CN104754746A - 车载自组织网络中基于簇的多信道协作mac协议实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车载自组织网络中基于簇的多信道协作MAC协议实现方法，包括以下步骤：通过簇内时分复用机制来传输安全消息；簇头给每个簇成员预留一个时隙，簇成员在预留的时隙里面发送安全消息；当簇成员和簇头间出现链路条件较差导致消息无法送达时，启用协作机制；协作节点在未被预留的空闲时隙重传安全消息；当簇成员有非安全消息发送时，簇头根据MAC地址检查目的节点所在簇来选择传输该非安全消息的信道；同簇节点则用收发机2在服务信道上传输，非同簇节点则用收发机1在控制信道上传输。该方法充分利用了网络资源，在空闲时隙进行协作，不因协作节点的重传带来过多的网络时延；在保证Qos的基础上，提高了吞吐量和可靠性。

Description

车载自组织网络中基于簇的多信道协作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簇的多信道协作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。

移动网络中，节点无规律运动，网络拓扑实时变化。要求网络在无法节点密度较大时，安全、控制信息实时可靠的传输。

基于簇的网络结构具有良好的分工机制，簇环境下进行消息的传递，能够产生有效的消息传输机制。簇头能够维护相关的路由信息和网络拓扑信息，能够较大化簇的稳定性，降低由于拓扑变化带来的影响，减少了网络负载，便于对整个网络的管理，适用于大规模网络。

同时协作技术也被许多国内外的文献被证明能降低传输失败率，提高传输的稳定性，增强传输抗干扰能力，提高信息可靠性。于是在簇机制下将协作技术引入则能结合两者的优势，提高网络的可靠性，缓解网络负载较重时控制信道拥塞问题。

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簇的多信道协作MAC协议实现方法，该方法适用于高实时性、高有效性、高可靠性的VANET网络，采用本方法能有效利用信道，解决可靠性不高和信道拥塞的问题，提高了网络性能。

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簇的多信道协作MAC协议实现方法，在基于时分复用的簇机制中加入协作机制来提高系统的可靠性和防止控制信道的拥塞，具体包括：

1)通过簇内时分复用机制来传输安全消息；簇头给每个簇成员预留一个时隙，簇成员在预留的时隙里面发送安全消息；

2)当簇成员和簇头间出现链路条件较差导致消息无法送达时，启用协作机制；协作节点在未被预留的空闲时隙重传安全消息；

3)非安全消息的多信道方案；当簇成员有非安全消息发送时，簇头根据MAC地址检查目的节点所在簇来选择传输该非安全消息的信道；同簇节点则用收发机2在服务信道上传输，非同簇节点则用收发机1在控制信道上传输。

进一步，在本方法中，服务信道上采用混合时分复用和竞争机制，由簇头选择该簇的服务信道，而且这个簇内的每个节点都可以管理这个服务信道。

进一步，簇头的选择过程如下：车速可以近似看作为正态分布，概率密度函数为：

$p\left(v\right)=\frac{1}{\mathrm{\σ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{\frac{-{(v-u)}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}$

V为车速，u为期望，σ²为方差，显然越是靠近期望概率越大；邻居节点的车速信息在控制信道上交换，每个节点可以自己算出车辆的速度，节点车速最接近于期望值的被选为簇头。

进一步，在本方法中，簇成员加入簇的过程如下：每个簇头在每个周期T于控制信道上广播簇信息，包括簇的ID，信道使用情况，时隙分配表；当一个节点进入到簇范围内，首先它侦听信道一个T时长，如果它收到簇信息，它会发送加入该簇的信息给簇头，然后簇头会返回一个确认信息，包括在簇内的ID和该节点分配的时隙；如果收到不止一个簇信息，它将会确认哪个簇头的车速与之更接近，然后发送加入信息给该簇头。

进一步，在本方法中，安全消息传输过程如下：当簇成员检测到有紧急情况，它等待自己的时隙的到来，于自己时隙传输安全消息给簇头，收到该消息，簇头将发送确认消息ACK给该簇成员，簇头将所有簇成员发送的紧急消息整合后，然后在收发机2上广播该消息给簇内所有成员；与此同时，簇头在收发机1上传输该消息给邻居簇头和孤立节点，然后邻居簇头再用收发机2发给自己的簇成员；如果簇成员没有安全消息发送，它仍会在自己的时隙传输一个OK消息给簇头，以示它的存在。

