CN103517445A - 基于时分复用的车载自组网异步多信道mac接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种车载自组织网络多信道MAC接入机制，涉及移动通信系统。本发明不需要进行服务信息收发的节点持续监听控制信道以获取安全信息和信道协调信息；当节点要发送服务信息时，发送信道预留信息，预留信道后立即转到相应服务信道进行服务信息发送，完成服务信息发送后立即返回控制信道继续监听，解决上述信道利用率低和控制信道瓶颈问题。相对于IEEE1609.4标准所有节点同步切换信道的机制，可以避免信道空闲，另外，采用时分复用方法解决控制信道瓶颈问题，降低控制信道冲突概率；采用节点协作的方法来减轻服务信道上数据包碰撞造成的影响。

Description

基于时分复用的车载自组网异步多信道MAC接入方法

技术领域

本发明涉及车载自组织网络领域，具体涉及车载自组织网络多信道MAC方法。

背景技术

基于IEEE802.11p标准的车载自组网(VANET)是是智能交通系统(ITS)的重要组成部分，VANET采用专用短距离通信（DSRC）技术，致力于增大交通安全系数，同时提升汽车乘员舒适性。美国联邦通信委员会（FCC）在5.9GHz频率处为车联网分配了宽75MHz的专用通信频段，用于车辆间通信和车辆与路边基础设施间的通信。根据IEEE802.11p标准，这段75MHz的频段被分为7条信道，位于中间的信道是控制信道（CCH），用于传递安全信息和控制包；其余6条信道是服务信道（SCH），用于传输非紧急的应用信息。作为IEEE802.11p在多信道操作上的扩展，IEEE1609.4标准规定了一个信道同步协调机制，名为通用时间协调（UTC）机制，用以分配信道的接入时间。根据UTC机制，信道接入时间被划分为首位相接的长为100ms的同步周期。每个同步周期被分为控制周期和数据周期，各占50ms。在控制周期所有节点调谐至控制信道，携带安全消息的节点在此广播安全消息；而携带服务消息的节点需要先广播服务声明消息(WSA),此消息中包含在下面的数据周期将要发送的服务消息的说明和选用的服务信道的ID，需要这条服务消息的节点回复ACK确认帧。在数据周期各节点按控制周期的信道协调结果切换到相应的各条服务信道进行服务包收发。图1显示IEEE1609.4标准的工作过程。如图1所示，每个控制周期和每个数据周期都以一个引导间隔开始，之后各节点开始工作。CCH上的深色部分表示在这些时段所有节点都工作在控制信道上，SCH上的深色部分表示在这些时段所有节点分散在各服务信道上工作；而CCH或SCH上的空白部分表示在这些时段相应信道空闲。引导间隔是为了弥补各节点之间不能精确地同步切换信道而设置的。引导间隔的长度是同步延迟和最大信道切换时间之和，同步延迟是可容忍的最大时钟偏移量，而最大信道切换时间是可容忍的节点在信道之间切换的最大时间。引导间隔中不允许发生数据传输。

由上述内容可见，IEEE1609.4标准运行过程中，在控制周期所有节点都工作在控制信道，所有服务信道空闲；而在数据周期所有节点都工作在服务信道，控制信道空闲。这就造成在一个周期内所有信道被利用的时间只有50%，使得信道利用率不超过50%。另外，控制周期和数据周期的长度是固定的，当网络负载较重，有很多信息等待交付时，有很多安全信息和控制包需要在控制信道上传递，在控制周期就会有很多节点竞争控制信道的接入权，而固定长度的控制周期无法提供足够的资源供信息传递。这造成控制信道拥塞，产生较高碰撞概率，成为整个网络的性能瓶颈。同时服务信道的利用率也会因此而下降，因为需要交付服务信息的节点很难在拥挤的控制信道上完成信道预留。另一方面，如果节点密度稀疏，网络负载较轻，在控制周期控制信道可能被闲置较长的时间段。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述技术问题，为了避免IEEE1609.4标准中严格的周期同步造成的服务信道空闲问题，不同于IEEE1609.4标准，不需要所有节点每50ms同步地在控制信道和服务信道之间切换一次，因此，本方法不需要严格的时间同步，并且服务信道时刻被利用。服务信道的利用率提高带来了吞吐量性能的改善。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提出一种基于时分复用的车载自组网异步多信道MAC接入机制，解决上述信道利用率低和控制信道瓶颈问题。不需要进行服务信息收发的节点持续监听控制信道以获取安全信息和信道协调信息；当节点要发送服务信息时，发送信道预留信息，预留信道后立即转到相应服务信道进行服务信息发送，完成服务信息发送后立即返回控制信道继续监听；发送服务信息前每个节点维护一个信道分配列表以记录各服务信道和邻节点的工作状态，当节点发送服务信息时，在控制信道上发送RTS帧进行信道预留；检查自己的信道分配列表，找出最早被释放的信道，在信道释放时间之后加上保护间隔；控制信道将网络中传递的信息分为紧急安全信息和非紧急服务信息，节点入网时，从控制信道的时隙中随机选择一个作为自己的接入时隙，当节点携带服务信息时，检查当前是否处在自己的接入时隙，若是，使用二进制退避算法竞争控制信道以发送RTS；若不是，等待下一个自己的接入时隙再竞争信道。

