车载自组织网络中基于链路持续时间的簇MAC协议实现方法

摘要

本发明公开了一种车载自组织网络中基于链路持续时间的簇MAC协议实现方法，属于车载自组织网络技术领域，具体包括一种基于链路持续时间的成簇方法，通过车辆节点的平均链路链接时间和节点连通度确定节点的优先级，优先级最大的成为簇头节点，优先级仅次于簇头的节点成为备用簇头，备份簇头在簇的更新与维护过程中有利于提高簇的稳定性和降低开销。簇头向邻居节点广播分簇控制消息，邀请邻居节点加入以当前节点为簇头的分簇。成簇之后，进行分层管理，把网络分为多个簇，每个簇内节点采用CSMA/TDMA混合机制与簇头节点进行通信，减少数据的碰撞，而簇头节点采用CSMA/CA机制与邻居簇头进行通信，明显提高了数据传输的可靠性，能够有效地降低数据传输延迟。

说明书

技术领域

本发明属于车载自组织网络技术领域，涉及一种车载自组织网络中基于链路持续时间的 簇MAC协议实现方法，具体来说包括了一种车载自组织网络中的基于链路持续时间的成簇方 法，一种车载自组织网络中簇的更新方法和一种车载自组织网络中基于链路持续时间的簇MAC 协议。

背景技术

随着车载自组织网络(VANET)向高传输速率、高可靠性和高有效性方向发展，车辆之间的 信息传输机制受到普遍关注和研究。但由于车辆节点移动速度较快，导致网络拓扑经常发生 变化，使得传统的MAC协议面临前所未有的挑战。

成簇的网络结构具有良好的等级差异和分工机制，利用成簇算法进行消息的传递，能够 产生有效的消息传输机制。成簇的主要目的是选取合适的簇头，使得这个簇头能够维护相关 的路由信息和网络拓扑信息，能够较大化簇的稳定性，降低由于拓扑变化带来的影响，减少 了网络负载，便于对整个网络的管理，适用于大规模网络。

基于竞争的MAC协议最为主要的优点在于它能很好的适应网络的变化，工作方式十分的 灵活，节点之间不需要进行精确的同步。而它所带来的最大的弊端在于该机制下由于冲突而 造成的信息丢失是这类协议所无法完全解决的。而基于分配机制的MAC协议，通过将一个信 道划分为多个子信道，再将子信道分配节点的方式，错开了节点间的数据传输，避免了冲突 的发生，但是相对于基于竞争的MAC协议，此类协议对网络变化的适应性较差。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种车载自组织网络中基于链路持续时间的簇MAC协 议实现方法，具体包括了一种车载自组织网络中的基于链路持续时间的成簇方法、车载自组 织网络中簇的更新方法和车载自组织网络中基于链路持续时间的簇MAC协议。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种车载自组织网络中的基于链路持续时间的成簇方法，包括以下步骤：步骤一：节点 通过GPS及周期性的基本控制消息获取车辆节点的位置、速度、加速度、节点类型信息；步 骤二：根据获取的节点位置、速度信息确定节点与邻居节点间的平均链路持续时间；步骤三： 根据节点的历史邻居集合和当前邻居集合确定该节点的连通度；步骤四：根据节点间的平均 链路持续时间和连通度的大小选取优先级最大的节点作为簇头；步骤五：根据节点的优先级 选取仅次于簇头的节点成为备用簇头；步骤六：簇头向其簇内节点广播分簇控制消息，宣告 自己成为簇头，簇内节点根据自己的位置和收到状态消息确定自己是簇内节点，并向簇头回 复。

进一步，所述根据获取的节点位置、速度信息确定节点与邻居节点间的平均链接时间， 具体为：

节点i通过GPS获取当前位置S_i、速度v_i、加速度a_i信息；

节点i通过周期性的基本控制消息获取邻居节点j的当前位置S_j、速度v_j、加速度a_j信 息；

节点i根据下述公式计算与节点j能够通信的位置关系：

$\left(\begin{array}{cc}\frac{1}{2}{(a_j-a_i)t}^2+(v_j-v_i)t=R-(S_j-S_i)& 0\le t\le t_1\\ \frac{1}{2}(a_j-a_i)t^2+(v_j-v_i)t=R+(S_j-S_i)& t>t_1\end{array}\right)$

