車載自組織網(wǎng)絡單接口多信道的切換方法

廖 丹，孫 罡，楊曉玲，虞紅芳

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車載自組織網(wǎng)絡單接口多信道的切換方法

廖 丹，孫 罡，楊曉玲，虞紅芳

(電子科技大學通信與信息工程學院 成都 611731)

提出一種單接口多信道的切換方法，它能夠動態(tài)判定網(wǎng)絡中的節(jié)點密度和服務信息流量。節(jié)點密度較大，且服務信息流量較大的節(jié)點劃分為模式；節(jié)點密度較大，但服務信息流量較小時劃分為模式；其余情況的節(jié)點劃分為模式。根據(jù)不同模式的特點，采用不同的報文發(fā)送模式，并且給出3種模式之間的動態(tài)判定和切換方法。在OMNET++平臺上，以SUMO為交通模擬器，選用Veins款開源的車輛間通信模擬仿真框架，對該切換方法進行仿真和性能評估。

時延; MAC; 數(shù)據(jù)包投遞率; 單接口多信道; VANET

VANET作為智能交通的重要組成部分，在事故預警、交通管理、旅游娛樂等方面有著廣闊的前景[1-2]，而MAC協(xié)議為這些應用提供技術支持。作為一種特殊的網(wǎng)絡，VANET網(wǎng)絡具有節(jié)點密度分布不均勻、網(wǎng)絡拓撲變化頻繁等特點[3]。當前MAC協(xié)議主要包括單信道和多信道的MAC協(xié)議[4]。單信道的MAC協(xié)議只能在一條物理信道上通信，然而VANET的通信環(huán)境比較惡劣常常會導致系統(tǒng)帶寬的下降。同時無線電子技術的發(fā)展允許節(jié)點在多個信道間切換和選擇工作?，F(xiàn)有文獻研究表明相對于單信道而言，多信道MAC協(xié)議可以提升信道容量，提高業(yè)務吞吐量和傳輸速率[2-4]。

目前已經(jīng)有較多的多信道MAC協(xié)議。CCC(common control channel)[5]是單接口多信道的MAC協(xié)議，傳輸控制信息時必須在特定的CCH(control channel)上投遞。它最大的缺點是，沒有考慮節(jié)點密度，在擁堵的街上，CCH信道的競爭非常激烈，會造成很多丟包現(xiàn)象。SSCH(slotted seeded channel hopping)協(xié)議[6]和McMAC (multi- channel MAC proposal)協(xié)議[7-8]是基于跳頻的多信道MAC協(xié)議，這類協(xié)議只需要使用一套無線通信設備，就可以使用所有的信道傳輸數(shù)據(jù)，但是它需要嚴格的時鐘同步，而且節(jié)點在不同信道間頻繁切換帶來很大的時間開銷。MTMA(multi transceiver multiple access)協(xié)議[9]中每個節(jié)點擁有多個收發(fā)機制，各個節(jié)點獨立地在多個信道上投遞報文，不會干擾到其他節(jié)點。但是MTMA對負載的分配算法非常重視，怎樣才能公平地為各個設備分配負荷量成為一個難題。它以硬件投資為犧牲換取整體的改良。CMMP(clustering-based multi-channel MAC protocol)協(xié)議[10]是基于簇結構的多信道MAC協(xié)議的典型代表，這類協(xié)議引入簇結構，簇頭調(diào)度信道資源，可以避免開銷。但是文獻[11]表明，形成和維護簇結構會帶來很多額外的網(wǎng)絡開銷，并且簇頭如何確保調(diào)度的公平性也是一個難點。

上面所列舉的多信道的MAC協(xié)議，確實在某些方面具有良好的性能，但均還不夠完善，它們都沒有考慮網(wǎng)絡中的節(jié)點密度和信息流量。本文提出一種基于網(wǎng)絡節(jié)點密度和信息流量的單接口多信道的切換方法，并對其通信性能進行仿真驗證。

1 a、b、g模式介紹

本文提出一種車載自組織網(wǎng)絡單接口多信道MAC協(xié)議，根據(jù)節(jié)點密度和服務信息流量劃分成、、共3種模式。根據(jù)不同模式的特點，采用不同的報文發(fā)送模式，如圖1所示。在保證安全信息的可靠傳輸條件下，對SCH信道進行合理分配，盡可能地滿足用戶的服務需求，提高數(shù)據(jù)帶寬。本論文中提出的多信道MAC協(xié)議針對的是CCH和SCH等間隔切換模式。

