CN108471605A - 基于车队的无线信道访问控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于车队无线信道访问控制方法，应用于无线通讯技术领域，为解决现有技术中车辆无线收发设备长时间驻留在控制信道上，不能得到充分的业务数据发送机会的问题，本发明通过对不同车队的头车进行优先级的划分，让它们以不同的发送概率竞争信道，同时也可以根据具体安全告警信息的内容动态的调整发送概率，使得紧急信息优先传递的前提下，实现系统总体性能最优和系统的最大吞吐量。

Description

基于车队的无线信道访问控制方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，特别涉及一种车队的无线信道访问控制技术。

背景技术

车用无线自组织网络(VANETs)，是物联网技术应用于智能交通领域的具体形式。相对于传统的智能交通系统，VANETs具有更多主动性、交互性、实时性和准确性等特性，能够指利用先进传感技术、网络技术、计算技术、控制技术、智能技术，对道路和交通进行全面感知，实现多个系统间大范围、大容量数据的交互，对每一辆汽车进行交通全程控制，对每一条道路进行交通全时空控制，以提供交通效率和交通安全为主的网络与应用。

VANETs里面，信道一般分为控制信道(CCH)和业务信道(SCH)，控制信道中完成控制信令的传输，例如安全告警，服务宣告，以及业务信道的申请。当一对节点在控制信道中完成服务传输的预约后，将跳转至业务信道，进行具体业务数据的传输。在一个帧周期里面，前半部分为控制信道时隙，节点在此期间跳转至控制信道收发信息，后半部分为业务数据时隙，节点在期间跳转至业务信道收发信息，具体帧周期如图1所示。所有的节点都具有相同的计时器，这样的设计框架让通信流程更加清晰，以及避免的在业务信道的冲突，同时有足够的空间在控制信道上进行更为细致的时隙划分，使整个网络具有更好的效率。

目前VANETs中的网络协议并没有考虑到车队这样特殊形态的存在。在交通系统中，一个车队往往由一个车头和它后面的数个成员组成，呈线性排列，并且在一个车队里面，各个成员的位置比较固定，成员与成员之间的间距也不会有太大波动。作为一个车队的车头，与普通车辆相比具有更大的发送和接受功率。按照目前信道的设计，所有车辆都需要不停地在控制信道与业务信道之间不停的跳转来接受或发送信息。如果一辆车，它对控制信道的大部分信息不感兴趣，并且它还拥有大量需要传输的业务数据，按照目前的设计它就得浪费大量的时间在停留在控制信道上，不能得到充分的业务数据发送机会。而现在有车队这样的存在形态，就可以让车头在控制信道额外承担额外责任，对重要进行备份并进行重传，便可以让其车队内的成员只需要在控制信道上停留比较短的时间，从而使得车队成员在整个周期里面拥有更多的时间来进行业务数据的传输。

为了便于本领域的普通技术人员理解本发明内容及背景技术，对如下术语进行定义：

(1)控制信道(CCH)：多个节点共同使用的信道，用于传出控制信息。

(2)业务信道(SCH)：当一对节点达成业务传输的约定后，向基站申请传输业务的信道。

(3)服务质量(QoS，Quality of Service)：网络的一种安全机制，用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。在正常情况下，如果网络只用于特定的无时间限制的应用系统，并不需要QoS。但对于关键应用和多媒体应用就十分必要。当网络过载或拥塞时，QoS能确保重要业务量不受延迟或丢弃，保证网络的高效运行。

(4)分布协调功能(DCF，Distributed Coordination Function)：一种基本的媒质访问协议，允许使用CSMA/CA和一个随机退避过程，在兼容的PHY之上实现自动媒质共享。DCF协议中有一些可以选择的参数，用户可以针对不同的网络情况对之进行调整以提高性能。

(5)载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA，Carrier Sense Multiple Accesswith Collision Avoidance)：一种工作在MAC层的协议，在一个支持多个用户共享资源的共享信道中，由发送者在发送数据前先进行网络的可用性检测的机制。

