CN104994583B - 车载自组织网络中基于簇机制的多信道mac协议方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于簇机制的多信道MAC协议实现方法。首先，簇头根据簇成员的位置信息给其分配时隙，簇成员在自己的时隙内预约信道，减少同一时间接入信道的节点数。其次，由于节点的快速移动会引起邻居节点间产生碰撞，导致数据丢失，因此簇头在为簇成员分配信道时考虑簇成员邻居节点的信道占用情况。最后，簇头为簇成员分配服务信道并周期性的广播信道占用列表，簇成员在分配的信道上传输数据。提出的基于簇机制的多信道MAC协议明显减低信道碰撞概率，提高了数据传输的可靠性。

Description

车载自组织网络中基于簇机制的多信道MAC协议方法

技术领域

本发明涉及车载自组织网络领域技术，尤其涉及一种基于簇机制的多信道MAC协议。

背景技术

车载自组织网络作为智能交通系统重要组成部分，能够支持车辆与车辆以及车辆与路边单元之间的无线通信，对提高车载通信安全及效率有重要作用。其中MAC协议是车载自组织网络的主要技术难点，关系到网络性能的优劣。随着车辆数量的增加，车载自组织网络规模越来越大，信道冲突随之增加，单信道MAC协议已无法满足整个网络对性能的要求。相对于单信道，多信道通信可以减少节点在每个信道上的碰撞概率，减少传输时延，因此多信道通信更容易提供较高的端到端QoS保障。

多个节点在不同的信道上同时传输消息，可以避免节点间相互干扰产生的碰撞，也提高系统吞吐量。多信道通信能够提供较高的QoS保证，但是同时也增加了通信协议的复杂性，如何把多个信道资源分配给多个节点，如何处理在不同信道上的节点间的通信等问题都需要解决。

成簇的网络结构具有良好的等级差异和分工机制，利用成簇算法进行消息的传递，则能够产生有效的消息传输机制。成簇的主要目的利用簇头能够维护相关的网络拓扑信息，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。

现有的MAC协议没有考虑到节点的移动会导致节点之间产生碰撞，占用相同服务信道的节点进入彼此通信范围内会产生碰撞导致数据丢失。并且随着节点数目的增加，同时接入控制信道的节点数也随之增加，这会给控制信道带来很大压力，造成阻塞。因此本发明利用基于簇机制的多信道MAC协议来解决以上问题。

发明内容

针对现有技术的不足，提出了一种减低信道碰撞概率、提高了数据传输的可靠性的车载自组织网络中基于簇机制的多信道MAC协议方法，本发明的技术方案如下：一种车载自组织网络中基于簇机制的多信道MAC协议方法，其包括以下步骤：

101、建立车载自组织网络拓扑模型，车载自组织网络模型由单向道路上的车辆组成，把这些车辆划分为若干个簇，每个簇包含一个簇头和若干个簇成员，通过最小ID成簇算法来选择簇头，簇头根据簇成员状态来动态指定和分配服务信道，每个车辆装备一个GPS接收器，用于获取车辆所在的位置，每个车辆使用两部收发台，一部工作在控制信道，用于紧急消息和控制分组的收发；另一部在服务信道之间切换，用于簇内数据包的收发；

102、簇内的每个节点周期性地通过GPS及hello消息获取邻居节点车辆节点的位置、速度和节点类型信息；其中簇头节点和自己簇内的普通节点保持时间上的同步；

103、簇内节点根据获取的簇内其他节点位置、节点类型信息确定节点接入控制信道的时隙；

104、当簇内节点携带紧急消息时，直接在控制信道上广播紧急消息；当簇内节点携带非紧急消息时，则在自己的时隙内预约信道；

105、当簇成员有数据发送时，簇内节点向簇头申请接入信道，簇头收到数据后，根据数据的类型安排簇成员接入信道；簇头根据邻居节点占用信道信息及接入信道申请分配信道给簇内节点。