1.1模式

當節(jié)點密度較大，并且服務信息流量較大時，采用模式。模式中的節(jié)點采用兩次握手CTS(clear-to -send)/DATA方式在多信道間切換發(fā)送報文，因為在這種模式中的節(jié)點，服務信息流量很大，頻繁的RTS(request-to-send)/CTS握手將導致CCH信道的擁堵，影響交通安全信息的傳輸。由數(shù)據(jù)接收節(jié)點(如節(jié)點)分配信道，并在CCH時隙廣播CTS給其鄰居節(jié)點，鄰居節(jié)點在收到節(jié)點的CTS后，標記鄰居表中節(jié)點對應的位為指定信道模式，鄰居節(jié)點需要發(fā)送報文給節(jié)點時，直接切換信道至節(jié)點指定的信道，如果有多個鄰居節(jié)點需要發(fā)送報文給節(jié)點時，通過退避算法競爭信道。這種模式，省去了RTS預約請求的部分，有效節(jié)省了CCH時隙的帶寬，保證安全信息的可靠傳輸。

1.2模式

當節(jié)點密度較大，但服務信息流量較小時，采用3次握手機RTS/CTS/DATA的方式在多信道之間切換發(fā)送報文，其中RTS、CTS分組都走CCH信道。

1)模式節(jié)點向模式節(jié)點發(fā)送報文時，切換到模式中節(jié)點指定的信道號進行發(fā)送；

2)模式節(jié)點向模式節(jié)點發(fā)送報文時，由于模式中節(jié)點未先指定信道，因此，需要以RTS/CTS/ DATA的方式傳輸。

1.3模式

模式中由于節(jié)點密度較小，因此網(wǎng)絡中產(chǎn)生的安全信息和服務信息也都較少，故此采用4次握手RTS/CTS/DATA/CR方式在單信道上發(fā)送報文，其中CR采用廣播模式釋放信道，RTS、CTS以及Channel-Release都走CCH信道。

1)模式節(jié)點向模式節(jié)點發(fā)送報文時，切換到模式中節(jié)點指定的信道號進行發(fā)送；

2)模式節(jié)點向模式節(jié)點發(fā)送報文時，以RTS/CTS/DATA模式發(fā)送報文；

3)模式節(jié)點與模式節(jié)點相互發(fā)送報文時，以RTS/CTS/DATA模式發(fā)送報文。

因此，本文提出的車載自組織網(wǎng)絡多信道MAC協(xié)議的3種模式之間可以實現(xiàn)無縫的連接。

2 a、b、g模式判定

2.1 3種模式的判定

節(jié)點密度大小根據(jù)鄰居表中鄰居數(shù)目的大小來確定，一般給定定值，當鄰居數(shù)目大于值時則認為該節(jié)點處在密度較大的區(qū)域。

1) 節(jié)點處于密度較大的區(qū)域時

①服務信息流量理論值

設b為信道忙的概率；為信道由忙變空閑的延遲時間(由偵聽信道硬件設備的性能決定)；B為信道忙的時間；I為信道空閑的時間，數(shù)據(jù)包發(fā)送的時間記為單位時間1，根據(jù)已有的參考文獻，為因數(shù)據(jù)包到達的時間延時造成的碰撞，則有：

(2)

設SCH為SCH時長(即50 ms)；S為每條報文發(fā)送所需的平均時間；為周期SCH內(nèi)節(jié)點服務信息報文的條數(shù)的理論值。根據(jù)式(1)和式(2)則有：

②服務信息流量統(tǒng)計值

一般來說，CCH與SCH定期交換的一個周期為100 ms，其中各占50 ms。在每次切入到SCH信道后，每個節(jié)點統(tǒng)計時間SCH內(nèi)流經(jīng)本節(jié)點的服務報文條數(shù)，該統(tǒng)計值記為L。

