CN103763076A

CN103763076A - 车载自组织网络中基于异步多信道的协作mac协议实现方法

Info

Publication number: CN103763076A
Application number: CN201410060010.4A
Authority: CN
Inventors: 唐伦; 李昕韵; 陈前斌
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2034-02-21
Also published as: CN103763076B

Abstract

本发明公开了一种车载自组织网络中基于异步多信道的协作MAC协议实现方法，属于车载无线通信技术领域。该方法中包括协作中继节点的选取方法，和多信道选择协调策略以及紧急消息握手消息的重传机制。本方法将节点相互协作以便获取信道状态信息和其他节点状态信息，从而很好的解决了传输过程中多信道的隐藏终端问题；并且协作中继节点的重传机制，能让工作其他的服务信道的节点对也能收到丢失的控制信道的信息，实现高移动环境下数据的可靠传输，提高了通信可靠性和网络吞吐量。

Description

车载自组织网络中基于异步多信道的协作MAC协议实现方法

技术领域

本发明属于车载无线通信技术领域，涉及一种车载自组织网络中基于异步多信道的协作MAC协议实现方法。

背景技术

车载自组织网络（VANET）作为移动无线自组织网络（MANET）的一个重要分支，其设计目标是在沿道路行驶的车辆间、车辆与固定接入点之间，通过相互通信快速组网形成部署方便、费用低廉、结构开放的无线移动自组织网络，从而提供开放的公共道路交通安全服务和诸如交通信息查询、个人通信、电子地图更新、娱乐下载和Internet信息等安全无关服务。

根据IEEE802.11pMAC协议，WAVE（车载环境下的无线接入）节点在控制信道和业务信道上均需要竞争信道来发送数据，对于VANET这种节点密度和拓扑结构动态变化的网络来说，不能保证控制信道上的安全、控制信息实时、可靠的传输，同时业务信道也不能得到高效的利用。IEEE1609.4协议规定控制信道时隙和服务信道时隙均为固定值，存在这样的弊端：需要严格的时间同步，且服务信道和控制信道的信道利用率低于50%。同时，固定的控制信道时隙将无法提供足够的带宽来传输大量的安全、控制信息；固定的服务信道时隙将无法提供足够的带宽来传输消耗大量带宽的增值业务。

针对IEEE802.11pMAC协议和IEEE1609.4协议存在的不足，现有VCI-MAC协议创新性地提出了可变控制信道时隙设计，并将控制信道时隙进一步划分为安全时隙和WAVE服务宣告时隙，减少了安全信息和控制信息之间的传输干扰，同时通过在WSA时隙完成节点对业务信道的预留，从而为业务信道提供无竞争访问，使控制信道和业务信道的信道利用率都得到了大幅提高。但仍然需要严格的时间同步，无法保证在网络节点密度较大时，安全、控制信息实时可靠的传输。

现有AMC-MAC协议提出了使用异步多信道机制，AMC-MAC方案的目标是克服现有的多信道方案里的一些问题，比如同步问题，丢失接收端问题，多信道隐藏终端问题，并且提高多信道的性能。所有的节点不是以固定的50ms为周期交替于控制信道和服务信道之间，而是当列队为空时侦听控制信道。该方案控制信道上采用EDCA（增强型分布式接入控制机制），每个节点通过侦听控制信道保持自己的可用信道列表，来记录每个信道的状态和信道空闲的时间。这个方案支持当允许在控制信道上广播紧急消息时，不同的服务信道上同时传输。这个方案是分布式的，因为它处理共享的控制信道上不同的类型的接入，并且不依赖路边单元发来的信标帧。这个条件去掉了与信道分配有关的开销，使得这个方案更适合大规模的网络。但是该方案的缺点是，异步带来的隐藏终端的问题加剧，正在服务信道上参与通信的节点收不到控制信道上的紧急消息和其他节点的握手消息，导致紧急消息的丢失和正确无误的获取可用服务信道得不到保证，可靠性不高。

