CN111556464B - 基于tdma技术的分布式车联网mac层合并碰撞预测及避免方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于TDMA技术的分布式车联网MAC层合并碰撞预测及避免方法，车辆使用TDMA通信技术用于实现车联网通信，车辆实时收集并更新自己和一跳邻居的行驶状态和时隙使用信息并把他们嵌入到信标帧中，周期性地发送给一跳邻居车辆用于完成信息交换；车辆信号收发设备根据收到的信息执行潜在碰撞检测，判断是否处于危险距离，若是，则执行潜在碰撞预测，判断是否满足碰撞条件，如是，则执行潜在碰撞排除。本发明把车辆的行驶方向映射成协议的方向；使用时隙分配方法给相向行驶的车辆分配不同区域的时隙，避免了相向行驶车辆的时隙碰撞。通过这种方式，解决了很大一部分合并碰撞，增加了协议的可靠性。

Description

基于TDMA技术的分布式车联网MAC层合并碰撞预测及避免 方法

技术领域

本发明属于车联网技术领域，尤其涉及基于TDMA技术的分布式车联网MAC层合并碰撞预测、避免方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

现有的文献提出的一种集中式车联网MAC层合并碰撞预测及避免方法。在该方法中，时隙的每个周期被分为三个部分，第一部分为车辆节点时隙，按照车辆行驶方向，该部分又细分为左向行驶车辆节点时隙和右向行驶车辆节点时隙；第二部分为中继节点时隙；第三部分为RSU时隙。RSU为覆盖区域内车辆选择中继节点车辆，并为其分配相应的中继节点时隙。中继节点车辆在其中继节点时隙向RSU单播自身区域内车辆的信息，包括位置、速度及占用时隙。RSU预测合并碰撞的概率、调整时隙分配、广播调整结果用于避免合并碰撞。该方法主要借助RSU实现集中式车联网MAC层合并碰撞预测及避免。上述技术对RSU选址及部署要求较高，且部署成本巨大。

现有的文献提出了一种自适应的TDMA时隙分配策略。在该文献中，一个时间帧被分为两部分：低密度区域L和高密度区域H。此外，基于自适应算法，这两部分的时隙数会根据车辆密度的变化而动态改变。为了减少合并碰撞，根据车辆行驶速度不同，高密度区域和低密度区域分别又分为高速区和低速区。把车辆速度的中位数看做参考值，高于中位数的车辆在高速区获取时隙，低于中位数的车辆在低速区获取时隙。该文献没有考虑相向行驶车辆的合并碰撞问题，其实车辆相向行驶造成的合并碰撞问题更值得关注。

现有的文献提出了一种基于方向的分布式TDMA调度策略。在该策略中，一个方向的车辆只能竞争偶数时隙，另一个方向的车辆只能竞争奇数时隙。这种方法能够避免相向行驶车辆的合并碰撞问题。然而，该文献并没有对车辆的实际行驶方向如何映射到协议中做出说明。

现有的文献提出了一种移动感知和碰撞避免的MAC协议。该协议把帧分为三个部分：L、R、F。L和R分别代表车辆的移动方向，而F与RSU有关。在此基础上，基于车辆所行驶的车道，文献又把L部分和R部分进一步分为更小的子部分。基于行驶方向和所在的车道，车辆需要在正确的时隙集选择时隙。当车道变化时，车辆还需要改变自己所占用的时隙。此协议过于复杂，可能达不到理想的效果。

现有的文献提出了一种车联网中基于预测的TDMA MAC协议用于减少分组合并碰撞。该协议的设计初衷是基于作者的一个重要观察：每辆车能够获得它前后两跳邻居车辆的信息，因此他们能够检测两跳范围外、三跳或四跳范围内车辆可能发生的碰撞。上述技术使用GPS获得车辆的行驶方向，然而并没有定义协议中车辆的方向。因此，也没有使用时隙分配方法来区分相向行驶车辆的时隙。由于相向行驶的车辆相对速度较大，极易形成合并碰撞。当发生合并碰撞时，采用了与ADHOC MAC类似的解决方法，即碰撞车辆重新竞争可用时隙用于传输数据。这种方法会导致：(1)所有碰撞车辆都放弃之前使用的时隙，重新竞争可用时隙，会产生更大概率的竞争碰撞；(2)之前使用的时隙变为空闲时隙，造成时隙资源浪费；(3)吞吐量下降。