保护间隔为节点发送数据的开始时间，根据数据包长度计算数据包发送时间，用开始时间加上发送时间获得数据包发送结束时间，将数据包发送起止时间写入RTS帧。

为解决多信道协调，所有监听到其它节点发送的RTS帧的节点都与自己的信道分配列表进行比对，当发现该RTS指定的信道和占用时间与其它节点将要发送的信息产生冲突时发送补充信息告知该节点缺失的信道协调信息；源节点接收到补充信息时取消原发送计划并修改自己的信道分配列表。在源节点发送RTS之后，目的节点等待一个协作冲突避免时隙加上一个段帧间间隔SIFS的时间，若在等待时隙未收到补充信息，发送CTS信息；若收到补充信息，则本次信道预留不成功。为避免多个邻节点同时发送补充信息产生碰撞，邻节点在发送补充信息之前等待一段时间，该时间段在[0,CCAP]之间，在等待时间段内一个邻节点开始发送补充信息时，阻止其他邻节点的发送补充信息。

本发明提出一种基于时分复用的车载自组网异步多信道MAC接入机制，节点异步切换信道的方法使控制信道和服务信道能够持续工作，提高信道利用率；时分复用方法能降低控制信道上的冲突概率，从而提高网络吞吐量和时延性能；另外节点协作机制的采用降低了因信道协调信息丢失造成的服务包碰撞的可能性，进一步提高网络性能。

附图说明

图1为IEEE1609.4标准的同步周期和它的组成示意图；

图2为时分复用的控制信道接入方法流程示意图；

图3为多信道协调(MCC)问题示意图；

图4为节点协作机制示意图；

图5为本方法的整体框架示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚明白，下文将结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。

为了避免IEEE1609.4标准中严格的周期同步造成的服务信道空闲问题，本发明提出如下解决方案：不需要进行服务信息收发的节点持续监听控制信道以获取安全信息和信道协调信息；当节点要发送服务信息时，发送信道预留信息，成功预留信道后立即转到相应服务信道进行服务包发送，完成发送后立即返回控制信道继续监听。不同于IEEE1609.4标准，不需要所有节点每50ms同步地在控制信道和服务信道之间切换一次，因此，本方法不需要严格的时间同步，并且服务信道时刻被利用。服务信道的利用率提高带来了吞吐量性能的改善。

下文将说明节点发送服务信息前进行信道协商和选择所采取的策略。

信道协商策略：每个节点维护一个信道分配列表以记录各服务信道和邻节点的工作状态。列表包含6个条目，对应6条服务信道。当节点需要发送服务信息的时候，首先需要在控制信道上发送RTS（发送请求）帧进行信道预留。RTS帧包含的信息：节点自身ID（标识），目的节点ID，将要使用的服务信道ID，数据包发送的起止时间。RTS帧在控制信道上监听到的节点检查其中包含的目的节点ID，若不是自己的ID，则记录其中的信息，继续监听；如果目的节点ID与自己的ID一致，则等待一个SIFS之后回复CTS（发送确认）。CTS帧包含的信息包括：目的节点ID，源节点ID。若CTS成功接收，则信道预留成功。其它节点根据之前的RTS更新自己的信道分配列表。

信道选择策略：节点需要发送服务信息时，先检查自己的信道分配列表，从中找出最早被释放的信道，在信道释放时间之后加上保护间隔，此间隔为该节点发送数据的开始时间。根据数据包长度计算数据包发送时间，用开始时间加上发送时间获得数据包发送结束时间。将数据包发送起止时间写入RTS帧。

下文将说明控制信道时分复用接入方法。将网络中传递的信息分为两个优先级：紧急安全信息和非紧急服务信息。控制信道上以100ms为一个周期，每个周期均分为若干个时隙。如图2所示的时分复用的控制信道接入方法流程，每个节点入网时，从这几个时隙中等概随机地选择一个作为自己的接入时隙。当节点携带服务信息时，需要检查当前是否处在自己的接入时隙，若是，使用二进制退避算法竞争控制信道以发送RTS；若不是，需要等待下一个自己的接入时隙到来才能竞争信道。若节点携带安全信息，则不受限制，随时发送。这种时分复用机制使得同一时间竞争信道的节点个数减小，能有效降低冲突概率。因为安全信息不受限制，所以本机制不会造成安全信息交付时延增加，相反，由于冲突概率降低，安全信息时延特性会得到改善。另外，系统总吞吐量也会由于冲突概率的下降而提高。

