CN103618998B - 一种利用多信道csma实现多车辆同时广播信息的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用多信道CSMA实现多车辆同时广播信息的方法，包括1)预先设定N个互不重叠的信道；2)每个车辆节点保持对N个信道的监控；3)在车辆节点准备广播发射一个紧急信息帧时，检查空闲信道列表是否为空；4)在车辆节点对紧急信息帧进行实际广播发射前，再等待一个长度至少为一个帧间间隔的时段，并检查RSS是否一直低于ST；5)在随机接入回退时段里的任一时刻点，检查RSS是否一直低于ST；6)将使用过的信道标记为“最近一次使用过的信道”。与现有技术相比，本发明利用结合FDMA和/或CDMA的多信道CSMA协议来提高频谱利用率，从而可以在密度大的车辆环境中明显减少车辆节点的信息传输时延。

Description

一种利用多信道CSMA实现多车辆同时广播信息的方法

技术领域

本发明涉及车联网的无线通信技术及其应用领域，尤其是涉及一种将FDMA和/或CDMA与CSMA结合，利用多信道载波侦听多点接入(Multi-channelCarrierSenseMultipleAccess，简称多信道CSMA)机制来实现车联网中多车辆同时广播紧急安全消息的方法。

背景技术

在车辆自组织网络(VehicularAd-hocNetwork，简称VANET)中进行紧急信息广播时，面临下列重要问题：由于相邻节点间转发广播信息的时间选择高度相关，存在严重的信道争抢和碰撞；尤为重要的是，由于大量隐藏节点的存在，很难保证广播信息的可靠分发。要解决上述问题，关键是要设计出有效的媒体接入控制(MAC)机制。无线环境下MAC层的接入方式主要可划分为共享介质方式和基于调度的独享介质方式两大类。基于调度的独享介质方式需要有中心控制节点参与信道的划分，比如传统的TDMA、FDMA及CDMA等方式。现阶段，在VANET中主要考虑采用基于TDMA的MAC，但由于它需要有中心控制节点参与，比较适合于车辆节点与路边固定基础设施之间的通信，而对于车辆节点间通信时的碰撞告警等紧急安全信息的广播并不适用，并且当处于密度小的车辆环境时又会造成网络资源的浪费。共享介质方式中，典型的有重复性广播协议、信道预约式的同步MAC协议、以可靠邻居广播协议为代表的基于令牌环的MAC广播协议、基于定向天线的MAC层广播协议及载波侦听多点接入/冲突检测(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，简称CSMA/CA)协议等。

CSMA/CA是IEEE802.11a/b/g采用的针对无线局域网的MAC层协议。现有的专门用于车辆无线通信的IEEE802.11p(又称WAVE，WirelessAccessintheVehicularEnvironment)也是基于IEEE802.11a的扩展。具体地，CSMA/CA协议主要使用两种方法来避免碰撞：1)设备欲发送帧，且侦听到信道空闲时，维持一段时间后，再等待一段随机的时间依然空闲时，才提交数据。由于各个设备的等待时间是分别随机产生的，因此很大可能有所区别，由此可以减少冲突的可能性。2)用于对抗隐藏节点问题的、基于预约机制的RTS-CTS握手：设备欲发送帧前，先发送一个很小的RTS帧给目标端，等待目标端回应CTS帧后，才开始传送。同时由于RTS帧与CTS帧都很小，让传送的无效开销变小。现阶段，对于适合进行紧急信息广播的共享介质方式MAC机制，VANET主要考虑采用的就是CSMA/CA协议，以及在CSMA/CA协议的基础上尝试进行一些修订和扩展，如将带宽修改为10～20MHz，引入任意帧间隔(AIFS)等参数。

