2. 轨道交通控制与安全国家重点实验室, 北京 100044
应用于车载自组网的IEEE 802.11p媒体接入控制(MAC)层采用增强型分布信道接入机制,为验证该机制能否满足不同类型消息的服务质量(QoS),在考虑不同竞争窗口值、消息内部碰撞和信道忙时的退避挂起机制的基础上,构建了基于二维Markov链的分析模型,该模型综合了饱和情况和非饱和情况. 通过该模型,分析了不同类型队列消息的归一化吞吐量和丢包率性能指标. 结果表明,归一化吞吐量随车辆数的增加而减小,随不同类型数据包产生量的增加而增加;丢包率随车辆数的增加而增加;高优先级队列始终有较大归一化吞吐量值. 验证了IEEE 802.11p能保证不同类型消息的QoS.
2. State Key Laboratory of Rail Traffic Control and Safety, Beijing 100044, China
The enhanced distributed channel access mechanism is adopted by IEEE 802.11p medium access control (MAC) layer,which is used for communication in vehicular ad hoc networks. An analysis model based on two-dimensional Markov chain, colligated the saturated and unsaturated condition, was proposed to study the quality of service (QoS) requirements of different applications, taking different contention windows, internal collision and frozen mechanism into account. On this basis, the performance metrics, such as normalized throughput and drop rate, were studied. The results show that the value of normalized throughput decreases with the increasing number of vehicles, but increases with the packet generation increasing. The drop rate increases with the increasing number of vehicles as well. However, the higher priority categories have larger value of normalized throughput, which verifies that the IEEE 802.11p can provide QoS for different messages.
车载自组网(VANETs, vehicular ad-hoc networks)采用2010年批准的IEEE 802.11p[1]作为底层协议，以解决车辆高速移动导致的通信拓扑频繁变换及不同应用类型，如安全类应用、效率类应用的不同通信性能需求等问题.
IEEE 802.11p MAC层采用IEEE 802.11e的增强型分布信道接入(EDCA, enhanced distributed channel access)机制，然而不同应用类型的QoS要求各不相同[2].
许多学者对IEEE 802.11e EDCA机制进行了研究，其中大部分模型是对Bianchi模型[3]的改进，如文献[4-6]中的分析模型中未考虑消息内部碰撞；张和生等[7]采用NS-2对高速环境下不同通信场景进行了仿真研究；Kosek-Szott等[8]建立了基于二维Markov的综合分析模型，但分析时没有考虑内部碰撞机制；文献[9]中模型并未考虑信道忙时退避计数器的挂起机制.
笔者采用二维Markov链，在考虑不同竞争窗口值(CW, contention window)值、消息内部碰撞和信道忙时退避挂起机制的基础上，构建分析模型，从机理上对IEEE 802.11p MAC层进行描述，从而研究不同应用类型的QoS性能，如吞吐量和丢包率.
1 模型的建立与分析 1.1 EDCA机制的Markov模型采用EDCA机制进行信道接入时，不同接入类型(AC, access category)的退避过程实际为状态转移过程，状态间的转移符合Markov性. 因此可采用二维Markov模型描述单个AC的退避机理，如图 1所示. 模型分析时采用文献[5]的类似方法.
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图 1 AC[i] 的饱和与非饱和Markov模型 |
图 1Markov链中三元组{i，s(t)，b(t)}表示消息发送所经历的状态，其中i为AC[i]队列，s(t)为t时刻消息的退避阶段，b(t)为t时刻退避计数器的值；pib为退避计数器挂起概率，即检测到信道忙的概率；pic为消息间发生碰撞的概率. 碰撞使竞争窗口值加倍，重传次数加1，进入下次退避过程，当超过最大重传次数mi时，消息将被丢弃. 无论消息成功发送还是丢弃，将以ρi概率进入饱和状态{i，-2，0}，以1－ρi概率进入非饱和状态{i，-1，0}，ρi为AC[i]队列利用率. 在饱和状态下，队列中始终有消息等待发送，因此立刻选择执行退避过程. 当处于非饱和状态时，以pip概率等待AC[i]队列消息的产生，因此以1－pip概率维持不变.
由图 1单个AC[i]的Markov链模型可知，消息在第j次重传阶段，退避计数器的取值为[0，Wi,j－1]中的随机整数. 第j次退避阶段退避计数器的最大取值Wi,j计算式为
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(1) |
其中Cimax=2m′iWi,0－1；Cmax和Cmin分别为CW的最大值和最小值；
假定
根据Markov链平衡方程，可得出bi,j,k与bi,j,0状态间的关系式为
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(2) |
在平稳分布中，根据归一化条件，即bi,－2,0+
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(3) |
其中：
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用PiI表示AC[i]内部碰撞概率，其表达式为[9]
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(4) |
其中hp(i)为优先级高于i的AC队列.
考虑站点内部碰撞后，AC[i]队列消息发送概率σi的表达式为[10]
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(5) |
站点内消息的发送概率为
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(6) |
其中N为站点总数量.
