基于集中式時(shí)分多址的MAC協(xié)議

趙 穎，李學(xué)峰

（1.青海廣播電視大學(xué) 繼續(xù)教育學(xué)院，青海 西寧 810000；2.西安電子科技大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)與信息安全學(xué)院，陜西 西安 710071）

0 引 言

基于短距離通信的車聯(lián)網(wǎng)（Vehicular Ad Hoc Networks，VANETs）被認(rèn)為是應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)最有前景的技術(shù)之一[1]。VANETs提供了車間通信V2V和車與設(shè)施通信V2I平臺(tái)，使得車輛間能夠?qū)崟r(shí)交互車道、車輛行駛狀態(tài)等信息，進(jìn)而提高交通行駛安全以及效率[2-3]。

提高道路行駛安全是VANETs設(shè)計(jì)的主要目的。為了實(shí)現(xiàn)此目的，需要以小的接入時(shí)延和傳輸碰撞概率的可靠廣播方案作為保障。因此，迫切需要有效的基于時(shí)分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）的媒介接入控制（Medium Access Control，MAC）協(xié)議[3-5]。然而，由于VANETs網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，分布式的TDMA時(shí)隙算法產(chǎn)生大量的通信開銷，尤其是高密度區(qū)域[6]分配開銷非常大。此外，在傳統(tǒng)的基于TDMA的MAC協(xié)議中，兩車輛時(shí)常接入同一時(shí)隙產(chǎn)生接入碰撞問題。

目前，MAC協(xié)議主要分為基于競(jìng)爭(zhēng)和基于非競(jìng)爭(zhēng)兩類。在基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議中，當(dāng)需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)利用載波監(jiān)聽策略競(jìng)爭(zhēng)接入信道[7]。例如，IEEE 802.11p就是基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[8]，其利用權(quán)值接入策略，并結(jié)合優(yōu)化的分布式信道接入（Enhanced Distributed Channel Access，EDCA）和免碰撞的載波多接入機(jī)制[9]（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）。但是基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議無法滿足可靠性以及限定通信時(shí)延要求。

在基于非競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議中，任何時(shí)刻在局部通信范圍內(nèi)僅一輛車能夠接入信道。因此，這類協(xié)議能提供限定傳輸時(shí)延和無碰撞的傳輸。多類基于TDMA的MAC協(xié)議被提出，進(jìn)而滿足實(shí)時(shí)和可靠的通信，同時(shí)避免碰撞問題。例如，文獻(xiàn)[10]提出自組媒體接入?yún)f(xié)議（Ad Hoc Medium Access Control，Ad Hoc MAC），其為車間通信提供了有效廣播方案，并解決了MAC協(xié)議中的隱藏終端。此外，文獻(xiàn)[11]提出VeMAC協(xié)議，通過給相反方向移動(dòng)車輛分配兩個(gè)不相鄰的時(shí)隙降低碰撞率。

實(shí)際上，降低分配開銷和緩解接入碰撞問題的有效方案就是利用集中式協(xié)調(diào)者分配時(shí)隙。為此，本文提出基于集中式的TDMA-MAC協(xié)議（C-TDMA-MAC）。CTDMA-MAC協(xié)議引用路邊設(shè)備（Road Side Units，RSUs）作為協(xié)調(diào)者，由它負(fù)責(zé)其覆蓋范圍內(nèi)車輛的時(shí)隙分配，避免相鄰RSUs間的干擾。同時(shí)，只允許RSUs周期地廣播控制信息，減少了開銷。

1 系統(tǒng)模型及TDMA問題描述

1.1 系統(tǒng)模型

在C-TDMA-MAC協(xié)議中，假定每輛車均裝備了全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS），使得每輛車能獲取自己的三維位置及行駛速度和時(shí)間。同時(shí)，車輛間利用GPS時(shí)鐘信息保持時(shí)間同步。

此外，每條道路劃分為長(zhǎng)為2R路段，其中R為車輛的通信范圍。每個(gè)路段只由一個(gè)RSU覆蓋。每個(gè)TDMA幀內(nèi)有多個(gè)時(shí)隙，并將這些時(shí)隙劃分為兩個(gè)集S1和S2。同時(shí)，這兩個(gè)集的時(shí)隙只提供兩個(gè)相鄰的RSU覆蓋的路段，如圖1所示。每個(gè)幀包含τ個(gè)時(shí)隙數(shù)，且每個(gè)時(shí)隙的固定時(shí)長(zhǎng)為s。此外，每輛車均能檢測(cè)每幀的開始及時(shí)隙的開始。同時(shí)，RSU依照集S1或S2的第一個(gè)時(shí)隙向其覆蓋范圍內(nèi)的車輛廣播時(shí)隙告知消息（Slot Announcement Message，SA）。