在合并碰撞预测阶段，需要“中间车辆”在广播信息中添加请求来获得两跳邻居的车辆信息。在这种情况下，如果相向行驶的车辆处于两跳范围的边缘，在“中间车辆”获得潜在碰撞车辆的信息并完成预测前，潜在碰撞车辆极有可能错过最佳预测时机，进入彼此的两跳范围，发送合并碰撞。合并碰撞预测阶段，使用了车辆速度和位置作为预测参数。然而，加速度也是一个重要的因素。

潜在碰撞排除阶段，需要在多个“中间车辆”中选择一个用于处理潜在碰撞。虽然文献没有涉及选择的方法和过程，但是可以确定的是：(1)在选择过程中需要耗费时间和计算成本，影响协议的实时性；(2)如果被选择的车辆在执行碰撞排除的时候出现问题，将可能导致碰撞发生，影响协议的可靠性。

潜在碰撞排除阶段，要求“负责车辆”选择自己一跳范围内的潜在碰撞车辆作为“转换车辆”。然而，潜在碰撞车辆可能都不在“负责车辆”的一跳范围内，这样的话，上述的算法失效。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了基于TDMA技术的分布式车联网MAC层合并碰撞预测及避免方法，能够很快找到潜在碰撞车辆，从而提高查询效率。

为实现上述目的，本发明的一个方面，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

基于TDMA技术的分布式车联网MAC层合并碰撞预测及避免方法，包括：

车辆使用TDMA通信技术用于实现车联网通信，车辆实时收集并更新自己和一跳邻居的行驶状态和时隙使用信息并把他们嵌入到信标帧中，周期性地发送给一跳邻居车辆用于完成信息交换；

车辆信号收发设备根据收到的信息执行潜在碰撞检测，判断是否处于危险距离，若是，则执行潜在碰撞预测，否则判断是否满足碰撞条件，如是，则执行潜在碰撞排除；

潜在碰撞预测或潜在碰撞排除之后时隙重新接入：车辆选择自己方向中未被占用的索引号最大的时隙作为自己接下来使用的时隙；

碰撞恢复：如果两个或多个车辆发生了时隙碰撞，时隙碰撞车辆之间的邻居车辆感知到该碰撞，邻居车辆比较碰撞车辆的时隙时间戳，让时隙时间戳最大的车辆继续使用原时隙，其余车辆获得新时隙。

进一步的技术方案，使用TDMA通信技术用于实现车联网通信时，将时间分为多个重复的帧，然后再把帧分为多个等长时隙；

每辆车需要广播自己和一跳邻居节点的时隙信息，针对车辆两跳范围内可用时隙，车辆首先竞争时隙，如果成功，它则一直使用此时隙发送无线信号，直到发生碰撞或自己放弃。

进一步的技术方案，把车辆的行驶方向映射成协议的方向；使用时隙分配方法给相向行驶的车辆分配不同区域的时隙，避免了相向行驶车辆的时隙碰撞。

进一步的技术方案，将车辆的行驶方向映射为正向和反向，并把帧的时隙分为了正向时隙和反向时隙两部分。

进一步的技术方案，建立一个时隙数组，其中，数组索引就是时隙索引；每个元素的一个字段表示该时隙是否被至少两辆车占用；其它字段记录占用该时隙的车辆ID，通过遍历数组，能够很快找到潜在碰撞车辆。

进一步的技术方案，定义两个集合，一跳邻居集合和两跳邻居集合；一跳邻居集合是指在车辆通信范围内所有车辆的集合；两跳邻居集合是指车辆通过中间一跳节点中继可以通信的所有车辆的集合，一跳和两跳邻居集合内的车辆不能使用同一个时隙。

进一步的技术方案，当收到邻居的信标帧时，车辆信号收发设备进行更新邻居表及更新时隙数组。

进一步的技术方案，潜在碰撞检测时，潜在碰撞车辆ID提取：遍历时隙数组，查找重复时隙字段为1的元素，并在对应的车辆ID字段提取出车辆ID；

潜在碰撞检测：分别遍历一跳邻居表和两跳邻居表，通过车辆ID找到与之相对应的行驶状态信息，然后，根据车辆位置，计算车辆间的距离Dist。如果Dist<2R，则执行碰撞恢复算法；如果Dist>3R，不进行任何操作；如果2R≤Dist<3R，则执行碰撞预测算法。参数R为车载无线设备的通信半径。

