WAVE網絡中多信道MAC協(xié)議探討

劉嬌　朱東弼

摘 要：WAVE網絡是智能交通系統(tǒng)的重要組成部分。文章綜述了WAVE網絡的IEEE802.11p/1609協(xié)議標準，重點分析了現(xiàn)有的多信道MAC協(xié)議中存在的問題，并在此基礎上提出了能夠彌補現(xiàn)有MAC協(xié)議中存在的問題的改進型多信道MAC協(xié)議，為今后完善WAVE網絡中多信道MAC協(xié)議提供了理論依據(jù)。

關鍵詞：WAVE；多信道MAC協(xié)議；DCF機制；CCH時隙；SCH信道

引言

近年來，隨著通信技術和交通業(yè)的發(fā)展，智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transport Systems，ITS）受到了越來越廣泛的關注。ITS通過利用先進的科學技術和方法來達到提高交通運輸網絡的安全性和高效性的目的。WAVE網絡是ITS的重要組成部分。

MAC協(xié)議是移動終端能夠公平高效地共享無線信道的重要保證，WAVE系統(tǒng)中MAC協(xié)議的標準為IEEE802.11p和IEEE1609.4[1]。IEEE802.11p和IEEE1609系列協(xié)議標準共同組成了WAVE體系架構，以適應高速環(huán)境下車輛通信的需求。

文章探討WAVE網絡現(xiàn)有的MAC協(xié)議標準中存在的問題，提出改進型自適應多信道MAC協(xié)議。

1 動態(tài)調整CCH時隙的多信道MAC協(xié)議

1.1 可變CCH時隙MAC協(xié)議

IEEE1609.4協(xié)議中將同步時隙定義為固定的100ms，其中包含的CCH時隙和服務信道SCH時隙分別為50ms。在網絡中傳輸節(jié)點很多的情況下，固定的CCH時隙不能夠滿足擁擠的車載網絡環(huán)境中安全信息和控制信息的傳送需求。反之，在網絡中傳輸節(jié)點較少的情況下，CCH時隙需要傳送的信息也減少，從而導致CCH時隙的浪費，不能夠滿足WAVE網絡中拓撲結構高動態(tài)性的要求。為此，Q.Wang等[2]提出了可變CCH時隙的MAC協(xié)議，協(xié)議框架如圖1所示。

可變CCH時隙MAC協(xié)議將CCH時隙分為安全時隙和服務廣播時隙，在CCH上的節(jié)點通過預約的方式在SCH上無競爭的傳送，并利用CCH時隙上節(jié)點預約服務信道所需的平均時間長度來確定CCH時隙長度，從而動態(tài)調整CCH時隙，提高了網絡的吞吐量。然而，節(jié)點預約SCH所需的平均時間長度僅僅是一個平均值，它與實際預約SCH的時間長度之間存在著很大的差異，無法實現(xiàn)在動態(tài)車輛環(huán)境下優(yōu)化配置CCH和SCH資源的目標。

1.2 自適應多信道MAC協(xié)議

文獻[3]在上述可變CCH時隙MAC協(xié)議基礎上，提出了通過獲取節(jié)點在CCH上預約SCH所需時間的概率分布，從而實現(xiàn)最優(yōu)CCH時隙和SCH時隙值的動態(tài)分配的自適應多信道MAC協(xié)議。

自適應多信道MAC協(xié)議基于DCF機制構建分析模型，通過利用概率生成函數(shù)的分析方法，根據(jù)網絡當前狀態(tài)，動態(tài)調整CCH時隙。即網絡中節(jié)點數(shù)增加時，減少用來傳送服務數(shù)據(jù)的SCH時隙，同時增加CCH時隙來保證安全信息的傳送；服務數(shù)據(jù)包長度增大時，相應地減少CCH時隙長度，同時增加SCH時隙長度以提高SCH的利用率。

自適應多信道MAC協(xié)議與可變CCH時隙MAC協(xié)議和IEEE.1609.4協(xié)議相比，獲得了更高的吞吐量。但是該協(xié)議采用的DCF機制中，所有終端和業(yè)務在競爭接入信道時都處于平等地位，沒有優(yōu)先級的區(qū)分，不能有效地減小節(jié)點接入信道的時延。

