一种车载自组织网络的多通道认知MAC协议

摘要

本发明涉及一种车载自组织网络的多通道认知MAC协议，其包括：①对频段的分配方法：将DSRC频段划分为7个信道，其中1个作为虚拟授权用户的控制信道，1个作为虚拟次级用户的控制信道；剩余的5个信道作为虚拟授权用户的服务信道；将UHF频段划分为多个服务信道。②对同步周期的设定方法：DSRC频段的同步周期是现有同步周期的一半。③虚拟授权用户的通信过程。④虚拟次级用户的通信过程。本方法对比传统方法，具有以下优点：①在车辆节点密集的情况下，虚拟授权用户所广播的安全信息的到达率有显著提高；②由于使用了UHF频段，虚拟次级用户的服务需求得到有效保证。

说明书

技术领域

本发明涉及一种车载自组织网络的多通道认知MAC协议，属于无线网络通信技术领域。 

背景技术

当前，车载自组织网络的MAC协议设计主要面临的问题是信息的到达率不高，特别是在车辆节点密集的情况下，安全信息无法及时准确到达。这些问题不但传统的移动自组织网络的MAC协议无法解决，而且现有的车载网络专用短范围通信（Dedicated Short Range Communications，DSRC）协议也难以很好处理。根据电气电子工程师协会IEEE所提出的用于智能交通的无线局域网标准IEEE802.11p规定，车载网络专用短范围通信DSRC的工作频段为5.860GHz到5.920GHz频段，一般将这一车载网络专用短距离通信DSRC的工作频段称为DSRC频段。 

为了解决车载自组织网络中信息到达率不高的问题，研究人员提出了很多的解决方案。Xu等人在文献《Vehicle-to-vehicle safety messaging in DSRC》（Q.Xu,T.Mak,J.Ko,and R.Sengupta,“Vehicle-to-vehicle safety messaging in DSRC,”in Proceedings of the1st ACM international workshop on Vehicular ad hoc networks,New York,NY，USA,2004,pp.19-28.）中，提出了6个改进的MAC协议。其主要思想是使用重复传输和无确认的载波监听来确保消息的到达，以此来处理网络动态性问题。该论文中提出了一个位于逻辑链路控制层LLC和标准的MAC层之间的MAC扩展层，用于实现消息的复制和重复消息的删除。一旦这个MAC扩展层接收到一个来自LLC的消息，系统就从闲置状态进入一个复制状态，并开始复制这个消息。而当MAC扩展层从MAC层接收到一个消息时，它进入一个重复移除状态。在重复移除状态下，当一个消息ID是原来没有被检测到的，那么就把它看作是一个新消息，并传送到LLC；如果这个消息之前被检测到，就将其移除。使用以上设计思想，该论文中提出6个改进的MAC协议：异步固定重复（AFR）、异步p-连续重复（APR）、同步固定重复（SFR）、同步p-连续 重复（SFR）、具有载波感知的异步固定重复（AFRCS）、具有载波感知的异步p-连续重复（APR-CS）。 

Chung等人在文献《A cognitive MAC for VANET based on the WAVE systems》（Seung-eun Chung,Joon Yoo,and Chong-kwon Kim,“A cognitive MAC for VANET based on the WAVE systems,”in11th International Conference on Advanced Communication Technology,2009.ICACT2009,2009,vol.01,pp.41–46.）中试图在保证公平的频谱分配的基础上，对车联网通信中动态性大的问题进行了处理。该论文提出了一种车联网的认知MAC协议CMV（Cognitive MAC protocol for VANET）。这一协议对于长时间和短时间的通信采用了不同的方法。对于长时间的频谱接入，它使用基于认知无线电技术的并行传输方法。而对于短时间的频谱接入，它使用宽带频谱池（wideband spectrum pooling）的方法。通过数学分析和仿真，这一方法的性能相比较于现有MAC协议提高了72%。 

为了解决车辆几点密集情况下的消息冲突问题，Kirsch等人在文献《Improving the performance of vehicular networks in high traffic density conditions with cognitive radios》（N.J.Kirsch and B.M.O’Connor,“Improving the performance of vehicular networks in high traffic density conditions with cognitive radios,”in Intelligent Vehicles Symposium(IV),2011IEEE,2011,pp.552-556.）中提出为车联网增加一个认知无线电系统，从而在空间和时间上为车联网增加通信频道。该论文中，通过感知和使用电视通信频谱，将平均可用服务信道数从现有专用短范围通信DSRC的4个增加到20个。而这些通信频道可以增加通信的吞吐量和降低消息冲突发生的概率。 

