辦公室區域網和校園網中，用戶與用戶終端的無線接入，業務主要限於數據存取。由於該協議傳輸速率最高只能達到2Mbps，所以業務主要被用於數據的存取。
[0004]IEEE802.1lp(WAVE)是一個由IEEE802.11標準擴充的通信協議，主要用於車載通信系統。車載網中的通信大致可以分為交通安全、交通效率和服務價值(例如娛樂或商業服務等)幾種類型[3]。802.1lp標準從美國專用短程通信標準(Dedicated Short RangeCommunicat1ns，簡稱DSRC)演化而來。DSRC是專為車輛間的短程通信設定的標準。最近幾年，美國的相關研究機構和政府部門積極在DSRC頻譜上部署和發展無線通信標準及協議，即車載環境無線接入(Wireless Access in Vehicular Environment,簡稱 WAVE)。
[0005]在DSRC中，5.9GHz頻域上的75MHz帶寬被分配專門用來給車輛與車輛(Vehicle-to-Vehicle, V2V)和車輛與路邊基礎設施(Vehicle-to-1nfrastructure,簡稱V2I)之間進行通信，其主要目的在於保證車輛環境下的公共安全應用及防止交通事故和提高交通效率。這些帶寬被劃分為7個帶寬為1MHz的信道:一個控制信道(ControlChannel，簡稱CCH)用來廣播有關安全的廣播消息，其餘六個為服務信道(ServiceChannel,簡稱SCH), SCHs既可用於安全通信,也可用於非安全應用。
[0006]目前，針對車載自組織網絡的可擴展性問題，研究VANET的組織進行了各種各樣的處理。例如:Rawat D B等人在文獻RAWAT D B, P0PESCU D C，YAN G, etal.Enhancing VANET performance by joint adaptat1n of transmiss1n power andcontent1n window size[J].Parallel and Distributed Systems, IEEE Transact1nson, 2011，22(9): 1528-1535.中提出聯合調整傳輸功率和競爭窗口值來增強VANET性能的方法。該方案的缺點是:當網絡狀態好時，就將當前的競爭窗口值減半。當網絡狀態差時，就將當前的競爭窗口值加倍。但是如何衡量網絡狀態的好壞是該方案的一個瓶頸。此外，根據傳輸範圍估算來調整傳輸功率也會帶來一定的誤差。
[0007]目前，Razvan Stanica 等人在文獻 STANICA R, CHAPUT E, BEYLOT AL.Enhancements of ieee802.1lp protocol for access control on a vanetcontrolchannel[C]//Communicat1ns(ICC) , 2011 IEEE Internat1nal Conferenceon.1EEE, 2011:1-5.中根據信標消息具有過期性的特點，提出了反二進位指數退避(Reserve Binary Exponentially Backoff, RBEB)方法。該方案的缺點是，每當站點中有消息過期時，就將競爭窗口值減半。每當站點成功傳輸一個消息時，就將競爭窗口值恢復。這種做法均不能很好地反映當前的網絡狀況。首先是決定退避的因素過於單一，再者，採用指數退避的方式退避階層過大，與實際的網絡狀態差距較大。而本發明能夠很好地解決上面的問題。
【發明內容】
[0008]本發明目的在於提供一種應用於車載自組織網絡媒體接入過程的退避方法，該方法針對傳統方法中廣播消息接收率低的問題，通過建立Markov鏈模型，從理論上推導出信標消息的碰撞概率和過期概率隨最小競爭窗口的變化關係，保證廣播消息的接收率達到最佳；針對傳統車載自組織網絡退避方法退避因素過於單一，退避階數幅度過大等問題，本發明提供了一種基於概率預測的退避方法(簡稱CEB)，該方法是基於信標消息碰撞概率、過期概率與競爭窗口值的關係這一思想提出的，根據碰撞概率和過期概率的相對大小線性調整競爭窗口值。該方法在廣播消息的接收率和平均到達時延方面的性能均有所提升，且信道接入的公平性也得到了優化，能夠保證緊急廣播消息接入信道的優先權。
