基于时分发送MAC协议的Ad Hoc网络道路安全监控系统
2011-07-16郭洪威廖惜春王仁红
郭洪威，廖惜春，王仁红
基于时分发送MAC协议的Ad Hoc网络道路安全监控系统
郭洪威，廖惜春，王仁红
（五邑大学 信息工程学院，广东 江门 529020）
为解决Ad Hoc网络道路交通安全监控系统的冲突问题，提高系统的实时性，提出了时分发送MAC协议，即将1帧数据分成若干份发送，每份间隔相同的时间. 时分发送MAC协议具有异步通信和同步通信的优点，大大降低了冲突概率，提高了系统的实时性、准确性和数据的传输速度.
Ad Hoc网络；MAC通信协议；GPRS通信模块；导航系统
随着经济的发展，机动车辆越来越多而道路建设相对滞后，交通安全状况日益凸显，亟需城市交通管理部门建立完善的交通安全监控系统以加强交通管理、提高现有道路的通行能力、协调处理突发性交通事件、缓解交通阻塞. 现有的道路监控系统存在许多问题，如当系统某部分被毁坏时，整个系统无法正常工作；当道路出现故障时，只有监控中心知情，故障处理人员信息滞后；当出现突发事件时，系统无法迅速通知靠近突发事件现场的机动车辆；系统造价高，需要铺设复杂的线路等. Ad Hoc无线通信网络构成的道路监控系统可解决上述问题，基于Ad Hoc网络[1]道路安全监控系统的主要特点是节点移动快、某些区域节点密集、实时性要求高，因此该系统需要一种针对道路交通特点的、反应迅速可靠、高速传输数据的信道接入协议[2]. 本文研究了一种新的信道接入协议：时分发送MAC协议，该协议结合异步通信和同步通信的优点，能实现系统数据高速无冲突传输，从而提高系统的实时性、准确性和数据的传输速度[3-5].
1 MAC协议
Ad Hoc网络协议栈的分层结构示意图如图1所示：上层的应用服务和传输服务为Ad Hoc网络终端的应用程序提供服务；转发和路由完成网络层的功能；Ad Hoc网络的链路层协议可以划分为链路控制子层和信道接入子层，链路控制子层完成连接控制、分簇等与信道无关的链路层控制功能，信道接入子层控制节点接入无线信道，为上层提供快速、可靠的报文传送支持. 信道接入处在Ad Hoc网络协议栈软件的最底部，它控制着节点在合适的时机接入无线信道，是报文在信道上发送和接收的直接控制者. 信道接入协议的好坏直接关系着信道的利用效率和整个网络的性能.
图1 Ad Hoc网络协议栈示意图
信道接入协议又称MAC协议[6]，可分为异步MAC协议和同步MAC协议. 异步MAC协议就是网络中的节点根据各自的时钟完成接入信道的过程，对信道的使用不需要划分时隙，节点随机接入信道，使用信道的时间不确定. 同步MAC协议中节点接入信道的时间一定在时隙开始时刻，每个节点在预先分配的各自的时隙中使用信道. 异步MAC协议和同步MAC协议各有优点和需要解决的问题.
在异步MAC协议网络中，节点是随机接入信道的. 因此，使用信道的时间不确定，数据容易发生冲突. 由随机过程理论，网络使用异步MAC协议，节点每次使用信道的时间越短，发生冲突的概率越小，因此提高传输速率、减少每次发送字节的个数可以减少节点每次使用信道的时间，但Ad Hoc网络的带宽有限，传输速率提高的空间有限.
同步MAC协议的突出特点是需要全网的时钟精确同步，并给每个节点分配时隙，每个节点在各自时隙中使用信道. 时钟精确同步和分配时隙的根本目的是确保每个节点单独使用信道，但在本系统中，车辆的时钟精确同步十分困难，为每一辆车分配发送数据起始时刻更加困难.
2 时分发送MAC协议
本系统的MAC协议称为时分发送MAC协议. 使用时分发送MAC协议，节点有数据立即发送，数据因冲突而无法传递的概率非常小，可有效解决系统所遇到的问题，实时性高，可靠，数据传输速快. 时分发送MAC协议分为数据发送接收和数据处理2部分. .
