CN102695287A - 一种vanet媒体接入控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种VANET媒体接入控制方法，分配一个专有码道即广播码道用于交通安全信息广播，并在物理信道中划分出了一个忙音信道用于节点发送忙音信号通知邻居节点当前广播码道正被占用，解决了广播码道上的隐藏终端问题，同时将交通安全信息广播置于优先位置，确保了交通安全信息广播的及时性；通过选择K个时隙作为高级优先竞争时隙，退避窗口选择区域增加，多个节点选择到同样大小的窗口的概率降低，从而冲突概率降低，减小节点接入延迟，同时将时间整体规划为周期性的控制帧和数据帧，使得节点相关信息能进行周期性地更新，可较好适应车辆网络动态拓扑结构的变化，最后利用DS-CDMA的多址接入优势有效提高VANET的网络吞吐率。

Description

一种VANET媒体接入控制方法

技术领域

本发明属于Ad-hoc网络技术领域，更为具体地讲，涉及一种车辆自组织网络（Vehicular Ad-hoc Networks，简称VANET）媒体接入控制方法。

背景技术

目前，车辆自组织网络VANET的重要应用主要包含两部分：一是改善交通安全的应用，要求交通安全信息能够快速及时地在节点之间传递；二是提高交通效率和舒适性的应用，要求网络能够支持节点之间进行大数据量的传输。要实现这样二元化的应用，最大的挑战在MAC协议，如何构建有效支持这两种应用的统一的MAC（Media Access Control，即介质访问控制）协议，如何合理分配和利用无线信道资源，如何在分布式环境下进行网络构建和管理等，都是十分值得研究的课题。

在现有的MAC协议中，IEEE802.11协议在VANET中应用广泛，该协议成本低，易于实现。然而目前的IEEE802.11是面向单信道网络设计的，运用到密度大的车辆环境中很容易引起冲突，从而导致大的时延，甚至造成网络拥塞。而VANET对交通安全信息包的延迟非常敏感，所以该协议不能很好的满足VANET的应用。

采用多信道技术可以有效的解决单信道网络所存在的网络拥塞、隐藏终端及暴露终端等问题。通过使用多信道技术，一个网络可以同时在多个信道中传输数据，从而大大提高系统容量和网络吞吐率。

在VANET中，常用的多信道技术有FDMA和CDMA。FDMA在有限带宽内，车辆密度较大的场景中，实现起来比较困难，且需提供多个WiFi接口。CDMA因为采用地址码区分用户，用户间可以共享同一带宽，节点只需要一个WiFi接口，当车辆密度较大时，可有效的利用无线资源，减少网络冲突，提高网络容量。

基于DS-CDMA的MAC协议，存在一个邻节点地址码干扰所带来的远近效应问题，不过这可以通过合理的码分配机制来降低影响。在文献（1）：H.Tan,W.K.G.Seah,and K.Chan.“Distributed CDMA Code Assignment for Wireless SensorNetworks,”2006 IEEE,pp.139-142,2006.07.以及文献（2）：田甜，孙献璞，王子奋.Ad hoc网络的扩频多址接入协议的研究与展望[J].电子科技,2005,vol.09.中提出了一种典型的码分配机制，它通过在发送节点和目的节点间交换可用的地址码信息来实现码道的预约，但该类方式的一个严重问题是控制码道上大量控制信息的传输会导致较大的冲突，且接入时延长，不能有效地支持广播通信，协议设计复杂。在文献（3）：T.Al-Meshhadany and W.Ajib.“New CDMA-BasedMAC Protocol for Ad Hoc Networks,”2007 IEEE,pp.91-95.中，作者提出了一种简单的码分配机制，通过将时间分成与可用码道个数相同的时隙，各节点通过在单位时隙内完成对地址码的竞争，如果在该时隙没有成功接收CTS（Clear-To-Send）信号，则竞争失败。但该码分配机制未考虑在单位时隙内，各节点均在时隙开始处发送RTS（Request-To-Send，即请求发送）信号，仍会造成控制码道上冲突事件的频发，致使节点在该单位时隙内成功接收CTS信号的概率降低。并且在该码分配机制中，数据码道的帧长度和控制码道的帧长度相同，对于需要多个数据码道的数据节点必须多次发送RTS/CTS信号，吞吐率低。另外，在VANET的当前研究中，同时支持交通安全信息和数据业务信息的统一MAC协议很少。综上所述，VANET迫切需要提出一种满足上述情况的媒体接入控制方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种VANET媒体接入控制方法，以解决车辆自组织网络中交通安全信息及时广播和P2P通信中码道分配复杂，节点接入延迟，低吞吐率的技术问题。

