一种基于路侧单元协助的多信道协同mac接入方法
【专利摘要】本发明公开一种基于路侧单元协助的多信道协同MAC接入方法。该方法中，在RSU时隙，路侧单元广播前一个同步周期SCH时隙的预约信息，所有节点收到该信息之后更新本地SCH预约表-2，随后把预约表-2中的信息合并到预约表-1。在RFS时隙，节点进行安全信息发送或进行本周期SCH时隙业务信道预约。在SCH时隙，完成信道预约的节点根据预约表-1在业务信道上进行无竞争的非安全数据传输；其他节点将监听CCH信道或在CCH信道上进行下一周期SCH时隙的信道预约，预约成功的信息会被路侧单元保存在预约表-2中并在下一周期的RSU时隙进行广播。本发明提高了数据传输效率和信道预约及业务信道接入效率，并消除了预约冲突。
【专利说明】—种基于路侧单元协助的多信道协同MAC接入方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及车载自组织网络通信【技术领域】，具体涉及一种基于路侧单元协助的车载自组织网络多信道协同MAC接入方法。
【背景技术】
[0002]车载自组织网络(VANET)作为智能交通系统(ITS)的重要组成部分，也是最重要的无线通信技术之一，其功能是通过车和车(V2V)以及车和路侧单元(V2R)的相互通信来实现一系列的安全和非安全的应用。车载自组织网络采用了专用短距离无线通信技术(DSRC)来实现V2V及V2R通信。美国联邦通信委员会(FCC)在5.9GHz频段为采用DSRC的车载自组织网络分配了 75MHz的频带，并且进一步把75MHz带宽分割成7个信道，即一个控制信道(CCH)和6个业务信道(SCH)。为了充分利用这7个信道，车联网通信协议IEEE802.1lp和IEEE 1609协议族定义了一种多信道介质访问控制协议。即:路侧单元和各车载终端通过一个协同的世界时钟(UTC)在控制信道(CCH)时隙和业务信道(SCH)时隙之间交替，每一个交替周期为100ms，即:所有节点同步后，在CCH时隙，所有的路侧单元和车载终端均调整到控制信道，持续时间为50ms，用于安全和控制相关信息交互；当在业务信道时隙，所有的路侧单元和车载终端均调整到某一个业务信道，持续时间为50ms，用于非安全相关信息的传输。
[0003]由上述内容可见，现有的多信道协议存在几个明显的不足。首先，CCH和SCH时隙的周期交互使得在SCH时隙，控制信道处于闲置状态，反之亦然。这就导致了在每个同步间隔中，控制信道和业务信道的利用率均只有50%。第二，同步跳转使得每周期只有一个业务信道在被使用，造成业务信道资源浪费，在网络负载较大的情况下容易出现拥塞，导致系统性能急剧下降。
[0004]
【发明内容】
[0005]本发明针对上述现有技术存在的不足，同时为了提高业务信道接入效率，提升业务信道的总体吞吐量，提出了一种基于路侧单元协助的多信道协同MAC接入方法，即基于路侧单元协助的车载自组织网络多信道协同MAC (介质访问控制)接入方法。
[0006]本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
[0007]—种基于路侧单元协助的车载自组织网络多信道协同MAC信道接入方法，该方法在一个同步周期中，CCH时隙被进一步划分为RSU (路侧单元)时隙和RFS (预约服务)时隙，路侧单元均配有两个收发机，其中一台收发机始终监听CCH，另一台收发机则能在CCH和SCH之间进行自由切换，以实现在CCH上广播预约信息以及在SCH上进行非安全信息的交互。在RSU时隙，路侧单元首先根据前一个周期的SCH时隙中在CCH信道上是否发生了预约行为来决定是否广播预约信息。如果前一个SCH时隙中有节点在CCH信道进行了 RFS/CTR (预约服务/清除预约)的握手行为，即进行了成功的SCH信道预约，那么这些预约信息会被路侧单元监听到并且保存在路侧单元的SCH预约表-2中，并在当前的RSU时隙，把SCH预约表-2中存储的预约信息广播出去，路侧单元通信覆盖范围内的所有节点收到该预约信息之后立即更新本地SCH预约表-2中的信息，随后把预约表-2中的信息合并到预约表-1中。在RFS时隙，节点进行安全信息发送或进行本周期SCH时隙业务信道预约，预约信息保存在各节点的SCH预约表-1中。在接下来的SCH时隙，已完成SCH预约的节点根据自己的本地SCH预约表-1的预约情况依次进行数据传输；其余节点将监听CCH信道并且可以在CCH信道上进行下一周期SCH时隙的SCH信道预约，预约成功之后，他们的预约信息会被路侧单元保存在预约表-2中并在下一周期的RSU时隙进行广播。