但是，CSMA/CA仍旧存在以下需要去改善的缺点：1)RTS帧(或CTS帧)本身也是由发射节点根据载波侦听技术发射的广播帧，它们本身就可能会因为隐藏节点问题而在接收节点与另一个发射节点发来的RTS帧(或CTS帧)发生冲突。尽管RTS帧(或CTS帧)通常是短小的帧，在密度大的车辆环境中，也可能会导致严重的冲突问题。2)即使RTS/CTS帧的传输不会受到可能的冲突问题的影响，在可能会需要的多跳无线传输中，并不是所有的广播信息都能依赖RTS/CTS帧的传输。这样的广播信息包括会被动态路由协议频繁使用的广播信息，比如在一部分网络范围内用于更新该范围内所有节点的路由表的泛洪广播帧。这样的广播传输是期望被所有的邻居节点成功接收，这样的广播传输是不能简单使用RTS/CTS帧对信道的预约来实现和完成的。3)紧急安全信息通常都是短帧，当某个车辆节点根据CSMA/CA在某时隙占据整个频域信道进行紧急信息的广播时，在整个带宽传输一个短小的信息帧是对频域资源的明显浪费，也因此，当处于密度大的车辆环境中时，根据大量实验结果，利用CSMA/CA或现存的以CSMA/CA为基础的一些改进协议还是可能因为部分节点过长的等待而引起大的时延、甚至是网络拥塞。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用多信道CSMA实现多车辆同时广播信息的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种利用多信道CSMA实现多车辆同时广播信息的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)预先设定N个互不重叠的供车辆节点广播的信道；

(2)每个车辆节点在不广播信息时保持对N个信道的监控，比较在每个信道上的接收信号强度RSS和所述车辆节点的侦听阈值ST，对RSS低于ST的信道，将其标记为“空闲信道”，并记录下将其标记为空闲信道的时刻，之后将空闲信道统一放入一个空闲信道列表中，其余的信道被标记为“忙信道”；

(3)在车辆节点准备广播发射一个紧急信息帧时，车辆节点检查所述的空闲信道列表是否为空，是则执行步骤31)，否则执行步骤32)；

31)车辆节点将等待某一个信道变为空闲，在等到有一个信道变为空闲后，车辆节点先等待一个帧间间隔时段，再等待一个随机接入回退时段：

311)在所述随机接入回退时段的任一时刻点，检查所述信道上的RSS是否一直低于ST，是则车辆节点选择这个信道来准备广播紧急信息帧，并执行步骤4)，否则执行步骤312)；

312)车辆节点立刻取消在这个随机接入回退时段上的等待，同时继续在这个信道上保持监听，直到RSS低于ST时立刻进入一个新的随机接入回退时段的等待，返回步骤311)；

32)车辆节点查验“最近一次使用过的信道”是否被包含在空闲信道列表中，是则车辆节点选择这个信道来准备广播紧急信息帧，否则车辆节点从空闲信道列表中随机选择一个信道来准备广播紧急信息帧；

(4)在车辆节点对紧急信息帧进行实际广播发射前，车辆节点将再等待一个长度至少为一个帧间间隔的时段，并检查在这个等待时段里，步骤32)所选择的信道上的RSS是否一直低于ST，是则车辆节点立即在这个信道上实施对紧急信息帧的广播发射，并执行步骤(6)，否则执行步骤(5)；

(5)车辆节点将会再等待一个随机接入回退时段：

51)在所述的随机接入回退时段的任一时刻点，检查步骤32)所选择的信道上的RSS是否一直低于ST，是则实施对紧急信息帧的广播发射，否则执行步骤52)；

52)车辆节点立刻取消在这个随机接入回退时段上的等待，同时继续在这个信道上保持监听，直到RSS低于ST时立刻进入一个新的随机接入回退时段的等待，并返回步骤51)；

(6)车辆节点实施了一次紧急信息帧广播发射后，将使用过的信道标记为“最近一次使用过的信道”，返回步骤(2)。

所述的多信道CSMA协议为将FDMA与CSMA结合的多信道CSMA协议，整个频域带宽被划分为K个相互不重叠的频域信道，其中N＝K，所述的信道为频域信道。

所述的多信道CSMA协议为将CDMA与CSMA结合的多信道CSMA协议，选择CDMA系统里的一组L个正交扩频码作为码域信道，其中N＝L，所述的信道为码域信道，此时，在对信道进行监控时，是在整个频带上保持对N＝L个码域信道的监控。

所述的多信道CSMA协议为将FDMA、CDMA均与CSMA结合的多信道CSMA协议，整个频域带宽被划分为K个相互不重叠的频域信道，选择CDMA系统里的一组L个正交扩频码作为码域信道，其中信道N＝K×L，此时，在对信道进行监控时，是在对每个频域信道监控时都对L个码域信道保持监控。