进一步的技术方案，潜在碰撞预测算法：如果V_a>V_b，V_a为前车速度，V_b为后车速度，则不进行任何操作；

如果V_a<V_b且其中，/>为车辆A和车辆B的时隙占用比的平均值，R_T为时隙占用比阈值，执行碰撞排除算法；

如果V_a<V_b且首先，使用公式1/2(a_b-a_a)t²+(V_b-V_a)t＝Dist-2R，求得时间t；如果t<cT，执行碰撞排除算法；如果t>cT，不执行任何操作；其中，a_a和a_b分别为前车和后车的加速度，T为选定的时间阈值，c为常数，c>1；

如果不进行任何操作，其中，R_M为阈值，表示道路上的车辆处于饱和状态，彼此距离相对保持不变。

进一步的技术方案，潜在碰撞排除算法：比较两车的差速度，如果MV_a>MV_b且MV_a÷MV_b>Th，则选择车辆B为更换时隙的车辆；

如果MV_a>MV_b且MV_a÷MV_b<Th，当R^a<R^b时，选择车辆A为更换时隙的车辆，当R^a>R^b时，选择车辆B为更换时隙的车辆，其中，R^a为车辆A的时隙占用比，R^b为车辆B的时隙占用比；

如果MV_a<MV_b且MV_b÷MV_a>Th，则选择车辆A为更换时隙的车辆；

如果MV_a<MV_b且MV_b÷MV_a<Th，当R^a<R^b时，选择车辆A为更换时隙的车辆，当R^a>R^b时，选择车辆B为更换时隙的车辆，需要更换时隙的车辆为“更换车辆”，不需要更换时隙的车辆为“保持车辆”。

进一步的技术方案，如果两个或多个车辆发生了时隙碰撞，车辆之间的邻居车辆就能感知到该碰撞；

基于车辆信息，邻居车辆比较碰撞车辆的时隙时间戳，让时隙时间戳最大的车辆继续使用原时隙，其余车辆使用时隙接入算法获得新时隙，由于这些车辆的优先级高于新加入的车辆，因此他们优先获得时隙。

本发明的另一方面，公开了基于TDMA技术的分布式车联网MAC层合并碰撞预测系统，包括安装在车辆上信号收发设备，车辆使用TDMA通信技术用于实现车联网通信，车辆实时收集并更新自己和一跳邻居的行驶状态和时隙使用信息并把他们嵌入到信标帧中，周期性地发送给一跳邻居车辆用于完成信息交换；

车辆信号收发设备根据收到的信息执行潜在碰撞检测，判断是否处于危险距离，若是，则执行潜在碰撞预测，判断是否满足碰撞条件，如是，则执行潜在碰撞排除。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明不需要借助路边基础设施，通过车辆间通信就能解决合并碰撞问题。

本发明把车辆的行驶方向映射成协议的方向；使用时隙分配方法给相向行驶的车辆分配不同区域的时隙，避免了相向行驶车辆的时隙碰撞。通过这种方式，解决了很大一部分合并碰撞，增加了协议的可靠性。

本发明一辆车继续使用之前占用的时隙，而其他车辆需要重新竞争可用时隙。这样能够减少重新竞争可用时隙的车辆数，减少了竞争碰撞的概率，增加了吞吐量。

本发明实时保存并更新一跳邻居和两跳邻居的信息(包括行驶状态和时隙信息)，在车辆需要这些信息时查找自己的内存即可，在最大程度上节约了响应时间，避免错过最佳预测时机。在车联网环境下，车辆速度实时变化，实时获得并更新邻居车辆的行驶状态信息更加有必要。

本发明通过给“转换车辆”更高的优先级，使他们能够较新加入的车辆优先获得时隙。“转换车辆”之间按照他们原时隙的前后关系决定选择时隙的顺序。如果多个“转换车辆”选择时隙时发生了碰撞，则按照他们时间戳的早晚来优先获得时隙。

