结合优先级与时隙分配的认知车联网MAC协议

尚佳庆,郑国强,2,马华红,吴红海,李济顺,2,3

1(河南科技大学 信息工程学院,河南 洛阳 471023) 2(河南科技大学 河南省机械设计及传动系统重点实验室,河南 洛阳 471003) 3(矿山重型装备国家重点实验室,河南 洛阳 471039)

1 引 言

车联网WAVE(Wireless Access in Vehicular Environment)协议是一种用于车与路边设施、车与车之间通信的无线标准协议,其提出主要是为了适应车联网通信中车辆高速移动、拓扑网络动态变化快、车辆移动轨迹可预测和服务质量与应用相关等特点.该协议前身是专用短程通信技术DSRC(Dedicated Short Range Communication),后来经过IEEE组织完善,以802.11p和IEEE 1609协议为主组成了现在主流研究的WAVE协议.WAVE协议栈结构参考了OSI七层模型,结构上主要分为管理平面和数据平面,管理平面负责同步、信道功换等控制信息,数据平面负责数据信息的处理,包括添加/移除包头等[1-3].本文研究的问题主要集中在WAVE MAC层部分.

WAVE MAC协议主要实现车联网通信中信息优先级控制、信道时隙分配以及信息冲突处理功能,对车联网通信具有决定性的影响[4].WAVE MAC协议使用的优先级划分机制和时隙分配机制虽然与传统无线网MAC协议相比更适合车联网通信的特点,但在提高道路安全类信息传输效率方面还存在以下问题:

1)WAVE MAC对信息划分不明确,不能区分道路上信息的重要性且不考虑多用户下的通信干扰,导致安全类信息投递率低,影响行车安全.

2)WAVE MAC使用固定时隙分配机制,安全类信息只能在固定时隙阶段传输,导致安全类信息传输时延增大.

3)WAVE MAC不支持信息跨时隙连续传输.当有一个较大的数据在当前时隙没有传输完成,切换到下一时隙时,传输将被迫中断且必须重新竞争信道完成传输,导致安全类数据的传输时延,引发车辆安全事故.

上述问题的存在,使得车联网通信中安全类信息的传输效率大大降低,直接影响车辆行驶安全.针对这些问题,本文提出一种基于认知无线电技术的车联网MAC协议,即CR-WAVE MAC协议,以提高安全类信息在投递率和时延方面的性能.

2 相关工作

2.1 WAVE MAC协议概述

WAVE MAC协议是专为车联网制定的MAC层通信协议,主要在信息优先级划分和信道时隙分配上根据车联网通信的特点对传统无线网MAC协议进行改进.该协议信息优先级划分参考IEEE 802.11e协议的EDCA模式,定义了4个访问类别(Access Categories,AC)和8个优先级(User Priority,UP),并将8个优先级映射到4个访问类别中,如表1所示.优先级在表中从低到高排列,7表示最高优先级,1表示最低优先级,0的优先级在2和3之间.每个访问类别都有一个表2中CWmin是最小竞争窗口;CWmax是最大竞争窗口;AIFS表示必须等待的信道空闲时间.在四个访问类别中,AC(3)与AC(2)的优先级较高,一般使用这两个访问类别发送交通安全消息.由上表可以看出,传统的EDCA模式在只是简单的将信息划分为视频、音频、背景类和尽力而为类,这样的划分方法无法体现车联网通信中信息的轻重缓急,而且默认的EDCA参数设置也没有考虑附近的用户数,这会导致在用户数量增多时信息传输干扰增大.

表1 EDCA机制优先级划分
Table 1 EDCA mechanism priority partition

优先级AC用途14Backgroundtraffic24Backgroundtraffic03BestEfforttraffic33BestEfforttraffic42Videotraffic52Videotraffic61Voicetraffic71Voicetraffic

独立的发送队列,通过为每个访问类别分配不同的竞争参数达到区分优先级高低的目的[5].WAVE协议竞争控制信道过程所使用的EDCA默认参数值如表2所示.

表2 四种访问类别默认EDCA值
Table 2 Default EDCA values for four access categories

ACCWminCWmaxAIFSNAC_VO(3)372AC_VI(2)7153AC_BE(0)1510236AC_BK(1)1510239

WAVE MAC协议在信道时隙分配上参考1609.4标准将5.9GHz的车联网频段分为了一条控制信道(Control Channel,CCH)和六条业务信道(Service Channel,SCH),共占有75MHz带宽,每条信道占据10MHz带宽.时域上,七条信道以100ms为一个同步间隔进行周期性的循环,这100ms的同步间隔被均分为50ms的控制间隔(CCH interval)和50ms的业务间隔(SCH interval),如图1所示.紧急信息在CCH间隔通过CCH信道传输,非紧急信息在SCH间隔通过SCH信道传输[6,7].虽然这种固定时隙分配机制使用上对路边设备设计要求较低,但明显不能适应复杂多变的道路交通环境和网络负载变化,一旦安全信息传输需求突然增大容易造成信道阻塞.

