CN104735159B - 一种基于自适应时隙分配的车载网接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自适应时隙分配的车载网接入方法，以解决车辆用户接入时隙浪费的问题。该方法为：车辆节点的时隙分配过程根据网络的整体状况自适应地调整，在一次接入过程完成后，节点根据接收到的广播数据包计算网络用户数指示变量和时隙指示变量，当网络中用户数较低的时候，车辆节点尝试占有更多的帧时隙，当网络中时隙资源紧缺时，车辆节点调度时隙释放过程释放部分备用时隙供新加入的车辆节点使用。此方法通过自适应时隙分配过程解决了车载网传统TDMA接入方法的时隙浪费问题，降低了节点广播数据的接入时延，通过合理使用节点的备用时隙，车辆自组织网络的性能得到大幅度提高。

Description

一种基于自适应时隙分配的车载网接入方法

技术领域

本发明涉及一种基于自适应时隙分配的车辆自组织网络(简称车载网)接入方法，该方法用于车辆节点在车载网中的接入，属于通信技术中的媒体接入领域。

背景技术

可靠低时延的广播服务对于车载网的安全应用起着至关重要的作用，网络中的车辆节点通过周期性地广播自身的位置、速度、方向等信息来与一跳范围内的邻居节点进行信息交互。通过这些信息的交互车载网中的一些安全应用比如碰撞避免、碰撞预测和辅助驾驶等才得以实现。

IEEE 802.11p标准和时分复用(TDMA，Time Division Multiple Access)方法是车载网中常用的两种接入方法。以IEEE 802.11p标准作为接入协议的车辆节点通过竞争的方法接入信道，以时分复用为接入方法的车辆节点通过随机竞争的方法获取时隙，在这些时隙上实现数据的无碰撞传输，每个用户固定获取一个时隙。相较于IEEE802.11标准而言，TDMA方法解决了车辆节点可能长时间无法接入信道的问题，每个节点在一个TDMA帧内始终占用一个时隙用于安全信息的广播。

在已有的基于TDMA的车载网接入方法中，车辆节点一般都是一个帧占有一个时隙，这造成了时隙的很大浪费。如果一个车辆节点在当前时隙传输失败，它必须等上一个帧间隔才能开始新一次的数据传输，对于时延要求非常高的车载网安全应用来说，这种等待是不能接受的。虽然已有一些方法针对TDMA中的时隙浪费问题做了改进，比如协作自组织媒体接入协议(CAH-MAC，Cooperative Ad Hoc Media Access Control)，该协议把未分配的时隙应用于点到点的数据可靠传输，源节点的邻居节点利用空闲的时隙协作传输源节点传输失败的数据包，该方法有效地提高了车载网的吞吐量，但是它是针对点到点应用的，而对于广播服务来说，广播数据包传输的成功与否源节点并不能获知。

上述TDMA接入方法的第二个缺点是数据业务的接入时延比较高，对于周期性状态信息广播而言，接入时延的最佳值是TDMA的帧间隔，远远不能满足车载网实时通信的需求，而且如果当前帧间隔内节点所占有的时隙用于周期性状态信息的广播，当车辆抛锚、紧急刹车等突发事件发生时，节点只能于下一个帧间隔通知周围邻居节点紧急状况的发生。

因此，很有必要提出一种新的接入方法来实现车辆自组织网络低延时、高可靠的广播服务。

发明内容

技术问题：本发明提供一种解决传统TDMA方法时隙浪费的问题，充分地利用网络的时隙资源，降低接入时延的基于自适应时隙分配的车载网接入方法。

技术方案：首先给出下面几个定义：

单跳节点集(OHS，One-Hop Set)：车载网中相互之间均能进行无线通信的车辆节点组成的集合。

两跳节点集(THS，Two-Hop Set)：最多通过两跳能够进行无线通信的车辆节点组成的集合。一个车辆节点可以属于两个不同的两跳节点集。

主时隙与主时隙号：一个帧间隔内车辆节点占有的时隙中时隙号最小的时隙是该节点的主时隙，这个时隙号称为该节点的主时隙号。主时隙用于时隙分配过程的车辆节点间的信息交互以及节点位置、速度、方向等安全信息的广播。车辆节点邻居节点的节点号和其占用的时隙信息存放于主时隙广播数据包的包头。在每一个帧间隔内，车辆节点在主时隙广播其最新的本地消息。

