一种可靠有效的车载自组织网络多信道MAC协议制造技术

本发明专利技术涉及一种可靠有效的车载自组织网络多信道MAC（CRE‑MAC）协议，属于车载自组织网络技术领域。其包括：路侧单元协调车辆预约用于安全消息传输的时隙，并安排安全消息广播的次序，实现了在控制信道上安全消息的无竞争传输；安全消息无竞争的传输（广播）降低了冲突概率，减少了广播所需要的时间，实现了安全消息的有界传输，也为服务信道预约留出了更多的时间；转发机制的引入确保了协调消息的可靠投递；提出的CRE‑MAC协议在整个同步周期中都能利用服务信道资源进行非安全消息的传输，并有效解决了多信道隐藏终端问题和缺失接收端问题，提高了服务信道的饱和吞吐量与信道利用率。相比于传统的IEEE 1609.4协议，CRE‑MAC协议能在很大程度上保证安全信息的可靠和及时的传输，提高网络吞吐量，减少非安全信息的传输延迟。

A reliable and effective multichannel MAC protocol for vehicular ad hoc networks

【技术实现步骤摘要】
一种可靠有效的车载自组织网络多信道MAC协议
本专利技术属于车载自组织网络
，涉及一种可靠有效的车载自组织网络多信道MAC(CoordinatedReliableandEfficientmultichannelMediumAccessControl，CRE-MAC)协议。
技术介绍
车载自组织网络(VehicularAdHocNetworks，VANETs)作为智能交通系统(IntelligentTransportation，ITS)重要组成部分，能够支持车辆与车辆以及车辆与路侧单元(RoadSideUnit，RSU)之间的无线通信，对提高车载通信安全及效率有重要作用。通过车-车、车-基础设施的通信，车辆能交换信息以支持安全应用(例如，紧急刹车、碰撞预警)与非安全应用(例如，娱乐、车载视频、导航等)。由于车辆的高速移动性以及车辆密度的不断变化，车载自组织网络面临各种挑战。车载自组织网络面临的主要挑战在于：安全消息需要及时、可靠的传输，而非安全消息传输通常需要大量的和有效的吞吐量(例如，地图下载、兴趣点广告)以及低延迟(诸如，基于IP上的语音通话与移动多人游戏等对服务质量(Quality-of-Service，QoS)敏感的视频/音频流)的需求。VANETs采用IEEE802.11p与IEEE1609.4作为车辆通信协议。然而，IEEE802.11p采用载波侦听多路访问/冲突避免(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionAvoidance，CSMA/CA)的信道接入方式，这是一种基于竞争的信道访问方式，没有确认(Acknowledgment，ACK)机制，无法确保安全消息可靠与及时的传输，尤其是在车辆密度高的情况下。IEEE1609.4协议把时间分为一个个长度为100ms的同步周期(SynchronizationInterval，SI)，每个SI又由各为50ms的控制信道(ControlChannel，CCH)间隔与服务信道(ServiceChannel，SCH)间隔组成，车辆周期性、固定的在CCH间隔与SCH间隔之间切换。IEEE1609.4协议中的固定的信道切换方式使VANETs中的非安全信息的高吞吐量、低延迟的数据传输需求很难被满足。例如，在高密度车联网环境中，在一个高度拥塞的控制信道上面，节点没有足够的时间进行服务信道协商。因此，服务信道利用率受到影响。另一方面，在车辆稀疏但是需要大量非安全数据传输的情况下(例如，接近兴趣点)，CCH间隔会长时间的空闲，而50ms的服务信道间隔不足以传输大块的需要高带宽消耗的应用数据，例如语音通话，电子地图下载等。因此，数据面临低吞吐量以及额外的不可避免的信道切换延迟问题。总而言之，VANETs中的IEEE802.11p与IEEE1609.4协议中的MAC层机制存有如下缺陷：1)固定的CCH间隔和SCH间隔不灵活，不能根据不断变化的交通流需求来分配时间间隔；2)CCH间隔和SCH间隔之间的固定切换导致CCH和SCH的带宽资源利用率很低，利用率不超过50％；3)对于单无线电收发器来说，多信道切换操作在CCH间隔的开始会发生同步帧碰撞，而在CCH间隔结束时安全消息会由于没有时间传输而丢弃现象，因此不能保证安全消息的可靠和及时的传输；4)服务信道上的基于竞争的CSMA/CA的MAC机制，在服务信道上对于其提供的SCH吞吐量的提升能力有限，而在控制信道上很难确保安全消息的可靠、及时传输。