专利名称：一种基于tdma的车载自组网络自适应时隙分配方法
技术领域：
本发明涉及一种基于TDMA的车载自组网络自适应时隙分配方法，属于车载通信技术领域。
背景技术：
车载自组网(Vehicular Ad-hoc Networks,简称VANET)是一个分布式、自组织的网络，配备无线收发模块的移动车辆(本文简称节点)和路边单元(Roadside Unit，简称RSU)组成，通信模式包括节点之间自组织多跳通信(V-2-V =Vehicle to Vehicle)和节点与 RSU 之间通信(V-2-1:Vehicle to Infrastructure)。车载自组网作为智能交通系统重要基础之一，在缓解交通拥堵、实时共享交通信息、安全预警和协助驾驶等方面有着很重要的应用[1]，目前正成为工业界和学术界的研究热点，而MAC协议是如何使多个用户合理、有效的利用无线信道资源，它的优劣直接影响到吞吐量、信道利用率等各指标，是车载自组织网络中一个关键的技术。车载自组网是一种特殊的移动自组织网络，具有车辆终端移动速度快，网络拓扑高度动态变化，业务随机性产生，支持突发性高优先级业务，交通安全类业务实时性强等特点。基于以上特点，车载自组网的MAC协议与传统移动自组织网络的MAC协议相比，除了有接入冲突、隐藏终端和节点的接入公平性等问题外更有以下新的挑战:①车辆节点高速移动性；②通信链路频繁断裂；③车辆移动场景多样化，需MAC协议的可扩展性强有较高的信道利用率；⑤支持车载自组网中紧急安全信息的及时广播。相关项目研究表明，高效的信道分配机制可以显著提高MAC协议的性能，保证良好的通信质量。首先，快速的信道分配可以大大地减少接入时延，保证车载自组网中的安全应用。其次，较少的冲突可以提高通信的可靠性，减少重新竞争时隙和重新传输数据的概率，提高信道的利用率和容量，减少丢包率。所以如何设计有效的信道分配机制是车载自组织网中MAC协议的关键和难点。基于竞争的信道接入方式，最典型的MAC协议是CSMA/CA，节点在发送数据包之前，先监听一段时间，如果发现信道空闲，则开始发送数据，同时监听是否有冲突发生，若冲突，则随机退避一段时间，然后重复前述的发送过程。CSMA/CA协议是一种随机竞争方式，是全分布式的，能够充分的利用有限的无线信道资源。802.1lp标准是目前唯一的专门针对车载无线自组织网络的通信协议标准，它主要由两部分协议规范组成:物理层(PHY Layer)协议和介质访问控制层(MAC Layer)协议。其中，物理层采用针对高速移动动态环境进行了改进的802.1 Ia协议，而MAC层仍然采用了 802.11协议传统CSMA/CA机制来共享无线信道。802.1lDCF MAC协议在CSMA/CA协议基础上设计了四握手机制，即节点发送数据前首先发送一个RTS，等待目的节点回应CTS后开始传输数据，目的节点接收到数据后回应一个ACK,这样就有效的解决了隐藏终端和暴露终端的问题。CSMA/CA协议是一种基于载波侦听竞争机制的共享介质方式，因此，以其为基础的改进MAC协议在密度大的车辆环境中很容易引起冲突，从而导致大的时延，甚至造成网络拥塞。不适用于车载自组网中的安全应用；该协议也不能保证网络中的节点能够公平共享带宽，因为信号强度高的区域比信号强度较弱的有优势，由此导致捕捉效应，使的该区域在传输过程中获得较多的带宽分配。TDMA/FDMA/CDMAMAC协议，即在时间上、频段上或正交码上将信道划分为许多个子信道，节点发送数据之前需要预约并获得至少一个子信道，因此如何管理和分配子信道很重要。ADHOC改进了 R-ALOHA协议，采用了 TDMA方式划分无线信道，节点需要在帧信息FI(Frame Information)中记录自己所观察到的邻居节点占用时隙的情况，并在自己占用的时隙中周期性广播FI信息。接入的节点通过侦听FI信息，随机选择有效的时隙竞争。VeMAC协议是基于TDMA为车载自组网的多信道系统设计的一种新的MAC协议，该协议在主控信道上采用ADHOC协议机制，不同的是VeMAC将主控信道上的时隙划分为左右、RSU三种，对应的节点首先竞争对应时隙。服务信道采用主控的TDMA分配方式。此类协议可以有效的减少节点竞争冲突，相比较而言，基于ADHOC协议比较适合于VANET网络环境，并且周期性的广播也可以与主动安全应用相结合，只要广播信息中加上速率、位置、方向等行驶数据即可。