服务密集型车载网络中的多信道MAC协议实现方法

摘要

服务密集型车载网络中的多信道MAC协议实现方法，属于车载无线通信领域。包括DS‑ALOHA控制信道接入协议和服务信道时隙分配；DS‑ALOHA控制信道接入协议采用TDMA机制，引入簇的概念，通过簇首来收集、转发安全信息，使得网络中的安全信息能够得到实时、可靠的传播；同时，服务信道的接入由簇首来分配，从而降低了节点之间的碰撞，提高了对业务信道的利用率。只需要使用单根天线，即可实现多信道通信。更加有效利用了无线信道资源；同时相对于多天线方案，降低了生产成本，减小了侦听安全信息所产生的能量开销。在服务密集型网络下，可以保证安全消息的可靠传输，同时提高系统对服务信息的吞吐量。

权利要求

1.服务密集型车载网络中的多信道MAC协议实现方法，其特征在于包括DS-ALOHA控制信道接入协议和服务信道时隙分配；

所述DS-ALOHA控制信道接入协议，包括以下步骤：

1)将信道分成同步间隔，每个同步间隔包含一个控制信道间隔以及一个服务信道间隔，并进一步将控制信道间隔分成消息接收阶段和簇首广播阶段；

2)每个簇成员预约一个时隙，该时隙只能位于消息接收阶段间隔内；簇首预约两个时隙，一个位于消息接收阶段间隔内，另一个位于簇首广播阶段间隔内；

3)簇首通过消息接收阶段间隔内的时隙广播对簇的管理信息，通过簇首广播阶段间隔内的时隙广播安全消息以及对业务信道接入时隙的分配方案；

4)在控制信道间隔内，簇首必须保持在控制信道上，簇成员可以切换到服务信道上；在服务信道间隔内，簇首和簇成员都可以在控制信道和服务信道上自由切换；

所述服务信道时隙分配，包括以下步骤：

1)源节点向所在簇的簇首发送服务请求，所述所在簇的簇首为源簇首；簇首接收服务请求后，在簇首广播阶段将服务请求转发给目的节点所在簇的簇首，所述所在簇的簇首为目的簇首；目的簇首接收服务请求后，将服务请求转发给目的节点；

2)目的节点接收该服务请求后，决定是否接受该服务，并向目的簇首返回一个确认/否定消息；

3)目的簇首根据接收到的确认/否定消息，判断是否接收；若为确认，判断是否由自己分配时隙；若由自己分配时隙，则根据信道使用情况分配好时隙，并将结果发送给目的节点以及源簇首；若由源簇首分配时隙，则返回确认；若为否定，则向源簇首返回否定；

4)源簇首接收来自目的簇首的消息，若为否定，则向源节点返回否定消息；否则，由自己分配时隙并发送给源节点和目的簇首或向源节点转发由目的簇首分配的时隙；

5)源节点和目的节点在分配好的时隙内，切换到服务信道上进行服务数据的交换。

说明书

服务密集型车载网络中的多信道MAC协议实现方法

技术领域

[0001] 本发明属于车载无线通信领域，涉及MAC协议，尤其是涉及一种服务密集型车载网络中的多信道MAC协议实现方法。

背景技术

[0002] 车载自组织网络是传统移动自组织网络在道路交通领域中的一种特殊应用，道路上的车辆可以与其它车辆或路边单元设施(RSU)进行通信，从而将道路上的车辆组成一个无线分布式网络。车载自组织网络是一种解决交通安全问题的有效方法，是智能交通系统中的一个重要应用。在车载自组织网络中，车辆之间通过共享各自的速度、位置以及其它安全相关信息，为人们提供一个更加安全、舒适的行车环境。

[0003] 作为一种特殊的移动自组织网络，车载网络具有一般移动自组织网络不具有的特性，例如，车辆的高速移动、车辆运动轨迹受限、无线信道的不稳定性等。这些特性使车辆之间的通信变得不稳定，如何为车辆之间通信提供可靠的通信服务，成为了人们研究的热点。

