专利名称：用于车载无线自组织网络的自适应mac协议的制作方法
技术领域：
本发明属于无线网络技术领域，具体涉及ー种新的车载无线自组织网络的自适应介质访问控制(MAC)协议。
背景技术：
车用无线自组织网络(VANET)作为移动无线自组织网络(MANET)的ー个重要分支，其设计目标是在沿道路行驶的车辆间、车辆与固定接入点之间，通过相互通信快速组网形成部署方便、费用低廉、结构开放的无线移动自组织网络，从而提供开放的公共道路交通安全服务和诸如交通信息查询、个人通信、电子地图更新、娱乐下载和Internet信息等安全无关服务。
根据IEEE 802. Ilp MAC协议，WAVE (车载环境下的无线接入)节点在控制信道和业务信道上均需要竞争信道来发送数据，对于VANET这种节点密度和拓扑结构动态变化的网络来说，不能保证控制信道上的安全、控制信息实时、可靠的传输，同时业务信道也不能得到高效的利用。IEEE 1609. 4协议规定CCH时隙和SCH时隙均为固定值，存在这样的弊端当网络的节点密度较大吋，固定的CCH时隙将无法提供足够的带宽来传输大量的安全、控制信息；当网络的节点密度较小时，安全、控制信息传输的減少使得控制信道得不到充分的利用，同时固定的SCH时隙将无法提供足够的带宽来传输消耗大量带宽的增值业务。针对IEEE 802. Ilp MAC协议和IEEE 1609. 4协议存在的不足，国内学者提出了新的 MAC 协议。文献 A Novel Multichannel MAC Scheme for Vehicular Ad Hoc Networks(In 1st International conference on Wireless Access in Vehicular Environments,2008.)设计了 VCI MAC协议，该协议创新性地提出了可变CCH时隙设计，并将CCH时隙进ー步划分为安全时隙和WAVE服务宣告时隙,减少了安全信息和控制信息之间的传输干扰，同时通过在WSA时隙完成节点对业务信道的预留，从而为业务信道提供无竞争访问，使控制信道和业务信道的信道利用率都得到了大幅提高。但该协议在控制信道上仍采用竞争方式，无法保证在网络节点密度较大时，安全、控制信息实时、可靠的传输。相比较国外提出的新的MAC协议，文献A survey and qualitative analysisof mac protocols for vehicular ad hoc networks Klfireless Comnuni cat ions,IEEE, October 2006, vol. 13，Issue: 5, pp. 30-35.)提出了使用 RR-ALOHA (ReliableReservation-ALOHA,可靠预约ALOHA)协议RR-AL0HA协议假设ー帧由N个时隙组成。RR-ALOHA协议采用分布式申请方式，当有节点加入时，先侦听ー帧的时间，然后选择ー个空闲时隙发送ー个分组，来预约这个时隙。如果邻居节点正确接收到了该分组，则在它的FI(Frame Information)中标示出来。当新加入的节点从一巾贞时间内收到的所有FI中确定邻居节点都正确接收到分组时，即认为预约成功，从而将每帧的该时隙作为它的BCH (BaseChannel),直到该节点主动放弃这个时隙或离开网络,在这期间其他节点都不能访问该时隙。其中，BCH用于发送FI、其他信令信息和承载有效载荷。在每ー帧中，节点都必须在自己的BCH中发送FI信息，井根据节点的FI和自己的信道使用情况及时更新FI信息。使用RR-ALOHA协议来传输安全、控制及业务信息，实现了节点安全信息的实时、可靠传输，但RR-ALOHA协议要求网络中的节点数必须小于单个frame中time slot的个数,无法满足VANET节点密度和拓扑结构动态变化的特性。同时该MAC协议仍规定CCH时隙和SCH时隙均为固定值，使得控制信道和业务信道无法得到充分利用。近年来，国内外的研究取得了一定的成果，但仍存在以下问题无法在保证安全、控制信息实时、可靠传输的前提下，使得业务信道的信道利用率在任何节点密度下都能达到最大值。