[0009]方法流程:
[0010]步驟1:將時間分成周期性的觀察間隔01，每個01設定為一個信標消息周期，每過一個01就統計當前的過期消息數目並將當前區域內的值清空。
[0011]步驟2:每個節點在MAC幀頭部增加一個統計過期消息數的區域，用於統計由於信道繁忙或退避時間較長而過期的消息數mi，並設定合理的過期消息數門限mO (mO為經過多次仿真後取得的合理值)，計算d = mi/m0。
[0012]步驟3:當mi小於mO時，網絡中的丟包主要由消息的碰撞導致，為了提高廣播的接收率應該增加競爭窗口 CW的值，Cff = Cffinit/d ；
[0013]步驟4:當mi大於mO時，認為網絡中的丟包主要由消息過期導致，此時應該減小競爭窗口 CW 的值，Cff = Cffinit/d ；
[0014]步驟5:當過期消息數為mO時，競爭窗口的值保持不變。
[0015]步驟6:如果 CW〈 = 3，則取 CW = 3 ;如果 CW> = 1023，則取 CW = 1023。
[0016]有益效果:
[0017]1、本發明通過優化退避機制來降低信標消息傳送過程中信道競爭程度，提高了信標消息的廣播接收率，降低了平均到達時延，有效地提高了車載網中安全消息的可靠傳輸。
[0018]2、本發明合理地為競爭節點分配信道，保證節點接入信道的公平性和有效性，降低消息的碰撞概率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明信標消息的馬爾科夫鏈(當t = T時消息過期)示意圖。
[0020]圖2為本發明的廣播接收率變化示意圖。
[0021]圖3為本發明廣播平均到達時延變化示意圖。
[0022]圖4為本發明的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合說明書附圖對本發明作進一步的詳細說明。
[0024]實施例一
[0025]如圖4所示，本發明提供一種基於概率預測的退避方法，該方法是根據信標消息的過期概率/碰撞概率與競爭窗口值的關係調整退避過程中的競爭窗口大小，包括如下步驟:
[0026]步驟1:通過建立馬爾科夫鏈模型分析信標消息的退避過程，得到如下結論:當競爭窗口在一個較小範圍時，消息的碰撞概率大於過期概率，而碰撞概率會隨著競爭窗口的增大而減小，因此為了增加廣播的接收率應該增加競爭窗口的值；當競爭窗口處於較大值範圍時，消息的過期概率佔主要成分，而過期概率會隨著競爭窗口值的增大而增大，所以為了增加廣播的接收率，此時應該減小競爭窗口的值；當消息的碰撞概率與過期概率達到均衡時，廣播接收率達到最大值。最優的競爭窗口應該能夠保證消息的碰撞概率和過期概率之間的均衡。
[0027]步驟2:根據步驟I所得結論，提出一種基於碰撞概率和過期概率相對大小的退避方法CEB，該方法更能反映信道真實情況。
[0028]步驟3:本發明所述CEB方法具體流程為:將時間分成周期性的觀察間隔01，每個OI設定為一個信標消息周期，每過一個OI就統計當前的過期消息數目並將當前區域內的值清空；每個節點在MAC幀頭部增加一個統計過期消息數的區域，用於統計由於信道繁忙或退避時間較長而過期的消息數mi，並設定合理的過期消息數門限mO (mO為經過多次仿真後取得的合理值)，計算d = mi/mO。
[0029]步驟4:根據步驟3得到mi與mO的大小關係，當mi小於mO時，網絡中的丟包主要由消息的碰撞導致，為了提高廣播的接收率應該增加競爭窗口 CW的值，Cff = Cffinit/d ；當mi大於mO時，認為網絡中的丟包主要由消息過期導致，此時應該減小競爭窗口 CW的值，Cff = Cffinit/d ;當過期消息數為mO時，競爭窗口的值保持不變。
