（信号与信息处理专业论文）多载荷条件下vanet网络接入协议研究.pdf

摘要 f l l i i l l l i l l l i i l l l l i l u l m l l i l 4 y 2 14 2 0 4 6 摘要 快速移动性与负载多样性的约束条件对智能交通系统中车辆通信网络的信 道接入机制提出了新的挑战。传统接入协议的性能表现难以满足新时期智能车 辆通信网络对信道接入机制提出的需求，因此必须在多种传统信道分配方式的 基础上进行混合设计，使之能够动态、自适应的针对多载荷与车辆移动性进行 信道的优化分配，实现在低负载条件下保持对信道的高效利用，高负载条件下 保持网络性能的稳定与可靠，对节点的高移动性具有较强的鲁棒性。 针对以上问题，本文提出c s m a 与t d m a 相融合的混合接入协议方案，将 网络的接入协议设计要求与上层的多载荷应用综合考虑，通过合理的时隙规划 与信道接入规则设计，实现以网络负载为控制因子的自适应调节机制。本文主 要贡献与创新点如下： ( 1 ) 深入调研了多载荷条件下v a l e t 网络发展背景，分析了多载荷与快速移 动性对无线信道接入协议的性能要求，详细评估了c s m a 与) m a 接入技术在相 关交通通信网络中的应用现状，论证了两者的性能特点与互补性，明确了接入 协议设计所面临的问题与挑战。 ( 2 ) 通过分布式时隙分配算法为节点进行初始化时隙分配并建立区域范围 内帧结构，设置计时器功能模块，将c s m a 竞争机制融入时隙中，采用退避机制 区分节点优先级，利用广播竞争通告消息作为冲突解决方案。通过一系列功能 模块的设计与信道接入规则的制定，形成在高负载时倾向以时隙分配信道为主， 低负载条件下以竞争接入信道为主的自适应接入机制。 ( 3 ) 根据v a n - e t 网络应用的调研结果建立了高速公路环境下仿真场景，在 n s 2 网络仿真软件中对相关设计方案进行了仿真实现。以仿真数据为依据，从信 道利用率、丢包率和网络开销三个方面对混合型接入协议进行性能评估。结果 表明，混合型接入协议在由低到高的动态负载条件下均具有较高的信道利用率， 虽然由于竞争机制的固有缺陷出现了少量的丢包，但是与传统t d m a 相比网络开 销所占比例大大降低，提高了可用带宽。与此同时，混合协议对节点速度的变 化表现出了很高的稳定性，表现更加均衡。最后通过辅助技术的仿真评估，对 协议的进一步研究提供了理论基础。 关键词：多载荷；v a n e t ；c s m a ；t d m a ；混合式接入技术 a b s t r a c t a b s t r a c t m u l t i p l el o a dd a t at r a 伍ca n dh i g hs p e e dm o b i l i t yb r i n gan e wc h a l l e n g et ot h e m e d i u ma c c e s sc o n t r o lp r o t o c o lo f 姗ti ni n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m i ti s h a r df o rt h et r a d i t i o n a lm a cp r o t o c o l st om e e tt h en e e do ft h en e wn e t w o r k t h u si t i sv e r yi m p o r t a n tt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h et r a d i t i o n a lm a cp r o t o c 0 1 an e w m a cp r o t o c o lw h i c hc a l lk e e pe f f i c i e n ta n dr e l i a b l ei nb o t hl o wa n dh i 曲l o a d n e t w o r k si sn e e d e d ，w h i c hs h o u l da l s ok e e pr o b u s ti nt h en e t w o r kw i t hh i g l lm o b i l i t y n o d e s a h y b r i dm a