CN107864028A - 一种车辆自组织网络中的自适应帧聚合方法 - Google Patents
一种车辆自组织网络中的自适应帧聚合方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种车辆自组织网络中的自适应帧聚合方法，步骤包括：划分业务类型，并将来自上层的业务添加到相应的业务队列中；根据剩余延迟申请业务调度；根据不同信道条件下的饱和吞吐量计算聚合帧长度；根据数据帧的剩余延迟调整聚合帧长度；将已调度业务队列中的数据帧进行聚合并传输。本发明基于IEEE 802.11协议在MAC层提出了一种自适应的帧聚合方法，聚合帧的长度可根据当前的信道状况和剩余延迟动态调整；本发明将上层传入的数据包划分为三种不同的优先级队列，并且给具有最低剩余延迟的队列赋予最高的传输优先级，从而保证了具有高优先级的信息首先被传输。
Description
技术领域
本发明属于无线局域网MAC层领域，主要涉及车辆自组织网络中的一种自适应的数据帧聚合方法。
背景技术
近年来，车辆自组织网络(VANETs)在确保运输系统安全、改善乘客和司机出行体验等方面取得了巨大的发展。车辆通信正日益成为车辆设备中不可或缺的一部分。如今，汽车的内置服务相对较少，例如地图导航和音频服务。随着社会和技术的发展，由VANETs提供的服务将日益丰富，甚至将达到传统网络所提供的服务和应用的水平。这将大幅度地提高车辆自组织网络的市场化，加速网络的部署和建设。与此同时，这将对MAC层提出更高的要求，尤其是对实时通信的应用。
在无线通信中，MAC层中的大部分数据帧都较小，但传输过程中需要增加大量的开销，包括物理层头部、MAC层头部、前导码和帧间间隔等。在这种情况下，车载环境下的MAC层策略都只能维持较低的信道利用率，因而限制了对传输速率有较高要求的车载服务的发展。MAC层帧聚合技术将多个数据帧聚合为一个长数据帧，使多个数据包共享MAC层头部和物理层头部，从而降低数据开销的比例。帧聚合技术令多个数据包同时接入信道，并在接收端将多个数据包进行整体确认，减小了信道接入和数据确认过程带来的时间开销。与传统MAC层相比，采用帧聚合技术的MAC层更加高效，极大地提高了网络的吞吐量，满足对传输速率有较高要求的车载服务的要求。
由于众多优势和独特的挑战，帧聚合技术已经获得极大关注。理论研究证明，帧聚合技术可以用于车辆网络中以提高信道数据吞吐量、减少开销和提高信息传输效率。与此同时，在将帧聚合技术应用于VANETs的过程中也遇到了一些挑战。首先，在对延迟有较高要求的实时应用中，聚合帧的传输可能会导致数据的不可用；其次，较大的数据帧长度可能会增大重传概率，这将导致数据吞吐量的减少和信道利用率的降低；最后，车辆自组织网络不稳定的拓扑结构会导致车载通信的不连通。因此，设计一种具有最佳聚合帧长的帧聚合方法对于保证数据有效性、提高信道利用率具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在的主要问题，提出了一种车辆自组织网络中的自适应帧聚合方法，以提高网络中的数据吞吐量，减少开销，提高数据传输效率。
为实现上述目的本发明采用以下技术方案：本发明根据当前系统的吞吐量，在数据帧剩余延迟的约束下，动态调整聚合帧的长度。
一种车辆自组织网络中的自适应帧聚合方法，其具体步骤包括如下：
(1)划分业务类型，并将来自上层的业务添加到相应的业务队列中；
根据智能交通系统通信网络的要求，我们根据最大可容忍时延参数(DTmax)将来自车载环境下的业务划分为三种类型，分别为与安全相关的实时业务(业务1)、与安全无关的实时业务(业务2)、与安全无关的非实时业务(业务3)，业务1具有最小的DTmax，依次增大。当上层业务到来时，我们首先判断当前业务所属的业务类型，并将该业务添加到相应的业务队列中。
(2)根据剩余延迟申请业务调度；
为了保证不同类型业务的服务质量，我们根据剩余延迟(RD)来进行业务调度，剩余延迟是本业务获得传输机会时刻与失效时刻之间的时间间隔。如果某业务队列在当前时刻具有最小的剩余延迟，那么它将被优先调度。