[0008]进一步，RFS/CTR包中的预约信息包括被预约的业务信道号、预约的起止时间以及收发节点的ID号。节点的本地SCH预约表中保存这些来自RFS/CTR中的预约信息，其作用是用来作为节点进行信道预约的参考依据以及实现业务信道的预约接入。预约的起始时间由三部分构成:传输数据包所需的时间、短时帧间隔(SIFS)、数据接收方成功接收数据后返回给发送方的ACK包传输所需时间。
[0009]进一步，为了实现SCH信道无竞争访问进而达到多个信道协同进行数据传输目的，本发明设计了一个SCH信道预约机制，具体流程如下:首先发起预约的节点根据本地SCH预约表情况选择一个被预约时间占用最少的业务信道，并且该信道的剩余时间足以用来传输所要发送的数据包，那么在RFS时隙发起预约的节点在CCH信道上广播RFS数据包，接收到RFS数据包的目的节点立即检查该信道号的预约时间与自己的本地SCH预约表中相应的信道剩余时间是否均是空闲，如果是，则回复CTR，否则，不回复CTR。其他收到CTR的节点，立即更新自己的SCH预约表，并存储所有信道的预约情况，至此完成了一次成功的业务信道预约。该方法保证了节点间的SCH预约实时准确且避免了多个节点在同一个时间段选了同一个业务信道而发生碰撞，实现了业务信道的预约协调，保证了 SCH的无竞争访问。
[0010]进一步的，发起预约节点执行以下步骤:
(I)判断当前数据队列中是否有数据包需要发送。如果没有，继续监听控制信道；否则，计算需要发送数据包的时长L。
[0011](2)判断当前的时间处于CCH时隙还是SCH时隙；如果是CCH时隙，计算出当前同步周期的截止时间，即本周期SCH时隙的终止时间，记作ends I。比较预约表_1中的6个业务信道被预约的终止时间，得出最小值，即该业务信道被预约所占用的时间是最少的，记作endml ;否则,跳转到(5)；
(3)判断L+endml的和是否小于endsl，如果是，则发送RFS数据包，设置等待回复CTR定时器；否则，放弃预约；
(4)判断CTR定时器是否超时，如果是，那么该节点准备在本周期SCH时隙发起第二次预约，返回(2);否则，把此次成功预约的信息保存到预约表-1，返回(I)；
(5)如果是SCH时隙，计算出当前周期的截止时间，即本同步周期的终止时间，记作ends2。比较预约表_2中的6个业务信道被预约的终止时间，计算出最小的值，记作endm2 ；
(6)判断L+endm2的和是否小于ends2，如果是，则发送RFS，设置等待回复CTR定时器；否则，放弃预约；
(7)判断CTR定时器是否超时，如果是，那么该节点放弃在本次同步周期进行预约；否贝U，把此次成功预约的信息保存到预约表-2 ； 进一步的，被预约的节点执行以下步骤:
(I)接收到RFS之后，从RFS中提取出预约时长L，并判断当前的时间处于CCH时隙还是SCH时隙；若为CCH时隙跳转到(2)，否则，跳转到(3)。
[0012](2) CCH时隙，判断L+endml的和是否小于endsl,如果是，则发送CTR，保存此次成功预约的信息保存到预约表-1 ;否则，丢弃RFS，放弃此次预约；
(3)SCH时隙，判断L+endm2的和是否小于ends2，如果是，则发送CTR，保存此次成功预约的信息保存到预约表-2 ;否则，丢弃RFS，放弃此次预约；
进一步，每个节点以及路侧单元均维护两个本地SCH预约表，即预约表-1和预约表-2。预约表-1记录着RFS时隙在CCH上所有节点进行的信道预约信息。预约表-2记录着SCH时隙在CCH上所有节点进行的信道预约信息。由于路侧单元始终有一个收发机一直监听CCH,因此，路侧单元记录了发生在上一个SCH时隙的全部预约信息，并写入在RSU包中。当其他节点收到RSU包之后，从中提取出预约信息来更新自己的预约表_2，随后把预约表-2中的信息合并到预约表-1中，最后，各节点清除预约表-2中的所有预约信息。
