CN106255225B - 一种新的车联网mac层的媒体接入机制和信道协作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新的车联网MAC层的媒体接入机制和信道协作方法，属于车联网技术领域。该方法包括对RSU路测单元的重新定位以到达能够让网络统筹调度，合理分配资源；新的时隙区域划分，拥有更好的适应性的同时满足性能要求，即使车辆节点密度趋于饱和，也能够在一定程度上保证安全消息的传输；非及时异步的预约通信方式，更加节省信道资源，同时避免不同消息的干扰和碰撞；同时提出一种主动补偿的策略来进一步加强安全消息传输的可靠性。本发明通过控制单元将整个WBSS网络资源和信息进行统一管理，相比于传统的IEEE1609.4信道协作模式，能在很大程度上提升安全性能，避免数据碰撞的基础上，进一步利用空闲信道资源。

Description

一种新的车联网MAC层的媒体接入机制和信道协作方法

技术领域

本发明属于车联网技术领域，涉及一种新的车联网MAC层的媒体接入机制和信道协作方法。

背景技术

2004年，DSRC标准化工作正式转入IEEE工作组，随后IEEE在之前工作的基础上提出了一套名为WAVE/DSRC的标准，该标准的主要目的是让它可以适用于高速移动的环境，为交通管理，行车安全和娱乐等提供服务。

VANET系统包含3个实体,包括路侧单元(Road-Side Units，RSU)、车载单元(OnBoard Unit，OBU)以及专用短距离无线通信协议(Dedicated Short RangeCommunication，DSRC)。因此根据直接数据交换双方的类型不同，存在4种通信方式。

1)车与车之间的通信(V2V)，车与车之间通过车载单元进行通信。

2)车辆与路侧单元通信(V2I)，路侧单元相当于车载自组织网络的接入点，它们被架设在道路两旁，与道路内行驶的车辆进行通信。

3)路侧单元与交通管理部门通信，路侧单元将收集到的车辆信息通过接入网关传递给道路管理部门，做出一些紧急的调度。

4)车内电子设备与OBU通信。

上述的四种通信方式，实际一般是前两种情况较为普遍，第一种是车辆间自组网络的通信，第二种是车辆与RSU之间组网通信(这里传统的RSU工作方式其实质是充当了基站的角色)，本发明的重点之一是在于把RSU设定为中央主控单元,在新的模式下RSU将对车辆节点进行控制(这种控制和通信方式3中的紧急调度并不是同一个概念)，而不仅仅限于充当一个基站的角色。

WAVE中的多信道协议IEEE1609.4是一类基于时间分割的多信道接入方式。车辆在控制信道时隙将天线统一切换到控制信道，在控制信道上广播安全服务信息和控制帧，需要通信的节点通过发送WSA帧预约数据交换的信道。IEEE1609.4基于这一类方法设计的最主要原因，就是考虑到在WAVE的实际应用，安全服务信息的传播是放在首要位置的，要想保证安全服务信息在最短的时间内通知到临近所有车辆，就必须要求车辆在某个时间切换到统一的信道上，否则，在安全服务信息广播时不处于该信道上的车辆就可能错过这条关键信息，从而引发严重的交通事故。

标准的多信道协作通信方式如图1，图2所示。

显然，信道协作的重点之一是需要保证安全消息的传递，网络中所有节点都需要的在一个SYNC中发布自己的安全消息，同时接收其他节点的安全消息，有时还需要进行预约通信。为了保证所有beacon的顺利收发，一般的改进都会采取将beacon广播和预约消息分区传输即把CCHI又分为两个时隙，一个只用来传输beacon，一个用来进行SCH信道的预约(他们都采用CSMA/CA的随机竞争方式)，从而达到减少干扰的目的。因此传统WAVE的MAC工作方式，虽然在很大程度上提升了车辆之间通信的性能和安全性，但是仍然会带来如下的几个方面问题：