[0030]步驟5:採用VanetMobiSiml.1和NS2.35對本發明所述CEB方法進行聯合仿真，分析比較本發明所述CEB方法與BEB、RBEB方法的廣播接收率，結果表明本發明所述CEB方法更能夠根據當前的信道情況進行競爭窗口值的調整，使得當前的競爭窗口值能夠最大化反應當前網絡中信道的競爭情況。本發明所述CEB方法在提高廣播接收率的同時也帶來了信標平均到達時延性能的提升，本發明所述CEB方法的最小競爭窗口是線性變化的，能夠較好的反映當前網絡中信道的競爭情況。
[0031]實施例二
[0032]IEEE802.1lp的MAC層採用的基本接入協議是基於IEEE802.11的DCF機制，該機制不區分消息的優先級，節點應該在指定的時間間隔內，利用載波監聽機制來判斷信道是否空閒，通過退避減少消息間的碰撞；DCF機制的核心是帶衝突檢測的載波偵聽多址接入(CSMA/CA)協議及隨機退避機制。當某個站點需要傳輸數據分組時，它首先偵聽信道直到檢測到信道的空閒時長達到DIFS為止。在這DIFS媒體空閒時間之後，節點開始在[O, Cffmin -1]之間隨機選擇時間進行退避，當退避計數器為O時節點開始傳輸數據分組。為了解決V2V通信模式下信標消息廣播接收率過低的問題，針對車載網中信標消息的特性，本發明提出一種基於碰撞消息概率和過期消息概率的退避方法(簡稱CEB)。由於無法統計分組丟失中的碰撞消息數，在本發明採取一種折中的方法:每個車輛節點根據本節點統計的過期消息數目與預先設定的過期消息數門限的比值動態調整最小競爭窗口值，達到提高車載網中廣播接收率的目的。
[0033]1.Markov建模分析信標消息性能
[0034]為了能夠更好地理解信標消息的特性(考慮信標消息具有有限的生命時長)，通過建立如圖1所示的馬爾科夫鏈模型進行分析。
[0035]馬爾科夫狀態轉移概率為:
【權利要求】
1.一種基於概率預測的退避方法，其特徵在於，所述方法包括如下步驟: 步驟1:將時間分成周期性的觀察間隔01，每個OI設定為一個信標消息周期，每過一個OI就統計當前的過期消息數目並將當前區域內的值清空； 步驟2:每個節點在MAC幀頭部增加一個統計過期消息數的區域，用於統計由於信道繁忙或退避時間較長而過期的消息數mi，並設定合理的過期消息數門限m0，計算d = mi/m0 ； 步驟3:當mi小於mO時，網絡中的丟包由消息的碰撞導致；增加競爭窗口 CW的值，Cff=Cffinit/d ； 步驟4:當mi大於mO時，網絡中的丟包由消息過期導致，此時減小競爭窗口 CW的值，Cff = Cffinit/d ； 步驟5:當過期消息數為mO時，競爭窗口的值保持不變； 步驟6:如果CW〈 = 3，則取CW = 3 ;如果CW> = 1023，則取CW = 1023。
2.根據權利要求1所述的一種基於概率預測的退避方法，其特徵在於:所述方法是根據信標消息的過期概率、碰撞概率與競爭窗口值的關係調整退避過程中的競爭窗口大小。
3.根據權利要求1所述的一種基於概率預測的退避方法，其特徵在於:所述方法的最小競爭窗口是線性變化。
4.根據權利要求1所述的一種基於概率預測的退避方法，其特徵在於:所述方法的最優競爭窗口能保證消息的碰撞概率和過期概率之間均衡。
5.根據權利要求1所述的一種基於概率預測的退避方法，其特徵在於:所述方法是通過建立馬爾科夫鏈模型分析信標消息的退避過程。
【文檔編號】H04W74/08GK104080190SQ201410326769
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月9日 優先權日:2014年7月9日
【發明者】趙海濤, 張偉, 劉南傑, 朱洪波 申請人:南京郵電大學