以上改进方法在一定程度上提高了在车辆节点密集的情况下，广播信息的到达率，但效果还不是十分理想。 

发明内容

本发明的目的是为了克服已有车载自组织网络通信方法存在的不足，提出一种车载自组织网络的多通道认知MAC协议。 

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。 

一种车载自组织网络的多通道认知MAC协议，其包括： 

（1）对频段的分配方法。 

在车载自组织网络中传输的信息分为2种：①与安全相关的信息，称为安全信息；②与安全不相关的信息，称为服务信息；将安全信息的发送节点定义为“虚拟授权用户”；将服务信息的发送节点定义为“虚拟次级用户”； 

所述节点包括：汽车、路边通信基站。 

所述频段包括DSRC频段和UHF频段（Ultra High Frequency，特高频段）。 

DSRC频段是从5.860GHz到5.920GHz，将DSRC频段划分为7个信道。选择DSRC频段的7个信道中的一个信道作为虚拟授权用户的控制信道；从DSRC频段的另外6个信道中选择一个信道作为虚拟次级用户的控制信道；剩余的5个信道作为虚拟授权用户的服务信道。 

UHF频段是从470MHz到860MHz，将UHF频段分为m个信道，30≤m≤50作为虚拟次级用户的服务信道。 

（2）对同步周期的设定方法。 

设定虚拟授权用户的同步周期为50ms，其中控制信道时间间隔25ms，服务信道时间间隔25ms。 

设定虚拟次级用户的同步周期为100ms，其中控制信道时间间隔50ms，服务信道时间间隔50ms。 

（3）虚拟授权用户的通信过程。 

步骤1.1：虚拟授权用户将需要发送的安全信息放入发送队列。 

步骤1.2：虚拟授权用户从DSRC频段的5个服务信道中检测是否具有空闲服务信道，如果有，选择一个服务信道，并在控制时间间隔，广播使用该服务信道的请求帧；否则，重复执行步骤1.2。 

步骤1.3：虚拟授权用户在广播使用该服务信道的请求帧以后，在该服务信道实现安全信息的当前数据帧的广播通信。如果通信失败，则转到步骤1.2；否则重复步骤1.3进行安全信息的下一数据帧的广播通信，直到安全信息传输完毕。 

（4）虚拟次级用户的通信过程。 

对于虚拟次级用户的服务信息的传输，本发明采用频谱机会接入的方法进行传输，具体通信过程为： 

步骤2.1：车载自组织网络中的每个节点都维护一个频谱状态表，用SST表示。频谱状态表SST用于记录该节点在通信范围内的DSRC频段中的5个虚拟 授权用户的服务信道以及UHF频段中的虚拟次级用户的m个服务信道的占用情况。 

步骤2.2：车载自组织网络中的每个节点都周期性的与邻居节点交换频谱状态表SST。每个节点再据此维护一个邻居频谱状态表，用NSST表示。邻居频谱状态表NSST用于记录该节点的所有邻居节点在通信范围内的DSRC频段中的5个虚拟授权用户的服务信道以及UHF频段中的虚拟次级用户的m个服务信道的占用情况。 

所述邻居节点定义为：与某一节点能够实现通信的节点称为该节点的邻居节点。 

步骤2.3：预先设定虚拟次级用户可以选择的空闲服务信道的最大数量，用n表示，2≤n≤10。虚拟次级用户根据自身维护的邻居频谱状态表NSST，选择p个空闲服务信道，发送请求传送帧RTS。如果可选择的空闲服务信道的数量大于n，则p=n；否则，p值为实际可选的空闲服务信道的数量。 

步骤2.4：如果接收节点接收到q个请求传送帧RTS，1≤q≤p，接收节点从q传输请求传送帧RTS的服务信道中选择一个服务信道发送确认传送帧CTS；否则，重复步骤2.3。 

步骤2.5：虚拟次级用户在接收到确认传送帧CTS以后，在该服务信道实现服务信息的当前数据帧的通信。如果通信失败，则转到步骤2.3；否则重复步骤2.5进行服务信息的下一数据帧的通信，直到该服务信息传输完毕。 

有益效果 

本发明提出的车载自组织网络的多通道认知MAC协议与已有车载自组织网络的通信协议相比较，具有如下优点： 

①由于虚拟授权用户具有DSRC频段的优先使用权，而且DSRC频段的同步周期是现有同步周期的一半，因此，在车辆节点密集的情况下，虚拟授权用户所广播的安全信息的到达率有显著提高； 