其中，t₁表示两车从初始链接开始到具有相同的速度所需要的时间，

节点i根据下述公式计算与邻居节点j的链接时间：

$T_i=\left(\begin{array}{cc}\min (t,t_{\max })& a_j-a_i\ne 0,v_j-v_i=0\\ t_{\max }& a_j-a_i=0,v_j-v_i=0\end{array}\right)$

节点i根据下述公式计算与邻节点间的平均链接时间：

$E\left[\mathrm{link}\right]=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{T}_i}{N}$

其中：N为未确定状态的邻居节点数目，t_i为当前节点与节点i(i=1,2,…,N)之间的链路持 续时间，t_max为节点间的最大链路持续时间。

进一步，所述根据节点的历史邻居集合和当前邻居集合确定节点的连通度具体为：

节点通过周期性地交互状态信息，记录t₀时刻邻居节点集合N₀(i)，和当前时刻t₁邻居节点集 合N₁(i)，预测邻居节点变化频繁程度；

节点i根据下述公式计算与邻节点间的连通度：

$\mathrm{MC}\left[i\right]=\frac{|N_0\left(i\right)\cup N_1\left(i\right)|-|N_0\left(i\right)\cap N_1\left(i\right)|}{|N_0\left(i\right)\cup N_1\left(i\right)|}$

其中：|N₀(i)∪N₁(i)|为节点在t₀时刻和t₁时刻所有邻居节点个数，|N₀(i)∩N₁(i)|为节点在 t₀时刻和t₁时刻同时拥有的邻居节点的个数。

进一步，所述选取平均链路持续时间最高的节点作为簇头，包括：

根据节点的平均链路持续时间确定节点的优先级，链路持续时间越大，节点连通度越小， 则优先级越大，将具有最高链路持续时间的节点作为簇头，优先级仅次于簇头的节点成为备 用簇头；簇头向其簇内节点广播分簇控制消息，宣告自己成为簇头，簇内节点根据自己的状 态确定自己是簇内节点还是备用簇头，并向簇头回复；节点周围没有其他邻居节点，则该节 点形成单独的簇，设定自己簇头。

本发明还提供了一种车载自组织网络中簇的更新方法，具体包括：

簇头节点CH、簇成员节点CM和备用簇头BKCH根据自身位置的变化和优先级的变化进行 更新；

簇头节点周期性的进行检测，如果簇成员CM的平均链路持续时间大于自身，则该成员节 点成为簇头，并广播分簇控制消息，原簇头节点成为成员节点；如果簇头节点CH的平均链路 持续时间仍为最大，则簇头节点只需维持自己的状态，更新其簇成员的速度、位置等信息； 如果簇头节点没有收到某成员节点周期性的广播状态信息，那么簇头把该成员节点从它的成 员表中删除；

如果超过10%的簇成员离开簇头的范围，但是没有离开备用簇头的范围，就把备用簇头 转化为簇头；如果簇头进入到邻居簇头传输范围的1/3，就设定备用簇头为簇头，若备用簇 头仍在邻居簇头传输范围的1/3，就发送最后一个信息，宣布合并到邻居簇，其他簇成员或 者加入邻居簇，或者回到未定状态。

本发明还提供了一种车载自组织网络中基于链路持续时间的簇MAC协议，包括：簇建立 完成后，进入簇的稳定阶段，在簇的稳定阶段开始业务数据的收发；在分层网络中，簇头节 点必须和自己簇内的普通节点保持时间上的同步，使数据有序的上传；簇MAC协议中簇内节 点采用CSMA/TDMA混合机制和簇头节点进行通信；簇MAC协议中簇头节点采用CSMA/CA机制 和邻居簇头进行通信；簇MAC协议中根据簇间融合机制解决两个簇相遇时所产生的预约时隙 分配冲突问题。

