车载网中基于分段与协作的MAC协议

于明鹭，刘南杰,2，赵海涛,2

(1.南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003;2.南京邮电大学 网络基因工程研究所，江苏 南京 210003)

车载网中基于分段与协作的MAC协议

于明鹭1，刘南杰1,2，赵海涛1,2

(1.南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003;2.南京邮电大学 网络基因工程研究所，江苏 南京 210003)

车载自组织网络中采用的是基于竞争的MAC协议。该协议在车辆密度很大时会导致很高的包碰撞率，严重影响安全消息的传输可靠性和时延。针对该问题，提出车载自组织网络中基于分段与协作的MAC协议。首先创新性提出一种对道路进行分段的思想，再通过段首分配时隙给每辆车传输安全消息，最后通过选择辅助节点在空闲时隙重传紧急消息给接收失败的节点。该协议有助于提高安全消息的传输可靠性并降低消息传输时延。

车载自组织网络；协作；安全消息；介质访问控制协议

1 概 述

近年来，车载自组织网络(Vehicular Ad hoc NETworks,VANETs)得到了飞速发展。在VANETs中每辆车都配备有无线接口，即车载单元(On-board Unit,OBU)。此外，道路上设有路边单元(RoadSide Units,RSU)。通过OBUs和RSUs，VANETs中的车辆可以相互通信,也可以与网络单元通信。所以车辆通信包括车与车通信和车与路边单元通信的模式。由于车辆通信的重要性，联邦通信委员会分配了75 MHz频谱用于智能交通中的通信。这75 MHz分为7个信道，包括一个控制信道和六个服务信道[1]。

安全消息是VANETs中最重要的消息，它具有很强的实时性，必须在规定的时间到达接收者并满足一定的接收率(99%)。因此，安全消息的传输性能取决于介质访问协议(Medium Access Control,MAC)。而IEEE 802.11p采用的基本MAC接入策略为避免碰撞的载波侦听多址接入，时延大，可靠性低，无法满足安全消息的传输时延和接收率。并且安全消息的洪泛机制会导致广播风暴。因此，为严格满足安全消息的服务质量，许多研究提出了VANETs中不同类型的MAC协议。其中协作通信得到了广泛关注。当源节点到目标节点之间的原始信道不可靠时，其他信道状况良好的邻居节点可用于把包传至目标节点，这样目标节点可以从各独立信道获得不同副本，因而通过空间分集增强了消息传输的可靠性。

现在大多数基于协作的MAC协议专注于研究点对点的通信模式[2-3]，在文献[4-5]中提出了两个相似的基于协作的MAC协议：Coop-Mac和rDCF。该协议使得速率高的节点通过两跳传输来辅助一个速率低的节点。在这两种方案中，辅助节点的选择基于表中历史记录。然而，当表更新间隔设置不合理时，就无法适应车载通信的动态特性。

为解决这个问题，许多文献给出了相应的方案。在文献[6]中，辅助节点的选择基于控制消息的实时信号强度。文献[7]提出了一种车载网中自适应分布式协作MAC，即ADC-MAC。每个节点利用信标消息来周期性地测量周围节点的信号强度。然而这些状态包带来了很大的开销并增加了包碰撞率。在文献[8-9]中，作者结合了协作通信和自动重传机制，当发现NACK消息时，源节点的邻居节点重传包。然而，选择合适的转发节点带来了额外的开销。上述的协作通信协议都是基于IEEE802.11p协议的。文献[10]提出了一种基于TDMA的协议来改善包的接收率。然而，在这个MAC协议中，只是选择了辅助节点和时隙用于协作传输并没有重传机制。文献[11]提出CAH-MAC，它利用一帧中的空闲时隙来传输包。辅助节点的选择和协作的时隙选择都是动态的，然而，该协议并没有考虑节点的移动性并且模型过于理想化。

协作通信用于提高广播通信的可靠性，然而上述研究在如何选择合适的辅助节点及何时进行协作方面并没有给出很好的方案。

不同于上述研究方案，文中创新性提出一种基于TDMA的分段与协作的MAC协议。首先对道路进行智能分段，然后选择段首来进行时隙分配，最后通过选择辅助节点来重传接收紧急消息失败的节点,这样显著提高了安全消息的接收率。

2 系统模型

文中考虑VANETs有两条车道。每辆车视为一个节点。首先对道路进行等距离分段，每一段设定一个段编号。再在每段中选择一个节点作为段首(Segment Hear,SH)，其他节点则为段成员(Segment Member，SM)。然后由每段的SH为该段的SM分配传输安全消息的时隙，车辆通过数字地图能获知该车所在段，并在分配给该段的相应时隙中传递消息。当SM发现紧急消息时，它立即将紧急消息传递给SH，SH再统一所有SM发来的紧急消息并将消息转发给段内所有的SM。如果SM没有成功接收消息，SH会选择一个重传节点在空闲时隙重传消息。协议的整个执行流程如图1所示。

