面向安全应用消息QoS的接入协议研究*

孙晓艳，段林侠，要趁红

西安建筑科技大学 信息与控制工程学院，西安 710055

面向安全应用消息QoS的接入协议研究*

孙晓艳+，段林侠，要趁红

西安建筑科技大学 信息与控制工程学院，西安 710055

为了实现车联网安全应用消息的低时延高可靠传输，设计了一种基于时分多址（time division multiple access，TDMA）面向安全应用消息服务质量（quality of service，QoS）的多址接入协议QoS-oriented TDMA。该协议采用TDMA技术实现，并同时考虑了协同感知信息（cooperative awareness message，CAM）和分布式环境通知消息（decentralized environmental notification message，DENM）两种安全应用消息的传输需求。采用交通仿真软件SUMO和网络仿真软件OMNeT++相结合的，交通与网络仿真双向耦合、实时交互的车联网仿真平台Veins，对QoS-oriented TDMA协议进行了仿真实现和性能验证。仿真结果表明，CAM传输可靠性虽然没有明显改善，但是QoS-oriented TDMA协议提高了DENM传输可靠性，并降低了CAM和DENM传输时延。与IEEE 802.11p协议相比，QoS-oriented TDMA协议高速场景和市区场景中CAM接收概率分别降低了5.8%和7.1%，传输时延分别降低了11.4%和12.8%；DENM的接收概率分别提高了10.5%和12.9%，传输时延分别降低了13.3%和15.1%。

车联网（IoV）；多址接入；安全应用消息；时分多址（TDMA）

1 引言

车联网（Internet of vehicles，IoV）是智能交通系统（intelligent transportation system，ITS）的重要基础[1]。车联网中存在两种通信形式：车-车之间（vehicle-tovehicle，V2V）通信和车-路侧单元（vehicle to roadsideunits，V2R）通信[2]。根据车联网中传输的信息内容和实时性要求，其业务类型主要分为交通安全类、交通效率类和用户服务类[3]。交通安全型应用主要用于交通安全预警。欧洲电信标准化协会（European telecommunications standards institute，ETSI）将安全应用消息进一步分为协同感知信息（cooperative awareness message，CAM）和分布式环境通知消息（decentralized environmental notification message，DENM）[4]。CAM主要是在感兴趣区域中为道路预警应用周期性地发送或广播消息，DENM是由用户场景中的特殊事件触发的事件驱动消息，其优先级高于CAM。安全应用消息的传输主要是为了保证车辆的道路行驶安全，因此安全应用消息传输需求是所有车联网传输的消息中最严苛的，必须首先保证其传输的低时延和高可靠要求，车辆的行驶安全才能进一步得到保障。车联网中现有的安全应用消息信道接入协议是基于竞争的载波侦听多路访问/冲突避免（carrier sense multiple access with collision avoidance，CSMA/CA）多址接入控制（media access control，MAC）协议IEEE 802.11p，在车辆密集场景中，由于车联网中拓扑的快速变化和CAM周期性广播传输，极易导致消息的频繁碰撞，从而使得CAM和DENM的传输性能都难以保证，整个网络传输性能急剧下降，所以基于竞争的MAC协议在业务密集场景中很难满足车联网安全应用消息的低时延高可靠传输。因此，越来越多的学者们考虑在车联网MAC机制中采用基于时分多址（time division multiple access，TDMA）的接入协议。

针对已有车联网MAC协议中存在的问题，基于TDMA的多址接入协议主要从防止消息碰撞，减少时隙浪费，提高信道接入公平性这三方面入手进行研究，并针对CAM的传输性能进行了仿真验证与分析。

（1）防止消息碰撞

车联网的车辆密集场景以及安全应用消息的周期性发送是引起消息碰撞的主要原因。目前针对这一缺点所提出的解决办法主要有协作、中继和碰撞预测3种方法。文献[5]针对车辆密集场景中安全应用消息频繁碰撞引起的网络性能下降问题，提出了动态选择中继节点和自动协作通信的VC-TDMA协议[5]。其中，节点可以合理地选择多跳中继节点，而且其他空闲节点之间可以自动提供协作通信，有效防止了车联网密集场景中安全应用消息的频繁碰撞。文献[6]利用路侧单元（road side unit，RSU）可以协调其通信范围内所有节点的特点，针对车联网中基于TDMA的MAC协议提出了通过RSU协作的时隙确认改进协议RCMAC[6]。该协议可以减少由于控制信道中所有节点周期性传输控制消息而引起的传输碰撞概率。文献[7]为了克服IEEE 802.11p协议中安全应用消息频繁竞争信道导致的碰撞问题设计了一个以TDMA为基础的PTMAC协议，该协议采用提前预约时隙的方法有效防止了消息碰撞[7]。