为实现上述发明目的，本发明VANET媒体接入控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、网络环境配置

1.1）、在可用码道中，分配两个码道作为传输控制信息（RTS/CTS信号）的控制码道和传输广播信息的广播码道，其余的作为数据通信的数据码道；并在物理信道中划分出了一个忙音信道，用于节点发送忙音信号通知邻居节点当前广播码道正被占用；

1.2）、整个时间被分为周期性的控制帧和数据帧，控制帧又分为前导时隙和与可用数据码道个数相同的竞争时隙；

前导时隙用于VANET中各个节点的同步，接到GPS信号时，即前导时隙起始位置，GPS信号的间隔周期等于控制帧和数据帧的时间长度；

竞争时隙和地址码一一对应（通过将时隙和地址码编号进行对应），在控制帧内，目的节点回复CTS应答所在的竞争时隙所对应的地址码就是请求通信的节点成功预约的数据码道；

数据帧用于保证当前周期所有竞争码道成功的节点完成数据传输；

1.3）每个节点都配有一个工作在忙音信道窄带带外忙音收发机和一个半双工收发机，其中，带外忙音收发机用于广播数据时发送和监听忙音信号，半双工收发机用于DS-CDMA的共享物理信道，其配有两个相关接收机，分别用于VANET的P2P通信和广播通信；

（2）、交通安全信息广播

当节点有广播数据要发送时，先监听忙音信道是否空闲（通过在忙音信道上进行载波监听，有载波，则表示忙，无载波，则表示空闲），如果忙，则进行二进制退避直到忙音信道闲；否则根据广播数据的传输时间判断是否会影响节点进入下一周期的前导时隙同步，如不影响，则在忙音信道上发送忙音信号，同时在广播码道上发送广播数据；否则退避直到下一周期的前导时隙结束；

（3）、P2P通信

3.1）、预约码道

A、当节点有P2P通信请求时，首先监听忙音信道，若忙音信道是否空闲，如果忙，则表示当前网络有广播数据传输，节点退避；否则：

A-1、若控制码道空闲（通过在控制码道上进行载波监听，有载波，则表示忙，无载波，则表示空闲），节点在RTS帧内填入与目的节点通信的时间，然后发送RTS请求；

若控制码道不空闲，则启用二进制退避进程，首先节点随机选取K个时隙，K值小于最大时隙数，作为自己的高优先级竞争时隙；如果当前时隙在节点所选取的高优先级竞争时隙中，二进制退避的窗口大小从（0，CW）选择，否则从（CW，CWmax）选择，其中CW，CWmax分别为二进制退避算法的当前窗口大小和最大窗口大小；

A-2、如果节点在规定时间内收到来自目的节点的CTS应答，则发送节点成功预约了CTS应答回复时刻所在竞争时隙对应的数据码道；如果节点在规定时间内没有接收到CTS应答，则节点启用二进制退避，参与其他时隙的竞争。

B、当目的节点收到RTS请求时，首先判断是否已接受其他节点的通信请求，若没有则在回复的CTS帧内，填写源地址，目的地址，当前的竞争时隙编号及与源节点通信的时间，否则丢弃该RTS请求不作任何处理；

C、对于收到RTS请求和CTS应答的非相关节点，提取RTS帧和CTS帧内的源节点，目的节点地址及源节点和目的节点通信时间信息填入通信状态表中；当此类节点有P2P通信请求时，首先查阅通信状态表，如果目的节点已在通信状态表中且仍在通信（根据通信状态表中的通信时间判断），则节点选择大于通信时间的窗口执行二进制退避；