但是划分子信道的方法需要复杂的调度算法，固定的帧长无法适应网络中的节点密度的变化，在密度小的地区信道利用率极低，在密度大的地区可能使某些节点无法接入网络，严重时，在主动安全应中可能会发生交通事故。此类协议也没有解决车载自组网中的接入冲突和合并冲突问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于TDMA的车载自组网络自适应时隙分配方法，以解决目前车载自组网中信道分配方法采用CSMA/CA协议以及以其为基础的改进MAC协议在密度大的车辆环境中容易引起接入冲突，导致时延增大的问题，以及采用固定的TDMA帧长协议所造成的在节点稀疏区域信道利用率低，在密度大的地区可能使某些节点无法接入网络等问题。本发明为解决上述技术问题而提供一种基于TDMA的车载自组网络自适应时隙分配方法，该时隙分配方法的步骤如下:I)将车载自组网中每个时帧的时隙划分为左、右两个时隙集，将欲接入网络的移动节点按照其方向划分为左、右两个节点集，左/右节点集的节点竞争相应的左/右时隙集的时隙；2)节点侦听信道一个周期，收集其两跳邻居节点的位置和占用的时隙信息，建立一个有效时隙集；3)根据节点当前的地理位置信息从有效时隙集中选择一个确定的时隙进行竞争。所述的已接入车载自适应网络中的每个节点根据其邻居节点的消息，计算两跳邻居节点数目，判断节点与时隙的比值是否超过最大阈值或小于最小阈值，根据判断结果将其帧长加倍或减半。所述节点成功竞争到时隙后，保持侦听信道，收集其两跳邻居节点信息，计算左、右两跳邻居节点数，根据左右节点数目的变化，调节左右时隙集的比值，使左右时隙的比值等于左右节点密度的比值。所述的步骤3)中的时隙竞争过程如下:a.待竞争节点根据地理位置信息计算同一方向上距离自己最近的节点；
b.判断距离自己最近的节点在自己的前方或后方，如果是在前方，则选择距离自己最近的节点所占用的时隙前方最近编号的有效时隙竞争，如果是在后方，则选择距离自己最近的节点所占用的时隙后方最近编号的有效时隙竞争。所述步骤3)中如果同时进入网络的为至少两个节点，则根据最后一次广播信息判断节点之间相对位置，以确定每个节点对应的有效时隙，如果在竞争“唯一时隙”时节点发生冲突，在下一轮的竞争中，节点就随机选择一个有效时隙。所述网络中的每个节点都随时监测网络中的节点数量，如果某个节点发现其观察到的节点数与时隙比超过最大阈值，就在该节点占用的时隙中广播一个加倍帧长度的建议，并在之后的一个周期中接收的所有具有相同帧长的节点广播数据包都表示接收了该建议，则此节点建议成功，即以后的无线通信将采用加倍的帧长度；如果某个节点观察到的节点数与时隙比低于设定值，且该节点的全部一跳邻居节点观察的节点数与时隙比都低于最小阈值，就在该节点占用的时隙中广播一个减半帧长的建议，并在之后的一个周期中没有接到周围节点的反对意见，则该节点对所采用的帧长度减半，而其他节点保持原来的帧长度。所述节点的有效时隙集为未被该节点的两条邻居节点所占用的时隙集。所述的属于同一方向的节点可以根据位置信息判断节点之间的前后顺序，每个节点都知道自己前后的节点及它们所占用的时隙编号，TDMA的帧当作一个循环的结构，规定一个“前”向，在理想的场景下，同一方向的所有节点占用时隙编号的顺序与时隙位置顺序是一致的。本发明的有益效果是:本 发明采用TDMA帧结构，将每一个帧划分成左右两个时隙集，每个时隙集里包含若干时隙，将节点按照其移动方向划分为左、右节点集，左/右节点集里的节点根据当前的地理位置信息按照一定的规则选择左/右时隙集里的竞争时隙。为了适应节点密度的变化，节点在成功接入信道后判断节点与时隙的比值是否超过最大阈值或小于最小阈值，若是，则加倍或减半帧长；若否，判断左/右时隙集的时隙数是否大于最大阈值或小于最小阈值，若是，则调节左右时隙集时隙数目比值以适应左右两边节点数目的变化，本发明很大程度上减少了节点发生的接入冲突和合并冲突的概率；并根据节点感知到的节点密度变化，动态的调整帧长，以满足节点快速接入信道的需求；通过理论分析和仿真实验两方面证明本发明具有较低的时延，与现有协议相比较，本发明具有更少的冲突节点数量，更高的信道利用率，且具有良好的可扩展性。
