802.11p MAC层协议研究

危锋

摘要：近年来汽车网络越来越受到人们的关注，人们对IEEE 802.11进行了多项针对汽车这样的特殊环境的改进，便逐渐形成了802.11p标准。该文研究了IEEE 802.11p协议 MAC层的技术标准、基本框架和各状态之间的转移过程，分析了MAC层的关键技术及影响网络性能的参数分配。

关键词：IEEE 802.11p，MAC层，关键技术

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）08-1700-03

IEEE 802.11是IEEE最初制定的无线局域网标准，主要用在解决办公局域网和校园网中用户及用户终端的无线接入，业务主要限于数据的存取。由于802.11a/b/g/n等不能满足道路车辆间的通信要求，IEEE工作组专门针对车载无线通信制定了IEEE 802.11p 标准（又称WAVE，Wireless Access in the Vehicular Environment）[1]。二者之间技术上的主要差别在于MAC子层和物理层，该文主要针对MAC层进行研究。

1 MAC层关键技术

1.1 虚拟载波监听技术与网络分配适量

载波监听主要用来判断媒介是否处于可用状态。802.11具备两种载波监听，即物理载波监听和虚拟载波监听。只要其中一个监听到介质忙碌，MAC层就会向上层发送忙碌状态。物理载波监听是有物理层处理，由于隐藏节点随处可见，因此无法提供所有必要的信息。

虚拟载波监听基于网络分配矢量（NAV，Network Allocation Vector）。802.11的每个帧包含一个Duration字段，可以用来预定一定的介质占用时间。NAV本身是一个定时器，以微秒为单位，进行倒计时，会根据收到的帧进行更新。只要NAV的值不为0，代表介质忙碌；若NAV为0，代表介质处于空闲状态。这就是虚拟载波监听功能。利用NAV可保证工作站的原子操作不受被中断。比如，RTS/CTS过程是一种基本操作，图1说明NAV如何保证整个操作不受干扰。

NAV线上的条状图代表NAV定时器，只要NAV条状图存在，其他工作站必须延迟访问介质。为了保证整个过程不被中断，RTS和CTS中都会计算和设置NAV的值，在收到NAV的信息后会通过与工作站此时的NAV值比较进行更新。位于相同物理信道的工作站均会收到NAV，因而也会适当的延迟对介质的访问，即使这些工作站分别处于不同的网络中。

1.2 帧间间隔与优先级

与传统Ethernet一样，帧间间隔（IFS）可以协调介质的访问。每个物理层的aSIFSTIme和aSlotTime是固定的，可以以此得出不同帧间间隔的长度。802.11用到四种不同的帧间间隔，其中三种用来决定介质的访问，简述如下：

短帧间间隔（SIFS），用于高优先级传输场合，如RTS/CTS过程以及ACK确认过程。经过SIFS，即可进行高优先级传输。由于帧间间隔短，所以需要传输的帧的优先级高。SIFS为最短的时间间隔，当站点已经获得媒介的访问权且需要保持完成帧的交换序列的的持续时间时，使用SIFS，为已启动的交换过程的完成提供优先权。

PCF帧间间隔（PIFS），点协调功能中所使用，优先级高于竞争式传输。PIFS可由公式[PIFS=aSIFSTime+aSlotTime]导出。PIFS只能被在PCF下的站点使用。

DCF帧间间隔（DIFS），分布式协调功能中所使用。DIFS是竞争式服务中最短介质访问空闲时间，长于PIFS。DIFS可由[DIFS=aSIFSTime+2*aSlotTime]导出。采用DIFS站点只要其载波监听机制确定媒体在DIFS内空闲且退避时间到期即可允许发送。

扩展帧间间隔（EIFS），并非固定的时间间隔。只有在帧传输出现错误是才会用到EIFS工作于DCF方式下当FCS校验错误才使用EIFS。

在持续时间上，DIFS>PIFS>SIFS，通过设置不同的帧间间隔，不同优先级的帧可以得到不同的访问优先级。

1.3 随机退避机制

在DCF工作方式下，当帧传输完毕，工作站等待DIFS后会试图传输之前拥堵的数据。DIFS之后紧接着的一段时间称为竞争窗口或退避窗口[2]。此窗口由时隙（slot）组成，时隙长度由介质决定。工作站会随机挑选某个时隙，之后进行介质访问。所有时隙的选择机会相同，当多个工作站竞争发送，时隙较短的工作站可以优先发送。

退避时间选取如下：[T=CW×Random（）×SlotTime]

其中[Random（）]为随机数在0与1之間取值，[SlotTime]是时隙大小，[CW]为竞争窗口。通过以上公式可以选择窗口[CW]范围内的随机长度的时隙作为退避时间。[CW]在[CWmin]和[CWmax]之间选择。协议规定的随机退避算法是二进制指数退避算法：当一帧准备发送时，[CW]被初始化为[CWmin]，以后每次进入重传时加倍，直到[CWmax]，之后保持[CWmax]。

