基于时分复用的车载自组织网多信道MAC协议

王晨梦，赵云鹏，唐 伦

（1.重庆邮电大学 移动通信技术重庆市市级重点实验室，重庆400065；2.中国人民解放军海军工程大学 勤务学院，天津300000）

0 引 言

车载自组网基于IEEE 802.11p［1］标准，采用专用短距离通信 （DSRC）技术。根据其中的多信道操作标准IEEE1609.4［2］，时间以100ms为一个周期，前50ms为控制周期，后50ms为数据周期。在控制周期所有数据信道都空闲，资源浪费。另外，当网络负载较重时，在同一时间有很多节点竞争控制信道，碰撞概率很高。本文针对这两个问题，提出相适应的机制，试图充分利用信道资源，降低碰撞概率。每个节点使用两部收发机，其中一部持续工作在数据信道，杜绝数据信道空闲。为降低碰撞概率，使用节点分时段接入控制信道的机制。另外，使用一个优化模型确定退避过程参数以达到最大的饱和吞吐量。

与此相关的工作：文献 ［3］提出的协议将信息分为两个优先级，使用马尔可夫模型求取合适的发送概率。文献［4］提出的VCI协议使用自己的多信道协调机制，并且动态调整控制周期和数据周期的长度，来实现安全信息包的及时交付并支持吞吐量敏感的服务信息的传送。文献 ［5］提出一种自适应动态调整传输功率和竞争窗口长度的多信道MAC协议。文献 ［6］提出一种根据节点密度控制竞争窗口长度以提高各类信息吞吐量的方法。文献 ［7］提出一种适用于大规模车载自组织网的多信道MAC协议。该协议也使用时分复用的思想解决控制信道拥塞的问题，但具体方案与本文提出的协议不同。

1 协议描述

频谱被划分为7条信道，1条为控制信道，6条为数据信道。每个节点使用2部收发机。一部工作在控制信道，另一部在各服务信道间切换，负责传输数据包。在控制信道上划分周期，以100ms为一个周期，每周期均分为5个时隙；服务信道不划分周期，持续传送服务信息。

安全信息只在控制信道上传输，因为在任一时刻，每个节点都有一部收发机在监听着控制信道，这样可以保证安全信息的可靠交付。控制信道还传输服务声明信息（WSA），WSA是服务提供者用来声明自己将要发送的服务的信令。WSA包含服务提供者的ID，发送服务信息所使用的服务信道的ID和发送该服务信息的起止时间。每个节点维护一个网络分配矢量 （NAV），用来记录各服务信道和邻节点的工作状态，根据自己接收到的WSA实时更新NAV。当某个节点要发布服务信息时，根据自己的NAV选择不会发生冲突的信道。需要服务的节点回复ACK，并将另一部收发机转到相应服务信道去准备接收服务包。源节点收到后立即将另一部收发机转到相应服务信道去发送服务信息。下文将说明控制信道的接入方法。

每个节点入网后，随机地在5个时隙中选择一个，作为自己的接入时隙。当节点需要递交服务信息时，先检查当前时间是否处于自己的接入时隙内，若是，则竞争信道以发送WSA，若不是，就等待下一个自己的接入时隙到来。这种机制可以将携带服务信息的节点大致平均地在时间上分开，减少同一时间参与竞争的节点数，降低冲突概率。为了保证安全信息的可靠高速交付，节点携带安全信息时，不受时隙的约束，随时竞争信道以发送。这样，在任一时刻，与安全信息同时竞争信道的服务信息会减少很多，有利于安全信息的低时延交付。图1是协议运行机制示意图。

图1 协议运行过程

网络中安全信息的优先级高于服务信息，安全信息的相对优势体现在下面两方面：①安全信息可以随时竞争控制信道，而服务信息只有1／5的时间可以竞争控制信道；②安全信息在与服务信息同时竞争信道的时候，退避窗口较短，因而有较短的平均退避时间。

2 求解最优发送概率

使用一个优化模型，确定安全信息和服务信息的最优发送概率，进而反解出两种信息的最优退避窗口长度 （即退避过程参数）。

为了使用数学方法进行分析，我们做出如下规定和假设：

（1）时间线被分为一个个等长的时间槽，每个槽长20us。

（2）分析网络负载饱和的情况，即在任一时刻，所有节点的发送队列不为空。

（3）设网络中节点总数为N，携带安全信息的车辆数为N1，携带WSA的车辆数为N2，N＝N1＋N2。

2.1 包发送概率计算

文献 ［8］建立了一个马尔可夫模型来模拟节点使用二进制退避算法竞争控制信道的过程，并根据这个模型计算出节点在任一时间槽发送数据包的概率p

式中：pc——发生碰撞的概率，W ——最小退避窗口长度，W ＝W0，m——最高退避级别，令m＝5。

根据式 （1），可以得到携带安全信息的车辆在任一个时间槽发送安全信息的概率p1，携带WSA的车辆在任一时间槽发送WSA的概率p2

式中：pc1——节点传输安全信息时因碰撞而失败的概率，pc2——节点传输WSA时因碰撞而失败的概率；W1——安全信息的最小退避窗口，W2——WSA的最小退避窗口；m＝5。