进一步，在未预留的空闲时隙完成节点协作包括：当簇成员没有收到簇头的确认消息ACK，这个簇成员周围的邻居节点将会有一个节点被选作协作节点，帮助它向簇头传输消息；协作机制起动的条件如下：(1)簇成员消息传输失败，没有收到簇头发送的确认信息ACK；(2)协作节点能侦听到簇成员向簇头传输的包；(3)存在空闲的可用时隙。

进一步，在本方法中，选择协作节点过程如下：收到包含协作请求信息的包时，簇成员测量和记录它们的信噪比(SNR)，然后簇成员选择具有最大SNR的节点作为协作节点，然后包含协作确认的C-ACK消息包头将会发送；这个C-ACK消息包含：选出协作节点的ID，重传的时隙。

进一步，协作节点对传输失败安全消息的重传，在C-ACK消息中可用的空闲时隙中，对簇成员向簇头传输失败的安全消息进行重传。

进一步，非安全消息的传输过程如下：非安全消息传输发生在一个周期T内的Tn阶段，簇内每个节点保持一张该簇节点列表；当一个节点有非安全消息传送，它首先检查目的节点的MAC地址，当目的节点为同簇节点，则用收发机2在选定的服务信道的Tn阶段发送；如果目的节点不是同一个簇内的节点，则用收发机1在控制信道上的Tn阶段随机选择时隙发送发送，目的节点所在簇的簇头收到以后，再由簇头发送给目的节点。

本发明的有益效果在于：本发明所述的方法充分利用了网络资源，在空闲时隙进行协作，不因协作节点的重传带来过多的网络时延；在保证Qos的基础上，提高了吞吐量和可靠性，从而提高了网络性能。

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为本发明簇内节点状态转移图；

图2为本发明簇头选择过程流程图；

图3为本发明簇成员加入过程流程图；

图4为本发明节点暂时与簇头失去联系的流程图；

图5为本发明基于簇的多信道协议的时分机制示意图；

图6为本发明安全消息传输流程图；

图7为本发明协作机制流程图；

图8为本发明请求协作C-ACK包结构图；

图9为本发明在空闲时隙协作示意图；

图10为本发明非安全消息传输流程图；

图11为本发明所述方法的流程示意图。

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。

图11为本发明所述方法的流程示意图，本发明提出的一种VANET环境下基于簇的多信道协作MAC协议。具体包括如下：

网络中节点的状态：本发明考虑到在VANET中，节点根据运动方向和速度，动态的形成多个簇。如图1，节点在网络中可以分为四种状态：

(1)簇头：被选出来管理整个簇的节点

(2)簇成员：属于这个簇的节点

(3)孤立节点：不属于任何簇的节点

(4)临时离开成员节点：一次没有收到簇头发出包的节点

图2为本发明簇头选择过程流程图：

步骤201、每个节点获取自己的车速。

步骤202、节点将自己的车速记录在包信息中，在控制信道上与邻居节点交换。

步骤203、车速可以近似看作为正态分布，概率密度函数为：

$p\left(v\right)=\frac{1}{\mathrm{\σ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{\frac{-{(v-u)}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}$

V为车速，u为期望，σ²为方差，显然越是靠近期望概率越大。节点判断自己的车速是否与车速期望接近。

步骤204(a)、最接近车速期望的节点被选为簇头。簇头是负责建立和管理这个簇。每个簇内，由簇头从六个SCH中选择出一个SCH来进行簇内通信，而且这个簇内的每个节点都可以管理这个服务信道。

步骤205(b)、每个簇中，有一个节点被选为簇头，其他节点均为簇成员。

图3为簇成员加入的流程图，如图所示：

步骤301、每个簇头在每个周期T于控制信道上广播簇信息，包括簇的ID，信道使用情况，时隙分配表。

步骤302、一个节点进入到簇范围内，首先它侦听信道一个T时长。

步骤303、判断是否收到簇头的广播消息。

步骤304(a)、如果它收到簇头发送的簇信息，它会发送加入该簇的信息给簇头。

步骤305、后簇头会返回一个确认信息，包括在簇内的ID和该节点分配的时隙。

步骤304(b)、如果它不能收到簇头发送的簇信息，则为孤立节点。

如图4，为本发明簇成员与簇失去联系的过程示意图：

步骤401、预先分配一帧中某个时隙给该簇成员。

步骤402、当该时隙到来时，若有安全消息发送也进入步骤403(a)发送该安全消息给簇头，若没有安全消息发送，如步骤403(b)，也要发送一个OK消息给簇头，表示该簇成员的存在。

