CN103458517B - 一种车载自组织网络单接口多信道切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种车载自组织网络单接口多信道切换方法，通过节点密度和服务信息流量将节点划分为α、β、γ三种工作模式，根据不同工作模式的特点，采用不同的数据发送模式，在保证安全信息的可靠传输条件下，对服务信道进行动态分配，尽可能减少信道切换次数，提高了服务信道的使用率。

Description

一种车载自组织网络单接口多信道切换方法

技术领域

本发明属于车载自组织网络通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种车载自组织网络单接口多信道切换方法。

背景技术

车载自组织网络(VehicularAd-HocNetwork，简称VENET)是无线通信技术应用于车辆中的典型代表，它可以提供交通安全信息减少交通事故发生的概率，驾驶人员可以通过安装在车辆上的终端设备实时查询交通信息，提前做好行程规划，合理分流，缓解城市交通压力，同时VENET还可以为用户提供丰富的互联网服务。然而在需要服务质量(QualityofService，简称QOS)保证的环境下，尤其是VENET中车辆高速移动，拓扑结构频繁变化，单一信道和信道竞争的媒体接入控制(Medium-Access-Control，简称MAC)协议面临严重问题，因此多信道MAC(MULTI-CHANNELMAC，简称MMAC)协议应用而生。

然而VENET具有不同于其他通信系统的特点，其应用多信道技术也不同于其他通信系统的多信道技术。由于网络中有多个信道，相邻节点可以使用不同的信道同时通信，在使用多信道的情况下，接入控制更加灵活。这种MAC协议主要关注两个问题：信道切换以及接入控制。信道切换负责为不同的通信节点分配并切换相应的信道，以消除数据分组的冲突，使尽量多的节点可以同时进行通信。接入控制负责确定节点接入信道的时机、冲突的避免等问题。

IEEE1609.4标准(车载无线通信标准)为多信道的MAC协议，其将5.850-5.925GHz的频谱划分成1个控制信道(ControlChannel，简称CCH)和6个服务信道(ServiceChannel，简称SCH)，其中CCH用于传输安全信息和公共服务广播；4个SCH用于传输各种应用和增值业务，比如远程办公、车载娱乐、实时导航等业务；另外2个SCH为备用信道。CCH的目的是为了保障交通系统中人的生命安全，提高交通系统的效率从而减少交通事故的发生；SCH则兼顾到传统的互联网应用，目的是为乘客提供丰富多彩的数据业务从而丰富他们的旅途生活。

IEEE1609.4标准针对CCH和SCH的信道切换有如下四种划分：

a)、CCH连续占用模式：在该模式下，WAVE(Wirelessaccessinvehicularenvironment，车载环境下的无线接入)系统一直工作在CCH信道模式下，通信系统仅传递与交通安全相关的信息而不考虑传统的网络业务，该模式以牺牲传统网络业务来换取交通安全的全面保障；

b)、CCH与SCH等间隔交换模式：在该模式下，系统交替工作在CCH信道和SCH信道模式下，以同步间隔为周期反复进行信道切换，CCH和SCH按照等间隔执行无条件切换；

c)、SCH抢占模式：在该模式下，系统同样交替工作于CCH和SCH两种模式，交替切换的时间不是固定不变的，当CCH信道空闲时，SCH即可使用信道，当下一个同步周期到来时必须无条件切换回CCH信道；

d)、SCH连续占用模式：在该模式下，允许SCH占据多个周期而可以不必切换至CCH。这种模式在普通网络业务比较多的情况下使用，同时它削弱了系统对交通安全的保障。

在采用CCH与SCH等间隔交换模式的单接口多信道MAC协议中，每个节点配置一个半双工收发器且是同步的，每个节点维持一个优选信道表PCL表(Preferablechannellist)中的数据记录了这个节点可以使用的最优服务信道，基于这个信息，服务信道分成三个状态：高优先表示此信道在当前的信标内正在被节点使用。如果服务信道在这个状态，则节点在下一次传输的时候，优先选取这个服务服务信道作为数据信道，这样，发送端就不用调节射频到新的频率，延迟减小。中优先表示此信道在节点传输范围内还没有被使用。低优先表示此信道已被至少一个邻节点选取。在节点初始化时，PCL表中所有的服务信道都置为中优先状态，如果在源端与目的端协商了一个服务信道，在双方的PCL表中将相应的服务信道记录为高优先状态，通过动态改变服务信道的状态，实现信道切换。由于没有专门的用于信道切换的控制信道，对同步要求严格，实现困难，同时服务信道切换频繁、没有考虑节点密度分布不均，车载自组织网络适应性差，降低了信道使用率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能车载自组织网络单接口多信道切换方法，在保证安全信息的可靠传输条件下，实现动态服务信道的分配，以提高服务信道使用率。