(3)根据不同信道条件下的饱和吞吐量计算聚合帧长度；
在MAC层业务数据单元聚合(A-MSDU)机制下，非理想信道的饱和吞吐量与聚合帧长度具有一定的关系，通过计算不同误码率条件下信道的饱和吞吐量，我们就能得到当前信道条件下的最佳帧聚合长度。
(4)根据数据帧的剩余延迟调整聚合帧长度；
在车辆自组织网络中，聚合帧的长度不可能无限期的增大，我们需要通过传输时延来限制聚合帧的长度。为了保证数据帧的有效性，聚合帧的传输必须在最大可容忍时延周期内完成。通过步骤(1)我们已经知道不同的业务流具有不同的时延要求，一旦某一业务被调度，那么发送端就必须保证已聚合帧能够在剩余延迟内完成传输。由于第一个子帧必须在剩余时延之前被传输，因此聚合帧被成功传输的时延必须小于聚合帧的剩余延迟。根据剩余延迟约束，我们就能得到实际传输聚合帧长。
(5)将已调度业务队列中的数据帧进行聚合并传输。
由上面的步骤我们已经得到当前信道条件下的最佳聚合帧的帧长，我们在IEEE802.11A-MSDU机制下设置了不同的聚合水平，数据帧根据计算的最佳帧长选择合适的聚合水平进行聚合并传输。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：本发明基于IEEE 802.11协议在MAC层提出了一种自适应的帧聚合方法，聚合帧的长度可根据当前的信道状况和剩余延迟动态调整；本发明将上层传入的数据包划分为三种不同的优先级队列，并且给具有最低剩余延迟的队列赋予最高的传输优先级，从而保证了具有高优先级的信息首先被传输。
附图说明
图1是本发明中任务调度器与帧聚合图；
图2是本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1-2所示，本发明根据当前系统的吞吐量，在数据帧剩余延迟的约束下，动态调整聚合帧的长度，一种车辆自组织网络中的自适应帧聚合方法，具体步骤如下：
步骤1：划分业务类型，并将来自上层的业务添加到相应的业务队列中。
根据智能交通系统通信网络的要求，我们用最大可容忍时延参数(DTmax)将来自车载环境下的业务划分为三种类型，分别为与安全有关的实时业务(业务1)、与安全无关的实时业务(业务2)、与安全无关的非实时业务(业务3)。业务1主要包括紧急避障信息和周期性安全信息；业务2主要包括互联网电话和在线视频；业务3最典型的应用就是上网；每一种业务用最大可容忍延迟(DTmax)作为服务质量(QoS)指标的一个参数，DTmax代表数据帧存活的最大周期，最大可容忍延迟越大表示当前业务流具有最低的优先级。表1分别列出了三种优先级所具有的最大可容忍延迟。
表1三种业务队列的最大可容忍延迟
当上层业务到来时，我们首先判断当前业务所属的业务类型，并将该业务流添加到相应的业务队列中。
步骤2：根据剩余延迟申请业务调度。
为了保证不同业务类型的服务质量，我们根据剩余延迟(RD)来申请业务调度，剩余延迟是本业务获得传输机会时刻与失效时刻之间的时间间隔，它的计算公式为：
RD＝DTmax-WD (1)
在RTS/CTS协议中，WD是当前时刻t与业务到达时刻T0之间等待的时间间隔。用下面的的等式表示为：
WD＝t-T0 (2)
在本发明中，拥有最小剩余延迟的数据帧将优先被调度。特别地，当RD≤0时，当前的数据帧将被丢弃。
步骤3：根据不同信道条件下的饱和吞吐量计算聚合帧长度。
在分析模型中，我们假设在模型中具有n个移动节点。为简单起见，我们认为在易错信道中控制帧(RTS,CTS,ACK)可以被成功地传输，也就是说，在一次传输过程中，只有数据帧会发生错误。在一个虚拟时隙中，传输概率τ的计算公式为：
传输失败的概率p为：
p＝1-(1-Pc)(1-Pe) (4)
其中，Pc是冲突概率，Pe是信道发生错误的概率，在A-MSDU机制中，Pc和Pe可以由下面的公式分别计算出来：
Pc＝1-(1-τ)n-1 (5)