[0013]进一步，预约表-1和预约表-2中包括三方面信息。信道号:范围从I号到6号总共6个业务信道；信道状态:分别为“O”和“ I ”两种状态，“O”状态代表该信道未被当前预约表所属的节点预约，“I”状态代表该信道已经被当前预约表所属的节点预约；预约起始时间:根据数据包长度计算出在无线信道中所需的时间、短时帧间时隙时长以及接收方确认收到数据包之后发送的ACK (确认帧)所需的时长。
[0014]为了改善现有车载自组织网络多信道MAC协议在控制信道的利用率、业务信道的接入效率以及业务信道的总体吞吐量等方面的性能。本发明提出了基于路侧单元协助的多信道协同MAC接入方法，该方法是基于车载自组织网络多信道框架之上，进一步把CCH时隙分为RSU时隙和RFS时隙。与现有方法不同的是，业务信道的接入采用预约的机制，并允许节点在SCH时隙在控制信道上进行业务信道预约，然后在下一个同步周期的RSU时隙利用路侧单元来协助广播这些在当前SCH时隙产生的预约信息。
[0015]与现有技术相比，本发明的积极效果是:
(I)、允许节点在SCH时隙进行信道预约，减少了因仅局限于CCH时隙进行信道预约引起的数据传输时延，提高了节点进行信道预约和业务信道接入的效率，不仅充分利用了控制信道，而且对网络的吞吐量也有所提升。
[0016](2)、该方法通过路侧单元的协同处理，在RSU时隙广播前一个SCH时隙的预约信息，避免了数据传输节点在SCH时隙的业务信道传输数据时丢失控制信道其他节点预约信息的影响，消除了预约冲突。
[0017](3)、该方法的信道预约机制实现了节点在业务信道上进行无竞争接入和多个业务信道并行使用，消除了在网络负载较大的情况下现有的业务信道竞争的接入方式容易出现拥塞，导致系统性能急剧下降的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明的信道访问机制时序图；
图2为本发明的路侧单元协同接入流程示意图；
图3a和图3b分别为本发明的发起预约和被预约节点的信道预约流程示意图； 图4为本发明SCH预约表示意图。
【具体实施方式】
[0019]上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰明白，以下结合具体的实施例和附图对本发明实施方式做进一步地详细说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。
[0020]下文通过一个实施例，同时结合附图1来描述本发明的具体实现过程:
实施例
如图1、图2所示，CCH时隙被进一步划分为RSU时隙和RFS时隙，在RFS时隙，节点nl有非安全信息需要和n6进行传输，那么节点nl会首先计算出需要预约业务信道的时间，预约流程如图3a所示。图4列出了节点nl的SCH预约表-1的实例。假设第一个同步时隙的起始时间为0，那么该同步时隙的结束时间为0.ls，第一个SCH时隙的开始时间为0.05s。信道号范围从I号到6号总共6个业务信道。信道状态I代表节点Ill和他的目的节点预约了 I号业务信道，预约时长为4ms (即从0.054s到0.058s)。2号业务信道的状态为O说明该预约表-1所属的节点并未预约过2号业务信道，同时也说明2号信道已经被其他的节点选择并且预约的时间区间为0.54s到0.88s。如果节点叫在RFS时隙欲与另一个目的节点发起本周期第二次预约。根据节点1^的预约表-1，节点n i发起的第二次预约时间被限制在0.58s到0.1s之间。依上所述，当节点叫完成预约业务信道的选择之后，通过竞争在CCH上广播一个携带预约服务信道的时间、服务信道ID以及目的节点ID的RFS数据包。如图3b，节点n6接收到RFS之后会立即检查节点n i选择的信道号在预约时间区间是否空闲。如果是，则等待SIFS时长后，回复CTR给节点Ii1，这样通过成功交换RFS/CTR之后，成功预约业务信道的信息会被保存在各自的预约表-1中。等到了 SCH时隙，节点Ii1和节点η 6根据预约信息表-1在SCH上采用无竞争信道接入的方式完成非安全数据传输。