cm e c h a n i s mi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r , w h i c ht a k e st h ea d v a n t a g e s o fb o t ht d m aa n dc s m am e c h a n i s m m sh y b r i dm e c h a n i s mi sb a s e do nt d m a ， w h i l ec s m am e c h a n i s mi sa d d e di nt i m es l o t st oi m p r o v et h es l o tu t i l i z a t i o n 皿e m a i nc o n t r i b u t i o na n di n n o v a t i o no ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) ac o n c l u s i o na b o u tt h ed e v e l o p m e n to f 恻e ta n da n a l y s i so nt h ed e m a n d o ft h em u l t i p l e l o a dv a n e ta r em a d ei nt h i sp a p e r n ep e r f o r m a n c e so fc s m aa n d t d m ai nt h er e l a t e ds c e n ea r ee v a l u a t e d t h ec h a l l e n g ea n dp r o b l e m sw h i c h b r o u g h t b yt h en e w c o n s t r a i n t so f m u l t i p l el o a da r ee s p e c i a l l yc o n c e m e di nt h i sp a p e r ( 2 ) t h ek e yf u n c t i o n a lm o d u l e si nt h en e wm e c h a n i s ma r ea sf o l l o w s ：s l o t sa r e a s s i g n e dt ot h en o d e si nt h en e t w o r k 、i t l ld i s t r i b u t e ds l o ta s s i g n m e n ta l g o r i t h m c l o c km o d u l ei ss e tf o re v e r yn o d e ，a n da h y b r i dp r o t o c o l 谢t l lb a c k o f fm e c h a n i s mi s c a r r i e do u t c o n t e n t i o nn o t i f ym e s s a g ei ss e tt ob et h ec o l l i s i o ns o l u t i o n t h r o u g h t h e s es e r i e so fd e s i g n sa n da c c e s sc o n t r o lr u l e s ，t h en e wm a cm e c h a n i s mb e c o m e st o b ef l e x i b l ea n ds t a b l e ，w h i c ht e n dt ob eat d m am e c h a n i s mw h e nt h el o a di sh i g ho n t h en e t w o r k , ac s m am e c h a n i s mi nt h el o wc o n t e n t i o nn e t w o r k ( 3 ) b a s e do nt h ed a t ao fs i m u l a t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h eh y b r i dm a c p r o t o c o li