车联网中面向安全应用的联合功率和竞争窗口的自适应控制算法制造技术

本发明专利技术涉及一种车联网中面向安全应用的联合功率和竞争窗口的自适应控制（joint Power and Contention window size Adaptive Control,PCAC）算法。根据对本地车辆密度估计来动态调整传输功率，以解决传输范围与干扰之间的冲突；零竞争窗口、minislot方法结合基于接收端的隐式确认机制用来确保紧急消息的抢占式优先级与可靠传输；节点根据从邻居节点收到的数据包来估计冲突率，基于估计的冲突率，采用粗调结合细调方法调节基本安全消息的竞争窗口大小来提高系统的吞吐量。PCAC算法采用分布式方式，没有额外的通信花费，通过大量的仿真实验，证明了PCAC能明显提高安全服务的数据包投递率、吞吐量，降低传输延迟。

【技术实现步骤摘要】
车联网中面向安全应用的联合功率和竞争窗口的自适应控制算法
本专利技术涉及车联网通信
，尤其涉及一种车联网中面向安全应用的联合功率和竞争窗口的自适应控制算法。
技术介绍
车载自组织网络(VehicularAdHocNetworks,VANETs)，又名车联网，是专门用于车辆与基础设施(Vehicle-to-Infrastructure,V2I)和车辆与车辆(Vehicle-to-Vehicle,V2V)通信的，目的是提高道路安全。VANETs是智能交通系统的重要组成部分,它使车辆能够快速、准确地收集实时道路交通信息，及时通知邻近车辆道路上的潜在危险。值得注意的是，大多数安全应用都是以广播方式形式工作的，这是因为安全信息需要发送给周围所有车辆。为了提高交通安全，车载自组织网络使用事件驱动的紧急消息和周期性的基本安全信息(BasicSafetyMessages,BSMs)。一方面，每个车辆周期性地广播BSMs,其内容包含媒体访问控制(MediaAccessControl,MAC)地址、速度、位置、方向和其它相关信息，用来通知其邻居。另一方面，诸如车祸或紧急刹车等危险事件将触发紧急信息，这类消息具有最高优先级将消息传播给附近的车辆。然而，为了改善道路安全，向某些感兴趣的地区或特定地区广播与安全有关的信息面临着许多挑战：众所周知，由于车辆的高速移动性，V2V和V2I之间的通信链路往往是短暂的。此外，交通密度从稀疏到稠密的快速变化可能导致共享信道迅速饱和并拥塞，从而出现可扩展性问题。在VANETs中，交通事故和紧急刹车等紧急信息需要及时可靠地传递给邻近车辆，以便使司机及时的做出决策。在协同车辆安全系统（CooperativeVehicleSafetySystems,CVSSs）或协同主动安全系统（CooperativeActiveSafetySystems,CASSs）中，精确跟踪是基础，其依赖于BSMs的消息传播率（InformationDisseminationRate,IDR），也称为广播吞吐量。由此可见，在VANETs的安全相关应用中，可扩展性，低延迟，高可靠性和高吞吐量是最关键的因素。增加VANETs中通信链路持续时间的一种策略是增加传输功率以提高传输范围。然而，增加传输功率可能在高密度通信条件下产生严重的干扰和高的网络开销。因此，根据不断变化的交通流密度动态调整功率是一项关键需求。为了实现紧急消息的及时可靠的传输，为VANETs提出了IEEE802.11p标准。IEEE802.11p标准利用增强型分布式信道接入（EnhancedDistributedChannelAccess,EDCA）-802.11e来支持不同应用的服务质量（QualityofService,QoS）。根据802.11e操作标准，我们根据消息对车辆安全性的不同重要程度，给消息分配不同的优先级。消息的不同优先级通过不同的信道访问参数来区分，包括竞争窗口（ContentionWindow,CW）大小和仲裁帧间间隔（ArbitrationInterFrameSpace,AIFS）。然而，目前的IEEE802.11pMAC无法为高优先级的安全服务提供可预测的QoS。在紧急情况下，考虑到驾驶员对交通紧急消息的反应时间可以达到700毫秒或更长的时间，紧急信息必须在500毫秒内发出。基于可靠性要求，紧急消息应该具有较高的包传递率（PacketDeliveryRatio,PDR）。因此，非零竞争窗口大小和无确认（Acknowledgment,ACK）机制（这是广播方式的特点）不能满足车辆环境下的紧急消息的及时和严格的可靠性要求，特别是在高流量密度条件下。在CVSSs或CASSs，BSMs是在一个共享的信道上面以广播形式发送的。当在通信范围之内的多个节点同时传输的时候会导致很高的传输碰撞概率的发生。初次之外，当BSMs之间发生冲突时，由于没有诸如（ClearToSend,CTS）和ACK的冲突检测帧，竞争窗口大小不会加倍。实际上，理想的竞争窗口值应该足够大，这样可以避免由于多个节点有相同的退避窗口的概率足够小；另一方面，竞争窗口值应该足够小，这样可以避免较高的传输延迟。越来越多学术界和工业界的研究人员，他们正在解决第一部分讨论的问题。在文献“ABeaconTransmissionPowerControlAlgorithmBasedonWirelessChannelLoadForecastinginVANETs”提出了一种信道负荷预测算法KF-BCLF。在KFBCLF，基于所述预测的信道负载中，每个节点预先调整其功率，使下一个预定范围的信道负载，因此，鲁棒性和信标传播的稳定性得到改善。但该算法提高了存储空间和计算强度的要求。“Localdensityestimationanddynamictransmission-rangeassignmentinvehicularadhocnetworks”中的研究仅观测自身速度来估计局部车辆的交通密度，并且基于估计的密度，车辆改变传输功率以调整传输范围。因此，该算法可以保持高速车辆之间的链路寿命。解决了稀疏、密集的交通环境中的连接性问题。然而，车辆密度估计完全是基于车辆的运动，并不总是给出一个好的估计，最终网络连接可能不能总是给出良好的性能。在VANETs中，安全相关的应用需要满足严格的性能要求，如在不同网络条件下的低延迟，高可靠性和可扩展性，“Applicationorientedcross-layermulti-channelMACprotocolforVANETs，APDM:Anadaptivemulti-prioritydistributedmultichannelMACprotocolforvehicularadhocnetworksinunsaturatedconditions”。为了实现这些目标，可以调整三个关键参数：物理层的传输功率，MAC层的竞争窗口和应用层的信标生成速率，因此它是一种跨层方法。文献“AnalysisofInformationDisseminationinVehicularAd-HocNetworksWithApplicationtoCooperativeVehicleSafetySystems”的研究提出了一种联合速率-功率控制算法来广播自己的信息用于相邻跟踪，并根据跟踪精度调整发射功率和传输速率，以提高CVSS的性能。文献“EnhancingVANETPerformancebyJointAdaptationofTransmissionPowerandContentionWindowSize”提出了一个联合功率和竞争窗口调整算法的大小来改进VANETs的性能。该算法根据现场车辆密度估计和瞬时碰撞率，改变功率和竞争窗口尺寸。仿真结果表明，该算法可以显著提高吞吐量，降低端到端延迟。然而，传输功率和竞争窗口的调整都难以满足安全要求。这是因为此文献将非零竞争窗口分配给紧急消息，并本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.车联网中面向安全应用的联合功率和竞争窗口的自适应控制算法，其特征在于，包括如下步骤：/n1)一旦车辆驶入道路，对系统参数进行初始化，传输功率取最大值，竞争窗口取最小值，α＝0.25，其中，α是一个常数，依赖于交通流理论；/n2)每辆车周期性的广播包含该车辆ID、12位序列号、运动状态的基本安全消息BSMs(Basic Safety Messages,BSMs)的数据包；/n3)如果遇到紧急状况，每辆车就发送包含车辆ID、12位序列号、紧急消息的紧急消息数据包；/n4)根据收到的BSMs数据包或者紧急消息数据包，车辆节点更新自身的邻居表，计算冲突率；/n5)阶段一：传输功率调整：根据更新的邻居表，每辆车估计局部车辆密度，如果估计的局部车辆密度小于一个阈值或者是存在紧急消息，则调整传输范围为最大传输范围值；否则，进入下一步；/n6)通过公式