(6)优先级：当有多个数据等待处理是，决定各个数据接入信道的优先等级的参数。

(7)时隙(aSlotTime)：任何能唯一识别和定义的周期性时段。

(8)AIFS：不同优先级的接入类型在启动或是唤醒退避过程之前等待信道空闲的时间长度。

(9)DIFS：DCF帧间隔，使用DCF的站点，在信道空闲DIFS且退避时间到后传输。

(10)数据碰撞/冲突：当某个接收节点B正在接收发送节点A发出的分组时，网络中其它节点也同时发送分组，从而使节点B无法正确接收到发送节点A发出的分组的现象。

(11)退避过程：在CSMA/CD协议中，一旦检测到冲突，为了降低再冲突的概率，需要等待一个随机时间，然后再试图传输。这一等待随机时间的过程即退避过程。

(12)退避计数器(BC，Backoff Counter)：退避过程中对退避时间的一个记录,在经过初始化之后，每经过一个信道空闲时隙其值将减1。退避计数器的值直接影响着产生的延迟时间的长短。当退避计数器的值较大时，产生的随机退避时间值一般来说较长；当退避计数器的值较小时，产生的随机时间值一般较短。节点退避计数器的值越小，它抢占信道的能力就越强；反之，它抢占信道的能力就越弱。也就是说，退避计数器的值反映了节点接入信道的能力。

(13)请求发送(RTS，Request to Send)分组和允许发送(CTS，Clear to Send)分组:是无线MAC层协议为减少隐藏节点干扰引入的一对控制分组。在发送数据分组前，发送节点和接收节点先通过这对控制分组确立发送接收关系。接收到RTS分组或CTS分组的邻居节点，在RTS分组或CTS分组中规定的时间段内不允许发送数据分组，从而避免了对接收节点的干扰。

(14)竞争窗口值(W)：退避计数器在区间[0,W]上随机地取一个整数值作为其初始值，其中W为DCF的当前竞争窗口值。

(15)冻结状态：在EDCA协议中，当节点侦听到信道转入忙状态时，退避过程将被“冻结”，即停止退避过程，退避计数器也停止递减。

(16)p坚持：适合于时隙信道，当某站准备发送信息时，它首先监听信道，若空闲，便以概率p传送信息，而以概率(1-p)推迟发送。如果该站监听到信道为忙，就等到下一个时隙再重复上述过程。

(17)吞吐量：在某个时刻，在网络中的两个节点之间，提供给应用的剩余带宽。即在没有帧丢失的情况下，设备能够接受的最大速率。

(18)服务宣告(WSA)：当一个节点想要队其他节点提供服务时，发送WSA告知其他节点它所提供的服务类型。

发明内容

为解决现有技术中车辆无线收发设备长时间驻留在控制信道上，不能得到充分的业务数据发送机会的问题，本发明提供一种基于车队无线信道访问控制方法，通过车头集中信息发送减少控制信道中的帧数量，同时减少控制信道中各车辆消息冲突的概率。

本发明的主要创新点有二。其一，在帧周期中划分出重传时隙(REI)，利用车头来进行必要信息备份(例如安全告警信息)，重传时隙到来时，头车把所备份的信息在控制信道上广播，车队成员则跳转到控制信道上进行接收，在其余时间，车队成员就可以停留在业务信道上进行业务数据的收发，这样一来便可以让车队成员充分利用在传统帧周期中在控制信道时隙处于闲置状态的业务信道资源。其二，控制信道时隙期间，在成员完成服务预约后，车头将代表完成预约服务的成员向基站申请业务信道资源并进行再分配，与普通车辆的申请相比，车头所代表的往往不仅仅是一辆车，而是整个车队去申请信道资源，因此申请到业务信道资源的概率会更大，并且由传统的每个车辆发送申请帧相比，由车头集中信息发送的方法大大减少的控制信道中的帧数量，同时也减少了控制信道中各车辆消息冲突的概率。

本发明采用的技术方案为：基于车队无线信道访问控制方法，包括：

S1、对传统帧周期格式进行优化，具体为：在传统帧周期格式的基础上，车头的帧周期中，延长停留在控制信息时隙上的时间，所延长的时间为重传时隙；车队成员的帧周期中，采用业务数据时隙代替车头帧周期格式中控制信息时隙的安全告警时隙，服务宣告时隙和服务确认时隙；

