CN106793049B - 一种基于功率传输控制的车联网信道协作策略 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于功率传输控制的车联网信道协作策略，属于车联网技术领域。本发明是基于传输功率控制分别在CCHI和SCHI两个时隙加入TPC协作过程，通过在MAC层产生适应性的TPC消息对节点的传输功率进行协作调整。本发明的优势在于：适用于更为实际的环境，标准的信道协作策略只考虑了所有节点处于同网络下，考虑了实际中出现的不同网络重叠信号的干扰问题；该策略能够适应更大节点密度的环境，节点允许在SCHI的CCH信道继续发布安全消息，取消了标准中50msCCHI时长的限制，尽最大可能避免隐藏终端的问题。

Description

一种基于功率传输控制的车联网信道协作策略

技术领域

本发明属于车联网技术领域，涉及一种基于功率传输控制的车联网信道协作策略。

背景技术

基于802.11p/IEEE1609.4标准的车联网MAC媒体接入机制，是为了使单天线装置(同一时刻只能工作于一个信道)的车辆，既能够收发安全消息，也能够提供对非安全应用服务的支持。

标准的WAVE网络中包含两种实体节点，OBU(车辆节点)和RSU(路测通信节点)，节点和节点之间通信依靠专用短距离无线通信协议(DSRC)。

通信的方式主要包括两类：

(1)车与车之间的通信(V2V)，车与车通过车载单元进行通信，实际中一般是这种情况；

(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。

WAVE的75MHz频谱被划分为7个独立的信道，每个信道10MHz，另外有5MHz的保护频段。信道178是控制信道(control channel，CCH)，主要用于安全服务信息的传播。其余的信道为服务信道(service channel，SCH)，既可以供安全服务信息使用也可以供普通服务信息使用。

802.11p/IEEE1609.4标准在MAC层主要使用基于CSMA/CA和基于TDMA的MAC协议以及两种协议的混合体。按照时间轴分为每100ms的同步时隙(SYNC)，进一步又把整个时隙分为50ms的CCH时隙(CCHI)和50ms的SCH时隙(SCHI)。

标准的多信道协作通信方式中多个节点可以自由组成网络，网络中所有节点通过UTC获取时间同步，在CCH interval(CCHI)开始时，所有节点统一切换到CCH信道，SCHinterval(SCHI)到来时，有业务需求的节点切换到业务信道交换数据。

同时，所有车辆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。等到SCH interval(SCHI)到来，预约好的节点，切换到指定的SCH信道进行数据传输，其他的节点继续监听在CCH信道。

显然，多信道协作的目的是为了使单信道设备的车辆能够发送安全数据和对非安全应用数据传输的支持，但是标准信道协作模式存在严重的信道带宽浪费，而在节点密度大的情况下，则会产生节点隐藏，数据碰撞等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于传输功率控制信道协作策略，通过在MAC层产生适应性的TPC消息对节点的传输功率进行协作调整，从而借鉴固定CCHI时隙长度引起的节点隐藏问题和车联网中节点充电信号区域内消息传输碰撞的干扰问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于功率传输控制的车联网信道协作策略，基于传输功率控制分别在CCHI和SCHI两个时隙加入TPC协作过程，通过在MAC层产生适应性的TPC消息对节点的传输功率进行协作调整，具体步骤包括：

1-1)在标准的IEEE1609.4信道划分中，在传统的CCHI和SCHI两个时隙的开始时各加入一个TPCI时隙用于进行基于TPC的信道协作；

1-2)节点允许在SCHI时隙的CCH信道继续发布安全消息，但此时隙内不允许节点再预约服务信道；

1-3)SCHI时隙切换到业务信道交换数据的节点，可以在下个时隙的开始接收之前未接收到的安全消息；

1-4)处在同一通信范围内的节点依然采用CSMA/CA的竞争方式，但在必要的环境下，会在TPCI时隙进行无竞争的TPC协作；

1-5)整个网络不要求中心控制节点，只存在Provider和User节点，没有与Provider预约的的节点也可以直接切换到Provider宣布提供服务的信道监听数据，但是此节点不能影响在SCH信道的TPC协作。

进一步的，CCH信道的TPC协作方法具体包括：

2-1)在高节点环境密度下，一部分节点会退避到SCHI时隙的CCH信道发布安全消息，最后一个在此时隙发布消息的节点，被称为责任节点，需要收集其他节点发布消息，并在下一个CCHI时隙的TPCI中播报；