针对IEEE802.11p和IEEE1609.4协议存在的不足，研究人员提出了很多解决方案。根据文献“AnIEEE802.11p-basedmultichannelMACschemewithchannelcoordinationforvehicularadhocnetworks”，汪庆等提出了一种可变CCH间隔的VCIMAC协议。VCIMAC协议根据节点多少动态调整CCH间隔，但是该协议在CCH上安全消息的传输仍然采用基于竞争的CSMA/CA协议，而且当节点在CCH上传输时，所有的SCH空闲，仍然无法保证网络节点密度较大时，安全信息及时、可靠地传输，服务信道资源也没有得到充分利用。文献“VeMAC:ATDMA-basedMACprotocolforreliablebroadcastinVANETs”提出了专门针对车载无线自组织网络场景的VeMAC协议，给不同方向行驶的车辆分配不同的传输时隙，由于VeMAC工作在分布式方式下，节点需要发送数据量较大的信息以预约安全时隙，留给服务信道预约的时间就减少了，因此服务信道的吞吐量的提高仍然是有限的。文献“CoordinatedmultichannelMACprotocolforvehicularadhocnetworks”提出一种协调的多信道C-MAC协议，控制信道上安全消息的传输采用基于非竞争的时分多址(TimeDivisionMultipleAddress，TDMA)的信道接入方式确保了安全消息可靠、及时传输，但是当节点在控制信道上传输安全消息时，所有的服务信道空闲，服务信道资源仍不能充分利用。除此之外，文献“ADistributedMulti-ChannelMACProtocolforAdHocWirelessNetworks”显示，当系统中节点的数量足够多的时候，网络可以获得的总吞吐量不是由节点数量决定的，而是由信道数量决定的。因此，服务信道的数量以及在服务信道上面停留的时间是决定系统吞吐量的关键因素。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服已有车载自组织网络通信方法存在的不足，提出一种可靠有效的车载自组织网络多信道MAC(CoordinatedReliableandEfficientmultichannelMAC，CRE-MAC)协议，该协议能够保证安全信息的可靠和及时的传输，提高网络吞吐量，减少非安全信息的传输延迟。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。一种可靠有效的车载自组织网络多信道MAC协议，其包括如下步骤：1)根据网络情况，路侧单元计算下一个同步周期中的车辆确认间隔(VehicleIdentificationInterval，VII)的时间TVII，并将其放入协调和长度信息(CoordinationandLengthInformation，CLI)数据包中；在一个SI的开始，RSU广播CLI数据包以宣告TCFI，TVII，TWI以及每个被确认车辆的SaSlot，其中TCFI表示无竞争间隔(Contention-FreeInterval，CFI)的长度，TWI表示WSA间隔的长度，SaSlot表示被确认了的车辆在控制信道上用于广播安全消息的时隙；当没有RSU时，一跳内的具有最小MAC_ID的节点将充当领导者来执行RSU的功能；2)每辆车在自己的SaSlot中广播与安全有关的消息：信标或紧急消息，而不会发生任何冲突，转发节点在广播与安全相关的消息的同时也广播CLI数据包；3)在VII期间，RSU为每个新进入的车辆执行确认过程以获得相应数量的SaSlo本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可靠有效的车载自组织网络多信道MAC协议，所述车载自组织网络(VehicularAd Hoc Networks，VANETs)中的车辆均具备无线发送和接受消息的能力，其特征在于，包括如下步骤：/n1)根据网络情况，路侧单元(Road Side Unit，RSU)计算下一个同步周期(Synchronization Interval，SI)中的车辆确认间隔(Vehicle IdentificationInterval，VII))的时间T

