車載網中基于分段與協作的MAC協議

于明鷺，劉南杰,2，趙海濤,2

(1.南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003;2.南京郵電大學 網絡基因工程研究所，江蘇 南京 210003)

車載網中基于分段與協作的MAC協議

于明鷺1，劉南杰1,2，趙海濤1,2

(1.南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003;2.南京郵電大學 網絡基因工程研究所，江蘇 南京 210003)

車載自組織網絡中采用的是基于競爭的MAC協議。該協議在車輛密度很大時會導致很高的包碰撞率，嚴重影響安全消息的傳輸可靠性和時延。針對該問題，提出車載自組織網絡中基于分段與協作的MAC協議。首先創新性提出一種對道路進行分段的思想，再通過段首分配時隙給每輛車傳輸安全消息，最后通過選擇輔助節點在空閑時隙重傳緊急消息給接收失敗的節點。該協議有助于提高安全消息的傳輸可靠性并降低消息傳輸時延。

車載自組織網絡；協作；安全消息；介質訪問控制協議

1 概 述

近年來，車載自組織網絡(Vehicular Ad hoc NETworks,VANETs)得到了飛速發展。在VANETs中每輛車都配備有無線接口，即車載單元(On-board Unit,OBU)。此外，道路上設有路邊單元(RoadSide Units,RSU)。通過OBUs和RSUs，VANETs中的車輛可以相互通信,也可以與網絡單元通信。所以車輛通信包括車與車通信和車與路邊單元通信的模式。由于車輛通信的重要性，聯邦通信委員會分配了75 MHz頻譜用于智能交通中的通信。這75 MHz分為7個信道，包括一個控制信道和六個服務信道[1]。

安全消息是VANETs中最重要的消息，它具有很強的實時性，必須在規定的時間到達接收者并滿足一定的接收率(99%)。因此，安全消息的傳輸性能取決于介質訪問協議(Medium Access Control,MAC)。而IEEE 802.11p采用的基本MAC接入策略為避免碰撞的載波偵聽多址接入，時延大，可靠性低，無法滿足安全消息的傳輸時延和接收率。并且安全消息的洪泛機制會導致廣播風暴。因此，為嚴格滿足安全消息的服務質量，許多研究提出了VANETs中不同類型的MAC協議。其中協作通信得到了廣泛關注。當源節點到目標節點之間的原始信道不可靠時，其他信道狀況良好的鄰居節點可用于把包傳至目標節點，這樣目標節點可以從各獨立信道獲得不同副本，因而通過空間分集增強了消息傳輸的可靠性。

現在大多數基于協作的MAC協議專注于研究點對點的通信模式[2-3]，在文獻[4-5]中提出了兩個相似的基于協作的MAC協議：Coop-Mac和rDCF。該協議使得速率高的節點通過兩跳傳輸來輔助一個速率低的節點。在這兩種方案中，輔助節點的選擇基于表中歷史記錄。然而，當表更新間隔設置不合理時，就無法適應車載通信的動態特性。

為解決這個問題，許多文獻給出了相應的方案。在文獻[6]中，輔助節點的選擇基于控制消息的實時信號強度。文獻[7]提出了一種車載網中自適應分布式協作MAC，即ADC-MAC。每個節點利用信標消息來周期性地測量周圍節點的信號強度。然而這些狀態包帶來了很大的開銷并增加了包碰撞率。在文獻[8-9]中，作者結合了協作通信和自動重傳機制，當發現NACK消息時，源節點的鄰居節點重傳包。然而，選擇合適的轉發節點帶來了額外的開銷。上述的協作通信協議都是基于IEEE802.11p協議的。文獻[10]提出了一種基于TDMA的協議來改善包的接收率。然而，在這個MAC協議中，只是選擇了輔助節點和時隙用于協作傳輸并沒有重傳機制。文獻[11]提出CAH-MAC，它利用一幀中的空閑時隙來傳輸包。輔助節點的選擇和協作的時隙選擇都是動態的，然而，該協議并沒有考慮節點的移動性并且模型過于理想化。

協作通信用于提高廣播通信的可靠性，然而上述研究在如何選擇合適的輔助節點及何時進行協作方面并沒有給出很好的方案。

不同于上述研究方案，文中創新性提出一種基于TDMA的分段與協作的MAC協議。首先對道路進行智能分段，然后選擇段首來進行時隙分配，最后通過選擇輔助節點來重傳接收緊急消息失敗的節點,這樣顯著提高了安全消息的接收率。