本发明为了便于车辆查询使用同一时隙的邻居车辆，我们建立了一个时隙数组。其中，数组索引就是时隙索引；每个元素的一个字段表示该时隙是否被至少两辆车占用；其它字段记录占用该时隙的车辆ID。通过遍历数组，我们能够很快找到潜在碰撞车辆，从而提高查询效率。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例帧结构图；

图2为本发明实施例方向映射关系图；

图3为本发明实施例时隙数组图；

图4为本发明实施例的车联网场景图；

图5为本发明实施例合并碰撞检测、预测、排除流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例公开了基于TDMA技术的分布式车联网MAC层合并碰撞预测及避免方法，参见附图5所示，主要包括车辆的合并碰撞检测、预测和排除以及合并碰撞发生后的恢复。

为了描述本申请实施例的上述方法，先进行关于帧结构的描述，参见附图1所示，每辆车都装备了信号收发设备和全球定位系统(GPS、北斗导航系统等)。信号收发设备可以接收来自邻居车辆的无线信号，也可以向邻居车辆发送自己的无线信号，但是同一时间，信号收发设备只能接收或发送无线信号而不能同时收发。我们使用TDMA通信技术用于实现车联网通信。按照通常做法，我们把时间分为多个重复的帧(Frame，每帧大约100ms)，然后再把帧分为多个等长时隙(Time Slot)。举个例子，如图1所示，我们给出了两个连续的帧，其中每个帧被等分为14个时隙。车辆首先竞争时隙。如果成功，它则一直使用此时隙发送无线信号，直到发生碰撞或自己放弃。因为每辆车需要广播自己和一跳邻居节点的时隙信息，所以车辆知道自己两跳范围内哪些时隙可用。随着技术升级，每辆车可以通过全球定位系统精确获取自己的位置、速度、加速度、行驶方向和时间同步信息。为了实现本发明，还定义了两个集合，他们分别是：一跳邻居集合和两跳邻居集合。一跳邻居集合是指在车辆通信范围内所有车辆的集合；两跳邻居集合是指车辆通过中间一跳节点中继可以通信的所有车辆的集合。由于存在隐藏终端问题，一跳和两跳邻居集合内的车辆不能使用同一个时隙，否则会发生信号碰撞，导致信息无法接收。

由于存在空间复用，在两跳邻居外的车辆，可以使用同一时隙。由于车辆高速移动，导致网络拓扑高度动态变化，两跳邻居外的车辆很可能会成为彼此的两跳邻居。这里存在两种情况：(1)相向行驶的车辆逐渐靠近对方；(2)同向行驶的车辆存在速度差，后车速度大于前车速度。如果使用了同一个时隙，当他们成为彼此的两跳邻居时，他们发送的无线信号就会发生碰撞，造成信息无法正常接收。通常，这种情况称为合并碰撞(MergingCollision)或遭遇碰撞(Encounter Collision)。

为了防止广播风暴问题，车辆只需要把信标帧发送给一跳邻居，因此把信标帧的跳数值设置为1。当一跳邻居收到信标帧时，跳数值减1变为0，此时邻居车辆就会丢弃此信标帧。

再参见附图2所示，协议方向和帧结构：鉴于相向行驶的车辆极易造成合并碰撞问题，首先，定义车辆在本发明中的行驶方向-即协议方向，它是从车辆实际行驶方向(GPS中的方向)映射过来的。如图2所示，竖线条纹和实线构成的方向被映射成一个方向(正向)，横线条纹和虚线构成的方向被映射成另一个方向(反向)。同一方向行驶的车辆被划分为一个集合，因此车辆可以被划分为两个集合(集合D_P和集合D_N)，按照车辆行驶方向不同而分配不同的时隙。这样做的目的是：排除相向行驶的车辆之间的合并碰撞。这就是基于方向的时隙划分方法。如图1所示，把帧分为前后两部分，前一部分分配给正向行驶的车辆(集合D_P)，后一部分分配给反向行驶的车辆(集合D_N)。

