基于時分發(fā)送MAC協(xié)議的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)道路安全監(jiān)控系統(tǒng)

郭洪威，廖惜春，王仁紅

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基于時分發(fā)送MAC協(xié)議的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)道路安全監(jiān)控系統(tǒng)

郭洪威，廖惜春，王仁紅

（五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

為解決Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)道路交通安全監(jiān)控系統(tǒng)的沖突問題，提高系統(tǒng)的實時性，提出了時分發(fā)送MAC協(xié)議，即將1幀數(shù)據(jù)分成若干份發(fā)送，每份間隔相同的時間. 時分發(fā)送MAC協(xié)議具有異步通信和同步通信的優(yōu)點，大大降低了沖突概率，提高了系統(tǒng)的實時性、準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)的傳輸速度.

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)；MAC通信協(xié)議；GPRS通信模塊；導(dǎo)航系統(tǒng)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)動車輛越來越多而道路建設(shè)相對滯后，交通安全狀況日益凸顯，亟需城市交通管理部門建立完善的交通安全監(jiān)控系統(tǒng)以加強(qiáng)交通管理、提高現(xiàn)有道路的通行能力、協(xié)調(diào)處理突發(fā)性交通事件、緩解交通阻塞. 現(xiàn)有的道路監(jiān)控系統(tǒng)存在許多問題，如當(dāng)系統(tǒng)某部分被毀壞時，整個系統(tǒng)無法正常工作；當(dāng)?shù)缆烦霈F(xiàn)故障時，只有監(jiān)控中心知情，故障處理人員信息滯后；當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)事件時，系統(tǒng)無法迅速通知靠近突發(fā)事件現(xiàn)場的機(jī)動車輛；系統(tǒng)造價高，需要鋪設(shè)復(fù)雜的線路等. Ad Hoc無線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的道路監(jiān)控系統(tǒng)可解決上述問題，基于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)[1]道路安全監(jiān)控系統(tǒng)的主要特點是節(jié)點移動快、某些區(qū)域節(jié)點密集、實時性要求高，因此該系統(tǒng)需要一種針對道路交通特點的、反應(yīng)迅速可靠、高速傳輸數(shù)據(jù)的信道接入?yún)f(xié)議[2]. 本文研究了一種新的信道接入?yún)f(xié)議：時分發(fā)送MAC協(xié)議，該協(xié)議結(jié)合異步通信和同步通信的優(yōu)點，能實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)高速無沖突傳輸，從而提高系統(tǒng)的實時性、準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)的傳輸速度[3-5].

1 MAC協(xié)議

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的分層結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：上層的應(yīng)用服務(wù)和傳輸服務(wù)為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)終端的應(yīng)用程序提供服務(wù)；轉(zhuǎn)發(fā)和路由完成網(wǎng)絡(luò)層的功能；Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的鏈路層協(xié)議可以劃分為鏈路控制子層和信道接入子層，鏈路控制子層完成連接控制、分簇等與信道無關(guān)的鏈路層控制功能，信道接入子層控制節(jié)點接入無線信道，為上層提供快速、可靠的報文傳送支持. 信道接入處在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧軟件的最底部，它控制著節(jié)點在合適的時機(jī)接入無線信道，是報文在信道上發(fā)送和接收的直接控制者. 信道接入?yún)f(xié)議的好壞直接關(guān)系著信道的利用效率和整個網(wǎng)絡(luò)的性能.

圖1 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧示意圖

信道接入?yún)f(xié)議又稱MAC協(xié)議[6]，可分為異步MAC協(xié)議和同步MAC協(xié)議. 異步MAC協(xié)議就是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點根據(jù)各自的時鐘完成接入信道的過程，對信道的使用不需要劃分時隙，節(jié)點隨機(jī)接入信道，使用信道的時間不確定. 同步MAC協(xié)議中節(jié)點接入信道的時間一定在時隙開始時刻，每個節(jié)點在預(yù)先分配的各自的時隙中使用信道. 異步MAC協(xié)議和同步MAC協(xié)議各有優(yōu)點和需要解決的問題.

