车载网中保证服务质量的HCCA优化策略.docx

车载网中保证服务质量的HCCA优化策略摘要：在车载网中，为了保证数据传输的服务质量，一个稳定高效的信道访问策略是十分必要的。据此，在802.11p协议的链路层信道访问控制协议HCCA策略的基础上，提出了一种基于马尔科夫决策过程的紧急数据优先的策略(URF-HCCA)来保证数据传输的服务质量。该策略采用按需分配资源的方式来减少系统的传输冗余和传输延迟。此外,它还引入了基于延迟预测的接入控制模型。仿真结果表明,与其他几种策略相比，URF-HCCA优化策略可以很好的满足传输的服务质量需求，提高信道利用率、降低平均传输延迟以及系统的丢包率。关键词：车载网，IEEE 802.11P，服务质量，URF-HCCA，接入控制，马尔科夫决策过程。概述在车载网环境中，特别是在密集的高速移动场景或者事故频发的车辆移动场景中，一些意外情况的发生可能会引起数个小时乃至数天的交通拥堵。因此，建立一个健壮的，稳定的，以及中断容忍度高的车辆网络是十分必要的，它可以及时的传送紧急状况信息以及有效道路信息来提高交通的安全系数和交通的高效性。HCCA策略是802.11p[4][5]协议中链路层的一种无竞争的集中式信道访问策略，它的协调器会维护一个轮询表来控制其他节点对信道资源的使用。HCCA策略会有效减少信道访问延迟，但是，它的资源分配并不是自适应的，大量的轮询包和空数据包也会产生大量的数据冗余。此外，在HCCA方案的接入控制策略也将难以满足数据传输的延迟、带宽以及丢包率等服务质量的要求。本文在HCCA策略的基础上提出了一种紧急请求优先的信道访问策略（URF-HCCA）以及基于延迟预测的接入控制策略。在路边设备端，协调器首先给要收集各个车载节点的数据传输请求，并根据各个请求的参数进行资源分配，为了保证传输的服务质量，协调器引入接入控制策略来对请求的数据流进行准入控制；在车载单元端则会应用马尔可夫决策过程来管理传输队列。URF-HCCA策略以及相应的接入控制策略会在很大程度上提高信道的利用率，减少平均传输延迟以及丢包率。研究背景本文主要研究的是车辆与路旁设备通信的密集公路场景。网络中有n个移动节点分享1个控制信道以及6个服务信道，这些车载单元在这两种信道间隔中不停的转换，控制信道用来传输管理控制信息，服务信道用来进行数据传输。按照HCCA策略的定义，每个超级帧中包含非竞争阶段以及竞争阶段，协调器主要控制非竞争阶段的数据传输，它会为每个数据请求分配占用信道的时间，占用带宽，以及传输优先级。我们将紧急数据的传输设置为最高优先级进行传输。当数据流请求过多以至于系统不能满足所有的传输请求时，就需要建立一个接入控制模型来对数据流进行准入控制。一个标准的接入控制模型需要有两类输入：对当前流量的具体描述和对请求数据的服务质量需求，这些信息都会存储在TSPEC要素里。协调器会根据输入的这两类条件来判断是否同意接下来的数据传输，如果当前条件不能满足服务质量需求，则协调器必须拒绝该数据传输。TSPEC要素主要包含项如表1所示。马尔可夫决策过，是在决策结果一部分随机，另一部分是在决策者的控制的情况下，为决策模型提供的一个数学框架。决策者需要以一定的概率采取一个措施来从一个状态转移到下一个状态，在这个过程中也会产生一定的报酬。到到达最终状态时，报酬的总和要尽可能的达到最大值。决策模型是由五个参数组成的：，其中，是系统的有限状态集，是系统的有限行动集合，是当系统从一个状态转移到另一个状态时，采取某一个行动的概率，是当系统采取一个行动从状态转移到状态时，得到的报酬值，是报酬函数。关键的问题是根据系统当前的状态，从有限行动集中选取一个行动，为了尽可能的找出最优策略，在作出决策时也可以参考当前状态和历史状态信息。在有很多不确定因素的情况下，MDP决策模型已经被大范围的应用于许多领域例如生态科学，经济理论和通信系统等等[9][13][14]。经过多种反复验证，马尔科夫决策模型被证明可以应用于调度算法的改进，并且可以取得很好的效果。表1 TSPEC要素定义参数定义M数据流的最大传入速率m数据流的平均传入速率U数据包的平均大小P物理层最小比特率B传输一个数据包的时间和带宽分配值S两个连续SP的时间间隔D数据流传输的最大延迟值URF-HCCA策略及接入控制模型URF-HCCA策略模型在URF-HCCA策略中，车载单元将会主动向协调器请求资源预定。这些移动节点每间隔一段时间会收集本节点的传输请求，然后将这些请求写入ADDTS请求列表，将他们发送给协调器。协调器收集到所有的ADDTS请求列表后，会根据接入控制模型来评估这些请求，如果评估后确定该请求可以被满足，协调器会根据己端的调度策略来分配网络资源，包括传输时间、传输优先级、带宽以及其他的TSPEC信息，并把这些信息写入ADDTS反馈信息中。在下一个超级帧的