邻居表和时隙数组：为了更好地感知周围环境、实现面向自组织网的TDMA技术和支持安全相关的应用，车辆需要实时收集并更新自己和一跳邻居的行驶状态和时隙使用信息并把他们嵌入到信标帧中，周期性地发送给一跳邻居车辆用于完成信息交换。行驶状态信息包括：位置、速度、加速度和行驶方向；时隙使用信息包括：占用时隙ID和获得时隙时的时间戳。时隙ID是从0开始的整数，最大值为帧的总时隙数。如果车辆占用的时隙ID为0，表示此车辆还没有竞争到时隙；否则，表示车辆占用的实际时隙。为了更快、更准确地预测可能的碰撞，建立了一个时隙数组。此数组的元素数与每帧的时隙数相同，数组索引号就是时隙ID。每个元素包括N个字段(N≥3)，重复时隙字段(布尔类型)表示此时隙是否被不同的车辆占用，值为1表示至少有两辆车占用了此时隙，值为0表示最多一辆车占用了此时隙；其余字段为车辆ID字段(整数类型)，用来记录占用此时隙的车辆ID，当有车辆占用此时隙时，把车辆ID填入此字段，剩余字段填NULL。例如，如图3所示，此时隙数组共有14个时隙，第一行虚线方框内的数字表示数组索引；第二行为重复时隙字段；第三、四行为车辆ID字段，其中字母N表示NULL值，其他数字表示车辆ID。其中，第2、8、12时隙被两辆车占用，第5、7、10、13、14时隙未被使用，其余时隙被一辆车占用。

时隙时间戳是车辆获得此时隙时的时间。

差速度是车辆行驶方向上两跳范围内所有车辆的平均速度与本车辆速度差的绝对值。即其中/>为车辆行驶方向上两跳范围内所有车辆的平均速度，v为本车辆的速度。在后车速度大于前车速度的情况下，差速度不可能为0。

“两步骤”：当收到邻居的信标帧时(此邻居称为通信邻居)，车辆进行以下两步操作：(1)更新邻居表。邻居表的更新包括两个部分:a)更新一跳邻居表。检查自己的一跳邻居表，如果通信邻居在自己的一跳邻居表中，则在邻居表中更新通信邻居对应的行驶状态和时隙使用信息；否则，把通信邻居加入到一跳邻居表中并添加其行驶状态和时隙使用信息。b)更新两跳邻居表。首先，筛选两跳邻居：找出通信邻居的一跳邻居而非自己一跳邻居的车辆作为自己的两跳邻居(此两跳邻居称为活动两跳邻居)。然后，检查自己的两跳邻居表，如果活动两跳邻居在自己的两跳邻居表中，则在两跳邻居表中更新活动两跳邻居对应的行驶状态和时隙使用信息；否则，把活动两跳邻居加入到两跳邻居表中并添加其行驶状态和时隙使用信息。(2)更新时隙数组。把通信邻居和其一跳邻居的时隙占用情况与时隙数组做比较，根据通信邻居的信标帧，实时更新、添加或删除时隙数组的数据并计算车辆行驶方向的时隙占用比R_P和R_N，其中，R_P为正向的时隙占用比，R_N为反向的时隙占用比。R_P＝N_P/N_T，其中，N_P为正向时隙占用数，N_T为正向时隙总数。R_N＝N_N/N_T，其中，N_N为负向时隙占用数。我们假定正向时隙总数和负向时隙总数相等。

下面详细说明在该方法中所涉及的具体算法包括：

潜在碰撞检测算法：(1)潜在碰撞车辆ID提取。遍历时隙数组，查找重复时隙字段为1的元素，并在对应的车辆ID字段提取出车辆ID。(2)潜在碰撞检测。首先，分别遍历一跳邻居表和两跳邻居表，通过车辆ID找到与之相对应的行驶状态信息。然后，根据车辆位置，计算车辆间的距离Dist。如果Dist<2R，则执行碰撞恢复算法；如果Dist>3R，不进行任何操作；如果2R≤Dist<3R，则执行碰撞预测算法。

