智能交通系统中的自适应通信道评估模式对车载自组织网络的适用性研究

⃝⃝可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirectICT Express 4（2018）165www.elsevier.com/locate/icte智能运输系统设备中自适应畅通信道评估模式-1范围的适用性AdarshPatel博士，Praveen Kaushik计算机科学与工程系，Maulana Azad国家技术学院，博帕尔，462003，印度接收日期：2017年9月1日;接受日期：2018年在线提供2018年摘要通过改变空闲信道评估（CCA）模式1功率，可以提高智能交通系统（ITS）车载自组织网络（VANE）的服务质量（QoS）性能CCA模式-1阈值功率是物理层声明信道状态繁忙本文通过分析不同CCA功率对VANET QoS的影响，确定了自适应CCA功率在ITS设备中的适用性使用NS-3.26模拟器评估QoS性能指标，如数据包交付分数，每包的平均延迟，每跳的c2018韩国通信与信息科学研究所（KICS）。Elsevier B.V.的出版服务。这是一个开放获取CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：智能交通系统;车载自组网; WAVE; IEEE 802.11p1. 介绍按照近年来技术发展的速度，智能交通系统（ITS）取代现有交通系统基础设施的时间已经不远了[1在ITS中，车辆可以通过交换消息来相互通信。彼此共享信息有助于产生紧急警报和管理交通。车辆环境无线接入（WAVE）无线电通信标准被定义为提供可互操作的交通服务[4]。此外，专用短程通信（DSRC）是ITS相关技术的通用术语。美国交通部（USDOT）使用术语DSRC来表示WAVE相关技术[5]。WAVE包括美国国家ITS认可的所有服务。WAVE使用5.9 GHz频谱（5.850 GHz至5.925 GHz频段）[4]。WAVE建议增强分布式通道*通讯作者。电子邮件地址：adarshpatel@gmail.com（A.Patel），kaushikp@manit.ac.in（P. Kaushik）。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2018.01.018媒体访问控制（MAC）层的EDCA。ITS中有两种类型的物理连接：车辆车辆到基础设施（V2I）和车辆到车辆（V2V）。在ITS中，车辆使用车载单元（OBU）进行V2V 和 V2I 通 信 。 封 装 OBU 的 设 备 称 为 车 载 设 备（OBE）。对于V2I通信，一些固定单元也被部署在道路附近，称为路边单元（RSU）。RSU增强了道路网络的覆盖范围，还可以为OBU提供互联网封装RSU的设备称为路侧设备（RSE）。干扰是车载自组织网络中的一个常见问题，它影响着网络的服务质量。通过改变空闲信道评估（CCA）范围，可以在VAN中控制干扰;此外，可以通过改变CCA功率来控制CCA范围在文献中有三种CCA模式：模式1、模式2和模式3。本研究分析了不同传输范围（TR）和CCA模式-1范围内的VANESCENT的QoS性能，这将铺平道路，确认使用自适应CCA算法在ITS设备。此外，术语2405-9595/c2018韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。166A. Patel，P.Kaushik/ICT Express 4（2018）165+++Network Simulator-3（NS-3.26）用于分析QoS性能[6]。本文的其余部分组织如下：第2节说明了相关的工作，第3节讨论的方法，第4节列出了模拟的细节，第5节讨论的结果。最后，第6节总结了本文的研究结果。2. 相关工作和动机Ramachandran和Roy在[7]中对宽带无线区域网络中的CCA组件进行了审查。[7]中的详细综述有助于理解无线设备中CCA组件的工作。Sha等人在[8]中确定了无线传感器网络（WSNs）中的错误唤醒问题，该问题由于占空比的不期望增加而导致能量损失。Sha等人进行了一项实证研究，发现that the “在使用AEDP时，Sha等人证实，调整CCA阈值对于具有低信号强度的链路是困难的和无效的。