CN109819474A - 车载自组织网络中基于分簇的多优先级mac协议制定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及车载自组织网络中基于分簇的多优先级MAC协议制定方法，协议采用基于移动感知的簇头选举算法与多优先级接入信道机制，在保证安全信息优先访问的前提下，减少并发接入信道的节点数目，增加信道吞吐量，延长簇头寿命；同时提出了无竞争预约服务信道的方法，使簇头为簇内活动节点预约信道，避免信道冲突，降低碰撞概率。通过以上技术，在网络拓扑结构频繁变化的车载自组织网络中，降低了安全信息的平均时延，增大了服务信道的吞吐量，并且对不同交通情况具有更好的适应性。

Description

车载自组织网络中基于分簇的多优先级MAC协议制定方法

技术领域

本发明涉及一种应用于交通中基于分簇的多优先级MAC协议，属于车载自组织网络技术领域。

背景技术

车载自组网(Vehicular Ad-hoc NETwork，VANET)是传统移动自组织网在交通领域的重要应用，其通过车载单元(On-Board Unit，OBU)和路侧单元(Road Side Unit，RSU)实现车与车、车与道路间的双向通信。美国IEEE 1609工作组在IEEE 802.11p标准基础上，根据VANET的特殊需求为其制定了IEEE 1609.4标准。该标准将75MHz的专用带宽划分成1条控制信道(Control CHannel，CCH)和6条服务信道(Service CHannel，SCH)，并规定了信道接入的同步周期为100ms。由于固定的同步周期划分不适合高移动性的车载网络环境，因此，研究一种适合VANET环境的高效、可靠的MAC协议具有重要意义。

目前，车载自组织网络MAC协议按节点切换信道的工作方式分为时间同步切换和时间异步切换。在时间同步MAC协议中，AOCM有效地提高了信道吞吐量，但在数据周期内会造成CCH资源的浪费。Self-sorting MAC采用自排序过程形成队列，按照队列顺序访问信道，减少时延但时间同步所导致的信道空闲问题仍然存在DMMAC虽基于簇的分配机制在信道空间利用率上占有很大优势，但为保证簇内成员间的可靠通信，簇头传输范围减小，从而影响到安全应用的性能。在时间异步MAC协议中，AMMAC将50ms首尾相接的控制周期分成100个等长的时间槽，按照优先级的高低分配不同数量的时间槽，每个节点随机选择时间槽接入信道，安全消息不受这种约束。但这种时间槽分配与选择机制略显复杂进而影响协议的运行稳定性。为了解决这个问题，ATMP采用简单的时分复用机制将周期分成5个时隙，节点等概率随机选择接入时隙，携带服务信息的节点只有在自己时隙内才能竞争信道，这减少了控制信道上的碰撞概率，但不适用于稀疏网络环境，不具备一般性。VER-MAC允许节点在控制周期和数据周期内各广播一次安全信息，提高了安全信息的可靠性，但传输安全信息时，较高的计算复杂度会增大网络时延。综上所述，这些协议都不适合车载自组织网络的特殊环境。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种车载自组织网络中基于分簇的多优先级MAC协议制定方法，该协议采用多优先级访问信道机制，将控制信道传输的信息划分成不同类别，以确保高优先级信息的实时可靠的传输。并通过基于移动位置感知的分簇算法，增强簇的稳定性，在分簇的基础上实现服务信道预约，有效地降低碰撞概率，从而增大信道的吞吐量。

为了实现上述目的，本发明创造采用的技术方案为：车载自组织网络中基于分簇的多优先级MAC协议制定方法，其特征在于：其步骤为：

1)、工作部署：

1.1)节点：网络中的节点完成分簇过程后，由簇头结点，簇成员节点以及其他孤儿节点(没有加入到任何簇且独立存在网络中的节点)组成，每个簇头节点代表簇内活动节点预约服务信道，通过存储的簇成员信息表、簇活动成员预约表及信道可用表完成对服务信道的无竞争访问；

1.2)时间异步：不进行服务信息收发的节点，继续监听控制信道；进行服务信息收发的节点按照所提出的预约信道方法对服务信道进行无竞争的访问；当节点预约信道完成时，转到已预约的信道上，进行有关服务信息的传输；服务信息全部传输完成后，节点转到控制信道继续监听；

1.3)多优先级访问信道机制：将在控制信道上传递的信息分为三种类型：紧急事件驱动型信息，一般信标信息和非紧急控制信息，优先级依次降低；通过该机制，将控制周期分为以下三个阶段：紧急阶段，周期阶段，服务阶段；

2)初始时刻：网络中的节点如有紧急的安全消息将会在控制信道上广播，所有紧急的安全消息广播结束后，进入到周期阶段；

3)周期阶段：节点广播其扩展的信标帧，路侧单元RSU协助网络中的节点完成簇头选举过程；

4)簇头选举完成后，簇头将在其传输范围内广播簇头消息完成节点入簇过程；此时如有新节点进入网络，则执行步骤5)；否则执行步骤6)；

5)新节点入网后，将会监听信道是否收到簇头信息，如是，加入到该簇；否则，进行新节点入簇过程；

6)同步周期进入到服务阶段：WAVE服务提供商向网络中所有节点广播其分组；

7)对该服务该兴趣的节点会预约服务信道，按照所排顺序成功预约后，相应的节点立即切换到已预约的服务信道进行服务消息的传输；若节点没有服务信息进行传输，继续监听控制信道CCH。

