WAVE网络中多信道MAC协议探讨

刘娇　朱东弼

摘 要：WAVE网络是智能交通系统的重要组成部分。文章综述了WAVE网络的IEEE802.11p/1609协议标准，重点分析了现有的多信道MAC协议中存在的问题，并在此基础上提出了能够弥补现有MAC协议中存在的问题的改进型多信道MAC协议，为今后完善WAVE网络中多信道MAC协议提供了理论依据。

关键词：WAVE；多信道MAC协议；DCF机制；CCH时隙；SCH信道

引言

近年来，随着通信技术和交通业的发展，智能交通系统（Intelligent Transport Systems，ITS）受到了越来越广泛的关注。ITS通过利用先进的科学技术和方法来达到提高交通运输网络的安全性和高效性的目的。WAVE网络是ITS的重要组成部分。

MAC协议是移动终端能够公平高效地共享无线信道的重要保证，WAVE系统中MAC协议的标准为IEEE802.11p和IEEE1609.4[1]。IEEE802.11p和IEEE1609系列协议标准共同组成了WAVE体系架构，以适应高速环境下车辆通信的需求。

文章探讨WAVE网络现有的MAC协议标准中存在的问题，提出改进型自适应多信道MAC协议。

1 动态调整CCH时隙的多信道MAC协议

1.1 可变CCH时隙MAC协议

IEEE1609.4协议中将同步时隙定义为固定的100ms，其中包含的CCH时隙和服务信道SCH时隙分别为50ms。在网络中传输节点很多的情况下，固定的CCH时隙不能够满足拥挤的车载网络环境中安全信息和控制信息的传送需求。反之，在网络中传输节点较少的情况下，CCH时隙需要传送的信息也减少，从而导致CCH时隙的浪费，不能够满足WAVE网络中拓扑结构高动态性的要求。为此，Q.Wang等[2]提出了可变CCH时隙的MAC协议，协议框架如图1所示。

可变CCH时隙MAC协议将CCH时隙分为安全时隙和服务广播时隙，在CCH上的节点通过预约的方式在SCH上无竞争的传送，并利用CCH时隙上节点预约服务信道所需的平均时间长度来确定CCH时隙长度，从而动态调整CCH时隙，提高了网络的吞吐量。然而，节点预约SCH所需的平均时间长度仅仅是一个平均值，它与实际预约SCH的时间长度之间存在着很大的差异，无法实现在动态车辆环境下优化配置CCH和SCH资源的目标。

1.2 自适应多信道MAC协议

文献[3]在上述可变CCH时隙MAC协议基础上，提出了通过获取节点在CCH上预约SCH所需时间的概率分布，从而实现最优CCH时隙和SCH时隙值的动态分配的自适应多信道MAC协议。

自适应多信道MAC协议基于DCF机制构建分析模型，通过利用概率生成函数的分析方法，根据网络当前状态，动态调整CCH时隙。即网络中节点数增加时，减少用来传送服务数据的SCH时隙，同时增加CCH时隙来保证安全信息的传送；服务数据包长度增大时，相应地减少CCH时隙长度，同时增加SCH时隙长度以提高SCH的利用率。

自适应多信道MAC协议与可变CCH时隙MAC协议和IEEE.1609.4协议相比，获得了更高的吞吐量。但是该协议采用的DCF机制中，所有终端和业务在竞争接入信道时都处于平等地位，没有优先级的区分，不能有效地减小节点接入信道的时延。

1.3 基于EDCA机制的MAC协议

为了改善自适应多信道MAC协议中没有优先级区分的问题，文献[4]提出了一种基于EDCA机制的多信道MAC协议。

EDCA机制是IEEE802.11e协议标准规定的对原有的DCF机制的扩展机制，该机制的每种访问类型都将传送信息划分为不同优先级，保证高优先级所需的传送信道，并根据节点不同优先级的数量来动态调整CCH时隙和SCH时隙长度，有效地保证了高优先级信息的传送效率和服务质量，提高了SCH的利用率，并且有效地避免了节点之间的冲突，使得节点接入信道的延迟时间减小。

2 改进型多信道MAC协议

上述的三种动态调整CCH时隙的多信道MAC协议，与IEEE802.11p和IEEE1609.4协议标准相比，都有不同程度的改进，在吞吐量和接入时延等方面都有所提高。但是三种协议里，在CCH时隙中预约成功的所有节点都要等到CCH时隙结束后才在SCH时隙中开始发送数据，使得CCH时隙对应的这一段SCH信道始终空闲，导致信道的利用率偏低。为此，文章提出一种改进型多信道MAC协议。

在改进型的多信道MAC协议中，各节点预约SCH采用DCF机制。当节点在CCH中通过DCF机制竞争预约到SCH后，节点立即转到SCH的空闲信道中任选一个信道进行数据传送，数据成功传送后，又返回到CCH参加下一次竞争；如果节点成功预约SCH之后发现所有SCH都被占用，则该节点抛弃当前数据包的传送，重新返回CCH参加下一次竞争。

改进型多信道MAC协议通过采用立即占用SCH的模式，提高了信道的利用率，弥补了现有动态调整CCH时隙的多信道MAC协议中存在的信道利用率偏低的问题，有效地优化了系统的资源配置，更适应现代高动态通信网络的需求。

3 结束语

文章分析比较了WAVE网络中现已提出的可变CCH时隙MAC协议、自适应多信道MAC协议和基于EDCA机制的多信道MAC协议，总结了三种MAC协议的优势和存在的问题。在此基础上，提出了采用预约成功则立即占用SCH信道模式的改进型多信道MAC协议，为今后WAVE网络中MAC协议的完善提供了理论依据。

参考文献

[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]崔纪平，朱东弼*.无线车载网络MAC协议算法之性能探究[J].电子测试，2013（13）：9-12.

作者简介：刘娇（1991-），女，吉林省吉林市人，延边大学2013级硕士研究生，研究方向：车载无线通信网络。

通讯作者：朱东弼（1967-），男，吉林省延吉市人，副教授，硕士生导师，主要研究领域为通信网MAC协议、通信网性能分析及排队论模型分析。endprint