Fig. 1 Node H 2 retransmits a packet for node S cooperatively
图1 H 2 协助重发S数据包
陈 振 1,2 韩江洪 1 刘征宇 1 陆 阳 1
1 (合肥工业大学计算机与信息学院 合肥 230009) 2 (安徽大学计算机教学部 合肥 230601)(czahu@163.com)
摘 要： 车载自组网(vehicular ad hoc network, VANET)中的分布式TDMA方法通常多出没有被节点利用的空闲时隙，未能充分利用无线信道资源，且不能避免由于信道条件差所导致的丢包现象.与此同时，协助通信近年来引起了学术界和工业界的广泛关注，该方法利用了无线信道的广播特性，能够有效地修复信道，提高无线通信的可靠性.针对VANET应用场合，提出了一种MAC层数据协助重发方法，即协助分布式TDMA方法(cooperative distributed TDMA, Co-DTDMA).在Co-DTDMA中，如果源节点未成功发送数据，则附近的邻居节点利用未分配的空闲时隙协助重发源节点数据.与传统的协助通信方法不同，Co-DTDMA中的所有操作都以分布式方式进行，不依赖任何中心控制节点，因而适应于VANET应用场合.此外，Co-DTDMA仅利用未分配的空闲时隙协助重发数据，不影响网络中的正常数据传输.理论分析和仿真实验表明：Co-DTDMA显著地提高了数据成功接收概率，降低了数据传输时延.
关键词： 移动自组网；车载自组网；介质访问控制；时分多址；可靠性
随着嵌入式技术和无线通信技术的发展，车辆装有具有不同功能的传感器收集状态信息，并通过车载通信模块与其他车辆交换信息，从而产生了移动自组网(mobile ad hoc network, MANET)的一种新应用形态——车载自组网(vehicular ad hoc network, VANET).VANET是智能交通的基础，将会给人们带来更安全和更有效率的驾驶体验 [1] .
网络拓扑的快速变化、无线通信的不可靠性、VANET安全业务信息的高可靠性要求和低时延限制等是VANET走向应用所面临的诸多挑战 [1] .作为VANET的MAC层标准，IEEE 802.11p以竞争的方式访问无线信道，不能保证安全业务信息及时可靠地传播 [2-3] .此外，IEEE 802.11p不能对广播信息进行确认，还会产生“信息碰撞”等问题 [4] .为了避免节点竞争信道带来的不确定性，文献[5-8]针对VANET应用场合提出了分布式时分多址(time division multiple access, TDMA)方法.该方法以确定的方式访问信道，消去了隐藏节点的影响，相对于IEEE 802.11p，能够及时稳定地传播VANET安全业务信息 [7] .
在分布式TDMA方法中，为使媒体访问控制(medium access control, MAC)层性能稳定，帧内时隙数通常要大于2跳范围内的节点平均数目 [6-7,9] ，因此，帧内通常会多出未被节点利用的空闲时隙.与此同时，无线信号衰减、车辆高速移动和车辆本身对无线信号的阻挡等使得VANET中的无线通信并不可靠 [10] .显然，分布式TDMA方法未能充分利用无线信道资源，且不能避免由于信道条件差所导致的丢包现象.近年来，协助通信引起了学术界和工业界的广泛关注，该方法利用了无线通信的广播特性，能够有效地修复信道，提高无线通信的可靠性 [11] .当源节点未成功发送数据到目标节点时，附近的其他节点与源节点和与目标节点之间的信道状态可能较好，因此可以利用这些节点来协助重发源节点数据.虽然文献[12-15]基于TDMA协议提出了相关协助通信方法，但都基于有中心控制节点的TDMA协议，其中的时隙分配、协助通信的协调和执行等都需要中心控制节点管理，且上述方法大都关注移动节点与中心控制节点之间的通信，因而并不适合VANET应用场合.为此，本文基于文献[5-8]提出一种协助分布式TDMA方法(cooperative distributed TDMA, Co-DTDMA)，通过再利用帧内未分配的空闲时隙来协助重发传输失败的数据，以提高分布式TDMA方法的可靠性.与已有的TDMA协助通信方法不同，Co-DTDMA中的所有操作，如时隙分配、协助通信的协调和执行等，都完全以分布式方式进行，不依赖任何中心控制节点.此外，由于仅利用了未分配的空闲时隙进行协助通信，Co-DTDMA没有影响到网络中的正常数据传输.