L()：統(tǒng)計前第1個周期內(nèi)SCH信道的所有報文數(shù)總和。

L(1)：統(tǒng)計前第2個周期內(nèi)SCH信道的所有報文數(shù)總和。

L(2)：統(tǒng)計前第3個周期內(nèi)SCH信道的所有報文數(shù)總和。

L(i)：統(tǒng)計前第+1個周期內(nèi)SCH信道的所有報文數(shù)總和。

2)、模式的判定

如果L() >，則進入模式；否則節(jié)點屬于模式。

3) 節(jié)點處于密度較小的區(qū)域時，該節(jié)點處于模式。

2.2模式中周期數(shù)的實時動態(tài)調(diào)整策略

本文中需要調(diào)整的參量是進入模式的周期數(shù)，這里一個周期即為一個CCH-SCH，因為模式是多信道切換，在選定好一個SCH信道后，通過預測后面SCH報文數(shù)目，決定當前選定好的CCH-SCH持續(xù)幾個周期，盡可能減少信道切換。通常一個周期CCH-SCH的時間為100 ms，記為CCH-SCH。而周期數(shù)是根據(jù)估計值(利用PID算法估計出的下一個周期SCH內(nèi)所要發(fā)送的報文總數(shù))來調(diào)整的，越大，需要的時間越長，即周期數(shù)越多。周期數(shù)的調(diào)整由PID算法和自適應算法決定。

2.2.1 PID算法

PID差分方程為：

本文根據(jù)(),(1),,(0)以及，用PID方程計算流量的值，然后根據(jù)值在自適應算法中調(diào)整周期數(shù)。本文中，PID算法的調(diào)整周期為CCH-SCH。

2.2.2 自適應算法

如圖2所示，1時刻，節(jié)點檢測0-1(時間為CCH-SCH)內(nèi)的報文條數(shù)(只統(tǒng)計SCH內(nèi)的報文數(shù)，時間長度SCH)，滿足條件L() >進入模式時，模式初始持續(xù)兩個周期如圖2中①所示。在每個CCH-SCH結束時，通過PID和自適應算法來計算當前需要調(diào)整的周期數(shù)，如圖2中的2,3,4時刻，根據(jù)PID計算，并作如下判斷：

3 信道的選擇與分配

3.1 信道的選擇

本文中，由于節(jié)點維護了鄰居的信道表，因此，節(jié)點在通信時選擇空閑信道，采用公平(均勻分布)的原則，從空閑信道中信道號最小的開始選用(這表明，信道表中，若有空閑的信道，那么永遠都是信道號小的信道處于使用狀態(tài))。

對于信道處于全忙狀態(tài)時(每個信道至少有一組節(jié)點在通信)，如果再有一組節(jié)點需要通信，那么選擇其中節(jié)點數(shù)最少的信道。

如表1所示，信道表處于全忙，當節(jié)點14與節(jié)點15需要通信時，選擇SCH1信道。

表1 全忙狀態(tài)時的信道表

如果在本CCH時隙內(nèi)節(jié)點已與其他節(jié)點握手成功，同時，還有其他節(jié)點與節(jié)點需要通信，那么節(jié)點回復CTS時，信道選擇為已握手成功的信道號。

如表1中SCH0出現(xiàn)3個節(jié)點的情況：在CCH時隙，如果節(jié)點1和2先握手成功，選擇了SCH0，緊接著節(jié)點3又向節(jié)點2發(fā)起RTS，那么節(jié)點2就選擇信道SCH0發(fā)CTS給節(jié)點3。

3.2 信道表的維護

本文采用RTS/CTS模式通信，CTS以廣播的形式發(fā)送，CTS都攜帶握手后確定的信道號，信道號默認有效時間是一個CCH-SCH周期，鄰居節(jié)點都能收到CTS，因此鄰居在收到CTS時，更新信道表。而對于信道表的“老化”，分3種情況討論。

1) 對于模式，CTS攜帶信道使用時長，因此，以這個時長來“老化”。

2) 對于模式，采用“超時”釋放信道。兩個周期后自動釋放信道。

3) 對于模式，采用CR釋放信道。在一定的時間(兩個CCH-SCH周期)內(nèi)能收到CR，在收到CR時立即“老化”；否則(可能已不是鄰居，因此沒收到CR)，時間到后自動“老化”。

