车联网中多信道mac协议与tdma结合的方法
【专利摘要】本发明公开一种车联网中多信道MAC协议与TDMA结合的方法，克服现有技术中控制信道CCH和服务信道SCH时隙利用率低以及信道的开销大问题，本发明的具体思路是，首先设置信道初始化，然后路边单元RSU与节点协商时隙，根据节点的反馈情况更新控制信道CCH的时隙长度，维护两个信道列表分配时隙，最后，切换至服务信道SCH传输数据。本发明依据路边单元RSU控制控制信道CCH的时隙长度和时隙的分配，可以有效避免了在车辆密度变化的情况下，信道的利用率较低和信道的开销大的问题，提高了信道的吞吐量，减少了信道的开销。
【专利说明】
车联网中多信道MAC协议与TDMA结合的方法
技术领域
[0001] 本发明属于通信技术领域，更进一步设及无线通信技术领域中的一种车联网中多 信道媒体访问控制MAC(Media Access Control)协议与时分多址TDMA(Time Division Multiple Access)结合的方法。本发明主要针对车辆传输中的非安全业务，考虑到了节点 密度对信道要求的不同，提出控制周期变长和TDMA结合的算法，提高了非安全信息的信道 利用率和信道的吞吐量。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着智能交通的发展，车联网VA肥T在协调车与车、车与环境的安全行驶 被广泛研究，同时，随着人们生活水平的提高，人们对车辆驾驶的舒适性和高效性有更多的 要求。运就要求车联网在能提供及时报警和路况等信息的同时，还可W及时获取天气状况、 实时交通流量的统计、商店购物或网络娱乐等信息，提高行车效率和顾客的舒适度。在车联 网环境下，节点密度的改变影响非安全业务的传输效率，因此如何设计减少节点密度对非 安全信息的传输效率的影响是十分重要的。
[0003] Cheng N,Lu N,Liu K等人在其发表的论文 "A prioritized resource scheduling scheme for throughput-sensitive applications in VANET''（Wireless Communications Networking and Mobile Computing(WiCOM),20106th International Conference on. IE邸，2010:1-4)中提出了一种基于多信道的DCS方法调度。该方法将每个 服务信道SCH分割成一段段的时隙，每一时隙用二进制比特表示，组成一个二进制的矩阵， 在控制信道C01阶段利用Ξ次握手机制对时隙进行预约，可预约时隙的确定是由Ξ个二进 制信道列表相互交互确定的。该方法虽然利用时分多址对信道分割，但是，该方法仍然存在 的不足之处是，在车辆密度变化时，利用控制信道CCH定长的时隙分配，会造成控制信道CCH 或者服务信道SC邸寸隙浪费或缺乏，没有考虑到运两个的信道利用率；
[0004] 西北工业大学在其申请的专利文献"一种基于可靠多步信道预约机制的多信道多 址接入方法"（申请公布号CN104902577A，申请号201510240066.2)中公开了 一种基于可靠 多步信道预约机制的多信道多址接入方法。该方法中主要包括对控制信道的预约和对数据 信道的预约，发送节点在控制信道上W分布式协调功能DCF机制竞争成功后，与接收节点在 控制信道上交互请求发送请求发送RTS，允许发送CTS和预留信息RES，完成数据信道的预 约。虽然该方法利用预约机制对数据信道进行预约，但是，该方法仍然存在的不足之处是， 一方面是一个服务信道SCH仅传输一组业务的效率低问题，另一方面，通过改进的Ξ次握手 机制来预约时隙，增加了信道的开销和传输时延。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出了一种车联网中多信道MAC协 议与TDMA结合的方法，本发明依据路边单元RSU通过节点反馈的信息对控制信道CC邸寸隙的 调节，利用时分多址TDMA协议对服务信道SC邸寸隙预约。