图1 WAVE MAC协议信道划分Fig.1 Channel division of WAVE MAC protocol

2.2 相关MAC协议

近年来,对认知无线电技术的研究逐渐增多,研究发现认知无线电技术在保证重要信息传输质量和增加信道利用率方面作用很大,因此在很多方面都有认知无线电技术的应用,但是目前将认知无线电技术应用在车联网通信方面的研究还很少.此外,对车联网MAC协议信息优先级和信道时隙分配方式的研究也一直在进行.文献[8]提出的协议基于用户信息的重要程度将其分为生命安全性、安全性、非安全性三大服务类型,其中生命安全性是指直接影响到驾驶员生命安全的一类信息.该文章提出的划分方法符合车联网通信的特点,从本质上区别了所要传输信息的重要性.文献[9]基于专用短程通信的应用需求将信息分类,包括突发性安全事件连环撞车警告、紧急刹车警告、路口撞车警告和非安全性不停车收费、服务公告等.这种划分方式更加明确,有利于驾驶员对所面临状况进行反应调整.本文也是参考了这类文章对信息的划分方法,以车辆行驶过程中具体出现的业务类型对信息进行划分.

在时隙分配和信道接入方面,文献[10]提出VCI MAC协议主要利用动态CCH和SCH间隔的方法,该方法将CCH间隔进一步分为安全间隔和WSA间隔.在安全间隔传输安全相关的应用数据,包括车辆状态信息等.在WSA间隔提供服务的节点将广播例如服务信息,使用的SCH标识等消息.动态的时隙分配有更好的适应性,能应对道路通信环境的不断变化,提高行车安全.文献[11]研究了一种基于时分多址的接入机制,避免了基于竞争接入机制带来时延不确定的问题,通过给路边设施及相向运动的车辆分配不同的时隙集的方式,有效减少了由于用户移动性带来的碰撞,为车联网通信提供较好的质量保证.本文的时隙分配机制也参考了上述文章,引入认知无线电技术频谱感知和分配功能进行调整,使之更适应车联网通信特点.

3 CR-WAVE MAC协议设计

3.1 优先级划分机制

在车联网实际通信中根据业务类型主要会产生两大类信息,一类是比较重要的行车安全类信息,另一类是非行车安全类信息.CR-WAVE MAC协议将直接影响驾驶员生命的信息归为PU,具体包括道路上发生的交通事故、出现的自然灾害和突发性的车辆自身故障,这三种同时作为最高优先级信息传输.交通管制信息也被归为PU,但优先级低于前三种.道路服务和娱乐类信息归为SU,此类信息不会对驾驶安全造成严重影响,但此类信息一般传输较为频繁.虽然作为SU对信道没有主要使用权,但因为PU出现的频率不高,所以在车联网通信中占用信道的时间最长.四类优先级划分如表3所示.

表3 数据优先级划分
Table 3 Data priority partition

PU第一优先级(PU1)交通事故(突发性)自然灾害(突发性)车辆故障(突发性)第二优先级(PU2)交通管制(计划性)SU第三优先级(SU1)道路服务(ETC)第四优先级(SU2)娱乐服务

PU、SU类型信息具体EDCA参数会以车辆数和重传次数为标准进行调整.一般情况下,优先级较高的帧(k)在发送之前等待的最长时间为AIFS[k]加上最大的退避间隔时间,而优先级较低的帧(k-1)在发送之前等待的最短时间为AIFS[k-1]加上最小的退避间隔时间,为了保证优先级顺序,前者的等待时间必须比后者的要短,用公式(1)表示:

AIFSN[k]+CWmax[k]≤AIFSN[k-1]+CWmin[k-1]

(1)

表4 四类优先级EDCA参数
Table 4 Four types of priority EDCA parameters

优先级Re(1)Re(2)Re(3)Re(4)AIFSNPU11234N4PU24567N2SU1101214N30SU2151719N15

每个应用的竞争窗口(CW)与仲裁帧间间隔数(AIFSN)都是随交通状况而变化的,CW会随着重传次数增多而线性增大,AIFSN的大小与通信范围内车辆数量有关.表4列出了四类优先级的具体EDCA参数.其中,Re(n)表示第n次重传时的竞争窗口,N是范围内的车辆总数.