进一步的，步骤103中簇内节点根据获取的簇内其他节点的位置、节点类型信息确定节点接入控制信道的时隙的步骤具体包括：

B1、簇内节点通过GPS获取当前位置、速度和节点类型信息；节点通过周期性的hello消息获取邻居节点的当前位置、速度和节点类型信息；簇成员周期性的发送自己的状态信息给簇头；

B2、簇头根据簇成员地理位置的不同，把簇成员划分到四个区域，分别为：区域一、区域二、区域三和区域四；将控制信道以100ms为周期进行划分，每个周期分为四个时隙，每个时隙对应一个区域，区域一的车辆在簇头运动方向的前方，则划分到第一时隙，区域四的车辆将被划分到第四时隙，区域二和区域三的车辆将分别被划分到第二时隙和第三时隙。

进一步的，步骤104中，节点携带紧急消息时，直接在控制信道上广播紧急消息的步骤包括：簇成员持续监听控制信道，如果节点携带紧急消息，则直接在控制信道上广播紧急消息，簇头收到紧急消息后，簇头在簇范围内广播给簇成员和邻居簇头，其他簇成员不再进行转发，一旦邻居簇头收到紧急消息则再次进行广播和转发，实现紧急消息的远距离传输，由于紧急消息有优先发送权，簇头收到后立即广播。

进一步的，步骤104中所述节点携带非紧急消息时，需要在自己的时隙内预约信道的步骤包括：当簇成员携带非紧急消息时，判断当前时刻是否是自己的接入时隙，如果不是，则需要等到自己的时隙才能给簇头发送信道接入申请；如果信道接入申请被簇头成功的接收，簇头根据信道分配算法分配信道给簇成员，更新控制控制信道使用列表，并且周期性的发送给簇成员，如果簇成员没有数据要发送，或者发送信道接入申请失败后，簇成员将继续发送申请，等待下一次的控制控制信道使用列表。

进一步的，簇头根据邻居节点占用信道信息及接入信道申请分配信道给簇内节点的步骤具体包括：

簇成员发送给簇头的信道接入申请帧包含控制部分、目的节点、占用信道的时间、邻居节点占用的信道情况和帧校验序列；簇成员发送的信道接入申请帧中加入其邻居节点占用信道的情况，使得簇头为簇成员分配与邻居节点不同的信道；簇头根据簇成员的申请，周期性在控制信道上发送的控制控制信道使用列表，控制控制信道使用列表包括四个部分：信道标识、信道状态、使用信道的节点和更新时间，信道标识是指服务信道编号，信道占用情况分为空闲和忙碌两种情况，如果为空闲信道，则簇成员可以预约信道；更新时间为占用信道的节点释放该信道的时间，它根据数据包的长度进行设定，簇成员通过更新时间来竞争信道。

进一步的，簇头收到数据后，根据数据的类型安排簇成员接入信道的步骤具体包括：

C1、簇头在控制信道收到数据包，当为信道接入请求时，首先判断是否是簇成员发送的申请，如果不是则广播原有的控制控制信道使用列表，否则执行步骤C2；

C2、如果是簇内节点发送的信道接入申请，检查目的节点是否处于忙碌状态，如果目的节点处于忙碌状态则仍广播原有的控制控制信道使用列表，否则执行步骤C3；

C3、簇头根据信道接入申请中包含的邻居节点占用信道的情况，为簇成员分配与其邻居节点不同的信道，并且把此次信道分配加入到控制控制信道使用列表中；

C4、更新控制控制信道使用列表，并广播控制控制信道使用列表。

本发明的优点及有益效果如下：

1.簇头收到紧急消息后，簇头在簇范围内广播给簇成员和邻居簇头，其他簇成员不再进行转发，一旦邻居簇头收到紧急消息则再次进行广播和转发，实现紧急消息的远距离传输，避免产生广播风暴。