[0006] 本发明实现上述目的的具体步骤如下：
[0007] (1)初始化：
[0008] (la)利用分离阶段的多信道，将车联网中的信道划分为控制信道CCH和服务信道 SCH交替出现的形式；
[0009] (lb)将控制信道CCH的时隙分为安全信息时期SP和预约时期RP两个时期，根据当 前网络的安全信息的密度设置安全信息时期SP时隙的长度，在安全信息时期SP内，W广播 的方式，传输所有的安全信息；
[0010] (Ic)在服务信道SCH时隙间隔内，利用时分多址TDMA技术，对时隙进行分割，得到 传输非安全业务的连续的小时隙；
[0011] (Id)按照下式，计算服务信道SCH时隙中传输非安全业务的连续小时隙的间隔时 间：
[0012] Ts = 10*(ThWd+TA+Ts+〇)
[001引其中，Ts表示服务信道SC刖寸隙中传输非安全业务的连续小时隙的间隔时间，*表 示相乘操作，Th表示非安全业务数据包传输时所引入的媒体访问控制层MAC和物理层PHY开 销的传输时间，Td表示最大的非安全业务数据包传输时所用的时间，Τα表示最大的非安全业 务数据包传输完成后，车联网中的路边单元RSU发送确认帖ACK的传输时间，Ts表示请求节 点连续发送的两个非安全业务数据包的短帖间间隔SIFS，0表示非安全业务数据包从请求 节点发送到路边单元RSU接收的传播延时；
[0014] (le)分别将车联网中信道的控制信道CCH时隙长度和服务信道SC刖寸隙长度设置 为50ms;
[0015] (2)协商时隙：
[0016] 对非安全信息的业务，依次按照"语音"，"视频"，"背景"，"尽力而为"从高到低的 顺序分成四个优先级;在预约时期RP，请求节点W增强分布式协调功能抓CF机制向路边单 元RSU发送服务宣告信息WSA数据包；
[0017] (3)更新控制信道CC邸寸隙和服务信道SC邸寸隙的长度：
[0018] 车联网中路边单元RSU读取预约请求节点发送的服务宣告信息WSA数据包，路边单 元R洲根据服务宣告信息WSA数据包中的控制周期长度的信息相应地增加或者减少控制信 道CC邸寸隙的长度；
[0019] (4)分配信道时隙：
[0020] (4a)路边单元R洲根据可用信道列表和已经预约的信道列表向请求节点分配时 隙，对可用信道列表没有信道时隙，选择已经预约的信道列表中信道时隙预约个数少的信 道时隙进行协商，得到协商好的信道时隙，将协商好的信道时隙和节点的标识号ID存储在 确认帖ACK的扩展域中，发送给请求节点；
[0021] (4b)路边单元R洲根据可用信道列表和已经预约的信道列表向请求节点分配时 隙，对有空闲的信道列表，根据可用信道列表选择合适的信道时隙分配，得到协商好的信道 时隙，将协商好的信道时隙和请求节点的标识号ID存储在确认帖ACK的扩展域中，发送给请 求节点；
[0022] (5)判断请求节点是否接收到带有自己标识号ID的确认帖ACK，若是，则执行步骤 (6);否则，执行步骤(10);
[0023] (6)切换信道：
[0024] 当控制信道CC邸寸隙中预约时期RP结束后，将由控制信道CCH切换到服务信道SCH;
[0025] (7)传输非安全业务数据包：
[0026] 在服务信道SC邸寸隙期间，各请求节点根据协商好的信道时隙进行无竞争通信，每 一个请求节点在短帖间间隔SIFS内不再传输到非安全业务数据包，则路边单元RSU向请求 节点发送确认帖ACK;
[0027] (8)判断请求节点是否接收到带有自己标识号ID的确认帖ACK，若是，执行步骤 (9);否则，服务信道SOI时隙结束后，执行步骤(10);
[0028] (9)判断当前请求节点是否还有数据需要传输，若是，服务信道SCH时隙结束后，执 行步骤(10);否则，执行步骤(12);
[0029] (10)确定控制周期长度：