使用表4中所列参数代入公式(1)中得出,当N一定时,较高优先级信息的最长等待时间一定会小于较低优先级信息的最短等待时间,这样就保证了高优先级信息能被优先传送.

3.2 时隙分配机制

CR-WAVE协议时隙分配机制的基础是设置的路边单元RSU设备加入信息优先级划分和CR感测功能.优先级划分功能是对RSU收集到的附近信息根据上一节提出的优先级划分机制进行信息处理,CR感测功能在CCH间隔开始阶段进行主要完成3个工作,首先确认信道使用情况,建立信道状态表,指示信道是处于空闲状态还是忙状态;然后查询是否有PU信息需要传输;最后给需要传输的信息分配空闲信道开始传输.具体传输前,经过优先级划分机制将所有信息划分为PU、SU后,信道时隙分配阶段存在只有PU、只有SU和既有PU又有SU三种情况.由于只有SU类型信息的时隙分配机制对车辆安全行驶影响较小,所以在本节不予以讨论,本节只讨论存在PU类型信息的时隙分配机制.

3.2.1 仅出现PU类信息时隙分配

在时隙分配阶段,当只有PU的情况下,感测时间结束后PU内部进行竞争,优先级高的PU信息会最先开始传输,传输完成后接收方向RSU发送确认帧.在高优先级PU传输完成后,继续在该信道上进行低优先级PU的传输,PU信息全部传输完成后,CCH间隔结束.在接收到传输完成指令前RSU不会进行时隙感测和争用操作,数据传输完成后才返回正常的同步间隔和信道切换过程.时隙分配过程如图2所示.

图2 只存在PU的传输时隙图Fig.2 Transmission slot diagram with only Pus

3.2.2 PU、SU信息同时出现时隙分配

在一般的道路通信环境中,非安全类信息的传输较为频繁,在时隙分配上还是SU所占用的时间较长,但安全类信息的重要性高,所以在SU信息的传输时也必须随时关注是否有PU信息需要传输.当同时存在PU和SU时,如果PU先出现,RSU在CCH间隔CR感测时间发现有PU存在,就不再对后出现的SU进行处理,只为PU分配信道.等待PU全部传输完成后,在下一个同步间隔开始没有感测到PU后才在当前信道进行SU信息的传输.如果SU先出现,感测时间结束后SU内部进行竞争,高优先级的SU赢得竞争开始传输.但在传输30ms后,系统会切换到SCH间隔阶段并且在SCH间隔开始时运行一个简化版的感测时间.简化版的感测时间只会查询此时是否有PU需要传输,当发现存在PU需要传输时,在当前信道中传输的SU会被终止并将信道让给PU传输,在PU传输完成前同样不进行信道感测和争用操作.PU传输完成后SCH间隔结束,重新切换到CCH间隔开始感测时间.时隙分配过程如图3所示.

图3 PU和SU同时存在的传输时隙图Fig.3 Transmission slot diagram with PUs and SUs

图4 CR-WAVE MAC工作流程图Fig.4 CR-WAVE MAC workflow diagram

3.3 MAC协议工作过程

CR-WAVE MAC协议的工作过程如图4所示.路边单元(RSU)事先对自身范围内道路情况进行收集,随后根据3.1提出的信息划分规则对收集到信息进行优先级划分,将不同优先级信息放入各自发送队列.当有车辆驶入RSU范围内时,RSU开始对信道使用情况进行感测,开始CR感测阶段,感测阶段完成后根据出现的信息类别进行具体时隙分配,完成传输.

4 实验仿真与结果分析

本文只对MAC层协议进行研究,在仿真时其它层设置仍使用WAVE协议标准.在设置了相关的仿真参数后,对CR-WAVE MAC协议进行模拟,并与WAVE MAC协议和VCI MAC协议在网络数据包投递率、吞吐量和平均时延这三个方面作对比,分析实验结果.

4.1 仿真参数设置

本实验使用Matlab软件对协议进行模拟仿真,选取10-50个车辆节点,物理层采用WAVE协议的配置,信道频段范围为5.8-5.9GHz,传输速率为6Mbit/s.仿真环境为城市道路环境,双车道各长200m,道路中车速限制为60km/h,具体城市道路环境如图5所示.安全类数据包,大小固定为300字节.所有的数据包将基于单跳发送,不进行路由转发.具体仿真参数如表5所示.