AC[i]消息产生碰撞的概率为pic，其表达式为
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(7) |
执行退避过程时，退避计数器的值在时隙内减少，即信道空闲概率为1－pib，pib的表达为
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(8) |
归一化吞吐量为时间段内数据帧成功发送的数量. 设Pi为时隙内无消息发送的概率，Pt为时隙内至少有一个站点发送消息的概率，Pis为时隙内只有1个站点发送AC[i]消息的概率，Pf为时隙内有2个或2个以上的站点同时发送消息的概率，则
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(9) |
设Si为站点内AC[i]的归一化吞吐量，则[3]
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(10) |
其中：TLi为传输AC[i]数据包所需时间；TSlot为时隙所持续的时间；Tis为成功发送的传输时延Tis=TAIFS[AC［i]］+Th+TLi+δ+TSIFS+TACK+δ. 其中，TAIFS[AC][i]］为AC[i]的仲裁帧间间隔时间，Th为消息帧帧头的传输时间，δ为传播时延，TSIFS为短帧间间隔时间，TACK为ACK的传输时间. Tic为消息间发生碰撞所持续的时间，
在非饱和状态下，假定AC[i]队列的消息以概率pip产生. 为简便分析，假定AC队列消息的到达量服从Poisson分布. 因此，消息产生概率为[8,10]
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(11) |
其中：λi为AC[i]消息的到达量；TCS为平均竞争时隙，
设Pid为站点内AC[i]队列的丢包率. 若数据包第mi次重传失败，则数据包将被丢弃，造成丢包：
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(12) |
通过迭代求解出归一化吞吐量和丢包率性能指标，并采用NS-2对综合分析模型进行了仿真验证，在此基础上对IEEE 802.11p性能进行了研究.
不同AC归一化吞吐量随车辆数的变化如图 2所示. 随通信范围内车辆数的增加，AC队列的归一化吞吐量值逐渐减小. AC[3]的归一化吞吐量值最大，而AC[0]最小. 因为虚拟调度器会选择高优先级消息发送，造成低优先级消息重传.
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图 2 不同AC归一化吞吐量随车辆数变化 |
单个站点丢包率随车辆数的变化如图 3所示. 无挂起模型分析时，消息几乎全部丢包，与实际情况不符[9]. 有挂起模型分析时,丢包率随车辆数的增加而上升. 因为随着通信范围内车辆数增加，消息碰撞加剧，消息重传次数增加，丢包加剧.
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图 3 单个站点丢包率随车辆数变化 |
不同AC归一化吞吐量随数据包产生量的变化如图 4所示. 当通信范围内车辆数为60时，高优先级队列的归一化吞吐量随数据包产生量的增加而增加，并趋于稳定；低优先级队列的归一化吞吐量随数据包产生量的增大而减少.
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图 4 不同AC归一化吞吐量随数据包产生量的变化 |
为验证不同类型消息的QoS，采用二维Markov链建立了IEEE 802.11p EDCA机制的分析模型. 该模型综合了饱和与非饱和情况，在此基础上分析了归一化吞吐量和丢包率. 仿真结果表明，随着通信范围内车辆数的增加归一化吞吐量减少，而丢包率增加；归一化吞吐量随数据包产生量的增加而增加；高优先级队列始终有较大归一化吞吐量值. 通过分析得出IEEE 802.11p能满足不同类型消息的QoS.
| [1] | IEEE. P802.11p/D9.0—2010, Draft standard for information technology-telecommunications and information exchange between systems-local and metropolitan area networks—specific requirements Part 11: wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications amendment 6: wireless access in vehicular environments[S]. New York: IEEE, 2010: 10-11. |
| [2] | Cheng Hoting, Shan Hangguan, Zhuang Weihua. Infotainment and road safety service support in vehicular networking: from a communication perspective[J]. Mechanical System Signal Processing, 2011, 25(6): 2020–2038. doi: 10.1016/j.ymssp.2010.11.009 |
| [3] | Bianchi G.. Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2000, 18(3): 535–547. doi: 10.1109/49.840210 |
| [4] | Ziouva E, Antonkopoulos T. CSMA/CA performance under high traffic conditions: throughput and delay analysis[J]. Computer Communications, 2002, 25(3): 313–321. doi: 10.1016/S0140-3664(01)00369-3 |
| [5] | Inan I, Keceli F, Ayanoglu E. Saturation throughput analysis of the 802.11e enhanced distributed channel access function[C]//2007 International Conference on Communication. Glasgow: IEEE Press, 2007: 409-414. |
| [6] | Robinson J, Randhawa T.Saturation throughput analysis of IEEE 802. 11e enhanced distributed coordination function[J]. IEEE Journal Selected Areas Communication, 2004, 22(5): 917–928. doi: 10.1109/JSAC.2004.826929 |
| [7] |
张和生, 张明洋, 孙伟. 基于IEEE 802.11p高速车路通信环境研究[J]. 仪器仪表学报, 2013, 34(5): 1181–1387.
Zhang Hesheng, Zhang Mingyang, Sun Wei. Research on vehicle to infrastructure high-speed communication based on IEEE 802.11p[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2013, 34(5): 1181–1387. |
| [8] | Kosek-Szott K, Natkaniec M, Pach A R. A simple but accurate throughput model for IEEE 802.11 EDCA in saturation and non-saturation conditions[J]. Computer Networks, 2011, 55(3): 622–635. doi: 10.1016/j.comnet.2010.10.002 |
| [9] | Han Chong, Dianati M, Tafazolli R, et al. Analytical study of the IEEE 802.11p MAC sublayer in vehicular networks[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2012, 99: 1–14. |
| [10] | Huang Chingling, Liao Wanjiun. Throughput and delay performance of IEEE 802.11e enhanced distributed channel access (EDCA) under saturation condition[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2007, 6(1): 136–145. doi: 10.1109/TWC.2007.04796 |