图1 协议流程

3 协议设计

文中提出的基于分段与协作的MAC协议针对车载网中重要的安全消息(信标消息、紧急消息)的传输。设消息的传输速率为6 Mbps，消息的传输范围为Rm。把时间段划分成不同时段，每个时段代表一个信标间隔(BeaconInterval，BI)。BI包括N个时隙，并且在每个信标间隔的最后留有几个空闲时隙，用于SM无法获知SH分配的时隙时接入。每辆车在每个信标间隔中传输信标消息。设每辆车配有GPS设备和数字地图，GPS用来提供精确的时间同步。

3.1 道路分段

因为每段中的时隙是由SH分配，因此每段的宽度直接影响分配效率。首先，在选择SH时要求段内车辆能感知到段内所有其余车辆。其次，SH在分配时隙前必须收到所有SM的信标消息。所有段宽度必须满足W≤R。又因为W太小影响了信道利用率，这里取W=R。道路分段情况如图2所示[12]。

图2 道路分段示意图

3.2 段首选择

为有效进行时隙分配，必须在每段中选择一个本地SH，在每个信标消息中都有一个状态位，如果设为1则表明该节点为SH，否则为SM。段首选择的基本过程如下：在每个BI开始时，每个节点通过获知邻居节点的动态信息(位置、速度、加速度等)找出距离段中心最近的车辆。如果一辆车发现自己是最靠近中心的车辆，它就将信标消息的标志位设为1并广播出去。由于设置的段宽度较小，段内的节点可以成功接收周围节点的信标消息。然而，由于移动性，一个节点无法精确获知其他车辆的位置，而且可能同时存在两个及以上的节点到中心的距离相等。为确定单个节点作为SH，当首次接收到一个标志位置为1的信标消息时，就确定发出该信标消息的节点为SH，而之后再发送标志位为1的信标消息的节点重新把标志位置0。

SH确定后，它就开始执行时隙分配过程并将分配信息包括在信标中(H信标)。H信标必须在时段TH之前发送出去。每个BI包括两个子间隔，即SIH和SIM。其中，SIH包括所有SH的传输时隙，SIM包括所有SM的传输时隙，如图3所示。因为每段只有一个SH，所以每个TH包含一个时隙，下面对TM进行划分。

图3 划分信标间隔(BI)

研究表明，道路上的车辆数服从参数为βR的泊松分布。其中，β为车辆密度，R为消息传输范围。为保证每辆车在每个BI时间内都占有一个时隙，要求N>βR。这里取N=30[13]。即将TM划分成30个时隙，如图4所示。

图4 时隙划分

段首的选择过程主要在三种条件下执行：一是初始化阶段，二是当前段的SH即将离开该段，三是当一个节点进入空段。第一种情况只要执行上述的基本过程，而二、三条件除了执行基本的段首选择过程外，还需要针对该条件的特殊性执行另外的过程。这两种条件下的详细执行过程如下：

3.2.1 当前SH离开该段

为了避免消息传输中断，当前SH离开该段之前必须选择出新的SH，这需要花费若干BI。文中设花费10个BI(即1s)。即当前SH如果估计在i+10个BI时可能出现在新的段中，它就发出消息给当前段的节点进行新的SH选择过程。因此，通过段首选择的基本过程，单个节点会被成功选择作为新SH，并立即开始接替原SH进行时隙分配过程。特殊的，当该节点发出选择新SH的消息时，没有一辆车靠近中心，那么原SH将继续工作并持续发出选择新SH的消息。过了几个BI，发现离中心距离比原SH近的节点就被选为新SH[12]。

3.2.2 节点进入空段

当一节点进入新段时，首先侦听H信标。如果未收到H信标，表明该节点进入了空段，那么它就在TM中选择任意一个时隙。当节点接收到标志位为1的信标消息时，那么发送该信标消息的节点就被视为SH。

3.3 时隙分配

时隙数确定后，下面确定每辆车对应的时隙。首先对段内的每辆车进行编号。由于发送每辆车的编号会占用SM很大的开销，所以这里用SM发送一个位序列，SM通过收到的位序列，可以推断出本节点所在时隙。具体过程如下：将每段划分成P块，每块最多包含Q辆车。由SH发送P个子序列组成的位序列，每个子序列表示该块内的车辆数。设序列位数为b，则2b-1≤Q≤2b-1。设将每段分成5块，如图5所示。由于每辆车可获知它所在的块编号及同一块内的其他车辆编号，这些车辆的节点数经过排序形成一个列表，每个节点通过该列表和SH发送的位序列，可推断出本节点对应的时隙。如一车辆处w块的车辆获得它的时隙号为：

(1)

其中：Bu,v表示第u个子序列的第v位；n表示w块中车辆标号在该块所有标号中所处的位置。

图5 分块图

如图中块2的节点7，块2中的节点有{3,7,9,15}，节点7在该块中处于第2位，又知块1的位序列为010，由式(1)可知S=0*20+1*21+0*22+2=4。