备用时隙与备用时隙号：一个帧间隔内车辆节点除主时隙外占有的时隙称为该节点的备用时隙，这些时隙的序号称为该节点的备用时隙号。备用时隙可以用于车辆节点间的协作数据传输、主时隙的广播重传或者突发事件的紧急广播。

标记时隙：车辆节点在接入过程中随机选择的一个帧时隙，如果接入过程成功，该时隙将被该车辆节点占有。

用户数指示变量I_U：车辆节点在其MAC层维护的变量，用于指示一个帧间隔内该节点接收到的广播用户数。该变量在每一个帧时隙均进行更新。

时隙数指示变量I_S：车辆节点在其MAC层维护的变量，用于指示当前时间点被车辆节点占用的总时隙数。该变量在每一个帧时隙通过解析收到的广播数据包包头进行更新。

本发明的基于自适应时隙分配的车载网接入方法中，车辆节点的时隙分配过程根据网络的整体状况自适应地调整，当网络中用户数较低的时候，车辆节点尝试占有更多的帧时隙，当网络中时隙资源紧缺时，车辆节点调度时隙释放过程释放部分备用时隙供新加入的车辆节点使用。

本发明的基于自适应时隙分配的车载网接入方法，包括以下步骤：

步骤1)车辆节点首先判断接入指示变量C是否为1，如果为1，则直接进入步骤2)，否则，车辆节点判断当前帧时隙是否为标记时隙：

如果为标记时隙，则将接入指示变量C设为1，然后该车辆节点通过以标记时隙为首尾时间点的一个帧间隔内收到的所有邻居节点的时隙信息判定上次接入过程的成功与否，如果成功，则更新本节点占有的主时隙和备用时隙信息；

如果当前时隙不是标记时隙，则结束本时隙的接入；

步骤2)进入时隙接入释放过程的车辆节点在当前帧时隙更新本地存储的车辆节点所处的两跳节点集节点数I_U和时隙数指示变量I_S，如果所有时隙已经被完全分配，即更新后的时隙数指示变量I_S等于一个帧间隔的总时隙数，则结束本时隙的的接入；否则，进入步骤3)；

步骤3)如果该车辆节点不是第一次尝试接入信道，即该车辆节点已占有时隙，则进入步骤4)；反之，如果该车辆节点为第一次尝试接入信道，即该车辆节点没有占有任何时隙，则随机选择一个未分配的时隙进行接入，更新标记时隙的值，同时将接入指示变量C设为0后结束本时隙的的接入；

步骤4)如果该车辆节点的时隙数指示变量I_S小于或等于网络的最小期望占有时隙数，则该车辆节点根据接收到的广播数据包随机选择一个未分配的时隙进行接入，更新标记时隙的值，同时将接入指示变量C设为0后结束本时隙的接入；否则进入步骤5)；所述最小期望时隙数是指单用户平均期望时隙数a与该车辆节点所处的两跳节点集节点数I_U的乘积；

步骤5)如果该车辆节点时隙数指示变量I_S大于网络的最大期望占有时隙数，则节点结束本时隙的接入，进入时隙释放过程，否则节点无需执行时隙释放过程，直接结束本时隙的接入，所述最大期望时隙数是指网络最大时隙占有因子b与帧时隙总数N的乘积。

本发明的优选方案中，步骤1)中，车辆节点判定上次接入过程成功与否的具体方法为：如果该车辆节点在一个帧间隔内接收到的所有邻居节点时隙信息的广播数据包中均认为该时隙属于本节点，则判定接入过程成功，否则判定接入失败。