se v a l u a t e di nc h a n n e lu t i l i z a t i o n ，p a c k e tl o s sr a t i oa n dt h eo v e r h c a d i ti s c a nb ec o n c l u d e dt h a tt h en e wp r o t o c o lh a v eag o o dp e r f o r m a n c ei nc h a n n e l u t i l i z a t i o nw h e n e v e rt h el o a di sh i 曲o rl o w , t h o u g ht h e r ea r es o m ep a c k e tl o s t b e c a u s eo ft h ep r o b l e mo fc o n t e n t i o n - b a s e dm e c h a n i s m ，t h eo v e r h c a do ft h eh y b r i d p r o t o c o lh a sb e e nr e d u c e dr e m a r k a b l y t h eh y b r i dp r o t o c o la l s ok e e p sag o o d r o b u s t n e s sw h e nt h en o d es p e e dc h a n g e d t h r o u g ht h er e s e a r c ho nt h ea s s i s t a n c e m e c h a n i s m ，a l li d e af o rt h ef u t u r er e s e a r c hi sp r o v i d e d k e yw o r d s ：m u l t i p l el o a d ；心m t c s m a ；t d m a ；h y b r i dm e c h a n i s m i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1v a n e t 网络 1 1 1v a n e t 网络的发展趋势 德国汽车市场调研机构r l p o l km a r k e t i n gs y s t e m s 的最新预测报 道表明，未来7 年内全球汽车保有量仍将继续增长近2 0 。到2 0 1 5 年，全球汽 车保有量将从2 0 0 7 年的近9 2 亿辆增至1 1 2 亿辆左右，亚洲地区将拥有全球四 分之一的汽车，也就是2 8 亿辆，其中中国市场增长潜力巨大，根据我国工信部 数据，预计到2 0 2 0 年中国汽车保有量将超过2 亿辆。在这些数据后面，隐藏着 严重的交通安全问题，严重制约着社会和经济的发展。据我国公安部消息，仅 2 0 1 0 年，全国共接报道路交通事故3 9 0 6 1 6 4 起，同比上升3 5 9 ，涉及人员伤 亡的道路交通事故2 1 9 5 2 1 起，造成6 5 2 2 5 人死亡，2 5 4 0 7 5 人受伤，直接财产损 失9 - 3 亿元，其中高速公路发生事故和造成的死亡人数同比分别上升5 2 和4 。 为了降低交通安全事故带来的损失，促进交通事业的进步与发展，满足交通运 输行业日益增长的需求，各领域科研技术人员将道路交通技术作为研究重点进 行攻关，并在全世界范围内形成了一个智能交通系统( i t s ，i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t s y s t e m s ) 研发计划，大部分发达国家都设立了智能交通协会，并定期举行协调会 议交流科研成果，我国的智能交通协会于2 0 0 8 年成立，标志着我国智能交通系 统的研究在官方领导下有序展开，并获得了政府部门、产业界以及科研单位的 大力支持，发展前景极为广阔。 所谓智能交通系统，是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子控制 技术、计算机技术及智能车辆技术等综合运用于整个交通运输管理体系，通过 对交通信息的实时采集、传输和处理，借助各种科技手段和设备，对各种交通 情况进行协调和处理，建立起一种实时、准确、高效的综合运输管理体系，从 而使交通设施得以充分利用，提高交通效率和安全，最终使交通运输服务和管 理智能化，实现交通运输的集约式发展【3 】。 