[0021]进一步，如图1所示，在RFS时隙，节点η3和节点η4同时在CCH发送了预约信息RFS,结果导致两个RFS预约包发生碰撞，两个节点均未能成功完成预约；本次发生碰撞的两个节点会在SCH时隙进行二次预约。在SCH时隙，节点113会首先计算出需要预约业务信道的时间，然后节点η3通过竞争在CCH信道上广播RFS数据包。节点η 8接收到RFS之后会立即检查节点113选择的信道号在预约的时间区间是否空闲。如果是，则等待SIFS时长之后，回复CTR给节点η3;否则，放弃在本次同步周期预约。通过成功的交换RFS/CTR之后，预约业务信道的信息会被保存在各自的预约表-2中。在第二个同步周期的RSU时隙中，路侧单元会广播一个包含节点η3和节点η8预约信息以及其他的发生在上一周期SCH时隙的全部预约信息的RSU包。当其他节点收到该RSU包之后，从中提取出所有的预约信息来更新自己的预约表_2，随后把预约表-2中的信息全部复制到预约表-1中，最后，各节点清除预约表-2中的所有预约信息。等到SCH时隙，节点η3和节点η 8根据各自的预约信息表-1在SCH上采用无竞争信道接入的方式完成非安全数据交换。
[0022]综上所述，现有车载自组织网络的MAC层协议在网络负载大、网络拓扑结构迅速变化的车联网中易造成业务信道访问拥塞和信道利用率低等问题。本发明提出的信道预约机制实现了节点在业务信道上进行无竞争访问，预约时允许节点在SCH时隙进行信道预约，减少了因仅局限于CCH时隙进行信道预约引起的数据传输时延，提高了节点进行信道预约和业务信道接入的效率，不仅充分利用了控制信道，而且对网络的吞吐量也有所提升；同时该方法通过路侧单元的协同处理，在RSU时隙广播前一个SCH时隙进行信道预约产生的预约信息，避免了数据传输节点对在SCH时隙的SCH信道传输数据时丢失CCH信道其他节点的预约信息的影响，消除了预约冲突，提高了系统的稳健性。
【权利要求】
1.基于路侧单元协助的多信道协同MAC接入方法，其特征在于，CCH时隙被进一步划分为RSU时隙和RFS时隙；在RSU时隙，路侧单元均配有两个收发机，其中一台收发机始终监听CCH，另一台收发机则能在CCH和SCH之间进行自由切换，以实现在CCH上广播预约信息以及在SCH上进行非安全信息的交互；在RSU时隙，路侧单元首先根据前一个周期的SCH时隙中在CCH信道上是否发生了预约行为来决定是否广播预约信息；如果前一个SCH时隙中有节点在CCH信道进行了 RFS/CTR的握手行为，即进行了成功的SCH信道预约，则成功预约的信息会被路侧单元监听到并且保存在路侧单元的SCH预约表-2中，并在当前的RSU时隙，把SCH预约表-2中存储的预约信息广播出去，路侧单元通信覆盖范围内的所有节点收到该预约信息之后立即更新本地SCH预约表-2中的信息，随后把预约表-2中的信息合并到预约表-1中；在RFS时隙，所有节点均能进行安全信息发送或进行本周期SCH时隙业务信道预约，预约信息保存在各节点的SCH预约表-1中；在接下来的SCH时隙，已完成SCH预约的节点根据自己的本地SCH预约表-1的预约情况依次进行数据传输，其余节点将监听CCH信道并且能在CCH信道上进行下一周期SCH时隙的SCH信道预约，预约成功之后，成功预约的信息会被路侧单元保存在预约表-2中并在下一周期的RSU时隙进行广播。
2.根据权利要求1所述的基于路侧单元协助的多信道协同MAC接入方法，其特征在于，RSU时隙路侧单元广播一个RSU数据包，RSU数据包包括了在上一个同步周期中的SCH时隙产生的成功预约信息；各节点接收到RSU数据包之后更新自己的预约表-1，用来在RFS时隙进行下一轮业务信道预约时作为信道选择的依据。
3.根据权利要求1所述的基于路侧单元协助的多信道协同MAC接入方法，其特征在于，在SCH时隙允许所有节点在CCH信道发起下一个同步周期SCH时隙业务信道预约，预约成功的信息保存在预约节点自身的预约表-2中；同时对于在本周期RFS时隙未能成功预约的节点对，允许在SCH时隙发起二次预约。