（2）减少时隙浪费

采用TDMA协议的传输机制中，每个节点产生的消息只能在自己选择的指定时隙内发送，未被选中的时隙将被浪费。

针对这一点，文献[8]实现了C-TDMA MAC，该协议是以协作方案为基础的TDMA MAC协议，可以有效避免基于TDMA的MAC协议存在的时隙浪费问题，提高消息传输的接收概率[8]。文献[9]实现了一种MAC层的消息重传机制，当某个车辆节点传输消息失败时，与之相邻的车辆节点可以利用TDMA中的空闲时隙对传输失败的消息进行重传，有效利用了空闲的TDMA时隙，达到了减少时隙浪费的目的。

（3）提高信道接入公平性

在安全应用消息传输过程中，随着交通场景中车辆数目的增加，通信性能会逐渐恶化，进而致使安全应用消息传输公平性下降。文献[10]为了在共享无线媒介时提高公平性，设计了以TDMA为基础的多信道传输机制。该机制是TC-MAC的扩展，通过一种增强型时隙预留机制来提高信道接入公平性[10]。文献[11]实现了一种基于簇的TDMA协议，使用该协议选择车辆的平均时隙个数和数据可以被成功传输之前，总的时隙数都少于现有的基于簇的TDMA系统，有效地解决信道接入公平性的问题[11]。

已有研究表明，只考虑周期性的安全应用消息CAM在进行消息传输时，基于TDMA的多址接入协议不仅可以做到防止消息碰撞，提高时隙利用率，信道接入的公平性也有所提高。由此可见，基于TDMA的多址接入协议基本上可以满足车联网中的周期性安全应用消息的传输。但是车联网中安全应用消息除了CAM以外还有事件触发类安全应用消息DENM，已有的基于TDMA的多址接入协议都没有考虑DENM的传输需求，因此该类协议能否满足车联网中DENM的传输需求是一个有待研究的问题。本文在对车联网中已有MAC协议进行分析的基础上，设计了一种基于TDMA面向安全应用消息服务质量（quality of service，QoS）的多址接入协议QoS-oriented TDMA，以同时满足CAM和DE-NM的传输需求，并对QoS-oriented TDMA协议进行了仿真验证和性能分析。

2 QoS-oriented TDMA多址接入协议

2.1 已有车联网MAC协议

车载环境无线接入（wireless access in vehicular environment，WAVE）标准协议框架包括IEEE 802.11p和IEEE 1609协议族，IEEE 802.11p协议采用专用短程通信技术（dedicated short range communications，DSRC）标准[12]，该标准占用5.850～5.925 GHz的频带，其具体的信道频谱如图1所示。

Fig.1 Channel spectrum of DSRC图1 DSRC信道频谱

DSRC标准将5.850～5.925 GHz的频带分为7个10 MHz的信道，其中CH178为控制信道（control channel，CCH），主要用于发送安全信息和控制信令；CH174、CH176、CH180和 CH182为业务信道（service channel，SCH），用于安全类或非安全类消息的传输；CH172和CH184为预留信道[13]。CH172专用于车-车之间安全通信，以减少和避免交通事故的发生，保障生命和财产安全。CH184专用于高功率、长距离通信的公共安全应用，比如，减少道路交叉口碰撞事故。

IEEE 1609协议族中的IEEE 1609.4协议负责对DSRC信道频谱进行多信道操作，是对IEEE 802.11p协议的MAC机制的增强。IEEE 1609.4协议将时间轴分成多个同步间隔，其时长为100 ms，每个同步间隔又分为控制间隔和业务间隔。车联网中的车辆节点在整个通信过程中不停地在控制间隔和业务间隔间切换。默认情况下，控制间隔和业务间隔的时长各为50 ms，其中包含保护间隔时长。除此之外，IEEE 1609.4还定义了其他3种模式：控制间隔连续占用模式、业务间隔抢占模式和业务间隔连续占用模式[14]，具体如图2所示。