本发明的优选方案中，所述步骤4)中的单用户平均期望时隙数a取值为2或者3。

本发明的优选方案中，所述步骤5)中时隙释放过程按如下步骤实施：

(1)进入时隙释放过程的车辆节点首先判断当前占有的时隙数是否为1，如果不为1，则该节点随机选择一个备用时隙R进行释放，否则结束时隙释放过程；

(2)车辆节点重新构造广播数据包的包头，将备用时隙R从本节点占有的时隙信息中删除，得到更新的本地时隙信息；

(3)该车辆节点在主时隙进行广播，通过邻居节点的中继传输将所述更新的本地时隙信息推送到所有的两跳节点，释放过程结束。

本发明的优选方案中，步骤5)中最大时隙占有因子b的取值在[0.5,0.8]之间。

上述步骤4)中单用户平均期望时隙数a的取值一般为2或者3。a的取值过大会造成网络用户容量降低，因为帧时隙总数N一定，如果单用户拟占有的时隙数过大，网络所能容纳的用户数必然降低；a的取值太小，会造成大量时隙的浪费，降低网络的性能。

上述步骤5)中最大时隙占有因子b的取值在[0.5,0.8]之间。b的取值过大会阻碍新的车辆用户接入网络；b的取值太小，会造成时隙释放过程的频繁发生，降低网络的稳定性。

本发明方法中，车辆节点的时隙分配过程根据网络的整体状况自适应地调整。当网络中用户数较低的时候，车辆节点尝试占有更多的帧时隙；当网络中时隙资源紧缺时，车辆节点调度时隙释放过程释放部分备用时隙供新加入的车辆节点使用。网络中所有车辆节点至少占有一个时隙用于时隙分配过程的信息交互。网络中所有节点均在自身的主时隙广播自身的时隙信息。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

首先，网络中有限的时隙资源得到了充分利用。其次，通过合理有效地使用节点的备用时隙网络的性能得到了很大的提升，比如：

a)将备用时隙用于节点间的协作数据传输，提高了网络的吞吐量，对于点到点通信而言，如果当前节点传输数据失败了，它的邻居节点可以使用备用时隙将传输失败的数据包再一次传输出去，从而提高了数据包成功传输的概率，因此提高了网络的吞吐量。

b)将备用时隙用于主时隙的广播重传，加强了广播数据传输的有效性，单时隙无线数据广播传输失败的概率较高，通过备用时隙的广播重传，成功传输的概率得到提高。

c)将备用时隙用于突发事件的紧急广播，提高了车辆节点应对突发事件的机动性。传统的单时隙TDMA接入方法，如果当前帧间隔内的时隙用于状态信息的广播，那么如果发生紧急事件，该事件只能在下一个帧间隔进行广播，时延较大；利用备用时隙来实现突发事件的紧急广播，很好地解决了该问题并降低了接入时延。

最后，由于主时隙的时隙号在每轮时隙竞争的过程中不断调整，降低了车辆节点主时隙周期性广播的接入时延。

附图说明

图1是车辆自组织网络示意图

图2是车辆节点时隙分配实例图

图3是车辆节点时隙分配流程图

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明提出的基于自适应时隙分配的车载网接入方法的具体实施进行详细说明。

以附图1所示为例，一个车辆自组织网络由节点A1、B1、B2、C1、D1、E1、F1组成。其中，各节点组成的单跳节点集或者两跳节点集如表1所示。值得注意的是，车辆节点不一定只存在于一个THS内，THS1中B1和B2节点也包含于THS2，THS2中的C1、D1、E1节点亦属于THS3，C1节点被三个两跳节点集合共有。

表1.节点集实例

节点集标示	车辆成员节点
		OHS1	A1、B1、B2
OHS2	B1、B2、C1
		OHS3	C1、D1、E1
OHS4	E1、F1
		THS1	A1、B1、B2、C1
THS2	B1、B2、C1、D1、E1
		THS3	C1、D1、E1、F1