道路交通与汽车运输是地位最重要、指挥最复杂、涉及范围最广的一种交 通运输方式，2 0 1 0 年，我国公路运输共发送旅客3 0 6 2 6 亿人、旅客周转量1 4 9 1 4 亿人公里、发送货物2 4 2 5 3 亿吨、货物周转量4 3 0 0 5 亿吨公里，远远高于铁路 第1 章绪论 与民航运输，因此对于汽车道路智能交通系统的研究成为i t s 研究的关键。车 辆间自组织网络( v a n e t , v e h i c u l a ra dh o cn e t w o r k ) 承担着道路智能交通系统的 数据采集与传输任务，为驾驶者、交通管理者等其他交通系统参与者提供决策 依据，它涉及车辆之间、车辆与路边基站、车辆与控制中心等之间的数据传输， 因此v a n e t 网络性能的提高对改善智能交通系统的安全性、高效性与舒适性具 有关键作用，v a n e t 网络成为通信技术在智能交通应用上的研究热点。 1 1 2 网络负载的多样性 v a n e t 网络的研究，需要以它所承载的具体业务类型为着眼点，才能够更 加适应交通网络的性能要求。对于v a n e t 网络来说，汽车工业的发展与其所在 的使用环境决定了其所承载的业务所具有的特殊性。从i t s 的角度来说，应用 于道路交通的业务主要分为三类，安全应用服务、效能应用服务与舒适性应用 服务【7 1 ，而这三大类服务分别又有多种应用与之对应，这就决定了作为这些应用 与服务的通信承载者的v a n e t 网络必须能够满足多种多样的网络负载的通信 需求。 在安全应用服务与效能应用服务方面，随着电子技术的进步，各大汽车生 产厂商为其汽车产品安装了大量的电子传感器，采集和获取有关车辆本身、周 边环境等信息，以辅助驾驶员的驾驶行为。若传感器所采集的数据能够在v a n e t 网络上进行传输并由其他的交通参与者获得，汽车驾驶员、交通管理者等交通 参与者将能够更加客观和科学的做出决策。此外，由于v a n e t 网络所应用的道 路交通系统的特殊性，不同路段、不同时段都可能造成网络中节点数量的悬殊， 并进一步造成网络负载的变化；在舒适性应用服务方面，不同的交通参与者对 娱乐应用服务需求不尽相同，车载电视、互联网接入等无线媒体的发展，为提 升驾驶乐趣提供了多方面的支持：天气、地理信息等服务为驾驶者的出行提供 贴心的参考意见；车载导航、路况信息乃至搜索功能可以提供便捷的生活服务， 这些丰富多样的应用需求，反应在网络部署层面也表现为差异巨大的网络负载。 以上由网络移动性与承载业务复杂性直接导致了网络上传输数据的不平衡。 1 1 3 网络拓扑结构的快速变化 v a n e t 网络是移动自组织网络的一种特殊情况，与一般的移动自组织网络 不同【2 1 1 ，由于车辆节点的参与，v a n e t 网络在运动速度与运动方式上有着独特 2 第1 章绪论 的约束条件。首先，车辆运动速度较快，在高速公路场景下可以达到上百公里 每小时，这使得网络的拓扑结构持续变化；其次，根据所处交通环境的不同， 节点的运动方式随之变化，如高速公路场景与城区环境下的车辆运动方式就存 在显著区别，这对通信网络的适应性提出了均衡性要求；此外，v a n e t 网络 严格受到相关法律法规的限制，在任何场景下都有相关的交通法律法规与之相 对应。 这种复杂多变的运动场景使得v a n e t 网络的研究将会有多种的通信环境 与之相对应，在对相关课题进行研究时必须对其所适用的通信环境场景进行合 理的选择。虽然v a n e t 网络应用环境的复杂多变使得研究场景的选择面临诸多 难题，但是相关的法律法规为研究场景与节点的移动性设置提供了科学准确的 参考依据，在本文中的通信网络场景设置过程中将详细说明。 1 2 无线信道接入技术面临的挑战 信道的多址接入技术即多个用户共享公共信道资源的方式，其目的是实现 各节点快速、高效、公平地接入无线信道。在任何网络环境下，信道接入技术 都是通信网络系统的关键，它决定了网络中的节点由谁以何种规则来接入物理 层。自组织网络的多址接入技术可以分为三类，即竞争类、固定分配类和按需 分配类。 竞争类多址接入技术主要有a l o h a 协议、c s m a 协议。