文献[5]针对VANET应用场合提出了著名的ADHOC MAC方法，它是一种分布式TDMA方法.在ADHOC MAC中，信道以帧(frame)为单位进行分割，每帧再分割成若干时隙(slot).节点监听信道，在监听1次数据传输过程后，在自身包头的帧信息域(frame information， FI)中标注相关标志信息来反映时隙的占用情况.各个节点通过交换包头中的FI域，判断出 [6-7] ：1) 2跳范围内的节点信息；2) 帧内时隙的占用情况.节点基于2跳范围内的时隙占用信息选择时隙，且只在自身时隙内发送数据，避免了信息碰撞和隐藏节点的影响.
在ADHOC MAC中，由于节点的相对移动，原来不在2跳范围内的节点彼此接近，造成了文献[6-7]所定义的汇聚碰撞(merging collision)问题.文献[6-8]基于ADHOC MAC提出了VeMAC方法，将时隙分为3个独立的子集，分别对应了公路不同方向车辆和公路旁的固定通信设备，减少了由于节点相对移动所导致的时隙再请求次数，提高了网络吞吐量 [6-7] .
但在ADHOC MAC及其相关改进方法中，节点发送数据失败时，必须等待下一帧的自身时隙才能重发数据，即使当前帧内的信道空闲(对应了未分配的空闲时隙).为此，研究再利用未分配空闲时隙重发数据的方法.节点通过交换FI域，获知帧内的时隙占用情况，其中，未被节点占用的时隙为未分配的空闲时隙.在下面研究中：
1) 参考文献[3,16-18]，基于1维空间公路或高速公路场景进行研究，并假设车辆在1维空间公路或高速公路上服从泊松分布 [3,16] .
2) 随着导航系统的普及，假设车辆通过导航系统中的GPS脉冲信号实现时间同步 [6-8,19-20] .此外，如果GPS信号丢失，仍可利用GPS接收器中的振荡器实现较长时间的同步 [6-7] .
3) 基于单位圆盘模型表示信道 [16] .设所有车辆无线1跳传输距离为 R ，当车辆之间距离小于或等于 R 时，在不考虑信息碰撞的情形下，设车辆之间能够成功发送数据的概率为 p ， p 越大，信道质量越好.当车辆之间距离大于 R 时，车辆之间不能直接通信.
4) 假设网络节点通过VeMAC请求获得时隙，在此基础上，主要关注已获得时隙的节点再利用未分配空闲时隙协助重发数据的方法.
5) 在1帧的时间窗口内(通常小于0.1 s [6-7] )，时间短，车辆之间的相对移动小，况且VeMAC极大地减小了节点相对移动对网络性能的影响，因此假设同一帧内各节点发送数据时车辆是静止的.
2.1 相关节点数据包结构
为了建立相关分析模型和对网络性能进行比较，在节点获得时隙后，主要考虑点到点的通信方式.如图1所示，源节点 S 发送数据包到目标节点 D . S 发送数据包时，由于无线信道的广播特性，在 S 与 D 共同传输范围内的其他节点也能成功接收数据包.因此，如果 S 未成功发送数据包到 D ，则可以尝试利用这些节点来协助重发数据包.在下面研究中，源节点与目标节点共同传输范围内的其他节点称为候选协助节点.
Fig. 1 Node H 2 retransmits a packet for node S cooperatively
图1 H 2 协助重发S数据包
如果候选协助节点成功接收源节点数据包并且愿意重发数据包，则在当前帧内选定一未分配的空闲时隙(候选协助节点拟在该空闲时隙内协助重发数据包)，并在自身数据包包头中通过插入重发请求域(retransmission request，R-REQ)来请求重发数据包.如图2(a)所示，R-REQ含有以下信息：
1) 待重发数据包的源节点ID号、包序号和目标节点ID号(从源节点包头的MAC Header域获取)；
2) 候选协助节点在当前帧内选定的未分配空闲时隙序号.
Fig. 2 Structure of a packet in Co-DTDMA
图2 Co-DTDMA的数据包结构
其中，当前帧为源节点当前时隙到其下一时隙间的所有时隙，期间含有帧内固定的时隙数，不影响对问题的分析和处理.此外，采用ID号来标识节点.每个节点随机产生自身的ID号，如果发现自身的ID号与其他节点的ID号相同，则更改自身的ID号.ID号比MAC地址短，采用ID号标识节点有效地减小了数据包大小 [6] .
