张 宏，吕悦晶

（1．内蒙古大学交通学院，内蒙古 呼和浩特 010021；2．武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北 武汉 430081）

基于启发式算法和自适应模糊逻辑方案优化VANET性能

张 宏1，吕悦晶2

（1．内蒙古大学交通学院，内蒙古 呼和浩特 010021；2．武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北 武汉 430081）

固有的高速移动节点和不可预测的环境使得车载自组织网络（Vehicular Ad-hoc Network，简称VANET）拓扑结构不断变化。为了确保有效的数据包传输，VANET中的节点应能适应VANET拓扑结构的变化。本文提出一种新的启发式和自适应模糊逻辑方案，根据网络和交通情况调整竞争窗尺寸和传输功率。现有的VANET方案只从一个参数优化竞争窗尺寸和传输功率，未考虑干扰这一主要因素在VANET劣化传输时的影响。在VANET中，由于干扰或在运行的时间内数据丢包可以出现在不同的传输阶段，在方案中，基于3个参数（即碰撞丢包率、信噪比和队列溢出），代表不同传输阶段的数据包丢包，模糊逻辑自适应地优化数据包竞争窗尺寸。传输功率通常是静态参数，在考虑了VANET干扰影响的情况下，也可以用启发式和自适应模糊逻辑方案优化。启发式和自适应模糊逻辑方案能评估道路交通仿真网络和城市交通网络仿真，其仿真结果表明，与默认的IEEE802.11P和现有的方案比较，此方案能提高吞吐量，降低端到端延迟和提高数据包传输成功率。

VANET；竞争窗尺寸；传输功率；模糊逻辑优化

文献［2］中讨论了VANET所面临的挑战，举例说明VANET动态特性对隐藏终端的影响。在文献［3］和文献［4］中提出了解决VANET动态特性的方法和隐藏终端难题，其中，在文献［3］中，阐述碰撞丢包率用于设置竞争窗尺寸，传输功率在计算出的传输范围的基础上进行调整；文献［4］阐述一种新的基于集群的分布式多通道和移动MAC协议（DMCMAC）用来缓解隐藏终端问题的影响。而在IEEE802.11p标准草案中，VANET采用专用短程通信技术（DSRC）加强道路安全［5］。为了支持VANET在车载环境中无线接入，开发了用于支持VANET无线接入（WAVE）的标准。WAVE与IEEE802.11p和IEEE1619标准一起设计。IEEE802.11p探讨了一种新的物理层和修正MAC层，WAVE则提供了一种无线传输协议［6］。有2种不同类型的WAVE，称为车载单元OBU和路边单元RSU，所以也有2种不同的通信类型通过OBUs和RSUs启用，即车辆与车辆之间（V2 V）的通信和车辆与基础设施（V2I）之间的通信［7］。在部署VANET之前，研究者们对VANET效率的研究开展了大量的工作。

综上所述，VANET凸显出干扰和隐藏终端问题，在文献［4］中，隐藏终端被认为是数据包丢失的主要原因。当一个节点不能探测到另外一个正在传递数据包的节点存在，就会产生隐藏终端，从而引起数据包碰撞。隐藏终端问题在接收端导致低吞吐量。如果隐藏终端问题能缓解，网络容量和可靠性就能随之增加。为了降低由干扰和隐藏终端导致的网络退化，我们发现自适应竞争窗和传输功率非常重要，因此，在接下来的部分，我们重点讨论在网络拥堵状态下采用启发式和自适应逻辑方案优化竞争窗和传输功率。

当2个站点彼此距离太远时，VANET隐藏终端（中介、第三方）用于在它们之间进行感知传输。因此，当2个站点检测到中介空闲时，如果2个站点同时尝试将信息发送至它们之间的第三方，传输会被干扰，数据包将被丢弃。鉴于此，隐藏终端的影响应减少，因其能构成VANET的一个主要缺陷。由于VANET的动态特性和考虑丢包可能发生在传播的不同阶段，在优化竞争窗大小和传输功率之前，我们建议使用几个参数以确保计算的准确性来评估交通状况。为了解决隐藏终端问题，据我们了解，从不同的层面使用多个参数（即信噪比、队列长度和碰撞丢包率）联合优化竞争窗尺寸和传输功能，在机动车和非机动车物体引起的周围干扰环境中，用队列长度和碰撞丢包率精确地优化竞争窗尺寸，使用信噪比优化传输功率还未开展。

