一种车载网络的簇间碰撞避免MAC协议

宋胜曦 王建新

【摘要】 车载网络采用IEEE802.11p作为底层协议来保证通信的可靠性，IEEE1609.4标准是IEEE802.11p的拓展。然而，这种基于IEEE1609.4标准的信道访问机制存在一些不足。本论文提出一种保证安全信息的可靠传输，提高服务信道的吞吐量的基于簇的碰撞避免的MAC协议。

【关键词】 车载网络 簇 MAC IEEE1609.4

一、引言

车载网络作为一个完全分布式的自组织网络，通过将车载网络中的车辆节点进行分簇，并选出一个节点作为中心控制节点，把整个车载网络分成若干个小型的自组织网络，使网络的管理与维护变得更为简单。

车载网络采用IEEE802.11p作为底层协议来保证通信的可靠性，IEEE1609.4标准是IEEE802.11p的拓展，信道由同步间隔（SI）组成，每个同步间隔又分为控制信道间隔（CCHI）和服务信道间隔（SCHI）。在CCHI时期上交换安全信息和控制信息，在SCHI时期上进行服务信息的交换。然而，这种基于IEEE1609.4的信道访问机制信道利用率并不高。

本论文提出了一种基于簇的多信道MAC协议，节点只需要使用单个天线，即可实现多信道通信，在保证安全信息的可靠传输提前下，不仅解决了簇间时隙碰撞问题，还提高了服务信息的吞吐量。

二、所述的MAC协议

如图1所示，所述MAC协议信道分成同步间隔（Synchronization Interval），每个同步间隔包含一个控制信道间隔（CCH Interval）以及一个服务信道间隔（SCH Interval）。在控制信道上，每个簇成员（CM）接入一个时隙；簇头（CH）接入两个时隙，分别位于控制信道间隔的第一个时隙和最后一个时隙，簇头通过接入的时隙广播对簇的管理信息，广播安全信息以及对业务信道接入时隙的分配方案；沿着车辆行驶的方向，簇头会选出一个位置稳定在簇内的后端的车辆节点作为协作节点（CN），并额外分配给它一个时隙（Cooperative Slot），位于控制信道间隔的倒数第二个时隙，通过协作节点额外接入的时隙来解决两簇时隙碰撞问题。在控制信道间隔内，簇头必须保持在控制信道上，簇成员可以切换到服务信道上；在服务信道间隔内，簇头和簇成员都可以在控制信道和服务信道上自由切换。

2.1时隙碰撞解决方法

如图2所示通信场景，两簇解决时隙碰撞问题的过程如下：（1）协作节点在这个时隙上广播簇2的时隙表，簇内所有节点在这个时隙时必须切换到控制信道上来侦听该时隙；（2）当CM1收到簇2协作节点的时隙表后，在接入的时隙上将时隙表转发给CH1，通知告知协作节点已经收到时隙表；（3）CH1接收到CM1转发的时隙表后，修改碰撞时隙后，将新的时隙表广播给簇成员，簇成员按照新的时隙表接入时隙；（4）CM1接收到CH1的时隙表后，按照新的时隙表找到自己的时隙接入后，并转发该时隙表给CN；（5）CN接收到CM1转发的时隙表后，转发给簇头，并释放额外接入的时隙。

2.2簇内通信

所述协议由于采用了TDMA技术，在控制信道间隔上，所有的簇成员都可以向簇头发送信息。当簇成员有安全信息发送时，通过接入的时隙将消息发送给簇头；簇头接收到安全信息后，在接入的时隙将处理后的安全信息广播给簇成员。所以只需一个同步间隔，所有簇成员都可以接收到来自其它成员的安全信息。

如图2所示通信场景中，簇内成员CM1与CM2的服务信息交换过程如下：

（1）CM1在接入的时隙向簇头发送服务请求消息；（2）簇头将收到的服务请求消息转发给CM2；（3）根据接收到的服务请求消息，CM2决定是否接收该服务，若接收，则在下一个时隙向簇头回复一个确认ACK消息，否则回复一个NACK消息；（4）簇头接收来自CM2的消息，若为ACK，则为CM1与CM2分配时隙，并在将分配结果发送给CM1与CM2 ，若为NACK，则向CM1返回NACK；（5）最后，CM1与CM2在分配的时隙内切换到服务信道上进行服务数据的交换。

2.3簇间通信

如图2所示通信场景中，对于安全信息的交换，只能通过簇头来完成。当CH1完成对安全信息的收集整合后，将整合后的安全信息发送给CH2；CH2接收到来自CH1的信息后，再将接收到的信息广播给簇成员。基于以上信息交换过程，簇间安全信息的交换需要两个同步间隔。

对于服务信息，当簇1中的簇成员CM1有服务信息需要发送给簇2中的CM5时， CM1与CM5的服务信息交换过程如下：（1）CM1向簇头CH1发送服务请求消息；CH1接收服务请求消息后，将服务请求消息转发给簇头CH2；CH2接收来自CH1的服务请求消息后，将服务请求消息转发给CM5；（2）CM5接收服务请求消息后，决定是否接受该服务，若接受该服务，则向CH2返回一个ACK消息，否则返回NACK消息；（3）当CM5接受来自CM1的服务时，则CH2根据信道使用情况，为CM1与CM5分配好时隙，并将分配结果发送给CM5和CH1，否则向CH1返回NACK消息；（4）CH1接收来自CH2的返回消息，若为NACK，则向CM1返回NACK消息，否则将分配结果转发给CM1；（5）CM1与CM5在分配好的时隙内，切换到服务信道上进行服务数据的交换。

三、结语

本文提出的簇间碰撞避免MAC协议在IEEE1609.4的基础上，能够彻底消除簇间时隙碰撞，确保安全信息的可靠性，并能提高服务信道的吞吐量。但该协议解决簇间时隙碰撞与簇间通信还存在时延，如何降低系统的时延是我们未来工作的重点。

参 考 文 献

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