近年来，国内外的研究取得了一定的成果，但仍存在以下问题：无法在保证安全、控制信息实时、可靠传输的前提下，有较高的业务信道的信道利用率和网络吞吐量。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种车载自组织网络中基于异步多信道的协作MAC协议实现方法，包括协作中继节点的选取方法，和多信道选择协调策略以及紧急消息握手消息的重传机制。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种车载自组织网络中基于异步多信道的协作MAC协议实现方法，允许在控制信道上传输广播帧的同时，在不同的服务信道上进行同时传输，并且通过协作节点的帮助，来协调和选择可用的服务信道，并协作节点重播源节点和目的节点工作于服务信道时丢失的控制信道上的广播包；具体步骤包括：步骤一：CTS之后的一个时隙内完成各候选中继节点的分布式接入RI消息，超过规定时间将不再接收来自任何节点的RI消息，最先和随后接入信道的协作节点分别作为主中继节点和备份中继节点；步骤二：中继节点根据RTS和CTS里面控制帧中的可用信道，来肯定或者否定该信道是否被占用；步骤三：如果握手成功且服务信道被肯定选取成功，源节点和目的节点切换到相应的服务信道上传输消息，中继节点仍然保持在控制信道上的侦听；步骤四：根据RTS里面的占用服务信道的时间，中继节点带这个时间计时器为0时，源节点和目的节点也回到控制信道上了，中继节点将在一个DIFS后重传刚刚源节点和目的节点工作在服务信道上丢失的控制信道上的广播帧，即紧急消息或者其他节点预约服务信道的控制帧。

进一步，选取中继节点的方式是基于相对距离的，通过接收的RTS和CTS的信号强度来得到候选中继节点与源节点目的节点的相对距离，分别为d₁和d₂；根据这相对距离值d₁d₂来调用公式得到中继分布式接入的时隙g。

进一步，最优中继节点i选出后将第一个接入信道，该中继为主中继节点；其他满足条件的节点能成为备选中继节点；从余下的备选中继信息中，重新选出一个次优的中继节点i*，作为备份中继节点。

进一步，中继协作节点的信道协调机制具体为：通过中继节点的RI包来肯定或者否定该次握手选取的服务信道是否可用，同时中继节点对于目的节点在其他服务信道上而不能完成此次通信的握手予以否定。

进一步，中继协作节点的重传机制为：中继节点选出后，在源节点和目的节点切换到服务信道上后，中继节点继续保持控制信道上的侦听，待源节点和目的节点回到控制信道上时，中继节点发送RDATA包，里面包含源节点丢失的紧急消息或者其他节点握手成功的服务信道占用消息。

进一步，有一个主中继和备份中继，当主中继节点在源节点和目的节点在服务信道上工作时，自身正好也有数据要发送无法完成重传RDATA包时，备份中继侦听到主中继在忙，则采用备份中继重传模式。

进一步，RDATA包在一个DIFS后以为1的固定的退避窗口大小以及设置最大重传次数为3，与其他的广播帧抢占信道。

本发明的有益效果在于：本发明所述方法能很好的适用于高实时性、高有效性、高可靠性的VANET网络。采用本方法能有效利用信道，解决时间同步问题和隐藏终端的问题，减少了服务信道上的碰撞概率，改进VANET无线接入控制的性能，提高了通信可靠性，提高了网络吞吐量。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明帧格式示意图；

图2为本发明的异步多信道协作MAC协议的流程图；

图3为本发明的异步多信道协作MAC协议的执行传输流程图；

图4为本发明的解决丢失接收端的问题的方案流程图；

图5为本发明的解决服务信道冲突，中继来否定握手的流程图；

图6为本发明的中继选择流程图；

图7为本发明的中继重传过程流程图；

图8为本发明的丢失控制信道信息为空闲情形的流程图；

图9为本发明的采用备份中继情形的流程图；

图10为本发明RDATA包的接入流程图；

图11为本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明提出了一种VANET环境下基于协作的异步多信道MAC协议，具体包括以下内容：

构造数据帧格式。根据现有802.11p的帧格式，将帧格式中数据帧设为S-DATA（仅存储数据包）和R-DATA（待转发数据包），使其携带中继选取所需的参数。如图1所示，为修改后的帧格式示意图,其中FrameControl表示帧控制；Duration表示持续时间，用于网络分配向量（NAV）计算；SequenceControl表示序列控制，用于表示同一帧中不同分段的顺序，并用于识别数据包副本;CSC表示帧检验序列。TA：发送端地址；RA：接收端地址；CH：可用信道；CF：非零，肯定握手并给携带分配的服务信道信息；为0，否定握手。Timeslot：中继接入信道的时隙。

本发明构建的帧格式使得协议能适用于不同的传输阶段以及协作模式。

为了使协作MAC协议能成功选出中继，通常需要将握手的方式加以扩展，通过控制帧交换获取到中继选取所需的必要信息。握手过程的设计是否合理直接关系到整个系统的运行效率。如图2，本文将传统的四次握手过程扩展为五次，即RTS-CTS-RI-DATA-RDATA。协议传输的流程如图3具体描述如下：