3.2）、数据通信

当节点成功预约码道后，立刻切换到相应的数据码道上；如果当前没有广播数据的传输，则开始向目的节点传输数据，否则等待广播通信结束；

当节点数据通信结束后，立刻又切换到控制码道进行监听，如果还有数据传输，则继续参与其他数据码道的竞争；

3.3）、数据帧结束

当数据帧结束后，所有节点接到GPS信号，在前导时隙重新同步，进入下一周期的控制帧和数据帧，并清空当前的通信状态表。

作为本发明的进一步改进，在步骤（2）中，检测到忙音信号的邻节点也要发送忙音信号，这样在发送节点两跳范围内的其它节点不能传送信号，从而进一步避免冲突。

本发明的目的是这样实现的：

本发明VANET媒体接入控制方法，通过在可用码道中分配一个专有码道即广播码道用于交通安全信息广播，并在物理信道中划分出了一个忙音信道用于节点发送忙音信号通知邻居节点当前广播码道正被占用，解决了广播码道上的隐藏终端问题，同时，将交通安全信息广播置于优先位置，确保了交通安全信息广播的及时性。此外，通过选择K个时隙作为高级优先竞争时隙，退避窗口选择区域增加，多个节点选择到同样大小的窗口的概率降低，从而同一时刻发送RTS请求竞争码道的节点个数降低，冲突概率降低，减小节点接入延迟，同时将时间整体规划为周期性的控制帧和数据帧，使得节点相关信息能进行周期性地更新，可较好适应车辆网络动态拓扑结构的变化，最后利用DS-CDMA的多址接入优势有效提高VANET的网络吞吐率。

附图说明

图1是本发明VANET媒体接入控制方法中时间帧结构示意图；

图2是本发明应用的一场景示例图；

图3是图2场景中各节点工作时序图；

图4是图2场景中节点B随机选取时隙示例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

本发明VANET媒体接入控制方法的应用是基于：（1）整个车辆自组织网络已知路由，所以节点的通信请求目的方限制为通信范围内的节点，即路由的下一跳节点，而不是最终的目的节点；（2）DS-CDMA系统可提供N+2个可用伪随机码，且各码之间严格正交，其中，C_m为控制码道，C_b为广播码道，其余C₁到C_N为数据码道。

下面将给出本发明中一些具体参数的设置：

1、时间帧结构

如图1所示，将整个时间整体规划为周期性的控制帧和数据帧，控制帧和数据帧组成一个时间帧。

控制帧又分为前导时隙和与可用数据码道个数相同的竞争时隙。在控制帧内，节点可以通过在控制码道上传输RTS/CTS消息来竞争码道，目的节点回复CTS应答所在的竞争时隙所对应的地址码就是请求通信的节点成功预约的数据码道。

当竞争成功后，立即切换到相应数据码道传输数据，而数据帧是为了保证本周期所有竞争数据码道成功的节点完成数据传输。

a）、控制帧单位时隙计算

如图1所示，控制帧被分为一个前导时隙和N个竞争时隙，其中，前导时隙用于各节点进行时隙同步。

在本实施例中，控制帧中的单位时隙即一个前导时隙或竞争时隙为t_slot=(DIFS+t_RTS+t_CTS+DIFS)，DIFS是帧间最小间隔，t_RTS是RTS请求传输的时间，t_CTS是CTS应答传输的时间。该时隙时间是节点获得竞争时隙所要花费的最短时间，用最短时间来确定时隙时间，不仅可以保证在理想情况下，所有时隙均被占用，又可以避免两个节点竞争到同一时隙。发送节点获得哪个码道是根据目的节点回复CTS应答的当前竞争时隙得到的，如果CTS应答在一个时隙的开始处发送，如果t_slot设置过长，则有可能造成下一个竞争节点和该节点竞争到同一时隙，从而造成码道冲突。

b）、数据帧时间计算

设置数据帧是为了保证当前周期所有竞争信道成功的节点完成数据传输，如果没有数据帧只有控制帧，就有可能出现有些节点在本周期还未完成数据传输就进入了下一控制帧的情况，而在下一控制帧中正使用的数据码道又被其他节点预约，造成冲突。

在本实施例中，数据帧的时间以竞争到最后一个时隙的节点为标准进行计算，数据帧时间t_DataFrame=(t_DataTrans+t_AckTrans+DIFS)*Times_retran，其中t_DataTrans为网络最长数据的传输时间，t_AckTrans为ACK应答传输时间，Times_retran是数据DATA被允许的重传次数，在本实施例中，重传次数设置为1，原因是在成功预约码道后，由于协议的控制，在某一个数据码道上同一时刻只有一对通信进行，所以失败概率较小。

2、二进制退避中K值选取的影响

在本发明中，采用802.11协议中的二进制退避机制来避免冲突，而在节点密度大的场景下，参与竞争的节点数超过了网络的最大承受能力时，仍会造成严重的冲突问题。

为了改善这种情况，本发明中，节点在竞争码道前先随机选取K个竞争时隙作为高优先级竞争时隙。这样，由于退避窗口选择区域增加，多个节点选择到同样大小的窗口的概率降低，从而同一时刻发送RTS请求竞争码道的节点个数降低，所以冲突概率降低。

