車輛自組網(wǎng)多信道MAC機(jī)制研究綜述*

吳國棟，董 超，李艾靜，張 磊

（陸軍工程大學(xué)通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

0 引 言

車輛自組織網(wǎng)絡(luò)（Vehicular Ad Hoc Networks，VANETs）是移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的一種特殊應(yīng)用。同后者一樣，VANETs的節(jié)點(diǎn)之間可以直接通信，無需基礎(chǔ)設(shè)施的支持。為了實(shí)現(xiàn)VANETs組網(wǎng)與通信，車輛配備了車載單元（On Board Unit，OBU），用于聚合車輛中各組件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并配有一個(gè)或多個(gè)無線電設(shè)備來實(shí)現(xiàn)與其他車輛中的OBU或路邊單元（Road Side Unit，RSU）通信。其中，OBU之間的通信稱為車對車（Vehicles to Vehicles，V2V）通信，OBU和RSU之間的通信稱為車對基礎(chǔ)設(shè)施（Vehicles to Infrastructure，V2I）通信。如圖1所示，車輛、路邊單元以及相互之間的V2V與V2I通信等組成了VANETs，目標(biāo)是在道路上構(gòu)建一個(gè)自組織的、部署方便、費(fèi)用低廉、結(jié)構(gòu)開放的車輛間通信網(wǎng)絡(luò)。它提供無中心、自組織、支持多跳轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸能力，能實(shí)現(xiàn)事故預(yù)警、輔助駕駛、道路交通信息查詢、車間通信和Internet接入服務(wù)等應(yīng)用。因此，VANETs是智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation System，ITS）的重要組成部分，能使交通系統(tǒng)更加智能、快速、安全和方便。

圖1 VANETs

在VANETs通信中，傳輸?shù)南⒅饕▋深怺1]：安全控制類和用戶業(yè)務(wù)類。安全控制類消息包括位置、速度和交通故障等信息，通常以廣播的形式傳輸，要求網(wǎng)絡(luò)中所有鄰居節(jié)點(diǎn)或全部節(jié)點(diǎn)都能接收到。由于涉及到車輛安全等問題，此類消息對網(wǎng)絡(luò)的可靠性和延遲要求較高。用戶業(yè)務(wù)類消息包括圖像、視頻等多媒體業(yè)務(wù)，通常是點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，提供V2V、V2I或者車輛與其他單元的信息交互。相比安全控制消息，此類消息一般要求較高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，但對時(shí)延、可靠性有一定容忍能力。如何同時(shí)保證這兩類業(yè)務(wù)的不同QoS需求，是VANETs能否成功且高效應(yīng)用的關(guān)鍵。

與移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)類似，媒體訪問控制（Medial Access Control，MAC）協(xié)議是保障VANETs中業(yè)務(wù)QoS性能的關(guān)鍵因素。它可以提升VANETs的性能，保證智能交通系統(tǒng)的高效性、安全性、舒適性、實(shí)時(shí)性以及穩(wěn)定性供?？紤]到安全控制與用戶業(yè)務(wù)不同的QoS需求，早在1999年，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC） 鼓勵(lì)研究人員為車輛自組網(wǎng)設(shè)計(jì)多信道MAC機(jī)制，通過分配不同的信道用于安全和業(yè)務(wù)兩類消息的傳輸，既能滿足安全控制類消息高可靠性、低延遲的需求，又能為用戶業(yè)務(wù)提供高吞吐量的服務(wù)。近年來，許多學(xué)者以FCC提出的多信道架構(gòu)為基礎(chǔ)，提出了若干VANETs多信道的MAC協(xié)議，以保障安全控制與用戶業(yè)務(wù)消息的不同QoS需求。

本文從這一角度入手，對這些研究成果進(jìn)行介紹、分析并討論下一步研究方向。文章第1節(jié)闡述了VANETs中MAC機(jī)制的系統(tǒng)架構(gòu)；第2節(jié)介紹了MAC機(jī)制的研究現(xiàn)狀，總結(jié)這些工作的特點(diǎn)；第3節(jié)則分析了車輛自組網(wǎng)MAC協(xié)議的進(jìn)一步研究方向；第4節(jié)進(jìn)行全文總結(jié)。