步骤301.源节点向目的节点以及其天线覆盖范围内的节点广播RTS消息。RTS帧中包含源节点的可用服务信道信息、占用该信道的时间、目的节点的ID等消息；

步骤302.判断目的节点是否空闲还是工作与其他服务信道。

步骤302(a).对于目的节点能正确收到来自源节点的RTS消息的情况：一个SIFS后目的节点回应一个CTS，此时，处于天线范围内的其他节点也将侦听到此消息，以及该消息中所携带的节点信息，CTS帧中包含可用信道信息；然后进入到步骤3。

步骤302(b).对于目的节点不能正确收到来自源节点的RTS消息的情况：若源节点发出RTS，一个SIFS后目的节点因在SCH上无应答，为了充分利用网络资源和减小不必要的延时，该协议需要中继节点来否定此次握手。

如图4，表示丢失接收端的情形。由于接收端未知，所以中继节点的选取只用考虑与源节点的位置关系即可。通过中继告诉源节点这次请求失败。

中继节点也按照前面的算法来区分不同接入信道的时隙，但因目的节点没有发送CTS则不能得到d₂。

取这个未知的d₂=d₁，那么：

按上式，当目的节点丢失时，中继节点来否定此次握手。信道传输状况将回到步骤1。

步骤303.源端收到CTS之后的一个SLOTTIME内进行中继组的选取，每个节点根据控制帧交换获取的相应信息决定是否参与协作，根据控制帧的信道强度得到候选中继节点与源节点和目的节点的相对距离，再根据得到的相对距离值按照相应的算法

得到分布式接入的信道的时隙g。

实现分布式地接入信道，继而广播RI消息，最先和第二接入信道的协作节点分别为主中继节点和备份中继节点。

步骤304（a）:中继节点根据源节点和目的节点以及自己的信道可用列表，选出可用的服务信道，将该信息储存在RI帧CF值中，CF值若为0则表示没有可用服务信道，为了减小服务信道碰撞来否定这次握手，如图5，然后回到步骤1。

步骤304（b）若CF值表示信道可用，则表示握手成功，源节点和目的节点在一个DIFS后开始服务信道上通信。接着进行步骤5。

步骤305.此时，主中继和备份中继继续侦听控制信道上的信息，并记录下控制信道上的信息。根据RTS中占用信道的时间，中继开启计时器。

步骤306.判断是主中继还是备份中继完成RDATA包。

步骤307(a).若源节点和目的节点在服务信道通信时，主中继节点一直空闲，没有参与通信，则带计时器为0后，由之前选出的相对于源节点和目的节点距离较居中且距离之和较近的最佳主中继节点完成RDATA包的发送。然后回到步骤1。

步骤307(b).若源节点和目的节点在服务信道通信时，主中继节点有紧急消息发送或者要参与通信，那么备份节点侦听到后，则由备份节点完成后面的中继节点需要完成的RDATA包的传输，然后回到步骤1。

特别对下面两个阶段进一步详细的说明。

中继选取阶段：

如图6，中继选取的流程描述如下：

步骤601.根据控制帧的信道强度得到候选中继节点与源节点和目的节点的相对距离，再根据得到的相对距离值按照相应的算法

得到分布式接入的信道的时隙g。

步骤602.根据控制帧将使用的服务信道的信息或者接受节点是否丢失的信息封装在RI帧里面。

步骤603.选出最优中继。候选中继节点按照自身的接入时隙g分布式的接入信道，广播RI消息。该过程被限制在一个SLOTTIME时间内完成，超过规定时间将不再接收来自任何节点的RI消息。第一个进入的中继节点就是主中继，它满足接入时隙为

步骤604.在主中继进入信道后，如果一个SLOTTIME还未结束，则备选中继分布式接入信道发送RI包。如下式，得到备选中继所需要满足的条件：

|d₁-d₂|≤0.1R。

满足上述条件的车载终端均可作为备选中继使用，且按照自身的接入时隙g。

拥有最小接入时隙的中继在目的端回复完CTS之后的一个时段内（限定在1个时隙时间（SLOTTIME）持续时间范围内）拥有最高的接入优先级。每个备选中继节点根据优先级及接入时隙自行决定接入信道，形成了分布式接入规则。

由于先前已经对备选中继选取范围及数量进行了优化，且超过预定时隙时间最优可选择3倍SIFS(短帧间隔)时间范围内（根据实验，选取该时间范围能顺利完成中继选取进程,且不至于过多的增加延迟）的RI消息将不予处理，因此，能大大减少反馈消息的数量。