在图1中， S 发送数据包后，如果候选协助节点 H 2 成功接收 S 数据包并且愿意重发该数据包，则在自身包头中通过插入R-REQ来请求重发 S 数据包，R-REQ包含了源节点 S 的ID号、待重发的数据包序号、目标节点 D 的ID号和 H 2 在当前帧内选定的未分配空闲时隙序号.如果 D 未成功接收 S 数据包，则在 H 2 发送数据包后， D 从 H 2 包头的R-REQ域获知：
1) S 已发送数据包，但自身未成功接收数据包；
2) H 2 已成功接收 S 数据包并且愿意重发该数据包；
3) H 2 在当前帧内选定的未分配空闲时隙——如果 D 需要 H 2 重发 S 数据包，则 H 2 在该选定的未分配空闲时隙内重发数据包.
如果目标节点未成功接收源节点数据包，且已接收到相关候选协助节点发送的R-REQ，则目标节点在自身包头中通过插入重发确认域(retransmission acknowledgement， R-ACK)来声明需要重发源节点数据包.如图2(b)所示，R-ACK含有以下信息：
1) 待重发数据包的源节点ID号、包序号和目标节点指定的候选协助节点ID号(可能存在多个候选协助节点发送R-REQ，目标节点需要指定一个候选协助节点来重发源节点数据包)；
2) 指定候选协助节点在当前帧内选定的未分配空闲时隙序号.
2.2 必要的信息交换过程
基于图1的场景，图3显示了候选协助节点 H 2 重发 S 数据包的必要信息交换过程：
1) 如图3(a)所示， S 在自身时隙内发送数据包到目标节点 D ，但 D 未成功接收数据包.在此过程中，如果候选协助节点(如 H 2 )成功接收 S 数据包，则将 S 数据包保存在自身缓存中.
2) 如图3(b)所示，如果候选协助节点(如 H 2 )的时隙在目标节点 D 的时隙前，且已成功接收 S 数据包，则在自身包头中插入R-REQ，并在自身时隙内发送数据包，即在目标节点时隙前，候选协助节点在自身时隙内通过消息搭载机制(piggyback)发送R-REQ.如果其他候选协助节点(如 H 1 ， H 3 )接收到该R-REQ，则不再发送R-REQ来请求重发数据包.
3) 如图3(c)所示，如果 D 未成功接收 S 数据包，但 D 从候选协助节点(如 H 2 )发送的R-REQ获知：①源节点 S 已发送数据包，但自身未成功接收数据包;②候选协助节点(如 H 2 )已成功接收 S 数据包，并愿意重发该数据包，随后， D 在自身包头中插入R-ACK域，并在R-ACK域中指定候选协助节点(如 H 2 )(目标节点也是在自身时隙内通过消息搭载机制发送R-ACK).
4) 如图3(d)所示，指定的候选协助节点(如 H 2 )接收R-ACK后，在自身选定的未分配空闲时隙内重发 S 数据包.
在图3(b)中，候选协助节点通过消息搭载机制发送R-REQ来请求重发源节点数据包；在图3(c)中，如果目标节点未成功接收源节点数据包，则通过消息搭载机制发送R-ACK来确认需要重发源节点数据包，并指定候选协助节点(在本文中，目标节点指定第一个发送R-REQ的节点)；在图3(d)中，如果接收到R-ACK，则指定候选协助节点在未分配的空闲时隙内协助重发源节点数据包.需要指出的是，即使节点在自身时隙内没有数据需要发送，也要发送实际数据为空的虚拟数据包(dummy packet) [6-7] .在ADHOC MAC及其改进方法中，节点在自身时隙内发送虚拟包不产生与其他节点竞争信道的问题，也不产生任何形式的信道拥塞，但能使VANET中的节点更好地协调分配时隙 [6-7] .
Fig. 3 Information exchanges in Co-DTDMA
图3 Co-DTDMA的信息交换过程
上述过程通过消息搭载机制，利用了无线信道的广播特性和分布式TDMA方法的确定信道访问方式(不同节点对应了不同时隙，且只在自身时隙内发送数据)，使得源节点、目标节点和候选协助节点能以确定和有序的方式进行交互，且它们的协调方式完全是分布式的，不依赖任何中心控制节点.