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了ー种用于车载无线自组织网络的自适应MAC协议。 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种用于车载无线自组织网络的自适应MAC协议，包括控制信道使用的DR-ALOHA协议、以及节点动态选择竞争方式或预约方式访问业务信道的策略；所述DR-ALOHA协议是指在R-ALOHA协议的基础上，通过动态调整定长时隙的个数，使得网络中所有节点的安全信息传输都能得到保证；所述节点动态选择竞争方式或预约方式访问业务信道的策略是指通过实时监测业务信道的信道利用率，动态选择竞争方式或预约方式访问业务信道，使节点在任何节点密度下，业务信道的信道利用率都能达到最大值。所述实时监测业务信道的信道利用率，动态选择竞争方式或预约方式访问业务信道的方法包括如下步骤
1)在保证CCH时隙和SCH时隙最优比例的前提下，在控制信道上广播WSA报文，在业务信道上竞争传输业务数据，并计算此时单业务信道的饱和吞吐量S1 ；
2)在保证CCH时隙和SCH时隙最优比例的前提下，在控制信道上竞争传输WSA报文，在业务信道上以预约方式传输业务数据，计算此时单业务信道的饱和吞吐量S2 ；
3)通过饱和呑吐量S1和S2，计算出单业务信道下业务信道访问方式切換的阈值N;
4)结合WAVE系统中业务信道数,确定业务信道访问方式的切换阈值为业务信道数的N
倍;
5)当网络中的节点数H小于业务信道访问方式的切换阈值吋，WAVE节点的业务信道使用竞争访问方式；当网络中的节点数》大于业务信道访问方式的切换阈值时，WAVE节点的业务信道使用预约访问方式。与现有技术相比，本发明的积极效果是通过结合R-ALOHA协议，采用时分复用的原理，通过动态调整定长时隙的个数，使得WAVE节点的安全信息能够实时、可靠的传输，适用于节点密度和拓扑结构动态变化的网络；同时在保证CCH时隙和SCH时隙最优比例的前提下，在竞争方式和预约方式之间动态调整节点业务信道的访问方式，使业务信道的信道利用率在任何节点密度下都能达到最大值。
本发明将通过例子并參照附图的方式说明，其中
图I为A_VCI_MAC协议框架示意图；图2为车载单元(OBU，On Board Unit，也称为车载电子标签)进入路侧控制单元(RSU，Road Side Unit)的覆盖范围示意 图3为RSU广播的AVCI帧中的FI信息示意 图4为RSU广播的AVCI帧结构示意 图5为OBU离开RSU的覆盖范围示意 图6为A_VCI_MAC的SCHs竞争传输协议框架示意 图7为A_VCI_MAC的SCHs预约传输协议框架示意 图8为ニ维马尔科夫链示意图； 图9为CCH信道上广播WSA的模型示意 图10为SCHs信道上发送Data的竞争模型示意 图11为CCH信道上发送WSA的竞争模型示意图。
具体实施例方式一种新的车载无线自组织网络的自适应MAC协议，记为AVCI-MAC (AdaptiveVariable CCH Interval-MAC)协议，包括控制信道使用的 DR-ALOHA (DynamicReservation-ALOHA)协议、以及节点动态选择竞争方式或预约方式访问业务信道的策略。AVCI-MAC的协议框架如图I所示，将信道时间周期化，每个周期均划分为CCH时隙和SCH时隙，CCH时隙和SCH时隙均可变，在控制信道上传输安全和控制信息，在业务信道上传输与安全无关的业务信息。并且将CCH时隙进ー步划分为安全时隙(Safety Interval,SA)和WAVE服务宣告时隙(WSA Interval), AVCI-MAC协议将根据当前的网络状况预留出足够的安全时隙来传输安全信息，在WSA Interval通过广播方式来进行WAVE服务的宣告。同吋，AVCI-MAC协议将实时监测业务信道的信道利用率，使WAVE节点动态选择竞争方式或预约方式访问业务信道。