摘 要： 通过分析自组网中不同接入机制对网络通信性能产生的影响，根据车队自身的特点，针对车队自组网的组织形式提出了一种基于分配的节点接入机制。该机制将竞争信息与业务信息相分离，有效地克服了车队自组网中竞争信息对正常业务信息造成干扰的问题，提高了车队通信的性能。
关键词： 车队通信；自组网；接入机制
0 引言
近年来，随着经济的高速发展，物流业也随之不断地壮大。运输车队作为公路运输的主要形式，在物流运输中所占的比重在逐年增加。而随着人们生活水平的提高，自驾游成为大众又一种外出旅游的方式，而自驾游车队也成为一种常见的组织形式。同时，在国家大抓军队战斗力提升的背景下，部队远程摩托化机动日益频繁。可以说车队的这一组织形式越来越成为一种新的常态。然而传统的通信方式却远不能应对信息化条件下车队的通信需求。以无线电台、对讲机组网仅能满足语音的广播式的通信需求；以手机方式组网，不仅需要地面基站等基础设施的支持，还会产生大量的通信费用。因此，为了车队能够应对不同外部环境以及高带宽的通信需求，在车队中建立自组织网络就成为一种不错的选择。
1 自组网信道冲突问题
自组网的优势在于构成网络的终端既具有主机的功能也具有路由的功能，使网络的拓扑结构更加灵活多变，同时网络中终端数可以根据需要随时增加或减少[1]。由于终端间的地位都是平等的，没有一个中心控制节点，自组网大多采用竞争的信道接入方式，这也会不可避免地为自组网带来了隐蔽端和暴露端的问题，这一问题大大影响自组网的通信效果，制约着自组网的发展。
所谓“隐藏终端”问题，是指多个通信终端由于无法相互协调而同时向同一个通信终端发送信息，导致通信失败的问题，对一个通信终端来说，每一个对其构成影响的无法协调的终端都可以看作是它的一个隐藏终端。如图1所示，基站A向基站B发送信息，基站C未侦测到A也向B发送信息，故A和C同时将信号发送至B，引起信号冲突，最终导致发送至B的信号都丢失了。“隐藏终端”多发生在大型单元中（一般在室外环境），这将带来效率损失，并且需要错误恢复机制。当需要传送大容量文件时，尤其需要杜绝“隐藏终端”现象的发生。
暴露终端问题是指一个需要发送信息的终端由于检测到其范围内有正在发送信息的终端而推迟发送数据。事实上被检测的终端对其并不产生实质的影响，这就造成了终端不必要的传输延误。如图2所示，基站A正处于信息发送状态，但由于基站C并不在基站A的通信范围内，因此基站A发送的信息并不会对基站C接收基站B的信息造成影响，可是基站B认为基站A会对其造成影响而选择推迟发送，造成了不必要的传输延误。
在解决自组网通信中存在的隐藏终端和暴露终端问题方面，国内外学者做了大量的研究工作，比如近些年提出的IEEE802.11P协议中双握手的CSMA机制，虽然在一定程上使隐藏终端和暴露终端问题得到了改善，但并没有从根本上解决[2]。而基于动态TDMA的分布式RR-ALOHA协议虽然有效解决了网络稳定后的信道冲突的问题，但在网络建立过程中以及在网络建立后有新的终端加入时，信道冲突依旧会对网络构成较大的影响[3]。
本文在RR-ALOHA协议的基础上，提出一种竞争和分配相结合的信道使用机制（DR-ALOHA）。机制对帧结构进行划分，将信道竞争集中控制在一个特定的时隙内，这样车队自组网中车辆站点周期性的广播信息就不会占用正常的站点业务带宽，同时可以避免因申请时隙过程中信息冲突对网络正常通信造成的影响。
2 车队自组网DR-ALOHA机制
2.1 车队自组网中帧的结构
车队自组网中帧结构如图3所示，它主要由两部分组成，一部分是竞争部分，用于各车辆站点以竞争的方式来申请获得空闲的时隙；另一部分是业务部分，由若干个时隙组成，用于被各个车辆站点申请，完成相应站点的数据传输业务。两部分构成一个完整的周期帧，显然业务部分占了整个帧的绝大部分，这样，所有用于时隙申请的信令都会在竞争部分这一固定的时隙内完成，不会对正常的网络通信造成影响。
2.2 时隙申请流程
时隙申请的流程如图4所示。建立网络之初，所有车辆站点处于一跳范围内，构成一个全连通网络。需要申请时隙的站点采用CSMA方式侦听信道的使用情况。如果信道空闲，则随机地选择一个空闲时隙的编号，并以广播的方式将本站点建立的时隙使用情况列表以及申请的时隙编号在一帧的竞争部分向其他站点发布。其他站点收到这样的发布信息后，更新本站点的时隙使用情况列表，并以相同的方式申请所需的时隙。为了防止不同站点申请相同的时隙造成混乱，任何站点只依据第一次接收的申请信息来更新本站点的时隙使用情况列表。如果除本站点以外的所有站点所发布的时隙使用情况列表都认可本站点所申请的时隙，则表达时隙申请成功。只要站点不离开网络，其他站点就不能占用它申请的时隙，而这一站点也只能在这一时隙内发送业务信息。