在異步MAC協(xié)議網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點是隨機(jī)接入信道的. 因此，使用信道的時間不確定，數(shù)據(jù)容易發(fā)生沖突. 由隨機(jī)過程理論，網(wǎng)絡(luò)使用異步MAC協(xié)議，節(jié)點每次使用信道的時間越短，發(fā)生沖突的概率越小，因此提高傳輸速率、減少每次發(fā)送字節(jié)的個數(shù)可以減少節(jié)點每次使用信道的時間，但Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的帶寬有限，傳輸速率提高的空間有限.

同步MAC協(xié)議的突出特點是需要全網(wǎng)的時鐘精確同步，并給每個節(jié)點分配時隙，每個節(jié)點在各自時隙中使用信道. 時鐘精確同步和分配時隙的根本目的是確保每個節(jié)點單獨使用信道，但在本系統(tǒng)中，車輛的時鐘精確同步十分困難，為每一輛車分配發(fā)送數(shù)據(jù)起始時刻更加困難.

2 時分發(fā)送MAC協(xié)議

本系統(tǒng)的MAC協(xié)議稱為時分發(fā)送MAC協(xié)議. 使用時分發(fā)送MAC協(xié)議，節(jié)點有數(shù)據(jù)立即發(fā)送，數(shù)據(jù)因沖突而無法傳遞的概率非常小，可有效解決系統(tǒng)所遇到的問題，實時性高，可靠，數(shù)據(jù)傳輸速快. 時分發(fā)送MAC協(xié)議分為數(shù)據(jù)發(fā)送接收和數(shù)據(jù)處理2部分. .

2.1 數(shù)據(jù)發(fā)送

如果有1幀數(shù)據(jù)要發(fā)送，節(jié)點立即把數(shù)據(jù)發(fā)送出去. 發(fā)送數(shù)據(jù)的方法是：逐個字節(jié)點發(fā)送，中間間隔固定的一小段時間，發(fā)送1幀數(shù)據(jù)的所有字節(jié)后，間隔一段時間，再以同樣的方法重復(fù)發(fā)送一次，如圖2所示.

圖2 數(shù)據(jù)發(fā)送示意圖

2.2 發(fā)送數(shù)據(jù)的處理

若2個或2個以上節(jié)點采用上述方法發(fā)送數(shù)據(jù)，則接收節(jié)點在相鄰的時刻接收到來自不同節(jié)點的數(shù)據(jù). 接收節(jié)點按時間順序，以一維數(shù)組的形式儲存接收的數(shù)據(jù)，數(shù)組里相鄰字節(jié)屬于不同的節(jié)點，來自同一節(jié)點的字節(jié)中間相隔一個或幾個其他節(jié)點的字節(jié). 要區(qū)分不同節(jié)點的數(shù)據(jù)，每個字節(jié)必須帶有識別信息. 現(xiàn)規(guī)定一個字節(jié)8位，高4位用來承載有用信息，低4位用來承載識別信息. 4位二進(jìn)制最多只能表示16種識別信息，而同一時刻發(fā)送數(shù)據(jù)的鄰節(jié)點一般小于16個，識別信息可以在下一次發(fā)送數(shù)據(jù)時重復(fù)使用.

圖3是有用信息和識別信息結(jié)合的數(shù)據(jù)處理過程，等待發(fā)送數(shù)據(jù)來自網(wǎng)絡(luò)層. 首先把等待發(fā)送數(shù)據(jù)每個字節(jié)的高4位和低4位分離：第1個節(jié)點的高4位用BH1表示，第2個字節(jié)的高4位用BH2表示；第1個字節(jié)的低4位用BL1表示，第2個字節(jié)的低4位用BL2表示. 以此類推. 節(jié)點的CPU隨機(jī)生成一個數(shù)，取這個數(shù)的低4位用RDL表示，4位的RDL分別與等待發(fā)送數(shù)據(jù)分離出來的高4位或低4位重新組合成一個字節(jié)，再組成新的數(shù)據(jù)幀. 節(jié)點把新的數(shù)據(jù)幀按上述方法直接發(fā)送出去.[7]

圖3 發(fā)送數(shù)據(jù)處理的示意圖

2.3 數(shù)據(jù)接收

發(fā)現(xiàn)有節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，接收節(jié)點立即啟動接收，同時啟動定時器. 接收節(jié)點按時間順序，以一維數(shù)組的形式儲存接收的數(shù)據(jù)，直到定時器到時間節(jié)點才進(jìn)入接收數(shù)據(jù)的處理過程.