S2、车队成员在车头中注册所感兴趣的服务类型；

S3、车头在控制信道中接收安全告警信息，服务宣告，若服务宣告中的服务类型与车队成员注册的所感兴趣的服务类型相同，则车头发送ACK对该服务进行确认；

S4、完成服务预约后，车头向基站申请业务信道资源；

S5、重传时隙来临，车队成员跳转至控制信息时隙，车头对安全告警信息进行重传，并发送预约好的服务信息；

S6、车队成员根据接收到的服务信息，跳转至业务数据时隙接收服务数据。

进一步地，步骤S3所述车头还包括对重要信息进行备份。

更进一步地，步骤S5重传时隙时，还包括车头将备份的重要信息在控制信道上进行广播，然后车队成员跳转至控制信道。

进一步地，步骤S5中还包括车头数量大于或等于两辆时，各车头在重传时隙竞争发送安全告警信息。

更进一步地，具体包括以下步骤：

A1、各车头根据自身所在车队的规模得出各自的优先级；

A2、各车头根据自身优先级设置各自的重传概率，并根据各自的重传概率计算各自对应的发送概率；

A3、各车头根据各自对应的发送概率在重传时隙竞争发送安全告警信息，优先级越高的车头发送概率越大。

进一步地，步骤A1还包括根据车头优先级计算IEEE 802.11标准中的AIFS，对于各优先级的AIFS具体计算式如下：

AIFS[AC_i]＝SIFS+AIFSN[AC_i]×aSlotTime

其中，AC_i表示第i种车队规模类型对应的优先级，SIFS表示短帧帧间隔，aSlotTime表示一个时隙，AIFSN[AC_i]表示需要侦听的信道空闲时隙数目。

进一步地，步骤A2中还包括：采用多优先级的Markov链模型，计算车头重传概率的最优值；所述多优先级的Markov链模型具体为：

用两元组{s(i,t),c(i,t)}表示t时刻的退避过程状态，令随机变量L_i代表车头i的最大重传次数，随机变量W_(i,m)表示车头i在s(i,t)＝m退避阶段的竞争窗口大小，则s(i,t)∈[0,L_i],c(i,t)∈[0,W_(i,m)]，当节点每经过一个空闲时隙，退避计数器BC减1；随着时间推移，{s(i,t),c(i,t)}构成了一个二维的离散时间马尔可夫链随机过程；根据各车头的马尔可夫状态转移图，得到各车头对应的一步的转移概率公式；通过求解各车头对应的一步的转移概率公式，得到对应车头的重传概率的最优值；

其中，s(i,t)表示车头i在t时刻的退避阶段，c(i,t)表示车头i在t时刻的回退计数器的值。

本发明的有益效果：在无线自组织网络中，随着车辆数目的增加，为了让安全告警信息得到及时的传递，让更多的车辆尤其是车队成员及时接受，本发明的基于车队的无线信道访问控制方法通过对不同车队的头车进行优先级的划分，让它们以不同的发送概率竞争信道，同时也可以根据具体安全告警信息的内容动态的调整发送概率，使得紧急信息优先传递的前提下，实现系统总体性能最优和系统的最大吞吐量；本发明具备以下优点：

1)在帧周期中划分出重传时隙(REI)，利用车头来进行必要信息备份(例如安全告警信息)，重传时隙到来时，头车把所备份的信息在控制信道上广播，车队成员则跳转到控制信道上进行接收，在其余时间，车队成员就可以停留在业务信道上进行业务数据的收发，这样一来便可以让车队成员充分利用在传统帧周期中在控制信道时隙处于闲置状态的业务信道资源；

2)控制信道时隙期间，在成员完成服务预约后，车头将代表完成预约服务的成员向基站申请业务信道资源并进行再分配，与普通车辆的申请相比，车头所代表的往往不仅仅是一辆车，因此申请到业务信道资源的概率会更大，并且由传统的每个车辆发送申请帧相比，由车头集中信息发送的方法大大减少的控制信道中的帧数量，同时也减少了控制信道中各车辆消息冲突的概率。

