基于路侧单元协助的VANET异步多信道MAC协议研究

唐 欣，李晓欢,2，陈名松，詹益旺

（1.桂林电子科技大学，广西 桂林 541004；2.华南理工大学，广东 广州 510641；3.广州杰赛科技股份有限公司，广东 广州 510310）

基于路侧单元协助的VANET异步多信道MAC协议研究

唐 欣1，李晓欢1,2，陈名松1，詹益旺2,3

（1.桂林电子科技大学，广西 桂林 541004；2.华南理工大学，广东 广州 510641；3.广州杰赛科技股份有限公司，广东 广州 510310）

主要提出了一种基于路侧单元（RSU）协助的车载自组网（VANET）异步多信道MAC协议。该协议不需要严格的时间同步，通过RSU协助节点进行业务信道预约，可实现多个业务信道上同时进行数据传输，不仅提高了业务信道吞吐量，而且有效地避免了多信道隐藏终端问题以及错失接收方问题。

车载自组网 异步多信道协调协议 媒介访问控制 路侧单元

1 引言

基于IEEE 802.11p[1]标准的VANET采用专用短距离无线通信（DSRC，Dedicated Short Rang Communication）[2]技术实现了车与车（V2V，Vehicleto-Vehicle）、车与路侧单元（V2R，Vehicle-to-Road）的通信。IEEE 1609.4[3]标准规定了车载环境无线接入（WAVE，Wireless Access in Vehicular Environments）[4]系统的多信道操作，其中控制信道（CCH，Control Channel）、业务信道（SCH，Service Channel）的访问在时间上被分割为CCH间隔和SCH间隔。这样的方式使得控制信道和业务信道周期性地处于闲置状态，降低了吞吐量和信道使用效率。

为解决现有协议的不足，多信道MAC协议得到了广泛的研究。文献[5]提出的AMCP（Asynchronous Multi-channel Coordination Protocol）协议，采用了类似IEEE 1609.4的信道分配方案[3]，不需要时间同步就能实现非安全信息在业务信道上的传输；文献[6]提出了VCI MAC（Variable CCH Interval MAC）协议，该协议利用车辆密度调整CCH间隔的长度，改善了非安全信息的饱和吞吐量；文献[7]提出了基于RSU协调的多信道MAC协议，该协议从6个业务信道中分出了1个紧急信道，避免了安全信息与其他非安全信息的碰撞；文献[8]提出的AMCMAC（Asynchronous Multi-Channel MAC）协议，实现了节点在控制信道上进行业务信道的预约以及安全信息的广播。

以上协议虽然从一定程度上提高了信道利用率，但在多信道操作中仍然存在多信道隐藏终端以及错失接收方问题[5]。基于此，本文提出采用异步的多信道协调方法，并利用RSU协助节点进行业务信道预约，在提高业务信道吞吐量的同时，还能有效地避免多信道隐藏终端问题以及错失接收方问题。

2 协议工作流程

本文提出了一种基于RSU协助的VANET异步多信道MAC协议。该协议利用RTS（R equest-To-Send）/ CTS（Clear-To-Send）[9]在控制信道上完成业务信道预约，在业务信道上进行非安全信息传输。在描述协议工作流程之前，首先对协议的应用场景及协议中的主要参数进行简单说明。

应用中各车辆节点均配备1台收发机，该收发机可以在任意时隙切换到控制信道或某个业务信道上，用于进行信道监听或数据传输。而RSU配备2台收发机（收发机A、收发机B），收发机A监听控制信道，收发机B则可在控制信道和业务信道之间切换。RTS/CTS的帧间间隔为2个SIFS（Short Inter-Frame Space），并在RTS帧、CTS帧中新增3个字段：业务信道号（SCI，Service Channel ID）字段，用于存放源节点和目的节点选择的空闲业务信道号；预约的开始时间（ST，Start Time）字段；预约的终止时间（ET， End Time）字段。每个节点均维持一个本地信道预约列表，其中包括预约的业务信道号、信道被预约的起止时间、业务信道上正在进行传输的源节点号和目的节点号。另外，RSU协助（RA，RSU-Assisted）帧是在CTS帧结构之上新增3个字段：节点忙（BN，Busy Node）字段表示节点不在信道上；信道忙（BC，Busy Channel）字段表示被选中的信道当前处于忙的状态；信道剩余时间（RTC，Remaining Time of Channel）字段表示信道或者节点持续忙的时间。下面将对协议的具体方法和操作步骤进行说明。

当源节点有非安全信息发送给目的节点时，执行以下步骤：

（1）源节点预先检查本地信道预约列表，设置SCI字段的值为被选中的空闲业务信道号，ST字段和ET字段被分别设置为预约信道的起止时间，然后发送RTS帧；若没有可用的空闲业务信道，则继续等待。