所述的步骤1)中，

所述的簇成员信息表中包括簇成员ID，可用信道编号，簇头系数，实际位移及其它如加速度、速度和方向等基本信息；

所述的簇活动成员预约表中包括活动成员ID，预约信道编号，预约信道时隙及传输数据开始时间；

所述的信道可用表中包括可用信道编号及信道可用时隙。

所述的1.3)多优先级访问信道机制具体如下：

网络中的节点均采用IEEE 802.11e增强型分布式协调接入机制；在该机制中，不同优先级接入类型使用可变的仲裁帧间间隔和竞争窗口来获得不同的访问信道机会；当信道空闲时，对于竞争信道的节点，改变AIFS和竞争窗口的大小执行延时退避，仲裁帧间间隔为：

其中：

AC_i为第i种优先级接入类型；

AIFSN为仲裁帧间间隔数，

SlotTime为一个时隙的长度；

SIFS为常量短帧帧间间隔；

设置AC₁，AC₂，AC₃的AIFSN值分别为2，2，3；竞争窗口分别为7,15,15；相较于AC₂和AC₃的分组，AC₁的分组具有较小的AIFS和CW值，其在传输前将获得较高的传输概率和较少的退避时间；

根据多优先级访问机制，控制周期包括以下三个阶段：紧急阶段，用来传输紧急的安全信息；周期阶段，用来广播扩展的Beacon；服务阶段，用来传输新增节点的扩展Beacon和WSA服务、发送请求帧以及确认帧。

所述的步骤3)中，簇头选举参数的计算：

3.1)簇头系数的提出及其量化标准：

3.1.1)簇头系数的提出：

提出簇头选择参数：簇头系数CCP，并将此参数写入信标帧中；在周期阶段，每个节点在信标帧中扩展以下三个部分来完成簇头的选举过程：(1)自身ID；(2)所属簇簇头ID；(3)簇头参数；

3.1.2)簇头系数的量化标准

(1)位置信息：网络中每辆车计算其最佳簇头位置及距最佳簇头的距离，第i个节点以自身的位置为原点，自身的行驶方向为x轴正半轴建立直角坐标系；假设第i个节点的传输范围内有n_i个邻居节点，每个邻居节点的位置通过坐标表示出来；最佳簇头的坐标和第i个节点到最佳簇头的距离的计算方法，如下：

其中：x_OC为最佳簇头的横坐标；

y_OC为最佳簇头的纵坐标；

x_k为k个节点的横坐标；

y_k为第k个节点的纵坐标；

n_i为第i个节点传输范围内的邻居节点数量；

d_i为第i个节点到最佳簇头的距离。

(2)速度信息：网络中车辆计算其平均相对速度，第i个节点的传输范围内有n_i个邻居节点，其邻居节点的速度为那么平均相对速度和最大相对速度，如下式计算：

其中：为第i个节点的平均相对速度；

v_i为第i个节点的速度；

v_k为第i个节点传输范围内第k个节点的速度；

n_i为第i个节点传输范围内的邻居节点数量；

v_max为第i个节点的最大相对速度。

(3)行驶方向信息：每辆车计算其传输范围内与之同向的车辆个数，第i个节点的传输范围内有n_i个邻居节点，速度同2)，那么其同向车个数可通过下面的公式求得：

其中：N_sd为第i个节点传输范围内行驶方向相同的节点数量；

n_i为第i个节点传输范围内邻居节点数量；

v_i为第i个节点的速度；

为第i个节点传输范围内邻居节点的速度。

(4)簇头系数的计算方法：为在未来时刻使簇头和簇内成员仍处于彼此通信范围内，避免频繁变换簇结构，此刻应选择簇头系数较大的节点，簇头系数越大代表其成为簇头的可能性越大；公式如下：

其中：α，β，λ为感知位置量化标准的三个权值，且设置α＝0.4，β＝λ＝0.3；

P_s为位置量化标准；P_o为速度量化标准；P_c为方向量化标准；

R为节点的传输半径；

d_i为第i个节点到最佳簇头的距离；

v_i为第i个节点的速度；

v_k为第i个节点传输范围内第k个邻居节点的速度；

v_max为第i个节点传输范围内最大的相对速度；

n_i为第i个节点传输范围内邻居节点的数量。

所述的步骤5)新节点入簇的过程，具体步骤如下：

5.1)新节点进入该网络时，将会发送CFR；

5.2)在设定时间内，节点是否收到CFA；若收到，节点立即在CCH上广播其信标信息，CH监听到其信标信息会自动更新簇成员信息表，节点成为该簇的成员，新节点成功加入簇；如该节点的CCP符合簇头选举标准，节点将会被选举为新的簇头；如果节点收到不止一个CFA包，选择簇头ID号较小的簇加入，否则，执行步骤5.3)；

5.3)新节点将暂时成为一个孤儿节点，不属于任何簇也不属于此网络；判断节点是否收到CFR，若收到，该节点将会与发送CFR的源节点组成一个新簇，簇头可随机选取；否则，转回步骤5.1)。

步骤7)服务信道的预约与选择过程，如下：

7.1)活动节点的预约：其它节点监听到该WSA分组，若对该服务感兴趣，就会向CH发送一个预约声明，表明自己有信息要在服务信道SCH上传输，执行步骤7.2)；否则，节点将会继续监听CCH。