Fig.2 Channel switching mode in IEEE 1609.4图2 IEEE1609.4定义的信道切换模式

在图2中，控制间隔连续占用模式中车联网只能在控制信道传输与安全应用相关的信息而不能传输用户业务信息，从而不能满足用户驾驶舒适性等方面的需求；业务间隔连续占用模式可以充分满足用户驾驶舒适性需求，但不能保证驾驶的安全性要求；业务间隔抢占模式中，只要用户有业务信息需要传输，即使当前处于控制信道，也立即切换到业务信道进行用户信息的传输。这种模式易造成车联网系统安全信息的丢失。

WAVE体系中的MAC协议在车辆密集场景中网络性能急剧下降，不能满足车联网中安全应用消息低时延和高可靠性传输的QoS需求。因此，针对这一问题，提出了QoS-oriented TDMA机制，该机制既考虑了CAM的传输需求，又考虑了DENM的传输需求。

2.2 QoS-oriented TDMA协议帧结构

文献[15]中指出，DSRC标准中CCH和SCH信道之间存在4 ms的保护间隔，用于发送安全应用消息的178信道——CCH信道在每个同步间隔只有46 ms用于发送安全应用消息，没有完全利用10 Mb/s信道，因此容易产生拥塞。使用172信道作为安全应用消息信道，178信道用来发送控制消息，这样就可以使10 Mb/s带宽得到充分利用[15]。因此，QoS-oriented TDMA协议使用DSRC标准中规定的CH172信道发送安全应用消息，使用CH178信道发送控制消息，并采用TDMA技术实现。为了与车联网WAVE体系结构相匹配，帧长度采用50 ms。

该协议将时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），时隙数量大于等于当前网络中车辆的数量，以保证每一辆车都有平等并且非常可靠的机会发送自己的数据包。根据一定的时隙分配原则，每个节点产生的消息只能在指定的时隙内发送。QoS-oriented TDMA协议帧结构如图3所示。

Fig.3 Frame structure of QoS-oriented TDMAprotocol图3 QoS-oriented TDMA协议帧结构

在图3所示的TDMA协议的系统中，时隙长度由消息长度和数据传输速率共同决定，基本计算公式如式（1）所示：

式（1）中，Ts代表一个时隙的长度；L代表消息长度；r代表消息发送的速率。

一方面，对于车联网来说，3GPP V2X规范中参考的消息长度范围分别为CAM 50～300 Byte，DENM最大1 200 Byte，其中不包括安全相关的消息部分；另一方面，车联网中支持多种不同的数据传输速率，已有研究表明数据传输速率6 Mb/s可以较好地满足车联网中消息传输的需求[13]。由于车联网中CAM和DENM的长度不相等，时隙长度计算的基本原则为，时隙在适当的消息传输速率条件下满足长度最短消息的传输，这样可以减少时隙的浪费。因此，时隙长度具体计算公式修正为式（2）：

式（2）中，Ts代表一个时隙的长度；Lm,min代表最短消息长度；r代表消息传输的速率。网络中CAM长度远小于DENM长度，因此时隙长度由CAM长度决定。消息传输速率r取6 Mb/s，当CAM取50 Byte时，Ts=6.67×10-2ms；CAM 取 300 Byte时，Ts=0.4ms。DENM传输所需要的时隙个数由DENM长度与CAM长度比值决定。如果比值为整数，则取整数个时隙；如比值不是整数，则向上取整所得的值为时隙个数。

节点产生的消息在每一帧可以占用一个或多个时隙。当消息占用的时隙数为整数个，则在相应整数个时隙上进行占用和标注；对于消息长度不固定的情况下，由于时隙长度固定，消息所占用的时隙数目会根据消息长度而改变，以保证在整数个时隙内消息可以被成功传输。时隙的数目是向上取整，即没有占满的时间也不能分配给其他消息。

