0 引言

    車載自組織網(wǎng)絡(luò)(Vehicular Ad-hoc Network，VANET)采用基于IEEE 802.11協(xié)議的專用短距離通信(Dedicated Short Range Communications，DSRC)技術(shù)來增強(qiáng)道路交通系統(tǒng)的安全性^[1]。IEEE 1609.4和IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)草案為VANET提供了統(tǒng)一的多信道訪問控制框架^[2]。但由于采用單一信道競(jìng)爭(zhēng)訪問方式，使其對(duì)流量敏感業(yè)務(wù)或?qū)崟r(shí)的支持程度都非常有限。

    本文對(duì)車載環(huán)境無線接入（WAVE）系統(tǒng)中涉及的協(xié)議進(jìn)行分析，討論了相關(guān)的MAC協(xié)議細(xì)節(jié)，并提出了固定長度的控制信道（CCH）時(shí)隙和業(yè)務(wù)信道（SCH）時(shí)隙協(xié)調(diào)方式的改進(jìn)策略。在網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS2^[3]現(xiàn)有的版本中通過修改源代碼實(shí)現(xiàn)多信道仿真模塊和應(yīng)用層模塊，并在此基礎(chǔ)上對(duì)提出的多信道MAC協(xié)同改進(jìn)機(jī)制進(jìn)行仿真。多信道仿真模塊的添加為以后對(duì)VANET及其他涉及多信道的網(wǎng)絡(luò)仿真奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 CCH和SCH協(xié)調(diào)方式的改進(jìn)策略

    VANET被認(rèn)為是今后智能交通系統(tǒng)的重要組成部分^[4]。1999年，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission，F(xiàn)CC)將5.9 GHz上的75 MHz帶寬分配為DSRC頻段，專門用于車輛間通信以及車輛到路邊通信的智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transport Systems，ITS)通信^[4]。

    WAVE系統(tǒng)就是為支持5.9 GHz上的ITS而設(shè)計(jì)的。整個(gè)WAVE系統(tǒng)由IEEE P1609家族和IEEE 802.11p協(xié)議組成，前者規(guī)定了系統(tǒng)的上層，后者描述了基本的MAC層和物理層協(xié)議^[5]。系統(tǒng)的頻譜劃分如圖1所示，其中一個(gè)信道為控制信道，在這個(gè)信道上傳輸安全信息和服務(wù)發(fā)布信息；其他幾個(gè)信道為服務(wù)信道，可以在其上傳遞一些與安全無關(guān)的增值應(yīng)用信息^[3]。

    IEEE工作組在原先協(xié)議的基礎(chǔ)上，專門為VANET設(shè)計(jì)了一套新的標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)^[6]。IEEE 802.11p協(xié)議中引入的WBSS不同于其他IEEE 802.11協(xié)議的BSS，它不需要驗(yàn)證和關(guān)聯(lián)就可以傳送數(shù)據(jù)^[7]，非常適合VANET這種具有快速動(dòng)態(tài)變化拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)。

    IEEE 1609.4協(xié)議作為WAVE系統(tǒng)的一部分，它描述了多信道無線電操作、WAVE模式、CCH和SCH、優(yōu)先訪問參數(shù)、信道切換和路由、服務(wù)管理和多信道操作原語設(shè)計(jì)^[8]。

    為了協(xié)調(diào)對(duì)CCH和SCH的信道訪問，IEEE 1609.4采用一種基于通用協(xié)調(diào)時(shí)間（Coordinated Universal Time，UTC）的全局同步信道訪問策略^[2]，如圖2所示。這種同步信道訪問策略使安全無關(guān)業(yè)務(wù)和安全相關(guān)業(yè)務(wù)在不同信道、不同時(shí)間段上傳輸，期望所有的節(jié)點(diǎn)不遺漏每個(gè)安全信息幀，并且在不影響安全信息傳播的條件下進(jìn)行安全無關(guān)業(yè)務(wù)傳輸。

