CN114979315B - 一种用于车载自组织网络的信道资源共享接入方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于车载自组织网络的MAC协议，包括：一组节点、基础设施节点、基本通信链路和组织网络，节点包括指挥站、指挥车节点和执行车形成三级关系链，基本通信链路包括车辆间通信模块和车辆与基础设施间通信模块，执行车之间通过车辆间通信模块连接，指挥车节点和执行车之间以及指挥站、指挥车节点之间通过车辆与基础设施间通信模块与固定基础设施节点连接；组织网络由一组子网构成；指挥站为全网络的主节点；指挥车节点作为次级主节点。本发明构造出一个基于中心式网络结构、中心节点统一调度的MAC协议MS‑MAC，对其中时间同步、中继机制和时隙分配进行了选型设计和优化，中继效果较优，可提供符合要求的低时延、高可靠消息传输。

Description

一种用于车载自组织网络的信道资源共享接入方法
技术领域
本发明属于物联网技术领域，特别涉及一种用于车载自组织网络的信道资源共享接入方法。
背景技术
车载自组织网络(Vehicular Ad-hoc Network,VANET)是应用于ITS的代表性通信技术。VANET由移动自组织网络(Mobile Ad-hoc Network,MANET)发展而来，是由道路中的车辆、行人和基础设施等实体通过专用通信设备所组成的无线网络。基于VANET的支持，道路中的各实体之间可以进行信息交互。首先，车辆可以通过接收来自其它车辆或行人的信息以感知准确的行车环境，实现速度调节、路线规划和紧急避险等自动驾驶操作；其次，交通部门可收集全局交通信息来帮助进行流量控制和事故处理；此外，还可为道路使用者提供诸如互联网接入、多媒体、音视频会议等信息娱乐应用[5]。因此，VANET是ITS的关键部分，在提高道路交通安全性、交通管理效率出行体验和舒适度上发挥着重要作用。然而，专用VANET相比智能交通系统中的同类网络(ITS VANET)存在节点差异、业务类型差异、信息资源差异、基础设施差异、辅助设备差异等一系列的差异，其中的信道资源、通信能力等网络基础条件与该网络面向的实际任务高度关联，使得为ITS VANET设计的MAC协议不适合直接应用在专用VANET中；
在研究过程中发现如下研究空缺：一方面，现有的全分布式TDMA类MAC协议在高节点密度情况下仍然存在严重的时隙分配冲突问题。另一方面，目前绝大多数车载自组织网络的研究均关注其在智能交通系统中的应用，缺乏针对其它场景下的车载自组织网络及其MAC协议的研究。
发明内容
发明目的：为了克服以上不足，本发明的目的是提供一种用于车载自组织网络的信道资源共享接入方法，构造出一个基于中心式网络结构、中心节点统一调度的MAC协议MS-MAC，对其中关键的时间同步、中继机制和时隙分配进行了选型设计和优化，分别实现了改进的TPSN时间同步算法、基于最小连通支配集的中继节点选择算法和基于业务量估计的按节点分配时隙算法，还设计编写了仿真实验进行模拟，验证了所设计的MAC协议具有正确的功能逻辑，在其所能支持的网络规模和业务流量下，中继效果较优，可提供符合要求的低时延、高可靠消息传输。
技术方案：为了实现上述目的，本发明提供了一种用于车载自组织网络的信道资源共享接入方法，包括：一组节点、基础设施节点、基本通信链路和组织网络，其中，所述节点包括指挥站、指挥车节点和执行车形成三级关系链，所述指挥车节点和执行车内均设有传感器和通信设备，所述基本通信链路包括车辆间通信模块和车辆与基础设施间通信模块，所述执行车之间通过车辆间通信模块连接，且所述指挥车节点和执行车之间以及指挥站、指挥车节点之间通过车辆与基础设施间通信模块与固定基础设施节点连接；所述组织网络由一组子网构成；
所述指挥站为全网络的主节点；
所述指挥车节点作为次级主节点，在业务上，可作为本车队执行车报告消息的接收者、指挥站命令消息的分发者；在功能上，既可为主节点到本子网中位于中心节点直接通信范围之外的节点提供中继，又可在主节点失效时担任各子网自行运作的备用主节点。提出了一个典型的特殊应用场景：机动部队的城市作战任务，针对该场景下的专用VANET，构造出一个基于中心式网络结构、中心节点统一调度的MAC协议MS-MAC，对其中关键的时间同步、中继机制和时隙分配进行了选型设计和优化，分别实现了改进的TPSN时间同步算法、基于最小连通支配集的中继节点选择算法和基于业务量估计的按节点分配时隙算法，还设计编写了仿真实验进行模拟，验证了所设计的MAC协议具有正确的功能逻辑，在其所能支持的网络规模和业务流量下，中继效果较优，可提供符合要求的低时延、高可靠消息传输。其中，述主节点具有子网号或者节点号唯一标识。本发明还包括中继节点，所述中继节点负责维持尽可能多边缘节点和主节点间的通信链路。本发明还包括自同步机制，所述自同步机制才有TPSN时间同步算法。
本发明所述的用于车载自组织网络的信道资源共享接入方法，所述TPSN时间同步算法具体如下：1)：首先判断节点是否为主节点；2)：是，则发送网络管理数据包，包含本节点同步级别的数据包；3)：等待RTT请求(通常基于往返时间(Round Trip Time)；4)：回复RTT应答；5)：若步骤1中，若判断不是主节点；6)：等待网络管理数据包；7)：是否为指挥车节点；8)：是，接受主节点的网络管理数据包，将目的子网设为本子网；9)：若步骤7中判断不是指挥车节点，则接受来自本子网的网络管理数据包；10)：步骤8)和步骤9)中的接受网络管理数据包后，将来源节点设为时间参考节点；10)：递增设置本节点同步级别；12)：判断上一步骤中设置的本节点同步级别是否为中继节点；13)：若上一步骤中判断是中继节点，则将发送网络管理数据包，该数据包包含本节点同步级别，等待RTT请求，然后回复RTT应答；14)：若步骤12)中不是中继节点，但网络管理数据包在同步时隙上向时间参考节点发起RTT请求；15)：收到RTT应答，计算并修正时间误差即可。
本发明所述的用于车载自组织网络的信道资源共享接入方法，修正时间误差的具体方法如下：1)：先设置节点1向节点2发起RTT校时，则节点1在本地时钟的T1时刻发送RTT请求消息；2)：节点2在本地时钟的T2时刻收到该消息，在本地时钟T3时刻回复RTT应答消息，其中包含T2和T3的值；3)：节点1在在本地时钟T4时刻收到RTT应答消息，可按公式计算出节点1相对于节点2的往返时延d和时间偏差σ；4)：节点1调整本地时钟为t′1＝t1+d+σ，即完成与节点2的时间同步；
所述步骤3)中的计算公式如下：
本发明所述的用于车载自组织网络的信道资源共享接入方法，所述中继节点是通信过程中根据车辆节点的实际情况，动态地指派某些车辆节点作为中继节点；
所述中继节点的选择方式如下：
以无向图G(V,E)表示网络拓扑关系，其中顶点集合代表网络中的所有节点，其中主节点为v0，边集合E代表所有节点间的链路，记
特别地，设中继节点集合为R，记
若假设不存在孤立节点，则中继节点的选择可描述为以下问题：
MS-MAC的时隙分配算法首先需要确定节点在一段时间内所需的平均时隙数量，该数量应与节点的业务流量相匹配；根据业务类型和需求，MS-MAC的时隙数量估计分析如下：
1)指挥命令消息