2-2)其余非责任节点不允许在TPCI时隙参与信道竞争，而是保持监听，接收上个SCHI时隙中发布的安全消息，发布消息的节点数量，节点发布消息时信号强度等信息。

2-3)节点在TPCI接收到消息后，根据这些消息和该节点在上一时隙中的CCHI时隙中发布消息的节点数量，来决定产生TPC控制，通过减小信号传输功率，来主动减少该节点周围的节点密度，尽可能保持CCHI时隙长度内就能完成安全消息的交换。

进一步的，SCH信道的TPC协作方法具体包括：

3-1)两个互不通信的Provider提供服务在了同一个服务信道，User节点接收到冲突的服务消息，不会立即发出警告，而是在SCHI时隙的TPCI中发布校验消息；

3-2)校验消息可以不包含User节点基本信息，但必须包含指明预约Provider的标志，同时消息的长度要尽量小；

3-3)接收到校验消息的Provider，会去验证此消息来源是否来自预约供服务的对象，如果发现是自己的User而且处在信号边缘区，则可以增大传输功率，在TPCI时隙结束后开始发送数据；

3-4)发现校验消息来自非预约User的Provider节点，则会根据其信号强度判定其相对距离，同时缩小传输功率来避开同时在服务信道中传输数据的碰撞干扰；

3-5)如果该进行TPC缩小传输功率的Provider节点发现不能满足自身User的使用，则在TPCI时隙结束后不立即发送数据，在此等待的User节点没有接收到数据，则会重新选择其他服务信道来传输数据从而避免碰撞。

本发明的有益效果在于：

1.适用于更为实际的环境，标准的信道协作策略只考虑了所有节点处于同网络下(所有节点都能相互的通信)，而本发明考虑了实际中出现的不同网络重叠信号的干扰问题。

2.该策略能够适应更大节点密度的环境，节点允许在SCHI的CCH信道继续发布安全消息，取消了标准中50msCCHI时长的限制，尽最大可能避免隐藏终端的问题。

3.SCHI时隙切换到业务信道的节点，也能在下个时隙一开始，接收到上个时隙内的安全消息(包括在SCHI时隙发布的安全消息)，进一步保证了安全性。

4.CCHI的TPC协作，使得网络在节点密度大的环境下以主动的方式来减少节点密度，缩小传输功率，从而进一步保证安全消息性能。

5.SCHI的TPC协作，避免了两个不能互相通过CSMA/CA竞争信道的Provider在传输信号重叠区域对User节点的消息传输碰撞问题。

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CHHI的节点隐藏问题示意图；

图2为模型Ⅰ；

图3为节点在CCH信道协作步骤流程图；

图4为节点在CCHI的TPC协作内容；

图5为CCH信道上的TPC协作流程图；

图6为节点在SCH信道上的协作步骤流程图；

图7为模型Ⅱ；

图8为模型Ⅲ；

图9为模型Ⅳ；

图10为SCH信道上的TPC协作方式Ⅰ；

图11为SCH信道上的TPC协作方式Ⅱ。

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。

本发明主要用于解决节点隐藏问题和信号重叠问题。

图1为CHHI的节点隐藏问题展示图，如图1所示，当节点密度大时，会存在带宽不足的情况。由于CCHI时隙长度固定，同时在CCH信道采用CSMA/CA的碰撞退避机制，车辆节点很容易竞争不到信道来发布自己的beacon消息，如图中节点A、B、C在发生碰撞后继续退避，而此时已经即将进入SCHI时隙，有业务需求的节点已经切换到了其他信道，不能接收到这3个节点的任何消息，因此这3个节点等同于被隐藏了起来。

一个更实际的问题也应该被考虑到，802.11a无线协议的传输范围在100～300米之间，车联网专用协议DSRC的传输则会达到更远(半径最大到1000米)，这个范围内的车辆节点密度可能在某些场景下达到一个非常大的值，多个处于非相互通信范围的节点将会产生信号重叠区。