不过K的取值大小会对网络性能有所影响，车辆密度大竞争激烈时，K值选取过大仍会造成严重冲突；车辆密度小时，K值选取过小又会使得网络资源没有得到充分利用，所以K值的选取需根据网络竞争程度来确定，车辆密度较小时，选取较大值，车辆密度较大时，选取较小值。

下面结合图2所示场景对作进一步的说明。

在本实施例中，如图2中，场景描述如下：其中，节点A一跳通信范围内有节点B、C；节点C一跳通信范围内有节点A、B、D、E；节点D、E互通。

图3描述了节点在具体时刻的行为：t₀时刻，节点A有到节点C的P2P通信请求；t₁时刻，节点B有到节点D的P2P通信请求；t₂时刻，节点E有到节点C的P2P通信请求；t₃时刻，节点A有广播数据到达；t₄时刻，节点C有广播数据到达；t₅时刻，节点D有广播数据到达。

1、P2P通信

当节点有P2P通信请求时，需要满足以下条件才能竞争到相应数据码道：(1)处于控制帧时期；(2)所要请求的目的节点不处于通信状态；(3)当前车载网络没有广播数据传输；(4)控制码道空闲。

对于节点A，在t₀时刻有到节点C的P2P通信请求，此时它完全满足竞争时隙的条件，所以节点A在时隙S₁中发送了RTS请求，由于目的节点C在时隙S1回复了CTS应答，所以节点A成功竞争到数据码道C₁，随即数据码道C₁上传输数据DATA，传输完成后节点C在数据码道C₁发出ACK的应答。图4中，只画出了与数据包相关的节点的工作情况，而对于与数据包无关的节点没作说明。如在t₀时刻，节点A发送的RTS节点D也收到，但因为该包对D节点的意义不大，所以未列出。

在t₁时刻，节点B有到节点D的P2P请求，而此刻，节点A正在控制码道上发送信息，所以节点B载波监听得知控制码道不空闲，不能发送RTS请求，必须执行二进制退避。此时它选取了K个时隙，由图4可知节点B当前所处时隙S₁在随机选取的时隙中，所以节点B从(0，CW)随机选取一个窗口进行二进制退避，从图3可以看到，节点B基本上只退避了一个时隙，退避结束后节点B查询自己的通信状态表，如表1所示。

图1.

源地址	目的地址	通信时间
			C	A	tA-C

表1

通过查表，节点B发现目的节点D不在自己的通信状态表内，所以它立刻发送了RTS请求，并成功获得了数据码道C₃，随即数据码道C₃上传输数据DATA，传输完成后节点D在数据码道C₃发出ACK的应答。

对于节点E，在t₂时刻，有到节点C的P2P请求，而在t₀时刻当A与C通信时，E接收到来自C节点发送的CTS应答，节点E会将A和C地址及A与C的通信时间填入本地通信状态表中，如表2所示。

源地址	目的地址	通信时间
			C	A	tA-C
D	B	tD-B

表2

所以在查询本地通信状态表时，发现节点C已在其中且根据通信时间判断出节点C仍处于通信状态，节点E放弃了竞争控制码道，选择了大于通信时间的值执行二进制退避。在t₅时刻，节点E退避结束，但此时有广播数据传输，节点E需等到广播结束。到时隙S_N时，节点E可发送RTS，成功占用了最后一个时隙。因是占用的最后一个时隙，节点E的数据传输需在数据帧内完成的。

2、广播数据通信

当节点有广播数据传输时，需满足以下条件才能发送：(1)是否影响节点进入控制帧前导时隙。(2)当前广播码道是否空闲。如图3所示，在t₃时刻，节点A有广播数据发送，此时广播码道空闲且处于控制帧状态，所以节点A在忙音信道发送忙音信号通知其他节点即将有广播数据发送，各节点不能进行P2P通信，同时在广播码道上广播自己的数据。在A的一跳通信范围内有节点B和C，当它们收到忙音信号后，也发送忙音信号，通知各自的邻居节点，对于节点C其通知节点D、E网内有广播数据，从而两跳范围内的节点都不会因有其他广播数据的发送而引起隐藏终端问题。