1.2 TDMA問題

傳統(tǒng)基于TDMA的MAC協(xié)議主要存在如下問題：

1）RSUs間干擾：由于每個(gè)RSU自適應(yīng)地為其覆蓋范圍內(nèi)車輛產(chǎn)生并管理時(shí)隙，鄰居的RSUs覆蓋范圍可能分配同一個(gè)時(shí)隙。然而，如果兩個(gè)鄰居的RSUs存在重疊，它們可能使用相同頻帶。因此，一個(gè)RSU覆蓋區(qū)域內(nèi)的廣播消息可能會(huì)影響鄰居的RSU覆蓋區(qū)域的通信；

圖1 TDMA時(shí)隙分配機(jī)制Fig.1 Time slot allocation mechanism of TDMA

2）駐留時(shí)間短：由于車輛的高速移動(dòng)，每輛車駐留在RSU的時(shí)間較短，這將加速通信的斷裂。因此，集中式MAC協(xié)議應(yīng)當(dāng)確保每輛車在一段時(shí)間內(nèi)能持續(xù)通信；

3）接入碰撞：當(dāng)車輛同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)同一時(shí)隙時(shí)，就產(chǎn)生接入碰撞[12]。

2 系統(tǒng)模型及時(shí)隙分配策略

本文提出的C-TDMA-MAC協(xié)議使用時(shí)隙復(fù)用概念，進(jìn)而保證相鄰覆蓋區(qū)域的車輛無碰撞接入。將每個(gè)信道時(shí)間劃分為不同的幀，每個(gè)幀進(jìn)一步劃分為兩個(gè)時(shí)隙集S1和S2。將它們所包含的時(shí)隙分配給相鄰RSU覆蓋區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)車輛。通過這種策略，避免RSU間干擾，如圖2所示。

圖2 兩個(gè)時(shí)隙集S1和S2Fig.2 Two time slot sets，S1andS2

在C-TDMA-MAC協(xié)議中，每個(gè)RSU構(gòu)建和維護(hù)幀信息（Frame Information，F(xiàn)I），F(xiàn)I由ID域構(gòu)成，每個(gè)ID域?qū)?yīng)一個(gè)幀的時(shí)隙，每個(gè)FI由3個(gè)字段構(gòu)成，如圖3所示。字段VC_ID表示接入該時(shí)隙的車輛ID號(hào)。SLT_STS表示該時(shí)隙的狀態(tài)：空閑、忙或碰撞。而PKT_TYP表示傳輸數(shù)據(jù)包的類型，如周期信息或事件驅(qū)動(dòng)型安全消息。與VeMAC和Ad Hoc MAC協(xié)議不同，C-TDMA-MAC協(xié)議只允許RSU周期地廣播幀信息。而每輛車依據(jù)接收的數(shù)據(jù)包更新幀信息。

圖3 FI字段格式Fig.3 Format of FI field

在每個(gè)幀結(jié)束時(shí)，每個(gè)RSU（假定為u）依據(jù)幀信息決策空閑時(shí)隙集，且記為F(u)。若F(u)不為空，u就向其覆蓋范圍內(nèi)車輛廣播SA消息，其包含了空閑時(shí)隙消息。當(dāng)車輛（假定為υ）收到SA消息，并且它想接入該信道，該車輛就向u回復(fù)時(shí)隙申請(qǐng)消息（Slot Request Message，SREQ），并申請(qǐng)時(shí)隙k。

一旦車輛υ接收到來自u(píng)所發(fā)送的時(shí)隙回復(fù)消息（Slot Reply Message，SREP），車輛就在所申請(qǐng)的時(shí)隙k內(nèi)廣播消息。此外，由于車輛υ從發(fā)送SREQ至接收到SREP消息，需要一段時(shí)間。甚至車輛υ無法接收到SREP消息。為了避免車輛υ等待時(shí)間過長(zhǎng)，設(shè)定定時(shí)器Timer。若在Timer內(nèi)，車輛υ未能接收到SREP消息，車輛υ需重新發(fā)送SREQ消息。車輛υ申請(qǐng)時(shí)隙的整個(gè)流程如圖4所示。

圖4 車輛υ申請(qǐng)時(shí)隙的流程示意圖Fig.4 Flowchart of time slot applied by vehicleυ

而對(duì)于u，如果它收到車輛υ發(fā)送的SREQ消息，u就判斷車輛υ申請(qǐng)的時(shí)隙k是否為空，即FI[k].SLT_STS是否為空，若為空，u就給車輛υ分配時(shí)隙k，并回復(fù)消息SREP。RSUu分配時(shí)隙的偽代碼如下：