潜在碰撞预测算法：如果V_a>V_b(V_a为前车速度，V_b为后车速度)，则不进行任何操作。如果V_a<V_b且(其中，/>为车辆A和车辆B的时隙占用比的平均值，R_T为时隙占用比阈值)，执行碰撞排除算法(此时，路上车辆较稀疏，车辆相对位置不固定，网络拓扑结构变化快，所以需要及时给潜在碰撞车辆分配不同的时隙)；如果V_a<V_b且/>首先，使用公式1/2(a_b-a_a)t²+(V_b-V_a)t＝Dist-2R，求得时间t；如果t<cT，执行碰撞排除算法；如果t>cT，不执行任何操作。其中，a_a和a_b分别为前车和后车的加速度，T为选定的时间阈值，c为常数，c>1。如果/>不进行任何操作。其中，R_M为阈值，表示道路上的车辆处于饱和状态，彼此距离相对保持不变。

潜在碰撞排除算法：比较两车的差速度，如果MV_a>MV_b且MV_a÷MV_b>Th，参数Th为车辆速度比的阈值，则选择车辆B为更换时隙的车辆；如果MV_a>MV_b且MV_a÷MV_b<Th，当R^a<R^b时，选择车辆A为更换时隙的车辆，当R^a>R^b时，选择车辆B为更换时隙的车辆,其中，R^a为车辆A的时隙占用比，R^b为车辆B的时隙占用比。如果MV_a<MV_b且MV_b÷MV_a>Th，则选择车辆A为更换时隙的车辆；如果MV_a<MV_b且MV_b÷MV_a<Th，当R^a<R^b时，选择车辆A为更换时隙的车辆，当R^a>R^b时，选择车辆B为更换时隙的车辆。我们称需要更换时隙的车辆为“更换车辆”，不需要更换时隙的车辆为“保持车辆”。为了保证可靠性，不管其他邻居车辆是否发送了有关车辆A和车辆B更换时隙的消息，本车辆都会在自己的下一个时隙中发送有关车辆A和车辆B更换时隙的消息。更换时隙的消息包括：车辆A和车辆B的ID以及指定哪辆车需要更换时隙,此消息的跳数设置为2，即接收到此消息的车辆需要广播此消息一次。对于侦听到此消息的其他车辆，如果他们已经在自己的时隙广播了此消息，则忽略这个消息；否则，他们会在自己的下一个时隙广播此消息。接收到更换时隙消息后，“更换车辆”需要执行时隙重新接入算法以更换时隙；而“保持车辆”则继续使用原时隙。

时隙重新接入算法：此算法的原则是：选择自己方向中未被占用的索引号最大的时隙作为自己接下来使用的时隙。基于之前共享的信息，“更换车辆”已经知道时隙的占用情况。因此，它使用自己的原时隙发送信标帧，向邻居车辆广播时隙获得消息，表明它将使用索引号最大的空闲时隙作为自己接下来使用的时隙。收到此消息的邻居车辆将执行“两步骤”操作，更新自己的邻居表和时隙数组。如果在此过程中“更换车辆”发送的信标帧在原时隙发生了碰撞(即“更换车辆发送的信息不能被邻居正确接收”)，“更换车辆”将执行时隙接入算法竞争索引号最大的空闲时隙。由于“更换车辆”的优先级比新加入车辆高，所以“更换车辆”可以优先获得时隙。如果在此过程中“更换车辆”声明要使用的时隙与其他“更换车辆”声明要使用的时隙冲突，则时隙时间戳大的车辆获得该时隙，时隙时间戳小的车辆获得索引号次大的空闲时隙。为了避免此车频繁更换时隙，它的时隙时间戳不变。也就是说，车辆继续使用第一次获得时隙的时间作为时隙时间戳，而不是重新接入时隙的时间。

碰撞恢复算法：如果两个或多个车辆发生了时隙碰撞，他们之间的邻居车辆就能感知到该碰撞。基于之前得到的车辆信息，邻居车辆比较碰撞车辆的时隙时间戳，让时隙时间戳最大的车辆继续使用原时隙，其余车辆使用时隙接入算法获得新时隙。由于这些车辆的优先级高于新加入的车辆，因此他们优先获得时隙。

本发明的上述实施例不需要路边单元参与，只需要车辆交换信标帧即可。这样能够减少路边基础设施建设的费用，减少投入成本。本发明的上述实施例可以增加车辆接入时隙的成功率，减少不必要的资源浪费。本发明的上述实施例提高算法的可靠性。

