车辆自组织网络中一种基于协作MAC协议的中继通信方法

摘要

本发明涉及车载无线通信领域技术，尤其涉及中继选取方法以及能适用于各种移动场景的MAC协议。本发明公开了车辆自组织网络中一种基于协作MAC协议的中继通信方法。基于数据速率和移动性联合选取中继，通过数据速率限定，大大减少了有效中继的个数以及反馈的信息量，进而提高了中继选取的有效性，选出的中继组具备较优的链路质量，还能适应各种移动场景的需求，并且能降低系统的中断概率以及误码率，因此，能有效地实现网络中数据的可靠传输。

说明书

技术领域

本发明涉及车载无线通信领域技术，尤其涉及车载无线通信中的中继选取方法以及协作MAC协议设计方法。 

背景技术

车辆自组织网络（VANET）， 简称车域网或车联网，是车辆无线通信网络的主要组成部分。他是一种服务于各种车辆（车载终端）和道路交通管理的信息网络，也是一种广义的物联网，图1为VANET的网络拓扑图。车辆自组织网络把数字化、网络化和智能化延伸到移动的车辆和道路，使车载终端随时方便地接入互联网，从而及时得到各种信息。由于车辆的快速移动和各个节点接入的完全随机性，使这一通信方式具有信道的高度时变性、突出的多普勒效应和网络拓扑的不确定性等特点。因此，车辆无线通信网既要依托于现有的无线通信网络，又需要针对自身的特点构建自己的体系结构，并采用一些专用技术。这一领域的研究开发已受到广泛的关注，成为当前的一个热点，近年来已有许多研究成果报道，并已制订出一些标准，也有若干原型系统投入实验运行。 

随着VANET的悄然盛行，作为关键技术之一的MAC协议的研究也越来越广泛。MAC层向网络中的节点提供了物理寻址和信道接人控制，为上层提供快速、可靠的报文传输支持。特别在无线网络中，MAC协议能否有效地利用无线信道的有限带宽，将对无线网络的性能起着决定性作用。 对于VANET，MAC层除了考虑接入公平性、隐藏终端、暴露终端等Ad Hoc网络的普遍问题外。还需考虑以下特殊因素：移动自适应拓扑变化、不同类别应用优先级、低传输延时、可靠传输等。早期关于VANET的MAC层协议研究主要基于对传统Ad Hoc网络 MAC协议的改进，以适用于高速移动的VANET。例如：IEEE 802．11 DCF 协议，基于CSMA／CA， 以较小的RTS／CTS分组的交互，分配较大的无线资源，从而提高无线资源的利用率，但IEEE 802．11 DCF不能很好支持实时业 务；Ad Hoc MAC 协议，通过TDMA机制为每个终端预留时隙，为VANET提供了较好的QoS保证，但 Ad Hoc MAC协议不能有效地利用信道，且通信范围内的节点数目受限制；D-MAC协议（directional MAC，定向天线 MAC协议是基于IEEE 802.11提出的,每个终端通过 GPS知道自己和相邻终端的地理位置，在相邻的平行运行的车辆中，定向天线有利于减少传输干扰和冲突，但其复杂性以及其昂贵的设施给实现带来了困难。 

因此，需要提出专门为车载环境下的无线接入设计的新型MAC协议,以进一步适应车辆的高移动性，并改进VANET无线接入控制的性能，提高通信可靠性，并降低传输延时。 

发明内容

本发明针对现有技术中存在的高速移动的VANET中通信不能有效利用信道，通信范围受限，且设施昂贵实时困难的技术问题。 

本发明解决上述技术问题的技术方案是：提供一种VANET环境下基于车辆移动性的中继通信方法。它采用分布式与集中式相结合的中继选取方式，大大减少了备选中继的个数以及中继反馈消息的数量，并兼顾考虑了移动性，使得选出的中继组（包括主、备用中继节点）不光具备较优的链路质量，而且还能适应各种移动场景的需求，并且能降低系统的中断概率以及误码率，因此，能有效地实现网络的可靠传输。 

在本发明中设计基于联合预测的协作MAC协议，具体为，改变802.11 DCF模式的帧格式，将DATA帧分为S-DATA和R-DATA，使得其能携带中继选取所需的参数；在中继端根据COOPMAC的速率限定方式减少备选中继的个数。在控制帧交换阶段后，中继获取移动终端速率信息，决定移动终端接入信道的时隙，移动终端分布式接入信道。源端接收到中继的消息之后，根据速率信息重新确立优先级，根据优先级选出两个中继节点组成的主、备用中继组。具体为： 