消息在传输过程中占用时隙个数k计算公式如式（3）所示：

式（3）中，k为消息传输占用的时隙个数；T为消息传输总时长；Ts为一个时隙的长度。

消息传输总时长计算公式如式（4）所示：

式（4）中，T表示消息传输总时长；L为消息的长度；r为消息传输的速率。

每一帧中的时隙个数计算公式如式（5）所示：

式（5）中，N为一帧中时隙个数；Tf是一帧的帧长度。

2.3 QoS-oriented TDMA协议传输机制设计

本文设计的时隙有两种状态：一是空闲状态（0）；二是分配占用状态（1）。每个时隙对应一个节点，一个节点可以占用多个时隙。时隙与节点的对应关系在一个时隙表中存储。一帧中的时隙总数为N，所有时隙初始状态为空闲状态，当前时隙号为TSc，消息占用时隙个数为k。针对CAM传输和DENM传输分别设计了两种消息传输过程。

2.3.1 QoS-oriented TDMA中的CAM传输机制

基于QoS-oriented TDMA的CAM传输示意图如图4所示。

Fig.4 Transmission sketch map of CAM based on QoS-oriented TDMA图4 基于QoS-oriented TDMA的CAM传输示意图

假设某节点产生的一个消息在TSi时隙到达MAC层，首先判断消息长度，根据消息长度确定传输该消息所需要的时隙个数k(k＞0)，从TSc～TSn中随机挑选k个连续时隙作为预发送时隙。TSc表示当前时隙，TSn为每一帧的最后一个时隙。如果所选择的时隙刚好空闲，则判断该时隙之后的k-1个时隙是否空闲，若都空闲，则将所选择的时隙作为预发送时隙；若所选择的时隙不空闲，则在TSc～TS之间选择其中最前面的k个连续空闲时隙作为预发送时隙。由于每一帧内时隙个数足够网络中所有车辆公平地发送自己的消息，该时隙选择过程可以满足网络中所有车辆的消息传输过程中的时隙需求。时隙选择的过程相对于安全应用消息的传输时延来说可以忽略不计，因此可以认为该过程对整个消息传输过程没有影响。

被成功预约的时隙状态置为占用状态，等待预约到的时隙到来的时刻将CAM发出。因此，CAM在MAC层传输流程如图5所示。

由图5中CAM在MAC层传输流程可以看出，消息的发送时延由消息进行时隙预约到发送的等待时延和消息传输时延两部分组成，计算公式如式（6）所示：

Fig.5 Transmission flow chart of CAM in MAC图5 CAM在MAC层传输流程图

式（6）中，Td为消息发送时延；Ttr为消息传输时延；Tw为消息进行时隙预约到发送的等待时延。

2.3.2 QoS-oriented TDMA中的DENM传输机制

为了更好地满足实际交通情况，本文考虑CAM和DENM两种消息的传输，CAM和DENM的消息控制域结构如图6所示。

图6中，消息名称用来区分CAM和DENM两种消息类型，每个消息中包含自身长度信息、消息产生时间、发送节点ID、接收节点ID以及发送节点当前的位置。

在CAM传输机制的基础上设计QoS-oriented TDMA协议中的DENM传输机制算法如下所示：

Step2中时隙个数k的计算公式同式（3），Step3中确定时隙的详细过程如CAM传输机制中时隙确定方法所述。同时发送CAM和DENM时，为了区分CAM和DENM，在MAC层建立两个不同的消息队列，并设置DENM消息优先级高于CAM。当DENM队列不为空时，优先发送DENM，停止发送CAM；如果该DENM队列为空，才继续发送CAM队列中的消息，DENM被接收节点接收后传输结束。

网络中每一个节点都会执行类似的操作为要发送的消息选择预发送时隙，不存在一个节点连续几帧预约时隙的情况，因此能很好地适应车联网高动态拓扑的变化。每个节点为发送的每一个安全应用消息选择特定的时隙进行传输，有效提高了安全应用消息传输的公平性。在节点进行安全应用消息传输之前判断该节点所预约的时隙是否空闲，可以有效避免消息碰撞。每个节点在每次发送消息之前都要首先进行时隙选择，在网络中节点个数比较多的时候，可以选择距离最远的节点所占用的时隙作为发送时隙，从而提高时隙利用率，减少时隙浪费，而且节点不需要在预约传输时隙之前进行时隙预约申请，减少了时隙等待时间，从而减少了端到端时延。因此，QoS-oriented TDMA安全应用消息传输机制从理论上来说可以实现安全应用消息低时延高可靠性的传输，从而可以提高车辆道路行驶的安全性。