【技术特征摘要】
1.车联网中面向安全应用的联合功率和竞争窗口的自适应控制算法，其特征在于，包括如下步骤：
1)一旦车辆驶入道路，对系统参数进行初始化，传输功率取最大值，竞争窗口取最小值，α＝0.25，其中，α是一个常数，依赖于交通流理论；
2)每辆车周期性的广播包含该车辆ID、12位序列号、运动状态的基本安全消息BSMs(BasicSafetyMessages,BSMs)的数据包；
3)如果遇到紧急状况，每辆车就发送包含车辆ID、12位序列号、紧急消息的紧急消息数据包；
4)根据收到的BSMs数据包或者紧急消息数据包，车辆节点更新自身的邻居表，计算冲突率；
5)阶段一：传输功率调整：根据更新的邻居表，每辆车估计局部车辆密度，如果估计的局部车辆密度小于一个阈值或者是存在紧急消息，则调整传输范围为最大传输范围值；否则，进入下一步；
6)通过公式计算传输范围，其中TR是传输范围；L是道路段的长度，车辆在此路段上估计本地车辆密度；K是估计的局部车辆密度，估计K的公式是其中的AN代表给定车辆的当前传输范围之内的车辆的实际数目，TN是在当前给定车辆传输范围之内，道路上一共能容纳车辆的数目；
7)根据传输范围，查表获得相应的传输功率，进入下一步；
8)阶段二：竞争窗口调整：如果有紧急消息则采用零竞争窗口与minislot方法调整竞争窗口，中继节点转发紧急消息；否则根据冲突率采用粗调和细调相结合的方式调整BSMs的竞争窗口；
9)车辆每隔一定周期就返回步骤4)，根据收到的数据包，不断调整传输功率和竞争窗口。


2.如权利要求1所述的车联网中面向安全应用的联合功率和竞争窗口的自适应控制，其特征在于，所述步骤8)中的所述如果有紧急消息则采用零竞争窗口与minislot方法调整竞争窗口，具体包含以下步骤：
201)计算一个minislot的长度lm为:其中，代表在传输范围TR中最大的信号传播延迟，是无线电在接收模式与发送模式之间切换的切换延迟；
202)当发送节点检测到信道空闲lm时，采...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋彩霞，张发，宋笑笑，王承明，
申请(专利权)人：青岛农业大学，
类型：发明
国别省市：山东;37