图1是时隙划分为左右两个时隙集的示意图；图2是_■叉树与时隙的对应关系不意图；图3是帧长加倍与二叉树的对应关系示意图；图4是节点竞争时隙的过程示意图；图5是左右时隙比值的调节示意图；图6是线性网络拓扑结构图；图7是基于二叉树的帧长加倍示意图；图8是采用本发明和其他协议在η个时帧中所有节点成功获得时隙概率的比较示意图；图9是采用本发明和其他协议在η个时帧里成功获得时隙的平均节点数目比较示意图；图10是节点密度与帧长之间的关系示意图；图11是放大的节点密度与帧长之间的关系示意图；图12是采用本发明和其他协议发生冲突的节点数目比较示意图；图13是采用本发明和VeMAC协议的信道利用率比较示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步的说明。本发明为了提高节点接入时延减少节点冲突，将时隙分为左右两个时隙集，将节点按照其移动方向划分为左、右节点集，左/右节点集里的节点对应选择左/右时隙集里的时隙竞争，然后节点按照自己的地理位置确定“唯一”的竞争时隙，以减少节点接入信道的时延和节点发生冲突的概率。本发明中各个节点可以使用不同的帧长度，每个活动节点只使用其对应时帧中的一个时隙，时帧的长度以2的幂进行扩展和收缩，每个帧的左右两个时隙集分别用L和R表示，节点以南北线为基准，按其移动方向分为左右两个节点集，如图其所示。有效时隙定义为未被两跳邻居节点占用的时隙，为了避免接入冲突，两条范围内的节点不能占用相同时隙，两个相邻节点的帧长只能是相等或二倍的关系。对于一个节点，其两跳邻域内的节点信息可映射到一个时隙二叉树，如图2所示，左右时隙集对应二叉树的左右子结点，图2中黑色部分表示左时隙集，灰色部分表示右时隙集。在二叉树结构中,根节点(root)在O层,第i+Ι层的节点由第i层的节点生成，对于一个编号为Ci (二进制数)的节点，其左子节点的编号为Oci,右子节点的编号为Ici，对于第L层，子节点数为2S 二叉树每一层节点数对应了帧长度(每个帧的时隙数目)，且每一个子节点的编号与时隙号对应。本发明的基于TDMA的车载自组网络自适应时隙分配方法的具体步骤如下:1.将车载自组网中每个帧的时隙划分为左右两个时隙集，分别用L和R表示。当节点X准备接入网络时，首先根据自身的GPS模块判断当前的移动方向，根据自己的移动方向选择对应的时隙集L或R。2.侦听一个周期，收集该节点两条邻居节点的位置、方向和占用的时隙信息。3.根据收集到信息建立一个有效时隙集Ax，从\中根据当前的地理位置信息确定一个“唯一”时隙，如图4所示，我们以一个节点X为例，来说明节点的竞争过程如下:节点X首先计算出同一方向上距离自己最近的节点y，然后根据地理位置信息判断节点I是在自己的前方还是后方，如果是在前方，则选择离节点I占用的时隙j前方最近编号的有效时隙竞争，如果是在后方，则选择离节点y占用的时隙j后方最近编号的有效时隙竞争。而对于多个节点同时进入网络的情况，则根据最后一次广播信息判断节点之间相对位置，以确定每个节点对应的有效时隙，如果在竞争唯一时隙时节点发生冲突，则下一轮竞争中，节点就随机选择一个有效时隙。本发明根据节点的方向和地理信息分配TDMA时隙，能够有效减少节点之间的接入冲突(多个节点同时竞争相同的时隙所产生的冲突)与合并冲突(处于两跳范围之外的两个节点可以同时使用相同的时隙而不会发生冲突，但随着节点的移动，当两个节点处于一跳通信范围之内就会发生冲突，导致节点发送信息失败，需要重新竞争新的时隙)。合并冲突大都发生在反方向移动的节点占用相同的时隙或者移动节点与固定的RSU使用相同时隙的场景，本发明的基于TDMA的车载自组织网络自适应时隙分配机制对于不同方向的节点竞争不同的时隙集，这样就大大减少了发生合并冲突的概率。为了进一步提高节点时隙竞争的成功率，使本时隙分配机制具有可扩展性，在节点成功地竞争到时隙后，仍保持侦听信道，收集两跳邻居节点的信息，计算周围节点的密度，判断一个帧的左右时隙集的有效时隙的数量是否大于最大阈值或小于最小阈值，即是否满足不等式(3)。开始时假设网络中左右节点数量处于稳定平衡状态式，即满足等式(2);随着节点的移动，节点密度不断变化，当左右节点数目差距增大，且其比值满足不等式(3)时，调节左右时隙集的比值，使左右时隙的比值等于左右节点密度的比值，即满足不等式
(4)，此时节点就在自己的时隙消息里广播调整左右时隙比值的消息，如果所有具有相同帧长的一跳邻居节点都没有反对，则拥有相同时帧长度的节点就重新分配左右时隙，其左右时隙的调节如图4所示。