3 仿真及结果分析

3.1 仿真平台搭建及实验步骤

车联网的仿真需要采用真实的车辆机动特性，将车辆的瞬时机动参数输入到网络仿真作为网络传输输入的参数，并将网络传输的结果反馈给交通仿真影响车辆机动参数的变化。针对这一特点，本文采用开源、微观、连续的道路交通仿真平台SUMO和基于C++的开源、时间离散的网络仿真平台OMNeT++的交通与网络仿真双向耦合、实时交互的车联网仿真框架Veins[16]作为仿真平台搭建的基础，在其上实现本文提出的QoS-oriented TDMA协议。其中，Veins框架如图7所示。

在图7中，利用SUMO仿真平台实现了不同路网、交通灯控制、车辆重新寻路、交通流和速度的动态调整。在OMNeT++仿真平台中实现了DSRC协议栈以及QoS-Oriented TDMA协议。

基于SUMO的交通仿真和基于OMNeT++的网络仿真通过交通控制接口（TraCI）进行实时交互，具体如图8所示。

在图8中，网络平台通过TraCI获得交通平台中车辆的实时位置、速度等信息，用于车联网通信传输；通信传输的结果通过TraCI生成在线指令改变交通平台中车辆的行驶路径、交通灯状态等。

Fig.7 Frame of network simulation platform图7 车联网仿真平台框架图

Fig.8 Interactive sketch map of traffic simulation and network simulation图8 交通仿真与网络仿真交互示意图

本文主要基于车联网仿真框架Veins，从初始化模块和MAC层消息处理模块两处入手实现了QoS-oriented TDMA协议。

（1）初始化模块

在初始化模块initialize中定义时隙状态列表，时隙状态表示该时隙为空闲（0）或者占用（1）状态。初始化时所有时隙状态为空闲状态（0），网络中所有节点共享该时隙状态列表，每个节点通过时隙状态列表可以了解到当前时刻的时隙占用情况。

（2）消息处理模块

MAC层采用本文所设计的QoS-Oriented TDMA消息传输机制对DENM和CAM进行传输，因此在Veins中原有的MAC层消息处理模块handleMessage的基础上加入了传输CAM和DENM时的时隙选择过程。消息到达MAC后首先根据消息长度判断消息传输所需要的时隙个数，然后在该帧内选择空闲时隙完成时隙预约，等待时隙到来完成消息发送。

本文考虑的交通场景有市区交通场景和高速交通场景两种。实验步骤设计如下：

①首先在SUMO中实现两种不同的交通仿真场景。

②在OMNeT++中给两种交通场景设置不同的车辆密度，分别对车联网WAVE体系中IEEE 802.11p协议和QoS-oriented TDMA协议进行仿真。

③在OMNeT++中收集并整理仿真结果数据。

④对仿真结果数据进行处理，分别计算出两种协议在不同场景下的接收概率和传输时延。

⑤在仿真结果的基础上对两种协议的性能进行分析比较。

因为本文主要考虑CAM和DENM两种安全应用消息的传输情况，已有的基于TDMA的车联网协议的设计没有对两种消息进行区分，只是考虑了CAM的传输，与本文协议设计出发点不同，所以本文仿真结果不与已有的基于TDMA的车联网协议进行对比。

3.2 仿真参数设置

仿真中假设无线信道是理想的，不存在误比特情况。网络仿真参数的设置如表1所示。

Table 1 Network simulation parameters表1 网络仿真参数

仿真场景分为市区场景和高速场景。市区场景呈“田”字型分布，每条路线为双向二车道，长600 m，车辆依次从每条路的各个方向的两个车道进入仿真场景，沿直线行驶，直到驶出场景。高速场景呈“一”字型分布，单向四车道，长5 000 m，车辆从高速路的一端进入仿真场景，沿直线行驶，直到驶出场景。交通仿真软件SUMO中的市区场景和高速场景示意图如图9所示。