1 VANETs多信道架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)

1999年，F(xiàn)CC在5.9 GHz頻段分配了7個(gè)10 MHz信道，分別包括1個(gè)控制信道（Control CHannel，CCH） 和 6個(gè) 服 務(wù) 信 道（Service CHannel，SCH），用于安全和業(yè)務(wù)應(yīng)用，鼓勵(lì)研究人員為VANETs設(shè)計(jì)多信道MAC機(jī)制。通過在不同的信道上傳輸不同類型的消息，多信道MAC協(xié)議可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的通信吞吐量和較低的網(wǎng)絡(luò)延遲[2]。IEEE通過引入IEEE 1609.1-4[3-6]和IEEE 802.11p[7]來標(biāo)準(zhǔn)化車載無線通信。IEEE 1609.4增強(qiáng)了IEEE 802.11p（物理層和MAC層），被默認(rèn)為VANETs多信道MAC協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)。它定義了多信道無線電操作模式，包括CCH和SCH的交織操作、優(yōu)先級訪問參數(shù)以及MAC和物理層的其他特性等。為了有效協(xié)調(diào)CCH和多個(gè)SCH的信道接入，在IEEE 1609.4中開發(fā)了基于協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）的全球同步信道協(xié)調(diào)方案。

如圖2所示。

圖2 信道劃分

信道時(shí)間被分為固定長度100 ms的同步間隔，由各為50 ms的CCH間隔（CCH Interval，CCHI）和SCH間隔（SCH Interval，SCHI）組成。根據(jù)協(xié)調(diào)方案，在CCHI期間，所有設(shè)備必須留在CCH傳輸并監(jiān)控安全消息，同時(shí)通過握手機(jī)制傳輸控制消息進(jìn)行SCH的預(yù)留。在SCHI期間，成功預(yù)留SCH的設(shè)備在規(guī)定時(shí)間內(nèi)切換到SCH，以執(zhí)行業(yè)務(wù)分組的傳輸。多信道MAC協(xié)議不僅可以確保安全控制分組的可靠傳輸，而且可以以分布式方式為非安全的用戶業(yè)務(wù)分組提供最大的吞吐量[8]。該方案為同時(shí)保障安全控制類和用戶業(yè)務(wù)消息建立了基本信道架構(gòu)，但也存在著如下不足。

首先，IEEE 1609.4采用CSMA/CA作為基于信道爭用的機(jī)制，不能提供時(shí)延保證，同時(shí)在節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多時(shí)，其吞吐量性能表現(xiàn)一般。其次，由于EEE 1609.4為CCHI和SCHI劃分的時(shí)間長度是固定的，當(dāng)安全控制和用戶業(yè)務(wù)消息的流量動(dòng)態(tài)變化時(shí)，兩類消息的QoS難以同時(shí)保障，且信道利用率不高[9]。因?yàn)樵谲囕v交通擁擠的狀況下，CCH的長度有限，不能提供足夠的帶寬來傳送大量的安全分組和控制分組。此外，如果節(jié)點(diǎn)密度稀疏，則CCH信道上的偶然傳輸將浪費(fèi)信道資源，而諸如視頻下載和數(shù)據(jù)更新的一些大帶寬消耗的業(yè)務(wù)應(yīng)用將無法在SCH上獲得足夠的帶寬資源。

由于IEEE 1609.4 MAC已成為VANETs中的多信道架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，目前的各項(xiàng)相關(guān)工作均沿用了EEE 1609.4信道劃分的方式，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)。下面將對這些相關(guān)研究進(jìn)行介紹。

2 VANETs多信道MAC機(jī)制

目前，VANETs的MAC架構(gòu)大部分需要RSU的輔助，而有一部分則不需要RSU的輔助。這兩類MAC協(xié)議具有不同的特點(diǎn)，因此本文將當(dāng)前研究成果分為帶RSU和無RSU兩部分。

2.1 帶RSU

在VANETs中，RSU能與網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)直接通信，根據(jù)收集的網(wǎng)絡(luò)信息調(diào)整MAC機(jī)制的某些參數(shù)，以適應(yīng)多變的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。因此，通過RSU的輔助，可以進(jìn)一步提高VANETs通信的性能。