当节点切换到服务信道进行服务信息收发时，不能监听控制信道，可能会有一部分信道协调信息接收不到，这样可能会在之后的信道协商中预留其它节点已经预留的信道，从而造成服务信道上的数据包碰撞。这称为多信道协调问题（MCC问题）。图3说明了这一问题：当节点A和B进行信道预留的时候节点C和D在服务信道2上进行服务包收发，因此没有监听到A和B的信道预留，当A和B到服务信道1上面进行服务包收发的时候，C和D可能也选择服务信道1收发服务包，从而造成碰撞。

为了解决多信道协调问题，本发明采用节点协作机制。所有监听到其它节点发送的RTS帧的节点都与自己的信道分配列表进行比对，当发现该RTS指定的信道和占用时间可能和其它节点将要发送的信息产生冲突时（MCC问题），就发送补充信息（INV）以告知该节点它缺失的信道协调信息。源节点接收到补充信息时取消原发送计划并修改自己的信道分配列表。在源节点发送RTS之后，目的节点需要等待一个协作冲突避免时隙(CCAP)加上一个SIFS的时间，若在这期间未收到补充信息，才可以发送CTS；若收到补充信息，则本次信道预留不成功。为避免多个邻节点同时发送补充信息产生碰撞，使用载波监听(CSMA)方法。邻节点在发送补充信息之前需要等待一段时间，长度在[0,CCAP]之间随机选择。当一个邻节点开始发送补充信息时，CSMA会阻止其他邻节点的发送。这样可以降低信息缺失问题的影响，但不能完全消除。图4说明了节点协作机制的工作过程。节点A向节点B发送RTS后，没有邻节点检测到MCC问题出现，在经过一个CCAP+SIFS后，目的节点回复CTS，完成一次信道预留，节点对立刻转到相应服务信道去进行服务包收发。节点C向节点D发送RTS，节点E检测到MCC问题出现，在CCAP内执行CSMA后发送补充信息INV，节点C和D收到后取消本次信道预留，并根据INV更新自己的信道分配列表。

如图5所示本方法一个周期内的整体框架，频谱被划分为1条控制信道和6条服务信道。控制信道上以100ms为一个周期，均分为若干个时隙；而服务信道上不划分周期。所有节点入网后，服从时分复用的控制信道接入方案，从控制信道的若干个时隙中等概随机地选择一个作为自己的接入时隙，之后监听控制信道。

假设节点N需要广播一条紧急的安全信息，则无视当前时间是否在自己的接入时隙内，直接使用二进制指数退避算法竞争控制信道的接入权，竞争成功后立即广播安全信息。如图5中“safe”即是节点N广播的安全信息。

假设节点A和节点C选择第一个时隙作为自己的接入时隙，而节点B选择第二个时隙作为自己的接入时隙，节点D选择第三个时隙作为自己的接入时隙。设当前时间在第四个接入时隙，而此时A和C都有服务消息需要分别发送给B和D，则A和C此时不发送，继续监听控制信道，等待下一个周期的到来。在下一个周期第一个时隙到来时，A和C启动二进制退避算法竞争控制信道接入权，竞争成功后分别向B和D发送RTS帧（此时B和D都在监听控制信道）。以A为例，A发送的RTS帧中包含以下信息：A节点（源节点）ID，B节点（目的节点）ID，将要使用的服务信道ID。将要使用的服务信道是A查询自己的信道分配列表后从中找出的最早被释放的服务信道。RTS被B成功接收后，B会回复CTS帧，其中包括以下信息：B节点（目的节点）ID，A节点（源节点）ID。CTS帧被A成功接收后，就完成了一次成功的信道协商（或称预留）。之后A和B节点立即转到相应服务信道进行服务包收发。若该服务信道正在被占用，则等到信道被释放后立即转到进行服务包收发。C和D的行动过程类似。

存在这样的问题：如图3所示，在第一个时隙中，节点A和B正在进行信道协商，而此时节点C和D正在服务信道上进行服务包收发，因此没有监听到A和B的协商过程，C和D的信道分配列表中就缺失了A和B的信道预留的相关信息。在后面的协商中,C选择了A和B正在使用的服务信道来发送消息，这样造成了服务信道上服务包的碰撞。