所述DR-ALOHA 协议，包括 R-ALOHA (Reservation-ALOHA,预约 AL0HA)协议R-ALOHA协议是针对时隙ALOHA协议的进ー步改进，它按照时分复用的原理，将连续的时间分割为等长度的帧，再将每个帧分割为等长度的时隙。R-ALOHA协议采用向特定管理节点提出申请的集中控制方式，当有节点加入时，先侦听ー帧的时间，然后选择ー个空闲时隙发送一个分组，来向管理节点预约这个时隙。如果管理节点正确接收到了该分组，则在它的FI中标示出来，并周期性地在其BCH中广播FI信息，以告知网络中所有节点信道的使用情況。当新加入的节点从一帧时间内收到的所有FI中确定邻居节点都标记了该时隙吋，即认为预约成功，从而将每帧的该时隙作为它的BC H，接下来的每个帧的这个时隙都属于此节点，作为该节点的专用信道无竞争传输信息，直到该节点主动放弃这个时隙或离开网络，在这期间其他节点都不能访问该时隙。DR-ALOHA协议在R-ALOHA协议的基础上，通过动态调整定长时隙的个数，使得网络中所有节点的安全信息传输都能得到保证，适用于节点密度和拓扑结构动态变化的网络。以下将结合附图对动态调整定长时隙个数的方法进行详细说明
如图2所示，在节点G未进入RSU的覆盖范围之前，RSU的覆盖范围内存在A、B、C、D、E和F共6个节点，RSU此时将SA Interval (单帧)调整成6个等长的时隙，6个节点通过竞争方式占用6个时隙，时隙状态分为“空闲”和“已占用”两种状态，每个时隙的状态将被记录在RSU广播的AVCI帧的FI域中，如图3所示。在竞争过程中，如果两个节点同时竞争一个时隙，产生碰撞，则AVCI帧的FI域中相应字段将被标记为“空闲”状态，在下ー帧中被节点继续竞争占用；如果某个节点竞争某个时隙成功，则用该节点的ID将AVCI帧的FI域中相应字段标记为“已占用”状态。经过一段时间后，每个时隙都被相应的节点所占用，如图3(a)所示，作为各自的BCH，无竞争地传输安全信息。为了避免RSU在每个时间周期中广播的AVCI帧未被其覆盖范围内的部分节点接收到，接收到AVCI帧的节点将AVCI帧的FI域添加到其安全信息的头部进行广播。当节点G进入RSU的覆盖范围后，RSU将SA Interval的时隙个数从6调整到7，最后ー个时隙初始化为“空闲”状态，如图3 (b)所示，并更新AVCI帧中的时隙总数域、添加/刪除时隙个数域及添加/删除时隙序号域，如图4所示。节点G在进入RSU的覆盖范围、并侦听完ー个时间周期后，从RSU或其他任意节点获得各个时隙的占用情況，发现只有最后ー个时隙为空闲状态，则节点G竞争最后ー个时隙，竞争成功后，节点G更新其安全信息头部的FI域，如图3(c)所示，RSU及其他节点接收到节点G的安全信息后，根据其FI域更新各自的FI域，同时RSU在每个时间周期都会广播最新的AVCI帧，以此实现整个网络的FI域同歩。 如图5所示，当节点F离开RSU的覆盖范围后，RSU在一定的时间内未接收到节点F的安全、控制信息，则视为节点F已经离开其覆盖范围，RSU将SA Interval的时隙个数从7调整到6，删除AVCI帧的FI域中节点F所占用的字段，并更新AVCI帧中的时隙总数域、添加(删除)时隙个数域及添加(删除)时隙序号域，随后在整个覆盖范围内广播AVCI帧，网络中的节点将根据接收到的AVCI帧，结合各自所占用的时隙序号，动态调整各自的FI域，如图3(d)所示，实现整个网络的FI域同歩。所述节点动态选择竞争方式或预约方式访问业务信道的策略是指通过实时监测业务信道的信道利用率，动态选择竞争方式或预约方式访问业务信道，使节点在任何节点密度下，业务信道的信道利用率都能达到最大值，具体的方法步骤如下