3.3 CTS攜帶的信息

CTS主要攜帶強制信道使能標志、信道號、信道使用周期數(shù)。強制信道使能標志，指示當前CTS發(fā)起者是否進入強制信道使用狀態(tài)，該情況出現(xiàn)在節(jié)點密度較大、服務信息流量較大時；信道號為預約的信道號；信道使用周期數(shù)在強制使用信道狀態(tài)時，用來設置強制使用信道的總時長。默認情況下，強制信道使能標志為False，信道使用周期數(shù)為1。

4 a、b、g模式切換

4.1 模式的切換

本文提出的信道動態(tài)分配方案適合可大可小的車輛自組織網(wǎng)，根據(jù)節(jié)點密度和服務信息流量大小的不同自動切換不同的模式，以最大限度的利用資源，在保證安全信息的前提下，最少切換信道，盡可能滿足用戶的服務需求。圖3所示為3種模式的切換方法具體實現(xiàn)步驟。

1) 節(jié)點進入CCH時隙。

2) 判斷節(jié)點鄰居數(shù)目，如果大于一定值，那么執(zhí)行步驟①；否則執(zhí)行步驟④。

①判斷服務信息流量大小，如果大于一定值，那么執(zhí)行步驟②；否則執(zhí)行步驟③。

②進入模式，采用強制信道使用機制。分配需要使用的信道號、計算信道使用周期數(shù)并置強制信道使能標志為“真”，在CCH信道發(fā)送CTS；在SCH信道發(fā)送DATA。

③進入模式，在CCH信道發(fā)送RTS/CTS，在SCH信道發(fā)送DATA，采用3次握手機制。

④進入模式，在CCH信道發(fā)送RTS/CTS/CR，在SCH信道發(fā)送DATA，采用4次握手機制。

4.2 報文的發(fā)送

報文發(fā)送流程如圖4所示，具體步驟如下：

1)MAC收到網(wǎng)絡層下發(fā)的報文。

2) 查詢接收節(jié)點的狀態(tài)，如果接收節(jié)點處于強制信道使用機制，那么執(zhí)行步驟①；否則執(zhí)行步驟④。

①查詢接收節(jié)點的信道號、信道使用周期數(shù)。判斷信道使用周期是否到期，如果信道使用周期已到期，執(zhí)行步驟④；否則(信道使用周期未到期)執(zhí)行步驟②。

②判斷是否處在SCH時隙，如果當前處于SCH時隙，在SCH信道直接發(fā)送報文；否則執(zhí)行步驟③。

③等待SCH時隙，切換到SCH時隙時，在SCH信道發(fā)送報文。

④判斷是否處于CCH時隙，如果當前處于CCH時隙，執(zhí)行步驟⑤；否則執(zhí)行步驟⑥。

⑤在CCH時隙上通過發(fā)送RCS/CTS來預約信道，執(zhí)行步驟①。

⑥等待CCH時隙的到來，到達后，在CCH時隙上通過發(fā)送RCS/CTS來預約信道，執(zhí)行步驟①。

5 仿真結果與分析

5.1 仿真平臺介紹

VANET與傳統(tǒng)網(wǎng)絡不同的是，它的節(jié)點是高速移動的車輛，所以需要對節(jié)點的移動情況和道路進行仿真。本文的仿真包括兩個方面：一個是網(wǎng)絡相關協(xié)議算法的仿真；另一個是道路情況和車輛運動情況的交通系統(tǒng)仿真。本文對路由和MAC的仿真所使用的平臺如圖5所示。

Veins是一個開源的用于模擬車輛間通信的仿真框架，由基于離散時間的網(wǎng)絡模擬器和道路交通模擬器組成。本文的網(wǎng)絡模擬器選用OMNET++，交通模擬器選用SUMO。TCP(traffic control interface)使用以客戶端/服務器端結構形式的TCP通道進行通信。其SUMO仿真程序為服務器端。

5.2 仿真結果對比與分析

為評估單接口多信道的切換方法的性能，本文與單信道的MAC協(xié)議進行比較。表2給出了仿真環(huán)境的具體參數(shù)。

表2 OMNET++仿真參數(shù)設置

圖6和圖7給出了進行10次實驗所得出數(shù)據(jù)平均值。本論文仿真了路由協(xié)議的兩項通信指標：消息的投遞成功率和從報文開始產(chǎn)出到最終目的節(jié)點接收的端到端的時延。