輸入：SjRSUu所管理的時(shí)隙集

Step 1:ifureceives an SREQ message from vehicleυthen

Step 2:if?k∈Sjsuch that FI[k].SLT_STS=Freethen

Step 3:uallocates the slotkto vehicleυ

Step 4:usends a SREP to vehicleυ

Step 5: End if

Step 6:End if

3 數(shù)值分析

選擇長(zhǎng)為3 km的雙向四車道的高速道路作為仿真模型。每條道路劃分為等間隔的子路段，如圖5所示。

圖5 一個(gè)路段模型Fig.5 One road segment model

利用MOVE和SUMO[13]分別產(chǎn)生車流數(shù)據(jù)和車流仿真。車輛行駛的最高速度為120 km/h，速度方差為30 km/h，車輛傳輸距離為310 m。每個(gè)幀含100個(gè)時(shí)隙，即τ=100。每個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)為0.001 s，仿真時(shí)間為120 s，每次仿真獨(dú)立重復(fù)100次，取平均值作為最終仿真數(shù)據(jù)。

為了充分地分析C-TDMA-MAC協(xié)議性能，選擇VeMAC和Ad Hoc MAC協(xié)議作為參照，并比較它們?cè)谙到y(tǒng)開銷、數(shù)據(jù)包丟失率以及接入碰撞率方面的性能。

3.1 開 銷

開銷是在120 s的仿真時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的控制開銷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。從圖6可知，相比于VeMAC和Ad Hoc MAC協(xié)議，C-TDMA-MAC協(xié)議的開銷明顯降低。例如，當(dāng)RCO為0.96時(shí)，C-TDMA-MAC協(xié)議開銷比VeMAC和Ad Hoc MAC協(xié)議分別平均下降了85.52%和83.81%。原因在于：C-TDMA-MAC協(xié)議利用RSU分配時(shí)隙，通過廣播FI信息，使得其覆蓋范圍內(nèi)的車輛能夠更新時(shí)隙分配；而VeMAC和Ad Hoc MAC協(xié)議要求每個(gè)車輛周期地向直接鄰居廣播FI信息，增加了系統(tǒng)開銷。

3.2 數(shù)據(jù)包丟失率

圖7顯示了3個(gè)協(xié)議的數(shù)據(jù)包丟失率。從圖7可知，隨著RCO的增加，數(shù)據(jù)包丟失率也隨之上升。而與VeMAC和Ad Hoc MAC協(xié)議相比，C-TDMA-MAC協(xié)議的數(shù)據(jù)包丟失率得到有效控制。特別是在高RCO環(huán)境下，C-TDMA-MAC協(xié)議的數(shù)據(jù)包丟失率遠(yuǎn)低于VeMAC和Ad Hoc MAC協(xié)議。例如，在RCO=1時(shí)，VeMAC和Ad Hoc MAC協(xié)議的數(shù)據(jù)包丟失率比C-TDMA-MAC協(xié)議的數(shù)據(jù)包丟失率分別提高了約103.4%和90.1%。

圖6 開銷Fig.6 Overhead

圖7 數(shù)據(jù)包丟失率Fig.7 Loss rate of data package

3.3 接入碰撞率

3個(gè)協(xié)議的接入碰撞率隨RCO的變化曲線如圖8所示。

圖8 接入碰撞率Fig.8 Access collision rate

從圖8可知，當(dāng)RCO小于0.6時(shí)，3個(gè)協(xié)議的接入碰撞率相近，差異很小。而當(dāng)RCO大于0.7時(shí)，C-TDMAMAC協(xié)議的接入碰撞率低于VeMAC和Ad Hoc MAC協(xié)議。這主要是因?yàn)?，VeMAC和Ad Hoc MAC協(xié)議具有低的融合碰撞（Merging-collisions）。一旦檢測(cè)到融合碰撞，遭受碰撞的節(jié)點(diǎn)就需釋放時(shí)隙，并重新申請(qǐng)新的時(shí)隙，這將引入接入碰撞；而C-TDMA-MAC協(xié)議利用RSU作為集中協(xié)調(diào)者，為其覆蓋范圍內(nèi)車輛分配、管理時(shí)隙，防止了車輛間多次發(fā)生接入碰撞問題。

4 結(jié) 語

本文針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)MAC協(xié)議的時(shí)隙分配問題，提出基于集中式時(shí)分多址C-TDMA-MAC協(xié)議，目的在于降低RSUs間干擾，減少開銷。C-TDMA-MAC協(xié)議通過RSUs協(xié)調(diào)管理其時(shí)隙分配，降低了相鄰車輛接入時(shí)隙的碰撞概率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本文提出的C-TDMA-MAC協(xié)議降低了數(shù)據(jù)包丟失率和碰撞概率，也減少了開銷。