本文的主要贡献如下：首先，基于信噪比干扰可靠性指标，我们提出了启发式和自适应模糊逻辑传输功率优化方案。VANET中的节点流动性很大，容易出现干扰。低信噪比传输会导致数据包传输失败，而高信噪比又会导致隐藏终端问题。因此，为了部署VANET，使用信噪比表示干扰，优化传输功率。其次，我们提出自适应竞争窗方案，在通道拥塞状态下优化竞争窗。现行的IEEE802.11p基于数据类型定义了常竞争窗尺寸，然而，VANET中的高速移动节点可能在短时间内从一个拥堵的通道跳到一个不太拥塞的通道。因此，在VANET中一个自适应竞争窗在一段时间内自始至终连续进行通道拥堵监测非常重要，以确保有效的数据包传输。第三，为监测通道拥堵，我们提出使用3个参数，即信噪比、碰撞丢包率和队列。丢包现象可能发生在传输的不同阶段，当信噪比低、碰撞丢包率高和队列溢出时，数据包被丢弃。因此，信噪比、碰撞丢包率和队列用于表示通道状况。第四，进行优化，我们提出了一种基于模糊逻辑的方案，使用信噪比、碰撞丢包率和队列作为输入，以优化输出竞争窗尺寸。启发式和自适应模糊逻辑方案与由信噪比、碰撞丢包率和队列表示的通道拥堵自适应竞争窗尺寸，实现高吞吐量、降低延迟和提高数据包传输成功率，是实现可靠的车载自组网VANET环境的基础。

2 改进的启发式和自适应模糊逻辑方案

VANET车辆节点的高速移动性导致网络拓扑结构实时变化，所以竞争窗尺寸和传输功率也需随之自适应变化。启发式和自适应模糊逻辑方案内容包括准确表示通道拥堵状态、自适应竞争窗尺寸、传输功率优化等。

2.1 改进的启发式和自适应模糊逻辑传输功率优化

隐藏终端问题由VANET中过高的信噪比引发，低信噪比会导致失败的数据包传输。已知：信噪比=信号功率/（干扰+噪声）功率，在干扰和噪声保持不变的情况下，信噪比随传输功率线性增加。图1表明了隐藏终端出现的原因及其影响程度，数据包成功传输的可能性高用高信噪比表示，数据包丢失或碰撞丢包的可能性高用低信噪比表示。因此，信噪比是在有噪声和干扰的情境中衡量节点信号传递强度的重要指标。为保证数据包的有效传输，通常信号强度在有噪声和干扰的环境中应相对较高。然而，过高的信噪比会造成浪费能量，导致更大的重叠区域，进一步增加隐藏终端问题。综上所述，信噪比应保持最佳值，以保证系统最优的性能。

图1 隐藏终端出现的原因及其影响程度

在文献［8］中，根据距中心车辆的距离，车辆无线信号通信范围可分为3个区域，如图1a所示。在通信范围内，数据包被成功接收和解码的可能性高，在探测范围内可检测到正在进行的通信。另一方面，在噪声和干扰范围内，从终端A碰撞丢失数据包，导致数据包从终端B到接收端C也传输失败，如图1b所示。在噪声和干扰区域内，因干扰强，节点不能完全探测到或无法探测到另外一个节点的存在，导致车辆无法检测到隐藏终端。干扰导致了不可见的终端，是VANET数据包传输失败的主要原因之一。传输功率较高时引起干扰和噪声，所以，在我们提出的启发式和自适应模糊逻辑方案里，优化传输功率能保证数据包被成功传输，节省能量和减少隐藏终端问题。

在启发式和自适应模糊逻辑方案中，基于信噪比进行自适应优化传输功率，如表1所示。如果信噪比小于0，节点信号强度比周围区域中的噪声和干扰低，此时高传输功率应分配更高的参数，传输功率增益用参数T表示，是一个介于0和1之间的值，依据环境和应用选择，例如城市取0.5～0.9，农村取0.1～0.49。如果信噪比在0～β之间，传输功率T=1。如果信噪比大于β，将传输功率优化为较低值，以减少干扰和功率损耗。