圖6表明，單接口多信道的MAC協(xié)議數(shù)據(jù)投遞率整體高于單信道的MAC協(xié)議。從圖中可以看出，節(jié)點數(shù)目在60～100的范圍內(nèi)時，單接口多信道的MAC協(xié)議與單信道的MAC協(xié)議，數(shù)據(jù)成功投遞率相當。這是因為在這個范圍內(nèi)，節(jié)點密度比較稀疏，對于多信道的MAC協(xié)議啟用的是模式，該模式中采用的也是單信道的MAC協(xié)議。隨著節(jié)點逐漸增多，單個信道的MAC協(xié)議從60～150數(shù)據(jù)投遞率是上升的。因為節(jié)點變得稠密后，網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點與節(jié)點之間的鏈路連接性逐漸變好，但是達到150后保持增加時，數(shù)據(jù)包數(shù)量急劇增加，單信道無法滿足，所以投遞率逐漸下降。但對于多個信道MAC協(xié)議來說，達到150個節(jié)點時，并沒有出現(xiàn)急劇下降，由于開啟了、的多信道模式，使得數(shù)據(jù)不至于太過擁堵，充分利用了信道，提高了數(shù)據(jù)包的投遞率。

圖7表明，單接口多信道的MAC協(xié)議端到端的時延整體來說高于單個信道的MAC協(xié)議。從圖中可以看出，節(jié)點數(shù)目在60～100的范圍內(nèi)時，多信道的MAC協(xié)議與單信道的MAC協(xié)議，端到端的時延幾乎一樣。這是因為在這個范圍內(nèi)，節(jié)點密度比較稀疏，對于多信道的MAC協(xié)議啟用的是模式，該模式中采用的也是單信道的MAC協(xié)議。節(jié)點個數(shù)越來越多，單信道的MAC協(xié)議從60～150個節(jié)點范圍內(nèi)端到端的時延是下降的。因為節(jié)點密度增加，網(wǎng)絡的連通性變得越來越好，但是達到150后繼續(xù)增加時，數(shù)據(jù)包數(shù)量急劇增加，單個信道無法同時承載如此多的信息的傳送，所以端到端的時延增加。但對于多個信道MAC協(xié)議來說，100～150個節(jié)點有一段范圍內(nèi)的端到端的時延反而高于單個信道的，這主要是因為在這個節(jié)點范圍內(nèi)，開始啟動模式，模式之間的判定以及接口的切換會帶來一定的時延。隨著節(jié)點數(shù)目繼續(xù)增加，、、模式根據(jù)網(wǎng)絡情況實時切換，使得網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)包不那么擁擠，時延明顯低于單信道的MAC協(xié)議。

6 結束語

本文抓住車載自組織網(wǎng)絡拓撲的多樣性，在同一網(wǎng)絡中根據(jù)節(jié)點密度和服務信息流量的不同，分成、、模式。模式中利用節(jié)點多而且服務信息流量大的特點，接收數(shù)據(jù)者主動向鄰居發(fā)起CTS。模式中，節(jié)點很少，只選用一個信道，避免了信道切換帶來的開銷。3種模式之間可以動態(tài)判定和切換。實驗仿真結果表明單接口多信道的MAC協(xié)議相比單信道的MAC協(xié)議，有更好的通信性能。但是，本文中多信道的切換方法針對的SCH與CCH等間隔切換模式，在下一步的工作中需要結合、、模式的特點動態(tài)調(diào)整SCH和CCH的時間間隔，能夠更好地利用信道。

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編 輯 張 俊

Switching Method of Single Radio Multi-Channels for Vehicular Ad hoc Network

LIAO Dan, SUN Gang, YANG Xiao-ling, and YU Hong-fang

(School of Communication and Information Engineering, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 611731)

This paper proposes a multi-channel switching method to consider the node density and service traffic. The nodes in the network are divided into three modes according to the node density and service information flow in nodes. The message is delivered in different patterns for different modes. The judging of the three modes and switching between them are studied. The switching method is simulated on OMNET++ platform and its performance is evaluated.

delay; MAC; packet delivery ratio; single radio multi-channel; VANET

TP92

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2015.02.012

2014-04-22;

2014-12-02

國家973項目(2013CB329103)

廖丹(1980-)，男，博士，副教授，主要從事通信網(wǎng)絡方面的研究.