图1中7个车辆节点的一次时隙分配实例如图2所示，每个矩形框代表一个帧时隙，框中字符表示占有该时隙的车辆节点号，带下划线的矩形框表示该时隙是节点的主时隙。以C1节点为例，通过邻居节点B1、B2的主时隙广播，B1、B2的时隙信息以及B1、B2的邻居节点A1的时隙信息对C1可见，通过邻居节点D1、E1的广播，D1、E1节点以及C1两跳节点F1的时隙信息对其也可见。由图2的第三行C1的本地网络节点时隙记录可以看到网络所有节点的时隙信息，其中值得注意的是：A1和D1、B1和F1分别共用时隙1和时隙2，时隙7既是A1的备用时隙也是E1的主时隙，时隙10是节点B2和F1的备用时隙。这种共用时隙的方式在本方法中是可行的，以A1、D1共用时隙1为例，D1不在A1所处的所有两跳节点集(THS1)内，所以A1、D1在时隙1的同时数据传输不会带来任何隐终端问题和干扰，同理C1节点不能与网络中的其他任何节点共用一个时隙，因为它被网络中的所有两跳节点集共有。

车辆节点自适应时隙分配的具体实现流程如附图3所示，下面以车辆节点C1占用时隙9的过程为例对本方法进行详细说明，其它车辆节点的时隙占用过程与本实施例类似。本实例中单用户平均期望时隙数a取值为2，最大时隙占有因子b的取值为0.8，帧时隙长度为20。

1)首先车辆节点C1随机选择一个时隙进行接入，在本实施例中节点C1尝试接入时隙9，然后车辆节点C1把标记时隙和时隙接入指示变量C分别设为9和0，并在时隙9上广播自身的状态信息；

在尝试接入后的每一个时隙结点C1均判断当前时隙是否是标记时隙，如果为标记时隙，则将接入指示变量C设为1，然后该车辆节点通过以标记时隙为首尾时间点的一个帧间隔内收到的所有邻居节点的时隙信息判定上次接入过程的成功与否，如果成功，则更新本节点占有的主时隙和备用时隙信息。如果当前时隙不是标记时隙，则结束本时隙的接入。

本实施例中车辆节点C1在一个帧间隔内接收到的所有邻居节点时隙信息的广播数据包中均认为时隙9属于本节点，因此接入成功，同时车辆节点更新本地包头将时隙9设为主时隙。

2)车辆节点C1更新本地存储的车辆节点所处的两跳节点集节点数I_U和时隙数指示变量I_S，如果更新后的时隙数指示变量I_S等于一个帧间隔的总时隙数，则结束本时隙的的接入；否则，进入步骤3)。本实施例中时隙数指示变量I_S为7小于一个帧间隔的总时隙数20，进入步骤3)。

3)车辆节点C1判断本地节点是否已占有时隙，如果已占有就进入步骤4，否则结束本时隙接入。在本实施例中，车辆节点C1已占有时隙9，进入步骤4)

4)如果车辆节点C1的时隙数指示变量I_S大于网络的最小期望占有时隙数，则进入步骤5)，但本实施例中C1两跳节点集节点数I_U和时隙数指示变量I_S均为7，即时隙数指示变量I_S小于网络的最小期望占有时隙数14，所以车辆节点C1根据接收到的广播数据包继续选择一个未分配的时隙进行接入，本实施例中车辆节点C1选择时隙5进行接入，同时把标记时隙和时隙接入指示变量C分别设为5和0，并在时隙5上广播自身的状态信息和时隙信息。车辆节点C1接入时隙9过程结束，开始新一轮的时隙接入过程。

5)如果车辆节点C1的时隙数指示变量I_S大于网络的最大期望占有时隙数，则节点结束本时隙的接入，进入时隙释放过程，否则节点无需执行时隙释放过程，直接结束本时隙的接入。本实施例中由于车辆节点C1的时隙数指示变量I_S小于网络的最小期望占有时隙数，节点C1在步骤4)立即选择新的时隙接入，开始新一轮的时隙接入过程。