为实现上述发明目的，本发明车载自组织网络单接口多信道切换方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、节点工作模式的确定

1.1)、各节点在控制信道时隙进行判断：

当邻居数目小于等于定值N时，节点处于小密度区域，将其工作模式设置为γ模式；

当邻居数目大于定值N时，节点处于大密度区域，计算节点服务信息报文的理论值其中Ts为每条服务信息报文发送所需的平均时间，T_SCH为服务信道时长，P_b为服务信道忙时的概率，P_b的计算公式为：

$P_b=1-\frac{1}{\mathrm{\λ}(1+2d)+e^{-d\mathrm{\λ}}};$

其中，d为服务信道由忙变闲的延迟时间，λ为网络中所有节点产生报文的平均条数；

当统计值FL(n-1)＞F时,将节点工作模式设置为α模式，当统计值FL(n-1)≤F时,将节点工作模式设置为β模式；其中，FL(n-1)为上一个周期内服务信道中节点产生的所有报文的报文统计值,n为正整数，表示周期数；

1.2)、然后，各节点下一个控制信道时隙将自己的工作模式广播各邻居节点，各邻居节点在自己邻居表中标记邻居节点的工作模式；

(2)、根据节点工作模式，进行服务信道切换

2.1)、当工作模式为α模式的节点作为数据接收节点时，数据接收节点分配一个服务信道，并确定该服务信道使用周期数，然后，在控制信道时隙广播清除发送消息CTS给数据发送节点；其中，清除发送消息CTS包括分配的服务信道号、强制信道使能标志以及确定的该服务信道使用周期数；

需要发送数据给数据接收节点的邻居节点即数据发送节点在收到清除发送消息CTS后，在信道表相应的服务信道号表项中添加数据接收节点，并记录强制信道使能标志以及确定的该服务信道使用周期数；

数据发送节点需要发送数据给数据接收节点时，在邻居表中查看数据接收节点的工作模式为α模式，直接切换服务信道至信道表中数据接收节点所在的服务信道并发送数据；如果有多个邻居节点需要发送数据给数据接收节点时，通过退避算法竞争服务信道；

2.2)、当工作模式为β模式的节点作为数据接收节点，并且需要发送数据给数据接收节点的邻居节点即数据发送节点的工作模式为α模式或β模式时，则数据发送节点在控制信道时隙发送请求发送消息RTS给数据接收节点，数据接收节点收到请求发送消息RTS后，分配一个服务信道，并在控制信道时隙广播清除发送消息CTS给数据发送节点；其中，清除发送消息CTS包括分配的服务信道；

数据发送节点在收到清除发送消息CTS后，在信道表相应的服务信道号表项中添加数据接收节点，然后切换服务信道至信道表中数据接收节点所在的服务信道并发送数据；

2.3)、当工作模式为γ模式的节点作为数据接收节点，或数据发送节点工作模式为γ模式并且数据接收节点工作模式为β模式时；则数据发送节点在控制信道时隙发送请求发送消息RTS给数据接收节点，数据接收节点收到请求发送消息RTS后，分配一个服务信道，并在控制信道时隙广播清除发送消息CTS给数据发送节点；其中，清除发送消息CTS包括分配的服务信道；

数据发送节点在收到清除发送消息CTS后，在信道表相应的服务信道号表项中添加数据接收节点，然后切换服务信道至信道表中数据接收节点所在的服务信道并发送数据，数据接收节点接收到数据后，在控制信道时隙返回信道释放消息CR给数据发送节点；

(3)、信道表的维护

查看信道表中数据接收节点是否记录有强制信道使能标志以及服务信道使用周期数，如果有，则按照服务信道使用周期数释放服务信道，在信道表中删除该数据接收节点；如果没有，则判断一定时间内是否收到信道释放消息CR，如果收到，立即释放服务信道，在信道表中删除该数据接收节点，如果没有收到，在一定时间后，立即释放服务信道，在信道表中删除该数据接收节点。