图6给出了每段的位序列及每个节点对应的时隙。

图6 位序列及时隙分配图

3.4 协作传输

协作传输的过程包括识别包传输失败、选择辅助节点、避免碰撞和重传包。

3.4.1 识别包传输失败

为确保可靠通信，发送包的节点需要确认接收节点是否成功接收包。因此，在这里使用确认(Acknowledgement)字段来确认包的接收。ACK字段包括以下信息：包的序号、源节点的标号以及包传输的时隙号。当SMi接收到SH发送的广播包时，该节点就将ACK字段加入到包头中，并在下一个BI传输出去。与此同时，节点i的邻居节点也能侦听到包的传输。如果SMi传输的包中不包括ACK字段，那么i节点的邻居节点中已经成功接收到包的节点会识别SMi为失败节点并将本节点视为候选辅助节点[13]。

3.4.2 选择辅助节点

候选辅助节点需要满足以下两个条件：

(1)该节点已经成功接收包；

(2)目标节点在该节点的传输范围内并且信道质量良好。

接下来，每个候选辅助节点将决策是否进行协作传输。如果它决定进行传输，就在包头中加入请求协作(RequestofCooperation，RoC)字段。RoC字段包括请求协作标志位、失败节点编号、失败包的编号。当SH从所有的候选辅助节点接收到RoC消息时，它需要从这些候选辅助节点中选择一个作为最佳候选节点。在该系统中，一个辅助节点可能无法覆盖所有的失败SM，所以SH可选择两个辅助节点。下面给出选择辅助节点时用到的协作增益的定义。

以下是选择辅助节点的算法：

初始化：SH中包含两个集合，P集合包括所有的候选辅助节点，U集合包含所有的失败节点。当SH从节点i接收到一个RoC消息，就把该节点的标号放入集合P。同时，如果该RoC消息中包含的节点标号j不在U集合中，那么SH就把节点j加入U中。

输出：设定SP为选择的辅助节点,SI为选择的空闲时隙。

第四步：从集合P中删除第三步选择的辅助节点k，并将Tun(k)中包含的节点从集合U中删除。对于P中其他候选辅助节点i，如果Tun(i)中有节点存在于Tun(k)中，那么将其从Tun(i)中删除。从集合I中删除第三步选择的时隙号；

第五步：重复步骤1～4直到集合U和I为空。

3.4.3 避免碰撞和重传包

一个接收失败的节点可能存在两个或更多的候选辅助节点。如果这些候选辅助节点都在同一个时隙传输就会产生碰撞。为了避免此类碰撞，当选择好辅助节点时，SH会利用确认协作(AcknowledgeofCooperation，AoC)消息来通知选择的辅助节点进行重传并让其他候选辅助节点停止传输。为了减小传输时延，AoC会在第一个空闲时隙进行传输。AoC消息包含以下内容：选择的辅助节点的标号，传输失败的包的标号和重传的时隙号。当选择的辅助节点接收到AoC消息时，它就会根据AoC中指定的时隙进行重传。

协作传输过程如图7所示。

图7 协作传输过程

4 结束语

文中提出了一种基于分段与协作的MAC协议。在该协议中选择了辅助节点来重传安全消息给接收失败的节点。由于增加了节点接收安全消息副本的可能性，节点成功接收安全消息的概率也增加了。同时，引入分段思想，通过段首进行集中的时隙分配有效降低了网络拥塞，增强了安全消息传输的有效性。

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Segmentation and Cooperation Based Media Access Control Protocol in VANETs

YU Ming-lu1，LIU Nan-jie1,2，ZHAO Hai-tao1,2

(1.Institute of Telecommunications & Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China;2.Network Gene Engineering Research Institute,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)

Vehicular Ad-hoc NETworks (VANETs) employs contention-based Medium Access Control (MAC).Under high-density situation,it leads to a great number of packet collision,and as a result,the reliability and latency of safety messages are severely affected.A segmentation and cooperation based MAC protocol in VANETs is proposed.It first introduces a road segmentation strategy,then the selected segment header is responsible to decide slots allocation which is used to transmit safety message by every car.Finally,helpers are selected to forward the packet to nodes that don’t receive the packet in idle slots.The protocol can help to improve safety message’s transmission reliability and reduce transmission delay.

VANETs;cooperation;safety message;MAC

2015-06-24

2015-09-28

时间：2016-02-18

国家“973”重点基础研究发展计划项目(2013CB329005)；国家自然科学基金资助项目(61302100)；教育部博士点基金资助项目(20133223120002)；南京邮电大学科研基金(NY211006)

于明鹭(1991-),女,硕士研究生,研究方向为车联网；刘南杰，博士，教授,研究方向为泛在通信、车联网、智能交通；赵海涛，博士，副教授，研究方向为无线网络与泛在通信。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160218.1636.070.html

TP393

A

1673-629X(2016)03-0080-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.03.019