步骤404、无论是安全消息还是OK确认消息，在此帧中，簇成员的时隙里没有收到任何信息的话，则为步骤405(b)该簇头视该簇成员如临时离开成员。如果簇头没有连续的收到该簇成员N+1帧，簇头将删除该成员。

本发明中信道时间由GPS提供时间同步，而且被分割为连续的由Ts和Tn组成的周期T，如图5所示。系统中每个节点都配备两台收发机，收发机1可以转到控制信道，收发机2可以转到一个服务信道。

在选定服务信道的Ts阶段，时间划分为一个个的帧。每个帧由F个时隙组成，这个簇中每个节点都能分配到一个时隙接入该信道。在Tn时间段，是采用CSMA/CA的竞争方式进行簇内飞安全消息的发送。所以，控制信道用来簇间通信，而且CCH上采用的也是基于时分TDMA的接入方式，非安全消息节点随机的选择时隙在控制信道上接入信道。

如图6，为安全消息传输的流程图：

步骤601、当簇成员检测到有紧急情况，它将在自己的预先分配的时隙内传输一个安全消息给簇头。

步骤602、安全消息是否顺利从簇成员传输到簇成员。

步骤603(a)、收到该消息，簇头将发送确认消息ACK给该簇成员。

步骤603(b)、若由于链路条件差或信道衰落等原因，导致簇成员向簇头传输安全消息失败，则启用协作过程，由邻居节点重传该安全消息。

步骤604、簇头将所有簇成员发送的紧急消息整合后，然后在收发机2上广播该消息给簇内所有成员。与此同时，簇头在收发机1上传输该消息给邻居簇头和孤立节点。

步骤605、然后邻居簇头再用收发机2发给自己的簇成员。

如图7，为详细的协作流程图：

步骤701，702，703是协作机制开启的三个条件：

(1)簇成员消息传输失败，没有收到簇头发送的确认信息ACK。

(2)协作节点能侦听到簇成员向簇头传输的包。

(3)存在空闲的可用时隙。由于节点的移动导致预留时隙的节点不在该簇范围内，造成时隙的空闲，或者节点数小于可分配时隙书造成时隙多余等。

步骤704、当上面三个条件满足时，协作节点H将在空闲的时隙h，转发簇成员向簇头发送的安全消息。当簇成员传输包给簇头时，邻居簇成员能侦听到传输包的节点为潜在协作节点，当潜在协作节点没有听到簇头发送的确认消息ACK时，它会发送一个请求消息表示它愿意完成协作。这个请求消息包括这些信息：协作请求，用来重传的空闲时隙，传输失败的包。帧结构如图8所示。

步骤705、收到包含协作请求信息的包时，簇成员测量和记录它们的信噪比(SNR)，然后簇成员选择具有最大SNR的节点作为协作节点。然后包含协作确认的C-ACK消息包头将会发送。这个C-ACK消息包含：选出协作节点的ID，重传的时隙。

步骤706、然后根据C-ACK消息，被选出的协作节点在特定的空闲时隙重传失败的安全消息，其他潜在协作节点为了防止碰撞处于传输冻结状态。在空闲时隙内的协作示意图如图9所示。

非安全消息的传输流程如图10：

步骤1001、非安全消息传输发生在Tn，簇内每个节点保持一张该簇节点列表。当一个节点有非安全消息传送进入判断。

步骤1002、它首先检查目的节点的MAC地址，判断是否为同簇节点。

步骤1003(a)、当目的节点为同簇节点，则用收发机2在选定的服务信道的Tn阶段发送。

步骤1003(b)、如果目的节点不是同一个簇内的节点，则用收发机1在控制信道上的Tn阶段随机选择时隙发送。

步骤1004、目的节点所在簇的簇头收到以后，再由簇头发送给目的节点。

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 (9)

1.一种车载自组织网络中基于簇的多信道协作MAC协议实现方法，其特征在于：在基于时分复用的簇机制中加入协作机制来提高系统的可靠性和防止控制信道的拥塞，具体包括：

1)通过簇内时分复用机制来传输安全消息；簇头给每个簇成员预留一个时隙，簇成员在预留的时隙里面发送安全消息；

2)当簇成员和簇头间出现链路条件较差导致消息无法送达时，启用协作机制；协作节点在未被预留的空闲时隙重传安全消息；

3)非安全消息的多信道方案；当簇成员有非安全消息发送时，簇头根据MAC地址检查目的节点所在簇来选择传输该非安全消息的信道；同簇节点则用收发机2在服务信道上传输，非同簇节点则用收发机1在控制信道上传输。