中继节点重传阶段：

如图7，中继重传流程描述如下：

步骤701.待源节点和目的节点完成服务信道上的传输回到控制信道上时，一个DIFS以后，先判断这段时间控制信道上是否空闲。

步骤702（a）.该场景如图8，若源节点和目的节点工作于服务信道上时，控制信道上一直空闲，中继节点一旦侦听到是空闲的，则不需要发送RDATA包，然后进入到下一次预约。

步骤702（b）.若源节点和目的节点工作于服务信道上时，控制信道上有信息传输，则根据该过程是否有主中继参与来确定启用主中继重传，还是备份中继重传。

步骤702（ba）.主中继重传RDATA包。

步骤702（bb）.备份中继重传RDATA包，如图9。

步骤703.中继节点以固定退避窗口为1的抢占信道来重传包含丢失信息的RDATA包，判断是否在最大重传尝试次数之内，如图10。

关于RDATA包需要说明的就是中继节点能选择性的转发，在源节点和目的节点工作在服务信道上，这段时间控制信道上不成功的握手和其他节点的RDATA包也不需要转发。

步骤704.判断是否超过最大重传次数。

步骤704（a）.如果RDATA包已经重传尝试3次失败，则丢弃RDATA包。

步骤704（b）.还未到3次重传尝试，则发送RDATA包。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种车载自组织网络中基于异步多信道的协作MAC协议实现方法，其特征在于：允许在控制信道上传输广播帧的同时，在不同的服务信道上进行同时传输，并且通过协作节点的帮助，来协调和选择可用的服务信道，并协作节点重播源节点和目的节点工作于服务信道时丢失的控制信道上的广播包；具体步骤包括：

步骤一：CTS之后的一个时隙内完成各候选中继节点的分布式接入RI消息，超过规定时间将不再接收来自任何节点的RI消息，最先和随后接入信道的协作节点分别作为主中继节点和备份中继节点；

步骤二：中继节点根据RTS和CTS里面控制帧中的可用信道，来肯定或者否定该信道是否被占用；

步骤三：如果握手成功且服务信道被肯定选取成功，源节点和目的节点切换到相应的服务信道上传输消息，中继节点仍然保持在控制信道上的侦听；步骤四：根据RTS里面的占用服务信道的时间，中继节点带这个时间计时器为0时，源节点和目的节点也回到控制信道上了，中继节点将在一个DIFS后重传刚刚源节点和目的节点工作在服务信道上丢失的控制信道上的广播帧，即紧急消息或者其他节点预约服务信道的控制帧。

2.根据权利要求1所述的车载自组织网络中基于异步多信道的协作MAC协议实现方法，其特征在于：选取中继节点的方式是基于相对距离的，通过接收的RTS和CTS的信号强度来得到候选中继节点与源节点目的节点的相对距离，分别为d₁和d₂；根据这相对距离值d₁d₂来调用公式得到中继分布式接入的时隙g。

3.根据权利要求1所述的车载自组织网络中基于异步多信道的协作MAC协议实现方法，其特征在于：最优中继节点i选出后将第一个接入信道，该中继为主中继节点；其他满足条件的节点能成为备选中继节点；从余下的备选中继信息中，重新选出一个次优的中继节点i*，作为备份中继节点。

4.根据权利要求1所述的车载自组织网络中基于异步多信道的协作MAC协议实现方法，其特征在于：中继协作节点的信道协调机制具体为：通过中继节点的RI包来肯定或者否定该次握手选取的服务信道是否可用，同时中继节点对于目的节点在其他服务信道上而不能完成此次通信的握手予以否定。

5.根据权利要求1所述的车载自组织网络中基于异步多信道的协作MAC协议实现方法，其特征在于：中继协作节点的重传机制为：中继节点选出后，在源节点和目的节点切换到服务信道上后，中继节点继续保持控制信道上的侦听，待源节点和目的节点回到控制信道上时，中继节点发送RDATA包，里面包含源节点丢失的紧急消息或者其他节点握手成功的服务信道占用消息。

6.根据权利要求1所述的车载自组织网络中基于异步多信道的协作MAC协议实现方法，其特征在于：有一个主中继和备份中继，当主中继节点在源节点和目的节点在服务信道上工作时，自身正好也有数据要发送无法完成重传RDATA包时，备份中继侦听到主中继在忙，则采用备份中继重传模式。

7.根据权利要求1所述的车载自组织网络中基于异步多信道的协作MAC协议实现方法，其特征在于：RDATA包在一个DIFS后以为1的固定的退避窗口大小以及设置最大重传次数为3，与其他的广播帧抢占信道。