2 系統模型

文中考慮VANETs有兩條車道。每輛車視為一個節點。首先對道路進行等距離分段，每一段設定一個段編號。再在每段中選擇一個節點作為段首(Segment Hear,SH)，其他節點則為段成員(Segment Member，SM)。然后由每段的SH為該段的SM分配傳輸安全消息的時隙，車輛通過數字地圖能獲知該車所在段，并在分配給該段的相應時隙中傳遞消息。當SM發現緊急消息時，它立即將緊急消息傳遞給SH，SH再統一所有SM發來的緊急消息并將消息轉發給段內所有的SM。如果SM沒有成功接收消息，SH會選擇一個重傳節點在空閑時隙重傳消息。協議的整個執行流程如圖1所示。

圖1 協議流程

3 協議設計

文中提出的基于分段與協作的MAC協議針對車載網中重要的安全消息(信標消息、緊急消息)的傳輸。設消息的傳輸速率為6 Mbps，消息的傳輸范圍為Rm。把時間段劃分成不同時段，每個時段代表一個信標間隔(BeaconInterval，BI)。BI包括N個時隙，并且在每個信標間隔的最后留有幾個空閑時隙，用于SM無法獲知SH分配的時隙時接入。每輛車在每個信標間隔中傳輸信標消息。設每輛車配有GPS設備和數字地圖，GPS用來提供精確的時間同步。

3.1 道路分段

因為每段中的時隙是由SH分配，因此每段的寬度直接影響分配效率。首先，在選擇SH時要求段內車輛能感知到段內所有其余車輛。其次，SH在分配時隙前必須收到所有SM的信標消息。所有段寬度必須滿足W≤R。又因為W太小影響了信道利用率，這里取W=R。道路分段情況如圖2所示[12]。

圖2 道路分段示意圖

3.2 段首選擇

為有效進行時隙分配，必須在每段中選擇一個本地SH，在每個信標消息中都有一個狀態位，如果設為1則表明該節點為SH，否則為SM。段首選擇的基本過程如下：在每個BI開始時，每個節點通過獲知鄰居節點的動態信息(位置、速度、加速度等)找出距離段中心最近的車輛。如果一輛車發現自己是最靠近中心的車輛，它就將信標消息的標志位設為1并廣播出去。由于設置的段寬度較小，段內的節點可以成功接收周圍節點的信標消息。然而，由于移動性，一個節點無法精確獲知其他車輛的位置，而且可能同時存在兩個及以上的節點到中心的距離相等。為確定單個節點作為SH，當首次接收到一個標志位置為1的信標消息時，就確定發出該信標消息的節點為SH，而之后再發送標志位為1的信標消息的節點重新把標志位置0。

SH確定后，它就開始執行時隙分配過程并將分配信息包括在信標中(H信標)。H信標必須在時段TH之前發送出去。每個BI包括兩個子間隔，即SIH和SIM。其中，SIH包括所有SH的傳輸時隙，SIM包括所有SM的傳輸時隙，如圖3所示。因為每段只有一個SH，所以每個TH包含一個時隙，下面對TM進行劃分。

圖3 劃分信標間隔(BI)

研究表明，道路上的車輛數服從參數為βR的泊松分布。其中，β為車輛密度，R為消息傳輸范圍。為保證每輛車在每個BI時間內都占有一個時隙，要求N>βR。這里取N=30[13]。即將TM劃分成30個時隙，如圖4所示。

圖4 時隙劃分

段首的選擇過程主要在三種條件下執行：一是初始化階段，二是當前段的SH即將離開該段，三是當一個節點進入空段。第一種情況只要執行上述的基本過程，而二、三條件除了執行基本的段首選擇過程外，還需要針對該條件的特殊性執行另外的過程。這兩種條件下的詳細執行過程如下：

3.2.1 當前SH離開該段

為了避免消息傳輸中斷，當前SH離開該段之前必須選擇出新的SH，這需要花費若干BI。文中設花費10個BI(即1s)。即當前SH如果估計在i+10個BI時可能出現在新的段中，它就發出消息給當前段的節點進行新的SH選擇過程。因此，通過段首選擇的基本過程，單個節點會被成功選擇作為新SH，并立即開始接替原SH進行時隙分配過程。特殊的，當該節點發出選擇新SH的消息時，沒有一輛車靠近中心，那么原SH將繼續工作并持續發出選擇新SH的消息。過了幾個BI，發現離中心距離比原SH近的節點就被選為新SH[12]。