在整个车队运行过程中，如果有新的站点加入网络，需要申请时隙时，首先需要通过侦听相邻站点在一帧的竞争部分周期性地发布时隙使用情况列表，从而获得所有站点对时隙的占用情况，然后随机选择一个未使用的时隙编号作为申请时隙，向相邻的一个站点发送申请，当收到该站点的认可响应后，时隙申请成功。在网络运行过程中，每个站点都必须利用一帧的竞争部分定期地发布本站点的时隙使用情况列表，同时根据其他站点发布的列表来更新本站点的列表。
2.3 同步时钟
采用基于时隙结构的车队自组网无线信道接入方式，需要节点间的时钟同步，并尽量减小节点间的时钟误差，从而避免接入信道的冲突。因此，时钟同步对于以时分复用的网络来说至关重要。由于车辆在室外行驶，能够很容易地获得GPS信号，因此车队自组网可以采用同步信标方式实现区域内节点的时隙同步，采用GPS提供的全局基准时钟，其精度可达Ls级[4]，能够满足车载移动自组网的网络时钟同步要求[5]。
3 机制的性能分析
本文提出的车队自组网信道接入机制通过NS2仿真平台进行了测试，并对机制的性能进行了初步的分析，测试采用网络吞吐量和分组时延两个指标作为分析对象，并针对车队的实际运行情况设置了静态和动态两种仿真场景。
3.1 静态场景下仿真性能分析
车辆站点随机分布在100 m×200 m的范围内，带宽2 Mbit/s，队列长度为20个分组，节点的通信半径为250 m，仿真时间为100 s。以恒定速率的CBR业务模拟广播信息，以基于TCP协议的FTP业务模拟数据传输业务。在其他条件不变的前提下，不断地改变车队自组网的规模，以测试不同网络规模下的吞吐量。结果如图5所示。
通过图5能够看到，当站点数量较少时，两种机制下网络CBR数据的平均吞吐量相比差别不大，但随着站点数量的不断增加，应用RR-ALOHA机制的网络要略高于应用DR-ALOHA机制的网络，原因是在站点数量较少的情况下，RR-ALOHA机制中广播信息也作为业务数据来发送的，而DR-ALOHA机制中广播信息在一帧的竞争部分发送，随着站点数量的增加，冲突的概率也随之增加。
在FTP数据业务方面，仿真结果如图6所示，应用DR-ALOHA机制的网络平均吞吐量要明显优于RR-ALOHA机制的网络平均吞吐量，主要原因是在RR-ALOHA机制中，广播信息占用了一定的时隙资源。
3.2 动态场景下的性能分析
由10个车辆站点组成的车队等间隔地分布在10 m×1 000 m的道路上，车辆间的间隔为30 m，车队以10 m/s的速度匀速沿道路行驶。在运行10 s后，每隔5 s就有一个新的车辆站点加入车队。仿真时间60 s。同样以恒定速率的CBR业务模拟广播信息，以基于TCP协议的FTP业务模拟数据传输业务。结果如图7所示。
通过图7可以看出，在车队自组网运行过程中，两种接入机制在分组传输时延方面的性能差别不大，传输时延都比较小，但随着新车辆站点申请加入，DR-ALOHA机制下的网络分组传输时延性能要优于RR-ALOHA机制。因为RR-ALOHA机制下新站点的广播信息会给网络带来一定的冲突，从而延误正常的业务传输。而在DR-ALOHA机制下，由于新站点的申请信息集中在一帧的竞争部分，因此不会对网络正常的业务传输造成影响。
4 结论
本文提出了一种新的车队自组网的信道接入机制，该机制将竞争时隙与业务时隙分离，使周期性的广播信息集中于竞争时隙内，使车队在运行过程中的正常通信业务不受干扰，提高了车队自组网的传输性能。在相同的环境下，网络的整体性能较RR-ALOHA机制有所提高，特别是在组网过程中的网络稳定性方面。但在周期性广播信息的可靠性方面还有待进一步的改进提高。
参考文献
[1] 张民.多接口车载自组网信道分配算法与接入技术的研究[D].上海：东华大学，2014.
[2] 袁利锋，李盼，司亚雄.基于WAVE和XMPP的车队即时通信系统[J].电信快报，2014（4）：46-48.
[3] 常促宇.车载自组网的现状与发展[J].通信学报，2007，11（28）：116-126.
[4] 乔纬国.车载无线自组织网MAC层协议分析[D].秦皇岛：燕山大学，2013.
[5] 薛津，叶少珍.GPS车辆监控系统服务器性能优化与实现[J].微型机与应用，2013，32（24）：59-62.