7.2)CH完善簇活动成员预约表：CH将会收集簇内所有活动节点声明，首先为活动节点分配可用信道：对照簇成员信息表中活动节点传输所用信道编号与WSA分组的信道编号，取其编号相同的信道来完成预约过程；如有多个，可随机选取一个；CH就会为该节点预约此信道进行服务消息的传输；之后CH将为活动节点分配可用时隙：基于CUL的信道可用时隙，按照所排顺序为节点预约信道。在预约信息写入ARL之前，CH会检查预约信道号是否与预约表中已有预约信道号有冲突。如有冲突，就会在其开始传输时间上加一个等待时隙，等待时隙为信道释放时间加上保护间隔。

7.3)CH向服务提供商发送RTS：簇内所有活动节点的预约信息全部写入ARL后，CH将从[0,We]中随机选择一个时隙向服务提供商发送包括活动成员预约表及服务提供商ID的RTS并在簇内广播ARL；其它CH监听到RTS根据帧内信息更新自己的CUL；其中We为安全消息的竞争窗口。

7.4)服务提供商向CH回复CTS；帧中包括自身ID和簇头ID；若CTS成功接收，表明信道预留成功；相应节点立即切换到已预约SCH进行服务信息的传输，传输完成后，立即释放信道，继续监听控制信道。

所述的步骤7)中所述信道内活动节点的排序具体如下：将簇头指定为参照物，簇头前方节点到簇头的距离为正，反之为负；与簇头同向的方向系数为1，反之为-1；

定义a_dis为实际位移，其意义为簇成员离开本簇的可能性，由下式计算：

a_dis＝μ·s

其中μ表方向系数，s代表簇头到簇成员真正距离。a_dis值越大的节点离开簇的可能性越大，因此要先为a_dis值大的节点预约信道，当a_dis值相同时将会看μ的取值，将μ值为负的节点顺序排到前面。

本发明创造的有益效果为：本发明采用上述方案，充分考虑车载自组织网络的特殊环境，提出一种保证安全信息实时且可靠的MAC协议。该协议将控制信道传输的信息划分成不同类别，以确保高优先级信息的实时可靠的传输。并通过基于移动位置感知的分簇算法，增强簇的稳定性，在分簇的基础上实现服务信道预约，有效地降低碰撞概率，从而增大信道的吞吐量。在交通稀疏时本发明所提供的协议会为节点预约更多的服务信息；在交通密集时，在保证与安全有关的信息可靠传输的基础上，使服务信道得到充分利用，达到控制信道和服务信道较为均衡的状态。

附图说明

图1 VANET情景分簇示意图。

图2协议同步周期框架图

图3 ACMP信标帧结构图。

图4新节点入簇流程图。

图5簇内活动节点排序示意图。

具体实施方式

车载自组织网络中基于分簇的多优先级MAC协议制定方法，网络中的节点采用改进的时间异步工作方式切换信道并按照多优先级访问信道机制接入信道；在周期(Beacon)阶段采用基于移动感知的簇头选举算法完成分簇过程；在服务阶段采用无竞争的预约与选择服务信道策略降低碰撞概率。

具体步骤如下：

1)、执行本协议的部署工作：

1.1)节点功能：网络中的节点完成分簇过程后，由簇头结点，簇成员节点以及其他孤儿节点(没有加入到任何簇且独立存在网络中的节点)组成。每个簇头节点代表簇内活动节点预约服务信道，通过存储如下三张表完成对服务信道的无竞争访问：

(1)簇成员信息表MIL。表中包括簇成员ID，可用信道编号，簇头系数，实际位移及其它如加速度、速度和方向等基本信息。

(2)簇活动成员预约表ARL。表中包括活动成员ID，预约信道编号，预约信道时隙及传输数据开始时间。

(3)信道可用表CUL。表中包括可用信道编号及信道可用时隙。

1.2)时间异步：不进行服务信息收发的节点，继续监听控制信道CCH；进行服务信息收发的节点按照所提出的预约信道方法对服务信道进行无竞争的访问。当节点预约信道完成时，就会立刻转到已预约的信道上，进行有关服务信息的传输。服务信息全部传输完成后，节点转到控制信道继续监听。为使当前网络中的新节点监听到紧急消息，所有簇头节点将会在同步周期的空闲时隙进行广播。

1.3)多优先级访问信道机制：将在控制信道上传递的信息分为三种类型：紧急的事件驱动型信息，一般的信标信息和非紧急的控制信息，优先级依次降低。通过该机制，将控制周期分为以下三个阶段：紧急阶段，周期阶段，服务阶段。

多优先级访问信道机制具体如下：

网络中的节点都应采用IEEE 802.11e增强型分布式协调接入机制。在该机制中，不同优先级接入类型(Access Category，AC)使用可变的仲裁帧间间隔(ArbitrationInter Frame Space，AIFS)和竞争窗口(Contention Windows，CW)来获得不同的访问信道机会。当信道空闲时，对于竞争信道的节点，改变AIFS和竞争窗口的大小执行延时退避，仲裁帧间间隔为：

其中：

AC_i为第i种优先级接入类型；

AIFSN为仲裁帧间间隔数，

SlotTime为一个时隙的长度；

SIFS为常量短帧帧间间隔；

设置AC₁，AC₂，AC₃的AIFSN值分别为2，2，3；竞争窗口分别为7,15,15；相较于AC₂和AC₃的分组，AC₁的分组具有较小的AIFS和CW值，其在传输前将获得较高的传输概率和较少的退避时间。

