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  应用科技  2018, Vol. 45 Issue (2): 76-80  DOI: 10.11991/yykj.201611007
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引用本文  

张宏, 齐连生, 吕悦晶. VANET数据包丢包启发式解决方案[J]. 应用科技, 2018, 45(2), 76-80. DOI: 10.11991/yykj.201611007.
ZHANG Hong, QI Liansheng, LV Yuejing. Improving VANET packet loss based on heuristic scheme[J]. Applied Science and Technology, 2018, 45(2), 76-80. DOI: 10.11991/yykj.201611007.

基金项目

内蒙古大学高层次人才引进项目(22200-5165118);中央高校基本科研业务费资助项目(310822171134)

通信作者

张宏,E-mail:zh-hong@foxmail.com

作者简介

张宏(1981−),女,副教授,博士

文章历史

收稿日期:2016-11-11
网络出版日期:2017-03-29
VANET数据包丢包启发式解决方案
张宏1, 齐连生1, 吕悦晶2    
1. 内蒙古大学 交通学院,内蒙古 呼和浩特 010021;
2. 武汉科技大学 汽车与交通工程学院,湖北 武汉 430081
摘要:车载自组织网络默认的IEEE802.11P协议采用了简单的干扰模型,产生了隐藏终端问题,影响了车载自组织网络的性能。提出一种启发式解决方案,考虑了干扰因素在车载自组织网络传输的不同阶段对其造成的影响,根据交通拥堵情况适时调整竞争窗尺寸和传输功率。在启发式解决方案中,不同传输阶段的数据包丢包用碰撞丢包率、SINR和队列溢出表示,自适应改善数据包竞争窗尺寸和传输功率,提高了数据包传输成功率,降低了端到端延迟。
关键词车载自组织网络    数据包丢包    竞争窗尺寸    传输功率    启发式算法    吞吐量    延迟    信干比    碰撞丢包率    队列溢出    
Improving VANET packet loss based on heuristic scheme
ZHANG Hong1, QI Liansheng1, LV Yuejing2    
1. Transportation Institute, Inner Mongolia University, Hohhot 010021, China;
2. School of Automotive and Traffic Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China
Abstract: Due to using the simplified interference model in vehicular Ad hoc network (VANET), IEEE 802.11P protocol introduces hidden terminal problems, which significantly decrease the performance of VANET. In the paper, a novel heuristic scheme was proposed to improve the contention window size and transmission power according to network and traffic conditions with consideration of the effects of interference as one of the main factors in VANET, in which packet loss can occur at different stages of transmission. By means of self-adaption, the proposed heuristic scheme optimizes the contention window size and transmission power based on three parameters, namely the collision rate, SINR (signal to interference plus Noise Ratio) and queue overflow which represent packet drop at different stages of transmission. The proposed Heuristic scheme can improve the packet transmission success rate, and reduce the end-to-end delay.
Key words: VANET    packet loss    contention window size    transmission power    heuristic algorithm    throughput    delay    SINR    collision rate    queue overflow    

车载自组织网络(vehicular ad hoc network, VANET)作为移动互联网和智能交通的重要基础应用,是专用自组织网络中最活跃的领域,其安全稳定地运行是交通系统乃至社会经济可持续发展的需要。保持交通网络高效、有序地运行是社会经济发展的需要,也是人们日常生活工作的需要。VANET的应用可以分为两大类:一类主要解决行车安全,称之为安全应用;另一类主要提供增值业务,称之为用户应用。目前,人们对移动VANET的需求日益增长,对移动互联网的依赖越来越强,而VANET建设正处于基础应用研究阶段,网络数据包传输的可靠性对VANET网络运行状态的监测和控制将起到非常重要的作用。但VANET在未来运行中可能面临众多不确定性干扰因素,动态拓扑结构上存在潜在缺陷,而节点高速移动、障碍物遮挡、行驶受道路限制等因素,使得VANET数据包传输随时可能被丢弃或中断,网络运行存在不确定性,则进一步放大并加剧了数据包丢包率。固有的高速移动节点和不可预测的环境使得VANET拓扑结构不断变化。为了确保有效的数据包传输,VANET中的节点应能适应VANET拓扑结构的变化,只有VANET的安全、稳定运行才能发挥其最大功效。在IEEE802.11P标准草案中,VANET采用专用短程通信技术(dedicated short range communications,DSRC)加强道路安全[1-5]。为了支持VANET采用无线方式接入车载环境,开发了VANET无线接入WAVE标准,并且两个标准一起设计。IEEE802.11P探讨了一种新的物理层和修正的MAC层,WAVE则提供了一种无线传输协议[6]。有2种不同类型的无线接入WAVE方式,分别称为车载单元(on board unit,OBU)和路边单元(road side unit,RSU),对应两种不同的通信类型,启用OBUs和RSUs,即车辆与车辆(vehicle-to-vehicle,V2V)之间的通信和车辆与基础设施(vehicle-to-infrastructure,V2I)之间的通信[7]。在部署VANET之前,研究者们对VANET和通信协议和效率开展了大量的工作。

