宋勝曦 王建新

【摘要】 車載網(wǎng)絡(luò)采用IEEE802.11p作為底層協(xié)議來保證通信的可靠性，IEEE1609.4標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.11p的拓展。然而，這種基于IEEE1609.4標(biāo)準(zhǔn)的信道訪問機(jī)制存在一些不足。本論文提出一種保證安全信息的可靠傳輸，提高服務(wù)信道的吞吐量的基于簇的碰撞避免的MAC協(xié)議。

【關(guān)鍵詞】 車載網(wǎng)絡(luò) 簇 MAC IEEE1609.4

一、引言

車載網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)完全分布式的自組織網(wǎng)絡(luò)，通過將車載網(wǎng)絡(luò)中的車輛節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分簇，并選出一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為中心控制節(jié)點(diǎn)，把整個(gè)車載網(wǎng)絡(luò)分成若干個(gè)小型的自組織網(wǎng)絡(luò)，使網(wǎng)絡(luò)的管理與維護(hù)變得更為簡單。

車載網(wǎng)絡(luò)采用IEEE802.11p作為底層協(xié)議來保證通信的可靠性，IEEE1609.4標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.11p的拓展，信道由同步間隔（SI）組成，每個(gè)同步間隔又分為控制信道間隔（CCHI）和服務(wù)信道間隔（SCHI）。在CCHI時(shí)期上交換安全信息和控制信息，在SCHI時(shí)期上進(jìn)行服務(wù)信息的交換。然而，這種基于IEEE1609.4的信道訪問機(jī)制信道利用率并不高。

本論文提出了一種基于簇的多信道MAC協(xié)議，節(jié)點(diǎn)只需要使用單個(gè)天線，即可實(shí)現(xiàn)多信道通信，在保證安全信息的可靠傳輸提前下，不僅解決了簇間時(shí)隙碰撞問題，還提高了服務(wù)信息的吞吐量。

二、所述的MAC協(xié)議

如圖1所示，所述MAC協(xié)議信道分成同步間隔（Synchronization Interval），每個(gè)同步間隔包含一個(gè)控制信道間隔（CCH Interval）以及一個(gè)服務(wù)信道間隔（SCH Interval）。在控制信道上，每個(gè)簇成員（CM）接入一個(gè)時(shí)隙；簇頭（CH）接入兩個(gè)時(shí)隙，分別位于控制信道間隔的第一個(gè)時(shí)隙和最后一個(gè)時(shí)隙，簇頭通過接入的時(shí)隙廣播對簇的管理信息，廣播安全信息以及對業(yè)務(wù)信道接入時(shí)隙的分配方案；沿著車輛行駛的方向，簇頭會(huì)選出一個(gè)位置穩(wěn)定在簇內(nèi)的后端的車輛節(jié)點(diǎn)作為協(xié)作節(jié)點(diǎn)（CN），并額外分配給它一個(gè)時(shí)隙（Cooperative Slot），位于控制信道間隔的倒數(shù)第二個(gè)時(shí)隙，通過協(xié)作節(jié)點(diǎn)額外接入的時(shí)隙來解決兩簇時(shí)隙碰撞問題。在控制信道間隔內(nèi)，簇頭必須保持在控制信道上，簇成員可以切換到服務(wù)信道上；在服務(wù)信道間隔內(nèi)，簇頭和簇成員都可以在控制信道和服務(wù)信道上自由切換。

2.1時(shí)隙碰撞解決方法

如圖2所示通信場景，兩簇解決時(shí)隙碰撞問題的過程如下：（1）協(xié)作節(jié)點(diǎn)在這個(gè)時(shí)隙上廣播簇2的時(shí)隙表，簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)在這個(gè)時(shí)隙時(shí)必須切換到控制信道上來偵聽該時(shí)隙；（2）當(dāng)CM1收到簇2協(xié)作節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙表后，在接入的時(shí)隙上將時(shí)隙表轉(zhuǎn)發(fā)給CH1，通知告知協(xié)作節(jié)點(diǎn)已經(jīng)收到時(shí)隙表；（3）CH1接收到CM1轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)隙表后，修改碰撞時(shí)隙后，將新的時(shí)隙表廣播給簇成員，簇成員按照新的時(shí)隙表接入時(shí)隙；（4）CM1接收到CH1的時(shí)隙表后，按照新的時(shí)隙表找到自己的時(shí)隙接入后，并轉(zhuǎn)發(fā)該時(shí)隙表給CN；（5）CN接收到CM1轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)隙表后，轉(zhuǎn)發(fā)給簇頭，并釋放額外接入的時(shí)隙。