2.1 数据发送
如果有1帧数据要发送，节点立即把数据发送出去. 发送数据的方法是：逐个字节点发送，中间间隔固定的一小段时间，发送1帧数据的所有字节后，间隔一段时间，再以同样的方法重复发送一次，如图2所示.
图2 数据发送示意图
2.2 发送数据的处理
若2个或2个以上节点采用上述方法发送数据，则接收节点在相邻的时刻接收到来自不同节点的数据. 接收节点按时间顺序，以一维数组的形式储存接收的数据，数组里相邻字节属于不同的节点，来自同一节点的字节中间相隔一个或几个其他节点的字节. 要区分不同节点的数据，每个字节必须带有识别信息. 现规定一个字节8位，高4位用来承载有用信息，低4位用来承载识别信息. 4位二进制最多只能表示16种识别信息，而同一时刻发送数据的邻节点一般小于16个，识别信息可以在下一次发送数据时重复使用.
图3是有用信息和识别信息结合的数据处理过程，等待发送数据来自网络层. 首先把等待发送数据每个字节的高4位和低4位分离：第1个节点的高4位用BH1表示，第2个字节的高4位用BH2表示；第1个字节的低4位用BL1表示，第2个字节的低4位用BL2表示. 以此类推. 节点的CPU随机生成一个数，取这个数的低4位用RDL表示，4位的RDL分别与等待发送数据分离出来的高4位或低4位重新组合成一个字节，再组成新的数据帧. 节点把新的数据帧按上述方法直接发送出去.[7]
图3 发送数据处理的示意图
2.3 数据接收
发现有节点发送数据，接收节点立即启动接收，同时启动定时器. 接收节点按时间顺序，以一维数组的形式储存接收的数据，直到定时器到时间节点才进入接收数据的处理过程.
2.4 接收数据的处理
接收数据处理过程是发送数据处理过程的逆过程，如图4所示. 首先根据每个节点低4位提供的识别信息把数据分开，识别码相同的作为一组，按时间顺序排列. 在同一组里，把每个字节的高4位和低4位分开，去掉低4位识别信息，高4位有用信息按顺序重新组成数据帧，被节点送入网络层处理. 分时发送MAC协议的算法流程如图5所示.
图4 接收数据处理的示意图
3 仿真结果
本系统中，行驶中的车辆是Ad Hoc网络中的节点，车辆在移动过程中可通过车载无线通信设备发送数据以发布信息. 车载通信系统由ARM核心板和无线通信模块组成，ARM完成信息处理、控制信令以及通信协议处理，无线通信模块采用STR-30模块. 每次仿真时间2 s，在2 s内，节点A和节点B每次发送数据的起始时刻随机，发送数据的次数随机，每个字节的发送时间为1.417 ms，每帧数据共10个字节. 从表1可以看出，时分发送MAC协议的性能明显比普通MAC协议优越.
图5 时分发送MAC协议算法流程图
表1 时分发送MAC协议与普通协议性能对照表
4 结束语
冲突是移动自组织网络要解决的主要问题，Ad Hoc网络道路交通安全监控系统实时性和准确性要求很高. 本系统使用时分发送MAC协议，节点有数据立刻发送，不需要等待，数据能一次可靠地传递到接收节点，不需要握手和确认，大大提高了信道的利用效率和整个网络的性能.
[1] 于宏毅. 无线移动自组织网[M]. 北京：人民邮电出版社，2005.
[2] 秦媛媛，谈振辉. Ad Hoc网络的应用及其面临的挑战[J]. 中国数据通信，2004，26(2): 23-26.
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[4] 张辉，曹丽娜. 通信原理[M]. 北京：科学出版社，2007.
[5] 朱诗兵，刘作学，李迎春. 信息论与编码理论[M]. 北京：科学出版社，2005.
[6] 郑少仁，王海涛，赵志峰，等. Ad Hoc网络技术[M]. 北京：人民邮电出版社，2005.
[7] 王兴亮. 数字通信原理与技术[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，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
广东省科技计划项目（2009B010800012）
郭洪威（1980—），男，广东增城人，硕士研究生，主要研究无线传感网络及数据处理；廖惜春，教授，硕士生导师，通信作者，主要研究无线传感网络及数据处理.