2.2 吞吐量计算

下面计算系统饱和状态下的有效吞吐量S，如下所示［9］

式中：S1、S2——控制信道上安全信息的吞吐量和数据信道上服务信息的吞吐量。

计算S1

式中：C——一条信道的信道容量，ρ1——信道利用率

式中：Nsafe——在一个接入时隙内传输的安全信息个数，Tsafe——发送一条安全信息所需占用的时间槽个数，T——一个接入时隙所包含的时间槽个数，则一个周期包含的时间槽数为5T

式中：i——一个接入时隙内可能发送的安全信息个数，pi——发送相应个数的安全信息的概率。

令TWSA代表发送一条WSA所占用的时间槽个数，TWSA＝TWSA－pct＋TACK＋TSIFS，有理由认为TWSA＞Tsafe，那么，令

使用递归法求解pi：使得

以上概率可以使用下面的递归关系求解

初始条件

式中

式 （10）是一个节点在任一时间槽成功发送一条安全信息的概率。

计算S2

式中：ρ2——每条数据信道的利用率，C——每条信道的数据容量。

使用NWSA代表一个接入时隙内成功发送的WSA个数，使用上面计算E ［Nsafe］的方法计算E ［NWSA］

使得

初始条件

式中

式 （16）是一个节点在任一时间槽成功发送一条WSA的概率。

那么，在一个周期内成功发起的服务信息传输的个数应为：5·E ［NWSA］ ，认为这些传输均匀地分布在6条数据信道上，则每条信道分配到l或l＋1个传输，l＝设S条信道分配到l个，（6－S）条信道分配到l＋1个。注意到，虽然数据信道上的服务包传输不受周期的严格限制，但是信道协商时需要考虑信道占用时间，不能认为信道有无限长的可接入时间。因此，在吞吐量计算中按一个周期考虑信道的可接入时间，那么

式中，Tser＝服务包包长＋TSIFS＋TACK。

2.3 优化模型

本协议试图通过调整发送概率p1和p2来达到最大饱和吞吐量。因此研究了信息的发送概率对系统饱和吞吐量的影响。选取固定的节点个数N1＝15，N2＝15，让两种信息的发送概率同时变化，得到如图2所示的吞吐量特性曲线。

图2 饱和吞吐量随发送概率变化

如图2所示，随着发送概率增加，系统饱和吞吐量先增大后减小。这是因为发送概率较低时，虽然碰撞率较低，但携带信息的节点在发送前要等待一段漫长的退避时间，虽然有信息等待交付，信道却出现大段空闲时间，信道利用率低，造成吞吐量较低；当发送概率较高时，虽然信道很少出现空闲，但由于同一时间争用信道的节点过多，碰撞概率较高，节点往往需要经历多次碰撞造成的发送失败，进行多次退避才能成功发送一条消息，这造成信息成功交付率低，系统吞吐量下降。

由以上分析可以知道，饱和吞吐量最大值在一个折中的发送概率处取得。因此提出下面的优化模型求解发送概率，以期得到最大吞吐量

约束条件表示，安全信息的优先级应高于WSA，即p1大于p2。

使用迭代法求解此优化模型：

按优化模型解出最优发送概率之后，就可以代回式（2）反解出最小退避窗口长度。所以求解发送概率的实质就是求解退避过程参数。

网络中节点个数不同时，相应退避窗口长度也不同。对各种节点个数的情况使用此模型计算发送概率和退避窗口长度，并使用列表记录下来，根据当前网络的节点个数动态变化，就可以使网络总是保持吞吐量最大状态。

3 仿 真

这部分对协议的性能进行仿真验证。仿真中系统参数见表1。

表1 仿真系统参数［10］

使用优化模型计算得到的发送概率如图3所示。

图3显示，当节点个数增加时，两种信息的发送概率均降低，表示节点个数增多时，为了保证碰撞概率维持在较低水平，每个节点退避的平均时间变长，参与信道竞争的频率降低。

图4描述的是发送两种消息产生碰撞的概率随节点个数变化的情况。节点个数增多，同一时间参与信道竞争的节点就增多，虽然各节点发送概率降低，碰撞概率仍呈现整体上升的趋势。但是在曲线的后面部分，碰撞概率能基本保持稳定，缓慢上升，没有急剧增加的情况出现。图5和图6显示了使用最优退避窗口的协议的吞吐量和时延性能。两图的图例中，a代表本协议，b代表不使用时分复用机制的协议，c代表不使用竞争窗口动态调整机制的协议，d代表两种机制都不使用的协议。