网络中各节点持续侦听信道，源端收到DCF（分布式协调功能）帧后，在 控制帧交换阶段后，从预订时间内接收到的中继协作消息RI中获取链路速率，并确定备选中继；根据DCF帧中的RTS和CTS对信道状态进行估计获取信道信息，确定中继分布式依次接入信道的接入时隙g；每个备选中继根据优先级及接入时隙自行决定接入信道，源端根据信道信息获取中继、源端、目的端的当前移动状态，并确定状态参数α、β，调用公式： 选择主、备用中继组。源端根据各节点相对位置确定采用何种中继传输模式。 

其中，确定备选中继的方法包括：获取中继端与源端之间的链路速率R_SR，中继端与目的端之间的链路速率R_RD，源端与目的端之间的链路速率R_SD。根据公式满足条件 的移动终端作为备用中继。接入时隙g的步骤具体包括：从估计的信道状态中获得备选中继端与源端之间链路上的数据速率R_SR以及备选中继端与目的端之间的链路速率R_RD，调用公式   确定中继接入信道的接入时隙g，其中，G为预定时隙时间内的总时隙个数。根据公式：     确定状态参数α、β。 

在成功选出主、备用中继之后，源端就开始根据获取到的信道信息决定到底采用哪种协作模式。从而以最佳的协作模式完成传输，达到优化协作传输的目的。 

本发明采用车载环境下的无线接入设计的新型MAC协议,适应车辆的高移动性，采用本方法能有效利用信道，解决通信范围受限的问题，并改进VANET 无线接入控制的性能，提高通信可靠性，降低传输延时。 

附图说明

图1 为本发明帧格式示意图； 

图2为本发明中继选择流程图； 

图3 为直传模式下协议的执行流程图； 

图4 为主中继协作传输模式下协议的执行流程图； 

图5 为备用中继协作传输模式下协议的执行流程图； 

图6 为双中继协同协作传输模式下协议的执行流程图。 

具体实施方式

本发明提出一种VANET环境下基于协作MAC协议的中继通信方法。具体包括如下步骤： 

构造数据帧格式。将DCF帧格式中数据帧设为S-DATA（仅存储数据包）和R-DATA（待转发数据包），使其携带中继选取所需的参数。 

根据现有802.11 DCF模式的帧格式，将DCF帧格式中DATA帧分为S-DATA和R-DATA，使得RTS（请求发送），CTS（确认发送），RI（中继消息），DATA（数据帧）等能携带中继选取以及数据传输所需的相关信息，包括链路数据速率R、实际速率V、中继节点地址信息、Partner ID（助手身份标识）以及数据帧指示CF等。如图1所示为修改后的帧格式示意图,其中Frame Control表示帧控制；Duration表示持续时间，用于网络分配向量（NAV）计算；Address Fields（1-4）表示4个地址（源地址、目标地址、发送方地址和接收方地址）; Sequence Control表示序列控制，用于表示同一帧中不同分段的顺序，并用于识别数据包副本; FCS表示帧检验序列。本发明构建的DCF帧格式使得协议能适用于不同的传输阶段以及协作模式。 

中继选取阶段：a. 在中继端根据COOPMAC（协作MAC协议）的速率限定方式减少备选中继的个数，缩小有效中继的选取范围。b.在控制帧交换阶段后，中继获取源端与目的端的速率信息，决定中继本身接入信道的时隙，实 现分布式接入信道。c. 源端接收到中继端的消息之后，根据速率信息确立中继节点的优先级，根据优先级选择主、备用中继组；图2为中继选择流程图。 

数据传输阶段：当源端获取已选出的中继组ID后，采用正交空时编码方式同时向中继端和目的端节点发送数据备份，收到数据备份的节点再根据DATA帧的格式选择是转发还是存储，根据不同的移动场景（包括主中继加速、备选中继加速、目的端加速等移动场景），采用不同的协作传输模式（主中继协作、备选中继协作、双中继共同协作模式）完成传输过程； 

确认及重传阶段：根据目的端发送的确认帧ACK（Acknowledgement）(或是否认确定帧NACK（Negative Acknowledgment），选择重传节点完成重传，期间其他节点均沉默，直到数据传输成功或是被丢弃。 

1. 中继选择范围及数量 

为了进一步减少响应中继的个数，以达到最优化系统性能的目的，为了获得并减少网络中适合选作中继的节点，在控制帧交换阶段后，中继获取中继端与源端之间的链路速率R_SR，中继端与目的端之间的链路速率R_RD，源端与目的端之间的链路速率R_SD。根据公式（1）：确定满足条件的中继作为备选中继。如下式，可根据类似COOPMAC的方式得到备选中继所需满足的条件。 