文獻(xiàn)[10]提出了利用RSU調(diào)整CCHI和SCHI長度的MAC機(jī)制-VCIMAC，目標(biāo)在于在動(dòng)態(tài)變化的車輛交通狀況中提供適當(dāng)?shù)膸?，以適應(yīng)安全控制和用戶業(yè)務(wù)分組的不同流量需求。如圖3所示，VCIMAC將CCHI進(jìn)一步劃分為用于傳輸安全分組的安全消息間隔和用于預(yù)留SCH的預(yù)留間隔。在安全消息間隔，各個(gè)節(jié)點(diǎn)按順序傳輸安全分組，以保障延遲和可靠性。VCIMAC根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量等基本參數(shù)計(jì)算安全消息間隔，并建立了馬爾科夫模型推測下一狀態(tài)預(yù)留情況，從而調(diào)整預(yù)留間隔的長度，提高信道預(yù)留的成功率。這些計(jì)算由RSU來實(shí)現(xiàn)，以通告所有的節(jié)點(diǎn)同步CCHI的長度。VCIMAC過于關(guān)注CCHI長度的調(diào)整，而SCHI長度實(shí)是被動(dòng)調(diào)整的，因此不能最優(yōu)權(quán)衡兩類分組的流量需求。

圖3 VCIMAC結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[11]提出的TDMCC協(xié)議不僅能動(dòng)態(tài)調(diào)整CCHI長度，而且進(jìn)一步提升了SCH的利用率。根據(jù)分組的平均長度、數(shù)據(jù)傳輸速率和分組發(fā)送頻率等參數(shù)，由RSU計(jì)算和調(diào)整CCHI長度，并公告給所有節(jié)點(diǎn)。如圖4所示，TDMCC將CCH上的分組被分為三個(gè)訪問類別（Access Category，AC）。AC[2]、AC[1]用于高優(yōu)先級安全相關(guān)的分組，AC[0]用于低優(yōu)先級的控制分組。在每個(gè)OBU中，設(shè)置AC隊(duì)列分配控制器，用于檢測CCHI期間每個(gè)AC隊(duì)列的訪問延遲，估計(jì)傳輸延遲，然后引導(dǎo)AC隊(duì)列動(dòng)態(tài)分配。這種方式相比較于VCIMAC更加靈活，為安全控制分組提供優(yōu)先級服務(wù)。TDMCC還將SCH時(shí)隙化，根據(jù)預(yù)期的業(yè)務(wù)分組持續(xù)時(shí)間和SCH的條件，分配適當(dāng)?shù)腟CH時(shí)隙（由RSU輔助實(shí)現(xiàn)）。這種方式下，一個(gè)SCH中允許多對節(jié)點(diǎn)傳輸，提高了信道利用率。

圖4 TDMCC結(jié)構(gòu)

VCIMAC和TDMCC兩類信道間隔的調(diào)整都關(guān)注CCH上的安全和控制分組情況，而沒有充分考慮SCH的業(yè)務(wù)需求。針對這一問題，2016年，文獻(xiàn)[12]提出的C-MAC協(xié)議將CCHI進(jìn)一步分為安全信息階段（Safety Message Phase，SMP）和預(yù)留信道階段（Channel Reservation Phase，CRP）。在安全信息階段，C-MAC利用RSU調(diào)度各個(gè)節(jié)點(diǎn)按順序無沖突的傳輸安全分組，使用更少的時(shí)間傳輸安全信息且沒有競爭，為CRP和SCHI分配了更多的時(shí)間；C-MAC合理平衡CRP間隔和SCHI長度，提高了吞吐量；C-MAC在SCHI上重利用了兩類信道。標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 1609.4下，在SCHI內(nèi)成功預(yù)留SCH的節(jié)點(diǎn)會(huì)切換到SCH，而剩下的節(jié)點(diǎn)停留在CCH。而C-MAC合理利用此時(shí)的CCH空閑時(shí)間，如圖5所示。在SHCI，新節(jié)點(diǎn)6、新節(jié)點(diǎn)7、新節(jié)點(diǎn)8、新節(jié)點(diǎn)9和新節(jié)點(diǎn)10可以在CCH完成入網(wǎng)接入，以不同的方式（相對于TDMCC）合理利用信道。

圖5 C-MAC結(jié)構(gòu)

此外，還有一些工作如文獻(xiàn)[13-16]僅關(guān)注CCH的設(shè)計(jì)，基于TDMA機(jī)制在CCH上建立沖突避免的時(shí)隙分配機(jī)制，旨在提高CCH安全廣播類消息的可靠性，降低端到端的延遲。由于車輛在道路上的移動(dòng)方向是固定的，因此這些工作利用了車輛的移動(dòng)模型，建立了合理的時(shí)隙分配方案。其中，文獻(xiàn)[13]通過為不同方向行駛的車輛分配不同時(shí)隙集，降低了大部分車輛移動(dòng)帶來的時(shí)隙沖突。文獻(xiàn)[14-15]進(jìn)一步擴(kuò)展了工作，RSU根據(jù)兩跳或三跳內(nèi)的車輛速度和加速度來預(yù)測潛在的沖突，使?jié)撛跊_突的車輛切換時(shí)隙來避免將會(huì)發(fā)生的沖突。文獻(xiàn)[16]則利用車輛的移動(dòng)預(yù)測來調(diào)整時(shí)隙的數(shù)目和分配，以提高信道利用率。

