一種車載網絡的簇間碰撞避免MAC協議

宋勝曦 王建新

【摘要】 車載網絡采用IEEE802.11p作為底層協議來保證通信的可靠性，IEEE1609.4標準是IEEE802.11p的拓展。然而，這種基于IEEE1609.4標準的信道訪問機制存在一些不足。本論文提出一種保證安全信息的可靠傳輸，提高服務信道的吞吐量的基于簇的碰撞避免的MAC協議。

【關鍵詞】 車載網絡 簇 MAC IEEE1609.4

一、引言

車載網絡作為一個完全分布式的自組織網絡，通過將車載網絡中的車輛節點進行分簇，并選出一個節點作為中心控制節點，把整個車載網絡分成若干個小型的自組織網絡，使網絡的管理與維護變得更為簡單。

車載網絡采用IEEE802.11p作為底層協議來保證通信的可靠性，IEEE1609.4標準是IEEE802.11p的拓展，信道由同步間隔（SI）組成，每個同步間隔又分為控制信道間隔（CCHI）和服務信道間隔（SCHI）。在CCHI時期上交換安全信息和控制信息，在SCHI時期上進行服務信息的交換。然而，這種基于IEEE1609.4的信道訪問機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協議，節點只需要使用單個天線，即可實現多信道通信，在保證安全信息的可靠傳輸提前下，不僅解決了簇間時隙碰撞問題，還提高了服務信息的吞吐量。

二、所述的MAC協議

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

2.1時隙碰撞解決方法

如圖2所示通信場景，兩簇解決時隙碰撞問題的過程如下：（1）協作節點在這個時隙上廣播簇2的時隙表，簇內所有節點在這個時隙時必須切換到控制信道上來偵聽該時隙；（2）當CM1收到簇2協作節點的時隙表后，在接入的時隙上將時隙表轉發給CH1，通知告知協作節點已經收到時隙表；（3）CH1接收到CM1轉發的時隙表后，修改碰撞時隙后，將新的時隙表廣播給簇成員，簇成員按照新的時隙表接入時隙；（4）CM1接收到CH1的時隙表后，按照新的時隙表找到自己的時隙接入后，并轉發該時隙表給CN；（5）CN接收到CM1轉發的時隙表后，轉發給簇頭，并釋放額外接入的時隙。

2.2簇內通信

所述協議由于采用了TDMA技術，在控制信道間隔上，所有的簇成員都可以向簇頭發送信息。當簇成員有安全信息發送時，通過接入的時隙將消息發送給簇頭；簇頭接收到安全信息后，在接入的時隙將處理后的安全信息廣播給簇成員。所以只需一個同步間隔，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，簇內成員CM1與CM2的服務信息交換過程如下：

（1）CM1在接入的時隙向簇頭發送服務請求消息；（2）簇頭將收到的服務請求消息轉發給CM2；（3）根據接收到的服務請求消息，CM2決定是否接收該服務，若接收，則在下一個時隙向簇頭回復一個確認ACK消息，否則回復一個NACK消息；（4）簇頭接收來自CM2的消息，若為ACK，則為CM1與CM2分配時隙，并在將分配結果發送給CM1與CM2 ，若為NACK，則向CM1返回NACK；（5）最后，CM1與CM2在分配的時隙內切換到服務信道上進行服務數據的交換。

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CH1完成對安全信息的收集整合后，將整合后的安全信息發送給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。基于以上信息交換過程，簇間安全信息的交換需要兩個同步間隔。

對于服務信息，當簇1中的簇成員CM1有服務信息需要發送給簇2中的CM5時， CM1與CM5的服務信息交換過程如下：（1）CM1向簇頭CH1發送服務請求消息；CH1接收服務請求消息后，將服務請求消息轉發給簇頭CH2；CH2接收來自CH1的服務請求消息后，將服務請求消息轉發給CM5；（2）CM5接收服務請求消息后，決定是否接受該服務，若接受該服務，則向CH2返回一個ACK消息，否則返回NACK消息；（3）當CM5接受來自CM1的服務時，則CH2根據信道使用情況，為CM1與CM5分配好時隙，并將分配結果發送給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，否則將分配結果轉發給CM1；（5）CM1與CM5在分配好的時隙內，切換到服務信道上進行服務數據的交換。

三、結語

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

參 考 文 獻

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