步骤32)所述的随机选择可采用均匀随机数产生算法进行处理。

与现有技术相比，本发明利用结合FDMA和/或CDMA的多信道CSMA协议来提高频谱利用率，在网络中实现更大的无相互干扰的和并发的广播信息传输数量，从而可以在密度大的车辆环境中明显减少车辆节点的信息传输时延。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

一种利用多信道CSMA实现多车辆同时广播信息的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)预先设定N个互不重叠的供车辆节点广播的信道；

(2)每个车辆节点在不广播信息时保持对N个信道的监控，比较在每个信道上的接收信号强度RSS和所述车辆节点的侦听阈值ST，对RSS低于ST的信道，将其标记为“空闲信道”，并记录下将其标记为空闲信道的时刻，之后将空闲信道统一放入一个空闲信道列表中，其余的信道被标记为“忙信道”；

(3)在车辆节点准备广播发射一个紧急信息帧时，车辆节点检查所述的空闲信道列表是否为空，是则执行步骤31)，否则执行步骤32)；

31)车辆节点将等待某一个信道变为空闲，在等到有一个信道变为空闲后，车辆节点先等待一个帧间间隔时段，再等待一个随机接入回退时段：

311)在所述随机接入回退时段的任一时刻点，检查所述信道上的RSS是否一直低于ST，是则车辆节点选择这个信道来准备广播紧急信息帧，并执行步骤4)，否则执行步骤312)；

312)车辆节点立刻取消在这个随机接入回退时段上的等待，同时继续在这个信道上保持监听，直到RSS低于ST时立刻进入一个新的随机接入回退时段的等待，返回步骤311)；

32)车辆节点查验“最近一次使用过的信道”是否被包含在空闲信道列表中，是则车辆节点选择这个信道来准备广播紧急信息帧，否则车辆节点从空闲信道列表中随机选择一个信道来准备广播紧急信息帧；

(4)在车辆节点对紧急信息帧进行实际广播发射前，车辆节点将再等待一个长度至少为一个帧间间隔的时段，并检查在这个等待时段里，步骤32)所选择的信道上的RSS是否一直低于ST，是则车辆节点立即在这个信道上实施对紧急信息帧的广播发射，并执行步骤(6)，否则执行步骤(5)；

(5)车辆节点将会再等待一个随机接入回退时段：

51)在所述的随机接入回退时段的任一时刻点，检查步骤32)所选择的信道上的RSS是否一直低于ST，是则实施对紧急信息帧的广播发射，否则执行步骤52)；

52)车辆节点立刻取消在这个随机接入回退时段上的等待，同时继续在这个信道上保持监听，直到RSS低于ST时立刻进入一个新的随机接入回退时段的等待，并返回步骤51)；

(6)车辆节点实施了一次紧急信息帧广播发射后，将使用过的信道标记为“最近一次使用过的信道”，返回步骤(2)。

所述的多信道CSMA协议为将FDMA与CSMA结合的多信道CSMA协议，整个频域带宽被划分为K个相互不重叠的频域信道，其中N＝K，所述的信道为频域信道。

所述的多信道CSMA协议为将CDMA与CSMA结合的多信道CSMA协议，选择CDMA系统里的一组L个正交扩频码作为码域信道，其中N＝L，所述的信道为码域信道，此时，在对信道进行监控时，是在整个频带上保持对N＝L个码域信道的监控。

所述的多信道CSMA协议为将FDMA、CDMA均与CSMA结合的多信道CSMA协议，整个频域带宽被划分为K个相互不重叠的频域信道，选择CDMA系统里的一组L个正交扩频码作为码域信道，其中信道N＝K×L，此时，在对信道进行监控时，是在对每个频域信道监控时都对L个码域信道保持监控。

步骤32)所述的随机选择可采用均匀随机数产生算法进行处理。

本发明中所述多信道CSMA协议在结合“FDMA和/或CDMA”时，不需要中心控制节点参与对“频域和/或码域信道”的划分。因为，作为每个车辆节点都会事先知道的先验知识，“频域和/或码域信道”的划分是预先设定好的。