作为进一步的改进，工作模式为α模式的节点作为数据接收节点时，即步骤2.1)中，所述的确定该服务信道使用周期数为：

a1.利用PID算法估计需要发送的报文数目FC(n)，PID差分方程为：

FC(n)＝FC_P(n)+FC_I(n)+FC_D(n)+FL(n-1)；

FC_P(n)＝K_Pe(n)；

${\mathrm{FC}}_I\left(n\right)=K_I{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{n}e\left(i\right);$

FC_D(n)＝K_D(e(n)-e(n-1))；

e(n)＝FL(n-1)-FC(n-1)；

其中，FC(n-1)为估计的上一个周期需要报文数目，FL(n-1)为上一个周期内服务信道中节点产生的所有报文的报文统计值，e(n)为估计误差；e(i)为第i次估计的误差，0≤i≤n，FC_p(n)、FC_I(n)、FC_D(n)分别为FC(n)的比例项、积分项、微分项，K_P、K_I、K_D分别为预设的比例项、积分项、微分项的系数；

a2、根据得到的估计需要发送的报文数目FC(n)来确定服务信道使用周期数：报文数目FC(n)越大，需要的时间越长，周期数越多。

作为进一步的改进，步骤2中所述的分配一个服务信道为：

如果在控制信道时隙内，数据接收节点已与一个邻居节点握手成功，当其他邻居节点与数据接收节点需要通信时，选择已握手成功的信道；

否则，当存在空闲服务信道时，数据接收节点选择空闲的服务信道，并采用均匀分布的原则，选用空闲服务信道中信道号最小的服务信道；当服务信道处于全忙状态时，则选择通信节点数最少的服务信道；。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种车载自组织网络单接口多信道切换方法，通过节点密度和服务信息流量将节点划分为α、β、γ三种工作模式，根据不同工作模式的特点，采用不同的数据发送模式，在保证安全信息的可靠传输条件下，对服务信道进行动态分配，尽可能减少信道切换次数，提高了服务信道的使用率。

同时，本发明车载自组织网络单接口多信道切换方法还具有以下有益效果：

(1)最优化：本发明抓住车载自组织网络拓扑的多样性，在同一网络中根据节点密度和服务信息流量的不同，分成α、β、γ三种模式，三种模式之间可以实现无缝的衔接，尽可能减少信道切换次数，提升了整个网络服务和通信质量；

(2)实时性：本发明能够实时动态的感知网络中节点密度和服务信息流量，从而给出相应的解决方案。

(3)灵活性：本发明提出的路由选择方法覆盖范围广，可以快速、准确的适合各种大小的网络。

附图说明

图1是本发明中确定节点三种工作模式的流程图；

图2是服务信道切换的三种交换方式示意图。

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。

实施例

1、节点工作模式的确定

图1是本发明中确定节点三种工作模式的流程图。

在本实施例中，如图1所示，本发明将节点的工作模式分成α、β、γ三种模式，三种模式的判断方法如图1所示，包括以下步骤：

S101：节点进入CCH时隙；

S102：当邻居数目大于定值N时，节点处于大密度区域进入步骤S103，当邻居数目小于等于定值N时，节点处于小密度区域，其工作模式设置为γ模式；其中，定值N根据具体情况确定；

S103：当上一个周期服务信道时隙统计的报文数目FL(n-1)＞报文理论值F时，将节点工作模式设置为α模式，当上一个周期服务信道时隙统计的报文数目FL(n-1)≤报文理论值F，将节点工作模式设置为β模式。

计算每个节点服务信息报文的理论值其中Ts为每条报文发送所需的平均时间，T_SCH为服务信道时长，P_b为信道忙时的概率，分别计算信道忙的时间EB，信道闲的时间EI,信道忙时的概率Pb:

$EB=1+2d-\frac{1}{\mathrm{\λ}}(1-e^{-d\mathrm{\λ}});$

$EI=\frac{1}{\mathrm{\λ}};$

$Pb=\frac{EB}{EB+EI}=1-\frac{1}{\mathrm{\λ}(1+2d)+e^{-d\mathrm{\λ}}};$

其中，d为信道由忙变闲的延迟时间，λ为某一时刻网络中所有节点产生报文的平均条数，根据已有的参考文献，为因数据包到达的时间延时造成的碰撞。

2、服务信道切换

图2是服务信道切换的三种交换方式示意图。

在本实施例中，如图2所示，本发明车载自组织网络单接口多信道切换方法，将切换分成A、B、C三种交互方式，分别对应步骤2.1)～2.3)。

交互方式A：节点在α模式下，节点密度大，服务信息流量大，如果采用频繁的RTS/CTS握手将导致控制信道CCH的拥堵，所以在向α模式下的节点发送数据DATA时，不进行RTS/CTS握手，而是直接根据数据接收节点广播CTS中携带的服务信道号所标识的服务信道发送数据DATA给数据接收节点，如果有多个邻居节点发送数据给接收节点时，通过退避算法竞争信道。α模式下的数据接收节点虽然节点密度和服务信息流量较大，但省去了RTS预约请求部分，有效地节省了控制时隙CCH的带宽，保证安全信息的可靠传输。

交互方式B：β模式下的节点密度大，但服务信息流量小，采用三次握手RTS/CTS/DATA的方式在多信道之间切换发送报文。β模式下的节点虽然增加了RTS预约请求部分，但较小的服务信息流量同样保证了信道畅通。

交互方式C：由于γ模式下的节点密度和服务信息流量都较小，在选择一个SCH信道时，通过四次握手RTS/CTS/DATA/CR方式发送报文。γ模式下的节点虽然增加了RTS/CR部分，但单信道的通信方式避免了信道切换带来的开销，同时保证了数据传输的安全性。

3、信道表的维护

表1为全忙状态时的信道表，本发明中，数据接收节点可以根据信道表来选择与分配服务信道，具体方法为：当存在空闲服务信道时，数据接收节点在通信时选择空闲信道，采用均匀分布的原则，从空闲信道中信道号最小的开始选用,如果信道处于全忙状态时，当再有一组节点需要通信，那么选择其中节点数最少的信道，如表1中所示，信道表处于全忙，当节点14与节点15需要通信时，选择SCH1信道。如果在本CCH时隙内本节点已与其中一个节点握手成功，同时，还有其它节点与本节点需要通信，那么本节点回复CTS时，信道选择为已握手成功的信道号。如表1中SCH0出现三个节点的情况：在CCH时隙，如果节点1和2先握手成功，选择了SCH0，紧接着节点3又向节点2发起RTS，那么节点2就选择信道SCH0发CTS给节点3。

信道	状态	节点ID	有效周期
				SCH0	忙	1、2、6	1
SCH1	忙	4、5	1
				SCH2	忙	7、8	2
SCH3	忙	9、10	2
				SCH4	忙	10、11	2
SCH5	忙	12、13	2

表1

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，以便于本技术领域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 (3)

1.一种车载自组织网络单接口多信道切换方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、节点工作模式的确定

1.1)、各节点在控制信道时隙进行判断：

当邻居数目小于等于定值N时，节点处于小密度区域，将其工作模式设置为γ模式；

当邻居数目大于定值N时，节点处于大密度区域，计算节点服务信息报文的理论值其中Ts为每条服务信息报文发送所需的平均时间，T_SCH为服务信道时长，P_b为服务信道忙时的概率，P_b的计算公式为：

$P_b=1-\frac{1}{\mathrm{\λ}(1+2d)+e^{-d\mathrm{\λ}}};$

其中，d为服务信道由忙变闲的延迟时间，λ为网络中所有节点产生报文的平均条数；

当统计值FL(n-1)＞F时,将节点工作模式设置为α模式，当统计值FL(n-1)≤F时,将节点工作模式设置为β模式；其中，FL(n-1)为上一个周期内服务信道中节点产生的所有报文的报文统计值,n为正整数，表示周期数；

1.2)、然后，各节点下一个控制信道时隙将自己的工作模式广播各邻居节点，各邻居节点在自己邻居表中标记邻居节点的工作模式；

(2)、根据节点工作模式，进行服务信道切换

2.1)、当工作模式为α模式的节点作为数据接收节点时，数据接收节点分配一个服务信道，并确定该服务信道使用周期数，然后，在控制信道时隙广播清除发送消息CTS给数据发送节点；其中，清除发送消息CTS包括分配的服务信道号、强制信道使能标志以及确定的该服务信道使用周期数；