1 启发式方案优化竞争窗尺寸和传输功率

在VANET中,车辆的位置、距离、实时车速等信息可随时在车辆与车辆之间传输,节点高速移动引起网络拓扑结构快速变化,网络需要随车辆位置和周围环境的变化不断更新相关数据信息,所以依据通道拥堵状态需自适应优化竞争窗尺寸和传输功率。启发式方案主要有正确推断通道拥堵状态、竞争窗尺寸自适应和传输功率优化。

1.1 竞争时间窗尺寸优化

VANET的系统开发,主要涉及车际网络的信息交换与信息处理,很多因素都能导致丢包率增加,使用者无法收到信息,造成信息终端或延迟。

HAFEEZ等[8]将车辆无线信号覆盖范围分为3个区域,只有在信号范围内数据包才可能被成功传输;在噪声和干扰范围内数据包传输会受到影响;当干扰足够大时,终端可能无法检测到一些节点的存在,进而出现隐藏终端问题。如图1所示,车辆节点A发生数据包碰撞,碰撞导致干扰,导致车辆节点B在传递数据包至车辆节点C时失败,隐藏终端不可见,是VANET数据包传输失败的主要原因之一[9-11]。本文以城市VANET场景作为案例进行仿真,选取的参数有数据包到达的时间间隔0.5 s,数据包512 bytes,车辆节点数量200~500,仿真时间250 s,车辆速度为5~50 km/h。信干比(SINR)是信号功率与干扰功率和噪声功率的比值。在启发式解决方案中,不同传输阶段的数据包丢包用碰撞丢包率、SINR和队列溢出表示。环境干扰和噪声大,传输功率低,SINR低导致数据包丢失;队列溢出是描述通道拥堵一个重要参数,在交通拥堵的状态下低竞争窗尺寸或在交通畅通的状态下高竞争窗尺寸会因队列溢出引起数据包丢失。因此,数据包碰撞丢包率、SINR和队列溢出是表达交通拥堵主要的3个因素,需根据交通拥堵情况适时调整竞争窗尺寸和传输功率。

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图 1 隐藏终端场景

综上所述,SINR是一个用于量度和评估数据包丢失引起VANET隐藏终端问题的指标。假设VANET通信通道产生拥堵是无规律的,车辆节点甚至可以在短时间内在通道拥堵状态和通道畅通状态之间变换。因此,用数据包碰撞丢包率,低SINR和队列溢出表示通道拥堵是合适的。仿真中,全部车辆从相同的起点按最短行驶路径行驶,中途不停车,抵达至终点。在250 s时间内,数据包碰撞,低SINR和队列溢出决定了总数据丢包情况。仿真结果如下:因数据包碰撞引起的数据包丢失数量为135,数据包丢失率为54%;因低SINR引起的数据包丢失数量为70,数据包丢失率为28%;因队列溢出引起的数据包丢失数量为45,数据包丢失率为18%。3个因素中,因数据包碰撞引起的数据包丢失情况最严重,是最重要的因素。竞争窗尺寸可依据这3个参数进行优化。

如果检测到高碰撞丢包率、低SINR和队列溢出,在还没有传输下一个数据包之前,可相应增大竞争窗尺寸,因此使系统有足够的时间传输当前的数据包。从另外一个角度讲,如果没有检测到队列溢出、高SINR和低碰撞丢包率,可适当减少竞争窗尺寸,因此通道允许传输更多的数据包。需注意的是通道拥堵和低SINR也许并不一直是数据包传输的并行结果[12],甚至在抵达至终点之前,已经丢弃了数据包,遇到这种特殊情况,需不间断使用启发式方案一段时间对竞争窗尺寸进行优化。在启发式方案中,采用碰撞丢包率、队列和SINR参数,分别输入数据包碰撞丢包率、SINR和队列的隶属函数,输出竞争窗隶属度值,最后在论域上进行映射,量化隶属等级,真值的隶属度值见表1所示,综合优化竞争窗尺寸,得到最佳竞争窗尺寸。

表 1 真值的隶属度值

表1所示,在启发式方案真值表的基础上确定输入隶属函数值,考虑了所有的可能值,又为启发式方案分配了适当的输出值。规则21、24、25、26、27的平方和求得低竞争窗值;规则5、6、8、9、11~20、22、23的平方和求得中竞争窗值;规则1、2、3、4、7、10的平方和求得高竞争窗值。

1.2 传输功率优化

隐藏终端问题由VANET中太高的SINR导致,然而,低SINR又会引发数据包传输失败。所以,SINR在VANET运行中非常重要,下面讨论使用启发式方案来优化传输功率:在干扰和噪声恒定的情况下,SINR与传输功率线性相关。高SINR代表数据包传输成功的概率高,相反地,低SINR代表数据包传输成功的可能性低,也就是碰撞丢包或数据包丢失的概率更高。所以,SINR是一个用于量度数据包丢失引起VANET隐藏终端问题的指标。一般情况下,在干扰和噪声的环境背景下,为确保数据包能有效传输并成功接收,信号强度相对较高,但太高的SINR会造成能量和资源的浪费,进而存在更多的重叠区导致更糟的隐藏终端问题。因此,SINR应取满意值以保证网络有最佳的性能。