1.3 基于EDCA機制的MAC協(xié)議

為了改善自適應多信道MAC協(xié)議中沒有優(yōu)先級區(qū)分的問題，文獻[4]提出了一種基于EDCA機制的多信道MAC協(xié)議。

EDCA機制是IEEE802.11e協(xié)議標準規(guī)定的對原有的DCF機制的擴展機制，該機制的每種訪問類型都將傳送信息劃分為不同優(yōu)先級，保證高優(yōu)先級所需的傳送信道，并根據(jù)節(jié)點不同優(yōu)先級的數(shù)量來動態(tài)調整CCH時隙和SCH時隙長度，有效地保證了高優(yōu)先級信息的傳送效率和服務質量，提高了SCH的利用率，并且有效地避免了節(jié)點之間的沖突，使得節(jié)點接入信道的延遲時間減小。

2 改進型多信道MAC協(xié)議

上述的三種動態(tài)調整CCH時隙的多信道MAC協(xié)議，與IEEE802.11p和IEEE1609.4協(xié)議標準相比，都有不同程度的改進，在吞吐量和接入時延等方面都有所提高。但是三種協(xié)議里，在CCH時隙中預約成功的所有節(jié)點都要等到CCH時隙結束后才在SCH時隙中開始發(fā)送數(shù)據(jù)，使得CCH時隙對應的這一段SCH信道始終空閑，導致信道的利用率偏低。為此，文章提出一種改進型多信道MAC協(xié)議。

在改進型的多信道MAC協(xié)議中，各節(jié)點預約SCH采用DCF機制。當節(jié)點在CCH中通過DCF機制競爭預約到SCH后，節(jié)點立即轉到SCH的空閑信道中任選一個信道進行數(shù)據(jù)傳送，數(shù)據(jù)成功傳送后，又返回到CCH參加下一次競爭；如果節(jié)點成功預約SCH之后發(fā)現(xiàn)所有SCH都被占用，則該節(jié)點拋棄當前數(shù)據(jù)包的傳送，重新返回CCH參加下一次競爭。

改進型多信道MAC協(xié)議通過采用立即占用SCH的模式，提高了信道的利用率，彌補了現(xiàn)有動態(tài)調整CCH時隙的多信道MAC協(xié)議中存在的信道利用率偏低的問題，有效地優(yōu)化了系統(tǒng)的資源配置，更適應現(xiàn)代高動態(tài)通信網絡的需求。

3 結束語

文章分析比較了WAVE網絡中現(xiàn)已提出的可變CCH時隙MAC協(xié)議、自適應多信道MAC協(xié)議和基于EDCA機制的多信道MAC協(xié)議，總結了三種MAC協(xié)議的優(yōu)勢和存在的問題。在此基礎上，提出了采用預約成功則立即占用SCH信道模式的改進型多信道MAC協(xié)議，為今后WAVE網絡中MAC協(xié)議的完善提供了理論依據(jù)。

參考文獻

[1]IEEE Standards 1609.4.IEEE Trial-Use Standard for Wireless Access in Vehicular Environments（WAVE） Multi-channel Operation，2006.

[2]Q. Wang， P. L. Su， H. R. Fu， etal.An Enhanced Multi-channel MAC for the IEEE 1609.4 Based Vehicular Ad Hoc Networks.IEEE INFOCOM 2010 Proceeding.San Diego， USA， 2010：1-2.

[3]Dongbi Zhu，Dandan Zhu.Performance Analysis of A Multi-channel MAC with Dynamic CCH Interval in WAVE System[C].2013 International Conference on Software Engineering and Information System（SEIS 2013）.Shijiazhuang，China，2013.

[4]崔紀平，朱東弼*.無線車載網絡MAC協(xié)議算法之性能探究[J].電子測試，2013（13）：9-12.

作者簡介：劉嬌（1991-），女，吉林省吉林市人，延邊大學2013級碩士研究生，研究方向：車載無線通信網絡。

通訊作者：朱東弼（1967-），男，吉林省延吉市人，副教授，碩士生導師，主要研究領域為通信網MAC協(xié)議、通信網性能分析及排隊論模型分析。endprint