$\frac{L}{R_{\mathrm{SR}}}+\frac{L}{R_{\mathrm{RD}}}\le \frac{L}{R_{\mathrm{SD}}}---\left(1\right)$

其中，L表示数据包的长度。满足上述条件的车载终端均可作为备选中继使用。这样大大减少了备选中继集中的中继个数，并且优化了备选中继的质量。 

2.中继节点分布式接入信道 

中继节点收到DCF帧，根据其中的RTS和CTS对信道状态进行估计，获得中继端与源端之间链路上的数据速率R_SR以及中继端与目的端之间的链路速率R_RD。 

调用公式

确定中继分布式依次接入信道的接入时隙g。 

其中，G为预定时隙时间（SLOT TIME）内的总时隙个数(G的值越大，则发送RI消息碰撞的概率将越小)，R_SD为源端与目的端之间的链路速率，该速率可直接由目的端回复的CTS消息以瞬时信道估计的方法获得。 表示取不大于括号内的值的最大整数。 

拥有最小接入时隙的中继在目的端回复完CTS之后的一个时段内（限定在1个时隙时间（SLOT TIME）持续时间范围内）拥有最高的接入优先级。每个备选中继节点根据优先级及接入时隙自行决定接入信道，形成了分布式接入规则。当多个中继具有相同的接入时隙时，按照CSMA/CA（载波监听多址接入/碰撞避免）的方式竞争接入信道，在规定时间内发送了RI消息的中继均选为备选中继并通知源端，再由源端进行筛选，确定中继接入信道的时隙，由于先前已经对备选中继选取范围及数量进行了优化，且超过预定时隙时间最优可选择3倍SIFS(短帧间隔) 时间范围内（根据实验，选取该时间范围能顺利完成中继选取进程,且不至于过多的增加延迟）的RI消息将不予处理，因此，能大大减少反馈消息的数量。 

3. 源端的集中式决策规则 

中继接入信道后，源端依次收到来自各备选中继节点的RI消息，此消息中包含中继与源端之间的链路速率R_SR和中继本身的实际速率V_R以及从RTS中获取的源端的实际速率V_S。源端从目的端回复的CTS中获取目的端的实际移动速率V_D，源端根据上述信道信息获取中继、源端、目的端的当前移动状态，根据当前移动状态，确定状态参数α、β。其中， 

根据α与β调用公式（4）确定最优中继。 

，即 

集中式地选出最优及次优的中继。G为预先定义的总时隙数(G的值越大， RI消息碰撞的概率将越小，反之亦然) ，R_SR为中继与源端之间的链路速率，R_RD为中继与目的端之间的链路速率，R_SD为源端与目的端之间的链路速率，该速率可直接由目的端回复的CTS消息以瞬时信道估计的方法获得。 表示取不大于括号内的值的最大整数。 

其中， K表示结合了链路质量和实际速率之后中继节点的最终优先级，i表示中继节点编号，当选出了最优中继K之后，自动将该节点的信息剔除，再从剩下来的备选中继信息中，重新选出一个次优的中继节点K*,这样就成功地选出了主、备用中继组。 

具体可采用如下方案：第一个使K(i)获得最大值的中继i为最优中继，当选出了最优中继之后，将中继i从备选中继集合中除去，再进行一次K(i)值的计算，此刻使K(i)值最大的中继j即为次优中继，至此，将最优中继选为主中继，次优中继选为备用中继，以便在数据传输阶段完成协作数据传输。 

在成功选出主、备用中继之后，源端根据获取到的信道信息（确定的状态参数α与β的值）确定采用哪种中继传输模式（主中继协作模式、备用中继协作模式、双中继协同协作模式）。从而以最佳的协作模式完成传输过程，达到优化协作传输的目的。 

例如，当α＜1，而β=1的时候，表示主中继加速行驶，而源端与目的端保 持相对静止的情况，此时，我们应采用备用中继协作传输的模式来进行协作传输。当α＞1，而β＜1的时候，表示源端加速靠近中继i，而源端与目的端保持相对静止的情况，此时，应采用主中继协作传输模式进行传输。当α=1，而β＞1的时候，表示源端与中继相对静止，而目的端加速离开，此时，应采用双中继共同协作传输的模式来进行协作传输。 