2.3 网络开销分析
Co-DTDMA的开销主要包括候选协助节点发送的R-REQ和目标节点发送的R-ACK.候选协助节点发送R-REQ后，如果其他候选协助节点接收到该R-REQ，则不再发送R-REQ来请求重发源节点数据包.由于所有候选协助节点都在源节点 S 的1跳传输范围内，因此最多存在2个候选协助节点发送R-REQ.R-REQ(R-ACK)包含了源节点ID号、包序号、目标节点ID号(指定的候选协助节点ID号)以及选定的未分配空闲时隙序号.参考文献[7]，将节点的ID号设为7 b.此外，如果将数据包序号和时隙序号设置为2 B，则对于通常的应用已经足够(数据包序号大于最大序号时，从0开始重新计数)，所以R-REQ和R-ACK的长度通常小于50 b.参考车辆专用短程通信标准(dedicated short range communication, DSRC)，VANET中的数据传输速率为24 Mbps [21] .如果将时隙时间设为1ms [7] ，则节点在自身时隙内能够发送25 165 b数据.R-REQ和R-ACK的长度通常小于50 b，远小于节点在自身时隙内能够发送的数据量，且发送R-REQ的候选协助节点不超过2个，发送R-ACK的节点仅为目标节点，所以，相对于Co-DTDMA利用的未分配空闲时隙，上述开销可忽略不计.在下面的性能分析和仿真比较中，假设R-REQ和R-ACK都能正确地发送和接收.
基于1维空间公路或高速公路场景进行研究，并假设车辆在公路上服从泊松分布.设公路车辆平均密度为 β (每米车辆数)，则长度为 l 的公路上有 i 辆车的概率为
(1)
设 p s 为VeMAC的1跳范围内节点的数据包成功接收概率.由于信息碰撞和信道质量 p 相互独立， p s 为
(2)
其中， p c 为信息碰撞概率.由于2跳范围内不同节点对应了帧内不同时隙，且节点只在自身时隙内发送数据，所以 p c =0， p s = p .
Fig. 4 The common coverage road segment of a source-destination pair
图4 源节点S和目标节点D的共同传输范围
3.1 存在候选协助节点的概率
如图4所示，源节点 S 与目标节点 D 的共同传输范围长度为2 R - d ，其中 d 为 S 距 D 的距离.如果 D 随机分布在 S 的1跳传输范围内，则 d 的均值为0.5 R ，所以 S 与 D 共同传输范围的平均长度为1.5 R [9] .
当 S 与 D 共同传输范围内的节点数小于或等于2时，除源节点和目标节点外，不存在候选协助节点；当 S 与 D 共同传输范围内的节点数为 u +2且大于2时，除源节点和目标节点外，候选协助节点数为 u .设 N c 为 S 与 D 共同传输范围内的候选协助节点数，则：
(3)
设帧内的时隙数为 F .由图3可知，候选协助节点的自身时隙须在目标节点时隙的前方.节点时隙在目标节点时隙前的概率为 
，在 u 个候选协助节点中，存在 k 个候选协助节点时隙在目标节点时隙前的概率为 
u - k ，即 
，其中，0≤ k ≤ u ，0≤ u ≤ F -2(由于源节点和目标节点都已获得时隙，所以最多存在 F -2个候选协助节点能获得时隙.当 u > F -2时，把 u 当作 F -2的情形来处理).此外，如果候选协助节点没有成功接收源节点数据包，则不能协助重发源节点数据包.所以，当候选协助节点数为 u 时，其中存在 k 个候选协助节点的时隙在目标节点时隙前，但该 k 个候选协助节点都不能协助重发源节点数据包的概率为 (1- p s ) k ，其中，0≤ k ≤ u ，0≤ u ≤ F -2.设 N r 为能够重发源节点数据包的候选协助节点数.综上，在 N c = u 时，不存在能够重发源节点数据包的候选协助节点概率为
Pr { N r =0| N c = u }=
(4)
在 N c = u 时，存在能够重发源节点数据包的候选协助节点概率为
Pr { N r >0| N c = u }=
1- Pr { N r =0| N c = u }=
(5)
在 N c 所有条件下，存在能够重发源节点数据包的候选协助节点概率为
Pr { N r >0}= Pr { N r >0|0≤ N c ≤ F -2}+
Pr { N r >0| N c > F -2}. 