附图说明

图1为传统帧周期格式。

图2为本发明实施例提供的车头的帧周期格式。

图3为本发明实施例提供的车队成员的帧周期格式。

图4为本发明实施例提供的多个车头重传时隙竞争发送安全告警信息流程图。

图5为本发明实施例提供的车头A的马尔可夫状态转移图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

在无线自组织网络中，随着车辆数目的增加，为了让安全告警信息得到及时的传递，让更多的车辆尤其是车队成员及时接受，本发明的基于车队的无线信道访问控制方法通过对不同车队的头车进行优先级的划分，让它们以不同的发送概率竞争信道，同时也可以根据具体安全告警信息的内容动态的调整发送概率，使得紧急信息优先传递的前提下，实现系统总体性能最优和系统的最大吞吐量。

本发明的基于车队无线信道访问控制方法，包括：

S1、对传统帧周期格式进行优化，具体为：在传统帧周期格式的基础上，车头的帧周期中，延长停留在控制信息时隙上的时间，所延长的时间为重传时隙；车队成员的帧周期中，采用业务数据时隙代替车头帧周期格式中控制信息时隙的安全告警时隙，服务宣告时隙和服务确认时隙；

本发明中车头与车队成员采用了不同的帧周期，如图2所示，在车头的帧周期中，延长了停留在控制信道上的时间，延长的这部分即为重传时隙(REI)。如图3所示，在车队成员的帧周期中，便没有了传统帧周期中前半部分的控制信道时隙，取而代之的是业务数据时隙，它同样拥有重传时隙，并在时间上与车头的重传时隙对齐。

本发明通过对车头与车队成员的帧周期进行改进设计，使得成员停留在控制信道的时间由以前周期一半的时间缩短为重传时隙的时长，更长的时间停留在业务信道上，这些以前因为控制时隙而闲置的业务信道，如今能得到充分的利用，车队成员也能更有效率的进行业务数据收发。

S2、车队成员在车头中注册所感兴趣的服务类型；

S3、车头在控制信道中接收安全告警信息，服务宣告，若服务宣告中的服务类型与车队成员注册的所感兴趣的服务类型相同，则车头发送ACK对该服务进行确认；车头还包括对重要信息(例如安全告警信息)进行备份，重传时隙到来时，车头把所备份的信息在控制信道上广播，例如通过安全告警时隙广播安全告警信息。

S4、完成服务预约后，车头向基站申请业务信道资源；

S5、重传时隙时，车队成员跳转至控制信道，车头对安全告警信息进行重传，并发送预约好的服务信息；如果存在两个或以上的车队，将会存在多个车头信息发送冲突的情况，为此本发明提出了一个基于p坚持的发送算法来解决冲突的问题。

在p坚持的算法中，不同的节点对应着不同的优先级，同时也对应着不同的发送概率p。因此首先需要对车队的优先级进行划分。不同的车队一般来说规模不同，规模越大的车队其车头广播的需求也越高，因此，本发明根据车队的规模来进行优先级的划分，每个车头将根据自身的规模得出一个发送概率p。

产生信息冲突的原因是多个发送节点在地理位置靠近的情况下，在同一信道的同一时隙发送信息，而在交通系统中，安全告警信息在一个区域内对于该区域内的所有车辆是相同的，因此可以认为，上述存在冲突风险的多个车队的车头，其所广播的安全告警信息内容是相同的。在这种假定下，如果一个车队的车头所广播的安全告警信息，让其他车队的所有成员都成功接收了，那么其他车队的车头就没有再次广播的必要了。