2.2 改进的启发式和自适应模糊逻辑竞争时间窗尺寸模糊逻辑方案

VANET拓扑结构变化快导致丢包率增加，用户不能及时收到紧急消息。在本文的仿真案例中，选取影响VANET数据包丢包的各种参数见表2，仿真时间为250 s，数据包到达的时间间隔为0.5 s，仿真模拟拥堵的市内交通，车辆匀速行驶，所有车辆从一个固定起点沿最短路径行驶至固定终点，通过停车引起交通拥堵。在仿真时间内，总数据丢包主要由数据包碰撞、信噪比和队列溢出3个因素决定，研究表明数据包碰撞主要由干扰和隐藏终端问题引起，数据包碰撞导致VANET数据包丢失率几乎达54%，如表3所示。因低信噪比引起的数据包丢失主要是由环境干扰和噪声中的低传输功率造成的；因队列溢出引起的数据包丢失主要是由交通拥堵中低竞争窗或交通畅通中高竞争窗造成的。所以，在改进的启发式和自适应模糊逻辑方案中，可以用导致数据包丢失的因素作为交通拥堵的指标优化竞争窗尺寸。

表1 传输功率优化

在VANET系统中，因VANET内在非可预测性和随机特性，易于发生隐藏终端问题。因此，信噪比是一个良好的衡量VANET因隐藏终端问题导致数据包丢失的指标。VANET通道拥堵的发生是随机的。节点可以在短时间内变成通道拥堵状态和移出通道拥堵状态。因此，在改进的启发式和自适应模糊逻辑方案中，可以采用数据包碰撞丢包率、低信噪比和队列溢出参数表达通道拥堵。

隐藏终端和通道拥堵能引起数据包碰撞，因此，数据包碰撞丢包率在描述实际VANET条件时是一个有用的参数，导致数据包丢失的队列溢出是建议描述通道拥堵另一个主要的参数。数据包碰撞丢包率、信噪比和队列溢出是表达交通拥堵主要的3个因素，因此，竞争窗尺寸可依据这3个参数进行优化。

如果检测到队列溢出、高碰撞丢包率和低信噪比，在下一个传送发生之前，竞争窗尺寸的增加可使网络有充分的时间完成当前的传送；另一方面，如果没有检测到队列溢出，检测到了低碰撞丢包率和高信噪比，竞争窗相应减少，允许更多的传送发生。然而，通道拥堵和低信噪比可能并不总是作为数据包的并行结果，因低信噪比，甚至在到达目的地节点之前，数据包可能已经被丢弃了。在这种情况下，持续适当的时间使用模糊逻辑方案优化竞争窗尺寸。使用模糊逻辑方案，结合输入碰撞丢包率、队列和信噪比参数，综合优化竞争窗尺寸，可输出优化的竞争窗。

表2 仿真参数

表3 VANET数据包丢失

改进的启发式和自适应模糊逻辑具体解释如下：①图2a输入启发式和自适应模糊逻辑隶属函数信噪比，其中低信噪比表示竞争窗高隶属度值，高信噪比表示竞争窗低隶属度值。②图2b输入启发式和自适应模糊逻辑当前队列长度隶属函数，其中高队列长度表示竞争窗高隶属度值，低队列长度表示竞争窗低隶属度值。③图2c输入启发式和自适应模糊逻辑碰撞丢包率隶属函数，其中高碰撞丢包率表示竞争窗高隶属度值，低碰撞丢包率表示竞争窗低隶属度值。图2a、b、c通常具有相同Y轴值，而X轴值从推荐参数仿真值的最小到最大的范围内进行选择。论域X模糊集隶属函数定义为：µA:X→［0，1］，其中X的每个元素映射到0和1之间的某个值，这个值称为隶属值或隶属度，量化模糊集合X中的元素的隶属等级。用于启发式和自适应模糊逻辑真值的隶属度值见表4，我们提出启发式和自适应模糊逻辑公式（1）～（4）来确定最终的竞争窗输出。如表4所示，在启发式和自适应模糊逻辑真值表的基础上获得或确定输入隶属函数值，表4和公式（1）～（4）根据Mamdani模糊逻辑概念获得。