c s m a 协议的网络通 过率卢与归一化的载波检测时延密切相关，其公式如下： 卢= f c y( 1 1 ) 其中，f 为载波检测时延，它由链路的传播时延和物理层的检测时延组成；c 为 信道传输速率：三为分组长度。由公式( 1 1 ) 可以发现：在c 和三不变的情况下， 随着传播距离的增大，f 增大，口会相应的变大，信道的利用率就下降。 固定分配类多址接入技术是面向信道的，可以提供可靠的服务，同时又保 持很高的信道利用率。固定分配多址技术主要有频分多址( f d m a ) 、时分多址 ( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 。 ( 1 ) 频分多址( f d m a ) 是采用调频的多址技术，业务信道在不同的频段分配 给不同的用户，这种技术实现简单，但是频带利用率低，抗干扰能力差，尤其 是在节点高速运动的网络中产生的多普勒效应对它造成的影响非常大。 3 第1 章绪论 ( 2 ) 码分多址( c d m a ) 是采用扩频的码分多址技术，所有用户在同一时间、 同一频段上，根据不同的编码获得业务信道，但是它要求较发送方与接收方必 须保持严格的同步。在高速移动的v a n e t 网络中，传播时延大和强烈的时延起 伏使得实现精确定时十分困难。 ( 3 ) 时分多址( t d m a ) 是采用时分的多址技术，业务信道在不同的时隙分配 给不同的用户，当网络负载较高时，能够实现节点问的无冲突通信并且实现较 高的信道利用率。 按需分配类多址接入技术通常采用预约和轮询的方式由控制节点为邻节点 分配信道，它解决了隐藏终端与暴露终端的问题，但是由于相关控制开销的限 制，它比较适合一次建立后较长时间稳定传输的业务类型，对于一个节点数量 大，拓扑结构快速变化，数据业务复杂，且无法保证链路稳定的多节点高速运 动无线自组织网络来说，按需分配类多址接入技术难以满足要求，因此在本文 中不予讨论。 针对多载荷条件下v a n e t 网络中信道接入协议所进行的研究将面临网络自 身特殊的应用场景与承载业务所带来的挑战。 首先，v a n e t 网络作为移动自组织网络的一种特殊场景应用，必须能够应 对由特殊的网络节点车辆所带来的移动性课题，这包括位置、速度与方向 的连续性变化。较强的移动性将会带来频繁的网络拓扑变化，最终为m a c 协议 的设计与应用带来挑战： ( 1 ) v a n e t 网络的动态性，通信环境与车辆位置等都处于持续变化中，导致 链路建立质量的恶化，并且可能导致数据传输失败，数据包丢失。具有重传机 制的m a c 协议将会导致数据包重传开销增大，网络延迟增加。 ( 2 ) 在基于竞争的m a c 协议中，节点的移动性使得隐藏终端问题更加突出， 从而导致更高的传输冲突；而在固定分配类m a c 协议中，则有可能带来协议开 销的增加，导致信道利用率的下降。 ( 3 ) 由于v a n e t 网络所面对的客户端是交通参与者，因此节点的加入与退出 都是随机的，因此网络所应用的m a c 协议必须具有很好的可扩展性。 此外，v a n e t 网络所承载业务的多样性，决定了多载荷也成为m a c 协议设 计与应用时必须考虑的因素，v a n e t 网络所面对的业务，要求其必须能够适应 来自于安全应用服务、效能管理服务与驾驶舒适性服务多方面的数据交换请求 【7 1 ，并且解决由此带来的网络负载不平衡问题： 4 第1 章绪论 ( 1 ) 多载荷条件下的v a n e t 网络所应用的信道接入协议必须能够解决不同 业务需求量节点之间的信道接入公平性问题，例如保证在有节点进行持续性的 大数据量多媒体数据流交换时，来自于其他节点数量小但却十分紧急的安全服 务信息也能够争用信道。 ( 2 ) 信道接入机制应对多种网络负载下的信道利用率需要得到有效提高，在 高网络负载条件下要求节点信道接入稳定，低网络负载条件下有效充分的使用 无线信道，避免资源浪费。 ( 3 ) 降低丢包与减少重传、提高数据传输的实时性，能够提高多媒体数据流 的主观体验评价，对提高驾驶舒适性感受有关键影响，这也成为信道接入协议 必须考虑的因素。 综上，服务于现代化i t s 系统的v a n e t 网络，除了要面对传统的v a n e t 网 络所必须解决的特殊移动性所带来的挑战，还必须能够解决由于网络负载的日 趋多样性所带来的多载荷条件约束，这对网络体系中的m a c 机制提出了更加苛 刻的要求。灵活性、高效性和稳定性成为评价m a c 协议设计与应用不可或缺的 标准。