[0004] IEEE802.11p标准极其协议栈WAVE是在IEEE802.11标准基础上，专门针对车载网络而提出的一种解决方案。IEEE802.11p以分布式协调功能(DCF)，即CSMA/CA方法，作为基本的接入方法。通过采用CSMA/CA方法，在车辆密度较低的网络环境下，可以有效的解决车辆之间的传输碰撞，但在车辆密度较高的网络中，车辆之间的碰撞概率显著增加。此外，采用CSMA/CA方案，隐终端问题也是影响协议性能的重要因素。

[0005] 为了解决CSMA/CA方案中存在的碰撞以及隐终端问题，研究者们提出了许多基于TDMA技术的方案。采用TDMA技术，每个车辆都分配有专门的时隙用来发送消息，因此有效解决了信道竞争带来的开销以及碰撞。此外，由于车辆知道网络中节点的时隙分配信息，隐终端问题也得到了有效解决。CDMA技术以及FDMA技术也同样被广泛采用于车载网络的MAC协议设计中。通过使用不同的编码方式或不同的发送频率，车辆可以同时进行数据的发送而不会相互产生干扰，有效提高了系统的性能。

[0006] 通过引入簇的概念，可以将分布式的车载网络进行集中管理。在分簇网络中，将整个网络按照一定的规则划分成不同的簇，每个簇中都选出一个簇头来对所在簇进行管理。通过分簇，将大规模的车载网络分成了无数个小规模网络，将复杂网络简化，从而使得对网络的维护变得简单。目前，分簇网络已经广泛的运用在车载网络中。

[0007] 为了实现快速成簇,Nguyen等(V.Nguyen,O.T.T.Kim,D.N.M.Dang,S.S.Kim,and C.S.Hong“,Application of the Lowest-ID Algorithm in Cluster-Based TDMA System for VANETs,"in Information Networking(ICOIN),2015International Conference on.IEEE,2015,pp.25-30.)采用了最小ID算法来选择簇头，并且分配了两个时隙来广播hello消息，显著减少了用于成簇的时间。此外，用于请求带宽服务的时隙也显著减少。但是此方法只使用了一个信道，不能有效利用所有的信道资源。

[0008] Su等(H.Su and X.Zhang,“Clustering-based Multichannel MAC Protocols for QoS Provisioning over Vehicular Ad hoc Networks,”Vehicular Technology,IEEE Transactions on,vol.56,no.6,pp.3309-3323,2007.)提出了一种基于簇的多信道MAC协议。该协议将簇内通信和簇间通信分隔开来，分别在不同的信道上进行，在保证安全信息QoS的情况下，有效的提高了系统对非安全信息的吞吐量。由于此方法使用了两根天线，系统的性能得到了可靠保障，但设备生产成本也相对提高。同时，由于簇首要时刻侦听相邻簇首以及所管理簇中簇成员发送的消息，簇首不能进行服务数据的交换。