以下根据具体的移动场景，对本发明进一步详细说明。 

(一)未收到中继RI消息的情况（不论移动性如何）

当源端没有收到任意一个RI消息的时候，表明在覆盖范围内找不到适合转发数据的中继节点，为直传模式下的执行流程，不采用协作传输模式，如图3所示。具体为： 

（1）控制帧交换阶段：执行控制帧的交换，携带有用信息以帮助下个阶段进行中继组的选取； 

（2）中继选取阶段：根据获取的链路速率信息以及实际速率信息，按照分布式方式自行确定接入信道的顺序，超出规定时间段（slot time）的消息将不予处理；（此处由于无中继反馈RI消息，故表明在规定时间段内无备选中继节点接入信道）； 

（3）数据转发阶段：由于在中继选取阶段没有收到RI消息，故而在DATA帧中的Partner ID的值为空，从而源端只向目的端发送数据包，类似于传统的802.11 DCF模式的直传方式。 

（4）确认及重传阶段：如果经过先前的数据转发阶段，目的端已经收到了准确的数据包，则向源端发送ACK来表示此次传输的完成。如果没有解码出准确的数据包，则发送NACK消息来请求重传，若在重传次数限定范围内传输成功，则进入下个数据的发送，否则，则丢弃该数据包，直接进入下个数据的发送阶段。 

（二）各节点相对位置较稳定而源端加速的情况 

在各节点相对位置稳定以及源端加速向中继组靠拢的情况下，由于中继 组的链路质量并未受到较大影响，故我们通常会采用主中继来进行协作传输，因为此时主中继是具备最优链路质量的节点，故而，在整个传输的过程中能够保证较好的可靠性以及实时性。 

当源端收到多个RI消息的时候，表明在定向天线的覆盖范围内能找到适合转发数据的中继节点，采用主中继传输方式。其执行流程，如图4所示为主中继协作传输模式下协议的执行流程。 

（1）控制帧交换阶段：执行控制帧的交换，携带有用信息以帮助进行中继组的选取； 

（2）中继选取阶段：根据获取到的链路速率信息以及实际速率信息，自行确定接入信道的顺序，超出规定时间段（slot time）的消息将不予处理；由于有多个中继反馈RI消息，表明在规定时间段内有备选中继节点接入信道；源端在收到这些RI消息之后，根据公式（2）、（3）、（4）综合数据速率和实际速率确定包括主备用两个中继节点的最佳中继组，并记录他们相应的ID号； 

（3）数据转发阶段：由于在中继选取阶段确定了主备用中继节点，在DATA帧中的Partner ID处包含了与之相对应的ID号，因此，数据帧可以按照ID号的指示发往对应的节点。源端根据这种场景下对应的α与β的值来确定发送数据的模式，采用主中继传输模式。并将对应中继节点的CF（数据类型标识字段）值设为0或者1（此处将R1的值设为1，表示R1收到的DATA为R-DATA，它将在下个阶段继续向目的节点转发数据备份），接着就按照DATA帧中的指示向各个节点以正交空时编码发送数据备份，收到S-DATA的节点则只存储该数据备份，而收到R-DATA的节点将执行数据转发，在目的端对接收数据做最大比合并，从而解码出数据包，并保证链路的稳定性。 

（4）确认及重传阶段：如果目的端已经收到了准确的数据包，则向源端发送ACK来表示此次传输的完成，此刻，中继组成员节点就清除它们缓存中的数据备份，准备接收下个数据备份。如果没有解码出准确的数据包，则发送NACK消息请求重传，此刻，源端及备用中继不做任何处理，仅主中继 重传，若在重传次数限定范围内传输成功，则目的端发送ACK消息，主中继清除缓存中的数据，而源端则开始准备下个数据的发送，否则，则丢弃该数据包，直接进入下个数据的发送阶段。 

（三）源端与目的端相对静止而主中继加速的情况 

当源端检测到主中继加速远离时，同时源端自身与目的端之间的相对位置不变，则源端启动备用中继协作传输。由于主中继加速驶离源端，造成了主中继与源端之间链路质量的急剧下降，考虑到待传输数据包大小的不确定性（即完成整个传输的时间的不确定性），因此，我们不采用主中继继续进行传输，而采用链路质量相对较为稳定的备用中继来完成传输，以保证所传数据的可靠性及链路的持续性。如果在主中继传输模式下，主中继开始加速，由于源端在判断使用何种模式时是基于瞬时信道测量的，因此，若数据已经进入主中继协作传输模式，则会按该模式继续执行，直至数据传输完成或被丢弃。接着，在下一个数据传输时才开始按源端所选择的备用中继协作传输模式进行传输。 