图3 两种信息的发送概率随节点个数变化

图4 两种信息的碰撞概率随节点个数变化

图5显示，与IEEE1609.4标准相比，本协议的饱和吞吐量大为提高，且随节点个数增加缓慢下降，基本保持稳定。吞吐量高是本协议的一个突出优势，主要原因在于，使用两部收发机，数据信道能够持续工作；另外，时分复用机制使碰撞概率降低，有效数据通过量增加；最后，协议使用最大化吞吐量的模型来确定两种信息的发送概率，也对吞吐量的提高做出了贡献。由图5还可以看出，没有时分复用机制的时候，高碰撞概率使吞吐量下降一定程度；没有竞争窗口动态调整机制的时候，固定长度的竞争窗口不能适应变化的网络环境，也降低了吞吐量性能。

图5 吞吐量性能

图6 时延性能

图6显示，随节点个数增加，协议的安全信息时延缓慢上升，基本保持稳定。由于时分复用机制降低了碰撞概率，而安全信息又不受时分复用机制的约束，所以本协议的安全信息时延低于IEEE 1609.4标准的时延。当然，这是以服务信息时延的提高作为代价的。因为协议使用的是最大化吞吐量的优化模型，所以本协议的安全信息时延并不是最低的。图6中时延最低的是不使用竞争窗口动态调整机制，但使用时分复用机制的协议。

4 结束语

本文提出一种使用时分复用机制的多信道MAC协议。节点分时段接入控制信道，这种机制使同一时间竞争信道的节点数目减少，碰撞概率降低，网络效率提高。之后又提出一个优化模型，该模型以最大化饱和吞吐量为目的，求解两种信息的最优发送概率，根据发送概率计算竞争窗口长度值，并根据网络状况动态变化，使网络保持在吞吐量最大的状态。仿真结果显示，在各种网络负载情况下，协议具有优良的吞吐量性能，并且具有稳定的、较低的安全信息时延。

［1］IEEE standard for information technology－part 11： Wireless medium access control（MAC）and physical layer（PHY）specifications：Amendment 6：Wireless access in vehicular environments（WAVE）［S］.2010.

［2］IEEE 1609.4，IEEE standard for wireless access in vehicular environments（WAVE）－multichannel operation ［S］.2010.

［3］Shao C，Leng S，Zhang Y，et al.A multi－priority supported p－persistent MAC protocol for vehicular Ad Hoc networks［C］／／IEEE Wireless Communications and Networking Conference：Mobile and Wireless Networks，2012：2532－2537.

［4］ Wang Q，Leng S，Fu H，et al.An IEEE 802.11p－based multi－channel MAC scheme with channel coordination for vehicular ad hoc networks ［J］.IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems，2012，13 （2）：449－458.

［5］Rawat DB，Popescu DC，Gongjun Yan，et al.Enhancing VANET performance by joint adaptation of transmission power and contention window size contention window size ［J］.IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems，2011，22（9）：1528－1535.

［6］Chang Sang－woo，Jin Cha，Lee Sang－sun.Adaptive EDCA mechanism for vehicular ad－hoc network ［C］／／International Conference on Information Networking，2012：379－383.

［7］Han Chong，Mehrdad Dianati，Rahim Tafazolli，et al.A novel distributed asynchronous multichannel MAC scheme for large－scale vehicular Ad Hoc networks ［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2012，61 （7）：3125－3138.

［8］ZHOU Xinyun，HUANGFU Wei，SUN Limin，et al.MAC access delay analysis of EDCA mechanism of wireless LANs ［J］.Journal of Software，2008，19 （8）：2127－2139 （in Chinese）.［周新运，皇甫伟，孙利民，等.无线局域网EDCA机制MAC接入延时分析 ［J］.软件学报，2008，19 （8）：2127－2139.］

［9］Mo J，So H，Walrand J.Comparison of multichannel MAC protocols ［J］.IEEE Transactions on Mobile Computing，2008，7 （1）：50－65.

［10］Deng Jing，Yunghsiang S，Sanjeev R.Can multiple subchannels improve the delay performaNCE OF RTS／CTS－based MAC schemes？［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2009，8 （4）：1591－1596.