需要发送数据给数据接收节点的邻居节点即数据发送节点在收到清除发送消息CTS后，在信道表相应的服务信道号表项中添加数据接收节点，并记录强制信道使能标志以及确定的该服务信道使用周数；

数据发送节点需要发送数据给数据接收节点时，在邻居表中查看数据接收节点的工作模式为α模式，直接切换服务信道至信道表中数据接收节点所在的服务信道并发送数据；如果有多个邻居节点需要发送数据给数据接收节点时，通过退避算法竞争服务信道；

2.2)、当工作模式为β模式的节点作为数据接收节点，并且需要发送数据给数据接收节点的邻居节点即数据发送节点的工作模式为α模式或β模式时，则数据发送节点在控制信道时隙发送请求发送消息RTS给数据接收节点，数据接收节点收到请求发送消息RTS后，分配一个服务信道，并在控制信道时隙广播清除发送消息CTS给数据发送节点；其中，清除发送消息CTS包括分配的服务信道；

数据发送节点在收到清除发送消息CTS后，在信道表相应的服务信道号表项中添加数据接收节点，然后切换服务信道至信道表中数据接收节点所在的服务信道并发送数据；

2.3)、当工作模式为γ模式的节点作为数据接收节点，或数据发送节点工作模式为γ模式并且数据接收节点工作模式为β模式时；则数据发送节点在控制信道时隙发送请求发送消息RTS给数据接收节点，数据接收节点收到请求发送消息RTS后，分配一个服务信道，并在控制信道时隙广播清除发送消息CTS给数据发送节点；其中，清除发送消息CTS包括分配的服务信道；

数据发送节点在收到清除发送消息CTS后，在信道表相应的服务信道号表项中添加数据接收节点，然后切换服务信道至信道表中数据接收节点所在的服务信道并发送数据，数据接收节点接收到数据后，在控制信道时隙返回信道释放消息CR给数据发送节点；

(3)、信道表的维护

查看信道表中数据接收节点是否记录有强制信道使能标志以及服务信道使用周期数，如果有，则按照服务信道使用周期数释放服务信道，在信道表中删除该数据接收节点；如果没有，则判断一定时间内是否收到信道释放消息CR，如果收到，立即释放服务信道，在信道表中删除该数据接收节点，如果没有收到，在一定时间后，立即释放服务信道，在信道表中删除该数据接收节点。

2.根据权利要求1所述的单接口多信道切换方法，其特征在于，步骤2.1)中，所述的确定该服务信道使用周期数为：

a1.利用PID算法估计需要发送的报文数目FC(n)，PID差分方程为：

FC(n)＝FC_P(n)+FC_I(n)+FC_D(n)+FL(n-1)；

FC_P(n)＝K_Pe(n)；

${\mathrm{FC}}_I\left(n\right)=K_I{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{n}e\left(i\right);$

FC_D(n)＝K_D(e(n)-e(n-1))；

e(n)＝FL(n-1)-FC(n-1)；

其中，FC(n-1)为估计的上一个周期需要报文数目，FL(n-1)为上一个周期内服务信道中节点产生的所有报文的报文统计值，e(n)为估计误差；e(i)为第i次估计的误差，0≤i≤n，FC_p(n)、FC_I(n)、FC_D(n)分别为FC(n)的比例项、积分项、微分项，K_P、K_I、K_D分别为预设的比例项、积分项、微分项的系；

a2、根据得到的估计需要发送的报文数目FC(n)来确定服务信道使用周期数：报文数目FC(n)越大，需要的时间越长，周期数越多。

3.根据权利要求1所述的单接口多信道切换方法，其特征在于，步骤2中所述的分配一个服务信道为：

如果在控制信道时隙内，数据接收节点已与一个邻居节点握手成功，当其他邻居节点与数据接收节点需要通信时，选择已握手成功的信道；

否则，当存在空闲服务信道时，数据接收节点选择空闲的服务信道，并采用均匀分布的原则，选用空闲服务信道中信道号最小的服务信道；当服务信道处于全忙状态时，则选择通信节点数最少的服务信道。