根据多优先级访问机制，控制周期包括以下三个阶段：紧急阶段，用来传输紧急的安全信息SA(safety)；周期阶段，用来广播扩展的Beacon；服务阶段，用来传输新增节点的扩展Beacon和WSA(Wave Service Advertisement，WSA)服务、发送请求帧(Request ToSend，RTS)以及确认帧(Clear To Send，CTS)。

2)初始时刻：网络中的节点如有紧急的安全消息将会在控制信道上广播，所有紧急的安全消息广播结束后，进入到周期阶段。

3)周期阶段：节点广播其扩展的信标帧，路侧单元(RSU)协助网络中的节点完成簇头选举过程。

簇头选举参数的计算：

3.1)簇头系数的提出及其量化标准：

3.1.1)簇头系数的提出：

为保证簇的有效运行时间和稳定程度，提出了簇头选择参数：簇头系数(CCP)，并将此参数写入信标帧中。在周期阶段，每个节点在信标帧中扩展以下三个部分来完成簇头的选举过程：(1)自身ID，占8byte；(2)所属簇簇头ID，占8byte；(3)簇头参数，占4byte。

3.1.2)簇头系数的量化标准

(1)位置信息：网络中每辆车计算其最佳簇头位置及距最佳簇头的距离，第i个节点以自身的位置为原点，自身的行驶方向为x轴正半轴建立直角坐标系；假设第i个节点的传输范围内有n_i个邻居节点，每个邻居节点的位置通过坐标

表示出来；最佳簇头的坐标和第i个节点到最佳簇头的距离的计算方法，如下：

其中：x_OC为最佳簇头的横坐标；

y_OC为最佳簇头的纵坐标；

x_k为k个节点的横坐标；

y_k为第k个节点的纵坐标；

n_i为第i个节点传输范围内的邻居节点数量；

d_i为第i个节点到最佳簇头的距离。

(2)速度信息：网络中车辆计算其平均相对速度，第i个节点的传输范围内有n_i个邻居节点，其邻居节点的速度为那么平均相对速度和最大相对速度，如下式计算：

其中：为第i个节点的平均相对速度；

v_i为第i个节点的速度；

v_k为第i个节点传输范围内第k个节点的速度；

n_i为第i个节点传输范围内的邻居节点数量；

v_max为第i个节点的最大相对速度。

(3)行驶方向信息：每辆车计算其传输范围内与之同向的车辆个数，第i个节点的传输范围内有n_i个邻居节点，速度同2)，那么其同向车个数可通过下面的公式求得：

其中：N_sd为第i个节点传输范围内行驶方向相同的节点数量；

n_i为第i个节点传输范围内邻居节点数量；

v_i为第i个节点的速度；

为第i个节点传输范围内邻居节点的速度。

(4)簇头系数的计算方法：为在未来时刻使簇头和簇内成员仍处于彼此通信范围内，避免频繁变换簇结构，此刻应选择簇头系数较大的节点，簇头系数越大代表其成为簇头的可能性越大；公式如下：

其中：α，β，λ为感知位置量化标准的三个权值，且设置α＝0.4，β＝λ＝0.3；

P_s为位置量化标准；P_o为速度量化标准；P_c为方向量化标准；

R为节点的传输半径；

d_i为第i个节点到最佳簇头的距离；

v_i为第i个节点的速度；

v_k为第i个节点传输范围内第k个邻居节点的速度；

v_max为第i个节点传输范围内最大的相对速度；

n_i为第i个节点传输范围内邻居节点的数量。

4)簇头选举完成后，簇头将在其传输范围内广播簇头消息完成节点入簇过程；此时如有新节点进入网络，则执行步骤5)；否则执行步骤6)。

5)新节点入网后，将会监听信道是否收到簇头信息，如是，加入到该簇；否则，进行新节点入簇过程。

所述的步骤5)新节点入簇的过程，具体步骤如：

5.1)新节点进入该网络时，将会发送CFR(请求加入簇数据包)；

5.2)在设定时间内，节点是否收到CFA(允许加入簇数据包)；若收到，节点立即在CCH上广播其信标信息，CH监听到其信标信息会自动更新簇成员信息表，节点成为该簇的成员，新节点成功加入簇。如该节点的CCP符合簇头选举标准，节点将会被选举为新的簇头。如果节点收到不止一个CFA包，选择簇头ID号较小的簇加入，否则，执行步骤5.3)；

5.3)新节点将暂时成为一个孤儿节点，不属于任何簇也不属于此网络；判断节点是否收到CFR，若收到，该节点将会与发送CFR的源节点组成一个新簇，簇头可随机选取；否则，转回步骤5.1)。

6)同步周期进入到服务阶段：WAVE服务提供商向网络中所有节点广播其分组。

7)对该服务该兴趣的节点会预约服务信道，按照所排顺序成功预约后，相应的节点立即切换到已预约的服务信道进行服务消息的传输；若节点没有服务信息进行传输，继续监听控制信道CCH。

步骤7)服务信道的预约与选择过程，如下：

7.1)活动节点的预约：其它节点监听到该WSA分组，若对该服务感兴趣，就会向CH发送一个预约声明，表明自己有信息要在服务信道SCH上传输，执行步骤7.2)；否则，节点将会继续监听CCH。