2.2簇內(nèi)通信

所述協(xié)議由于采用了TDMA技術(shù)，在控制信道間隔上，所有的簇成員都可以向簇頭發(fā)送信息。當(dāng)簇成員有安全信息發(fā)送時(shí)，通過接入的時(shí)隙將消息發(fā)送給簇頭；簇頭接收到安全信息后，在接入的時(shí)隙將處理后的安全信息廣播給簇成員。所以只需一個(gè)同步間隔，所有簇成員都可以接收到來自其它成員的安全信息。

如圖2所示通信場景中，簇內(nèi)成員CM1與CM2的服務(wù)信息交換過程如下：

（1）CM1在接入的時(shí)隙向簇頭發(fā)送服務(wù)請求消息；（2）簇頭將收到的服務(wù)請求消息轉(zhuǎn)發(fā)給CM2；（3）根據(jù)接收到的服務(wù)請求消息，CM2決定是否接收該服務(wù)，若接收，則在下一個(gè)時(shí)隙向簇頭回復(fù)一個(gè)確認(rèn)ACK消息，否則回復(fù)一個(gè)NACK消息；（4）簇頭接收來自CM2的消息，若為ACK，則為CM1與CM2分配時(shí)隙，并在將分配結(jié)果發(fā)送給CM1與CM2 ，若為NACK，則向CM1返回NACK；（5）最后，CM1與CM2在分配的時(shí)隙內(nèi)切換到服務(wù)信道上進(jìn)行服務(wù)數(shù)據(jù)的交換。

2.3簇間通信

如圖2所示通信場景中，對于安全信息的交換，只能通過簇頭來完成。當(dāng)CH1完成對安全信息的收集整合后，將整合后的安全信息發(fā)送給CH2；CH2接收到來自CH1的信息后，再將接收到的信息廣播給簇成員?；谝陨闲畔⒔粨Q過程，簇間安全信息的交換需要兩個(gè)同步間隔。

對于服務(wù)信息，當(dāng)簇1中的簇成員CM1有服務(wù)信息需要發(fā)送給簇2中的CM5時(shí)， CM1與CM5的服務(wù)信息交換過程如下：（1）CM1向簇頭CH1發(fā)送服務(wù)請求消息；CH1接收服務(wù)請求消息后，將服務(wù)請求消息轉(zhuǎn)發(fā)給簇頭CH2；CH2接收來自CH1的服務(wù)請求消息后，將服務(wù)請求消息轉(zhuǎn)發(fā)給CM5；（2）CM5接收服務(wù)請求消息后，決定是否接受該服務(wù)，若接受該服務(wù)，則向CH2返回一個(gè)ACK消息，否則返回NACK消息；（3）當(dāng)CM5接受來自CM1的服務(wù)時(shí)，則CH2根據(jù)信道使用情況，為CM1與CM5分配好時(shí)隙，并將分配結(jié)果發(fā)送給CM5和CH1，否則向CH1返回NACK消息；（4）CH1接收來自CH2的返回消息，若為NACK，則向CM1返回NACK消息，否則將分配結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)給CM1；（5）CM1與CM5在分配好的時(shí)隙內(nèi)，切換到服務(wù)信道上進(jìn)行服務(wù)數(shù)據(jù)的交換。

三、結(jié)語

本文提出的簇間碰撞避免MAC協(xié)議在IEEE1609.4的基礎(chǔ)上，能夠徹底消除簇間時(shí)隙碰撞，確保安全信息的可靠性，并能提高服務(wù)信道的吞吐量。但該協(xié)議解決簇間時(shí)隙碰撞與簇間通信還存在時(shí)延，如何降低系統(tǒng)的時(shí)延是我們未來工作的重點(diǎn)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Wireless LAN Medium Access Control （MAC） and Physical layer （PHY） specifications： Wireless Access in Vehicular Environment （WAVE）， IEEE P802.11p/ D3.04， 2008.

[2] T. Kim， S. Jung， and S. Lee， “CMMP： clustering-based multi-channel MAC protocol in VANET， “ in Proc. IEEE Second International Conference on Computer and Electrical Engineering， pp. 380-383， 2009.

[3] H. Su， X. Zhang， “Clustering-based multichannel MAC protocols for QoS provisionings over vehicular ad hoc networks” in IEEE Transaction on Vehicular Technology， vol. 56， no. 6， pp. 3309-3323， 2007.

[4] M. S. Almalag， S. Olariu， and M. C. Weigle， "TDMA cluster-based MAC for VANETs （TC-MAC），" in Proc. IEEE International Symposium on a World of Wireless， Mobile and Multimedia Networks （WoWMoM）， pp.1-6， 2012.

[5] P. Fan， J. G. Haran， J. F. Dillenburg， and P. C. Nelson， "Cluster-based framework in vehicular ad-hoc networks，" in Ad-hoc， Mobile， and Wireless Networks， pp. 32-42， 2005.