(6)
当0≤ N c ≤ F -2时：
Pr { N r >0|0≤ N c ≤ F -2}=
}.
(7)
当 u > F -2时：
Pr { N r >0| N c > F -2}=
(8)
3.2 存在未分配空闲时隙的概率
由图3可知，如果目标节点未成功接收源节点数据包，则在自身时隙内发送R-ACK来指定候选协助节点重发数据包，所以候选协助节点只能选定在目标节点时隙后的未分配空闲时隙来重发数据包.
节点前后1跳范围内的邻居节点数 N n (包括节点自身)为 j 的概率为
(9)
当 N n ≤ F 时，所有节点都能获得时隙，当 N n > F 时，最多有 F 个节点能获得时隙，为保证稳定的MAC层性能， F 需满足 [9] ：
F >2 R β .
(10)
设 F idle 为帧内未分配的空闲时隙数;当 N n = j ，0≤ j ≤ F 时， F idle = F - j ，此时，所有未分配的空闲时隙在目标节点时隙前的概率为 
F - j (假设未分配的空闲时隙是随机分布的)，所以当前帧内在目标节点时隙后存在未分配的空闲时隙概率为 
F - j .设 
idle为当前帧内在目标节点时隙后的未分配空闲时隙数，在所有条件下：
(11)
3.3 数据包成功接收概率
对于VeMAC，目标节点在当前帧内成功接收源节点数据包的概率为 p s ；对于Co-DTDMA，当目标节点未成功接收源节点数据包时，可能存在候选协助节点利用未分配的空闲时隙协助重发数据包，所以，目标节点在当前帧内成功接收源节点数据包的概率为
(12)
3.4 数据包传输时延
如果目标节点在当前帧内未成功接收源节点数据包，则源节点在下一帧内继续重发数据包，直到目标节点成功接收数据包.将数据包传输时延定义为目标节点成功接收源节点数据包所经历的帧数.对于VeMAC，需要经过 i 帧目标节点才能成功接收源节点数据包的概率为
Pr ( D = i )=(1- p s ) i -1 p s .
(13)
D 服从几何分布，其均值为
(14)
将式(14)中的 p s 替换为 
，得到Co-DTDMA的数据包传输时延均值：
(15)
首先用NS2仿真一段高速公路车辆行驶场景.公路有正反2个方向，每个方向上的车辆服从泊松分布.设每个方向上的车辆密度为 β l ，则公路车辆密度 β =2 β l (假设2个方向上的车辆密度相等).在VANET中，如果 R 很小，则链路存在时间短，车辆不能与相邻车辆建立稳定的连接；如果 R 很大，则不利于复用无线信道资源.因此，参考文献[22]，将设置 R =200 m.下面在不同参数下比较VeMAC与Co-DTDMA的数据包成功接收概率和传输时延.对于每组参数(主要包括 p ， β ， F 等参数)，将其代入第3节中的相关公式，求得对应的分析结果.在仿真过程中，对于每组参数，根据其中的 β 值随机产生50种不同的网络拓扑结构，并在每种拓扑结构上抽取10 5 帧的数据进行统计，对应的仿真结果取均值.
VeMAC的数据包成功接收概率决定于信道质量 p ，Co-DTDMA的数据包成功接收概率除决定于 p 外，还受到公路车辆密度 β 和帧内时隙数 F 的影响.图5～7表明，相对于VeMAC，Co-DTDMA显著地提高了数据包成功接收概率，降低了数据包传输时延.这是因为源节点未成功发送数据包时，Co-DTDMA能够利用未分配的空闲时隙重发源节点数据包.
Fig. 5 The performance of Co-DTDMA compared with VeMAC as a function of p
图5 在不同p值下2种方法的性能比较
Fig. 6 The performance of Co-DTDMA compared with VeMAC as a function of β
图6 在不同β值下2种方法的性能比较
Fig. 7 The performance of Co-DTDMA compared with VeMAC as a function of F
图7 在不同F值下2种方法的性能比较
图5在不同的信道质量下比较2种方法的性能，其中， β 为每米0.05辆车， F =30.图5表明，信道质量越好，2种方法的数据包成功接收概率越大，传输时延越小. p =0时，信道质量差，所有数据包发送失败，2种方法的数据包成功接收概率为0，传输时延无限大； p =1时，信道质量好，所有数据包发送成功，2种方法的数据包成功接收概率为1，传输时延相同.