权利要求
1.一种基于TDMA的车载自组网络自适应时隙分配方法,其特征在于:该时隙分配方法的步骤如下: 1)将车载自组网中每个时帧的时隙划分为左、右两个时隙集，将欲接入网络的移动节点按照其方向划分为左、右两个节点集，左/右节点集的节点竞争相应的左/右时隙集的时隙； 2)节点侦听信道一个周期，收集其两跳邻居节点的位置和占用的时隙信息，建立一个有效时隙集； 3)根据节点当前的地理位置信息从有效时隙集中选择一个确定的时隙进行竞争。
2.根据权利要求1所述的基于TDMA的车载自组网络自适应时隙分配方法，其特征在于:所述的已接入车载自适应网络中的每个节点根据其邻居节点的消息，计算两跳邻居节点数目，判断节点与时隙的比值是否超过最大阈值或小于最小阈值，根据判断结果将其帧长加倍或减半。
3.根据权利要求1或2所述的基于TDMA的车载自组网络自适应时隙分配方法，其特征在于:所述节点成功竞争到时隙后，保持侦听信道，收集其两跳邻居节点信息，计算左、右两跳邻居节点数，根据左右节点数目的变化，调节左右时隙集的比值，使左右时隙的比值等于左右节点密度的比值。
4.根据权利要求1所述的基于TDMA的车载自组网络自适应时隙分配方法，其特征在于:所述的步骤3)中的时隙竞争过程如下: a.待竞争节点根据地理位置信息计算同一方向上距离自己最近的节点； b.判断距离自己最近的节点在自己的前方或后方，如果是在前方，则选择距离自己最近的节点所占用的时隙前方最近编号的有效时隙竞争，如果是在后方，则选择距离自己最近的节点所占用的时隙后方最近编号的有效时隙竞争。
5.根据权利要求4所述的基于TDMA的车载自组网络自适应时隙分配方法，其特征在于:所述步骤3)中如果同时进入网络的为至少两个节点，则根据最后一次广播信息判断节点之间相对位置，以确定每个节点对应的有效时隙，如果在竞争“唯一时隙”时节点发生冲突，在下一轮的竞争中，节点就随机选择一个有效时隙。
6.根据权利要求2所述的基于TDMA的车载自组网络自适应时隙分配方法，其特征在于:所述网络中的每个节点都随时监测网络中的节点数量，如果某个节点发现其观察到的节点数与时隙比超过最大阈值，就在该节点占用的时隙中广播一个加倍帧长度的建议，并在之后的一个周期中接收的所有具有相同帧长的节点广播数据包都表示接收了该建议，则此节点建议成功，即以后的无线通信将采用加倍的帧长度；如果某个节点观察到的节点数与时隙比低于设定值，且该节点的全部一跳邻居节点观察的节点数与时隙比都低于最小阈值，就在该节点占用的时隙中广播一个减半帧长的建议，并在之后的一个周期中没有接到周围节点的反对意见，则该节点对所采用的帧长度减半，而其他节点保持原来的帧长度。
7.根据权利要求1所述的基于TDMA的车载自组网络自适应时隙分配方法，其特征在于:所述节点的有效时隙集为未被该节点的两条邻居节点所占用的时隙集。
8.根据权利要求4所述的基于TDMA的车载自组网络自适应时隙分配方法，其特征在于:所述的属于同一方向的节点可以根据位置信息判断节点之间的前后顺序，每个节点都知道自己前后的节点及它们所占用的时隙编号，TDMA的帧当作一个循环的结构，规定一个“前”向，在理 想的场景下，同一方向的所有节点占用时隙编号的顺序与时隙位置顺序是一致的。
全文摘要
本发明涉及一种基于TDMA的车载自组网络自适应时隙分配方法，该方法将时帧划分为左右两个时隙集，将节点按照其移动方向划分为左、右节点集，左/右节点集里的节点根据当前的地理位置信息按照一定的规则选择左/右时隙集里的竞争时隙。本发明很大程度上减少了节点发生的接入冲突和合并冲突的概率；并根据节点感知到的节点密度变化，动态的调整帧长，以满足节点快速接入信道的需求；通过理论分析和仿真实验两方面证明本发明具有较低的时延，与现有协议相比较，本发明具有更少的冲突节点数量，更高的信道利用率，且具有良好的可扩展性。
文档编号H04W16/10GK103096327SQ201310006110
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月8日 优先权日2013年1月8日
发明者杨卫东, 李攀, 管涛, 邓淼磊, 刘宏月, 王珂, 卢志渊 申请人:河南工业大学, 百年金海安防科技有限公司