随后，他们建议使用CCA轮询持续时间和确认延迟。在[8]中使用不同CCA范围的实证研究证明了自适应能量检测将适用于WSNs。整个实验表明，CCA是一个非常重要的参数，对于QoS的改善和自适应CCA可以用来提高QoS性能无线网络。这促使在不同的CAA范围和不同的TR的VANCable此外，Kloper，Chan和Stiff发明了一种用于无线网络的自适应CCA设备[9因此，可以设计自适应CCA设备。以上讨论的所有工作激发了在不同给定的最大TR下针对不同CCA范围的VANC-CCA性能的分析。如果能够在不同CCA范围和不同TR下提高VANC-MS的QoS性能，将证实自适应CCA设备在VANC-MS或ITS中的适用性。Abboud等人”[10]《明史》卷10。使用DSRC和蜂窝网络进行联网。[10]中的比较研究提供了有关ITS和DSRC最新标准的大量详细信息。ITS的WAVE标准是新的，因此所有遵循WAVE标准的工具和设备都如引言中所讨论的，本研究的重点是CCA功率和QoS，因此MAC和PHY层是进一步进行的重要层。在使用WAVEWAVE使用两种类型的信道：控制信道（CCH）和多服务信道（SCH）[4]。CCH被允许交换WAVE短消息（WSM）和管理帧。所有不是CCH的信道都是SCH。WAVE的频带被划分为总共10个信道（10-MHz频带的6个SCH通过组合10-MHz频带的2个SCH、10-MHz频带的1个CCH和5-MHz频带的1个保留信道而形成的20-MHz频带的2个SCH）。5.850 GHz至5.850GHz的5 MHz频带5.855 GHz已预留。在WAVE中，MAC帧在解决内部争用之后被传送到信道选择器。介质竞争处理器或信道选择器将通过应用信道调度算法来选择信道并尝试传输[11]。在MAC层对数据进行优先级排序，提高了VAN的QoS性能。为此，WAVE建议在MAC层使用EDCA。EDCA使用接入类别（AC）和竞争窗口（CW）大小对网络上的数据进行优先级排序。因此，EDCA将网络数据划分为AC，如VIDeo（AC VI），VOice（AC VO），Best Effort（ACBE）和BackKround（AC BK）。对于CCH和SCH，EDCA中AC的优先级与[12- 14 ]中给出的类似NS-3中的WAVE模块实现了几乎所有的上述标准。本研究使用NS-3模拟器的流量监视器在[15]中，Questiro等人的工作提供了关于使用流监视器进行QoS性能测量的相当多的见解。3. 方法CCA范围是控制干扰和传输概率的重要参数。根据NS-3文档中给出的定义，CCA模式-1阈值是用于声明信道状态“CCA BUSY”的接收信号的最低能量量图1描绘了在车道2中的道路上移动的编号为3的车辆的CCA范围和TR在该图中，车辆在车道1和2中从左向右移动，并且在车道3和4中从右向左移动。出体生物被安装在蓝色方框中所示的车辆的车顶上。如该图所示，车辆-2和车辆-6在车辆-3的TR中。车辆3的CCA范围1覆盖车辆2、4、5和6。车辆-3的CCA范围-2覆盖车辆1、2、4、5、6和7。因此，不同的CCA范围将影响网络中的干扰。这证实了本研究可以在不同的CCA范围和TR下评估VANESTO的QoS性能;[8]中的实证研究也支持这一想法。为了执行具有不同CCA范围的实验，NS-3提供了显式设置CCA模式-1功率的选项。移动模型和数据流量显著影响VAN的QoS性能。以下小节讨论NS-3中可用的移动模型和数据流量生成方法。3.1. 移动模型NS-3提供了通过使用各种移动模型在运行时生成车辆移动性的选项。NS-3提供的移动模型有恒定加速度、恒定位置、恒定速度、高斯-马尔可夫、分层移动、随机方向二维、随机行走二维、随机航路点和航路点移动模型。以下 原 型 用 于 在 NS-3 中 的 运 行 时 生 成 移 动 性 ：SetMobilityModel（. .，“Speed”，. . .，“”，. . . ）的。在该原型中，A. Patel，P.Kaushik/ICT Express 4（2018）165167−−−−−===图1.一、 TR和CCA范围。（关于此图例中颜色的参考解释，请读者参考本文的网络版本。而本研究倾向于随机方向二维移动模型，迫使车辆到达模拟区域的边界，然后改变其速度和方向。与车辆在车道上移动的场景相比，随机方向二维移动性将确保实验中更大的NS-3还提供了使用Network Simulator-2（NS-2）移动跟踪的选项[17]。