为了解决上述问题，本方法采用节点协作机制。如图4所示，在控制信道第一个时隙，节点A需要向B发送服务信息，因此A向B发送RTS帧，在经过SIFS（短帧间间隔）+CCAP（协作冲突避免时隙）时间后（在此期间A和B都监听控制信道），节点B回复CTS，完成一次成功的信道预留，之后A和B转到相应服务信道收发数据。当A和B进行信道协商的时候，节点C在另一服务信道上向节点N传输服务包，因此没有监听到A和B之间交换的信道预留信息。之后节点C需要向节点D发送服务信息，因此节点C在控制信道向D发送RTS帧。但是它因为缺失A和B的信道预留信息，选择了A和B正在使用的服务信道，如果按此选择发送服务包的话，将发生碰撞。但是C的邻节点都监听到了C发送的RTS帧，通过比对自己的信道分配列表，一些邻节点发现了潜在的服务包碰撞，因此它们将A和B做出的信道预留信息写进INV（补充信息），准备发送给C。所有准备发送INV的邻节点需要执行载波监听，在C发送RTS完成之后，监听控制信道一个SIFS的时间，之后在[0,CCAP]之间随机选择一个数值，继续监听相当于这个数值的时间。如果在监听期间接收到其它节点发送的INV，则取消自己的INV发送计划；如果没有监听到，并且自己的监听时间结束，就发送INV。这样，节点C会在发送RTS之后接收到它的一个邻节点发来的INV，节点C由此取消此次服务包发送计划并根据INV更新自己的信道分配列表。这些工作完成后，节点C再按照控制信道接入规则重新竞争控制信道接入权以发送RTS帧。

车载自组织网络中节点数量较多，网络负载较重时，易造成控制信道拥塞，碰撞概率高，成为性能瓶颈；另外，根据多信道操作IEEE1609.4标准，在控制周期所有数据信道都空闲，造成资源浪费。本文提出一种使用时分复用机制的异步车载自组织网多信道MAC接入机制，解决这两个问题。相对于IEEE1609.4标准所有节点同步切换信道的机制，本发明提出一种节点异步切换信道的方法，即在控制信道上完成信道预留的节点立刻切换至服务信道进行服务包收发，这种方法可以避免信道空闲。另外，本发明提出一种时分复用的方法来解决控制信道瓶颈问题，即在控制信道上将一个周期划分为若干时隙，所有节点大致平均地分散到各个时隙去接入控制信道，此方法可以降低控制信道上的冲突概率。针对控制信道上信道预留信息缺失造成的服务信道上数据包碰撞问题，本发明采用节点协作的方法来减轻其影响，即邻节点向缺失信息的节点发送补充信息以帮助其修正自己的信道分配列表。

Claims (5)

1.基于时分复用的车载自组网异步多信道MAC接入方法，其特征在于，不需要进行服务信息收发的节点持续监听控制信道以获取安全信息和信道协调信息；当节点要发送服务信息时，发送信道预留信息，预留信道后立即转到相应服务信道进行服务信息发送，完成服务信息发送后立即返回控制信道继续监听；发送服务信息前每个节点维护一个信道分配列表以记录各服务信道和邻节点的工作状态，当节点发送服务信息时，在控制信道上发送RTS帧进行信道预留；检查自己的信道分配列表，找出最早被释放的信道，在信道释放时间之后加上保护间隔；控制信道将网络中传递的信息分为紧急安全信息和非紧急服务信息，节点入网时，从控制信道的时隙中随机选择一个作为自己的接入时隙，当节点携带服务信息时，检查当前是否处在自己的接入时隙，若是，使用二进制退避算法竞争控制信道以发送RTS；若不是，等待下一个自己的接入时隙再竞争信道。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，保护间隔为节点发送数据的开始时间，根据数据包长度计算数据包发送时间，用开始时间加上发送时间获得数据包发送结束时间，将数据包发送起止时间写入RTS帧。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为解决多信道协调，所有监听到其它节点发送的RTS帧的节点都与自己的信道分配列表进行比对，当发现该RTS指定的信道和占用时间与其它节点将要发送的信息产生冲突时发送补充信息告知该节点缺失的信道协调信息；源节点接收到补充信息时取消原发送计划并修改自己的信道分配列表。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在源节点发送RTS之后，目的节点等待一个协作冲突避免时隙加上一个段帧间间隔SIFS的时间，若在等待时隙未收到补充信息，发送CTS信息；若收到补充信息，则本次信道预留不成功。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，为避免多个邻节点同时发送补充信息产生碰撞，邻节点在发送补充信息之前等待一段时间，该时间段在[0,CCAP]之间，在等待时间段内一个邻节点开始发送补充信息时，阻止其他邻节点的发送补充信息。

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