2.簇头在控制信道上根据地理位置为簇成员分配时隙，可以减少同时接入信道的节点个数，有效地降低碰撞概率。

3.簇头根据簇成员邻居节点占用信道信息为簇成员分配信道，可以避免由于节点的快速移动导致的信道冲突，有效地降低碰撞概率。

附图说明

图1是本发明提供实施例中车载自组织网络拓扑模型；

图2是本发明实施例中信道接入申请帧格式；

图3是本发明实施例中分配相同信道的节点发生碰撞；

图4是本发明实施例中根据地理位置划分区域；

图5是本发明实施例中根据区域分配接入控制信道的时隙；

图6是本发明实施例中数据发送过程的信道使用情况；

图7是本发明实施例中控制控制信道使用列表内容；

图8是本发明实施例中簇头分配信道流程图；

图9是本发明实施例中簇成员申请信道流程图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步说明：

参见图1，图1是本发明实施例提供的车载自组织网络拓扑模型。在本发明实施例中，网络拓扑模型可以包括：

具体描述如下，车载自组织网络模型由单向道路上的多个车辆组成，把这些车辆划分为多个簇，每个簇包含一个簇头和多个簇成员。簇头根据簇成员状态来动态指定和分配服务信道。

每个车辆装备一个GPS接收器，可以精确的知道车辆所在的位置。

每个车辆使用两部收发台，一部工作在控制信道，用于紧急消息和控制分组的收发；另一部在各服务信道之间切换，用于簇内数据包的收发。

步骤A1—簇成员携带紧急消息时，直接在控制信道上广播紧急消息。

具体描述如下，簇头收到紧急消息后，簇头在簇范围内广播给簇成员和邻居簇头，其他簇成员不再进行转发。一旦邻居簇头收到紧急消息则再次进行广播和转发，实现紧急消息的远距离传输。

步骤A2—簇头携带非紧急消息时，簇成员就在在自己时隙内发送信道接入申请帧预约信道。

具体描述如下，当簇成员携带非紧急消息时，需要判断当前时刻是否是自己的接入时隙，如果不是，则需要等到自己的时隙才能给簇头发送信道接入申请。如果信道接入申请被簇头成功的接收，簇头根据信道分配算法分配信道给簇成员，更新控制控制信道使用列表，并且周期性的发送给簇成员。如果簇成员没有数据要发送，或者发送信道接入申请失败后，簇成员将继续发送申请，等待下一次的控制信道使用列表。

参见图2，图2是本发明实施例提供的信道接入申请帧格式。信道接入申请帧包含控制部分、目的节点、占用信道的时间、邻居节点占用的信道情况和帧校验序列。

步骤A3—簇头根据簇成员的位置信息分配时隙。

参见图3，图3本发明实施例提供的分配相同信道的节点发生碰撞示意图。

由于节点的移动性，具有相同时隙的节点可能运动到彼此的通信范围内，发生碰撞，导致数据丢失。A和H占用同一信道发送数据，由于节点A的加速运动或节点H的减速运动，使得节点A运动到A1，节点H运动到H1，A1和H1在各自的通信范围内，同时使用这个信道将会发生碰撞，当检测到发生碰撞时，每个碰撞节点都要释放自己的信道，重新发送数据。

参见图4，图4是本发明实施例提供的根据地理位置划分区域示意图。根据车辆的运动方向，把簇头前后左右四个方向划分为区域一、区域二、区域三和区域四。

参见图5，图5是本发明实施例提供的根据区域分配接入控制信道的时隙示意图。簇头根据簇成员的地理位置信息划分时隙，区域一的车辆在簇头运动方向的前方，则划分到第一时隙，区域四的车辆将被划分到第四时隙，区域二和区域三的车辆将分别被划分到第二时隙和第三时隙。这是为了避免两种可能情况的发生，降低信道碰撞概率。这两种情况分别为：一是由于车辆的运动使得区域一和区域四的车辆同时竞争信道，同一时隙内竞争车辆的数目骤增；二是区域一和区域四的车辆占据同一时隙，由于节点运动两个车辆进入到彼此的通信范围内，导致数据的传输失败。