7.2)CH完善簇活动成员预约表：CH将会收集簇内所有活动节点声明，首先为活动节点分配可用信道：对照簇成员信息表中活动节点传输所用信道编号与WSA分组的信道编号，取其编号相同的信道来完成预约过程。如有多个，可随机选取一个。CH就会为该节点预约此信道进行服务消息的传输；之后CH将为活动节点分配可用时隙：基于CUL的信道可用时隙，按照所排顺序为节点预约信道。在预约信息写入ARL之前，CH会检查预约信道号是否与预约表中已有预约信道号有冲突。如有冲突，就会在其开始传输时间上加一个等待时隙，等待时隙为信道释放时间加上保护间隔GI。

7.3)CH向服务提供商发送RTS：簇内所有活动节点的预约信息全部写入ARL后，CH将从[0,W_e]中随机选择一个时隙向服务提供商发送包括活动成员预约表及服务提供商ID的RTS并在簇内广播ARL；其它CH监听到RTS根据帧内信息更新自己的CUL；其中W_e为安全消息的竞争窗口。

7.4)服务提供商向CH回复CTS；帧中包括自身ID和簇头ID；若CTS成功接收，表明信道预留成功；相应节点立即切换到已预约SCH进行服务信息的传输，传输完成后，立即释放信道，继续监听控制信道。

所述信道内活动节点的排序具体如下：在一个同步周期内，当簇内节点竞争信道时，速度对簇头到簇成员间的距离影响不大，因此在排序过程中只考虑相对位置和行驶方向对簇成员的影响。将簇头指定为参照物，簇头前方节点到簇头的距离为正，反之为负。与簇头同向的方向系数为1，反之为-1。

定义a_dis为实际位移，其意义为簇成员离开本簇的可能性，由下式计算：

a_dis＝μ·s

其中μ表方向系数，s代表簇头到簇成员真正距离。a_dis值越大的节点离开簇的可能性越大，因此要先为a_dis值大的节点预约信道，当a_dis值相同时将会看μ的取值，将μ值为负的节点顺序排到前面。

实施例1：

下面结合附图对本发明进一步说明。

由于车载自组网拓扑结构的频繁动态变化和车辆的高速移动为保证安全信息以最小时延并在可容忍范围内访问信道，以适用于不同交通流量，满足安全应用及用户应用。在事故预警和拥挤的道路中，通过时间异步和多优先级接入信道机制，保证安全消息的及时可靠地传输，提高信道利用率，减少交通事故的发生；在旅程中给乘客提供一些增值服务中，通过将节点分簇，簇头代表簇内成员竞争信道预约服务信道，较少并发节点同一时间访问信道，满足更多用户的增值业务需求。

本发明的技术方案是应用于四车道双向道路，每辆车都是一个节点，每隔一个传输半径都有一个路侧单元RSU，组成一个车载自组织网络。其网络场景，如图1所示。在图1中，椭圆部分成簇，各簇由一个簇头和若干簇成员组成。考虑到由N辆车形成的车载自组网，网络中存在m个簇及t个其他节点(称为孤儿节点)，s_i代表第i个簇的节点个数。因此，簇内节点数目集合为S＝{s₁，s₂，…，s_m}，N满足下式。

每个节点均配有GPS车载设备和两种发射功率，分簇完成后，簇内节点使用低发射功率进行簇内通信，簇头节点使用高发射功率进行簇外通信；新节点的通信及簇内通信皆在1条服务信道上完成，该条服务信道是随机选择的；其余5条服务信道仍用于传输服务消息；每隔一个传输半径都有一个RSU，用于与簇头进行簇外通信；每个RSU可以互相传输信息。

本发明采用改进的时间异步的工作方式和多优先级访问信道机制，将同步周期中的控制周期分为三个阶段，如图2所示，控制周期由紧急阶段，周期阶段和服务阶段组成。紧急阶段，用来传输紧急的安全信息SA(safety)；周期阶段，用来广播扩展的Beacon；服务阶段，用来传输新增节点的扩展Beacon和WSA(Wave Service Advertisement，WSA)服务、发送请求帧(Request To Send，RTS)以及确认帧(Clear To Send，CTS)。扩展其信标帧来完成簇头选举过程。

整个网络的运行步骤如下：

步骤1：通过多优先级接入信道机制将控制周期上传输的消息分为三类，首先是网络中的节点如有紧急的安全消息将会在控制信道CCH上广播，所有紧急的安全消息广播结束后，进入到周期阶段；

网络中的节点都应采用IEEE 802.11e增强型分布式协调接入机制。在该机制中，不同优先级接入类型(Access Category，AC)使用可变的仲裁帧间间隔(ArbitrationInter Frame Space，AIFS)和竞争窗口(Contention Windows，CW)来获得不同的访问信道机会。当信道空闲时，对于竞争信道的节点，改变AIFS和竞争窗口的大小执行延时退避，仲裁帧间间隔为：

其中：AC_i为第i种优先级接入类型，AIFSN为仲裁帧间间隔数，SlotTime为一个时隙的长度，SIFS为常量短帧帧间间隔。设置AC₁，AC₂，AC₃的AIFSN值分别为2，2，3；竞争窗口分别为7,15,15。相较于AC₂和AC₃的分组，AC₁的分组具有较小的AIFS和CW值，故其在传输前将获得较高的传输概率和较少的退避时间。