带宽浪费问题：1)车辆在CCHI的CCH信道交互时，SCH信道完全浪费，而SCHI(SCHinterval)的CCH也存在一定程度上的浪费；2)车辆密度小时，早以完成CCH交互的节点，也必须持续等待SCHI的到来，而在换之前不能有其他动作。

带宽裕度不足问题：车辆密度大时，不仅不能够稳定提供足够的SCH信道资源，甚至可能导致CCH信道长度不能满足节点的使用，从而造成安全消息的丢失。

碰撞退避机制问题：1)WAVE采用了CSMA/CA的退避机制，是一种先监听后传输的机制，只要监听到信道忙，就会发生退避，直到计数器变为0之后继续监听，达到空闲阈值时间之后才能传输，这种方式大大增加了延迟；2)退避后的节点，可能会在计时结束后再次碰撞，从而导致碰撞双方再次退避，产生信道资源的浪费，甚至使得某个节点得不到传输机会；3)在CCH时隙的CCH信道，一般至少需要进行两种数据类型的发布和接收，安全数据和信道预约数据，这样两种类型的数据，本身就会相互干扰，车辆节点多时，预约消息甚至会占用安全消息的发布，从而引发严重的安全事故。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种新的车联网MAC层的媒体接入机制和信道协作方法，具体包括如下技术方案：

一种新的车联网MAC层的媒体接入机制和信道协作方法，在本方法中，将RSU路测单元设定为网络中的主控单元，采用该主控单元来进行统一的调度安排，即把车辆自由发送消息，竞争信道资源的权利进行统一管理，最大程度的在避免消息碰撞的同尽可能利用更多的信道资源。

进一步，所述信道协作的过程包括：

1)按照1609.4的标准把时间划分为100ms的同步时隙，包含50ms的CCH和50ms的SCH；50ms的CCH时隙被进一步划分为控制时隙和预约时隙，这两个时隙的长度并不是固定的，而是根据网络中节点密度来统筹分配；

2)RSU作为主控单元，以其为中心建立的WBSS网络，多用于设立在道路交汇处，事故频发处，以及交通拥挤路段，RSU对整个网络有唯一控制权；

3)RSU对过往的车辆节点，收集它们的信息，包括车辆基本信息和车辆临时信息，来唯一确定车辆节点身份，同时邀请节点快速加入WBSS网络；

4)加入网络后的车辆节点，不再采取CSMA/CA的随机信道资源竞争策略，而是长期处于监听状态；

5)每个同步时隙RSU会在控制时隙依次发布控制命令给处于监听状态的车辆节点，收到控制命令的节点，才会根据指令切换信道发布安全消息，在预约时隙RSU同样会发出控制命令来控制提出非安全应用申请的节点使用SCH信道；

6)RSU会整理综合所有车辆发布的安全信息，在全信道内发布，同时若出现紧急安全信息，RSU会停止当前所有控制命令的发布，同时在全信道广播该紧急消息。

进一步，在本方法中，信道协作过程约束如下：

1)安全消息的发布不再单一发生在CCH信道，而是通过RSU调度使节点在全信道内发布，最大程度的利用信道资源；

2)同一网络中同一时刻，能够容纳多个节点发布安全消息，并且他们处在不同信道，也不会产生任何干扰；

3)预约SCH信道资源的申请消息和确认消息完全独立，即非立即接入，全部由RSU统一控制，不会产生不同数据的干扰；

4)传统的在CCH信道预约SCH信道的流程是即时同步通信，即发送申请后需要立即回复和确认，而且同一时间只能有一个节点预约，本方法中的预约策略是非及时异步的，即多个节点同时预约，而且申请和确认申请可以分别在合适的时间独立完成；

5)依赖中央控制单元，实时监听SCH信道资源，使整个网络即使处在SCH时隙，车辆节点也能够接受命令切换到指定的信道资源；

6)采取容忍补偿机制，即在容忍时隙内允许节点一定的延迟来响应控制命令，节点如果因为其他原因出现意外不能及时发布消息，则该次消息由控制单元来进行补偿，保证其他节点正常接收安全消息；