②由于使用了UHF频段，虚拟次级用户的服务需求得到有效保证。 

具体实施方式

为了更好的说明本发明的技术方案，通过1个实施例，对本发明做进一步说明。 

一种车载自组织网络的多通道认知MAC协议，其包括： 

（1）对频段的分配方法。 

所述频段包括DSRC频段和UHF频段。 

在车载自组织网络中传输的信息分为2种：①与安全相关的信息，称为安全信息；②与安全不相关的信息，称为服务信息。将安全信息的发送节点定义为“虚拟授权用户”；将服务信息的发送节点定义为“虚拟次级用户”。 

所述节点为：汽车、路边通信基站。 

将所有的DSRC频段分配给虚拟授权用户；具体为： 

将DSRC频段划分为7个信道，具体为：5.855GHz到5.865GHz为第一信道；5.865GHz到5.875GHz为第二信道；5.875GHz到5.885GHz为第三信道；5.885GHz到5.895GHz为第四信道；5.895GHz到5.905GHz为第五信道；5.905GHz到5.915GHz为第六信道；5.915GHz到5.925GHz为第七信道。选择DSRC频段的7个信道中的一个信道作为虚拟授权用户的控制信道；从DSRC频段的另外6个信道中选择一个信道作为虚拟次级用户的控制信道；剩余的5个信道作为虚拟授权用户的服务信道。 

UHF频段是从470MHz到860MHz，将UHF频段分为39个信道，每10MHz为一个信道，这39个信道都作为虚拟次级用户的服务信道。 

（2）对同步周期的设定方法。 

设定虚拟授权用户的同步周期为50ms，其中控制信道时间间隔25ms，服务信道时间间隔25ms。 

设定虚拟次级用户的同步周期为100ms，其中控制信道时间间隔50ms，服务信道时间间隔50ms。 

（3）虚拟授权用户的通信过程。 

假设节点A需要广播安全信息，则节点A为虚拟授权用户。节点A的通信过程为： 

步骤1.1：节点A将需要发送的安全信息放入发送队列。 

步骤1.2：节点A从DSRC频段的5个服务信道中检测是否具有空闲服务信道，如果有，随机从中选择一个服务信道，并在控制时间间隔，广播使用该服务信道的请求帧；否则，重复执行步骤1.2。 

步骤1.3：节点A在广播使用该服务信道的请求帧以后，在该服务信道实现 安全信息的当前数据帧的广播通信。如果通信失败，则转到步骤1.2；否则重复步骤1.3进行安全信息的下一数据帧的广播通信，直到安全信息传输完毕。 

（4）虚拟次级用户的通信过程。 

假设节点A需要向节点B发送服务信息，则节点A为虚拟次级用户，节点B为接收节点。节点A和节点B之间的通信过程为： 

步骤2.1：车载自组织网络中的每个节点都维护一个频谱状态表，用SST表示。频谱状态表SST用于记录该节点在通信范围内的DSRC频段中的5个虚拟授权用户的服务信道以及UHF频段中的虚拟次级用户的39个服务信道的占用情况。DSRC频段中的5个虚拟授权用户的服务信道以及UHF频段中的虚拟次级用户的39个服务信道分别用SCH1至SCH44表示。 

步骤2.2：车载自组织网络中的每个节点都周期性的与邻居节点交换频谱状态表SST。每个节点再据此维护一个邻居频谱状态表，用NSST表示。邻居频谱状态表NSST用于记录该节点的所有邻居节点在通信范围内的DSRC频段中的5个虚拟授权用户的服务信道以及UHF频段中的虚拟次级用户的39个服务信道的占用情况。此时节点A的频谱状态表SST如表1所示；节点A的邻居频谱状态表NSST如表2所示。 

表1节点A的频谱状态表SST 

表1节点A的邻居频谱状态表NSST 

步骤2.3：预先设定节点A可以选择的空闲服务信道的最大数量为3。节点A根据自身维护的邻居频谱状态表NSST，随机选择3个空闲服务信道SCH1、SCH2和SCH3，发送请求传送帧RTS。 

步骤2.4：假设节点B从SCH2和SCH3两个服务信道分别接收到请求传送帧RTS，节点B从这两个服务信道中随机选择一个服务信道SCH2发送确认传 送帧CTS。 

步骤2.5：节点A在接收到确认传送帧CTS以后，在服务信道SCH2实现服务信息的当前数据帧的通信。如果通信失败，则转到步骤2.3；否则重复步骤2.5进行服务信息的下一数据帧的通信，直到该服务信息传输完毕。 

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。