成员在接收到安全告警后需要进行确认以表示接受成功，但如果所有成员都需要发送ACK的话，对长度有限的重传时隙无疑是极大的负担，在本发明中，将在每个车队中指定特殊成员，如果特殊成员回复了ACK，则代表该车队的所有成员都成功接收了安全告警信息。一般来说，越靠近车头接受成功的信息越大，可以这样认为，当位于位置i的车队成员接收到了安全告警信息，那么位置i之前的成员则都接收到了该信息。如此一来，只要一个车队位于末尾的成员确认了信息，那么可以认为整个车队的安全告警广播成功。但这是在不考虑其他车头干扰的情况，如果A车队刚巧在B车队之后，那么A车队末尾的成员明显更容易接收到B车队的车头的广播，极有可能，A车队末尾的成员回复了安全告警的确认，而前面的成员并没有收到安全告警信息。因此为了保险起见，假定一个车队的最前面的成员和最末的成员回复了安全告警信息确认，则认为该车队内的安全告警信息广播成功。

以下结合具体实例对车头的p坚持算法进行详细的描述：

本发明所述的无线信道访问控制方法的各项参数符合IEEE 802.11标准。根据IEEE802.11p标准，定义了W_min和W_max的值，高优先级信息对应的EDCA参数((EnhancedDistributed Channel Access)IEEE 802.11e EDCA中虚拟碰撞问题的一种解决策略)为：AIFSN＝2，W_min＝7，W_max＝15。低优先级对应的EDCA参数为，AIFSN＝3，W_min＝15，W_max＝31。图2中AIFS的大小由下式确定：

AIFS[AC_i]＝SIFS+AIFSN[AC_i]×aSlotTime

不同的AIFS(Arbitration inter-frame space区分的信道吞吐率分析模型)设置使得不同优先级的节点在启动或是唤醒退避过程之前等待信道空闲的时间长度不等，AIFS越小，其等待时间越短。同等情况下，较小的AIFS设置可以提高退避计数器递减到0的速率，因此，高优先级的节点通常采用较小的AIFS设置。

车头竞争重传时隙的信道流程如图4所示。假定场景中存在两个车队A和B，车头和成员分别采用如图2、图3所描述的帧周期。具体的流程包括以下步骤：

1)车头A和B根据自身所在车队的规模得出它拥有的优先级；

2)车头A和B根据自身的优先级设置不同的重传概率p_a和p_b，对发送概率进行求解。

3)根据所求的发送概率，两个车头在重传时隙竞争发送安全告警信息；当信道空闲时，则按照对应的发送概率进行重传，若是信道忙，则启动退避计数器，计数完成后进行重传，若是发生碰撞则重新计数。

在1)中，本实施例假定车队A和B的规模分别为K_a和K_b，规模越大，对应的优先级越高，从而AIFSN越小，根据这一思路，本实施例设定车头的N为常数，这样车头A和车头B的AIFSN分别为和

在2)中，本发明将提出了一种多优先级的Markov链模型，计算出p_a和p_b的最优值。具体如下。

本发明用两元组{s(i,t),c(i,t)}表示t时刻的退避过程状态，其中s(i,t)表示车头i在t时刻的退避阶段，c(i,t)表示车头i在t时刻的回退计数器的值，令随机变量L_i代表车头i的最大重传次数，随机变量W_(i,m)表示车头i在s(i,t)＝m退避阶段的竞争窗口大小，则s(i,t)∈[0,L_i],c(i,t)∈[0,W_(i,m)]，为了方便计算，假定一个车头在各个阶段的竞争窗口W是相同的。当节点每经过一个空闲时隙，退避计数器BC减1；随着时间推移，{s(i,t),c(i,t)}构成了一个二维的离散时间马尔科夫链随机过程，另p_a为车头A的发送概率，p_b为车头B的发送概率，以车头A为例，其状态转移图如图5所示。