3.2.2 節點進入空段

當一節點進入新段時，首先偵聽H信標。如果未收到H信標，表明該節點進入了空段，那么它就在TM中選擇任意一個時隙。當節點接收到標志位為1的信標消息時，那么發送該信標消息的節點就被視為SH。

3.3 時隙分配

時隙數確定后，下面確定每輛車對應的時隙。首先對段內的每輛車進行編號。由于發送每輛車的編號會占用SM很大的開銷，所以這里用SM發送一個位序列，SM通過收到的位序列，可以推斷出本節點所在時隙。具體過程如下：將每段劃分成P塊，每塊最多包含Q輛車。由SH發送P個子序列組成的位序列，每個子序列表示該塊內的車輛數。設序列位數為b，則2b-1≤Q≤2b-1。設將每段分成5塊，如圖5所示。由于每輛車可獲知它所在的塊編號及同一塊內的其他車輛編號，這些車輛的節點數經過排序形成一個列表，每個節點通過該列表和SH發送的位序列，可推斷出本節點對應的時隙。如一車輛處w塊的車輛獲得它的時隙號為：

(1)

其中：Bu,v表示第u個子序列的第v位；n表示w塊中車輛標號在該塊所有標號中所處的位置。

圖5 分塊圖

如圖中塊2的節點7，塊2中的節點有{3,7,9,15}，節點7在該塊中處于第2位，又知塊1的位序列為010，由式(1)可知S=0*20+1*21+0*22+2=4。

圖6給出了每段的位序列及每個節點對應的時隙。

圖6 位序列及時隙分配圖

3.4 協作傳輸

協作傳輸的過程包括識別包傳輸失敗、選擇輔助節點、避免碰撞和重傳包。

3.4.1 識別包傳輸失敗

為確保可靠通信，發送包的節點需要確認接收節點是否成功接收包。因此，在這里使用確認(Acknowledgement)字段來確認包的接收。ACK字段包括以下信息：包的序號、源節點的標號以及包傳輸的時隙號。當SMi接收到SH發送的廣播包時，該節點就將ACK字段加入到包頭中，并在下一個BI傳輸出去。與此同時，節點i的鄰居節點也能偵聽到包的傳輸。如果SMi傳輸的包中不包括ACK字段，那么i節點的鄰居節點中已經成功接收到包的節點會識別SMi為失敗節點并將本節點視為候選輔助節點[13]。

3.4.2 選擇輔助節點

候選輔助節點需要滿足以下兩個條件：

(1)該節點已經成功接收包；

(2)目標節點在該節點的傳輸范圍內并且信道質量良好。

接下來，每個候選輔助節點將決策是否進行協作傳輸。如果它決定進行傳輸，就在包頭中加入請求協作(RequestofCooperation，RoC)字段。RoC字段包括請求協作標志位、失敗節點編號、失敗包的編號。當SH從所有的候選輔助節點接收到RoC消息時，它需要從這些候選輔助節點中選擇一個作為最佳候選節點。在該系統中，一個輔助節點可能無法覆蓋所有的失敗SM，所以SH可選擇兩個輔助節點。下面給出選擇輔助節點時用到的協作增益的定義。

以下是選擇輔助節點的算法：

初始化：SH中包含兩個集合，P集合包括所有的候選輔助節點，U集合包含所有的失敗節點。當SH從節點i接收到一個RoC消息，就把該節點的標號放入集合P。同時，如果該RoC消息中包含的節點標號j不在U集合中，那么SH就把節點j加入U中。

輸出：設定SP為選擇的輔助節點,SI為選擇的空閑時隙。

第四步：從集合P中刪除第三步選擇的輔助節點k，并將Tun(k)中包含的節點從集合U中刪除。對于P中其他候選輔助節點i，如果Tun(i)中有節點存在于Tun(k)中，那么將其從Tun(i)中刪除。從集合I中刪除第三步選擇的時隙號；

第五步：重復步驟1～4直到集合U和I為空。

3.4.3 避免碰撞和重傳包

一個接收失敗的節點可能存在兩個或更多的候選輔助節點。如果這些候選輔助節點都在同一個時隙傳輸就會產生碰撞。為了避免此類碰撞，當選擇好輔助節點時，SH會利用確認協作(AcknowledgeofCooperation，AoC)消息來通知選擇的輔助節點進行重傳并讓其他候選輔助節點停止傳輸。為了減小傳輸時延，AoC會在第一個空閑時隙進行傳輸。AoC消息包含以下內容：選擇的輔助節點的標號，傳輸失敗的包的標號和重傳的時隙號。當選擇的輔助節點接收到AoC消息時，它就會根據AoC中指定的時隙進行重傳。