图6在不同的公路车辆密度下比较2种方法的性能，其中， p =0.5， F =40.图6(a)表明，在车辆密度较小时，随着车辆密度的增大，候选协助节点的增多，Co-DTDMA的数据包成功接收概率增大.但在车辆密度较大时(接近每米0.1辆车)，如果继续增大车辆密度，Co-DTDMA的数据包成功接收概率反而会减小，这是因为帧内的未分配空闲时隙越来越少.在 β 为每米0.1辆车时，帧内不存在未分配的空闲时隙，2种方法的数据包成功接收概率相同.对图6(b)中的数据包传输时延可进行类似分析.
Fig. 10 The performance of Co-DTDMA compared with VeMAC based on real traffic data
图10 基于交通流量数据的2种方法性能比较
图7在不同的 F 值下比较2种方法的性能，其中， β 为每米0.05辆车， p =0.5.图7表明，在 F 值较小时，随着 F 增大，帧内未分配的空闲时隙增多，Co-DTDMA的数据包成功接收概率增大，传输时延降低；但随着 F 的继续增大，Co-DTDMA的数据包成功接收概率和传输时延逐渐保持不变.
最后，采用1组实际交通流量数据来比较2种方法的性能.文献[23]的课题组历时6年，在G2，G15，G45，G60这4条城际高速路上以及在多条市内快速路上采集了逾30万条数据.下面采用该课题组采集的实际交通流量数据.如图8所示，采用数据的采集地点为沪杭高速(G60)嘉兴王店服务区南侧，对应时间为2011-07-26T14:14:00—16:14:00，主要采集迎面行驶的车辆速度、加速度、位置等数据.在该时段中，车辆平均加速度为0.01 ms 2 .首先对本文中的假设条件进行验证，即验证高速公路车辆是否满足泊松分布的假设.将时间窗口设为50 s，统计每50 s经过该路段的车辆数.图9对应了不同车辆数的出现概率.图9表明，车辆在该路段上可近似为泊松分布，本文中假设条件成立.
Fig. 8 The location of data collecting
图8 数据采集地点
Fig. 9 The histogram of G60 traffic flow
图9 G60交通流量数据柱状图
在1帧的时间窗口内(通常小于0.1 s [6-7] )，时间短，车辆之间的相对移动小，况且VeMAC极大地减小了节点相对移动对网络性能的影响，基于此，论文假设同一帧内各节点发送数据时车辆是静止的.因此，实验根据实际交通流量数据来确定不同的高速公路车辆快照，并在每种快照中抽取实验数据进行统计.将上述2 h的实际交通流量数据分割成144组，每组数据的时间间隔为50 s.如第1组数据的对应时间为2011-07-26T14:14:00—14:14:50，第2组数据的对应时间为2011-07-26T14:14:50—14:15:40等.每组数据确定了1组车辆快照.如对于第1组数据，根据各个车辆的观察时间、观察时的位置、观察时的速度等信息，计算出该组数据所观察到的车辆在该组数据结束时(2011-07-26T14:14:50)的位置，从而得到在该组数据结束时的1组车辆快照(由于车辆的平均加速度很小，仅为0.01 ms 2 ，因此可以认为在每组数据的时间窗口内，车辆保持匀速行驶).每次随机选择2组数据，分别对应了公路不同方向的车辆，一共进行50次实验，每次实验抽取10 5 帧的数据进行统计.在实验中，由于每组实际交通流量数据的车辆平均密度为每米0.012 6辆车，所以公路车辆平均密度为每米0.025 2辆车，此外，实验中的 F =20.图10对应了实验的平均结果.结果表明，本文中的分析模型较好地拟合了实验结果.由于本文中的分析模型基于车辆服从泊松分布的假设，且高速公路上车辆的实际分布可近似为泊松分布，所以本文中的分析模型较好地拟合了实验结果.
本文提出了一种利用未分配空闲时隙重发数据包的方法.源节点未成功发送数据包时，候选协助节点利用未分配的空闲时隙协助重发源节点数据包；随后，对本文方法的性能进行了分析，并通过仿真实验加以验证.由于利用了未分配的空闲时隙重发传输失败的数据包，本文方法显著地提高了数据包成功接收概率，降低了数据包传输时延.