7)采取非传统的优先级策略来分配SCH信道资源，正常情况下所有的SCH资源申请都能被控制单元接收，只有在SCH信道资源不够分配给提出申请的节点时，控制单元才会增加未被分配节点的优先级，同时该优先级单向只存在与控制单元一侧，而对于节点本身来说是没有优先级的策略。

本发明的有益效果在于：

1、消息的传输完全交由主控单元决策，避免车辆节点随机发送消息而产生的碰撞现象，保证了安全消息的传输。

2、预约好的节点能够在CCHI就直接进入非安全应用传输，避免了CCHI和SCHI的切换碰撞。

3、大量利用了CCHI中的SCH信道，提高了信道利用率，同时提升了安全消息发布的性能延时，是一种伪同步的轮询方式，避免了节点隐藏问题。

4、SCHI中的CCH信道被加以应用来保证车辆负载高时的安全消息性能，并且交由RSU检测和控制，能够进一步利用SCH信道资源。

5、拥有更好的适应能力和宽容度，ICBMAC能在车辆密度小的时候，快速发布，接收所有的节点的安全消息，然后立即接入SCH信道来完成所需要的非安全应用服务，在车辆密度大时，能够仅最大能力提升其网络负载能力，保证所有节点的安全消息传输，同时也能支持非安全应用的服务。

6、把复杂的计算，调控，切换逻辑，交给RSU管理(RSU的处理计算，负载能力，相对于普通车辆节点容易维护得多，并且能够将数据传至服务器处理)，车辆只需要根据RSU的控制指令做完成简单的发送接收及切换操作即可，使得车辆节点的逻辑简单清晰，更易维护，对于整个网络来说也更加稳定。

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为标准IEEE1609.4信道划分；

图2为标准的IEEE1609工作流程；

图3为ICBMAC整体示意图；

图4为被控制切换的节点；

图5为控制单元分配SCH信道。

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。

“控制反转”的MAC层工作方式(inversion controlbasic MAC,ICBMAC)，是将原本由车辆节点本身自由发送接收的决策权，交给主控单元统一管理，从而达到最大程度的碰撞避免。

ICBMAC中的基础是中央控制单元，本发明将V2I通信中RSU设定为控制单元(RSU的信号范围比一般车辆节点大得多，同时易于维护，新能更为稳定，并且可控性高)，RSU会在车辆节点进入WBSS范围时，迅速询问并将节点接入WBSS网络，同时收集车辆信息来唯一确定该车辆节点，并且分配给该节点在此RSU管理的WBSS中独有的ID编号，同时通知该节点加入WBSS。因此在RSU中会存在一张成员列表，如表1。但是这张表并不会根据其中的ID来划分优先级，直到有车辆处于丢失状态，RSU会将列表中的节点删除。显然，时隙开始时，WBSS中的节点只会小于等于成员列表中的节点数。

表1

车辆名称	车辆信息	唯一ID号	时间戳
				Node1	事故记录，车辆信号，车牌号，当前速度，刹车状态……	1	time
Node2	事故记录，车辆信号，车牌号，当前速度，刹车状态……	2	time

ICBMAC的时隙的划分依旧和标准的IEEE1609.4相同，分为50ms的CCHI和50msSCHI。时隙开始时，所有节点都切换到CCH信道，但是所有的节点都不能由此开始竞争信道来发送beacon消息，而是需要等待控制消息的到达。

图3为ICBMAC的整体工作示意图，ICBMAC的总体描述如下：

1、RSU获得车辆节点列表，在CCHI开始时，在CCH信道广播控制列表(表2)，其中包含车辆的状态信息，优先级和控制指令。

表2

车辆名称	车辆信息	当前消息状态	优先级	控制指令	时间戳
						Node1	………	Null	0	To SCH1 for send	time
Node2	………	Null	0	To SCH2 for send	time