步骤2：在周期阶段，节点广播其扩展的信标帧，路侧单元RSU协助网络中的节点完成簇头选举过程，簇头参数具体量化步骤如下：

在周期阶段，每个节点在信标帧中扩展以下三个部分来完成簇头的选举过程：(1)自身ID，占8byte；(2)所属簇簇头ID，占8byte；(3)簇头参数，占4byte。信标帧结构如图3所示。

1)位置信息。网络中每辆车计算其最佳簇头位置及距最佳簇头的距离，例如：第i个节点以自身的位置为原点，自身的行驶方向为x轴正半轴建立直角坐标系。假设第i个节点的传输范围内有n_i个邻居节点，每个邻居节点的位置通过坐标表示出来。最佳簇头的坐标和第i个节点到最佳簇头的距离的计算方法，如下：

2)速度信息。网络中车辆计算其平均相对速度，例如：第i个节点的传输范围内有n_i个邻居节点，其邻居节点的速度为那么平均相对速度和最大相对速度，如下式计算：

3)行驶方向信息。每辆车计算其传输范围内与之同向的车辆个数，例如：第i个节点的传输范围内有ni个邻居节点，速度同2)，那么其同向车个数可通过下面的公式求得：

为在未来时刻使簇头和簇内成员仍处于彼此通信范围内，避免频繁变换簇结构，此刻应选择簇头系数较大的节点，簇头系数越大代表其成为簇头的可能性越大。P_s为位置量化标准；P_o为速度量化标准；P_c为方向量化标准，公式如下：

其中α，β，λ为感知位置量化标准的三个权值，且设置α＝0.4，β＝λ＝0.3。

步骤3：根据步骤2的计算选出簇头CH，簇头将在其传输范围内广播簇头消息完成节点入簇过程；此时如有新节点进入网络，将会监听信道是否收到簇头信息，如是，加入到该簇；否则，进行新节点入簇过程。具体工作如下：

簇头选举完成后，簇头将在其传输范围内广播簇头消息，监听到该消息的节点将CHID设置为簇头的ID，节点向CH发送ACK帧，CH收到其ACK帧更新簇成员信息表，节点成功加入簇；新节点加入网络时入簇流程如图4所示。具体实现如下：

(1)新节点进入该网络时，将会发送CFR(请求加入簇数据包)。

(2)在一定时间内，节点是否收到CFA(允许加入簇数据包)。若收到，节点立即在CCH上广播其信标信息，CH监听到其信标信息会自动更新簇成员信息表CMT，节点成为该簇的成员，新节点成功加入簇。如该节点的CCP符合簇头选举标准，节点将会被选举为新的簇头。注意：如果节点收到不止一个CFA包，选择簇头ID号较小的簇加入。否则，执行(3)。

(3)新节点将暂时成为一个“孤儿”节点，不属于任何簇也不属于此网络。判断节点是否收到CFR，若收到，该节点将会与发送CFR的源节点组成一个新簇，簇头可随机选取。否则，转回(1)。

步骤4：分簇完成后，同步周期进入到服务阶段。每个簇头节点存储如下三张表:簇成员信息表MIL、簇活动成员预约表ARL和信道可用表CUL，表结构分别如下所示。WAVE服务提供商(WSA)向网络中所有节点广播其分组，分组包括将要使用的SCH编号以及该服务传输时间长度、服务提供者ID等其它信息。

表1：簇成员信息表MIL

表2：簇活动成员预约表ARL

表3：信道可用表CUL

步骤5：对该服务该兴趣的节点会预约服务信道，按照所排顺序成功预约后，相应的节点立即切换到已预约的服务信道进行服务消息的传输；若节点没有服务信息进行传输，继续监听控制信道。具体预约与选择信道过程如下：

(1)WSA分组的广播。在服务阶段，服务提供者向网络中所有节点广播WSA分组，分组包括将要使用的SCH编号以及该服务传输时间长度、服务提供者ID等其它信息。

(2)活动节点(感兴趣的节点)的预约。其它节点监听到该WSA分组，若对该服务感兴趣，就会向CH发送一个预约声明，表明自己有信息要在SCH上传输，执行步骤3；否则，节点将会继续监听CCH。

(3)CH完善簇活动成员预约表。CH将会收集簇内所有活动节点声明，首先为活动节点分配可用信道：对照MIL中活动节点传输所用信道编号与WSA分组的信道编号，取其编号相同的信道来完成预约过程。如有多个，可随机选取一个。CH就会为该节点预约此信道进行服务消息的传输；之后CH将为活动节点分配可用时隙：基于CUL的信道可用时隙，按照以下所排顺序为节点预约信道。

在一个同步周期内，当簇内节点竞争信道时，速度对簇头到簇成员间的距离影响不大，因此在排序过程中只考虑相对位置和行驶方向对簇成员的影响。将簇头指定为参照物，簇头前方节点到簇头的距离为正，反之为负。与簇头同向的方向系数为1，反之为-1。本文定义a_dis为实际位移，其意义为簇成员离开本簇的可能性，如下式所示。

a_dis＝μ·s

式中m代表方向系数，s代表簇头到簇成员真正距离。a_dis值越大的节点离开簇的可能性越大，因此要先为a_dis值大的节点预约信道。当a_dis值相同时将会看m的取值，将m值为负的节点顺序排到前面，这样就完成信道内活动节点的排序过程。按图5所示的环境况下，以节点A为簇头，簇内的活动节点分别为B、C、D和E，则其排列顺序为D、B、E和C。