根据图5，可以得到MarKov的一步的转移概率公式如下。

P{(j+1,k-1)|(j,k)}＝(1-p_b),0≤j≤L-1,0≤k≤W

另b_(i,j)代表MarKov链中的各个状态的稳态概率。

根据正则规划条件:∑∑b_(i,j)＝1

进一步地：

已知则可以得到

根据图4还可以得到：

另

联立上式，可以计算而出车头A的发送概率p_a为：

在上述等式中，p_b为未知量，可以用传输过程的冲突概率p₁替代它，即可进行求解。采用同样的方法可以计算得出车头B的发送概率p_b，即计算车头发送概率通用公式为：

其中，p为不同优先级车头的发送概率，p₁为数据碰撞的概率，即冲突概率，k与n没有具体的物理含义，在本发明中为了便于计算引入的变量，且

S6、车队成员根据接收到的服务信息，跳转至业务信道接收服务数据。

特别的，若多个车队规模类型一致，则其重传概率一致，计算得到的发送概率也相同，那么两个车头将以同样的概率对重传时隙进行竞争接入。

此外，如果存在3个或以上的车头，可将每个车头的信息发送看做是独立事件，对于一个车头而言，可以通过冲突概率对场景内单个车头发送成功的概率进行估计，从而得出自身的发送概率。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.基于车队无线信道访问控制方法，其特征在于，包括：

S1、对传统帧周期格式进行优化，具体为：在传统帧周期格式的基础上，车头的帧周期中，延长停留在控制信息时隙上的时间，所延长的时间为重传时隙；车队成员的帧周期中，采用业务数据时隙代替车头帧周期格式中控制信息时隙的安全告警时隙，服务宣告时隙和服务确认时隙；

S2、车队成员在车头中注册所感兴趣的服务类型；

S3、车头在控制信道中接收安全告警信息，服务宣告，若服务宣告中的服务类型与车队成员注册的所感兴趣的服务类型相同，则车头发送ACK对该服务进行确认；

S4、完成服务预约后，车头向基站申请业务信道资源；

S5、重传时隙来临，车队成员跳转至控制信息时隙，车头对安全告警信息进行重传，并发送预约好的服务信息；

S6、车队成员根据接收到的服务信息，跳转至业务数据时隙接收服务数据。

2.根据权利要求1所述的基于车队无线信道访问控制方法，其特征在于，步骤S3所述车头还包括对重要信息进行备份。

3.根据权利要求2所述的基于车队无线信道访问控制方法，其特征在于，步骤S5重传时隙时，还包括车头将备份的重要信息在控制信息时隙上进行广播，然后车队成员跳转至控制信息时隙。

4.根据权利要求3所述的基于车队无线信道访问控制方法，其特征在于，步骤S5中还包括车头数量大于或等于两辆时，各车头在重传时隙竞争发送安全告警信息。

5.根据权利要求4所述的基于车队无线信道访问控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

A1、各车头根据自身所在车队的规模得出各自的优先级；

A2、各车头根据自身优先级设置各自的重传概率，并根据各自的重传概率计算各自对应的发送概率；

A3、各车头根据各自对应的发送概率在重传时隙竞争发送安全告警信息，优先级越高的车头发送概率越大。

6.根据权利要求5所述的基于车队无线信道访问控制方法，其特征在于，步骤A1还包括根据车头优先级计算IEEE 802.11标准中的AIFS，对于各优先级的AIFS具体计算式如下：

AIFS[AC_i]＝SIFS+AIFSN[AC_i]×aSlotTime

其中，AC_i表示第i种车队规模类型对应的优先级，SIFS表示短帧帧间隔，aSlotTime表示一个时隙，AIFSN[AC_i]表示需要侦听的信道空闲时隙数目。

7.根据权利要求6所述的基于车队无线信道访问控制方法，其特征在于，步骤A2中还包括：采用多优先级的Markov链模型，计算车头重传概率的最优值；所述多优先级的Markov链模型具体为：

用两元组{s(i,t),c(i,t)}表示t时刻的退避过程状态，令随机变量L_i代表车头i的最大重传次数，随机变量W_(i,m)表示车头i在s(i,t)＝m退避阶段的竞争窗口大小，则s(i,t)∈[0,L_i],c(i,t)∈[0,W_(i,m)]，当节点每经过一个空闲时隙，退避计数器BC减1；随着时间推移，{s(i,t),c(i,t)}构成了一个二维的离散时间马尔可夫链随机过程；根据各车头的马尔可夫状态转移图，得到各车头对应的一步的转移概率公式；通过求解各车头对应的一步的转移概率公式，得到对应车头的重传概率的最优值；

其中，s(i,t)表示车头i在t时刻的退避阶段，c(i,t)表示车头i在t时刻的回退计数器的值。