Fig.9 Simulation scene in SUMO图9 SUMO仿真场景示意图

市区场景和高速场景的具体交通场景参数如表2所示。

Table 2 Traffic scene parameters表2 交通场景参数

表2中车辆个数计算公式如式（7）所示：

式（7）中，Nv为每公里车辆数；L为道路长度；ρv为每车道每公里车辆密度；Nl为道路中的车道数。

3.3 仿真结果分析

车联网网络协议中安全应用消息传输的性能指标主要是时延和接收概率。其中，时延为应用层的端到端时延，计算公式如式（8）所示：

式（8）中，Tdelay表示安全应用消息的传输时延，Tgeneration为安全应用消息在应用层的产生时间；Treceived为安全应用消息在应用层的接收时间。

安全应用消息接收概率为某个节点接收到的消息总数与网络中通信范围内邻节点发送的消息总数之比，计算公式如式（9）所示：

式（9）中，Ni为第i辆车接收到的安全应用消息数；Ni,t为第i辆车t时刻内邻节点发送安全消息的个数；n为网络中车辆总数。

结合表1中的网络仿真参数和表2中的交通仿真参数，在图9所示的两个交通仿真场景中改变网络拓扑中的车辆数分别对IEEE 802.11p协议和QoS-oriented TDMA多址接入机制进行了仿真。根据OMNeT++中统计的仿真结果数据计算出CAM和DENM的传输时延和接收概率。

图10比较了不同场景中QoS-oriented TDMA协议和IEEE 802.11p协议在CAM和DENM传输时的接收概率情况。

从图10中可以看出，不管是高速场景还是市区场景的情况下，CAM和DENM两种安全应用消息的接收概率都随着网络中车辆数的增多而下降。由于CAM是周期性产生的，QoS-oriented TDMA协议在每次发送消息前进行时隙预约，而且在有DENM要发送时停止CAM的发送，优先发送DENM。因此，对于CAM来说，IEEE 802.11p协议相比于QoS-oriented TDMA协议的接收概率性能要略好一些。但是对于DENM来说，由于网络中DENM是事件触发产生的，消息总数少，并且消息长度长，原有的IEEE 802.11p协议中，DENM需要与周期性产生并且消息长度短的CAM一起竞争信道，因此接收概率极难保证。相比之下，在QoS-oriented TDMA协议中，DENM接收概率有所提高。

Fig.10 Results of reception probability in different simulation scenarios图10 不同仿真场景接收概率结果图

在IEEE 802.11p协议中，当车辆数增加时，由于安全应用消息CAM的周期性产生和发送，网络中总的消息个数急剧增加，并通过随机退避竞争的方式接入信道，大量的碰撞不可避免。在这种情况下，事件触发消息DENM由于其总数少，消息长度远大于CAM，并且采用相同的随机退避的方式接入信道，大多数的DENM都会与CAM发生碰撞，不能正确传输到目标节点。因此，DENM的接收概率很难保证。而在QoS-oriented TDMA协议中，由于采取时隙预约的方式进行消息传输，有效减少了消息之间的直接冲突，从而提高了安全应用消息DENM的接收概率。与IEEE 802.11p协议相比，QoS-oriented TDMA协议在高速场景和市区场景中DENM的接收概率分别提高了10.5%和12.9%。

安全应用消息对时延的要求非常苟刻，尤其是事件触发类安全应用消息。如果安全应用消息的传输时延过大，将极有可能因为消息不能及时传输对道路交通安全造成严重的影响。QoS-oriented TDMA协议和IEEE 802.11p协议的CAM和DENM传输时的平均传输时延在图11中进行了比较。

Fig.11 Results of latency in different simulation scenarios图11 不同仿真场景时延结果图

在图11的高速和市区两种不同场景的仿真结果中，事件触发消息DENM由于消息长度比周期性安全应用消息CAM长得多，导致其传输时延远远大于周期性安全应用消息CAM。同时，不管是在高速场景还是市区场景，QoS-oriented TDMA协议在CAM和DENM的发送时延控制方面均优于IEEE 802.11p协议。IEEE 802.11p协议中，CAM和DENM都要采用竞争的方式来传输，在网络中车辆较多时，消息传输时延急剧增长。QoS-oriented TDMA协议中给DENM设置了最高消息优先级，在有DENM要发送时，停止了CAM的发送，并且采用时隙预约的方式，没有了竞争机制中的时隙退避过程，从而降低了网络中各节点的消息传输时延。相比IEEE 802.11p协议，QoS-oriented TDMA协议在高速场景和市区场景中DENM的传输时延分别降低了13.3%和15.1%。