此外，源节点、目标节点和候选协助节点之间的交互以及候选协助节点利用未分配的空闲时隙重发数据包都是在通信协议栈中的MAC层完成，不影响上层的路由协议和应用协议.
本文基于基本的信道模型对所提方法进行了分析和比较.在后续研究中，将进一步研究更加真实的无线信道模型对所提方法的性能影响.
参考文献：
[1]Hartenstein H, Laberteaux K P. A tutorial survey on vehicular ad hoc networks [J]. IEEE Communications Magazine, 2008, 46(6): 164-171
[2]Daniel J, Luca D. IEEE 802.11p: Towards an international standard for wireless access in vehicular environments[C] 
Proc of IEEE VTC’08. Piscataway, NJ: IEEE, 2008: 2036-2040
[3]Ma Xiaomin, Zhang Jinsong, Yin Xiaoyan, et al. Design and analysis of a robust broadcast scheme for vanet safety-related services [J]. IEEE Trans on Vehicular Technology, 2012, 61(1): 46-61
[4]Wisitpongphan N, Tonguz O K, Parikh J S, et al. Broadcast storm mitigation techniques in vehicular ad hoc networks [J]. IEEE Wireless Communications, 2007, 14(6): 84-94
[5]Borgonovo F, Capone A, Cesana M, et al. ADHOC MAC: New MAC architecture for ad hoc networks providing efficient and reliable point-to-point and broadcast services [J]. Wireless Networks, 2004, 10(4): 359-366
[6]Omar H, Zhuang Weihua, Li Li. VeMAC: A TDMA-based mac protocol for reliable broadcast in VANETs [J]. IEEE Trans on Mobile Computing, 2013, 12(9): 1724-1736
[7]Omar H, Zhuang Weihua, Li Li. Performance evaluation of VeMAC supporting safety applications in vehicular networks [J]. IEEE Trans on Emerging Topics in Computing, 2013,1(1): 69-83
[8]Omar H, Zhuang Weihua, Li Li. On multi-hop communi-cations for in-vehicle Internet access based on a TDMA MAC protocol [C] Proc of IEEE INFOCOM’14. Piscataway, NJ: IEEE, 2014: 1770-1778
[9]Sailesh B, Zhuang Weihua. Performance analysis of cooperative ADHOC MAC for vehicular networks [C] Proc of IEEE Globecom’12. Piscataway, NJ: IEEE, 2012: 5482-5487
[10]Boban M, Vinhoza T, Ferreira M, et al. Impact of vehicles as obstacles in vehicular ad hoc networks [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2011, 29(1): 15-28
[11]Yang Fan, Tang Yuliang. Cooperative clustering-based medium access control for broadcasting in vehicular ad-hoc networks [J]. IET Communications, 2014, 17(8): 3136-3144
[12]Sadek A, Liu K, Ephremides A. Collaborative multiple-access protocols for wireless networks [C] Proc of IEEE ICC’06. Piscataway, NJ: IEEE, 2006: 4495-4500
[13]Yuan Guangxiang, Peng Mugen, Wang Wenbo. Opportunistic user cooperative relaying in TDMA-based wireless networks [J]. Wireless Communications and Mobile Computing, 2012, 10(7): 972-98
[14]Yang Zhuo, Yao Yudong, Li Xiaochen, et al. A TDMA-based MAC protocol with cooperative diversity [J]. IEEE Communications Letters, 2010, 14(6): 542-544
[15]Hu Nansai, Yao Yudong, Yang Zhuo. Analysis of cooperative TDMA in rayleigh fading channels [J]. IEEE Trans on Vehicular Technology, 2013, 62(3): 1158-1168
[16]Zhang Wuxiong, Chen Yu, Yang Yang, et al. Multi-Hop connectivity probability in infrastructure-based vehicular networks [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2012, 30(4): 740-747
[17]Liu Jianhang, Sun Jiangming, Bi Jingping, et al. VANET cooperative downloading approach study based on dynamic slot [J]. Chinese Journal of Computers, 2011, 34(8): 1378-1386 (in Chinese)(刘建航, 孙江明, 毕经平, 等. 基于动态时槽的车联网协助下载方法研究 [J]. 计算机学报, 2011, 34(8): 1378-1386)
[18]Yao Yuan, Rao Lei, Liu Xue. Performance and reliability analysis of IEEE 802.11p safety communication in a highway environment [J]. IEEE Trans on Vehicular Technology, 2013, 62(9): 4198-4212
[19]Tarik T, Abderrahim B, Khaled B L. Toward an effective risk-conscious and collaborative vehicular collision avoidance systems [J]. IEEE Trans on Vehicular Technology, 2010, 59(3): 1474-1486