指挥命令消息的生成服从参数为λ的泊松过程，假设数据包仅在时隙开始的时刻到达，间隔时间独立同分布，每个数据包在一个时隙内发送完毕，不考虑数据包队列的上限，且忽略电磁波传播时间，单个数据包的传输时延D可表示为
D＝R+W+S＝R+W+Ts (6)
其中，R为接入时延，W为队列等待时延，S为发送时间，即一个时隙的时长Ts；一方面，TDMA协议的接入时延R包括节点尝试获取下一个发送时隙而产生的时隙获取时延Rs，以及等待下一个发送时隙到达的时隙等待时延Rw；由于MS-MAC采用集中式的时隙分配算法，在每一帧开始时已经确定时隙分配，因此有Rs＝0；故接入时延R＝Rw，其分析如下：假设某一节点相邻的两个时隙间隔时间为ΔT，一系列消息在ΔT内随机到达，则在t时刻到达的消息，其等待时间为R(t)＝ΔT-t，因此，ΔT内所有消息的总等待时间为
假设时刻T恰好有R(T)＝0，若一系列消息在[0,T]内随机到达，则[0,T]内R(t)的时间平均值为
其中N(T)为[0,T]内经过的发送时隙数目，对T取极限可得：
另一方面，队列等待时延分析如下：
若不考虑接入等待时延，则队列中的数据包发送过程可视为一个M/D/1排队模型，数据包的平均队列等待时延即为该排队模型的平均等待时间；现到达率为λ，服务率为：
记
根据排队论，其平均队列长度为：
平均等待队列长度为
因此该排队模型的平均等待时间，即数据包的平均队列等待时延为
综上所述，数据包的平均传输时延为
即平均传输时延由数据包的到达率、相邻时隙的平均间隔和时隙长度共同决定；
若在T时间内为该节点分配N个时隙，则有
则若要保证平均传输时延小于某个规定的传输时延上限Dm，由式(15)和式(16)可知应有
将N向上取整即得到T时间内所需的时隙数量；
2)状态报告消息和车况协同消息
这两类消息数据包均按周期生成，当新的消息产生时，旧的数据包即失效而被丢弃，因此其发送频率应与其生成频率相匹配，保证下一轮数据包产生前，旧的数据包可以发送完成，不产生数据包丢弃；因此，该消息的主要性能需求为发送频率，其时隙数量的确定分析如下：设周期型数据包的更新频率为f，则两次更新的间隔为
显然，ΔT时间内至少需要给该节点分配1个时隙，因此T时间内需要为该节点分配的时隙数量为
本发明所述的用于车载自组织网络的信道资源共享接入方法，所述MAC协议时隙分配过程具体如下：
首先，根据网络功能和业务类型，将时隙进行如下分类设置：
1)网络管理时隙；
网络管理时隙用于主节点发送网络管理数据包至各子网，数据包中含有时隙分配表和TPSN时间同步算法所需的同步级别信息(L0)，由各子网中继节点逐级扩散；指挥车节点只接收主节点的网络管理数据包，其余节点只接收本子网的网络管理数据包；
2)同步时隙
同步时隙用于节点进行RTT校时，一个节点的一次RTT询问和RTT回复使用一个同步时隙；
3)数据时隙
数据时隙用于节点发送中所述的各类业务消息数据包；根据业务类型，将数据时隙分为A、B、C三种，分别用于发送车况协同消息、状态报告消息和指挥命令消息，C类数据时隙也用于发送常规方式中继的数据包，其数量按照前述的时隙数量估计方法来确定；为了尽可能保证状态报告消息和车况协同消息的新鲜度，要求这两类消息数据包在相应时隙到达时再生成；
4)中继时隙
考虑到两种中继方式的优缺点，MS-MAC根据时隙的类型来决定其中继方式和中继时隙的分配，具体如下：
(a)对于网络管理时隙，由于网络管理数据包需要沿中继链扩散，因此采用时隙对方式，按照中继级别设置各中继节点的时隙对，由下一级中继节点负责中继上一级中继节点发送的网络管理数据包，形成树状结构，如果一个i级中继节点可与多个i-1级中继节点通信，只中继时隙号最小的时隙；
(b)对于同步时隙，由于同步消息无需中继，因此不分配中继时隙；
(c)对于数据时隙，由于车况协同消息无需中继，因此A类数据时隙不分配中继时隙；B类和C类数据时隙采用常规方式中继；由于执行车节点有可能作为中继节点，但没有指挥命令消息的业务需求，因此需要额外分配一部分时隙以进行中继转发。
本发明所述的用于车载自组织网络的信道资源共享接入方法，所述MAC协议还设计了时隙扩展机制，具体如下：
1)对于有泊松型数据包业务的节点，若节点的数据包队列长度超过平均值，则节点向主节点发送时隙扩展请求，请求中包含当前队列长度和平均队列长度的差值X，由主节点在下一时帧中为其分配X个额外时隙，以更快地发送队列中的数据包，避免时延增大，其中平均队列长度由式(13)和式(16)求得；
2)对于没有泊松数据包业务的节点，若节点的数据包队列长度不为零，则节点向主节点发送时隙扩展请求，请求中包含当前队列长度Y，由主节点在下一时帧中为其分配Y个额外时隙；这一机制主要用于中继节点尽快将已存储但未转发的数据包发送完毕，以减少中继时延，以及中继节点出现变更时避免数据包堆积在原中继节点的队列中，造成中继中断；
考虑到状态报告消息的周期性，MS-MAC将时隙扩展请求附加在状态报告消息中，即在每一时帧最后一次发送状态报告消息时计算前述的X和Y，以避免单独发送请求消息带来的额外资源开销；主节点自身无需请求，在进行时隙分配时计算该差值。
本发明所述的用于车载自组织网络的信道资源共享接入方法，所述MAC协议的时隙和时帧长度设计如下：
1)时隙长度
时隙的长度需要大于或等于MAC层上最大数据包的传输时长，以使得在一个时隙上至少能发送一条完整消息，避免单条消息的拆分和聚合带来额外开销；根据数据包的大小上限和给定的传输数据率，同时考虑物理层开销、时隙保护时间等因素，可确定单个时隙的长度；
在MS-MAC中，指挥命令消息的典型大小为每条225比特，车况协同消息和状态报告消息的大小，使用12Mbps的数据率，1ms的时隙长度是合理的；
2)时帧长度
考虑到MS-MAC所承载的业务中，车况协同消息具有和ITS中的CAM相同的特性，有明确的更新频率要求；因此，基于1ms的时隙长度，参考CAM消息的最低频率需求1Hz，MS-MAC以T＝1s作为基本的时帧长度，即单个时帧包含1000个时隙，使得车况协同消息固定在一个时帧中发送一次，避免多个周期型业务导致时隙分配的复杂度提升。在时隙分配的过程中，以T＝1s代入式(17)和式(19)计算指挥命令消息和状态报告消息所需的时隙数量；
综上所述，MS-MAC的时隙分配流程如下：
首先，网络管理时隙固定地分配到每一时帧的第一个时隙，其中继时隙按子网号顺序和中继层级依次排列在后，时隙对表附加在网络管理数据包中；若需要进行时间同步，则在网络管理时隙之后分配同步时隙，其排列按照中继级别的顺序，先由中继节点逐级完成时间同步，再由其它节点进行时间同步，以保证无法与主节点直接同步的节点能够获得正确的时间基准；
其次，为各节点分配A类数据时隙，按子网号和节点号的顺序排列；再按照状态报告消息的更新频率，将时帧划分为多个子帧，其长度与状态报告消息的更新周期相同，在每个子帧中为各执行车节点分配B类数据时隙，按子网号和节点号的顺序排列；特别地，将指挥车节点的B类数据时隙放置在子帧的末尾，保证指挥车节点尽可能收集并更新本子网拓扑信息和时隙扩展请求后再上报主节点。
上述技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：