发明内容

[0009] 本发明的目的是提供在服务密集型网络下，保证安全消息的可靠传输，同时提高系统对服务信息吞吐量的一种服务密集型车载网络中的多信道MAC协议实现方法。

[0010] 本发明包括DS-ALOHA控制信道接入协议和服务信道时隙分配：

[0011] 所述DS-ALOHA控制信道接入协议，包括以下步骤：

[0012] 1)将信道分成同步间隔，每个同步间隔包含一个控制信道间隔以及一个服务信道间隔，并进一步将控制信道间隔分成消息接收阶段和簇首广播阶段；

[0013] 2)每个簇成员预约一个时隙，该时隙只能位于消息接收阶段间隔内；簇首预约两个时隙，一个位于RP间隔内，另一个位于CBP间隔内；

[0014] 3)簇首通过RP间隔内的时隙广播对簇的管理信息，通过CBP间隔内的时隙广播安全消息以及对业务信道接入时隙的分配方案；

[0015] 4)在控制信道间隔内，簇首必须保持在控制信道上，簇成员可以切换到服务信道上；在服务信道间隔内，簇首和簇成员都可以在控制信道和服务信道上自由切换；

[0016] 所述服务信道时隙分配，包括以下步骤：

[0017] 1)源节点向所在簇的簇首(源簇首)发送服务请求(RFS)；簇首接收服务请求后，在簇首广播阶段将服务请求转发给目的节点所在簇的簇首(目的簇首)；目的簇首接收服务请求后，将服务请求转发给目的节点；

[0018] 2)目的节点接收该服务请求后，决定是否接受该服务，并向目的簇首返回一个确认/否定(ACK/NACK)消息；

[0019] 3)目的簇首根据接收到的ACK/NACK消息，判断是否接收；若为ACK，判断是否由自己分配时隙；若由自己分配时隙，则根据信道使用情况分配好时隙，并将结果发送给目的节点以及源簇首；若由源簇首分配时隙，则返回ACK；若为NACK，则向源簇首返回NACK；

[0020] 4)源簇首接收来自目的簇首的消息，若为NACK，则向源节点返回NACK消息；否则，由自己分配时隙并发送给源节点和目的簇首或向源节点转发由目的簇首分配的时隙；

[0021] 5)源节点和目的节点在分配好的时隙内，切换到服务信道上进行服务数据的交换。

[0022] 所述DS-ALOHA控制信道接入协议是在RR-ALOHA协议基础上，通过分簇的方法，由簇首使用两个时隙实现对簇的管理；所述服务信道接入分配策略是指簇成员在服务信道上的接入时间由簇首进行分配，通过使用时隙靠前簇头来分配服务信道使用方案，保证了所有服务请求都能够在一定时间内完成。

[0023] 所述服务信道时隙分配中，簇首在簇首广播阶段进行服务时隙的分配协商。在此规定，在簇首广播阶段内时隙靠前的簇首，即时隙序号较小的簇首，执行时隙的分配，这是为了保证时隙的分配能够在三个同步间隔内完成，从而减少服务信息的传输时延，服务信道时隙分配。

[0024] 本发明与现有的方法(指背景技术中所述的方法)不同，本发明提出了一种基于簇的多信道MAC协议技术。应用提出的信道接入方法，只需要使用单根天线，即可实现多信道通信。相对于单信道协议，更加有效的利用了无线信道资源；同时相对于多天线方案，降低了生产成本，减小了侦听安全信息所产生的能量开销。通过本发明提供的基于簇的多信道MAC协议技术，在服务密集型网络下，可以保证安全消息的可靠传输，同时提高系统对服务信息的吞吐量。

附图说明

[0025] 图1为本发明中对TDMA时隙的划分。

[0026] 图2为本发明中通信场景。

[0027] 图3为本发明中CH1时隙位于CH2之前时的服务信道时隙分配过程。

[0028] 图4为本发明中CH1时隙位于CH2之后时的服务信道时隙分配过程。

具体实施方式

[0029] 为了能够更清楚的理解本发明，下面将结合本发明的附图，通过以下实施例对本发明内容进行详细说明。

[0030] 图1给出了本实施例中对信道的划分方案。在本实施例中，每个同步间隔被划分成100个时隙，其中CCHI和SCHI各占50个时隙。此外，在CCHI间隔，RP长度为45个时隙，CBP长度为5个时隙。网络中的车辆根据自己的状态分别在RP和CBP内预约相应的时隙。当车辆为CM时，只在RP内预约一个时隙用于安全/服务请求消息的发送；当车辆为CH时，在RP阶段内预约一个时隙用于广播对簇的管理信息，同时在CBP阶段内预约一个时隙用于广播整合后的安全/服务请求消息。假设所有车辆都已经获得相应的时隙。