解决不同数据需求的节点接入信道的公平性，保障其信道接入机会，保 持高负载条件下的网络稳定、低负载条件下的网络效率，减少数据包丢失的同 时高效传递各个节点所产生的数据，这些本身就十分矛盾的问题成为m a c 机制 研究的难题，对多载荷条件下的v a n e t 网络的部署与实践具有重大价值。 1 3 本文所做的工作 本课题主要为作者主持结题的2 0 1 0 年江西省研究生创新专项资金资助项目 多载荷移动自组织网络高性能接入协议研究n o y c l 0 a 0 3 2 、江西省自然科 学基金多载荷移动自组织网络的自主信息融合方法研究n o 2 0 1 0 g q s 0 1 5 3 中 关于接入协议研究与改进问题，为项目中的主题提供理论与技术基础。本文的 主要贡献与创新点包括以下几个方面： ( 1 ) 分析多载荷条件下的v a n e t 网络特性，论证对m a c 层协议的需求；对 传统m a c 协议的基本原理、运行机制、性能评估等方面进行调研与分析，论证 传统m a c 协议在多载荷条件下v a n e t 网络中的应用可行性；综合调研v a n e t 网 络的移动性与多种服务需求的多载荷条件： ( 2 ) 针对现有接入协议的优缺点，深入研究设计新型的混合型接入协议；完 5 第1 章绪论 成新协议的原理与流程设计，主要包括时隙规划、帧结构建立、时隙分配方案、 竞争规则设计、冲突解决策略设计等； ( 3 ) 在n s 2 软件中进行仿真实现，并且在仿真数据结果的基础上进行性能评 估指数的分析，包括信道利用率、丢包率与网络开销等。与改进前主流固定分 配类和自由竞争类接入协议进行了性能比较，最后综合评估了新的接入机制的 性能优势以及需要改进的方面，并对今后的优化和改进工作做出了预期。 1 4 文章结构安排 第一章首先介绍本文的课题背景，论述课题来源、目的与意义。包括对智 能交通系统与v a n e t 网络的介绍，阐述相关领域的发展以及对人类交通运输活 动的影响。特别提出了新时期技术发展带来的多种类业务形成的多载荷约束条 件及其对信道接入协议提出的挑战。 第二章集中并详细的介绍目前主流的信道接入协议，包括对其运行机制的 阐述和性能特点评价两个方面。并在此基础上分析其中代表性协议在多载荷与 移动性双重束缚条件下v a n e t 网络中的应用效能。 第三章提出了根据所承载业务特点，结合现有主流接入机制的优点，面向 高效、稳定、低能耗的要求设计出一种应用于多载荷条件下的v a n e t 网络的混 合式接入协议，更加灵活的适应智能交通系统的要求。 第四章针对所设计的混合式接入协议进行仿真实现，并同时将具有代表性 的传统接入协议的仿真结果与之对比，进行性能评估。 第五章的结论是对本课题进行总结，并对今后进一步的研究工作进行展望。 6 第2 章接入协议的研究现状及应用 第2 章接入协议的研究现状及应用 2 1 信道接入技术 2 1 1 信道接入技术介绍及分类 无线电是一种广播介质，因此多种多个通信设备都可以在同一时间接入信 道，如果不加以控制，就会导致通信混乱和干扰，无法顺利进行，这就需要由 一种信道接入控带 j o v t a c ) 机制来控制这种信道接入的行为，使得参与通信的设备 能够有序并高效的相互通信 2 1 。因此在通信系统中，信道接入协议的应用对于系 统性能的提升有着至关重要的作用。 如图2 1 所示，o s i 七层模型将网络通信系统由低到高分为物理层( p h y s i c a l l a y e r ) ，数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) ，网络层( n e t w o r kl a y e r ) ，传输层( t r a n s p o r t l a y e r ) ，会话层( s e s s i o nl a y e r ) ，表示层( p r e s e n t a t i o nl a y e r ) 和应用层( a p p l i c a t i o n l a y e r ) 。其中物理层、数据链路层以及网络层被称为通信底层，负责网络中节 点问基本链路的建立。其中数据链路层是在物理层提供比特流服务的基础上， 建立相邻结点之间的数据链路，通过差错控制提供数据帧( f r a m e ) 在信道上无差 错的传输。 