協作傳輸過程如圖7所示。

圖7 協作傳輸過程

4 結束語

文中提出了一種基于分段與協作的MAC協議。在該協議中選擇了輔助節點來重傳安全消息給接收失敗的節點。由于增加了節點接收安全消息副本的可能性，節點成功接收安全消息的概率也增加了。同時，引入分段思想，通過段首進行集中的時隙分配有效降低了網絡擁塞，增強了安全消息傳輸的有效性。

[1] 劉南杰，葛劍飛，趙海濤，等.基于IEEE802.11p協議的車載網信標消息性能研究[J].信息通信技術,2013，7(5):57-62.

[2]ZhuangW,IsmailM.Cooperationinwirelesscommunicationnetworks[J].IEEEWirelessCommunications,2012,19(2):10-20.

[3]JuP,SongW,ZhouD.Surveyoncooperativemediumaccesscontrolprotocols[J].IETCommunications,2013,7(9):893-902.

[4]LiuP,TaoZ,NarayananS,etal.CoopMAC:acooperativeMACforwirelessLANs[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,2007,25(2):340-354.

[5]ZhuH,CaoG.rDCF:arelay-enabledmediumaccesscontrolprotocolforwirelessadhocnetworks[J].IEEETransonMobileComputing,2006,5(9):1201-1214.

[6]ShanH,ChengHT,ZhuangW.Cross-layercooperativeMACprotocolindistributedwirelessnetworks[J].IEEETransonWirelessCommunications,2011,10(8):2603-2615.

[7]ZhouT,SharifH,HempelM,etal.AnoveladaptivedistributedcooperativerelayingMACprotocolforvehicularnetworks[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,2011,29(1):72-82.

[8]ZhaoB,ValentiMC.Practicalrelaynetworks:ageneralizationofhybrid-ARQ[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,2005,23(1):7-18.

[9]DianatiM,LingX,NaikK,etal.AnodecooperativeARQschemeforwirelessadhocnetworks[J].IEEETransonVehicularTechnology,2006,55(3):1032-1044.

[10]YangZ,YaoYD,LiX,etal.ATDMA-basedMACprotocolwithcooperativediversity[J].IEEECommunicationsLetters,2010,14(6):542-544.

[11]SuH,ZhangX.Clustering-basedmultichannelMACprotocolsforQoSprovisioningovervehicularadhocnetworks[J].IEEETransonVehicularTechnology,2007,56(6):3309-3323.

[12]SahooJ,WuEHK,SahuPK,etal.Congestion-controlled-coordinator-basedMACforsafety-criticalmessagetransmissioninVANETs[J].IEEETransonIntelligentTransportationSystems,2013,14(3):1423-1437.

[13]YangF,YulingT.Cooperativeclustering-basedmediumaccesscontrolforbroadcastinginvehicularad-hocnetworks[J].IETCommunications,2014,8(17):3136-3144.

Segmentation and Cooperation Based Media Access Control Protocol in VANETs

YU Ming-lu1，LIU Nan-jie1,2，ZHAO Hai-tao1,2

(1.Institute of Telecommunications & Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China;2.Network Gene Engineering Research Institute,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)

Vehicular Ad-hoc NETworks (VANETs) employs contention-based Medium Access Control (MAC).Under high-density situation,it leads to a great number of packet collision,and as a result,the reliability and latency of safety messages are severely affected.A segmentation and cooperation based MAC protocol in VANETs is proposed.It first introduces a road segmentation strategy,then the selected segment header is responsible to decide slots allocation which is used to transmit safety message by every car.Finally,helpers are selected to forward the packet to nodes that don’t receive the packet in idle slots.The protocol can help to improve safety message’s transmission reliability and reduce transmission delay.

VANETs;cooperation;safety message;MAC

2015-06-24

2015-09-28

時間：2016-02-18

國家“973”重點基礎研究發展計劃項目(2013CB329005)；國家自然科學基金資助項目(61302100)；教育部博士點基金資助項目(20133223120002)；南京郵電大學科研基金(NY211006)

于明鷺(1991-),女,碩士研究生,研究方向為車聯網；劉南杰，博士，教授,研究方向為泛在通信、車聯網、智能交通；趙海濤，博士，副教授，研究方向為無線網絡與泛在通信。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160218.1636.070.html

TP393

A

1673-629X(2016)03-0080-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.03.019