在随机退避状态下，若检测到信道空闲，退避计时器开始计时，当信道进入忙的状态，退避计时器停止计时，直到再次空闲时间达到DIFS恢复计时。这种机制下，退避时间最短的工作站获得介质访问权，其他工作站等到下次空闲时继续退避计时，竞争访问权。这样避免了有的站永远无法获得访问权。具体工作方式如图2。

2 MAC层网络工作方式

无线介质的访问是由协调功能控制的。分布式协调功能（DCF）通过CSMA/CA机制控制，用于竞争服务。点协调功能（PCF）可用于无竞争服务。在各取所需的DCF与精确控制的PCF之间，网络可使用混合协调功能（HCF）。无竞争服务只用于基础服务型网络，只要工作站支持HCF就可以提供服务质量（QoS）功能[3]。

2.1 分布式协调功能

载波监听多路访问/碰撞避免（CSMA/CA，Carrier sense multiple access with collision avoidance）是DCF的关键技术。

发送方如果检测到信道空闲，等到空闲超过帧间间隔DIFS，然后发送帧，若检测到信道忙则等到信道空闲超过DIFS，利用退避算法随机计算退避时间，开始退避，若信道忙则暂停退避等待空闲DIFS后继续退避。发送方等待ACK，若接收超时或接收错误则认为发生碰撞。碰撞后，通过重传退避算法修改竞争窗口，等待重新发送，重传超过一定次数则要丢弃这一帧。在超时时间范围内收到ACK认为发送成功。接收方接到帧后通过CRC校验，校验通过则返回ACK，否则丢弃这一帧。

2.2 点协调功能

点协调功能提供无竞争服务，基于轮询机制。在PCF中，AP控制所有工作站的帧发送，在一个周期开始，通过beacon帧设置所有工作站的NAV达到介质访问控制的目的。需要提供无竞争服务的工作站向AP进行请求，获得许可后加入轮询队列。AP按照优先级向队列中发送轮询帧，被轮询的站点可以发送数据，接收站发送确认帧确认发送成功。PCF在实现上并不常见。

2.3 混合协调功能

有些应用需要比DCF更高的服务质量，又不需要PCF那么严格的时机控制。HCF仅应用在需要QoS的网络中。HCF对DCF和PCF进行了强化。在竞争模式下，HCF使用EDCA（Enhanced Distributed Channel Access）机制。在无竞争模式下，使用HCCA（HCF Controlled Channel Access）机制。以下主要對车载网络应用的EDCA进行介绍。

EDCA机制为工作站提供八种不同优先级的分布式无线介质接入，定义了四种接入种类（AC，Access Category）来提供不同优先级的接入支持。八种TC（Traffic Category）分别映射至四类AC中。AC_VO、AC_VI、AC_BE和AC_BK分别代表语音类、视频类、尽力而为类和背景类。接入种类及优先级如表1所示。

不同的AC采用不同的接入参数设置控制接入的过程，参数包括[CWmin]、[CWmax]、AIFS。每个EDCA节点中有4个队列分别保存来自4个AC的帧，根据不同的接入参数进行竞争接入，相当于在节点内部建立了虚拟的4个节点进行竞争。

仲裁帧间间隔（AIFS，Arbitration Inter Frame Space）代替了DCF中的DIFS。计算公式为[AIFS[i]=SIFS+AIFSN[i]*aSlotTime]，[AIFS[i]]为i类接入种类需要在信道空闲SIFS后继续等待或退避的时隙数，优先级越高，[AIFS[i]]越小。图3说明了仲裁帧间间隔的计算。

EDCA还通过使用不同最小竞争窗口[CWmin]和[CWmax]最大竞争窗口使退避时间拥有不同的范围。内部竞争机制可以使同一节点多个类型同时完成退避导致冲突时令高优先级获得信道访问权，较低优先级继续退避。

3 结论

本文研究了IEEE 802.11p协议 MAC层的技术标准、基本框架和各状态之间的转移过程，研究了关键技术及影响网络性能的参数分配，包括网络类型、虚拟载波监听技术与网络分配适量、帧间间隔与优先级、随机退避机制等。

参考文献：

[1] 李洪峻，李迅，马宏绪.一种基于优先级的无线传感器网络实时MAC协议[J].控制与决策，2010（6）.

[2] 王非，王新红，李想，刘富强.VANET自适应门限MAC层退避算法研究[J].通信技术，2012（10）.

[3] 李想，刘富强.基于FPGA的802.11p MAC协议实验平台研究[J].通信技术，2013（9）.