2.4 接收數(shù)據(jù)的處理

接收數(shù)據(jù)處理過程是發(fā)送數(shù)據(jù)處理過程的逆過程，如圖4所示. 首先根據(jù)每個節(jié)點低4位提供的識別信息把數(shù)據(jù)分開，識別碼相同的作為一組，按時間順序排列. 在同一組里，把每個字節(jié)的高4位和低4位分開，去掉低4位識別信息，高4位有用信息按順序重新組成數(shù)據(jù)幀，被節(jié)點送入網(wǎng)絡(luò)層處理. 分時發(fā)送MAC協(xié)議的算法流程如圖5所示.

圖4 接收數(shù)據(jù)處理的示意圖

3 仿真結(jié)果

本系統(tǒng)中，行駛中的車輛是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，車輛在移動過程中可通過車載無線通信設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)以發(fā)布信息. 車載通信系統(tǒng)由ARM核心板和無線通信模塊組成，ARM完成信息處理、控制信令以及通信協(xié)議處理，無線通信模塊采用STR-30模塊. 每次仿真時間2 s，在2 s內(nèi)，節(jié)點A和節(jié)點B每次發(fā)送數(shù)據(jù)的起始時刻隨機(jī)，發(fā)送數(shù)據(jù)的次數(shù)隨機(jī)，每個字節(jié)的發(fā)送時間為1.417 ms，每幀數(shù)據(jù)共10個字節(jié). 從表1可以看出，時分發(fā)送MAC協(xié)議的性能明顯比普通MAC協(xié)議優(yōu)越.

圖5 時分發(fā)送MAC協(xié)議算法流程圖

表1 時分發(fā)送MAC協(xié)議與普通協(xié)議性能對照表

4 結(jié)束語

沖突是移動自組織網(wǎng)絡(luò)要解決的主要問題，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)道路交通安全監(jiān)控系統(tǒng)實時性和準(zhǔn)確性要求很高. 本系統(tǒng)使用時分發(fā)送MAC協(xié)議，節(jié)點有數(shù)據(jù)立刻發(fā)送，不需要等待，數(shù)據(jù)能一次可靠地傳遞到接收節(jié)點，不需要握手和確認(rèn)，大大提高了信道的利用效率和整個網(wǎng)絡(luò)的性能.

[1] 于宏毅. 無線移動自組織網(wǎng)[M]. 北京：人民郵電出版社，2005.

[2] 秦媛媛，談?wù)褫x. Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用及其面臨的挑戰(zhàn)[J]. 中國數(shù)據(jù)通信，2004，26(2): 23-26.

[3] 陸大絟. 隨機(jī)過程及其應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[4] 張輝，曹麗娜. 通信原理[M]. 北京：科學(xué)出版社，2007.

[5] 朱詩兵，劉作學(xué)，李迎春. 信息論與編碼理論[M]. 北京：科學(xué)出版社，2005.

[6] 鄭少仁，王海濤，趙志峰，等. Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M]. 北京：人民郵電出版社，2005.

[7] 王興亮. 數(shù)字通信原理與技術(shù)[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

An Ad Hoc Network Road Safety Monitoring System Based on the Time-division-transmission MAC Protocol

GUOHong-wei, LIAOXi-chun, WANGRen-hong

(School of Information Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

In order to solve the conflict problem in the Ad Hoc Network’s road safety monitoring system and improve its timeliness, this paper introduces the time division protocol for sending MAC protocols. The MAC protocols sent at the same interval have the advantages of both asynchronous and synchronous communication, greatly reduce the probability of conflict and improve the system’s timeliness, accuracy and speed of data transmission.

Ad Hoc network; MAC protocol; GPRS communication module; navigation system

1006-7302（2011）02-0033-05

TN915.04

A

2010-12-23

廣東省科技計劃項目（2009B010800012）

郭洪威（1980—），男，廣東增城人，碩士研究生，主要研究無線傳感網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)處理；廖惜春，教授，碩士生導(dǎo)師，通信作者，主要研究無線傳感網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)處理.