[0030] (10a)对没有接收到带有自己标识号ID的确认帖ACK的节点，在自己的服务宣告信 息WSA数据包中最多增加一次控制周期的长度；
[0031] (10b)对接收到带有自己标识号ID的确认帖ACK的节点，但当前请求节点还有数据 要发送时，在自己的服务宣告信息WSA数据包中最多减少一次控制周期的长度；
[0032] (11)判断是否还有数据要发送，若是，则执行步骤(2);否则，执行步骤(12);
[0033] (12)请求节点传输结束。
[0034] 与现有技术相比，本发明具有W下优点：
[0035] 第一，本发明中利用了分离阶段的多信道，将车联网中的信道分为控制信道CCH和 服务信道SCH交替出现的形式，在车流量变化时，通过反馈节点的请求预约时隙的情况减少 或增加控制周期的长度来调节数据带宽的传输，克服了现有技术中控制信道CCH时隙定长 造成控制信道CCH或者服务信道SC刖寸隙浪费或缺乏问题，使得本发明提高了信道的利用 率，增加了信道吞吐量。
[0036] 第二，本发明利用了时分多址TDMA技术对服务信道SCH时隙进行分割，克服了现有 技术中一个服务信道SCH仅传输一组业务的效率低问题，使得本发明提高了服务信道SCH的 利用率，增加了节点的传输机会。
[0037] 第Ξ，本发明利用了路边单元RSU分配信道时隙，在预约信道时隙时，仅仅通过确 认帖ACK，就能完成对时隙的预约，克服了现有技术中利用改进的Ξ次握手机制预约时隙造 成的信道的开销的增加和传输时延的增大，使得本发明了减少了信道的开销和传输时延。
【附图说明】
[003引图1为本发明的流程图。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合附图1对本发明作进一步的描述。
[0040] 步骤1，初始化。
[0041] 利用分离阶段的多信道，将车联网中的信道划分为控制信道CCH和服务信道SCH交 替出现的形式。
[0042] 将控制信道CCH的时隙分为安全信息时期SP和预约时期RP两个时期，根据当前网 络的安全信息的密度设置安全信息时期SP时隙的长度，在安全信息时期SP内，W广播的方 式，传输所有的安全信息。
[0043] 在服务信道SCH时隙间隔内，利用时分多址TDMA技术，对时隙进行分割，得到传输 非安全业务的连续的小时隙。
[0044] 结合表1，对计算服务信道SC邸寸隙中连续小时隙的间隔时间所设及的数据基本参 数的设置做W下描述。表1中的R表示控制信道CCH和服务信道SCH的信道带宽，站表示非安 全业务数据包传输时所引入的物理层PHY开销帖的大小，Sm表示非安全业务数据包传输时 所引入的媒体访问控制层MAC开销帖的大小，Sa表示最大的非安全业务数据包传输完成后， 车联网中的路边单元RSU发送确认帖ACK的大小，Sm表示最大的非安全业务数据包的大小，Ts 表示请求节点连续发送的两个非安全业务数据包的短帖间间隔SIFS，〇表示非安全业务数 据包从请求节点发送到路边单元RSU接收的传播延时。
[0045] 表1数据基本参数设置
[0046]
[0047] 按照下式，计算服务信道SC邸寸隙中连续小时隙的间隔时间:
[0053]其中，Ts表不服务信道SCH时隙中传输非安全业务的连续小时隙的间隔时间，*表 示相乘操作，Τρ表示服务信道SCH时隙中一个非安全业务数据包从节点发送到路边单元RSU 成功接收的时间，Th表示非安全业务数据包传输时所引入的媒体访问控制层MAC和物理层 PHY开销的传输时间，Td表示最大的非安全业务数据包传输时所用的时间，Τα表示最大的非 安全业务数据包传输完成后，车联网中的路边单元RSU发送确认帖ACK的传输时间，根据表1 的各个参数数值计算求得Τρ = 0.25ms，Ts = 2.5ms。
[0054]分别将车联网中信道的控制信道CC刖寸隙长度和服务信道SC刖寸隙长度设置为 50ms。
[0化日]步骤2,协商时隙。