图5为备用中继协作传输模式下执行流程图。当源端收到多个RI消息的时候，在定向天线的覆盖范围内能找到适合转发数据的中继节点，选择备用中继协作传输模式。 

（1）控制帧交换阶段：执行控制帧的交换，携带有用信息以帮助下个阶段进行中继组的选取； 

（2）中继选取阶段：超出规定时间段（slot time）的消息将不予处理；由于有多个中继反馈RI消息，故表明在规定时间段内有备选中继节点接入信道，源端在收到RI消息之后，将根据上述公式（2）—（4）确定主备用中继。（包括主备用两个中继节点），并记录他们相应的ID号； 

（3）数据转发阶段：在DATA帧中的Partner ID中包含了在中继选取阶段确定的中继组对应的ID号，源端根据对应的α与β的值确定发送数据的模式，为备用中继协作传输模式，将选取的中继节点的CF值设为0或者1（此 处将R2的值设为1，表示R2收到的DATA为R-DATA，它将在下个阶段继续向目的节点转发数据备份），接着就按照DATA帧中的指示向各个节点以正交空时编码发送数据备份，收到S-DATA的节点只存储该数据备份，而收到R-DATA的节点将执行转发，最终在目的端将接收的数据最大比合并，从而解码数据包，保证链路的稳定性。 

（4）确认及重传阶段：如果目的端已经收到了准确的数据包，则向源端发送ACK以表示此次传输的完成，此刻，中继组成员节点清除它们缓存中的数据备份，准备接收下一个数据备份。如果没有解码出准确的数据包，则发送NACK消息来请求重传，此刻，源端及主中继不做任何处理，仅备用中继做重传动作，若在重传次数限定范围内传输成功，则目的端发送ACK消息，备用中继清除缓存中的数据，而源端则开始准备下个数据的发送，否则，则丢弃该数据包，直接进入下个数据的发送阶段。 

（四）源端与中继组位置相对静止而目的端加速的情况 

当源端侦测到目的端开始加速驶离，源端与中继组位置相对不变，立刻通知主、备用中继组，并执行主备用中继协同传输的模式向目的端发送数据，以保证该数据的可靠传输。由于目的端的加速离开，使得中继组到目的端的链路质量急剧下降，从而影响整个传输过程的可靠性，若此时还是只采用主中继或是备用中继的单中继传输方式，则无法保证数据的可靠传输，因此，我们选择采取双中继协同传输的方式来解决这个问题。因为双中继的数据备份都发送到了目的端，因此，在目的端就可以进行最大比合并（MRC）来解码出更为准确的数据包。 

图6所示为双中继协同协作传输模式下执行流程。当源端收到多个RI消息的时候，表明在定向天线的覆盖范围内能找到适合转发数据的中继节点。 

（1）控制帧交换阶段：执行控制帧的交换，携带有用信息以进行中继组的选取； 

（2）中继选取阶段：根据获取的信息，根据分布式的方式自行确定 接入信道的顺序，超出规定时间段（slot time）的消息将不予处理；（由于有多个中继反馈RI消息，表明在规定时间段内有备选中继节点接入信道）；源端在收到了这些RI消息之后，将综合数据速率和实际速率确定主备用中继节点，并记录他们相应的ID号； 

（3）数据转发阶段：在DATA帧中的Partner ID处包含了主备用中继节点的ID号，源端根据对应的α、β的值确定发送数据的模式，并将对应中继节点的CF值设为0或者1（此处将R1、R2的值均设为1，表示R1、R2收到的DATA都为R-DATA，它们将在下个阶段继续向目的节点转发数据备份），接着按照DATA帧中的指示向各个节点以正交空时编码发送数据备份，收到S-DATA的节点则只存储该数据备份，而收到R-DATA的节点将执行转发，最终在目的端做最大比合并，从而解码出相对较为准确的数据包，并保证链路的稳定性。

（4）确认及重传阶段：目的端收到数据包，则向源端发送ACK表示此次传输的完成，此刻，中继组成员节点清除它们缓存中的数据备份，准备接收下个数据备份。如果没有解码出准确的数据包，则发送NACK消息请求重传，此刻，源端不做任何处理，仅主、备用中继做重传动作，若在重传次数限定范围内传输成功，则目的端发送ACK消息，主、备用中继就清除缓存中的数据，而源端则开始准备下个数据的发送，否则，则丢弃该数据包，直接进入下个数据的发送阶段。