4.根据权利要求1所述的基于路侧单元协助的多信道协同MAC接入方法，其特征在于，发起预约的节点根据本地SCH预约表情况选择一个被预约时间占用最少的业务信道，并且该信道的剩余时间足以用来传输所要发送的数据包，在RFS时隙发起预约的节点在CCH信道上广播RFS数据包，接收到RFS数据包的目的节点立即检查该信道号的预约时间与自己的本地SCH预约表中相应的信道剩余时间是否均是空闲，如果是，则回复CTR，否则，不回复CTR ;其他收到CTR的节点，立即更新自己的SCH预约表，并存储所有信道的预约情况，至此完成了 一次成功的业务信道预约。
5.根据权利要求4所述的基于路侧单元协助的多信道协同MAC接入方法，其特征在于，发起预约的节点的业务信道选择执行以下步骤: 步骤1、判断当前数据队列中是否有数据包需要发送，如果没有，就继续监听控制信道；否则，计算需要发的数据包的时长L ； 步骤2、判断当前的时间处于CCH时隙还是SCH时隙；如果是CCH时隙，计算出当前同步周期的截止时间，即本周期SCH时隙的终止时间，记作endsl ；比较预约表_1中的6个业务信道被预约的终止时间，得出最小值，即该业务信道被预约所占用的时间是最少的，记作endml ;否则,转到步骤5 ； 步骤3、判断L+endml的和是否小于endsl，如果是，则发送RFS数据包，设置等待回复CTR定时器；否则，放弃预约； 步骤4、判断CTR定时器是否超时，如果是，那么该节点准备在本周期SCH时隙发起第二次预约，返回步骤2 ;否则，把此次成功预约的信息保存到预约表-1，返回步骤I ; 步骤5、如果是SCH时隙，计算出当前周期的截止时间，即本同步周期的终止时间，记作ends2 ；比较预约表-2中的6个业务信道被预约的终止时间，计算出最小的值，记作endm2 ； 步骤6、判断L+endm2的和是否小于ends2，如果是，则发送RFS数据包，设置等待回复CTR定时器；否则，放弃预约； 步骤7、判断CTR定时器是否超时，如果是，那么该节点放弃在本次同步周期进行预约；否则，把此次成功预约的信息保存到预约表-2。
6.根据权利要求4所述的基于路侧单元协助的多信道协同MAC接入方法，其特征在于，被预约的节点在预约过程执行以下步骤: 步骤1、接收到RFS数据包之后，从RFS数据包中提取出预约时长L，并判断当前的时间处于CCH时隙还是SCH时隙；若为CCH时隙跳转到步骤2，否则，跳转到步骤3 ； 步骤2、CCH时隙，判断L+endml的和是否小于endsl,如果是，则发送CTR，保存此次成功预约的信息保存到预约表-1 ;否则，丢弃RFS，放弃此次预约； 步骤3、SCH时隙，判断L+endm2的和是否小于ends2，如果是，则发送CTR，保存此次成功预约的信息保存到预约表-2 ;否则，丢弃RFS，放弃此次预约。
7.根据权利要求1所述的基于路侧单元协助的多信道协同MAC接入方法，其特征在于，RFS/CTR数据包中信息包括被预约的业务信道号、预约的起止时间以及收发节点的ID号。
8.根据权利要求1所述的基于路侧单元协助的多信道协同MAC接入方法，其特征在于，每个节点内部维护两个信道列表:预约表-1和预约表_2，分别用于记录节点在RFS时隙和SCH时隙中的控制信道上监听到的成功完成预约产生的预约信息，其中包括三方面信息，即信道号:范围从I号到6号总共6个业务信道；信道状态:分别为“O”和“I”两种状态，“O”状态代表该信道未被当前预约表所属的节点预约，“I”状态代表该信道已经被当前预约表所属的节点预约；预约起始时间:传输数据包所需的时间、短时帧间隔(SIFS)、ACK(确认帧)包传输所需时间。
【文档编号】H04W74/04GK104486838SQ201410720695
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月27日 优先权日:2014年11月27日
【发明者】李晓欢, 唐欣, 胡斌杰, 姚荣彬, 詹益旺, 陈宏滨 申请人:华南理工大学, 桂林电子科技大学