其中，Pb表示误码率，LDATA在A-MSDU机制下的帧聚合长度，LMAC_H表示MAC层头部的长度，根据已知的p和τ我们可以计算得到空时隙的概率为：Pidle＝(1-τ)n (7)
因此，我们可以得到在空时隙中只有一次传输的概率为：
PS＝nτ(1-τ)n-1 (8)
在不同的网络状况下时隙时长是不同的，当时隙空闲时，时隙时长为：
Ti＝σ (9)
在RTS/CTS协议中，碰撞发生的时间间隔为：
TC＝TRTS+TDIFS (10)
如果其中的某一个节点赢得竞争，传输成功和数据错误传输的时间间隔分别表示为：
Tsucc＝TRTS+TSIFS+TCTS+TDATA+TACK+TDIFS (11)
Terr＝TRTS+2TSIFS+TCTS+TDATA+TDIFS (12)
其中，TDATA表示在A-MSDU机制下的聚合帧传输的时间。
其中和分别表示MAC层头部传输的时间和物理层头部传输的时间，RTATA表示数据速率。在非理想信道中，MAC层业务数据单元聚合(A-MSDU)机制下信道的饱和吞吐量可以表示为：
根据以上公式，我们可以得到不同误码率条件下饱和吞吐量与聚合帧长的关系，我们进而就能得到当前信道条件下的最佳帧聚合长度。
步骤4：根据数据帧的剩余延迟调整聚合帧长度。
在车辆自组织网络中，聚合帧的帧长不可能无限期的增大，我们需要用传输延迟来约束帧长，为了保证数据帧的有效性，聚合帧的传输必须在最大可容忍延迟内完成。由步骤1我们已经知道，不同的数据流具有不同的时延要求，一旦某一数据包已经被调度，那么发送端就应该根据已聚合子帧的剩余延迟来预测聚合帧的帧长。当聚合帧获得传输机会时，因为第一个子帧必须在剩余延迟(RD)之前被传输，所以聚合帧的传输成功的时长(Tsucc)必须不大于剩余延迟(RD)：
Tsucc≤RD (15)
为了获得更高的数据吞吐量并且保证聚合帧传输的有效性，最佳帧聚合的长度Lp由下面的公式计算得到：
步骤5：将已调度业务队列中的数据帧进行聚合并传输。
根据公式(16)，我们可以得到当前信道条件下的最佳聚合帧的帧长，我们在IEEE802.11A-MSDU机制下设置了不同的聚合程度，如下表2所示：
表2在A-MSDU机制下的聚合程度
根据当前信道的BER等级和RD等级，车辆计算出最佳的聚合水平，再将子帧封装成聚合帧进行传输。
本发明基于IEEE 802.11协议在MAC层提出了一种自适应的帧聚合方法，聚合帧的长度可根据当前的信道状况和剩余延迟动态调整；本发明将上层传入的数据包划分为三种不同的优先级队列，并且给具有最低剩余延迟的队列赋予最高的传输优先级，从而保证了具有高优先级的信息首先被传输。
以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种车辆自组织网络中的自适应帧聚合方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：划分业务类型，并将来自上层的业务添加到相应的业务队列中；
根据智能交通系统通信网络的要求，用最大可容忍时延参数(DTmax)将来自车载环境下的业务划分为三种类型，分别为与安全有关的实时业务，即业务1、与安全无关的实时业务，即业务2、与安全无关的非实时业务，即业务3；业务1主要包括紧急避障信息和周期性安全信息；业务2主要包括互联网电话和在线视频；业务3最典型的应用就是上网；每一种业务用最大可容忍延迟(DTmax)作为服务质量(QoS)指标的一个参数，DTmax代表数据帧存活的最大周期，最大可容忍延迟越大表示当前业务流具有最低的优先级；表1分别列出了三种优先级所具有的最大可容忍延迟；
表1 三种业务队列的最大可容忍延迟
当上层业务到来时，首先判断当前业务所属的业务类型，并将该业务流添加到相应的业务队列中；
步骤2：根据剩余延迟申请业务调度；
为了保证不同业务类型的服务质量，根据剩余延迟(RD)来申请业务调度，剩余延迟是本业务获得传输机会时刻与失效时刻之间的时间间隔，它的计算公式为：
RD＝DTmax-WD (1)；