当节点B和C收到广播数据后，需要广播给周围邻居节点。在本实施例中，路由选择C作为中继节点，则节点C此时也会有广播数据的请求，即图3的t₄时刻。C发送后，节点D和E便收到了源节点为A的广播帧。同时当节点C在发送广播帧时，各节点的P2P通信需要暂停，所以此时原本应该进行通信的节点E没有发送DATA帧，直到广播帧传输完成。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种VANET媒体接入控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、网络环境配置

1.1）、在可用码道中，分配两个码道作为传输控制信息（RTS/CTS信号）的控制码道和传输广播信息的广播码道，其余的作为数据通信的数据码道；并在物理信道中划分出了一个忙音信道，用于节点发送忙音信号通知邻居节点当前广播码道正被占用；

1.2）、整个时间被分为周期性的控制帧和数据帧，控制帧又分为前导时隙和与可用数据码道个数相同的竞争时隙；

前导时隙用于VANET中各个节点的同步，接到GPS信号时，即前导时隙起始位置，GPS信号的间隔周期等于控制帧和数据帧的时间长度；

竞争时隙和地址码一一对应（通过将时隙和地址码编号进行对应），在控制帧内，目的节点回复CTS应答所在的竞争时隙所对应的地址码就是请求通信的节点成功预约的数据码道；

数据帧用于保证当前周期所有竞争码道成功的节点完成数据传输；

1.3）每个节点都配有一个工作在忙音信道窄带带外忙音收发机和一个半双工收发机，其中，带外忙音收发机用于广播数据时发送和监听忙音信号，半双工收发机用于DS-CDMA的共享物理信道，其配有两个相关接收机，分别用于VANET的P2P通信和广播通信；

（2）、交通安全信息广播

当节点有广播数据要发送时，先监听忙音信道是否空闲（通过在忙音信道上进行载波监听，有载波，则表示忙，无载波，则表示空闲），如果忙，则进行二进制退避直到忙音信道闲；否则根据广播数据的传输时间判断是否会影响节点进入下一周期的前导时隙同步，如不影响，则在忙音信道上发送忙音信号，同时在广播码道上发送广播数据；否则退避直到下一周期的前导时隙结束；

（3）、P2P通信

3.1）、预约码道

A、当节点有P2P通信请求时，首先监听忙音信道，若忙音信道是否空闲，如果忙，则表示当前网络有广播数据传输，节点退避；否则：

A-1、若控制码道空闲（通过在控制码道上进行载波监听，有载波，则表示忙，无载波，则表示空闲），节点在RTS帧内填入与目的节点通信的时间，然后发送RTS请求；

若控制码道不空闲，则启用二进制退避进程，首先节点随机选取K个时隙，K值小于最大时隙数，作为自己的高优先级竞争时隙；如果当前时隙在节点所选取的高优先级竞争时隙中，二进制退避的窗口大小从（0，CW）选择，否则从（CW，CWmax）选择，其中CW，CWmax分别为二进制退避算法的当前窗口大小和最大窗口大小；

A-2、如果节点在规定时间内收到来自目的节点的CTS应答，则发送节点成功预约了CTS应答回复时刻所在竞争时隙对应的数据码道；如果节点在规定时间内没有接收到CTS应答，则节点启用二进制退避，参与其他时隙的竞争。

B、当目的节点收到RTS请求时，首先判断是否已接受其他节点的通信请求，若没有则在回复的CTS帧内，填写源地址，目的地址，当前的竞争时隙编号及与源节点通信的时间，否则丢弃该RTS请求不作任何处理；

C、对于收到RTS请求和CTS应答的非相关节点，提取RTS帧和CTS帧内的源节点，目的节点地址及源节点和目的节点通信时间信息填入通信状态表中；当此类节点有P2P通信请求时，首先查阅通信状态表，如果目的节点已在通信状态表中且仍在通信（根据通信状态表中的通信时间判断），则节点选择大于通信时间的窗口执行二进制退避；

3.2）、数据通信

当节点成功预约码道后，立刻切换到相应的数据码道上；如果当前没有广播数据的传输，则开始向目的节点传输数据，否则等待广播通信结束；

当节点数据通信结束后，立刻又切换到控制码道进行监听，如果还有数据传输，则继续参与其他数据码道的竞争；

3.3）、数据帧结束

当数据帧结束后，所有节点接到GPS信号，在前导时隙重新同步，进入下一周期的控制帧和数据帧，并清空当前的通信状态表。

2.根据权利要求1所述的接入控制方法，其特征在于，检测到忙音信号的邻节点也要发送忙音信号。

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