[0056]对非安全信息的业务，依次按照"语音"，"视频"，"背景"，"尽力而为"从高到低的 顺序分成四个优先级;在预约时期RP，请求节点W增强分布式协调功能抓CF机制向路边单 元RSU发送服务宣告信息WSA数据包。
[0057] 步骤3，更新控制信道CC邸寸隙和服务信道SC邸寸隙的长度。
[0058] 车联网中路边单元RSU读取预约请求节点发送的服务宣告信息WSA数据包，路边单 元R洲根据服务宣告信息WSA数据包中的控制周期长度的信息相应地增加或者减少控制信 道CC邸寸隙的长度。
[0059] 所述的服务宣告信息WSA数据包中包括，控制周期长度的信息和节点的标识号ID 信息。
[0060] 步骤4,分配信道时隙。
[0061] 路边单元R洲根据可用信道列表和已经预约的信道列表向请求节点分配时隙，对 可用信道列表没有信道时隙，选择已经预约的信道列表中信道时隙预约个数少的信道时隙 进行协商，得到协商好的信道时隙，将协商好的信道时隙和节点的标识号ID存储在确认帖 ACK的扩展域中，发送给请求节点。
[0062] 路边单元R洲根据可用信道列表和已经预约的信道列表向请求节点分配时隙，对 有空闲的信道列表，根据可用信道列表选择合适的信道时隙分配，得到协商好的信道时隙， 将协商好的信道时隙和请求节点的标识号ID存储在确认帖ACK的扩展域中，发送给请求节 点。
[0063] 步骤5,判断请求节点是否接收到带有自己标识号ID的确认帖ACK，若是，则执行步 骤6;否则，执行步骤10。
[0064] 步骤6,切换信道。
[0065] 当控制信道CC邸寸隙中预约时期RP结束后，将由控制信道CCH切换到服务信道SCH。
[0066] 步骤7,传输非安全业务数据包。
[0067] 在服务信道SC邸寸隙期间，各请求节点根据协商好的信道时隙进行无竞争通信，每 一个请求节点在短帖间间隔SIFS内不再传输到非安全业务数据包，则路边单元RSU向请求 节点发送确认帖ACK。
[0068] 步骤8,判断请求节点是否接收到带有自己标识号ID的确认帖ACK，若是，执行步骤 9;否则，服务信道SOI时隙结束后，执行步骤10。
[0069] 步骤9,判断当前请求节点是否还有数据需要传输，若是，服务信道SC刖寸隙结束 后，执行步骤10;否则，执行步骤12。
[0070] 步骤10,确定控制周期长度。
[0071] 对没有接收到带有自己标识号ID的确认帖ACK的节点，在自己的服务宣告信息WSA 数据包中最多增加一次控制周期的长度，所述的控制周期的长度为Τρ = 0.化ms。
[0072] 对接收到带有自己标识号ID的确认帖ACK的节点，但当前请求节点还有数据要发 送时，在自己的服务宣告信息WSA数据包中最多减少一次控制周期的长度，所述的控制周期 的长度为Τρ = 0.化ms。
[0073] 步骤11，判断是否还有数据要发送，若是，则执行步骤2;否则，执行步骤12。
[0074] 步骤12,请求节点传输结束。
【主权项】
1. 一种车联网中多信道MAC协议与TDM结合的方法，其步骤包括如下： (1) 初始化： (la) 利用分离阶段的多信道，将车联网中的信道划分为控制信道CCH和服务信道SCH交 替出现的形式； (lb) 将控制信道CCH的时隙分为安全信息时期SP和预约时期RP两个时期，根据当前网 络的安全信息的密度设置安全信息时期SP时隙的长度，在安全信息时期SP内，以广播的方 式，传输所有的安全信息； (lc) 在服务信道SCH时隙间隔内，利用时分多址TDMA技术，对时隙进行分割，得到传输 非安全业务的连续的小时隙； (ld) 按照下式，计算服务信道SCH时隙中传输非安全业务的连续小时隙的间隔时间： Ts = 10*(Th+Td+TA+Ts+〇) 其中，Ts表示服务信道SCH时隙中传输非安全业务的连续小时隙的间隔时间，*表示相乘 操作，Th表示非安全业务数据包传输时所引入的媒体访问控制层MAC和物理层PHY开销的传 输时间，Td表不最大的非安全业务数据包传输时所用的时间，Τα表不最大的非安全业务数据 