2 改進(jìn)的多信道MAC協(xié)同方案設(shè)計(jì)

    IEEE 1609.4協(xié)議對(duì)于多信道協(xié)同只規(guī)定了大體的框架，即節(jié)點(diǎn)何時(shí)必須切換到控制信道上去收發(fā)安全信息幀和服務(wù)信息發(fā)布幀，何時(shí)可以選擇切換到特定的服務(wù)信道上收發(fā)與安全信息無關(guān)的應(yīng)用幀^[2]。對(duì)于具體的協(xié)同機(jī)制，協(xié)議中并沒有描述。在原先的協(xié)議中，由于是基于IEEE 802.11協(xié)議，節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)首先偵聽信道，如果信道空閑才可以發(fā)送。這種基于競(jìng)爭(zhēng)的信道訪問機(jī)制加大了數(shù)據(jù)包的碰撞幾率，加重了VANET的網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。本文提出的改進(jìn)機(jī)制是基于無競(jìng)爭(zhēng)的，以期降低網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包碰撞率，并提升網(wǎng)絡(luò)性能。

    在本文改進(jìn)的MAC協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)在控制信道上依然傳輸安全信息幀和服務(wù)信息發(fā)布幀，但需要統(tǒng)計(jì)一些額外的信息。本文改進(jìn)的MAC協(xié)議如圖3所示，節(jié)點(diǎn)在控制信道上依然傳輸安全信息幀和服務(wù)信息發(fā)布幀，但需要統(tǒng)計(jì)一些額外的信息。節(jié)點(diǎn)在控制信道上的工作過程如下：

    (1)CCH時(shí)隙開始時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的所有服務(wù)提供節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送WSA幀，幀中包含一個(gè)字段表明本節(jié)點(diǎn)將在下一個(gè)服務(wù)周期的某個(gè)信道上發(fā)布服務(wù)。

    (2)所有節(jié)點(diǎn)偵聽網(wǎng)絡(luò)中發(fā)布的WSA幀，從中提取服務(wù)提供者和將要使用的信道號(hào)并保存。

    (3)所有節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身情況廣播發(fā)送安全信息，如剎車、告警信息等。

    (4)根據(jù)此次CCH間隔保存的服務(wù)提供者和信道號(hào)，所有服務(wù)提供節(jié)點(diǎn)按照一定的策略計(jì)算即將來到的SCH間隔中某個(gè)信道上屬于自己的時(shí)間片，這里的策略可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)的ID號(hào)大小、優(yōu)先級(jí)高低、發(fā)送時(shí)間長短等制定。

    (5)CCH間隔結(jié)束，節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身情況切換到相應(yīng)的服務(wù)信道上提供或使用服務(wù)。

    在某一個(gè)服務(wù)信道上，假設(shè)SCH的時(shí)間間隔為sch_sec，單位為s；在此間隔內(nèi)共有num_nodes個(gè)節(jié)點(diǎn)將提供服務(wù)；所有節(jié)點(diǎn)的發(fā)送優(yōu)先級(jí)相同，ID小的節(jié)點(diǎn)先發(fā)送；發(fā)送的服務(wù)數(shù)據(jù)包大小為size_per_packet個(gè)字節(jié)，一個(gè)服務(wù)信道的網(wǎng)絡(luò)帶寬是band_per_ch，單位是bit/s。那么節(jié)點(diǎn)的工作過程流程圖如圖4所示。

    節(jié)點(diǎn)的工作過程具體如下：

    (1)SCH時(shí)隙開始時(shí)，ID最小的節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)服務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送，同時(shí)啟動(dòng)發(fā)送定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間為t_send，即此節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送的時(shí)間，其值由式(1)得到：

    (2)其他每個(gè)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)等待定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間為t_wait，即等待多長時(shí)間后節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送，其值由式(2)得到，其中n表示此節(jié)點(diǎn)是第n個(gè)發(fā)送的節(jié)點(diǎn)。