进一步，在同步时段，簇头节点向簇内节点广播簇头控制消息，该消息为每个簇内节点 分配与簇头通信的具体时刻，簇内节点根据簇头发布的控制消息，安排自己的活动，当需要 自己通信就开启通信模块，不需求自己通信时，则关闭通信模块进入休眠状态。

进一步，簇头向簇内成员节点广播TDMA通信时隙表，簇成员收到广播后，在属于自己 的时隙内竞争信道，向簇头发送监测到的数据；簇头负责接收簇内节点发送来的数据和对收 到的簇内信息进行融合，并与相邻簇头进行通信；

簇头生成的时间帧，由若干个时隙和一个广播时隙组成；在每个时间帧内，簇内成员各 分到一个时隙，成员节点只有在自己的时隙内才能优先占用信道向簇头发送数据；簇头在广 播时隙中发布下一轮时隙的分配、新的时钟同步信号，簇内成员节点都处于侦听状态，完成 与簇头的通信，并更新时隙和时钟。

进一步，簇头收到簇内节点发送的信息后，采用CSMA/CA机制实现与邻居簇头之间的通 信；簇头在发送数据前，向下一跳邻居簇头先发送请求帧，其邻居簇头收到RTS后发送CTS 进行应答，簇头发送数据给邻居簇头，当邻居簇头收到数据包后，向源簇头发送ACK帧确认 数据包被正确接收；其他邻居簇头侦听到RTS或CTS后等待，直到本次数据包发送结束后在 竞争信道。

进一步，根据节点在簇中的不同位置将节点分为三种不同的角色：簇头前节点、簇头节 点和簇头后节点；不同位置的节点在选择自己的预约时隙时采用不同的规则，如果节点选择 预约时隙n作为自己的基本时隙，则簇头前节点要求n%2=0，簇头后节点要求n%2=1；两簇 相遇之后，首先相遇的两个节点如果发现两个簇内时隙分配有冲突的情况就在自身的FI中 将相应的时隙设为空闲，通知冲突的节点申请新的时隙以解决时隙分配冲突，实现簇的融合。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种车载自组织网络中基于链路持续时间的簇MAC 协议实现方法，该方法有利于提高车载自组织网络中簇的稳定性，降低网络开销；明显提高 了数据传输的可靠性，能够有效地降低数据传输延迟。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明实施例中自组织网络由未定状态到簇头形成的流程图；

图2为本发明实施例中节点周期性的发送并接受基本控制消息格式；

图3为本发明实施例中中簇更新和维护过程中的状态转移图；

图4为本发明实施例中簇头节点和自己簇内的普通节点保持时间上的同步示意图；

图5为本发明实施例中簇间融合机制的示意图；

图6为本发明实施例中簇头向簇内成员节点广播TDMA通信时隙表的分配原理示意图；

图7为本发明实施例中MAC协议信道分配利用示意图；

图8为本发明实施例中MAC协议算法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明实施例中自组织网络由未定状态到簇头形成的流程图,如图所示，节点选取 簇头的具体过程可以包括：

步骤A1--获取节点及其邻居的位置、速度、加速度等信息。

具体描述如下，节点通过GPS定位系统获取自身的位置等信息，并通过周期性的基本控 制消息向邻居告知自己的位置、速度和加速度等信息。

节点通过收到的邻居节点的信息计算自己的平均链路持续时间。

参见图2，图2为本发明实施例中提供的车辆获取邻居节点信息的周期性基本控制消息格 式。节点根据消息类型判断自己的状态，消息类型Type包括：0为邻居节点的状态信息，1 为簇头的第一个信息，2为簇头控制消息，3为簇头的最后一个信息。

步骤A2--根据获取的节点位置、速度，加速度信息确定节点与邻居节点间的平均连接持 续时间。

具体的，节点i通过GPS获取当前位置S_i、速度v_i、加速度a_i等信息，节点i通过周期 性的基本控制消息获取邻居节点j的当前位置S_j、速度v_j、加速度a_j等信息。节点能够与邻 居节点通信，则位置关系需要满足以下公式。