3.2. 数据流量NS-3提供了在运行时直接或通过使用各种应用程序生成数据流量的选项。NS-3中可用于生成数据流量的应用程序 有 “bulk-send-application” 、 “onoff-application” 和 “udp-echo-client”。这项研究更倾向于表1NS-3模拟参数。参数值传输范围250、400和1000 m CCA模式-1阈值（范围1）85.1 dBmCCA模式1阈值（范围2）102.0 dBm能量检测阈值85.0 dBm车辆数从5辆到250辆模拟时间100 s路由协议AODV无线信道802.11pMAC EDCA长度5公里宽度0.03公里模拟次数50迁移率模型随机方向二维最小速度16.7 m/s最大速度33.3 m/s数据包大小512字节数据速率1.26 Mbps数据流量类型CBR损耗模型双射线接地（TRG）发射机增益1接收器增益1考虑了在NS-3中，在处理CCA范围或功率时，必须仔细设置能量检测阈值（EDT）。EDT应大于CCA模式-1功率，如Handerson在讨论结束时所解释的在[18]中。由于EDT为85.0 dBm，因此使用最大CCA功率85.1 dBm，其低于EDT。为支持QoS的WAVE选择尽力而为接入类别（AC BE）。用于模拟的所有实验参数列于表1中。为了测量QoS性能，定义并使用以下度量。假设在目的地成功接收的分组的数量为然后，因为它的行为类似于ITS中的大多数安全应用。NS-3提供了生成恒定比特率（CBR）和传输P DFrec发送总和E ED（一）控制协议（TCP）类型。M Dp Pkt=中文（简体）4. 仿真设置本节讨论了模拟参数和设计。跳数总和hopCo vered（三）细化QoS性能指标数据包传递分数平均延迟（PDF）、每包平均延迟（MDp Pkt）、每跳平均延迟（MDp Hop）和平均抖动（Jit ter）用于进行仿真实验。NS-3模拟器非常适合模拟WAVE及其QoS性能测量;因为在NS-3模拟器中，WAVE与EDCA一起实现，EDCA是WAVE指南推荐的。一个5公里的直路被认为是模拟一个infra-tructureslessVANET环境。在这种情况下，20%的车辆正在发送数据，20%是汇聚节点。数据速率为1.2 Mbps且数据包大小为512字节的CBR流量Jit tersum Delay Deviation.（四）recQoS度量P_DF确保在目的地递送分组，M_Dp_Pkt确保在目的地及时递送分组，M_Dp_Hop确保向附近车辆及时递送分组，并且低Jt_ter确保在目的地以较少的打嗝平滑递送分组。5. 结果分析和讨论本 节 从以 下 方 面讨 论QoS 性 能获 得 度量P_DF 、M_Dp_Pkt、M_Dp_Hop和J_iter168A. Patel，P.Kaushik/ICT Express 4（2018）165−−−−−−(a) P DF适用于5至50辆车。(b) 50至250辆车的P DF图二. P DF适用于5至250辆车。从模拟实验。通过对NS-3运行时生成的50种不同移动性场景进行50次实验的平均值来获得结果。 图 图2-5 示 出 了在 C C A 模 式 -1 阈 值 -1 0 2 . 0 d B m 下 针 对 TR 2 5 0m 、 4 0 0 m 和 1 0 0 0 m 执 行 的 实 验 的 结 果 ，−85.1dBm。5.1. P DF图2（a）和（b）示出了5至50和50至50的P DF250辆车。在图2（a）中，85.1 “dBm图2（a）清楚地表明，对于较少数量的车辆（5至50辆），{TR 400 m，CCA功率−85.1 dBm}优于{TR 400 m，CCA功率−102.0dBm}、{TR 250 m，CCA功率−85.1 dBm}，{TR 250 m，CCA功率−102.0 dBm}，{TR1000 m，CCA功率−85.1dBm}和{TR 1000 m，CCA功率(a) 5至50辆车的M Dp Pkt(b) M Dp Pkt，适用于50至250辆汽车。图三. M Dp Pkt，适用于5至250辆汽车。随后，从30辆减少到50辆。此外，与TR 400 m和较少车辆数量的CCA功率102.0 dBm相比，CCA功率85.1 dBm将VANET的总体PDF性能提高了9.3%。