实施例二

本实施例的目的是提供基于TDMA技术的分布式车联网MAC层合并碰撞预测系统，包括安装在车辆上信号收发设备，车辆使用TDMA通信技术用于实现车联网通信，车辆实时收集并更新自己和一跳邻居的行驶状态和时隙使用信息并把他们嵌入到信标帧中，周期性地发送给一跳邻居车辆用于完成信息交换；

车辆信号收发设备根据收到的信息执行潜在碰撞检测，判断是否处于危险距离，若是，则执行潜在碰撞预测，判断是否满足碰撞条件，如是，则执行潜在碰撞排除。

该实施例子中的车辆上信号收发设备在进行信号处理的过程参见实施例子一中的详细描述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.基于TDMA技术的分布式车联网MAC层合并碰撞预测及避免方法，其特征是，包括：

车辆使用TDMA通信技术用于实现车联网通信，车辆实时收集并更新自己和一跳邻居的行驶状态和时隙使用信息并将该信息嵌入到信标帧中，周期性地发送给一跳邻居车辆用于完成信息交换；

车辆信号收发设备根据收到的信息执行潜在碰撞检测，判断是否处于危险距离，若是，则执行潜在碰撞预测，判断是否满足碰撞条件，如是，则执行潜在碰撞排除；

潜在碰撞检测时，首先进行潜在碰撞车辆ID提取；

潜在碰撞检测：分别遍历一跳邻居表和两跳邻居表，通过车辆ID找到与之相对应的行驶状态信息，然后，根据车辆位置，计算车辆间的距离Dist，车辆间的距离Dist与时隙，选择执行碰撞恢复算法或执行潜在碰撞预测算法或不执行操作；

具体地，潜在碰撞车辆ID提取：遍历时隙数组，查找重复时隙字段为1的元素，并在对应的车辆ID字段提取出车辆ID；

潜在碰撞检测；首先，分别遍历一跳邻居表和两跳邻居表，通过车辆ID找到与之相对应的行驶状态信息；然后，根据车辆位置，计算车辆间的距离Dist；如果，则执行碰撞恢复算法；如果/>，不进行任何操作；如果/>，则执行潜在碰撞预测算法；

潜在碰撞预测算法：根据前车速度、后车速度及前后车的时隙占用比，对车辆的潜在碰撞进行预测及是否执行潜在碰撞排除算法判断；

具体地，如果，/>为前车速度，/>为后车速度，则不进行任何操作；如果/>且，其中，/>为车辆A和车辆B的时隙占用比的平均值，/>为时隙占用比阈值，执行潜在碰撞排除算法；如果/>且/>，首先，使用公式/>，求得时间/>；如果/>，执行潜在碰撞排除算法；如果/>，不执行任何操作；其中，/>和分别为前车和后车的加速度，/>为选定的时间阈值，/>为常数，/>；如果/>，不进行任何操作；其中，/>为阈值，表示道路上的车辆处于饱和状态，彼此距离相对保持不变；

潜在碰撞排除算法：比较两车的差速度，选择对应的车辆为更换时隙的车辆；需要更换时隙的车辆为“更换车辆”，不需要更换时隙的车辆为“保持车辆”； 所述差速度是车辆行驶方向上两跳范围内所有车辆的平均速度与本车辆速度差的绝对值；

具体地，比较两车的差速度，如果且/>，参数Th为车辆速度比的阈值，则选择车辆B为更换时隙的车辆；如果/>且/>，当/>时，选择车辆A为更换时隙的车辆，当/>时，选择车辆B为更换时隙的车辆,其中，/>为车辆A的时隙占用比，/>为车辆B的时隙占用比；如果/>且/>，则选择车辆A为更换时隙的车辆；如果/>且/>，当/>时，选择车辆A为更换时隙的车辆，当/>时，选择车辆B为更换时隙的车辆；需要更换时隙的车辆为“更换车辆”，不需要更换时隙的车辆为“保持车辆”；不管其他邻居车辆是否发送了有关车辆A和车辆B更换时隙的消息，本车辆都会在自己的下一个时隙中发送有关车辆A和车辆B更换时隙的消息；更换时隙的消息包括：车辆A和车辆B的ID以及指定哪辆车需要更换时隙,此消息的跳数设置为2，即接收到此消息的车辆需要广播此消息一次；对于侦听到此消息的其他车辆，如果他们已经在自己的时隙广播了此消息，则忽略这个消息；否则，他们会在自己的下一个时隙广播此消息；接收到更换时隙消息后，“更换车辆”需要执行时隙重新接入算法以更换时隙；而“保持车辆”则继续使用原时隙；