（2）RSU接收RTS帧之后，若发现目的节点不在控制信道上，那么RSU等待SIFS之后回复RA帧（BN=1）；否则，RSU继续检查RTS帧的SCI字段，若发现SCI指示的业务信道此刻为忙，那么RSU回复RA帧（BC=1），否则RSU不发送RA帧。

（3）若源节点接收到R A帧（B N=1或者BC=1），那么等待RTC字段指示的时间之后再次发起信道预约；否则，源节点等待接收CTS帧。

（4）RTS帧被发送到控制信道之后，收到RTS帧的其他节点，更新自己的NAV（Network Allocation Vector）的时长为1个CTS帧传输时延与2个SIFS之和。若接收到RA帧，则提前终止NAV。

（5）目的节点在收到RTS帧之后，等待2个SIFS时长，其间若一直没有收到RSU发送的RA帧，那么就立即回复CTS帧，并切换到被预约的业务信道上，等待接收信息。

（6）源节点收到CTS帧之后，立即切换到被预约的业务信道上，发送信息。

（7）目的节点接收完信息之后，回复A C K（Acknowledgement）帧，并切换到控制信道；源节点收到ACK帧之后，切换到控制信道。至此完成一次信息的交互。

3 协议中解决问题的方案

（1）多信道隐藏终端问题

多信道隐藏终端问题是由于多个预约节点选择了相同的信道导致信息碰撞。RSU协助预约机制解决多信道隐藏终端问题的方案是：RSU接收到RTS帧之后，检查本地信道预约列表，若RTS帧中SCI字段指示的信道忙，那么它等待1个SIFS时长之后发送RA帧（BC=1，RTC字段被赋值为ET与当前时间之差），源节点收到RA帧之后，等待RTC字段指示的时间之后再次发起信道预约。

如图1所示，当节点n3发送完RTS帧之后，RSU发现SCI指示的业务信道处于忙（节点n4和n9正在占用），则发送1个R A帧（BC=1），这种机制解决了多信道隐藏终端问题。

（2）错失接收方问题

错失接收方问题是异步多信道MAC协议中的常见问题。当源节点在控制信道上发送RTS帧之后，由于接收不到目的节点发送的CTS帧，导致源节点长时间占用控制信道，造成信道资源浪费，其主要原因是目的节点此时可能正在其他信道上参与数据传输，而未收到RTS帧。RSU协助预约机制解决错失接收方问题的方案是：RSU接收到RTS帧之后，检索本地信道预约列表中是否存在RTS帧的目的节点，如果目的节点处于忙，那么RSU等待SIFS之后发送RA帧（BN=1，RTC字段被赋值为ET与当前时间之差），源节点收到RA帧，等待RTC字段指示的时间之后再次发起信道预约。

如图2所示，当节点n3发送完RTS帧之后，RSU发现目的节点n7处于忙（节点n2和n7正在交换信息），则发送1个RA帧（BN=1）用来告知源节点，其目的节点正忙。因此，该机制避免了由于目的节点不在控制信道而引起的错失接收方问题。

4 协议仿真与结果分析

下面通过仿真实验对本文提出的方法进行性能分析。

图2 ARAMMAC协议解决错失接收方问题的方案

利用NS2[10]对ARAMMAC进行仿真，并选取了一种典型的异步多信道协议（AMCP）和IEEE 1609.4进行性能比较。文献[11]证明了节点的移动对信道接入的影响是极其微小的，因此本次仿真是在单个RSU的传输范围内进行的，并且各节点处于静止状态。仿真分析的主要参数如表1所示：

表1 仿真实验参数

图3给出了3种协议的总的业务信道吞吐量变化曲线。可以看出，ARAMMAC的吞吐量与IEEE 1609.4相比得到了较大的提升，表明异步多信道机制可以实现多个业务信道同时进行数据传输，有效地提高了业务信道利 用率。ARAMMAC的吞吐量较AMCP更优的原因是：通过引入RSU协议的机制更好地避免了多信道隐藏终端问题，降低了业务信道上信息的碰撞；同时也缓解了错失接收方问题，节约了宝贵的控制信道资源，提高了信道预约效率。

图3 总的业务信道吞吐量变化曲线

图4给出了ARAMMAC和AMCP的业务信道预约成功数变化曲线。随着节点数量的增加，ARAMMAC的预约成功数在AMCP之上提高了10%～30%。这是因为ARAMMAC采用了RSU协助预约机制，避免了多信道隐藏终端以及错失接收方问题，提高了信道预约成功数。而AMCP采取的避免多信道隐藏终端问题的策略[5]，是以降低信道预约效率为代价的。