    (3)收到服務(wù)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)回復(fù)確認(rèn)幀，收到確認(rèn)幀后，如果發(fā)送定時(shí)器定時(shí)時(shí)間未到，節(jié)點(diǎn)可以繼續(xù)發(fā)送服務(wù)數(shù)據(jù)；否則，立即停止發(fā)送。

    (4)等待定時(shí)器定時(shí)結(jié)束時(shí)，其對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)服務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送，同時(shí)啟動(dòng)發(fā)送定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間t_send同樣由式(1)得到。

    (5)SCH間隔結(jié)束時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)切換到控制信道上發(fā)送、接收安全告警信息和服務(wù)發(fā)布信息。

    可以看出，在改進(jìn)的這種MAC協(xié)議中，通過在控制信道上“預(yù)約”發(fā)送時(shí)間，節(jié)點(diǎn)在服務(wù)信道上由原來的爭(zhēng)用變成無爭(zhēng)用地使用信道，這可以降低網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的碰撞。同時(shí)在這種改進(jìn)策略中，是可以在服務(wù)信道上支持優(yōu)先級(jí)服務(wù)的。只要節(jié)點(diǎn)在服務(wù)發(fā)布的報(bào)文頭部增加優(yōu)先級(jí)、發(fā)送的服務(wù)類型、服務(wù)數(shù)據(jù)包的大小和延續(xù)時(shí)間等字段，這樣在控制周期將結(jié)束時(shí)，服務(wù)提供節(jié)點(diǎn)就可以根據(jù)不同的優(yōu)先級(jí)、不同的服務(wù)和延續(xù)時(shí)間來計(jì)算屬于自己的發(fā)送時(shí)間，達(dá)到支持優(yōu)先級(jí)服務(wù)的目的。

3 多信道仿真模型設(shè)計(jì)

    在現(xiàn)有的NS2版本中每個(gè)節(jié)點(diǎn)只支持單信道的收發(fā)，而在實(shí)際的VANET網(wǎng)絡(luò)仿真中，需要對(duì)多個(gè)信道進(jìn)行仿真。為了使NS2可以支持多信道，需要對(duì)各層進(jìn)行修改。基于IEEE 802.11改進(jìn)實(shí)現(xiàn)^[9]，本文設(shè)計(jì)了具有多個(gè)隊(duì)列和信道的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，并增加了信道切換模塊在MAC層。這個(gè)模塊的作用是在上層通知需要切換信道時(shí)，快速地保留沒有發(fā)出的數(shù)據(jù)包和現(xiàn)在的狀態(tài)，通知物理層更改要發(fā)送的數(shù)據(jù)包所在的隊(duì)列和切換信道。

    對(duì)NS2的源代碼修改分為兩個(gè)部分：OTcl腳本語言部分和C++部分^[10]。在OTcl實(shí)現(xiàn)部分需要修改tcl/lib/ns-lib.tcl和tcl/lib/ns-mobilenode.tcl兩個(gè)文件。前一個(gè)文件定義了節(jié)點(diǎn)的通用配置；后一個(gè)文件是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的配置文件。在C++部分，需要對(duì)信道、物理層、MAC層、隊(duì)列、鏈路層進(jìn)行相應(yīng)的修改來支持信道的保存和切換。

    為了測(cè)試多信道模型，本文設(shè)計(jì)了針對(duì)VANET的應(yīng)用層模型。模型實(shí)現(xiàn)的功能主要有定時(shí)切換信道控制、產(chǎn)生WSA數(shù)據(jù)包和告警信息數(shù)據(jù)包、計(jì)算下個(gè)服務(wù)周期可以被本節(jié)點(diǎn)用來發(fā)送服務(wù)數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔和模擬發(fā)送服務(wù)數(shù)據(jù)信息。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