2、节点不能做出发送消息的决策，在接收到由RSU发出的控制列表后，会缓存在本地，同时查询自身对应的控制指令。如图3中节点1，2，3，A四个节点，被分别要求切换到指定的SCH，A节点被要求留在CCH信道。节点到达指定信道后可以发送消息(beacon一般最先发送)，发送完毕后留在当前信道，继续监听信道，如图4中的Node D。

3、节点发送的消息，全部经过RSU统一收集管理，在下一个Control cycle(控制周期)重新在CCH信道广播控制列表，其中包含已经发送beacon广播车辆节点的最新消息，其余等候在CCH信道的节点会根据这些消息来进行本地更新，并且继续执行或等待RSU的控制指令。

4、需要非安全应用服务的节点，需要在节点接收到beacon发送指令后，随beacon信息发布(不需要指明数据类型，数据长度等数据信息，只需要简单表示需要服务即可)，如图3中的节点5和8，A和B都需要非安全应用服务，但RSU并不会立即产生回复进入验证预约过程，只是保留节点的请求并做出统计。

5、control interval(控制区)待所有车辆节点发布完安全消息，开始进入minimum reservation(最小预约期)，RSU在此阶段根据信道空闲数量，非安全应用服务的申请数量来统筹安排，被控制到指定信道的节点可以立刻开始非安全应用的传输，同样在次控制中有maximum tolerance(最大容忍时间)，超过这个时间该被控制节点还没有只用信道，RSU就会收回使用权并且分配给其他节点，如图5中节点AC D被分配到指定信道。

6、所有没有接收到SCH服务控制的节点，在SCHI到来是全部切换到CCH信道监听，RSU会发布一系列附加的广播消息(包括之前的控制列表)，一些没有来得及更新的节点，可以由此来更新安全消息，同时RSU会监控SCH的信道使用情况，如果某一节点在其预约的信道只使用了一小部分，如图3中的节点5，RSU就会通知其它有过非安全应用申请，但是没有预约到SCH信道的节点使用，如节点A在SCHI中被RSU控制到SCH1信道传输非安全应用消息。

在本实施例中，ICBMAC参数及规则设定如下：

1、control interval：控制区时间长度不是固定的，它的长度依赖WBSS中的节点数量。一般情况下RSU一次至多控制到7个车辆节点到不同的信道发布安全广播消息。

2、根据信道延时，传输速率，beacon数据大小等一系列情况，综合计算出一般信道切换时间，beacon广播传输时间，从而得出控制周期间隔。

3、maximum tolerance：最大容忍时间，RSU等待被控制节点传输消息的最大时间，超过该时间间隔，RSU标记为该次控制失败，并将该节点加入重询列表中，并且自身代替该节点发布广播消息(为了防止该节点内部碰撞或者延迟过大造成的未响应，RSU会在此消息中发布控制该节点返回CCH信道的消息)。此后RSU会在正常轮询控制之后，重新轮询重询列表中的节点，如图3中的节点C，原本应该在SCH3信道发布自己的信息，但是由于意外由RSU代替其发布广播消息，最后被要求切换到了CCH信道发布，但如果节点还是未有响应，则RSU做出丢失该节点决策。

4、minimum reservation：最小预约期用来给提交非安全应用申请的节点进行预约控制，这个时隙的长度在CCHI最小可以为0(为了满足更大的车辆负载)，将预约延后到SCHI的CCH信道并在RSU的控制下快速预约切换。

5、任何时候有紧急安全消息传输，RSU会停止之前的传输，并在全信道内播报紧急安全消息。

6、多个被控制到同一信道下的车辆提交了非安全应用的申请，在最小预约时期，RSU会统筹安排。如图3中的节点5和8，节点A和B都提交了非安全应用的申请。首先，已经被控制到SCH信道的节点有优先享用该信道的使用的权利，如果同一SCH信道有多个申请，RSU首先会根据统筹的状态，查看是否有空闲的信道能够满足所有的请求，如果有，RSU会控制节点分别到指定的信道，如SCH1信道没有非安全应用申请，节点5被控制到SCH1信道使用，8节点被控制留在原信道使用，同时他们可以立即接入信道。如果没有多余空闲信道，RSU首先会把信道分给优先级高的车辆节点使用(初始优先级都为0，这个优先级会被保留到车辆节点丢失)，如果申请非安全应用的节点优先级相同，RSU则会随机分配给其中一个节点使用，其余没有分配到信道使用的节点，其优先级增加1，并且会被控制到CCH信道继续监听，如果SCHI中出现大量空闲，如图3中节点5只使用了一小段信道资源，那么RSU会重新控制之前没有预约上信道的节点A继续使用。