2.2 無RSU

帶RSU的VANETs雖然可以獲得較好的性能，但需要建設(shè)RSU等基礎(chǔ)設(shè)施，組建成本較高。不需要RSU的VANETs建設(shè)成本與運(yùn)營成本都較低，也更加容易布設(shè)。然而，由于缺乏RSU的輔助，如何同時(shí)保證安全控制與用戶業(yè)務(wù)不同的QoS變地更為困難。目前，針對無RSU的分布式MAC協(xié)議較少，有待進(jìn)一步研究。

如圖6所示，文獻(xiàn)[17]提出的DMMAC將CCHI進(jìn)一步分為自適應(yīng)安全消息廣播幀（Adaptive Broadcast Frame，ABF）和CRP。ABF基于TDMA機(jī)制，由多個(gè)時(shí)隙組成，用于傳輸安全分組。CRP基于CSMA/CA傳輸控制分組，以預(yù)留SCH。DMMAC的主要貢獻(xiàn)是能動(dòng)態(tài)調(diào)整ABF的時(shí)隙數(shù)目，以提高CCH的利用率。ABF中包含的時(shí)隙數(shù)稱為ABF長度。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)沒有統(tǒng)一的ABF長度，但每個(gè)車輛可以根據(jù)其兩跳網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量來調(diào)整ABF長度。另外，與TDMCC相同，DMMAC將SCH時(shí)隙化，一個(gè)SCHI允許多個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸，進(jìn)一步提升了信道利用率。由于沒有RSU輔助，它難以靈活調(diào)度節(jié)點(diǎn)的傳輸間隔，因此CCHI和SCHI的長度是固定的，難以適應(yīng)兩類分組流量的動(dòng)態(tài)變化。

圖6 DMMAC結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[18]提出了VER-MAC，通過提高信道利用率來提升VANETs的性能。標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 1609.4為兩類信道規(guī)定了不同的間隔。在CCHI，所有的節(jié)點(diǎn)都保留在CCH。此時(shí)，SCH是空閑的。同理，在SCHI，CCH也是空閑的。如圖7所示，文獻(xiàn)[17]在時(shí)間上重利用了兩類信道。在SCHI，允許沒有業(yè)務(wù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)可以在CCH廣播安全消息；在CCHI，允許部分節(jié)點(diǎn)在SCH傳播業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。同時(shí)，VER-MAC將SCH時(shí)隙化，在一個(gè)SCH期間允許多個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸。因此，與前面的相關(guān)工作相比，VER-MAC信道利用率是最高的。但是，因?yàn)闀r(shí)間上重復(fù)利用了兩類信道，會(huì)導(dǎo)致某些節(jié)點(diǎn)無法接收到廣播的安全消息，例某對節(jié)點(diǎn)在CCHI卻停留在SCH傳輸數(shù)據(jù)。VER-MAC采取的方案是安全類廣播消息在不同信道傳輸，共傳兩次，以減緩問題，但難以保障廣播消息的實(shí)時(shí)性。

圖7 VER-MAC結(jié)構(gòu)

2.3 小結(jié)

總結(jié)并對比幾種具有代表性的VANETs的多信道MAC協(xié)議，結(jié)果如表1所示。

表1 VANETs的MAC協(xié)議對比

其中，CCH可靠性反映了對安全控制類消息的性能保障能力，信道利用率則主要體現(xiàn)了對用戶業(yè)務(wù)消息的吞吐量適應(yīng)能力?？偟膩砜矗瑤SU的協(xié)議的共同特點(diǎn)是，RSU可以作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的中心節(jié)點(diǎn)來執(zhí)行協(xié)調(diào)與調(diào)度工作，能直接與網(wǎng)中的所有節(jié)點(diǎn)通信，收集網(wǎng)絡(luò)信息，然后根據(jù)信息可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)CCHI和SCHI長度，因此這類協(xié)議能有效適應(yīng)兩類消息的流量變化。與此相比，目前不帶RSU的協(xié)議的CCHI和SCHI都是固定的，其中DMMAC分布式計(jì)算基于TDMA的CCH時(shí)隙個(gè)數(shù)，保障安全廣播消息的可靠性，VER-MAC則在時(shí)間上重利用兩類信道，通過提高信道利用率來提高網(wǎng)絡(luò)性能。