步骤A4—簇头根据簇成员的邻居节点信道占用情况分配时隙。

参见图6，图6是本发明实施例提供的数据发送过程中信道使用情况。簇头为簇成员分配服务信道后，簇成员在该信道上进行数据传输。簇成员B需要发送数据给A，首先发送信道接入申请给簇头，簇头分配SCH1给B，则A和B就在SCH1上进行数据传输，A在接收到数据后回复ACK确认包。簇成员C和D申请在SCH2进行数据传输。节点E需要发送数据给A，但是通过簇头发送的控制信道使用列表得知，A正在占用信道，因此它发送信道接入申请给簇头，竞争下一次的信道分配。簇成员J要发送数据给E，发送信道接入申请给簇头，簇头检查E要发送数据给A，因此不接收J的信道申请，在下一个控制控制信道使用列表中，将不会分配信道给J。

步骤A5—簇头为簇成员分配服务信道并周期性广播控制控制信道使用列表，簇成员在分配的信道上传输数据。

参见图7，图7是本发明实施例提供的控制控制信道使用列表内容。簇头根据簇成员的申请，周期性在控制信道上发送的控制控制信道使用列表。控制控制信道使用列表包括四个部分：信道标识、信道状态、使用信道的节点和更新时间。信道标识是指服务信道编号，信道占用情况分为空闲和忙碌两种情况，如果为空闲信道，则簇成员可以预约信道。更新时间为占用信道的节点释放该信道的时间，它根据数据包的长度进行设定，簇成员可以通过更新时间来竞争信道。

参见图8，图8本发明实施例提供的簇头分配信道流程图。簇头为簇成员分配信道的具体过程如下：

步骤一：簇头在控制信道收到数据包，首先判断是否是紧急消息，如果是紧急消息立即在控制信道广播，簇成员收到紧急消息后不在进行转发，避免发生广播风暴，而其他簇头收到后再次进行转发。如果是信道接入请求信道接入申请，首先判断是否是簇成员发送的申请，如果不是则广播原有的控制控制信道使用列表，否则执行步骤二；

步骤二：如果是簇内节点发送的信道接入申请，检查目的节点是否处于忙碌状态，如果目的节点处于忙碌状态则仍广播原有的控制控制信道使用列表，否则执行步骤三；

步骤三：簇头根据信道接入申请中包含的邻居节点占用信道的情况，为簇成员分配与其邻居节点不同的信道，并且把此次信道分配加入到控制控制信道使用列表中；

步骤四：更新控制信道使用列表控制控制信道使用列表，并广播控制控制信道使用列表。

参见图9，图9本发明实施例提供的簇成员申请信道流程图。簇成员申请接入信道的具体过程如下：

步骤一：簇成员有数据需要发送，发送信道接入申请给簇头，

步骤二：监听控制信道，接收到簇头发送的控制控制信道使用列表；

步骤三：根据CA帧判断簇头是否分配信道给簇成员，如果没有执行步骤一，否则执行步骤四；

步骤四：簇头已经为簇成员分配信道，发送数据给目的节点。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种车载自组织网络中基于簇机制的多信道MAC协议方法，其特征在于，包括以下步骤：

101、建立车载自组织网络拓扑模型，车载自组织网络模型由单向道路上的车辆组成，把这些车辆划分为若干个簇，每个簇包含一个簇头和若干个簇成员，通过最小ID成簇算法来选择簇头，簇头根据簇成员状态来动态指定和分配服务信道，每个车辆装备一个GPS接收器，用于获取车辆所在的位置，每个车辆使用两部收发台，一部工作在控制信道，用于紧急消息和控制分组的收发；另一部在服务信道之间切换，用于簇内数据包的收发；

102、簇内的每个节点周期性地通过GPS及hello消息获取邻居节点车辆节点的位置、速度和节点类型信息；其中簇头节点和自己簇内的普通节点保持时间上的同步；

103、簇内节点根据获取的簇内其他节点位置、节点类型信息确定节点接入控制信道的时隙；

104、当簇内节点携带紧急消息时，直接在控制信道上广播紧急消息；当簇内节点携带非紧急消息时，则在自己的时隙内预约信道；

105、当簇成员有数据发送时，簇内节点向簇头申请接入信道，簇头收到数据后，根据数据的类型安排簇成员接入信道；簇头根据邻居节点占用信道信息及接入信道申请分配信道给簇内节点。