时隙重新接入算法：基于车辆之前交换的信标帧信息，“更换车辆”已经知道时隙的占用情况； “更换车辆”使用自己的原时隙发送信标帧，向邻居车辆广播时隙获得消息，表明它将使用索引号最大的空闲时隙作为自己接下来使用的时隙；

收到此消息的邻居车辆更新自己的邻居表和时隙数组；如果在此过程中“更换车辆”发送的信标帧在原时隙发生了碰撞即“更换车辆发送的信息不能被邻居正确接收”，“更换车辆”将执行时隙接入算法竞争索引号最大的空闲时隙；

如果在此过程中“更换车辆”声明要使用的时隙与其他“更换车辆”声明要使用的时隙冲突，则时隙时间戳大的车辆获得该时隙，时隙时间戳小的车辆获得索引号次大的空闲时隙；

碰撞恢复算法：如果两个或多个车辆发生了时隙碰撞，时隙碰撞车辆之间的邻居车辆感知到该碰撞，邻居车辆比较碰撞车辆的时隙时间戳，让时隙时间戳最大的车辆继续使用原时隙，其余车辆获得新时隙；

所述时隙时间戳是车辆获得此时隙时的时间。

2.如权利要求1所述的基于TDMA技术的分布式车联网MAC层合并碰撞预测及避免方法，其特征是，使用TDMA通信技术用于实现车联网通信时，将时间分为多个重复的帧，然后再把帧分为多个等长时隙；

每辆车需要广播自己和一跳邻居节点的时隙信息，针对车辆两跳范围内可用时隙，车辆首先竞争时隙，如果成功，它则一直使用此时隙发送无线信号，直到发生碰撞或自己放弃。

3.如权利要求2所述的基于TDMA技术的分布式车联网MAC层合并碰撞预测及避免方法，其特征是，把车辆的行驶方向映射成协议的方向；使用时隙分配方法给相向行驶的车辆分配不同区域的时隙，避免了相向行驶车辆的时隙碰撞。

4.如权利要求2所述的基于TDMA技术的分布式车联网MAC层合并碰撞预测及避免方法，其特征是，建立一个时隙数组，其中，数组索引就是时隙索引；每个元素的一个字段表示该时隙是否被至少两辆车占用；其它字段记录占用该时隙的车辆ID，通过遍历数组，找到潜在碰撞车辆。

5.如权利要求1所述的基于TDMA技术的分布式车联网MAC层合并碰撞预测及避免方法，其特征是，定义两个集合，一跳邻居集合和两跳邻居集合；一跳邻居集合是指在车辆通信范围内所有车辆的集合；两跳邻居集合是指车辆通过中间一跳节点中继可以通信的所有车辆的集合，一跳和两跳邻居集合内的车辆不能使用同一个时隙；

当收到邻居的信标帧时，车辆信号收发设备进行更新邻居表及更新时隙数组。

6.如权利要求2所述的基于TDMA技术的分布式车联网MAC层合并碰撞预测及避免方法，其特征是，如果两个或多个车辆发生了时隙碰撞，基于车辆信息，邻居车辆比较碰撞车辆的时隙时间戳，时隙时间戳最大的车辆继续使用原时隙，其余车辆使用时隙接入算法获得新时隙。

7.基于TDMA技术的分布式车联网MAC层合并碰撞预测及避免系统，利用如权利要求1所述的基于TDMA技术的分布式车联网MAC层合并碰撞预测及避免方法实现，其特征是，包括安装在车辆上信号收发设备，车辆使用TDMA通信技术用于实现车联网通信，车辆实时收集并更新自己和一跳邻居的行驶状态和时隙使用信息并把他们嵌入到信标帧中，周期性地发送给一跳邻居车辆用于完成信息交换；

车辆信号收发设备根据收到的信息执行潜在碰撞检测，判断是否处于危险距离，若是，则执行潜在碰撞预测，判断是否满足碰撞条件，如是，则执行潜在碰撞排除。