1、本发明所述的一种车载自组织网络的MAC协议，提出了一个典型的特殊应用场景：机动部队的城市作战任务，针对该场景下的专用VANET，构造出一个基于中心式网络结构、中心节点统一调度的MAC协议MS-MAC，对其中关键的时间同步、中继机制和时隙分配进行了选型设计和优化，分别实现了改进的TPSN时间同步算法、基于最小连通支配集的中继节点选择算法和基于业务量估计的按节点分配时隙算法，还设计编写了仿真实验进行模拟，验证了所设计的MAC协议具有正确的功能逻辑，在其所能支持的网络规模和业务流量下，中继效果较优，可提供符合要求的低时延、高可靠消息传输。
2、本发明还能够根据应用场景的需要选择是否要中继节点，在MS-MAC所支持的城区作战任务中，若作战区域的大小超过了节点的通信距离，即某些车辆可能离开指挥单位的控制范围，就需要有中继节点维持主节点与距离较远的边缘节点之间的通信链路，保证命令消息能下发到超出直接通信范围的节点，以及边缘节点的报告消息能上传至主节点。
3、本发明中还设置了更为通用的中继机制，即在通信过程中根据车辆节点的实际情况，动态地指派某些车辆节点作为中继节点，保证网络的抗毁性，更有效地支持任务运行。
4、本发明中MAC可采用集中式算法，通过中心节点掌握的全局拓扑信息来完成。由于VANET的一大特性是其主要业务通常都包含节点位置信息的传输，因此在MS-MAC协议中，可天然借助周期传输的状态报告消息使主节点掌握全网的拓扑结构。而且，子网的划分使得计算可以子网为单位进行，由各子网的指挥车节点分别维护四个子网的拓扑表，并在本节点的状态报告消息中将本子网拓扑表发送给指挥站主节点，而无需在全网尺度上建立拓扑表，显著降低了计算量。因此，MS-MAC的中继节点选择方法受益于节点自身的分级，可无需再进行其中的根节点选择过程，直接以各子网主节点作为根节点。
附图说明
图1为本发明所述的用于车载自组织网络的信道资源共享接入方法的结构示意图；
图2为本发明中网络结构示意图；
图3为本发明中TPSN时间同步算法流程图；
图4为本发明中网络管理时隙的中继对模式示意图；
图5为本发明中时隙分配的工作流程示意图；
图6为本发明中仿真框架的结构示意图；
图7为本发明中-MAC的时间同步过程示意图；
图8为本发明中平均中继节点数和平均最大中继级别示意图；
图9为本发明中孤立节点的平均链路恢复时间示意图；
图10为本发明中平均孤立节点数目；
图11为本发明中各节点分配到C类数据时隙的平均数量示意图；
图12为本发明中各需求节点分配到额外时隙的平均数量示意图；
图13为本发明中各中继节点分配到额外中继时隙的平均数量示意图；
图14为本发明中MAC的数据时隙利用率示意图；
图15为本发明中MAC的整体时隙利用率示意图；
图16为本发明中指挥命令消息的平均传输时延示意图；
图17为本发明中指挥命令消息的平均包投递率示意图；
图18为本发明中状态报告消息的平均丢弃率示意图；
图19为本发明中状态报告消息的平均传输时延示意图；
图20为本发明中状态报告消息的平均包投递率示意图；
图21为本发明中车况协同消息的平均丢弃率示意图；
图22为本发明中场景和任务模型示意图；
图23为本发明中状态报告消息的更新频率为1Hz时最终获得的时帧结构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
实施例1
如图所示的一种用于车载自组织网络的信道资源共享接入方法，包括：一组节点、基础设施节点、基本通信链路和组织网络，其中，所述节点包括指挥站、指挥车节点和执行车形成三级关系链，所述指挥车节点和执行车内均设有传感器和通信设备，所述基本通信链路包括车辆间通信模块和车辆与基础设施间通信模块，所述执行车之间通过车辆间通信模块连接，且所述指挥车节点和执行车之间以及指挥站、指挥车节点之间通过车辆与基础设施间通信模块与固定基础设施节点连接；所述组织网络由一组子网构成；所述指挥站为全网络的主节点；所述指挥车节点作为次级主节点，在业务上，可作为本车队执行车报告消息的接收者、指挥站命令消息的分发者；在功能上，既可为主节点到本子网中位于中心节点直接通信范围之外的节点提供中继，又可在主节点失效时担任各子网自行运作的备用主节点。
本实施例中所述主节点具有子网号或者节点号唯一标识。
本实施例中还包括中继节点，所述中继节点负责维持尽可能多边缘节点和主节点间的通信链路。本实施例中还包括自同步机制，所述自同步机制才有TPSN时间同步算法。
如图3所示的用于车载自组织网络的信道资源共享接入方法，所述TPSN时间同步算法具体如下：1)：首先判断节点是否为主节点；2)：是，则发送网络管理数据包，包含本节点同步级别的数据包；
3)：等待RTT请求(通常基于往返时间(Round Trip Time)；4)：回复RTT应答；5)：若步骤1中，若判断不是主节点；6)：等待网络管理数据包；7)：是否为指挥车节点；8)：是，接受主节点的网络管理数据包，将目的子网设为本子网；9)：若步骤7中判断不是指挥车节点，则接受来自本子网的网络管理数据包；
10)：步骤8)和步骤9)中的接受网络管理数据包后，将来源节点设为时间参考节点；10)：递增设置本节点同步级别；12)：判断上一步骤中设置的本节点同步级别是否为中继节点；
13)：若上一步骤中判断是中继节点，则将发送网络管理数据包，该数据包包含本节点同步级别，等待RTT请求，然后回复RTT应答；14)：若步骤12)中不是中继节点，但网络管理数据包在同步时隙上向时间参考节点发起RTT请求；15)：收到RTT应答，计算并修正时间误差即可。
本实施例中所述的用于车载自组织网络的信道资源共享接入方法，修正时间误差的具体方法如下：
1)：先设置节点1向节点2发起RTT校时，则节点1在本地时钟的T1时刻发送RTT请求消息；2)：节点2在本地时钟的T2时刻收到该消息，在本地时钟T3时刻回复RTT应答消息，其中包含T2和T3的值；3)：节点1在在本地时钟T4时刻收到RTT应答消息，可按公式计算出节点1相对于节点2的往返时延d和时间偏差σ；4)：节点1调整本地时钟为t′1＝t1+d+σ，即完成与节点2的时间同步；
所述步骤3)中的计算公式如下：
在多跳的网络中，需要逐级完成RTT校时，因此需要先进行一个同步级别探测阶段，通常由各级节点发送和发送级别探测消息来进行：最高级时间基准节点发送L0级别探测消息，收到该消息的节点成为次级时间基准节点，广播L1级别探测消息，以此类推。确定级别后，L1级节点向L0级节点发起校时，L2级节点向L1级节点发起校时，直到全网完成时间同步。
本实施例中所述的用于车载自组织网络的信道资源共享接入方法，所述中继节点是通信过程中根据车辆节点的实际情况，动态地指派某些车辆节点作为中继节点；
所述中继节点的选择方式如下：
以无向图G(V,E)表示网络拓扑关系，其中顶点集合代表网络中的所有节点，其中主节点为v0，边集合E代表所有节点间的链路，记
特别地，设中继节点集合为R，记
若假设不存在孤立节点，则中继节点的选择可描述为以下问题：
即：选取数量最少的部分节点作为中继节点，使得任一节点或为中继节点，或至少与一个中继节点相连，且中继节点至少与另一个中继节点相连。这一问题实际上即为图的最小连通支配集问题，该问题是一个NP完全问题，已有众多成熟算法可求出近似的解，分为集中式和分布式算法。集中式算法通过中心节点掌握的全局拓扑信息来完成，效果较好，但复杂度和计算开销较大；分布式算法则通过节点交互邻居信息来完成相关计算，需要额外的控制信息传输。