一个道路模型Ⅰ如图2，并且设定在一个同步时隙内，所有节点是相对静止。W1和W2分别代表节点B和节点E的信号覆盖范围，显然B节点与A、C、D、F可以采用CSMA/CA的竞争策略来避免消息碰撞，E节点与C、F、G、H同样可以采用相同策略来保证消息的安全传输，但是对于节点E和节点B，并不能采用CSMA策略来竞争信道(两者的消息不能相互传递)，如节点C和节点B的在SCH1信道传输数据的同时，E节点与G节点也预约在SCH1传输数据，由于彼此不知道对方使用信道的情况，就会发生消息碰撞干扰。如果车辆节点的密度很大，受到影响的车辆也会随之增加，严重影响了消息传输的性能。

本发明在具体实施中主要包含CCHI时隙的TPC协作和节点在SCHI时隙的TPC协作两方面。

一、节点在CCHI时隙的TPC协作

图3为节点在CCH信道协作步骤流程图，CCHI被分为两个部分，TPC Interval(TPCI)和Common Interval(CI)，TPCI用于节点进行TPC协作，CI用于普通的信道协作；节点被允许在SCHI时隙的CCH信道继续发布安全消息，最后一个在此时隙发布安全消息的节点需要在下一个同步时隙的TPCI发布TPC Broadcast，其余切换到CCH的节点开始进行协作。

图4为CCH信道上节点在TPCI的协作内容。设定此时场景中的节点密度很大，多个节点被允许在SCHI时隙的CCH信道继续发布安全消息；节点A是它们当中的最后一个节点，则节点A在下一个CCHI中的TPCI中采用非竞争模式发布TPC广播，该广播中携带上一SCHI时隙CCH信道中继续发布消息的节点数量，其他节点在收到该消息后，会根据这个数据对信号发射功率进行调整，如节点B和节点C，分别减小了发射功率，以降低了周围节点密度来减少同时参与CSMA/CA的节点数量，尽最大能力保证了在50ms的CCHI内足够所有的节点发布安全消息(避免节点隐藏问题)，这使得在堵车或者城市道路的场景下能够适应更大的节点密度。

节点在CCH信道基于TPC的信道协作流程如图5所示，SCHI时隙所发布的安全消息，依然能够被通知到其他节点，这使得安全性能得到了有效保证，同时，根据发布消息的节点数量，可以估算周围环境的节点密度，从而适应性的调整同时参与信道竞争的节点数量，因为车辆总是更关心附近环境，所以减小传输功率，也并不会影响其他车辆。图中节点B、C在通过TPC协作之后，在各自的通信范围内同时传输了消息。

二、节点在SCHI时隙的TPC协作

图6是节点在SCH信道的协作步骤流程图，需要非安全应用服务的节点，需要在CCHI时隙预约信道。

SCHI开始后，预约完成的节点进入之前预约的信道。如图6中所示，SCHI同样被TPCinterval和Common interval，在TPCI时隙内，应用服务的提供者Provider不直接启动数据传输，而是由User先发出校验信息(这个数据可以包含或者不包含任何数据负载，但必须尽可能少的占用信道资源，它的意义有两个：1.通知到Provider应用服务的使用者已经切换到指定信道；2.提供给Provider进行TPC协作的依据信息)。此时Provider需要监听此校验消息来进行TPC协作，协作完成之后开始选择传输数据，或者有碰撞发生，等待User发出通知切换到下一个信道。

节点在SCHI进行TPC协作的过程如图7～图9所示：

节点A、B分别为两个Provider，C节点需要与A通信，D需要与B通信，但是由于信号范围的限制，A、B并不能采用CSAM/CA机制进行信道竞争，即A在SCH1信道提供应用数据服务，B节点不能知道，所以B节点认为SCH1信道空闲，也会将服务提供在SCH1信道。

节点C做为User，会收到A和B提供的服务消息，则C节点在SCHI开始的TPCI时段发布传输检验信息(以广播形式发送)，这样节点A和B都会接收到此消息。但节点C需要的是与A节点交换数据，节点B会根据C节点信号强度产生TPC消息来调整信号发射功率。

Provider调整合适发射功率与User进行数据通信，如图10，Provider B缩小了传输功率来减小传输半径与D节点通信，避免了与节点A产生过大的信号重叠区域，避免了在SCH1信道发生消息碰撞，这样节点C、D同时都能够使用SCH1信道来获取数据。