7、如果某一SCH信道中有非安全应用申请，RSU在去控制节点预约的信道的同时，会广播当前的控制列表，为了满足信道中节点更新其他信道上的节点信息，如果没有申请，RSU则会直接广播之前收集的所有节点消息，节点自己去查找更新相应的部分；也可能会出现最小预约期长度不足或者不存在的现象，预约或者RSU广播都来不及在任何信道传输，此时进入SCHI后，由于所有的节点都会切换回CCH信道，RSU会广播一次最新的节点信息，随后再快速预约。

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做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (1)

1.一种新的车联网MAC层的媒体接入机制和信道协作方法，其特征在于：在本方法中，将RSU路侧单元设定为网络中的主控单元，采用该主控单元来进行统一的调度安排，即把车辆自由发送消息，竞争信道资源的权利进行统一管理，最大程度的在避免消息碰撞的同时可能利用更多的信道资源；

所述信道协作的过程包括：

1)按照1609.4的标准把时间划分为100ms的同步时隙，包含50ms的CCH和50ms的SCH；50ms的CCH时隙被进一步划分为控制时隙和预约时隙，这两个时隙的长度并不是固定的，而是根据网络中节点密度来统筹分配；

2)RSU作为主控单元，以其为中心建立的WBSS网络，多用于设立在道路交汇处，事故频发处，以及交通拥挤路段，RSU对整个网络有唯一控制权；

3)RSU对过往的车辆节点，收集它们的信息，包括车辆基本信息和车辆临时信息，来唯一确定车辆节点身份，同时邀请节点快速加入WBSS网络；

4)加入网络后的车辆节点，不再采取CSMA/CA的随机信道资源竞争策略，而是长期处于监听状态；

5)每个同步时隙RSU会在控制时隙依次发布控制命令给处于监听状态的车辆节点，收到控制命令的节点，才会根据指令切换信道发布安全消息，在预约时隙RSU同样会发出控制命令来控制提出非安全应用申请的节点使用SCH信道；

6)RSU会整理综合所有车辆发布的安全信息，在全信道内发布，同时若出现紧急安全信息，RSU会停止当前所有控制命令的发布，同时在全信道广播紧急消息；

在本方法中，信道协作过程约束如下：

1)安全消息的发布不再单一发生在CCH信道，而是通过RSU调度使节点在全信道内发布，最大程度的利用信道资源；

2)同一网络中同一时刻，能够容纳多个节点发布安全消息，并且他们处在不同信道，也不会产生任何干扰；

3)预约SCH信道资源的申请消息和确认消息完全独立，即非立即接入，全部由RSU统一控制，不会产生不同数据的干扰；

4)本方法中的预约策略是非及时异步的，即多个节点同时预约，而且申请和确认申请可以分别在合适的时间独立完成；

5)依赖中央控制单元，实时监听SCH信道资源，使整个网络即使处在SCH时隙，车辆节点也能够接受命令切换到指定的信道资源；

6)采取容忍补偿机制，即在容忍时隙内允许节点一定的延迟来响应控制命令，节点如果因为其他原因出现意外不能及时发布消息，则消息由控制单元来进行补偿，保证其他节点正常接收安全消息；

7)采取非传统的优先级策略来分配SCH信道资源，正常情况下所有的SCH资源申请都能被控制单元接收，只有在SCH信道资源不够分配给提出申请的节点时，控制单元才会增加未被分配节点的优先级，同时该优先级单向只存在与控制单元一侧，而对于节点本身来说是没有优先级的策略。