具体算法如下：
时隙资源的规划和分配直接影响MAC协议的性能，决定了MAC协议能否满足需求。
(1)时隙分配算法
时隙分配的基本类型可分为静态分配和动态分配。静态分配在通信开始前即确定了各节点所使用的时隙，在通信过程中保持不变。静态分配可采用离线的算法进行，减少了通信过程中的计算开销，然而由于静态分配通常根据节点的最大业务需求量确定每个节点的时隙数目，而节点在没有消息需要发送时仍会占用时隙，因此在实际的业务数据量较小时会导致时隙闲置。动态分配则在通信过程中根据节点的实际需求变化，对时隙的归属进行动态调整，分为分布式和集中式两种，集中式通过中心节点收集各节点的信息，再统一进行时隙分配；分布式则在节点间互相交换信息，并自主选择时隙，例如本文第三章所研究的MAC协议。动态分配基于节点的实际传输需求，可以动态调整时隙数量；还可以根据当前的网络拓扑结构复用时隙，提高了资源利用率。然而，当系统负载较大时，由于传输冲突和额外开销的影响，反而可能导致动态分配方式的性能下降。
在集中式MAC协议中，通常可采用下表所示的几种时隙分配算法。
显然，按链路分配的时隙分配方式不适合VANET这类链路频繁变化的网络；轮询和动态轮询方式需要为主节点分配大量时隙用于发送询问数据包，增加了传输时延，且只能应用在单跳网络中；请求应答分配算法在动态网络中可提供较好的时隙利用率，但请求应答需要额外开销，增大了传输时延，且比较适合节点数量频繁变动的场景。综合来看，按节点分配的算法最适合MS-MAC，这一算法为每个节点固定分配一定数量的时隙，已有研究表明其在具有部分相似特征的军用战术数据链网络中能取得较好的平均性能，无需额外的交互开销，且时隙分配的唯一性保证了严格的传输可靠性。
然而，节点的数据包生成仍然是一个随机过程，在通信过程中，数据包到达可能在某些时段较密集，某些时段较稀疏，基于平均业务量的时隙分配只能保证网络的平均性能而无法适应业务量的变化，导致消息密集时传输时延增大，消息稀疏时时隙空闲。
因此，MS-MAC的时隙分配算法以按节点分配算法为基础，由任务规划出发，根据节点的平均业务量为每个节点固定分配一定数量的时隙。进一步地，加入了动态调整机制，在节点的待发送数据包较少时分配给其较少的时隙，而在待发送数据包较多时分配给其较多的时隙，在避免时隙浪费和保证报文传输的实时性之间取得平衡。
(2)时隙数量估计
MS-MAC的时隙分配算法首先需要确定节点在一段时间内所需的平均时隙数量，该数量应与节点的业务流量相匹配；根据业务类型和需求，MS-MAC的时隙数量估计分析如下：
1)指挥命令消息
指挥命令消息的生成服从参数为λ的泊松过程，假设数据包仅在时隙开始的时刻到达，间隔时间独立同分布，每个数据包在一个时隙内发送完毕，不考虑数据包队列的上限，且忽略电磁波传播时间，单个数据包的传输时延D可表示为
D＝R+W+S＝R+W+Ts (6)
其中，R为接入时延，W为队列等待时延，S为发送时间，即一个时隙的时长Ts；
一方面，TDMA协议的接入时延R包括节点尝试获取下一个发送时隙而产生的时隙获取时延Rs，以及等待下一个发送时隙到达的时隙等待时延Rw；由于MS-MAC采用集中式的时隙分配算法，在每一帧开始时已经确定时隙分配，因此有Rs＝0；故接入时延R＝Rw，其分析如下：
假设某一节点相邻的两个时隙间隔时间为ΔT，一系列消息在ΔT内随机到达，则在t时刻到达的消息，其等待时间为R(t)＝ΔT-t，因此，ΔT内所有消息的总等待时间为
假设时刻T恰好有R(T)＝0，若一系列消息在[0,T]内随机到达，则[0,T]内R(t)的时间平均值为
其中N(T)为[0,T]内经过的发送时隙数目，对T取极限可得：
另一方面，队列等待时延分析如下：
若不考虑接入等待时延，则队列中的数据包发送过程可视为一个M/D/1排队模型，数据包的平均队列等待时延即为该排队模型的平均等待时间；现到达率为λ，服务率为：
记
根据排队论，其平均队列长度为：
平均等待队列长度为
因此该排队模型的平均等待时间，即数据包的平均队列等待时延为
/>
综上所述，数据包的平均传输时延为
即平均传输时延由数据包的到达率、相邻时隙的平均间隔和时隙长度共同决定；
若在T时间内为该节点分配N个时隙，则有
则若要保证平均传输时延小于某个规定的传输时延上限Dm，由式(15)和式(16)可知应有
将N向上取整即得到T时间内所需的时隙数量；
2)状态报告消息和车况协同消息
这两类消息数据包均按周期生成，当新的消息产生时，旧的数据包即失效而被丢弃，因此其发送频率应与其生成频率相匹配，保证下一轮数据包产生前，旧的数据包可以发送完成，不产生数据包丢弃；因此，该消息的主要性能需求为发送频率，其时隙数量的确定分析如下：
设周期型数据包的更新频率为f，则两次更新的间隔为
显然，ΔT时间内至少需要给该节点分配1个时隙，因此T时间内需要为该节点分配的时隙数量为
本实施例中所述的用于车载自组织网络的信道资源共享接入方法，所述MAC协议时隙分配过程具体如下：
首先，根据网络功能和业务类型，将时隙进行如下分类设置：
1)网络管理时隙
网络管理时隙用于主节点发送网络管理数据包至各子网，数据包中含有时隙分配表和TPSN时间同步算法所需的同步级别信息(L0)，由各子网中继节点逐级扩散；指挥车节点只接收主节点的网络管理数据包，其余节点只接收本子网的网络管理数据包；
2)同步时隙
同步时隙用于节点进行RTT校时，一个节点的一次RTT询问和RTT回复使用一个同步时隙；
3)数据时隙
数据时隙用于节点发送中所述的各类业务消息数据包；根据业务类型，将数据时隙分为A、B、C三种，分别用于发送车况协同消息、状态报告消息和指挥命令消息，C类数据时隙也用于发送常规方式中继的数据包，其数量按照前述的时隙数量估计方法来确定；为了尽可能保证状态报告消息和车况协同消息的新鲜度，要求这两类消息数据包在相应时隙到达时再生成；
4)中继时隙
考虑到两种中继方式的优缺点，MS-MAC根据时隙的类型来决定其中继方式和中继时隙的分配，具体如下：
(a)对于网络管理时隙，由于网络管理数据包需要沿中继链扩散，因此采用时隙对方式，按照中继级别设置各中继节点的时隙对，由下一级中继节点负责中继上一级中继节点发送的网络管理数据包，形成树状结构；如果一个i级中继节点可与多个i-1级中继节点通信，只中继时隙号最小的时隙；
(b)对于同步时隙，由于同步消息无需中继，因此不分配中继时隙；
(c)对于数据时隙，由于车况协同消息无需中继，因此A类数据时隙不分配中继时隙；B类和C类数据时隙采用常规方式中继；由于执行车节点有可能作为中继节点，但没有指挥命令消息的业务需求，因此需要额外分配一部分时隙以进行中继转发。
本实施例中所述的用于车载自组织网络的信道资源共享接入方法，所述MAC协议还设计了时隙扩展机制，具体如下：
1)对于有泊松型数据包业务的节点，若节点的数据包队列长度超过平均值，则节点向主节点发送时隙扩展请求，请求中包含当前队列长度和平均队列长度的差值X，由主节点在下一时帧中为其分配X个额外时隙，以更快地发送队列中的数据包，避免时延增大，其中平均队列长度由式(13)和式(16)求得；