[0031] 1、簇内通信

[0032] 在本发明中，由于采用了TDMA技术，在一个同步间隔内，所有的簇成员都可以向簇首发送消息。当簇成员有安全消息发送时，在RP阶段内，通过预约的时隙将消息发送给簇首；簇首接收到安全消息后，在CBP阶段内，将处理后的安全消息广播给簇成员。所以只需一个同步间隔，所有簇成员都可以接收到来自其它成员的安全消息。

[0033] 考虑如图2所示通信场景，簇内成员(CM1,CM2)的服务信息交换过程可以分为以下步骤：

[0034] 1).车辆CM1在预约的时隙向簇首发送服务请求消息RFS；

[0035] 2).在CBP阶段，簇首将收到的RFS转发给车辆CM2；

[0036] 3).根据在CBP接收到的RFS，车辆CM2决定是否接收该服务。若接收，则在下一个RP向簇首返回一个ACK，否则返回一个NACK；

[0037] 4).簇首接收来自车辆CM2的消息，若为ACK，则为(CM1,CM2)分配时隙，并在CBP间隔内将分配结果发送给车辆(CM1,CM2)。若为NACK，则向车辆CM1返回NACK；

[0038] 5).最后，车辆(CM1,CM2)在分配的时隙内切换到服务信道上进行服务数据的交换。

[0039] 由以上过程可以看出，采用本发明提出的方案，只需要两个同步间隔即可完成对簇内成员通信时隙的分配。

[0040] 2、簇间通信

[0041] 考虑如图2所示通信场景。对于安全消息的交换，只能通过簇首来完成。当CH1完成对安全消息的收集整合后，在CBP阶段将整合后的安全消息发送给CH2；CH2接收到来自CH1的信息后，在CBP阶段将接收到的消息广播给簇成员。基于以上信息交换过程，簇间安全信息的交换需要两个同步间隔。

[0042] 对于服务消息，当簇1中的簇成员车辆CM1有服务消息需要发送给簇2中的CM2时，根据CH1和CH2在CBP内时隙位置关系，可以将通信过程分为两种情况，如图3和4所示。详细的通信过程分为以下步骤：

[0043] 1.CM1向簇首CH1发送服务请求RFS；CH1接收RFS后，在CBP阶段将RFS转发给簇首CH2；CH2接收来自CH1的RFS后，将RFS转发给CM5；

[0044] 2.CM5接收RFS后，决定是否接受该服务，若接受该服务，则像CH2返回一个ACK消息，否则返回NACK消息；

[0045] 3.当CM5接受来自CM1的服务时，CH2判断其本身和CH1在CBP内时隙的前后顺序，若CH1时隙在前，则CH2向CH1返回一个ACK值；若CH2时隙在前，则CH2根据信道使用情况，为(CM1,CM5)分配好时隙，并将分配结果发送给CM5和CH1；否则向CH1返回NACK消息；

[0046] 4.CH1接收来自CH2的返回消息，若为NACK，则向CM1返回NACK消息；若为ACK消息，并且还未分配时隙，那么CH1就根据信道使用情况，为(CM1,CM5)分配好时隙，并将分配结果发送给CM1和CH2；若已经分配好时隙，则将该分配结果转发给CM1；

[0047] 5.CM1和CM5在分配好的时隙内，切换到服务信道上进行服务数据的交换。

[0048] 采用以上时隙分配方法，最多只需要三个时隙就可以完成对服务时隙的分配，减小了由时隙分配所产生的时延，进而提高了系统的稳定性。

[0049] 本发明提供了一种用于服务密集型车载网络中基于簇的多信道MAC协议实现方法，包括控制信道使用的DS-ALOHA协议，和业务信道接入分配策略，其中DS-ALOHA协议采用TDMA机制，引入簇的概念，通过簇首来收集、转发安全信息，使得网络中的安全信息能够得到实时、可靠的传播；同时，服务信道的接入由簇首来分配，从而降低了节点之间的碰撞，提高了对业务信道的利用率。