基于启发式方案,可进行自适应SINR传输功率优化。如果SINR值小于0 dB,表明节点信号强度低于周围环境中的干扰和噪声,因此,需分配较高的参数值给传输功率,假设传输功率增益量用参数T表示,参数T根据环境和应用选取,取[0,1]之间的数;若SINR处于0~β dB之间,传输功率T=1恒定不变;若SINR取值大于β dB,用启发式方案优化传输功率使其取得一个较低值,以保证最低的干扰和功率消耗。

当传输功率较高时势必会引起干扰,所以在启发式方案里,传输功率优化能确保数据包有效传输并被成功接收,并且节省能耗和使隐藏终端问题最小。

2 算法仿真实验

在拥堵和非拥堵场景,与IEEE802.11P方案对比,仿真3次,改变数据包到达率λ(s)和车辆节点密度γ值,测量吞吐量、平均延迟和数据包传输成功率,计算其平均值。

图2~4显示了在固定模拟时间和常数节点密度情况下,变化的数据包到达率的影响。在图2中,我们观察到随着数据包到达率增加,在恒定的车辆数量下,吞吐量不断增加。这是因为,当数据包到达数量增加时,在连续转换数据包之间存在足够的时间帧,因此检测到较少的数据包碰撞,提高了传输吞吐量。在图3中,随着数据包到达率的增加,由于减少了数据包碰撞,观察到延迟增加。较少的数据包碰撞减少了排队延迟,进而减少了总体平均端到端延迟。在图4中,我们观察到,随着数据包到达率的增加,数据包传输成功率增加。这是因为连续数据包之间的时间帧增加,数据包存在较小的碰撞概率,因此数据包具有较高的机会到达目的地节点,增加了数据包传输成功率。

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图 2 吞吐量(仿真时间300 s,数据包到达率0.1 s)
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图 3 平均延迟(仿真时间300 s,数据包到达率0.1 s)
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图 4 数据包传输成功率(仿真时间300 s,数据包到达率0.1 s)

图5~7展示了在固定仿真时间和固定数据包到达率情况下节点密度变化的影响。在图5中,我们观察到,在节点密度低的初始阶段,吞吐量较低。这是因为节点数量较少,导致数据包发送和接收数量较少。然而,在200个车辆节点密度时,达到最佳的吞吐量,数据包到达率为0.1 s,这表明传输网络在节点密度200、数据包到达率0.1 s时到达最佳值。随着节点密度的增加,吞吐量降低;这是因为较高的传输任务量而数据包碰撞增加使得吞吐量降低。在图6中,我们观察到随着节点密度的增加,平均延迟增加。随着节点密度的增加,传输任务增加。而随着传输任务的增加,传输网络变得拥堵,这就增加了数据包碰撞。数据包碰撞和较高的传输任务增加了排队延迟,因此,观察到的平均延迟随着节点密度的增加而增加。在图7中,当节点密度处于最低时,观察到数据包传输成功率是最高的。随着节点密度的增加,数据包传输成功率降低。这是因为高节点密度导致网络拥堵,增加了数据包碰撞和延迟。较高的数据包碰撞和延迟降低了数据包到达目的地节点的机会,相应地降低了数据包传输成功率。然而,通过图2~7中2种方案对比结果,所提出的方案适应性和有效性更好。

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图 5 吞吐量(仿真时间300 s,数据包到达率0.1 s)
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图 6 平均延迟(仿真时间300 s,数据包到达率0.1 s)
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图 7 数据包传输成功率(仿真时间300 s,数据包到达率0.1 s)
3 结论

在启发式方案中,我们注意到数据包丢失可发生在不同的传输阶段,因此使用SINR、队列和数据包碰撞率3个参数来评估网络拥堵情况更适合。通过研究,本文得出的结论如下。

1)当在不同的传输阶段发生数据包碰撞和丢失时,自适应优化竞争窗尺寸以适应网络拥堵;为了减少VANET中的隐藏终端问题,考虑了干扰情况,启发式方案基于SINR来调整传输功率,通过保持最佳传输功率来提高传输的效率。传输功率和竞争窗的适应性使启发式方案的效率有所增加。

2)在当前数据包传输阶段,下一个数据包传输之前,信道拥堵期间,提高竞争窗尺寸能为传输提供大量的时间;当信道通畅时,较低的竞争窗尺寸即可保证所有数据包的有效传输。

3)通过启发式方案与默认的802.11P方案对比,本文提出的启发式方案使吞吐量更高、延迟更低和数据包传输成功率更高。

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