在预约信息写入ARL之前，CH会检查预约信道号是否与预约表中已有预约信道号有冲突。如有冲突，就会在其开始传输时间上加一个等待时隙，等待时隙为信道释放时间加上保护间隔GI。

(4)CH向服务提供商发送RTS。簇内所有活动节点的预约信息全部写入ARL后，CH将从[0,W_e]中随机选择一个时隙向服务提供商发送包括活动成员预约表及服务提供商ID的RTS并在簇内广播ARL。其它CH监听到RTS根据帧内信息更新自己的CUL。

(5)服务提供商向CH回复CTS。帧中包括自身ID和簇头ID。若CTS成功接收，表明信道预留成功。相应节点立即切换到已预约SCH进行服务信息的传输。传输完成后，立即释放信道，继续监听控制信道。

Claims (7)

1.车载自组织网络中基于分簇的多优先级MAC协议制定方法，其特征在于：其步骤为：

1)、工作部署：

1.1)节点：网络中的节点完成分簇过程后，由簇头结点，簇成员节点以及其他孤儿节点组成，每个簇头节点代表簇内活动节点预约服务信道，通过存储的簇成员信息表、簇活动成员预约表及信道可用表完成对服务信道的无竞争访问；

1.2)时间异步：不进行服务信息收发的节点，继续监听控制信道；进行服务信息收发的节点按照所提出的预约信道方法对服务信道进行无竞争的访问；当节点预约信道完成时，转到已预约的信道上，进行有关服务信息的传输；服务信息全部传输完成后，节点转到控制信道继续监听；

1.3)多优先级访问信道机制：将在控制信道上传递的信息分为三种类型：紧急事件驱动型信息，一般信标信息和非紧急控制信息，优先级依次降低；通过该机制，将控制周期分为以下三个阶段：紧急阶段，周期阶段，服务阶段；

2)初始时刻：网络中的节点如有紧急的安全消息将会在控制信道上广播，所有紧急的安全消息广播结束后，进入到周期阶段；

3)周期阶段：节点广播其扩展的信标帧，路侧单元RSU协助网络中的节点完成簇头选举过程；

4)簇头选举完成后，簇头将在其传输范围内广播簇头消息完成节点入簇过程；此时如有新节点进入网络，则执行步骤5)；否则执行步骤6)；

5)新节点入网后，将会监听信道是否收到簇头信息，如是，加入到该簇；否则，进行新节点入簇过程；

6)同步周期进入到服务阶段：WAVE服务提供商向网络中所有节点广播其分组；

7)对该服务该兴趣的节点会预约服务信道，按照所排顺序成功预约后，相应的节点立即切换到已预约的服务信道进行服务消息的传输；若节点没有服务信息进行传输，继续监听控制信道CCH。

2.根据权利要求1所述的车载自组织网络中基于分簇的多优先级MAC协议制定方法，其特征在于：所述的步骤1)中，

所述的簇成员信息表中包括簇成员ID，可用信道编号，簇头系数，实际位移及其它如加速度、速度和方向等基本信息；

所述的簇活动成员预约表中包括活动成员ID，预约信道编号，预约信道时隙及传输数据开始时间；

所述的信道可用表中包括可用信道编号及信道可用时隙。

3.根据权利要求1所述的车载自组织网络中基于分簇的多优先级MAC协议制定方法，其特征在于：所述的1.3)多优先级访问信道机制具体如下：

网络中的节点均采用IEEE 802.11e增强型分布式协调接入机制；在该机制中，不同优先级接入类型使用可变的仲裁帧间间隔和竞争窗口来获得不同的访问信道机会；当信道空闲时，对于竞争信道的节点，改变AIFS和竞争窗口的大小执行延时退避，仲裁帧间间隔为：

其中：

AC_i为第i种优先级接入类型；

AIFSN为仲裁帧间间隔数；

SlotTime为一个时隙的长度；

SIFS为常量短帧帧间间隔；

设置AC₁，AC₂，AC₃的AIFSN值分别为2，2，3；竞争窗口分别为7,15,15；相较于AC₂和AC₃的分组，AC₁的分组具有较小的AIFS和CW值，其在传输前将获得较高的传输概率和较少的退避时间；

根据多优先级访问机制，控制周期包括以下三个阶段：紧急阶段，用来传输紧急的安全信息；周期阶段，用来广播扩展的Beacon；服务阶段，用来传输新增节点的扩展Beacon和WSA服务、发送请求帧以及确认帧。

4.根据权利要求1所述的车载自组织网络中基于分簇的多优先级MAC协议制定方法，其特征在于：所述的步骤3)中，簇头选举参数的计算：

3.1)簇头系数的提出及其量化标准：

3.1.1)簇头系数的提出：

提出簇头选择参数：簇头系数CCP，并将此参数写入信标帧中；在周期阶段，每个节点在信标帧中扩展以下三个部分来完成簇头的选举过程：(1)自身ID；(2)所属簇簇头ID；(3)簇头参数；

3.1.2)簇头系数的量化标准

(1)位置信息：网络中每辆车计算其最佳簇头位置及距最佳簇头的距离，第i个节点以自身的位置为原点，自身的行驶方向为x轴正半轴建立直角坐标系；假设第i个节点的传输范围内有n_i个邻居节点，每个邻居节点的位置通过坐标表示出来；最佳簇头的坐标和第i个节点到最佳簇头的距离的计算方法，如下：