从图2（b）中可以清楚地看出，与CCA功率相比，CCA功率85.1 dBm改善了更多车辆（50至250）的PDF102.0 dBm（TR 1000 m，400）m和250 m分别提高3.4%、0.6%和0.92%。对于更多车辆，使用{TR 1000 m，CCA功率−85.1dBm}、{TR 400m，CCA功率−85.1dBm}和{TR 250 m，CCA功率−85.1dBm}的总体PDF分别为0.79、0.91和0.93。使用TR400m，CCA功率的总体PDF−85.1 dBm}对于更多车辆来说是中等水平。5.2. M Dp包装图3（a）和（b）分别显示了TR 1000 m、400 m和400m时5至50辆车和50至250辆车的M Dp Pkt，250米。−102.0dBm}。P DF使用{TR 1000 m，CCA功率−85.1dBm}和图3（a）清楚地表明，使用{TR 1000 m，CCA功率−102.0dBm}性能优于{TR 400 m，CCA功率−85.1dBm}，适用于5至25辆车;{TR 250 m，CCA功率−85.1 dBm}优于7.4%{TR 250 m，CCA功率−102.0dBm}，适用于较小数量A. Patel，P.Kaushik/ICT Express 4（2018）165169--{\fn黑体\fs22\bord1\shad0\3aHBE\4aH00\fscx67\fscy110}----{(a) 5- 50辆车的M Dp Hop。(b) 50- 250辆车的M Dp Hop。见图4。 5 - 250辆车的M Dp Hop的车辆。使用TR 400 m、CCA功率−102.0 dBm和−85.1dBm的M Dp Pkt显示混合结果;然而，总体而言，使用−85.1 dBm的M Dp Pkt比使用−102.0 dBm的M Dp Pkt好29.8%。此外，使用{TR 1000 m，CCA功率−85.1 dBm}的M Dp Pkt比{TR 1000 m，CCA功率−102.0 dBm}好21.5%。图3（b）清楚地表明，对于更多的车辆，使用{TR 250m，CCA功率−85.1 dBm}的总体M Dp Pkt比使用{TR 250m，CCA功率−102.0 dBm}的总体M Dp Pkt好20.3%。 MDp Pkt使用{TR 400 m，CCA功率−85.1dBm}比{TR 400 m，CCA功率}高20.7%−102.0 dBm}。此外，使用{TR 1000 m，CCA功率−85.1dBm}的M Dp Pkt比{TR 1000 m，CCA功率−102.0dBm}好20.3%。5.3. M Dp跳图4（a）和（b）分别显示了TR 1000 m、400 m和250 m时5至50辆车和50至250辆车的M Dp跳数。图4（a）清楚地示出了使用{TR 250 m，CCA功率-85.1dBm}的MDp跳变优于{TR 250 m，CCA功率−102.0 dBm}，车辆数量较少。使用{TR 250 m，CCA功率−85.1 dBm}时，与{TR 250 m，CCA功率−102.0dBm}相比，总体M Dp Hop增加了8.0%。(a) 5至50辆车的J I T ter(b) 50至250辆车的J I T ter图五. 5至250辆车的J I T ter。使用TR 400 m，CCA功率的M Dp Hop102.0 dBm，85.1 dBm显示了混合结果;然而，与{TR 1000 m，CCA功率−102.0dBm}相比，使用{ TR 400 m，CCA功率−85.1dBm}的总体M Dp跳变增加了31.4%。此外，使用{TR 1000m，CCA功率−85.1 dBm}的总体M Dp Hop比{TR 1000 m，CCA功率−102.0 dBm}好30.0%。图4（a）清楚地表明，对于更多车辆，使用{TR 250 m，CCA功率−85.1 dBm}的M Dp跳比使用{TR 250 m，CCA功率−102.0 dBm}的好33.1%。使用{TR 400 m，CCA功率−85.1 dBm}的M DpHop比{TR 400 m ，CCA 功率−102.0 dBm} 好40.8%。此外，使用{TR 1000 m，CCA功率−85.1 dBm}的M Dp Hop比{TR 1000 m，CCA功率−102.0dBm}好15.5%。