總的來看，相對無RSU的方案，具有RSU輔助的方案性能較優(yōu)，且易于實(shí)現(xiàn)不需要額外的開銷，但RSU等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)增加了VANETs的成本，也限制了其應(yīng)用環(huán)境。而不帶RSU的方案不受基礎(chǔ)設(shè)施的限制，組網(wǎng)更加方便，但需要額外的開銷以支持其分布式結(jié)構(gòu)。

3 下一步研究

雖然多信道MAC協(xié)議能提高業(yè)務(wù)分組的吞吐量，但也給VANETs的某些特殊應(yīng)用帶來了新的挑戰(zhàn)。VANETs中存在一些緊急分組以傳達(dá)緊急安全消息，如突發(fā)的碰撞、交通事故等。相對于一般的安全分組，緊急分組對延遲要求更加嚴(yán)格。但在SCHI，節(jié)點(diǎn)處于不同的信道，緊急分組難以在嚴(yán)格的時(shí)間約束內(nèi)被廣播給所有鄰居節(jié)點(diǎn)。目前，MAC協(xié)議并沒有解決這類問題，VANETs下一步的研究內(nèi)容應(yīng)考慮如何在SCHI確保緊急分組的傳輸。一個(gè)有效的解決方案是為車輛配備多個(gè)無線收發(fā)器，讓一個(gè)收發(fā)器始終處于CCH，另一個(gè)收發(fā)器處于SCHs。由于它們工作在不同頻率上，節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)接收不同類別信道上的分組。需制定可靠的傳輸機(jī)制避免分組沖突，這樣即使在SCHI，安全分組和緊急分組也能通過CCH廣播，且能確保所有鄰居節(jié)點(diǎn)的接收。

目前，VANETs的多信道MAC協(xié)議都存在一定條件的限制，不能適用于任意場景。因?yàn)閂ANETs的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是多元變化的，不僅安全和業(yè)務(wù)類消息的流量需求動(dòng)態(tài)變化，且道路情況多變，RSU等基礎(chǔ)設(shè)施可能時(shí)有時(shí)無，所以VANETs需以更加靈活的方式組建和運(yùn)行。

未來的車輛自組網(wǎng)的MAC協(xié)議應(yīng)當(dāng)是完全自適應(yīng)的機(jī)制。首先，需適應(yīng)安全控制與用戶業(yè)務(wù)類消息動(dòng)態(tài)的流量需求，保障安全控制類消息的可靠性，提供業(yè)務(wù)類消息高吞吐量的服務(wù)。安全消息應(yīng)基于TDMA機(jī)制在CCH傳輸，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)目自動(dòng)調(diào)整時(shí)隙數(shù)目,充分考慮車輛的移動(dòng)模型[13-15]來避免沖突；業(yè)務(wù)類消息也可以考慮將SCH時(shí)隙化（不同于TDMA，時(shí)隙長度可變），提高SCH的信道利用率。其次，需要適應(yīng)帶RSU和無RSU的通信環(huán)境。當(dāng)車輛在RSU等基礎(chǔ)設(shè)施完善的道路行駛時(shí)，充分利用RSU的輔助優(yōu)勢，統(tǒng)一分配和協(xié)調(diào)信道資源，避免沖突，提高VANETs的性能；當(dāng)車輛行駛在偏僻地區(qū)或無RSU的環(huán)境時(shí)，可以自動(dòng)切換到無RSU的狀態(tài)，增加控制信息的開銷以支持分布式方式運(yùn)行。這種完全自適應(yīng)的MAC機(jī)制，在任何情況下都能為VANETs提供當(dāng)前條件下最優(yōu)的通信性能。

4 結(jié) 語

本文介紹了VANETs多信道MAC機(jī)制的研究現(xiàn)狀，并對相關(guān)工作進(jìn)行了分類總結(jié)，分析了VANETs的下一步研究方向。目前，VANETs的多信道MAC機(jī)制受網(wǎng)絡(luò)環(huán)境影響較大，未來VANETs的MAC機(jī)制應(yīng)當(dāng)以更加靈活的方式組建，不僅要滿足安全和業(yè)務(wù)類消息的動(dòng)態(tài)流量需求，也要適應(yīng)有RSU和無RSU的場景。具體地，有RSU時(shí)，充分利用輔助優(yōu)勢提高性能；無RSU時(shí)，也能運(yùn)行且保障網(wǎng)絡(luò)性能。