2)对于没有泊松数据包业务的节点，若节点的数据包队列长度不为零，则节点向主节点发送时隙扩展请求，请求中包含当前队列长度Y，由主节点在下一时帧中为其分配Y个额外时隙；这一机制主要用于中继节点尽快将已存储但未转发的数据包发送完毕，以减少中继时延，以及中继节点出现变更时避免数据包堆积在原中继节点的队列中，造成中继中断；
考虑到状态报告消息的周期性，MS-MAC将时隙扩展请求附加在状态报告消息中，即在每一时帧最后一次发送状态报告消息时计算前述的X和Y，以避免单独发送请求消息带来的额外资源开销；主节点自身无需请求，在进行时隙分配时计算该差值。
本实施例中所述MAC协议的时隙和时帧长度设计如下：
1)时隙长度
时隙的长度需要大于或等于MAC层上最大数据包的传输时长，以使得在一个时隙上至少能发送一条完整消息，避免单条消息的拆分和聚合带来额外开销；根据数据包的大小上限和给定的传输数据率，同时考虑物理层开销、时隙保护时间等因素，可确定单个时隙的长度；
在MS-MAC中，指挥命令消息的典型大小为每条225比特，车况协同消息和状态报告消息的大小，使用12Mbps的数据率，1ms的时隙长度是合理的；
2)时帧长度
考虑到MS-MAC所承载的业务中，车况协同消息具有和ITS中的CAM相同的特性，有明确的更新频率要求；因此，基于1ms的时隙长度，参考CAM消息的最低频率需求1Hz，MS-MAC以T＝1s作为基本的时帧长度，即单个时帧包含1000个时隙，使得车况协同消息固定在一个时帧中发送一次，避免多个周期型业务导致时隙分配的复杂度提升。在时隙分配的过程中，以T＝1s代入式(17)和式(19)，计算指挥命令消息和状态报告消息所需的时隙数量；
综上所述，MS-MAC的时隙分配流程如下：
如图5所示首先，网络管理时隙固定地分配到每一时帧的第一个时隙，其中继时隙按子网号顺序和中继层级依次排列在后，如图4所示时隙对表附加在网络管理数据包中；若需要进行时间同步，则在网络管理时隙之后分配同步时隙，其排列按照中继级别的顺序，先由中继节点逐级完成时间同步，再由其它节点进行时间同步，以保证无法与主节点直接同步的节点能够获得正确的时间基准；
其次，为各节点分配A类数据时隙，按子网号和节点号的顺序排列；再按照状态报告消息的更新频率，将时帧划分为多个子帧，其长度与状态报告消息的更新周期相同，在每个子帧中为各执行车节点分配B类数据时隙，按子网号和节点号的顺序排列；特别地，将指挥车节点的B类数据时隙放置在子帧的末尾，保证指挥车节点尽可能收集并更新本子网拓扑信息和时隙扩展请求后再上报主节点。
根据预设的平均业务量，估计所需的C类数据时隙数量，将空闲的时隙按循环的方式分配给指挥站和指挥车节点，作为C类数据时隙。在最差情况下(所有从节点只连接到最后一级中继节点)，每一个中继节点要转发所有来自指挥车的指挥命令消息，因此同时为指挥车节点之外的各中继节点分配同样的数量的C类数据时隙，使得执行车中继节点可以进行中继转发。直到满足所有节点的估计时隙数量需求，或没有剩余的空闲时隙。表1-1循环时隙分配表展示了循环分配方式的一个简单示例，其中节点1-1需要5个时隙，节点1-2需要3个时隙，节点2-1需要4个时隙，节点2-2需要3个时隙。
进一步地，若仍有空闲时隙，则按照时隙扩展机制，按循环方式为需要额外时隙的节点分配额外时隙，直到满足所有额外时隙需求，或没有空闲时隙。最后，若仍有空闲时隙，则将空闲的时隙按循环的方式分配给各中继节点作为中继时隙，进一步地增强中继能力，减小中继时延。
表1-1为MAC的循环时隙分配示例
时隙号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
节点号 1-1 1-2 2-1 2-2 1-1 1-2 2-1 2-2 1-1
时隙号 10 11 12 13 14 15 16 17 18
节点号 1-2 2-1 2-2 1-1 2-1 1-1
实际的时隙分配结果根据状态报告消息的更新频率要求、网络的节点规模和中继情况而有所区别。如图23所示为状态报告消息的更新频率为1Hz时最终获得的时帧结构。
为保证MS-MAC协议能在设定的任务场景下正常工作并满足性能需求，在完成MAC协议的各项关键机制设计后，需要通过仿真实验对MAC协议进行验证。通过在仿真平台中构建出虚拟的网络结构、协议机制和数据传输过程，模拟实际的网络场景，并统计各类业务数据的传输情况，对获得的结果进行分析，确定MS-MAC的性能表现。
仿真设置如下：
(1)仿真框架如图6所示
本研究使用MATLAB作为仿真平台编写仿真代码，采用离散事件驱动的仿真机制。事件对应时间离散后的网络状态变化，每个事件中记录了该事件发生的时间、事件类型和与该事件相关的一个节点，在仿真过程中，所有事件按照时间顺序依次触发，交由对应的节点执行，之后删除该事件并进行下一个事件，照此循环触发事件并执行，直到仿真结束。
1)离散事件调度器模块负责完成事件的逐项调度进行，其主体为一个高精度的全局时钟和一个优先级队列。全局时钟记录了当前的仿真时间，各事件产生时以该时钟时间作为事件发生时间的参考。优先级队列则是事件的存储结构，一系列事件按照发生的时间顺序存储在队列中。每调度一个事件，调度器就推进全局时钟到当前事件的发生时间，若事件的调度中产生了新的事件，则将新产生的事件加入队列中。
2)节点模块是对网络中实际节点的建模，每个节点作为一个对象单元，其主要属性包含一个有限状态机和一系列动作集合。状态机模拟了真实通信中节点某一时刻的状态，作为事件处理中节点选择动作的依据；动作集合则是对协议机制的具体实现，与实际的MAC协议功能相对应。如图6中展示了节点模块的状态转移和一部分动作，例如：“开始发送”事件中“空闲”状态节点执行“开始发送”动作，状态转变为“发送”，并生成新事件“完成发送”；在“完成接收”事件中，“接收”状态的节点执行“接收完成”动作，状态转变为“空闲”，并继续执行“消息处理”动作。
3)场景模块是对真实道路和车辆节点运动模型的模拟，包含道路区域的划分，以及车辆节点在道路上的运动规则。考虑到现实中的路网结构较为复杂，本仿真框架的场景模块对叙述的城市道路和车辆运动进行了抽象化：城市区域设定为固定边长的正方形，区域中所有道路均为东西(横向)或南北走向(纵向)，同向道路按固定间距分布，道路相交处为十字路口(边界处除外)，整体呈网格状。初始化时，所有车辆节点按照车队划分，分布在所属子区域的某条道路上。各车辆的初始方向在4个移动方向中随机选定，速度则按照一定的平均值和标准差随机取值。节点只能沿道路移动，当移动到十字路口时，随机选择下一个方向并进入新的道路。特别地，指挥车的移动还被限制在指挥站的通信范围内，以满足任务的要求。
4)结果分析模块是以节点和数据包为基本单位的统计模块，负责记录每个数据包的生成时间等信息。结果分析模块还可生成测试事件，加入调度器中执行，这些测试事件负责在仿真过程中的特定时间点记录网络中节点的状态信息，例如记录某一时帧的时隙分配结果、记录当前的中继节点数量等等。
(2)仿真流程
在仿真开始前，输入各项仿真参数，由仿真平台构造出道路场景模型，同时生成节点对象集合并初始化所有节点对象的位置和状态。之后，从实际网络运行中的某个时帧起始开始仿真，以各节点的该时帧第一个时隙到达作为网络中的初始事件，加入事件队列中，同时添加在特定时间执行的测试事件。