田 田 固 田 田 田 田 图2 1 七层网络模型示意图 根据i e e e 规定的模型中，如图2 2 所示，数据链路层又被分为逻辑链路控制 7 第2 章接入协议的研究现状及应用 子层( l l c ，l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 与信道接入控制子层( m a c ，m e d i u ma c c e s s c o n t r 0 1 ) 。其中l l c 负责针对网络层的服务，其功能在于识别网络层协议，将任 意类型的网络层数据包与m a c 层之间的数据帧进行转化。而m a c 层则是专门解 决节点间对信道的使用权归属问题，数据帧的传递顺序与流量控制也是由m a c 层来决定的【1 0 1 。 网络层 逻辑链路子层 数据链路层 介质接入控制子层 物理层 图2 2 数据链路层模型示意图 因此m a c 接入协议的主要功能就是决定节点的信道接入方案，如图2 3 所 示，无线信道接入协议可以分为基于竞争( c o n t e n t i o n b a s e d ) 和冲突避免 ( c o l l i s i o n f r e e ) 两大类。而在冲突避免类接入协议中又可以根据信道分配方式的 不同分为按需分配和固定分配类两种。基于竞争类接入协议依赖于载波侦听、 退避以及重传等技术，有业务需求的节点通过退避算法竞争信道使用权，当发 生冲突导致丢包时则启动重传机制来进行弥补；固定分配类接入协议则是将信 道资源例如时隙、频率、空间等按照一定的方式分配给每个通信参与者，使得 节点间的通信互不干扰。 图2 3 信道接入控制协议分类示意图 8 第2 章接入协议的研究现状及应用 2 1 2 竞争类接入机制及其代表c s m a c a 竞争类协议相对于其他类接入协议来说，优点是运行机制较为简单，部署 也更加灵活多变。这主要是由于竞争类的接入协议在运行过程中既不需要全网 同步也不需要全网的拓扑结构信息，在无线电覆盖范围内完全由节点之间在有 数据发送需求时进行竞争，胜者占用信道，而另一方则推迟数据发送。这是一 种效率优先的信道占用机制，在低负载条件下，可以保证信道被高效的使用， 但是其稳定性和可靠性较差，在高负载条件下由于隐藏终端问题和高冲突率会 导致丢包增多、实时性下降。这个时候必须加入辅助机制如冲突回避、重传等 机制来提高网络的可靠性。c s m a 技术是竞争类信道接入机制的经典代表，它不 需要网络控制中心节点，对节点移动表现出了较强的鲁棒性，使得它成为高移 动性与拓扑快速变化的网络一种很好的选择。尽管如此，当网络负载上升时， 由于竞争类机制固有的缺点，会造成协议性能的严重下降，随着负载的增加， 在同一时间多个节点发送数据的可能性增大，造成冲突的概率增大，隐藏终端 问题更加突出，继而造成丢包、网络延迟等网络问题。为了缓解这些问题，技 术人员在这个基础上增加i 盯s c t s ( r e q u e s tt os e n d c l e a rt os e n d ) 辅助机制， 形成了c s m a c a 机制。这种带辅助机制的c s m a 接入技术已经成为目前无线局 域网采用的主流技术，i e e e 制定的8 0 2 1 1 协议族中，它成为了m a c 层所采用的 标准技术，主要完成8 0 2 1 1 协议族中最基本的分布式协调功能，并且在专门为车 辆自组织网络所设计的8 0 2 1 l p 协议中，仍然以c s m a 接入技术作为最基本的信 道接入控制机制【l 】。由于本文所涉及多载荷条件下的车辆自组织网络也是一种分 布式网络，具有较强的可比性，因此下面就以8 0 2 1 l 协议中规定的分布式协调功 能为例，对这种最具代表性的竞争类信道接入机制进行阐述和说明。 c s m a 信道接入技术主要是通过载波感知与侦听，结合退避机制共同来完成 的，因此可以将c s m a 技术分为两个部分来进行说明： ( 1 ) 信道侦听机制 信道侦听包括物理和虚拟信道侦听两个方面，他们都用于节点判断信道状态。 其中的任何一项被判定为繁忙时，信道就会被判定为繁忙，否则认定为空闲。物 理信道侦听机制由物理层来完成，并且将无线电侦测信号传输到m a c 层来进行信 道接入决策。虚拟信道侦听机制则是在m a c 层进行的，由m a c 层的网络分配矢 量( n a v ) 决定，这个参数根据r t s c t s 数据帧的交换获得的发送时隙信息来预判 网络上的流量信息，而这些时隙信息都包含在m a c 层数据帧的帧头当中。 