通过使用表4和公式（1）～（4）Mamdani模糊逻辑计算重叠区域能得出最终结果。表4考虑了所有的可能输入值，又为模糊逻辑方案分配了适当的输出值。针对模糊逻辑真值表，应当注意的是，在低信噪比引起丢包的情况下，极不可能出现因碰撞和队列溢出引起丢包。然而，高队列引起的丢包，可能会出现低信噪比和低碰撞丢包率引起丢包。因此，如果碰撞丢包率、队列和信噪比出现不同的结果，用提出的模糊逻辑方案优化竞争窗。最终的竞争窗尺寸（输出）基于启发式和自适应模糊逻辑公式（4）计算得出，其中，从公式（1）～（3）获得低竞争窗尺寸α1、中竞争窗尺寸α2和高竞争窗尺寸α3。启发式和自适应模糊逻辑输出的竞争窗尺寸隶属函数见图2d。如果输入值返回真，则规则返回0.5，否则规则返回0。

最终的竞争窗尺寸由公式（4）和图2d获得。如果检测到高碰撞丢包率、高队列和低信噪比（通道条件较差），为了减少因隐藏终端导致的数据包碰撞，应增加竞争窗尺寸。然而，当检测到低碰撞丢包率、低队列和高信噪比（通道条件最好）时，应降低竞争窗尺寸，以允许多个传输发生。如果参数得出不同的结果，用提出的模糊逻辑方案优化竞争窗。竞争窗尺寸引起后台计数器变化，以便根据参数队列、碰撞丢包率和信噪比指示的网络条件进行实时传输。高竞争窗允许在下一个传输发生之间缓解通道拥堵。当参数指示无通道拥堵时，低竞争窗允许多个传输发生。

图2 改进的启发式和自适应模糊逻辑

表4 启发式和自适应模糊逻辑真值表

相对于噪声和干扰测量信噪比信号强度，一般信号的劣化（因隐藏终端、碰撞、干扰等）使用信噪比可以测量出来，信噪比决定了数据包成功传输至目的节点的能力。这样，当检测到低信噪比时，启发式和自适应模糊逻辑检测出数据包传输至目的节点失败的概率，此时，增加竞争窗，调整传输功率，确保数据包传输成功。在数据包拥堵时，因数据包碰撞增加而增加了延迟，因此，如果设置略高的竞争窗，就会给出更多的时间用于清除大量的数据包，数据包碰撞和延迟可以大幅度降低。但是，当处于低碰撞丢包率、低队列和高信噪比（通道条件最好）时，应降低竞争窗尺寸，以允许多个传输发生。如果没有检测到通道拥堵、数据包碰撞或信号退化，数据包被传输到其目的地节点的概率更高，竞争窗可以设置得较低，以允许更多的数据包传输时间。如果极不可能发生碰撞，竞争窗不需要调节到高值，以允许更多的数据包传输。

2.3 启发式和自适应模糊逻辑算法和传输功率与竞争窗联合优化

启发式和自适应模糊逻辑方案分成2个阶段：第1阶段讨论启发式和自适应模糊逻辑传输功率优化。在传输功率优化中，最初，所有车辆启动预设的传输功率，所有节点采用模拟启动时的可用传输。一旦从其他车辆获得信息，开始计算信噪比。为了降低干扰和节省功率，传输功率在信噪比的基础上优化。当检测到信噪比相对较低时，传输功率增加；当检测到信噪比相对较高时，传输功率降低。在一些应用场景中，最大传输功率可以变化，阈值的选择，T值在第1阶段的实施中非常重要，T根据阈值历史数据和一段连续时间内观测到的局域密度进行优化。第2阶段讨论启发式和自适应模糊逻辑竞争窗尺寸优化。第2阶段用模糊逻辑算法获得的竞争窗尺寸优化伪代码见图3，模糊逻辑算法定义了当多个输入、多个输出存在时的决策步骤［8］。首先，信噪比、队列长度和碰撞丢包率在输入隶属函数的基础上计算出来，然后计算出的隶属度值根据模糊逻辑真值表映射，最后竞争窗尺寸根据公式（4）计算得出。