仿真开始后，调度器逐项执行队列中的事件，每执行一个事件，就更新一次全局时间，并按照经过的时间、各节点的速度和方向、以及道路场景模块中定义的运动规则，更新节点的位置。若事件的执行过程中有数据包生成、发送或接收等处理，则由结果分析模块记录下相应的数据包信息和处理时间。
到达最大仿真时间后仿真停止，由结果分析模块输出各类统计结果进行分析。
(3)仿真参数
仿真中使用的各项参数总结在下表中。在该参数设置下，道路的宽度相对于区域的尺度可以忽略。另外，电磁波的传播时间也可以忽略不计。
参数 取值 参数 取值
区域大小 3km*3km 传输距离 1km
横向道路数量 7 指挥命令消息到达率 20-50，step＝10
纵向道路数量 7 指挥命令消息时延 1s
同向道路间距 500m 状态报告消息频率 1Hz
车队数 4 车况协同消息频率 1Hz
单车队车辆数 10-30，step＝5 时隙长度 1ms
车辆平均速度 60km/h 时帧长度 1s
车辆速度标准差 10km/h 仿真时间 60s
仿真结果分析
(1)时间同步
如图所示为单车队车辆数N＝15时的一次节点时间同步过程。由图可见，初始时网络中完成时间同步的节点只有主节点，经过网络管理时隙，4个车队的指挥车节点通过接收网络管理数据包，获取了同步级别，并随后在相应中继时隙上转发网络管理数据包。经过中继链的逐级传播，网络中所有节点获得了各自的同步级别，因此获得同步级别的节点数呈阶梯状增长。之后，各节点在同步时隙上进行RTT校时，依次完成时间同步，因此完成同步的节点数呈线性增长。由此可见，MS-MAC的时间同步与预期的功能逻辑相符，同步级别的传递耗时只与中继节点的数量有关，完成全网时间同步的耗时只与总节点数有关。
(2)中继节点和孤立节点
如图8所示为网络中的平均中继节点数和平均最大中继级别。由图可见，平均中继节点数和平均最大中继级别随节点数量的变化很小。因为MS-MAC的中继节点选择算法基于最小连通支配集，本质上抽选出了每个子网中包含指挥车节点的骨干网。由于在仿真给定的固定区域规模和节点通信距离下，节点间的距离(也即节点间的最大跳数)是有限的，即使增加节点数量，也不影响骨干网的深度和规模，因此平均中继节点数和平均最大中继级别基本保持稳定。
如图9所示为网络中的孤立节点链路恢复与主节点链路的平均用时。在网络中，随着节点的运动，某些节点可能无法与任何主节点或中继节点通信，成为孤立节点而无法接收到网络管理数据包并得知自身获得的时隙，出现“脱网”并停止数据包发送。由图可见，在MS-MAC中孤立节点链路恢复的速度较快，脱网的节点大约经过2秒(2个时帧)即可重新入网。通过MS-MAC以时帧为基本单位的拓扑更新与中继机制，当某一被中继节点与原先的中继节点链路中断时，若其运动到其它中继节点的通信范围内，则在下一时帧中仍然可以接收到网络管理数据包并获得时隙分配，从而通过状态报告消息的发送继续更新本节点的位置，并通过新连接的中继节点恢复与指挥车和指挥站的通信；即使其运动到所有中继节点的通信范围之外，其状态报告消息无法继续到达主节点，但通过中继节点自身的位置信息更新，主节点同样可以发现这一链路中断(表现为中继节点到一固定位置的距离超过通信范围)，进而使用新的拓扑信息来选择满足条件的中继节点，重新恢复到该孤立节点的链路。
如图10所示为网络中的平均孤立节点数目。由图可见，网络中的平均孤立节点数量被控制在很小的平均值上，证明了MS-MAC的中继效果较好。综合来看，MS-MAC可在保证中继有效性的前提下尽量减少中继节点数量。当然，受限于仿真框架中节点运动模型的随机性，网络中仍然可能有小概率出现某一节点随机运动到无法与任何节点通信的位置，成为完全孤立节点，这与MS-MAC自身的设计无关。
(3)时隙分配
如图11所示为各节点分配到C类数据时隙的平均数量，按照MS-MAC的时隙分配算法，只为有指挥命令消息发送需求的节点(指挥站、指挥车)以及本时帧被选中的中继节点分配C类数据时隙。如图所示，在指挥命令消息的泊松参数λ≤40时，可为单个业务节点和中继节点平均分配与式(17)所估计数量一致的C类数据时隙。然而，当λ＝50时，出现了各节点平均分配到的C类数据数量随着节点数增大而减少的情况。这是由于按照式(17)和(14)所示的平均中继节点数量所计算出的C类数据时隙数量需求，在λ＝50时已经基本接近甚至超过MS-MAC每个时帧中可用作C类数据时隙的空闲时隙数量。并且，随着节点数的增加，需要分配更多的A类和B类数据时隙，因此可用的空闲时隙更少。
图12所示为各有额外时隙需求的节点分配到额外时隙的平均数量，按照MS-MAC的时隙分配算法，在有空闲时隙的情况下为提出时隙扩展请求的节点分配额外时隙。如图所示，在λ≤30时，平均额外时隙的数量与λ的值和总节点数均呈正相关。显然，越多的节点数意味着更多的状态报告消息需要发送和中继，因此中继节点更容易产生数据包堆积，需要申请更多的额外时隙；而越大的λ将减少可用于时隙分配算法最后分配给中继节点作为额外中继时隙的空闲时隙，因此也减少中继节点的可用时隙数量，增加了中继节点的平均队列长度，在发起时隙扩展请求时需要申请更多的额外时隙。当λ≥40时，由于空闲时隙数量的减少，未必能继续满足所有的时隙扩展请求，因此平均额外时隙数量不再保持前述的相关性，甚至出现相反的变化趋势。
图13所示为各中继节点分配到额外中继时隙的平均数量，按照MS-MAC的时隙分配算法，在有空闲时隙的情况下将空闲时隙分配给各中继节点。同样，随着λ值和总节点数的增加，可分配给中继节点的额外中继时隙逐渐下降。
图14所示为MS-MAC的数据时隙利用率，由图可见，当指挥命令消息的λ值较小时，数据时隙利用率较低，虽然MS-MAC的时隙估计方法能保证业务节点获得的时隙与需求相匹配，但(15)和(16)表明此情况下有较多空闲时隙存在，即使MS-MAC将这些时隙用作额外时隙或额外中继时隙，较小的业务量也使得很多时隙未被使用，这是按节点分配算法的固有缺陷。随着λ值的增加，数据时隙利用率逐渐提升。另一方面，随着节点数量的增加，A类和B类数据时隙所需的数量增加，这两类数据时隙的数量与节点数相关，且所有时帧中的每一个A类和B类数据时隙都必定被一个节点用于发送车况协同消息和状态报告消息，同时，剩余的空闲时隙数量也在减少，而中继节点需要转发的数据包增加，因此数据时隙利用率随着节点数的增加而提升。当然，随着可用时隙资源出现短缺，数据时隙利用率无法再进一步随着λ值和节点数的增加而提升。
图15所示为MS-MAC的整理时隙体用率。由于除三类数据时隙之外，其余时隙(网络管理时隙及其相应中继时隙、同步时隙)的分配均按节点进行，因此这些时隙在每个时帧中都必定被一个节点使用，没有空闲的时隙浪费，且时隙扩展机制使用的请求消息附加在了状态报告数据包中，无需额外开销，因此MS-MAC的整体时隙利用率与数据时隙利用率基本一致，略高于数据时隙利用率。
综合来看，MS-MAC可获得与业务量和节点数相符合的时隙利用率，最低可保证在50％左右，最高可达到约95％。
上述时隙分配的仿真结果反应了MS-MAC对指定条件的专用VANET的支持能力。事实上，各类业务的流量和性能要求、由节点的通信能力决定的通信范围和时隙长度、以及影响最大中继级别和平均中继节点数量的区域规模等等因素，都限制了MS-MAC所能提供的通信能力，这一点将在后续的分析中体现。