图4 业务信道预约成功数变化曲线

图5给出了控制信道上的安全信息接收率变化曲线。可以看出，3种协议的安全信息接收率随着节点数的增加而缓慢下降。当节点数增加到100时，IEEE 1609.4保持约90%的接收率，明显优于ARAMMAC和AMCP。这说明IEEE 1609.4仅允许安全信息在CCH间隔传输的机制，有利于提高安全信息的接收率，而ARAMMAC和AMCP允许在CCH间隔交互预约信息会加重控制信道负载，降低了安全信息的接收率。就ARAMMAC与AMCP比较来看，当节点数大于50时，ARAMMAC的安全信息接收率高于AMCP。这说明当网络负载逐渐增加时，发生多信道隐藏终端和错失接收方问题的概率也随之增大，而RSU协助机制可以有效地减少这2个问题引起的信道资源浪费，使得更多的节点在控制信道上进行安全信息交互。

5 结束语

本文提出了一种基于RSU协助的车载自组网异步多信道MAC协议。该协议采用异步的方案，通过RSU协助节点进行业务信道预约，可实现多个业务信道上同时进行数据传输，提高了业务信道吞吐量，且有效地避免了多信道隐藏终端问题以及错失接收方问题。仿真结果表明，在同等网络负载条件下，本文提出的ARAMMAC与AMCP、IEEE 1609.4相比较，在总的业务信道吞吐量、信道预约成功数方面具有明显的优势。

图5 控制信道上的安全信息接收率变化曲线

[1] IEEE 802.11p. Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications Amendment 6: Wireless Access in Vehicular Environments[S]. 2010.

[2] Kenney J B. Dedicated Short-Range Communications (DSRC) Standards in the United States[J]. Proceedings of the IEEE, 2011,99(7): 1162-1182.

[3] IEEE 1609.4. IEEE Standard for Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE)-Multi-channel Operation[S]. 2011.

[4] Uzcategui R, Acosta-Marum G. Wave: A tutorial[J]. IEEE Communications Magazine, 2009,47(5): 126-133.

[5] Shi J, Salonidis T, Knightly E W. Starvation Mitigation Through Multi-Channel Coordination in CSMA Multi-Hop Wireless Networks[C]. The 7th ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing, 2006: 214-225.

[6] Wang Qing, Leng Supeng, Fu Huirong. An Enhanced Multichannel MAC for the IEEE-1609.4-Based Vehicular Ad Hoc Networks[C]. INFOCOM IEEE Conference on Computer Communication Workshops, 2010: 1-2.

[7] Wang Jie, Ji Yusheng, Wang Xinhong, et al. RSUCoordinated Multi-Channel MAC with Multi-Criteria Channel Allocation[C]. IEEE ICCVE, 2012: 60-65.

[8] Han Chong, Dianati M, Tafazolli R, et al. Asynchronous Multichannel MAC for Vehicular Ad Hoc Networks[C]. Vehicular Networking Conference, 2011: 109-115.

[9] IEEE 802.11. Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifi cation[S]. 1997.

[10] Wiki. The Network Simulator-ns-2[EB/OL]. (2006-04-25) [2015-03-07]. http://www.isi.edu/nsnam/ns/.

[11] Hass Z J, Deng Jing. Dual Busy Tone Multiple Access (DBTMA) Performance Evaluation[C]. Vehicular Technology Conference, 1999: 314-319.★

唐欣：硕士就读于桂林电子科技大学，主要从事车载无线通信、车载自组织网络MAC协议等方面的研究工作。

李晓欢：讲师，博士毕业于华南理工大学，现任职于桂林电子科技大学，主要从事通信信号处理、认知无线电和车载无线通信等方面的研究工作。

陈名松：教授，硕士毕业于上海理工大学，现任职于桂林电子科技大学，主要从事光通信、光电子技术、宽带通信网络等方面的研究工作。

詹益旺：高级工程师，博士毕业于华南理工大学，现任职于广州杰赛科技股份有限公司，主要从事移动通信市场研究和科研项目开发管理工作。

Research on RSU-Assisted Asynchronous Multi-Channel MAC Protocol for VANET

TANG Xin1, LI Xiao-huan1,2, CHEN Ming-song1, ZHAN Yi-wang2,3

(1. Guilin University of Electronic and Technology, Guilin 541004, China; 2. South China University of Technology, Guangzhou 510641, China; 3. GCI Science & Technology Co., Ltd., Guangzhou 510310, China)

A RSU-assisted asynchronous multi-channel MAC (ARAMMAC) protocol for VANET was proposed in this paper. ARAMMAC does not need rigid time synchronization. It supports simultaneous data transmissions on different service channels (SCHs) because it reserves channel by means of road side unit (RSU) assistance node. ARAMMAC not only increases the throughput of SCHs, but also effectively solves the problems including multi-channel hidden terminal and missing receiver.

vehicular Ad-hoc networks asynchronous multi-channel coordination protocol medium access control road side unit

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.08.008

TN914.3

A

1006-1010(2015)08-0037-05

唐欣,李晓欢,陈名松,等. 基于路侧单元协助的VANET异步多信道MAC协议研究[J]. 移动通信, 2015,39(8): 37-41.

2015-03-07

责任编辑：袁婷 yuanting@mbcom.cn