在任意一个车辆节点，对于每一条紧急消息帧的广播传输，虽然期望被尽可能多的邻居车辆节点成功接收，但是不必要确保让所有邻居车辆节点都成功接收，因为在发生涉及交通安全的事故时，同一车辆节点会多次广播相同或相似的紧急信息，而且，相同或相似的紧急信息会被处在同一地理区域的其它的多个车辆节点进行多次的广播。

Claims (5)

1.一种利用多信道CSMA实现多车辆同时广播信息的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)预先设定N个互不重叠的供车辆节点广播的信道；

(2)每个车辆节点在不广播信息时保持对N个信道的监控，比较在每个信道上的接收信号强度RSS和所述车辆节点的侦听阈值ST，对RSS低于ST的信道，将其标记为“空闲信道”，并记录下将其标记为空闲信道的时刻，之后将空闲信道统一放入一个空闲信道列表中，其余的信道被标记为“忙信道”；

(3)在车辆节点准备广播发射一个紧急信息帧时，车辆节点检查所述的空闲信道列表是否为空，是则执行步骤31)，否则执行步骤32)；

31)车辆节点将等待某一个信道变为空闲，在等到有一个信道变为空闲后，车辆节点先等待一个帧间间隔时段，再等待一个随机接入回退时段：

311)在所述随机接入回退时段的任一时刻点，检查所述信道上的RSS是否一直低于ST，是则车辆节点选择这个信道来准备广播紧急信息帧，并执行步骤4)，否则执行步骤312)；

312)车辆节点立刻取消在这个随机接入回退时段上的等待，同时继续在这个信道上保持监听，直到RSS低于ST时立刻进入一个新的随机接入回退时段的等待，返回步骤311)；

32)车辆节点查验“最近一次使用过的信道”是否被包含在空闲信道列表中，是则车辆节点选择这个信道来准备广播紧急信息帧，否则车辆节点从空闲信道列表中随机选择一个信道来准备广播紧急信息帧；

(4)在车辆节点对紧急信息帧进行实际广播发射前，车辆节点将再等待一个长度至少为一个帧间间隔的时段，并检查在这个等待时段里，步骤32)所选择的信道上的RSS是否一直低于ST，是则车辆节点立即在这个信道上实施对紧急信息帧的广播发射，并执行步骤(6)，否则执行步骤(5)；

(5)车辆节点将会再等待一个随机接入回退时段：

51)在所述的随机接入回退时段的任一时刻点，检查步骤32)所选择的信道上的RSS是否一直低于ST，是则实施对紧急信息帧的广播发射，否则执行步骤52)；

52)车辆节点立刻取消在这个随机接入回退时段上的等待，同时继续在这个信道上保持监听，直到RSS低于ST时立刻进入一个新的随机接入回退时段的等待，并返回步骤51)；

(6)车辆节点实施了一次紧急信息帧广播发射后，将使用过的信道标记为“最近一次使用过的信道”，返回步骤(2)。

2.根据权利要求1所述的一种利用多信道CSMA实现多车辆同时广播信息的方法，其特征在于，所述的多信道CSMA协议为将FDMA与CSMA结合的多信道CSMA协议，整个频域带宽被划分为K个相互不重叠的频域信道，其中N＝K，所述的信道为频域信道。

3.根据权利要求1所述的一种利用多信道CSMA实现多车辆同时广播信息的方法，其特征在于，所述的多信道CSMA协议为将CDMA与CSMA结合的多信道CSMA协议，选择CDMA系统里的一组L个正交扩频码作为码域信道，其中N＝L，所述的信道为码域信道，此时，在对信道进行监控时，是在整个频带上保持对N＝L个码域信道的监控。

4.根据权利要求1所述的一种利用多信道CSMA实现多车辆同时广播信息的方法，其特征在于，所述的多信道CSMA协议为将FDMA、CDMA均与CSMA结合的多信道CSMA协议，整个频域带宽被划分为K个相互不重叠的频域信道，选择CDMA系统里的一组L个正交扩频码作为码域信道，其中信道N＝K×L，此时，在对信道进行监控时，是在对每个频域信道监控时都对L个码域信道保持监控。

5.根据权利要求1所述的一种利用多信道CSMA实现多车辆同时广播信息的方法，其特征在于，步骤32)所述的随机选择可采用均匀随机数产生算法进行处理。