【技术特征摘要】
1.一种可靠有效的车载自组织网络多信道MAC协议，所述车载自组织网络(VehicularAdHocNetworks，VANETs)中的车辆均具备无线发送和接受消息的能力，其特征在于，包括如下步骤：
1)根据网络情况，路侧单元(RoadSideUnit，RSU)计算下一个同步周期(SynchronizationInterval，SI)中的车辆确认间隔(VehicleIdentificationInterval，VII))的时间TVII，并将其放入协调和长度信息(CoordinationandLengthInformation，CLI)数据包中；在一个SI的开始，RSU广播CLI数据包以宣告TCFI，TVII，TWI以及每个被确认车辆的SaSlot，其中TCFI表示无竞争间隔(Contention-FreeInterval，CFI)的长度，TWI表示WSA间隔的长度，SaSlot表示被确认了的车辆在控制信道上用于广播安全消息的时隙；当没有RSU时，一跳内的具有最小MAC_ID的节点将充当领导者来执行RSU的功能；
2)每辆车在自己的SaSlot中广播与安全相关的消息：信标或紧急消息，而不会发生任何冲突，转发节点在广播与安全相关的消息的同时也广播CLI数据包；
3)在VII期间，RSU为每个新进入的车辆执行确认过程以获得相应数量的SaSlot，根据转发机制，RSU为每个普通节点分配一个SaSlot，为每个转发节点分配三个连续的SaSlot；
4)当一个节点有非安全消息要发送或请求非安全消息时，它将根据自己的SerSlot使用表(SerSlotUsageList，SUL)选择“最佳”的服务信道(ServiceChannel，SCH)以及服务信道上相应的SerSlot，然后在WSA间隔，使用CSMA/CA机制来竞争控制信道，用来传送WSA或RFS消息；
5)当接收端接收到一个预期的WSA或RFS消息时，如果[SCH，SerSlot]可用，则向发送端发送一个确认(Acknowledgement，ACK)消息，否则发送非确认(Non-Acknowledgement，NACK)消息；如果邻居节点通过监听WSA/RFS消息，发现多信道隐藏终端问题或丢失接收端问题发生，则利用邻居节点辅助方法来提高信道利用率与网络性能；
6)邻居节点听到ACK消息，更新它们的邻居信息列表(NeighboringInformationList，NIL)和SUL；
7)在下一个SI中，发送端和接收端在SerSlot时刻都切换到所选中的SCH上去，以传输非安全消息。


2.根据权利要求1所述的一种可靠有效的车载自组织网络多信道MAC协议，其特征在于，所述步骤1)中所述根据网络情况，路侧单元(RoadSideUnit，RSU)计算下一个同步周期(SynchronizationInterval，SI)中的车辆确认间隔(VehicleIdentificationInterval，VII)的时间TVII，TVII通过公式TVII＝Ltotal·Trrts+m·Tcp来计算获得，其中Ltotal表示总帧长度，Trrts表示用于传输一个预留请求发送(ReservationRequestToSend，RRTS)数据包的时间，m表示节点在被路侧单元确认之前必须经历的轮数，Tcp表示传输一个协调数据包(CoordinationPacket，CP)的时间。


3.根据权利要求1所述的一种可靠有效的车载自组织网络多信道MAC协议，其特征在于，所述步骤1)中所述的MAC_ID，是节点的一个短的MAC标识符；节点的MAC_ID是由节点随机选择的，并且包含在控制信道上面传输的数据包中，如果节点检测到其选择的MAC_ID被别的节点已经使用了，就重新选择。


4.根据权利要求1所述的一种可靠有效的车载自组织网络多信道MAC协议，其特征在于，所述步骤2)中所述的转发节点，指的是：如果在RSU覆盖范围之内有大卡车，则选择大卡车作为转发节点转发CLI数据包。


5.根据权利要求1所述的一种可靠有效的车载自组织网络多信道MAC协议，其特征在于，所述步骤3)中所述的转发机制，其工作过程包含如下步骤：
51)按照权利要求3的方法选择转发节点；
52)使用公式计算转...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋彩霞，亓志国，崔莉苑，张发，宋笑笑，
申请(专利权)人：青岛农业大学，
类型：发明
国别省市：山东;37