$\left(\begin{array}{cc}\frac{1}{2}{(a_j-a_i)t}^2+(v_j-v_i)t=R-(S_j-S_i)& 0\le t\le t_1\\ \frac{1}{2}(a_j-a_i)t^2+(v_j-v_i)t=R+(S_j-S_i)& t>t_1\end{array}\right)$

其中，t₁表示两车从初始链接开始到具有相同的速度所需要的时间，

节点根据以下公式计算节点与邻居节点间的平均链接时间。

$E\left[\mathrm{link}\right]=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{T}_i}{N}$

其中，$T_i=\left(\begin{array}{cc}\min (t,t_{\max })& a_j-a_i\ne 0,v_j-v_i=0\\ t_{\max }& a_j-a_i=0,v_j-v_i=0\end{array}\right)$

步骤A3—节点根据交互状态信息获得的邻居节点集合来确定节点的连通度。

具体的，节点通过周期性地交互状态信息，记录t₀时刻邻居节点集合N₀(i)，和当前时刻 t₁邻居节点集合N₁(i)，预测邻居节点变化频繁程度；节点i根据下述公式计算与邻节点间的 连通度。

$\mathrm{MC}\left[i\right]=\frac{|N_0\left(i\right)\cup N_1\left(i\right)|-|N_0\left(i\right)\cap N_1\left(i\right)|}{|N_0\left(i\right)\cup N_1\left(i\right)|}$

|N₀(i)∪N₁(i)|为节点在t₀时刻和t₁时刻所有邻居节点个数，|N₀(i)∩N₁(i)|为节点在t₀时刻 和t₁时刻同时拥有的邻居节点的个数，t₀和t₁的间隔越小，计算越精确，但是会增加网络开销， 因此定义其间隔为状态信息交互的周期；

步骤A4—根据节点间的平均连接持续时间和节点连通度选取簇头。

所有节点广播状态信息，节点收到邻居节点的平均连接持续时间E[link]，与自己的 E[link]比较，E[link]最大的节点成为簇头，若有多个最大值E[link]，则选取连通度MC值 较小的为簇头。

簇头向邻居节点广播分簇控制消息，宣告自己成为簇头并邀请邻居节点加入该簇。如果 邻居节点在定时器范围内没有收到分簇控制消息，则自己形成单独的簇。如果邻居节点收到 分簇控制消息且具有仅次于簇头的E[link]，则设定自己为备用簇头。

参见图3，图3是本发明实施例中簇更新和维护的状态转移图。由于节点的快速移动， 经常导致簇成员节点离开簇头的通信范围，因此簇及时的更新和维护是很有必要的。

步骤A5—簇头的更新和维护。

具体的，簇头周期性的检测簇成员的基本状态信息，如果簇成员节点中有节点的E[link] 值大于簇头节点，则设定有最大E[link]的节点为簇头，原簇头节点成为成员节点，否则簇 头节点只更新簇成员节点的速度、加速度和位置等信息。如果簇头没有收到簇成员的状态信 息，那么簇头就将该成员从该簇中删除。

当车辆距簇头的距离超过传输范围，就离开簇寻找下一个簇加入，或者自己成为单独的 簇。在簇头范围内，除簇头外最高E[link]的车设为备用簇头，这个备用簇头不形成一个新 的簇，等待合并到其他簇或者改变自己的状态成为一个主簇。

一段时间后簇成员仍在簇头的范围内，簇头就维持自己的状态。由于车辆的加减速导致 边界簇成员离开簇。如果超过10%的簇成员离开簇头的范围，但是没有离开备用簇头的范围， 就把备用簇头转化为簇头。

如果簇头进入到邻居簇头传输范围的1/3，就设定备用簇头为簇头，若备用簇头仍在邻居 簇传输范围的1/3，就发送最后一个信息，宣布合并到邻居簇，其他簇成员或者加入邻居簇， 或者回到单独状态。