(4)指挥命令消息
图16所示是指挥命令消息的平均传输时延。如图可见，指挥命令消息的时延受到前述时隙分配情况的影响。当有充足的时隙分配给业务节点和中继节点时，指挥命令消息的平均时延很低，小于仿真参数表所规定的1s时延。然而，随着λ和节点数的增大，可分配给中继节点的时隙数量减少，因此即使业务节点的C类数据时隙分配满足估计的需求，在中继节点上也可能产生较大的中继时延，因此数据包的平均时延逐渐增大，但由于时隙扩展机制的存在，一定程度上缓和了时延的增长，因此尚未严重超过指标的规定。当λ和节点数继续增大，使得业务节点本身的C类数据时隙都无法满足需求、更无法通过时隙扩展机制分配额外时隙时，数据包的平均时延已明显超过指标的规定，MS-MAC无法继续支持该专用VANET的运行。
如图17所示为指挥命令消息的平均包投递率。如图所示，在λ值和节点数较小时，由于MS-MAC的中继节点选择机制可保证很低的平均孤立节点数，因此可取得非常高的包投递率。随着λ和节点数的增加，虽然孤立节点数变化不大，但由于前述的原因，节点的平均可用时隙减少，因此数据包将在节点队列中等待更多时间，受到网络的高动态性影响，原先存在的链路很可能已经失效(例如目的节点离开了当前中继节点的传输范围)，而新的有效链路尚未建立，使得该数据包无法被目的节点接收，导致包投递率的降低。整体来看，在指挥命令消息能够满足传输时延需求的节点数量和业务流量下，MS-MAC可保证高达90％以上的包投递率。
(5)状态报告消息
图18所示是状态报告消息的平均丢弃率，显然，由于MS-MAC在时隙分配时按照状态报告消息的更新周期进行B类数据时隙的分配，所有节点在每个时帧中都能被分配到一个B类数据时隙，且状态报告消息在时隙到达时才生成并立刻发送，因此在发送节点上其丢弃率始终为零。
如图19所示是状态报告消息的平均传输时延。由于状态报告消息采用“生成即发送”的方式，没有接入等待时延和队列等待时延，其平均传输时延主要由中继时延构成，当中继节点没有足够的时隙进行转发时，数据包将在中继节点的队列中等待较长时间，使得中继时延增大，进而导致了平均传输时延的增大。因此，与指挥命令消息类似，在λ≤30时状态报告消息的平均时延很小，在λ＝40时由于数据包的特性，平均传输时延也没有随着总节点数增加而剧烈增大。因此在λ≤40时，MS-MAC可以满足状态报告消息的传输需求。而在λ＝50时，状态报告消息的平均传输时延已经超过了其更新周期，意味着该消息中包含的信息已经失效，因此不再能满足该消息的传输需求。
如图20所示为状态报告消息的平均包投递率，与指挥命令消息的平均包投递率情况相似。由于状态报告消息的平均传输时延更低，因此受到链路中断的影响更小一些，所以整体的包投递率略高于指挥命令消息。
(6)车况协同消息
如图21所示为车况协同消息的平均丢弃率。同样，由于MS-MAC保证车况协同消息的发送，在时隙分配时优先进行A类数据时隙的分配，所有节点在每个时帧中都能占用一个A类数据时隙，且车况协同消息在时隙到达时才生成，因此其丢弃率始终为零。
(7)总结
以上仿真结果给出了MS-MAC在指定任务需求下的通信能力。从上述结果可总结得出，在仿真参数的表格中指定的其它任务条件下，MS-MAC在λ≤30的情况下可满足4个车队最多120辆车的通信需求，能提供符合需求的低传输时延和零数据包丢弃率，时隙利用率随λ值和节点数的增大而逐渐提升；当λ进一步增大时，可基本满足通信需求，但在同样的节点数量下各类消息的传输时延将增大；而λ≥50时，MS-MAC已无法支持4个车队总计超过40辆车的通信需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于车载自组织网络的信道资源共享接入方法，其特征在于：包括：一组节点、基础设施节点、基本通信链路和组织网络，其中，所述节点包括指挥站、指挥车节点和执行车形成三级关系链，所述指挥车节点和执行车内均设有传感器和通信设备，所述基本通信链路包括车辆间通信模块和车辆与基础设施间通信模块，所述执行车之间通过车辆间通信模块连接，且所述指挥车节点和执行车之间以及指挥站、指挥车节点之间通过车辆与基础设施间通信模块与固定基础设施节点连接；所述组织网络由一组子网构成；
所述指挥站为全网络的主节点；
所述指挥车节点作为次级主节点，在业务上，可作为本车队执行车报告消息的接收者、指挥站命令消息的分发者；在功能上，既可为主节点到本子网中位于中心节点直接通信范围之外的节点提供中继，又可在主节点失效时担任各子网自行运作的备用主节点；还包括自同步机制，所述自同步机制才有TPSN时间同步算法；
所述TPSN时间同步算法具体如下：
1)：首先判断节点是否为主节点；
2)：是，则发送网络管理数据包，包含本节点同步级别的数据包；
3)：等待RTT请求；
4)：回复RTT应答；
5)：若步骤1中，若判断不是主节点；
6)：等待网络管理数据包；
7)：是否为指挥车节点；
8)：是，接受主节点的网络管理数据包，将目的子网设为本子网；
9)：若步骤7中判断不是指挥车节点，则接受来自本子网的网络管理数据包；
10)：步骤8)和步骤9)中的接受网络管理数据包后，将来源节点设为时间参考节点；
10)：递增设置本节点同步级别；
12)：判断上一步骤中设置的本节点同步级别是否为中继节点；
13)：若上一步骤中判断是中继节点，则将发送网络管理数据包，该数据包包含本节点同步级别，等待RTT请求，然后回复RTT应答；
14)：若步骤12)中不是中继节点，但网络管理数据包在同步时隙上向时间参考节点发起RTT请求；
15)：收到RTT应答，计算并修正时间误差即可；
修正时间误差的具体方法如下：1)：先设置节点1向节点2发起RTT校时，则节点1在本地时钟的T1时刻发送RTT请求消息；2)：节点2在本地时钟的T2时刻收到该消息，在本地时钟T3时刻回复RTT应答消息，其中包含T2和T3的值；3)：节点1在在本地时钟T4时刻收到RTT应答消息，可按公式计算出节点1相对于节点2的往返时延d和时间偏差σ；4)：节点1调整本地时钟为t′1＝t1+d+σ，即完成与节点2的时间同步；所述步骤3)中的计算公式如下：
2.根据权利要求1所述的一种用于车载自组织网络的信道资源共享接入方法，其特征在于：所述主节点具有子网号或者节点号唯一标识。
3.根据权利要求1所述的一种用于车载自组织网络的信道资源共享接入方法，其特征在于：还包括中继节点，所述中继节点负责维持尽可能多边缘节点和主节点间的通信链路。
4.根据权利要求1所述的一种用于车载自组织网络的信道资源共享接入方法，其特征在于：所述中继节点是通信过程中根据车辆节点的实际情况，动态地指派某些车辆节点作为中继节点；
所述中继节点的选择方式如下：
以无向图G(V,E)表示网络拓扑关系，其中顶点集合代表网络中的所有节点，其中主节点为v0，边集合E代表所有节点间的链路，记
特别地，设中继节点集合为R，记
若假设不存在孤立节点，则中继节点的选择可描述为以下问题：
；
MS-MAC的时隙分配算法首先需要确定节点在一段时间内所需的平均时隙数量，该数量应与节点的业务流量相匹配；根据业务类型和需求，MS-MAC的时隙数量估计分析如下：
1)指挥命令消息