[20]He Peng, Yan Baoping, Li Zhi, et al. CM-MAC: A cluster-based multi-channel MAC protocol for VANET [J]. Journal of Computer Research and Development, 2014, 51(3): 502-510 (in Chinese)(何鹏, 阎保平, 李志, 等. CM-MAC:一种基于分簇的多信道车载网MAC协议 [J]. 计算机研究与发展, 2014, 51(3): 502-510)
[21]Yu Fan, Biswas S. Self-configuring TDMA protocols for enhancing vehicle safety with DSRC based vehicle-to-vehicle communications [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2007, 25(8): 1526-1537
[22]Mohammad A R, Robert M. A new scalable hybrid routing protocol for VANETs [J]. IEEE Trans on Vehicular Technology, 2012, 61(6): 2625-2635
[23]Wu Shengchun, Zheng Xianqing, Guo Mingmin, et al. Survey report on urban freeway traffic flow of several typical cities in China [J]. Scientia Sinica: Physica, Mechanics & Astronomy, 2011, 41(6): 791-800 (in Chinese)
(吴胜春, 郑贤清, 郭明旻, 等. 国内典型大城市快速路交通流实测 [J]. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2011,41(6): 791-800)
Chen Zhen, born in 1980. PhD candidate in Hefei University of Technology. His main research interests include wireless sensor networks and distributed system.
Han Jianghong, born in 1954. Professor and PhD supervisor in Hefei University of Technology. His main research interests include wireless sensor networks, embedded system and distributed system (hjh@hfut.edu.cn).
Liu Zhengyu, born in 1980. Associate professor in Hefei University of Technology. His main research interests include Internet of things and wireless sensor networks (liuzhengyu@hfut.edu.cn).
Lu Yang, born in 1967. Professor and PhD supervisor in Hefei University of Technology. His main research interests include distributed control systems, industrial Internet of things and reliability engineering.
Chen Zhen 1,2 , Han Jianghong 1 , Liu Zhengyu 1 , and Lu Yang 1
1 ( School of Computer and Information , Hefei University of Technology , Hefei 230009) 2 ( Computer Studies Department , Anhui University , Hefei 230601)
Abstract： The distributed TDMA approach for vehicular ad hoc network (VANET) does not take advantage of idle slots, failing to effectively utilize radio resources, and the approach is not free from packet dropping due to a poor channel condition. Cooperative communication, on the other hand, has drawn significant attention from both academia and industry in recent years, since it can be effective in mitigating wireless channel impairments by utilizing the broadcast nature of the wireless channel. In the paper, a cooperative scheme for medium access control (MAC), referred to as cooperative distributed TDMA (Co-DTDMA) is presented for VANET. In Co-DTDMA, neighboring nodes utilize unreserved slots for cooperatively retransmitting a packet which has failed to reach the destination node owing to a poor channel condition. Different from traditional cooperative approaches, all Co-DTDMA operations, such as synchronization among nodes, reserving a time slot, cooperation decision and cooperative transmission are done in a fully distributed manner, which makes it suitable for VANET. In addition, cooperative transmission is conducted in unreserved slots, without interrupting the normal transmission. Both theoretical analysis and experimental results demonstrate that the proposed scheme significantly increases the probability of successful packet transmission and decreases the delay of packet transmission in various network parameters.
Key words： mobile ad hoc network (MANET); vehicular ad hoc network (VANET); medium access control; time division multiple access (TDMA); reliability
收稿日期： 2015-06-19；
修回日期： 2016-03-22
基金项目： 国家自然科学基金项目(61370088，61502142)；安徽省自然科学基金项目(1408085MKL80) This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(61370088,61502142) and the Natural Science Foundation of Anhui Province of China(1408085MKL80).
中图法分类号： TP393