本发明实施例中，CSMA/TDMA混合机制的簇MAC过程包括：

步骤B1—簇头和簇内节点保持时间上的同步。

具体的，参见图4，图4是本发明实施例中簇头节点和自己簇内的普通节点保持时间上 的同步示意图。在同步时段，簇头节点向簇内节点广播簇头控制消息，在该消息中为每个簇 内节点分配与簇头通信的具体时刻，簇内节点根据簇头发布的控制消息，安排自己的活动， 当需要自己通信就开启通信模块，不需求自己通信时，则关闭通信模块进入休眠状态。

步骤B2—簇头节点采用簇间融合机制为簇内成员分配时隙。

具体的，参见图5，图5是本发明实施例中簇间融合机制的示意图。簇融合机制具体过 程如下。

i：簇间融合机制根据节点不同的位置将节点分为三种不同的角色：簇头前节点、簇头节 点和簇头后节点。

ii：不同位置的节点在选择自己的预约时隙时采用不同的规则，如果节点选择预约时隙n 作为自己的基本时隙，则簇头前节点要求n%2=0，簇头后节点要求n%2=1。

iii：节点每次收到FI帧就更新自己的时隙分配列表，如果有两个节点使用同一个时隙， 则将该时隙设为空闲。

iv：发生冲突的节点就会重新进行时隙的申请。

当两簇相遇之后，首先相遇的两个节点如果发现两个簇内时隙分配有冲突的情况就在自 身的FI中将相应的时隙设为空闲，通知冲突的节点申请新的时隙以解决时隙分配冲突，实 现簇的融合。

步骤B3—簇头根据所分配的时隙向簇成员广播时隙表。

簇头生成的时间帧，由若干个时隙和一个广播时隙组成。参见图6，图6是本发明实施 例中簇头向簇内成员节点广播TDMA通信时隙表的分配原理示意图。在每个时间帧内，簇内 成员各分到一个时隙，成员节点只有在自己的时隙内才能优先占用信道向簇头发送数据。簇 头在广播时隙中发布下一轮时隙的分配、新的时钟同步信号，簇内成员节点都处于侦听状态， 完成与簇头的通信，并更新时隙和时钟。

步骤B4—簇头和簇内节点根据簇MAC协议进行通信。

具体的，在CSMA/TDMA时段各个簇内节点在自己被分配的时隙内优先与簇头节点通信， 在非分配时隙内同其他簇内节点竞争接入信道。在CSMA时段簇头节点竞争信道，竞争信道成 功后与邻居簇头通信，此时，簇内节点进入休眠状态。

参见图7，图7是本发明实施例中MAC协议信道分配利用示意图。信道以100ms为一个 周期，每个周期均分为两个部分：CSMA时间段和TDMA时间段。每个时间段分别为50ms。将 每个时间段分为10个时隙，每个时隙5ms。

在CSMA时间段CH之间采用CSMA竞争接入信道，进行数据传输。在CSMA/TDMA时间段， CH预先分配时隙给每个CM，CM竞争接入信道，在CH分配的指定时隙内的CM优先接入信道， 等待时间为SIFS。若不在自己所分配的时隙内，CM同样可以竞争接入信道，不过等待时间为 DIFS。这样保证在CM在所分配的时隙内空闲时，其他CM也可接入信道，提高信道的利用率。

参见图8，图8是本发明实施例提供的基于链路持续时间簇MAC过程的流程图。簇MAC 中簇头和簇内节点接入信道传输数据的过程如下所示：

由成簇算法形成簇，选取簇头；

簇头根据同步机制和簇间融合机制为簇内节点分配相应的时隙；

节点根据自己的状态判断控制帧安排的时段；

若为簇头和簇成员通信时段，簇成员判断自己是否为簇头分配的时隙，如果是，则等待 SIFS后竞争信道，否则等待DIFS后在竞争信道；

若为簇头之间的通信时段，采用CSMA机制与邻居簇头进行通信。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述 优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和 细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。