5.4. Ji t ter图5（a）和（b）分别显示了TR 1000 m、400 m和250m时5至50辆车和50至250辆车的Ji t ter图5（a）清楚地表明，对于较少数量的车辆，使用TR 250 m、CCA功率85.1dBm的总J t terJ i t ter使用TR 400 m，CCA功率102.0 dBm和85.1 dBm显示混合结果;但是，使用170A. Patel，P.Kaushik/ICT Express 4（2018）165−−−−−−- -−{−}{−}- -85.1 dBm优于32.5%102.0 dBm。此外，本发明还当TR为1000 m时，CCA功率为85.1 dBm，比TR为1000 m时，CCA功率为102.0 dBm，提高了38.2%。使用TR 400m时，CCA功率85.1 dBm与TR 1000 m相比 图5（b）清楚地表明，对于更多车辆，使用{TR 250 m，CCA功率−85.1dBm}的总体J i t ter比{TR 250 m，CCA功率−102.0 dBm}好36.8%。使用{TR 400 m，CCA功率−85.1 dBm}的Ji ter比使用{TR 400 m，CCA功率−102.0 dBm}的Jiter好27.2%。此外，使用{TR 1000 m，CCA功率−85.1 dBm}的J i t ter比使用{TR 1000 m，CCA功率−102.0dBm}的J i t ter好15.8%。6. 结论本 研 究 针 对 NS-3 中 采 用 WAVE 标 准 的 无 基 础 设 施VANET，在CCA功率为85.1 dBm和102.0 dBm时进行QoS性能实验。CCA功率85.1 dBm和TR 400 m相比于CCA功率102.0 dBm，对于较少数量的车辆（5到50），在P DF、M Dp Pkt、M DpHop和J t ter方面，VANET的总体QoS性能此外，对于更高数量的车辆（50至250），与CCA功率102.0 dBm相比，CCA功率85.1 dBm和TR400 m分别将VANET的总体QoSPDF、M Dp Pkt、M Dp Hop和Jit ter与CCA功率102.0 dBm相比，TR 1000 m和250 m还改善了CCA功率85.1 dBm的QoS;然而，TR 400 m实现了最高的改善。这意味着不同的CCA功率影响VANET的QoS性能，因此在ITS设备中使用自适应CCA方案可能有助于提高QoS。7. 今后工作这项研究已经确定，不同的CCA范围影响的QoS性能的ITS为一个给定的TR。因此，它为ITS设备的自适应CCA算法的未来工作铺平了道路。利益冲突作者声明，本文中不存在利益冲突引用[1] 智能交通系统（ITS）;在5.855 MHz至5.925 MHz频带内运行的无线电通信设备;包含RTTE指令第3.2条基本要求的有害EN，ETSI EN302 571 V1.2.1，2013。[联机]。地址：北京市海淀区海淀路108号邮编：100000 东锡岛org/deliver/etsi_en/302500_30259/302571/01. 02.01-60/en_302571v010201p 。 pdf （ 最后 访问 时间：2017 年6 月 20日）。[2] 智能运输系统（ITS）;用于在5GHz频带中操作的智能运输系统的物理和介质访问控制层的欧洲轮廓标准，ETSI ES 202 663 V1.1.0，2010 。 [ 联 机 ] 。 可 用 ： http ： //www.东 锡 岛org/deliver/etsi_es/202600_20269/202663/01.01.00_60/-es_202663v010100p。pdf（最后一次访问日期：2017年6月20日）。[3] IEEE标准802.11p，第11部分，修订6：车辆环境中的无线接入（WAVE），IEEE-SA标准委员会，2010年。[4] IEEE标准1609.0-2013，IEEE车载环境无线接入指南WAVE -架构。[5] DSRC 915 MHz：美国国防部915 MHz专用短程通信标准组。运输单（USDOT），Washington，DC，USA，2015. 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