所以，节点SCH信道协作流程如图10所示：

节点在CCHI时隙完成beacon消息收发和服务信道的预约，需要交换非安全应用数据的节点，在保护间隔切换到指定的信号，为了避免干扰，即减少多个WBSS之间数据传输时重叠信号的干扰，数据应用的被服务者User会在TPC Interval区间先发布校验消息，该消息由User节点附近所有的provider接收，同时以此为基础进行基于TPC信道协作，以保证不同WBSS之间在相同信道上的消息碰撞。

图10中经过TPC协作后，两个不同的WBSS可以在互不知道的情况下使用相同的服务信道完成数据的传输。

但是，如果Provider在TPC协作时发现不能达到避免消息碰撞的传输功率，则在TPCI时隙后不传输数据。

而User在监听后发现没有数据在该信道传输，则会判定该SCH服务信道上已经存在使用者，继续使用将会发生消息碰撞，User会根据之前监听到的服务信道预约情况，重新选择一个负载低的服务信道进行数据传输。

同时，为了提高信道利用率，这种信道调整不需要和之前信道预约进行握手验证，待User发出切换命令了，会立即切换到指定信道，而Provider也会在收到消息后立刻进行切换，随之传输数据。

整个过程由图11所示。

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 (3)

1.一种基于功率传输控制的车联网信道协作方法，其特征在于：基于传输功率控制分别在CCHI和SCHI两个时隙加入TPC协作过程，通过在MAC层产生适应性的TPC消息对节点的传输功率进行协作调整，具体步骤包括：

1-1)在标准的IEEE1609.4信道划分中，在传统的CCHI和SCHI两个时隙的开始时各加入一个TPCI时隙用于进行基于TPC的信道协作；

1-2)节点允许在SCHI时隙的CCH信道继续发布安全消息，但此时隙内不允许节点再预约服务信道；

1-3)SCHI时隙切换到业务信道交换数据的节点，能够在下个时隙的开始接收之前未接收到的安全消息；

1-4)处在同一通信范围内的节点依然采用CSMA/CA的竞争方式，但在必要的环境下，会在TPCI时隙进行无竞争的TPC协作；

1-5)整个网络不要求中心控制节点，只存在Provider和User节点，没有与Provider预约的节点能够直接切换到Provider宣布提供服务的信道监听数据，但是此节点不能影响在SCH信道的TPC协作。

2.根据权利要求1所述的一种基于功率传输控制的车联网信道协作方法，其特征在于：CCH信道的TPC协作：

2-1)在高节点环境密度下，一部分节点会退避到SCHI时隙的CCH信道发布安全消息，最后一个在此时隙发布消息的节点，被称为责任节点，需要收集其他节点发布消息，并在下一个CCHI时隙的TPCI中播报；

2-2)其余非责任节点不允许在TPCI时隙参与信道竞争，而是保持监听，接收上个SCHI时隙中发布的安全消息，发布消息的节点数量，节点发布消息时信号强度等信息；

2-3)节点在TPCI接收到消息后，根据这些消息和该节点在上一时隙中的CCHI时隙中发布消息的节点数量，来决定产生TPC控制，通过减小信号传输功率，来主动减少该节点周围的节点密度，保持CCHI时隙长度内就能完成安全消息的交换。

3.根据权利要求1所述的一种基于功率传输控制的车联网信道协作方法，其特征在于：SCH信道的TPC协作方法具体包括：

3-1)两个互不通信的Provider提供服务在了同一个服务信道，User节点接收到冲突的服务消息，不会立即发出警告，而是在SCHI时隙的TPCI中发布校验消息；

3-2)校验消息能够不包含User节点基本信息，但必须包含指明预约Provider的标志，同时消息的长度要尽量小；

3-3)接收到校验消息的Provider，会去验证此消息来源是否来自预约供服务的对象，如果发现是自己的User而且处在信号边缘区，则增大传输功率，在TPCI时隙结束后开始发送数据；

3-4)发现校验消息来自非预约User的Provider节点，则会根据其信号强度判定其相对距离，同时缩小传输功率来避开同时在服务信道中传输数据的碰撞干扰；

3-5)如果该进行TPC缩小传输功率的Provider节点发现不能满足自身User的使用，则在TPCI时隙结束后不立即发送数据，在此等待的User节点没有接收到数据，则会重新选择其他服务信道来传输数据从而避免碰撞。