ＶＡＮＥＴ網絡中一種支持優先級區分的新機制

摘要：提出一種支持優先級區分的MAC機制，并引入了兩種新的操作機制，即接力傳輸和接力中斷。受IEEE 802.11協議段突發機制啟發，對于高優先級業務，MAC幀由源端被接力傳輸至目的端；對于不同優先級的業務，產生不同次數的接力中斷。每次接力中斷增加一次信道競爭，由此達到不同優先級業務的區分。NS－2仿真證明了該機制的有效性。

關鍵詞：車載自組網絡；優先級區分；IEEE 802.11；段突發；接力傳輸；接力中斷

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2007)05－0250－03

0引言

車載Ad hoc網絡（Vehicular Ad hoc Networks， VANET），作為Ad hoc網絡（Mobile Ad hoc Networks， MANET）的一個分支，成為了無線網絡領域研究的新熱點。在VANET中，每個節點兼顧終端和路由的功能，可在高速公路或城區公路上快速組網，形成車輛間通信（Inter－Vehicle Communication， IVC）。但是，其分布式無中心控制的架構不能很好地提供QoS保障。

MAC層協議在QoS中保證架構處于關鍵地位。基于IEEE 802.11協議的MAC層QoS增強技術，在近年來得到深入研究。例如文獻[1]對IEEE 802.11協議的QoS增強技術進行了綜述；文獻[2， 3]分別針對退避算法、競爭窗口等方面進行了研究。IEEE 802.e[4]針對IEEE 802.11系列協議的QoS增強最終形成標準。

受IEEE 802.11協議段突發機制（Fragment Burst）的啟發，本文提出的MAC層支持優先級區分的機制與其他技術不同。該機制并非關注于IEEE 802.11協議的參數細節，而是從協議流程方面進行了改進，同時可與上述各種QoS增強技術協同工作。該機制基于一種混合類型握手(Hybrid－Initiated，HI)的MAC協議[5]，通過路由－MAC交叉層設計，在節點獲取信道之后盡可能快地進行MAC幀的多跳傳輸。其主要思想為：針對高優先級業務，應用一種新的MAC工作機制，即接力傳輸。該傳輸可以按照最小時延進行MAC幀的多跳傳輸，非常適用于對時間敏感的應用。另一種機制，即接力中斷被應用于較低優先級的業務。應用文中設計的算法，對于p（p值越小，優先級越高）優先級業務，可存在（p-1）次接力中斷，每次接力中斷引入一次信道競爭。通過引入不同次數的接力中斷，從而實現MAC層的優先級區分。

1相關文獻及技術

為了有效解決隱藏終端問題[6]，文獻[7]首先提出在真實數據傳送之前進行Request－to－Send /Clear－to－Send（RTS/CTS）握手。該種握手在VANET或MANET網絡中被普遍使用。

按照握手幀的發起端分類，MAC協議可分為發送端發起握手型（Sender－Initiated，SI），如IEEE 802.11 DCF模式[8]和接收端發起握手型（Receiver－Initiated，RI），如MACA－BI[9]。RI型MAC通過預測鄰居節點業務來臨情況而主動發起Request－to－Receive（RTR）握手；鄰居節點在收到RTR之后直接進行DATA幀的傳輸。理論上，由于RI型協議減少了握手幀的個數，天線轉換時間及握手幀沖突的概率也得以下降，性能較SI型協議得到提升。然而，由于RI型協議通過預測算法來判斷鄰居節點業務來臨狀況，這在真實網絡中難以實現。

文獻[5]提出了一種HI型MAC。其目的在于結合SI型MAC準確觸發握手和RI型協議性能提升的優點。HI型協議中，SI型握手（RTS/CTS）僅僅發生在第一對通信節點中，之后節點只發送CTS握手，從而轉變為RI型握手。SI－RI間的相互轉換通過聯合路由層信息設計得以實現。

通過交叉層設計，源節點首先生成一條業務流的路由信息（用Rid表示），并包含在所有的控制幀中（如RTS/CTS/ACK）沿著路由進行傳遞。發送節點的鄰居節點使用兩步監聽機制，同時監聽上游節點的CTS信號和ACK信號。通過監聽CTS，Rid被提取并向監聽節點本地路由層進行查詢。如果判斷本節點為上游發送節點的下一跳節點，上游節點的ACK信號將直接觸發監聽節點的CTS握手，形成RI型握手；如果下游節點的CTS丟失，則被監聽節點在等待一個超時時間后重新發起SI型握手，從而在兩種MAC方式中進行切換。協議細節參閱文獻[5]。

2一種新的優先級區分機制

對文獻[5]中的HI協議進行優先級區分的增強。為了支持優先級區分，引入了兩個新的概念，即接力傳輸和接力中斷。

2．1接力傳輸vs段突發

段突發機制[8]被定義為：在獲取信道后，源節點傳輸多個分段（Fragment）的過程。在段突發中，MAC幀之間始終使用SIFS（Short Inter－Frame Space)幀間隙，如圖1（a）所示。

本文定義接力傳輸為：在獲取信道后，源節點使用HI型MAC協議，利用SIFS幀間隔，將一個MAC幀接力傳輸到目的節點的過程。其目的在于減少一個MAC幀的多跳傳輸時延。圖1（b）表示了幀接力傳輸的時序圖。其中深色方塊表示的控制幀為被監聽的幀。

由圖1可以看出，段突發和接力傳輸的主要區別為：段突發作用于一對節點間，目的在于多個MAC幀的傳輸；而接力傳輸作用于一條路由上的多個節點，目的在于減少一個MAC幀的傳輸時延。

2．2接力中斷

接力中斷表示在MAC幀的接力傳輸過程中，被人為中斷而引入信道競爭的操作，如圖1（c）所示。

3仿真驗證

為驗證新機制的有效性，本文使用NS－2[10]進行仿真。14個節點形成三車道，如圖3所示。每個節點的傳播距離為100 m，節點間平均距離為30 m，MAC采用北美DSRC標準[11]所建議的IEEE 802.11a[12]協議，參數細節如表2所示。

為簡單起見，本文仍使用傳統的AODV作為路由層協議，同時向AODV添加了路由查詢功能。

仿真中，定義了三個優先級的業務（H，M，L）。對于H優先級業務，按照接力方式進行傳輸；M業務實現一次接力中斷；對于L業務，執行傳統的IEEE 802.11DCF模式。按照包大小為120、512和1 024 Bytes進行三組仿真。這些業務被典型地使用于路況信息、音頻和純數據。所有業務都使用4跳傳輸。

圖4描述了仿真結果。其中，圖4（a）表示端到端吞吐量，（b）表示平均端到端時延。可以看出，使用接力傳輸的業務能夠獲得最小的時延和最大的吞吐量。對于中等優先級，由于引入一次接力中斷，其時延和吞吐量較接力傳輸性能略有下降，但仍比傳統的IEEE 802.11 DCF模式要好。

4結束語

在本文中，使用接力傳輸，一個MAC幀可以使用HI型MAC和SIFS幀間隔，盡快傳遞到目的端；使用接力中斷，額外的信道競爭被引入。在本文算法中，對于p優先級的業務，被引入p-1次接力中斷，從而實現不同業務的優先級區分。同時，該機制可以與其他技術如IEEE 802.11e等協同工作。

參考文獻：

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[11]Dedicated short range communications (DSRC) home[EB/OL].http://www.leearmstrong.com/dsrc/dsrchomeset.htm.

[12]IEEE Std 802.11a Wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications: high－speed physical layer in the 5 GHz band[S]. [S.l.]:[s.n.]，1999.

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文”