其中：x_OC为最佳簇头的横坐标；

y_OC为最佳簇头的纵坐标；

x_k为k个节点的横坐标；

y_k为第k个节点的纵坐标；

n_i为第i个节点传输范围内的邻居节点数量；

d_i为第i个节点到最佳簇头的距离；

(2)速度信息：网络中车辆计算其平均相对速度，第i个节点的传输范围内有n_i个邻居节点，其邻居节点的速度为那么平均相对速度和最大相对速度，如下式计算：

其中：为第i个节点的平均相对速度；

v_i为第i个节点的速度；

v_k为第i个节点传输范围内第k个节点的速度；

n_i为第i个节点传输范围内的邻居节点数量；

v_max为第i个节点的最大相对速度；

(3)行驶方向信息：每辆车计算其传输范围内与之同向的车辆个数，第i个节点的传输范围内有n_i个邻居节点，速度同2)，那么其同向车个数可通过下面的公式求得：

其中：N_sd为第i个节点传输范围内行驶方向相同的节点数量；

n_i为第i个节点传输范围内邻居节点数量；

v_i为第i个节点的速度；

为第i个节点传输范围内邻居节点的速度；

(4)簇头系数的计算方法：为在未来时刻使簇头和簇内成员仍处于彼此通信范围内，避免频繁变换簇结构，此刻应选择簇头系数较大的节点，簇头系数越大代表其成为簇头的可能性越大；公式如下：

其中：α，β，λ为感知位置量化标准的三个权值，且设置α＝0.4，β＝λ＝0.3；

P_s为位置量化标准；P_o为速度量化标准；P_c为方向量化标准；

R为节点的传输半径；

d_i为第i个节点到最佳簇头的距离；

v_i为第i个节点的速度；

v_k为第i个节点传输范围内第k个邻居节点的速度；

v_max为第i个节点传输范围内最大的相对速度；

n_i为第i个节点传输范围内邻居节点的数量。

5.根据权利要求1所述的车载自组织网络中基于分簇的多优先级MAC协议制定方法，其特征在于：所述的步骤5)新节点入簇的过程，具体步骤如：

5.1)新节点进入该网络时，将会发送请求CFR；

5.2)在设定时间内，节点是否收到CFA；若收到，节点立即在CCH上广播其信标信息，CH监听到其信标信息会自动更新簇成员信息表，节点成为该簇的成员，新节点成功加入簇；如该节点的CCP符合簇头选举标准，节点将会被选举为新的簇头；如果节点收到不止一个CFA包，选择簇头ID号较小的簇加入，否则，执行步骤5.3)；

5.3)新节点将暂时成为一个孤儿节点，不属于任何簇也不属于此网络；判断节点是否收到CFR，若收到，该节点将会与发送CFR的源节点组成一个新簇，簇头可随机选取；否则，转回步骤5.1)。

6.根据权利要求1所述的车载自组织网络中基于分簇的多优先级MAC协议制定方法，其特征在于：步骤7)服务信道的预约与选择过程，如下：

7.1)活动节点的预约：其它节点监听到该WSA分组，若对该服务感兴趣，就会向CH发送一个预约声明，表明自己有信息要在服务信道SCH上传输，执行步骤7.2)；否则，节点将会继续监听CCH。

7.2)CH完善簇活动成员预约表：CH将会收集簇内所有活动节点声明，首先为活动节点分配可用信道：对照簇成员信息表中活动节点传输所用信道编号与WSA分组的信道编号，取其编号相同的信道来完成预约过程；如有多个，可随机选取一个；CH就会为该节点预约此信道进行服务消息的传输；之后CH将为活动节点分配可用时隙：基于CUL的信道可用时隙，按照所排顺序为节点预约信道。在预约信息写入ARL之前，CH会检查预约信道号是否与预约表中已有预约信道号有冲突。如有冲突，就会在其开始传输时间上加一个等待时隙，等待时隙为信道释放时间加上保护间隔。

7.3)CH向服务提供商发送RTS：簇内所有活动节点的预约信息全部写入ARL后，CH将从[0,We]中随机选择一个时隙向服务提供商发送包括活动成员预约表及服务提供商ID的RTS并在簇内广播ARL；其它CH监听到RTS根据帧内信息更新自己的CUL；其中We为安全消息的竞争窗口。

7.4)服务提供商向CH回复CTS；帧中包括自身ID和簇头ID；若CTS成功接收，表明信道预留成功；相应节点立即切换到已预约SCH进行服务信息的传输，传输完成后，立即释放信道，继续监听控制信道。

7.根据权利要求1所述的车载自组织网络中基于分簇的多优先级MAC协议制定方法，其特征在于：所述的步骤7)中所述信道内活动节点的排序具体如下：将簇头指定为参照物，簇头前方节点到簇头的距离为正，反之为负；与簇头同向的方向系数为1，反之为-1；

定义a_dis为实际位移，其意义为簇成员离开本簇的可能性，由下式计算：

a_dis＝μ·s

其中μ表方向系数，s代表簇头到簇成员真正距离。a_dis值越大的节点离开簇的可能性越大，因此要先为a_dis值大的节点预约信道，当a_dis值相同时将会看μ的取值，将μ值为负的节点顺序排到前面。