2.根据权利要求1所述的车载自组织网络中基于簇机制的多信道MAC协议方法，其特征在于，步骤103中簇内节点根据获取的簇内其他节点的位置、节点类型信息确定节点接入控制信道的时隙的步骤具体包括：

B1、簇内节点通过GPS获取当前位置、速度和节点类型信息；节点通过周期性的hello消息获取邻居节点的当前位置、速度和节点类型信息；簇成员周期性的发送自己的状态信息给簇头；

B2、簇头根据簇成员地理位置的不同，把簇成员划分到四个区域，分别为：区域一、区域二、区域三和区域四；将控制信道以100ms为周期进行划分，每个周期分为四个时隙，每个时隙对应一个区域，区域一的车辆在簇头运动方向的前方，则划分到第一时隙，区域四的车辆将被划分到第四时隙，区域二和区域三的车辆将分别被划分到第二时隙和第三时隙。

3.根据权利要求1所述的车载自组织网络中基于簇机制的多信道MAC协议方法，其特征在于，步骤104中，节点携带紧急消息时，直接在控制信道上广播紧急消息的步骤包括：簇成员持续监听控制信道，如果节点携带紧急消息，则直接在控制信道上广播紧急消息，簇头收到紧急消息后，簇头在簇范围内广播给簇成员和邻居簇头，其他簇成员不再进行转发，一旦邻居簇头收到紧急消息则再次进行广播和转发，实现紧急消息的远距离传输，由于紧急消息有优先发送权，簇头收到后立即广播。

4.根据权利要求1所述的车载自组织网络中基于簇机制的多信道MAC协议方法，其特征在于，步骤104中所述节点携带非紧急消息时，需要在自己的时隙内预约信道的步骤包括：当簇成员携带非紧急消息时，判断当前时刻是否是自己的接入时隙，如果不是，则需要等到自己的时隙才能给簇头发送信道接入申请；如果信道接入申请被簇头成功的接收，簇头根据信道分配算法分配信道给簇成员，更新控制信道使用列表，并且周期性的发送给簇成员，如果簇成员没有数据要发送，或者发送信道接入申请失败后，簇成员将继续发送申请，等待下一次的控制信道使用列表。

5.根据权利要求1所述的车载自组织网络中基于簇机制的多信道MAC协议方法，其特征在于，簇头根据邻居节点占用信道信息及接入信道申请分配信道给簇内节点的步骤具体包括：

簇成员发送给簇头的信道接入申请帧包含控制部分、目的节点、占用信道的时间、邻居节点占用的信道情况和帧校验序列；簇成员发送的信道接入申请帧中加入其邻居节点占用信道的情况，使得簇头为簇成员分配与邻居节点不同的信道；簇头根据簇成员的申请，周期性在控制信道上发送的控制信道使用列表，控制信道使用列表包括四个部分：信道标识、信道状态、使用信道的节点和更新时间，信道标识是指服务信道编号，信道占用情况分为空闲和忙碌两种情况，如果为空闲信道，则簇成员可以预约信道；更新时间为占用信道的节点释放该信道的时间，它根据数据包的长度进行设定，簇成员通过更新时间来竞争信道。

6.根据权利要求1所述的车载自组织网络中基于簇机制的多信道MAC协议方法，其特征在于，簇头收到数据后，根据数据的类型安排簇成员接入信道的步骤具体包括：

C1、簇头在控制信道收到数据包，当为信道接入请求时，首先判断是否是簇成员发送的申请，如果不是则广播原有的控制信道使用列表，否则执行步骤C2；

C2、如果是簇内节点发送的信道接入申请，检查目的节点是否处于忙碌状态，如果目的节点处于忙碌状态则仍广播原有的控制信道使用列表，否则执行步骤C3；

C3、簇头根据信道接入申请中包含的邻居节点占用信道的情况，为簇成员分配与其邻居节点不同的信道，并且把此次信道分配加入到控制信道使用列表中；

C4、更新控制信道使用列表，并广播控制信道使用列表。