    通過仿真比較MAC協(xié)議改進(jìn)前后系統(tǒng)的性能。仿真使用的交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中分雙向6個(gè)車道，每個(gè)車道寬3 m，相同車道相鄰車輛間的距離是8 m，網(wǎng)絡(luò)中共60個(gè)節(jié)點(diǎn)，60個(gè)節(jié)點(diǎn)均處于全連通的狀態(tài)，即60個(gè)節(jié)點(diǎn)中的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)廣播包，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都可以收到。各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)幀產(chǎn)生時(shí)間間隔（泊松分布）為0.005 s，仿真的相關(guān)參數(shù)設(shè)定如表1所示。

    協(xié)議改進(jìn)前后的延時(shí)比較如圖5所示。從圖5可以看出在數(shù)據(jù)包大小比較小時(shí)，延時(shí)得到了很大的降低。這是因?yàn)楦倪M(jìn)的協(xié)議是基于無競(jìng)爭(zhēng)的，節(jié)點(diǎn)只允許在本節(jié)點(diǎn)的發(fā)送間隔內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，不需要去競(jìng)爭(zhēng)信道。當(dāng)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)間間隔到來時(shí)，節(jié)點(diǎn)獲取上層的數(shù)據(jù)包，然后發(fā)送到信道上。由于減少了競(jìng)爭(zhēng)信道花費(fèi)的時(shí)間，數(shù)據(jù)包的延時(shí)得到了降低。但是當(dāng)數(shù)據(jù)包越來越大時(shí)，改進(jìn)后的協(xié)議獲得的延時(shí)優(yōu)勢(shì)變得越來越不明顯。這是因?yàn)閿?shù)據(jù)包變大時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的傳送時(shí)間變得越來越長，當(dāng)節(jié)點(diǎn)自己的發(fā)送間隔接近結(jié)束時(shí)，由于數(shù)據(jù)包很大，將會(huì)被保留到下一個(gè)周期發(fā)送，這樣就增加了數(shù)據(jù)包的平均延時(shí)。

    仿真得到的報(bào)文碰撞率比較如圖6所示。從圖6可以看出，當(dāng)數(shù)據(jù)包大小到達(dá)RTS/CTS門限之前，改進(jìn)后協(xié)議比原來協(xié)議極大地減少了網(wǎng)絡(luò)中的報(bào)文碰撞。同時(shí)，報(bào)文的碰撞率從原來的25%~50%降到了10%以下。這歸功于改進(jìn)后的無競(jìng)爭(zhēng)MAC協(xié)議，它使得節(jié)點(diǎn)按一定的次序發(fā)送數(shù)據(jù)，降低了沖突。而當(dāng)數(shù)據(jù)包大小到達(dá)RTS/CTS門限之后，原來協(xié)議的報(bào)文碰撞大大降低。

5 結(jié)束語

    本文首先分析了IEEE 802.11p和IEEE 1609.4協(xié)議中的多信道MAC協(xié)議，然后將改進(jìn)的IEEE 802.11^[9]協(xié)議添加到NS2中，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出多信道MAC模塊與對(duì)應(yīng)的應(yīng)用層模型。最后在設(shè)計(jì)的模塊之上對(duì)改進(jìn)前后的多信道MAC協(xié)同機(jī)制進(jìn)行仿真比較。結(jié)果顯示與現(xiàn)有的協(xié)議相比，改進(jìn)后的多信道MAC協(xié)同機(jī)制可以降低報(bào)文的延時(shí)與碰撞率，結(jié)果證實(shí)了所提協(xié)議的優(yōu)越性。下一步的研究方向是加強(qiáng)算法，考慮多跳網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下優(yōu)化多信道MAC協(xié)同機(jī)制，進(jìn)一步降低報(bào)文的延時(shí)與碰撞率。

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作者信息:

沙  巖，王  丹，張紅偉，馬金鳳

（徐州醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)信息學(xué)院，江蘇 徐州221004）