2.根据权利要求1所述的一种车载自组织网络中基于簇的多信道协作MAC协议实现方法，其特征在于：在本方法中，服务信道上采用混合时分复用和竞争机制，由簇头选择该簇的服务信道，而且这个簇内的每个节点都可以管理这个服务信道。

3.根据权利要求1所述的一种车载自组织网络中基于簇的多信道协作MAC协议实现方法，其特征在于：簇头的选择过程如下：车速可以近似看作为正态分布，概率密度函数为：

$p\left(v\right)=\frac{1}{\mathrm{\σ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{\frac{-{(v-u)}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}$

V为车速，u为期望，σ²为方差，显然越是靠近期望概率越大；邻居节点的车速信息在控制信道上交换，每个节点可以自己算出车辆的速度，节点车速最接近于期望值的被选为簇头。

4.根据权利要求1所述的一种车载自组织网络中基于簇的多信道协作MAC协议实现方法，其特征在于：在本方法中，簇成员加入簇的过程如下：每个簇头在每个周期T于控制信道上广播簇信息，包括簇的ID，信道使用情况，时隙分配表；当一个节点进入到簇范围内，首先它侦听信道一个T时长，如果它收到簇信息，它会发送加入该簇的信息给簇头，然后簇头会返回一个确认信息，包括在簇内的ID和该节点分配的时隙；如果收到不止一个簇信息，它将会确认哪个簇头的车速与之更接近，然后发送加入信息给该簇头。

5.根据权利要求1所述的一种车载自组织网络中基于簇的多信道协作MAC协议实现方法，其特征在于：在本方法中，安全消息传输过程如下：当簇成员检测到有紧急情况，它等待自己的时隙的到来，于自己时隙传输安全消息给簇头，收到该消息，簇头将发送确认消息ACK给该簇成员，簇头将所有簇成员发送的紧急消息整合后，然后在收发机2上广播该消息给簇内所有成员；与此同时，簇头在收发机1上传输该消息给邻居簇头和孤立节点，然后邻居簇头再用收发机2发给自己的簇成员；如果簇成员没有安全消息发送，它仍会在自己的时隙传输一个OK消息给簇头，以示它的存在。

6.根据权利要求1所述的一种车载自组织网络中基于簇的多信道协作MAC协议实现方法，其特征在于：在未预留的空闲时隙完成节点协作包括：当簇成员没有收到簇头的确认消息ACK，这个簇成员周围的邻居节点将会有一个节点被选作协作节点，帮助它向簇头传输消息；协作机制起动的条件如下：(1)簇成员消息传输失败，没有收到簇头发送的确认信息ACK；(2)协作节点能侦听到簇成员向簇头传输的包；(3)存在空闲的可用时隙。

7.根据权利要求1所述的一种车载自组织网络中基于簇的多信道协作MAC协议实现方法，其特征在于：在本方法中，选择协作节点过程如下：收到包含协作请求信息的包时，簇成员测量和记录它们的信噪比，然后簇成员选择具有最大SNR的节点作为协作节点，然后包含协作确认的C-ACK消息包头将会发送；这个C-ACK消息包含：选出协作节点的ID，重传的时隙。

8.根据权利要求1所述的一种车载自组织网络中基于簇的多信道协作MAC协议实现方法，其特征在于：协作节点对传输失败安全消息的重传，在C-ACK消息中可用的空闲时隙中，对簇成员向簇头传输失败的安全消息进行重传。

9.根据权利要求1所述的一种车载自组织网络中基于簇的多信道协作MAC协议实现方法，其特征在于：非安全消息的传输过程如下：非安全消息传输发生在一个周期T内的Tn阶段，簇内每个节点保持一张该簇节点列表；当一个节点有非安全消息传送，它首先检查目的节点的MAC地址，当目的节点为同簇节点，则用收发机2在选定的服务信道的Tn阶段发送；如果目的节点不是同一个簇内的节点，则用收发机1在控制信道上的Tn阶段随机选择时隙发送发送，目的节点所在簇的簇头收到以后，再由簇头发送给目的节点。