包传输完成后，车联网中的路边单元RSU发送确认帧ACK的传输时间，Ts表示请求节点连续 发送的两个非安全业务数据包的短帧间间隔31?5, 〇表示非安全业务数据包从请求节点发 送到路边单元RSU接收的传播延时； (le) 分别将车联网中信道的控制信道CCH时隙长度和服务信道SCH时隙长度设置为 50ms ； (2) 协商时隙： 对非安全信息的业务，依次按照"语音"，"视频"，"背景"，"尽力而为"从高到低的顺序 分成四个优先级;在预约时期RP，请求节点以增强分布式协调功能EDCF机制向路边单元RSU 发送服务宣告信息WSA数据包； (3) 更新控制信道CCH时隙和服务信道SCH时隙的长度： 车联网中路边单元RSU读取预约请求节点发送的服务宣告信息WSA数据包，路边单元 RSU根据服务宣告信息WSA数据包中的控制周期长度的信息相应地增加或者减少控制信道 CCH时隙的长度； (4) 分配信道时隙： (4a)路边单元RSU根据可用信道列表和已经预约的信道列表向请求节点分配时隙，对 可用信道列表没有信道时隙，选择已经预约的信道列表中信道时隙预约个数少的信道时隙 进行协商，得到协商好的信道时隙，将协商好的信道时隙和节点的标识号ID存储在确认帧 ACK的扩展域中，发送给请求节点； (4b)路边单元RSU根据可用信道列表和已经预约的信道列表向请求节点分配时隙，对 有空闲的信道列表，根据可用信道列表选择合适的信道时隙分配，得到协商好的信道时隙， 将协商好的信道时隙和请求节点的标识号ID存储在确认帧ACK的扩展域中，发送给请求节 占. (5) 判断请求节点是否接收到带有自己标识号ID的确认帧ACK，若是，则执行步骤(6); 否则，执行步骤(10); (6) 切换信道： 当控制信道CCH时隙中预约时期RP结束后，将由控制信道CCH切换到服务信道SCH; (7) 传输非安全业务数据包： 在服务信道SCH时隙期间，各请求节点根据协商好的信道时隙进行无竞争通信，每一个 请求节点在短帧间间隔SIFS内不再传输到非安全业务数据包，则路边单元RSU向请求节点 发送确认帧ACK; (8) 判断请求节点是否接收到带有自己标识号ID的确认帧A C K，若是，执行步骤(9);否 贝1J，服务信道SCH时隙结束后，执行步骤(10); (9) 判断当前请求节点是否还有数据需要传输，若是，服务信道SCH时隙结束后，执行步 骤(10);否则，执行步骤(12); (10) 确定控制周期长度： (l〇a)对没有接收到带有自己标识号ID的确认帧ACK的节点，在自己的服务宣告信息 WSA数据包中最多增加一次控制周期的长度； (10 b)对接收到带有自己标识号ID的确认帧A CK的节点，但当前请求节点还有数据要发 送时，在自己的服务宣告信息WSA数据包中最多减少一次控制周期的长度； (11) 判断是否还有数据要发送，若是，则执行步骤(2);否则，执行步骤(12); (12) 请求节点传输结束。2. 根据权利要求1所述的车联网中多信道MAC协议与TDMA结合的方法，其特征在于，步 骤(3)中所述的服务宣告信息WSA数据包中包括，控制周期长度的信息和节点的标识号ID信 息。3. 根据权利要求1所述的车联网中多信道MAC协议与TDMA结合的方法，其特征在于，步 骤(10a)、步骤(10b)中所述的控制周期的长度为0.25ms。
【文档编号】H04L1/00GK106060944SQ201610602306
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月27日 公开号201610602306.3, CN 106060944 A, CN 106060944A, CN 201610602306, CN-A-106060944, CN106060944 A, CN106060944A, CN201610602306, CN201610602306.3
【发明人】刘乃安, 刘立玲
【申请人】西安电子科技大学