图3 启发式和自适应模糊逻辑伪代码

3 结论

高速移动的车辆节点在无法预知的环境中，导致车载自组织网络VANET拓扑结构变化快，隐藏终端和通道拥堵往往引起数据包丢失和延迟，所以，对VANET系统自适应优化非常关键。传输的任何阶段都可能发生丢包，用队列长度、碰撞丢包率和信噪比检测通道拥堵状态。本文提出了启发式和自适应模糊逻辑方案，依据网络和交通情况自适应优化VANET竞争窗尺寸和传输功率，基于信噪比优化传输功率至最佳性能，以保证最佳的数据传输可靠性。

提出的启发式和自适应模糊逻辑方案对到达率不同和车辆数量不等的多个场景进行了仿真和优化，得到了吞吐量更高、端到端延迟更低和数据包传输成功率更高的结果。与已有方案对比，在VANET拓扑结构变化快速的场景下，改进的启发式和自适应模糊逻辑方案适应性更好、吞吐量更高、端到端延迟更低，数据包传输成功率更高。

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（编辑 凌 波）

Optimization of VANET Performance Based on Heuristic and Adaptive Fuzzy Logic Scheme

ZHANG Hong1，LV Yue-jing2

（Transportation Institute，Inner Mongolia University，Hohhot 010021；School of Automotive and Traffic Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China）

Rapid topology change in vehicular ad hoc network （VANET） is common due to the inherent high mobility nodes and unpredictable environments in VANET. To ensure efficient packet transmission，nodes in VANET should react adaptively to topology change in VANET. In this paper，we present a new heuristic and adaptive fuzzy logic scheme （HaFL），which adapts the contention window size and transmission power according to network and traffic conditions. The current existing schemes in VANET utilize only a single parameter to optimize the contention window and transmission power without consideration on the effects of interference as one of the main factors in VANET transmission degradation. In VANET，packet loss can occur at different stages of transmission due to interference or due to elapsed time. In the proposed HaFL，fuzzy logic is used to adaptively optimize the contention window size based on three parameters namely collision rate，SINR and queue overflow which represent packet drop at different stages of transmission. Transmission power which is usually a static parameter is also optimized with consideration on the effects of VANET interference in the proposed HaFL. The performance of the proposed HaFL is evaluated in Vehicles in Network Simulation with road traffic simulator，Simulation of Urban mobility.Simulation results show that the proposed HaFL demonstrates adaptability with improved throughput，low end-to-end delay and higher packet success rate in comparison with the default IEEE802.1 1p and existing schemes.

VANET；contention window size；transmission power；fuzzy logic optimization

U463.6

A

1003-8639（2017）10-0053-06

1 研究背景

车载自组织网络为当今驾驶员在路上进行沟通和确保安全带来了革命性的飞跃。统计显示，大量的道路交通事故是由于驾驶员未能预见道路危险、超车视线不良或因恶劣天气条件而做出错误决定等因素造成的［1］。随着VANET发展，驾驶员之间可以共享道路危险情况，使他们及时了解前方的路况，因此可以采取预防措施预警驾驶员，避免事故发生。在传统的VANET场景中，节点高速移动，无法优先获得邻居节点的准确位置信息。此外，VANET拓扑结构易于变化。上述因素会导致丢包率增加和传输延迟，这就阻止了VANET在驾驶员之间分享信息。VANET的主要目的是在驾驶员之间分享信息，以保证路面行车的安全。因此，数据包传输失败或延迟可能导致交通事故。如果VANET延迟很少，数据实时传输能提高VANET系统效率。

2017-01-17

内蒙古大学高层次人才引进项目（22200-5165118）；中央高校基本科研业务费资助项目（自然科学类）重点科研平台开放基金（310822171134）

张宏（1981-），女，内蒙古扎兰屯人，副教授，博士，主要研究方向为车载自组织网络特性分析及控制理论与方法。