在节点的安全、控制信息得到实时、可靠传输的保证后，业务信道的访问方式决定了业务信道的信道利用率和业务的接入时延。AVCI-MAC协议提出了ー种自适应的混合MAC协议，通过控制信道和业务信道的协同，在不同节点密度下，动态调整节点业务信道的访问方式为竞争方式和预约方式。在业务信道的竞争访问方式中，服务提供者在WSA Interval中广播WSA帧，服务使用者在接收到WSA帧后，不会进行任何回复，简单地记录下WSA帧中描述服务的信息及即将使用的业务信道，当SCH时隙到来时，服务使用者和服务提供者同时切換到指定的业务信道上进行业务数据的交互，如图6所示；在业务信道的预约访问方式中，服务提供者同样在WSA Interval中广播WSA帧，服务使用者在接收到WSA帧后，向服务提供者回复ACK应答，服务提供者在成功接收到服务使用者的ACK应答后，即表示该次预约业务信道成功，当SCH时隙到来时，服务使用者和服务提供者同时在指定的时间，切換到指定的业务信道上进行业务数据的交互，如图7所示。在AVCI-MAC协议中，为了有效利用控制信道，同时无论在节点业务信道的竞争或预约访问方式下，业务信道的信道利用率都能达到最大值，合适的CCH时隙值和SCH时隙值显得尤为重要。为了获得这个最优值，首先采用ニ维马尔科夫链模型来检验ー个节点的特定行为，如图8所示。假设网络中有η个节点，使用ニ维马尔科夫链模型可以计算出节点在任意时隙发送数据包的稳态概率。在模型的分析过程中采用如下假设
1)理想信道，传输过程中不会出现误码，误码只可能由于碰撞所引起；
2)网络中任意两个节点可以直接通信，不存在隐藏/暴露站点问题及捕获效应；
3)网络中的节点数量固定，且整个网络处于饱和状态，即网络中每个节点在任意时刻都有数据准备发送；
4)网络中的所有节点在完成一次传输后,均会继续參与下一轮的传输竞争；
5)节点的发送概率与退避阶段无关，即为固定值。如图8所示，图中的每个状态采用ニ元组
权利要求
1.一种用于车载无线自组织网络的自适应MAC协议，其特征在于包括控制信道使用的DR-ALOHA协议、以及节点动态选择竞争方式或预约方式访问业务信道的策略；所述DR-ALOHA协议是指在R-ALOHA协议的基础上，通过动态调整定长时隙的个数，使得网络中所有节点的安全信息传输都能得到保证；所述节点动态选择竞争方式或预约方式访问业务信道的策略是指通过实时监测业务信道的信道利用率，动态选择竞争方式或预约方式访问业务信道，使节点在任何节点密度下，业务信道的信道利用率都能达到最大值。
2.根据权利要求I所述的用于车载无线自组织网络的自适应MAC协议，其特征在于所述实时监测业务信道的信道利用率，动态选择竞争方式或预约方式访问业务信道的方法包括如下步骤 1)在保证CCH时隙和SCH时隙最优比例的前提下，在控制信道上广播WSA报文，在业务信道上竞争传输业务数据，并计算此时单业务信道的饱和吞吐量S1 ； 2)在保证CCH时隙和SCH时隙最优比例的前提下，在控制信道上竞争传输WSA报文，在业务信道上以预约方式传输业务数据，计算此时单业务信道的饱和吞吐量S2 ； 3)通过饱和呑吐量S1和S2，计算出单业务信道下业务信道访问方式切換的阈值N; 4)结合WAVE系统中业务信道数,确定业务信道访问方式的切换阈值为业务信道数的N倍; 5)当网络中的节点数H小于业务信道访问方式的切换阈值吋，WAVE节点的业务信道使 用竞争访问方式；当网络中的节点数》大于业务信道访问方式的切换阈值吋，WAVE节点的业务信道使用预约访问方式。
全文摘要
本发明公开了一种用于车载无线自组织网络的自适应MAC协议，包括控制信道使用的DR-ALOHA协议，和节点动态选择竞争方式或预约方式访问业务信道的策略。其中DR-ALOHA协议采用时分复用的原理，并通过动态调整定长时隙的个数，使得网络中所有节点的安全信息都能得到实时、可靠的传输，适用于节点密度和拓扑结构动态变化的网络；在节点动态选择竞争方式或预约方式访问业务信道的策略中，首先通过理论分析及数学推导，确定业务信道访问方式切换的阈值，然后结合业务信道的实时信道利用率，使节点动态选择竞争方式或预约方式访问业务信道，从而达到在任何节点密度下，业务信道的信道利用率都能达到最大值。
文档编号H04W74/02GK102724764SQ20121021291
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月27日 优先权日2012年6月27日
发明者冷甦鹏, 曹剑, 曾鸣, 马立香 申请人:电子科技大学