在RTS/CTS协议中，WD是当前时刻t与业务到达时刻T0之间等待的时间间隔，用下面的的等式表示为：
WD＝t-T0 (2)；
拥有最小剩余延迟的数据帧将优先被调度，当RD≤0时，当前的数据帧将被丢弃；
步骤3：根据不同信道条件下的饱和吞吐量计算聚合帧长度；
在分析模型中，假设在模型中具有n个移动节点，在一次传输过程中，只有数据帧会发生错误，在一个虚拟时隙中，传输概率τ的计算公式为：
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传输失败的概率p为：
p＝1-(1-Pc)(1-Pe) (4)；
其中，Pc是冲突概率，Pe是信道发生错误的概率，在A-MSDU机制中，Pc和Pe可以由下面的公式分别计算出来：
Pc＝1-(1-τ)n-1 (5)
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其中，Pb表示误码率，LDATA在A-MSDU机制下的帧聚合长度，LMAC_H表示MAC层头部的长度，根据已知的p和τ我们可以计算得到空时隙的概率为：
Pidle＝(1-τ)n (7)；
得到在空时隙中只有一次传输的概率为：
PS＝nτ(1-τ)n-1 (8)；
在不同的网络状况下时隙时长是不同的，当时隙空闲时，时隙时长为：
Ti＝σ (9)；
在RTS/CTS协议中，碰撞发生的时间间隔为：
TC＝TRTS+TDIFS (10)；
如果其中的某一个节点赢得竞争，传输成功和数据错误传输的时间间隔分别表示为：
Tsucc＝TRTS+TSIFS+TCTS+TDATA+TACK+TDIFS (11)；
Terr＝TRTS+2TSIFS+TCTS+TDATA+TDIFS (12)；
其中，TDATA表示在A-MSDU机制下的聚合帧传输的时间；
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其中和分别表示MAC层头部传输的时间和物理层头部传输的时间，RTATA表示数据速率。在非理想信道中，MAC层业务数据单元聚合(A-MSDU)机制下信道的饱和吞吐量可以表示为：
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根据以上公式，得到不同误码率条件下饱和吞吐量与聚合帧长的关系，进而可得到当前信道条件下的最佳帧聚合长度；
步骤4：根据数据帧的剩余延迟调整聚合帧长度；
在车辆自组织网络中，聚合帧的帧长不可能无限期的增大，用传输延迟来约束帧长，为了保证数据帧的有效性，聚合帧的传输必须在最大可容忍延迟内完成；由步骤1已经知道，不同的数据流具有不同的时延要求，一旦某一数据包已经被调度，那么发送端就应该根据已聚合子帧的剩余延迟来预测聚合帧的帧长，当聚合帧获得传输机会时，因为第一个子帧必须在剩余延迟(RD)之前被传输，所以聚合帧的传输成功的时长(Tsucc)必须不大于剩余延迟(RD)：
Tsucc≤RD (15)；
为了获得更高的数据吞吐量并且保证聚合帧传输的有效性，最佳帧聚合的长度Lp由下面的公式计算得到：
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步骤5：将已调度业务队列中的数据帧进行聚合并传输；
根据公式(16)，得到当前信道条件下的最佳聚合帧的帧长，在IEEE802.11A-MSDU机制下设置了不同的聚合程度，如下表2所示：
表2 在A-MSDU机制下的聚合程度
根据当前信道的BER等级和RD等级，车辆计算出最佳的聚合水平，再将子帧封装成聚合帧进行传输。
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| CN201710911788.5A Active CN107864028B (zh) | 2017-09-29 | 2017-09-29 | 一种车辆自组织网络中的自适应帧聚合方法 |
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