上述实施系统和方法可以应用于任何采用时间同步和数据传输方法的车载网接入过程。上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于自适应时隙分配的车载网接入方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1）车辆节点首先判断接入指示变量C是否为1，如果为1，则直接进入步骤2），否则，车辆节点判断当前帧时隙是否为标记时隙，所述标记时隙的定义为：车辆节点在接入过程中随机选择的一个帧时隙，如果接入过程成功，该时隙将被该车辆节点占有：

如果为标记时隙，则将接入指示变量C设为1，然后该车辆节点通过以标记时隙为首尾时间点的一个帧间隔内收到的所有邻居节点的时隙信息判定上次接入过程的成功与否，如果成功，则更新本节点占有的主时隙和备用时隙信息，所述主时隙定义为：一个帧间隔内车辆节点占有的时隙中时隙号最小的时隙是该节点的主时隙，所述备用时隙定义为：一个帧间隔内车辆节点除主时隙外占有的时隙称为该节点的备用时隙；

如果当前时隙不是标记时隙，则结束本时隙的接入；

步骤2）进入时隙接入释放过程的车辆节点在当前帧时隙更新本地存储的车辆节点所处的两跳节点集节点数I_U和时隙数指示变量I_S，如果所有时隙已经被完全分配，即更新后的时隙数指示变量I_S等于一个帧间隔的总时隙数，则结束本时隙的接入；否则，进入步骤3）；

步骤3）如果该车辆节点不是第一次尝试接入信道，即该车辆节点已占有时隙，则进入步骤4）；反之，如果该车辆节点为第一次尝试接入信道，即该车辆节点没有占有任何时隙，则随机选择一个未分配的时隙进行接入，更新标记时隙的值，同时将接入指示变量C设为0后结束本时隙的接入；

步骤4）如果该车辆节点的时隙数指示变量I_S小于或等于网络的最小期望占有时隙数，则该车辆节点根据接收到的广播数据包随机选择一个未分配的时隙进行接入，更新标记时隙的值，同时将接入指示变量C设为0后结束本时隙的接入；否则进入步骤5）；所述最小期望时隙数是指单用户平均期望时隙数a与该车辆节点所处的两跳节点集节点数I_U的乘积；

步骤5）如果该车辆节点时隙数指示变量I_S大于网络的最大期望占有时隙数，则节点结束本时隙的接入，进入时隙释放过程，否则无需执行时隙释放过程，直接结束本时隙的接入，所述最大期望时隙数是指网络最大时隙占有因子b与帧时隙总数N的乘积。

2.如权利要求1所述的一种基于自适应时隙分配的车载网接入方法，其特征在于，所述步骤1）中，车辆节点判定上次接入过程成功与否的具体方法为：如果该车辆节点在一个帧间隔内接收到的所有邻居节点时隙信息的广播数据包中均认为该时隙属于本节点，则判定接入过程成功，否则判定接入失败。

3.如权利要求1所述的一种基于自适应时隙分配的车载网接入方法，其特征在于，所述步骤4）中的单用户平均期望时隙数a取值为2或者3。

4.如权利要求1所述的一种基于自适应时隙分配的车载网接入方法，其特征在于，所述步骤5）中时隙释放过程按如下步骤实施：

（1）进入时隙释放过程的车辆节点首先判断当前占有的时隙数是否为1，如果不为1，则该节点随机选择一个备用时隙R进行释放，否则结束时隙释放过程；

（2）车辆节点重新构造广播数据包的包头，将备用时隙R从本节点占有的时隙信息中删除，得到更新的本地时隙信息；

（3）该车辆节点在主时隙进行广播，通过邻居节点的中继传输将所述更新的本地时隙信息推送到所有的两跳节点，释放过程结束。

5.如权利要求1所述的一种基于自适应时隙分配的车载网接入方法，其特征在于，所述步骤5）中最大时隙占有因子b的取值在[0.5,0.8]之间。