图5 城市道路环境图Fig.5 City road environment map

4.2 仿真结果分析

本文在城市道路环境下将CR-WAVE MAC协议与WAVE MAC协议以及VCI MAC协议作对比,分析改进后的优先级机制和时隙分配方式在数据包投递率、吞吐量和时延上的优势.本文在进行仿真时,使用的数据包类型既包括道路安全类数据也包括非安全类数据,在对比三种协议的投递率和时延方面性能时只统计道路安全类数据包,而吞吐量的统计结果包括所有类型数据包.

表5 仿真参数设置
Table 5 Simulation parameters setting

参数名参数值车道数量2车道长度200m车速60km/h车辆数量10,20,30,40,50信道频段范围5.8-5.9GHz传输速率6Mbit/s信道数量1个CCH,6个SCHCWmin1CWmax19数据包大小300byte

从图6可以看出,三种协议的数据包投递率都会随着车辆数目的增加而减少,但比较而言,CR-WAVE MAC协议的安全类数据包投递率降幅更低.当车辆数目较少时,通信环境中空闲信道多,安全类数据与非安全类数据之间冲突干扰较少,三种协议的安全类数据包投递率相差不大.当车辆数目增多,信道逐渐满载,由于WAVE MAC协议优先级机制不能准确区别安全类数据和非安全类数据,且固定时隙分配方法不能保证安全类数据的传输成功率,导致安全类数据包的传输受到冲突干扰增多,投递率快速降低,而VCI MAC协议和CR-WAVE MAC协议使用动态时隙划分方法保证了安全类信息的高投递率.此外,CR-WAVE MAC在优先级划分上也有相应改变,也对提高安全类数据的传输投递率有积极影响,所以CR-WAVE MAC协议的安全类数据包传输投递率受车辆数影响最低,降幅最小.

图6 数据包投递率Fig.6 Packet delivery ratio

从图7可以看出,三种协议的平均时延都会随着汽车数量的增多而增加,但以30辆汽车为限,少于30辆汽车时三种协议的平均时延相差不大,而当汽车数量多于30辆时,WAVE MAC协议时延急剧增大,VCI MAC协议和CR-WAVE MAC协议增幅较小,较WAVE MAC协议有明显优势.当车辆较少时,通信环境中空闲信道多,各类数据间的干扰较小,CR-WAVE MAC协议由于在时隙切换阶段存在感测时间,所以在车辆较少时时延会比另外两种协议稍大.但当汽车数量增多,通信环境逐渐拥挤,WAVE MAC协议固定时隙分配方法不支持安全类数据跨时隙传输,频繁切换控制和数据信道,导致网络传世时延急剧加大.VCI MAC协议增加的时隙间隔能降低安全类信息的传输时延,但每个CCH间隔被划分出的WSA间隔只提高了非安全类信息传输效率而对安全类信息传输没有显著影响,所以在安全类信息传输时延方面不如本文提出的CR-WAVE MAC协议,CR-WAVE MAC协议通过动态时隙划分,支持安全类数据连续不中断传输,使得安全类数据的传输时延与其它两种协议相比增幅最小.

图7 平均时延Fig.7 Average Delay

图8比较了三种协议的在吞吐量方面的性能表现,三种协议中CR-WAVE MAC协议和VCI MAC协议的吞吐量性能较WAVE MAC协议有较大提升.WAVE MAC协议的固定时隙不仅导致信道利用率低,同时也不支持数据包的连续传输,极大的降低了网络吞吐量.而VCI MAC协议对CCH间隔重新划分出的WSA间隔提高了非安全类信息的传输效率,所以在统计所有类型数据包后网络吞吐量性能表现最好.本文提出的CR-WAVE MAC协议的目的是保证安全驾驶所以重点关注安全类信息的传输效率,在安全类信息传输效率上较其它两种协议有较大程度提高,总体网络吞吐量高于WAVE MAC协议且与VCI MAC协议相差较小.因此,本文提出协议在保证安全类信息传输效率方面优于另两种协议.

图8 吞吐量Fig.8 Throughput

5 结束语

本文针对车联网WAVE MAC协议存在的问题,提出一种基于认知无线电技术的CR-WAVE MAC协议.该协议改进信息优先级划分机制,使用业务类型和用户数作为划分依据,同时在时隙分配上引入认知无线电技术,摒弃了原有的固定时隙分配机制,根据道路通信环境自适应合理分配传输时隙,优先为安全类信息分配信道.通过仿真,对CR-WAVE MAC协议、WAVE MAC协议和VCI MAC协议进行性能比较和分析,结果表明CR-WAVE MAC协议能提高安全类数据包投递率,降低传输时延并且提高总体网络吞吐量,有效提高安全信息传输效率.