4 结束语

本文设计了基于TDMA的面向安全应用消息传输性能的QoS-oriented TDMA协议，该协议的主要特点是同时考虑CAM和DENM的传输需求，采取时隙预约的方式进行消息传输。仿真结果表明，QoS-oriented TDMA协议改善了已有车联网协议IEEE 802.11p协议中周期性安全应用消息CAM频繁发出引起的事件触发类消息DENM接收概率极难保证的问题，提高了DENM传输的可靠性，降低了系统中各节点的消息传输时延，有效改善了车联网安全应用消息的传输性能。DENM是与道路交通安全息息相关的安全应用消息，其快速可靠的传输可以有效减少交通事故的发生。可见，QoS-oriented TDMA协议对提高道路车辆行驶安全性有一定的意义。

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Research on QoS of SafetyApplication Messages OrientedAccess Protocol*

SUN Xiaoyan+,DUAN Linxia,YAO Chenhong

School of Information and Control Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055,China

2016-12,Accepted 2017-05.

In order to achieve the low latency and high reliability transmission of the safety application messages in the Internet of vehicles(IoV),this paper designs a QoS-oriented time division multiple access(TDMA)protocol.The protocol uses TDMA technique,and considers the transmission requirements of two kinds of safety application messages,cooperative awareness message(CAM)and decentralized environmental notification message(DENM),respectively.The combination of traffic simulation software SUMO and network simulation software OMNeT++is used to build a vehicular network simulation platform—Veins,in which the relationship of traffic simulation and network simulation is bidirectional coupling and they can interact in real-time.The simulation of QoS-oriented TDMA protocol is implemented on the platform,and the performance is verified on it too.The simulation results show that the designed protocol does not improve the transmission reliability of CAM obviously,but improves the transmission reliability of DENM,and reduces the message transmission delay of both DENM and CAM.Compared with the IEEE 802.11p protocol,in the high speed scenario and the urban scenario respectively,the reception probability of the CAM in the QoS-oriented TDMA protocol is reduced by 5.8%and 7.1%,and the transmission delay of the CAM in the QoS-oriented TDMA protocol is reduced by 11.4%and 12.8%,the reception probability of the DENM in the QoS-oriented TDMA protocol is improved by 10.5%and 12.9%,and the transmission delay of the DENM in the QoS-oriented TDMAprotocol is reduced by 13.3%and 15.1%.

Internet of vehicles(IoV);multiple access;safety application message;time division multiple access(TDMA)

+Corresponding author:E-mail:xysun@xauat.edu.cn

10.3778/j.issn.1673-9418.1612046

*The 2017 Scientific Research Plan of Shaanxi Provincial Education Department under Grant No.17JK0464(陕西省教育厅2017年专项科学研究计划);the School Talent Science and Technology Fund under Grant No.RC1339(校人才科技基金项目).

CNKI网络优先出版:2017-05-04,http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.5602.TP.20170504.1431.010.html

SUN Xiaoyan,DUAN Linxia,YAO Chenhong.Research on QoS of safety application messages oriented access protocol.Journal of Frontiers of Computer Science and Technology,2017,11(12)：1972-1983.

A

TP391.44

SUN Xiaoyan was born in 1979.She received the Ph.D.degree in information and communication engineering from Xidian University in 2011.Now she is an associate professor and M.S.supervisor at Xi'an University of Architecture and Technology.Her research interests include wireless communications,mobile ad hoc network and communications in Internet of vehicles,etc.

孙晓艳（1979—），女，山东威海人，2011年于西安电子科技大学信息与通信工程专业获得博士学位，现为西安建筑科技大学信息与控制工程学院副教授、硕士生导师，主要研究领域为无线通信，移动自组织网络，车联网通信等。发表学术论文10余篇，主持陕西省教育厅2017年专项科学研究计划和校人才科技基金各1项。

DUAN Linxia was born in 1988.She is an M.S.candidate at School of Information and Control Engineering,Xi'an University ofArchitecture and Technology.Her research interest is Internet of vehicle.

段林侠（1988—），女，陕西西安人，西安建筑科技大学信息与控制工程学院硕士研究生，主要研究领域为车联网。

YAO Chenhong was born in 1982.She received the Ph.D.degree in information and communication engineering from Xidian University in 2016.Now she is a lecturer at Xi'an University of Architecture and Technology.Her research interests include wireless communications,relay network and communications in Internet of vehicles,etc.

要趁红（1982—），女，河南开封人，2016年于西安电子科技大学信息与通信工程专业获得博士学位，现为西安建筑科技大学信息与控制工程学院讲师，主要研究领域为无线通信，中继网络和车联网通信等。