指挥命令消息的生成服从参数为λ的泊松过程，假设数据包仅在时隙开始的时刻到达，间隔时间独立同分布，每个数据包在一个时隙内发送完毕，不考虑数据包队列的上限，且忽略电磁波传播时间，单个数据包的传输时延D可表示为
D＝R+W+S＝R+W+Ts (6)
其中，R为接入时延，W为队列等待时延，S为发送时间，即一个时隙的时长Ts；
一方面，TDMA协议的接入时延R包括节点尝试获取下一个发送时隙而产生的时隙获取时延Rs，以及等待下一个发送时隙到达的时隙等待时延Rw；由于MS-MAC采用集中式的时隙分配算法，在每一帧开始时已经确定时隙分配，因此有Rs＝0；故接入时延R＝Rw，其分析如下：
假设某一节点相邻的两个时隙间隔时间为ΔT，一系列消息在ΔT内随机到达，则在t时刻到达的消息，其等待时间为R(t)＝ΔT-t，因此，ΔT内所有消息的总等待时间为
假设时刻T恰好有R(T)＝0，若一系列消息在[0,T]内随机到达，则[0,T]内R(t)的时间平均值为
其中N(T)为[0,T]内经过的发送时隙数目，对T取极限可得：
另一方面，队列等待时延分析如下：
若不考虑接入等待时延，则队列中的数据包发送过程可视为一个M/D/1排队模型，数据包的平均队列等待时延即为该排队模型的平均等待时间；现到达率为λ，服务率为：
记
根据排队论，其平均队列长度为：
平均等待队列长度为
因此该排队模型的平均等待时间，即数据包的平均队列等待时延为
综上所述，数据包的平均传输时延为
即平均传输时延由数据包的到达率、相邻时隙的平均间隔和时隙长度共同决定；
若在T时间内为该节点分配N个时隙，则有
则若要保证平均传输时延小于某个规定的传输时延上限Dm，由式(15)和式(16)可知应有
将N向上取整即得到T时间内所需的时隙数量；
2)状态报告消息和车况协同消息
这两类消息数据包均按周期生成，当新的消息产生时，旧的数据包即失效而被丢弃，因此其发送频率应与其生成频率相匹配，保证下一轮数据包产生前，旧的数据包可以发送完成，不产生数据包丢弃；因此，该消息的主要性能需求为发送频率，其时隙数量的确定分析如下：
设周期型数据包的更新频率为f，则两次更新的间隔为
显然，ΔT时间内至少需要给该节点分配1个时隙，因此T时间内需要为该节点分配的时隙数量为
5.根据权利要求4所述的一种用于车载自组织网络的信道资源共享接入方法，其特征在于：MAC协议时隙分配过程具体如下：
首先，根据网络功能和业务类型，将时隙进行如下分类设置：
1)网络管理时隙
网络管理时隙用于主节点发送网络管理数据包至各子网，数据包中含有时隙分配表和TPSN时间同步算法所需的同步级别信息(L0)，由各子网中继节点逐级扩散；指挥车节点只接收主节点的网络管理数据包，其余节点只接收本子网的网络管理数据包；
2)同步时隙
同步时隙用于节点进行RTT校时，一个节点的一次RTT询问和RTT回复使用一个同步时隙；
3)数据时隙
数据时隙用于节点发送中的各类业务消息数据包；根据业务类型，将数据时隙分为A、B、C三种，分别用于发送车况协同消息、状态报告消息和指挥命令消息，C类数据时隙也用于发送常规方式中继的数据包，其数量按照前述的时隙数量估计方法来确定；为了尽可能保证状态报告消息和车况协同消息的新鲜度，要求这两类消息数据包在相应时隙到达时再生成；
4)中继时隙
考虑到两种中继方式的优缺点，MS-MAC根据时隙的类型来决定其中继方式和中继时隙的分配，具体如下：
(a)对于网络管理时隙，由于网络管理数据包需要沿中继链扩散，因此采用时隙对方式，按照中继级别设置各中继节点的时隙对，由下一级中继节点负责中继上一级中继节点发送的网络管理数据包，形成树状结构；如果一个i级中继节点可与多个i-1级中继节点通信，只中继时隙号最小的时隙；
(b)对于同步时隙，由于同步消息无需中继，因此不分配中继时隙；
(c)对于数据时隙，由于车况协同消息无需中继，因此A类数据时隙不分配中继时隙；B类和C类数据时隙采用常规方式中继；由于执行车节点有可能作为中继节点，但没有指挥命令消息的业务需求，因此需要额外分配一部分时隙以进行中继转发。
6.根据权利要求5所述的一种用于车载自组织网络的信道资源共享接入方法，其特征在于：所述MAC协议还设计了时隙扩展机制，具体如下：
1)对于有泊松型数据包业务的节点，若节点的数据包队列长度超过平均值，则节点向主节点发送时隙扩展请求，请求中包含当前队列长度和平均队列长度的差值X，由主节点在下一时帧中为其分配X个额外时隙，以更快地发送队列中的数据包，避免时延增大，其中平均队列长度由式(13)和式(16)求得；
2)对于没有泊松数据包业务的节点，若节点的数据包队列长度不为零，则节点向主节点发送时隙扩展请求，请求中包含当前队列长度Y，由主节点在下一时帧中为其分配Y个额外时隙；这一机制主要用于中继节点尽快将已存储但未转发的数据包发送完毕，以减少中继时延，以及中继节点出现变更时避免数据包堆积在原中继节点的队列中，造成中继中断；
考虑到状态报告消息的周期性，MS-MAC将时隙扩展请求附加在状态报告消息中，即在每一时帧最后一次发送状态报告消息时计算前述的X和Y，以避免单独发送请求消息带来的额外资源开销；主节点自身无需请求，在进行时隙分配时计算该差值。
7.根据权利要求6所述的一种用于车载自组织网络的信道资源共享接入方法，其特征在于：所述MAC协议的时隙和时帧长度设计如下：
1)时隙长度
时隙的长度需要大于或等于MAC层上最大数据包的传输时长，以使得在一个时隙上至少能发送一条完整消息，避免单条消息的拆分和聚合带来额外开销；根据数据包的大小上限和给定的传输数据率，同时考虑物理层开销、时隙保护时间等因素，可确定单个时隙的长度；
在MS-MAC中，指挥命令消息的典型大小为每条225比特，车况协同消息和状态报告消息的大小，使用12Mbps的数据率，1ms的时隙长度是合理的；
2)时帧长度
考虑到MS-MAC所承载的业务中，车况协同消息具有和ITS中的CAM相同的特性，有明确的更新频率要求；因此，基于1ms的时隙长度，参考CAM消息的最低频率需求1Hz，MS-MAC以T＝1s作为基本的时帧长度，即单个时帧包含1000个时隙，使得车况协同消息固定在一个时帧中发送一次，避免多个周期型业务导致时隙分配的复杂度提升；在时隙分配的过程中，以T＝1s代入式(17)和式(19)计算指挥命令消息和状态报告消息所需的时隙数量；
综上所述，MS-MAC的时隙分配流程如下：
首先，网络管理时隙固定地分配到每一时帧的第一个时隙，其中继时隙按子网号顺序和中继层级依次排列在后，时隙对表附加在网络管理数据包中；若需要进行时间同步，则在网络管理时隙之后分配同步时隙，其排列按照中继级别的顺序，先由中继节点逐级完成时间同步，再由其它节点进行时间同步，以保证无法与主节点直接同步的节点能够获得正确的时间基准；
其次，为各节点分配A类数据时隙，按子网号和节点号的顺序排列；再按照状态报告消息的更新频率，将时帧划分为多个子帧，其长度与状态报告消息的更新周期相同，在每个子帧中为各执行车节点分配B类数据时隙，按子网号和节点号的顺序排列；特别地，将指挥车节点的B类数据时隙放置在子帧的末尾，保证指挥车节点尽可能收集并更新本子网拓扑信息和时隙扩展请求后再上报主节点。
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