9 第2 章接入协议的研究现状及应用 ( 2 ) 随机退避机制 当一个节点要开始发送一个数据帧时，就会请求启动载波侦听机制来判断 信道介质的繁忙与空闲，如果信道繁忙，则节点会一直推迟发送数据，直到节 点侦听到信道空闲并维持一段时间，来确保上一帧数据发送完成，或者上一帧 数据由于丢包不再发送。这时节点会随机退避某长度的时隙，当节点的自有计 时器自减至零时，此节点在竞争中获得信道使用权并进行数据发送。这种机制 能够最大程度的保证多节点发送数据情况下，将同一时间发送数据而产生的冲 突降到最低。 信道侦听机制与随机退避接入机制共同形成了c s m a 基本接入机制，再结合 r t s c t s 与确认数据包( a c k ) 确认机制，可以形成一个基于的c s m a c a 的d c f 分布式功能协调接入机制。当节点有数据需要传输时，首先进行信道侦听，当 感知到信道空闲时间超过一个分布式帧间隔( d i f s ) 的时隙，就认为信道空闲，随 即开始启动随机退避机制并开始试图进行数据交换。如图2 4 所示： 二 退避时间 分布式帧间隔匠z 刁等待退避时间 数据帧竞争窗口 退避时间 悱推迟 l i硐 _ 1数据帧 k 推迟卜1 数据帧竞争窗口 k 卜推迟， 刁 一 数据帧竞争窗口 h 推迟1 一 数据帧竞争窗口 图2 4c s m a 竞争接入机制不意图 当节点丌始启动随机退避机制后，首先节点内部的退避计时器随机产生一 个退避时间，产生方式如下公式所示： b a c k o f l t i m e = r a n d o m o xa s l o t t i m e ( 2 1 ) 其中r a n d o m o 为一个在竞争窗口i 为( c o n t e n t i o nw i n d o w ) 产生的伪随机数，c w 为 物理层规定的取值范围，a s l o t t i m e 为物理层规定的相应基本时隙单位。 所有的退避时隙都紧跟在一个空闲帧间隙之后，来确认信道的空闲状态。 在退避时隙内，节点将会对信道进行侦听，如果在侦听过程中信道保持空闲， 1 0 圃圆圆圈圈 第2 章接入协议的研究现状及应用 则计时器将自动以a s l o t t i m e 为单位进行自减，在这个过程中，一旦节点侦听到 信道繁忙，则退避过程立即暂停，计时器也停止自减，只有当节点再次侦听到 信道保持空闲帧间隙时间的空闲时才会继续进行退避计时器自减，这个过程反 复进行，直到节点的退避计时器自减至零时，此时节点立即获得信道使用权并 开始进行数据传输。退避机制的作用就在于当多个节点需要进行数据传输时， 通过各自产生不同的随机数来进行排队，选择最小随机数的节点即赢得竞争接 入信道。特点是在低负载网络条件下能够充分利用信道，并且不需要提供全网 拓扑结构，能够灵活应对节点移动问题。但是，当负载升高、节点数增加或者 节点传输数据增加时，竞争将会明显加剧，信道被侦听到繁忙时间增多，导致 队列增加并且选择同一随机数的可能性增加，即冲突概率增加，于是便会出现 丢包、网络延迟等现象，导致网络性能急剧下降。 2 1 3 固定分配类接入机制及其代表s t d m a 时分多址是一种经典的固定分配类接入机制，它通过将不同的时隙分配给 不同的节点，而每个节点只能在自己所拥有的时隙内进行通信来保证零冲突以 及公平性。传统的t d m a 接入机制一般都具有中心节点，由其控制时隙的分配， 且必须获得全网拓扑结构以及维持全网范围内的时隙同步。随着通信技术的发 展，技术人员针对自组织网络研发了一种自组织式的分布式时隙分配机制 s t d m a ( s e l f o r g a n i z i n gt d m a ) ，时隙分配算法是该机制运作的核。i 二, 1 1 2 ，它的优 劣直接决定着m a c 层在信道利用率、公平性等方面的性能结果。下面以一种经 典的分布式时隙分配算法- - d r a n d 时隙分配算法来阐述在共享型信道中如何 通过时隙分配为节点进行资源分配。 d r a n d ( d i s t r i b u t e dr a n d o m i z e dn u m b e r ) 是一种部署方便、应用简单的分布式 时隙分配算法，它改变了一般时隙分配算法需要计算中心的缺陷，能够应用于 灵活多变的自组织网络，而且性能优越。它不需要全网同步，这使得它不仅适 用于t d m a 的时隙分配，也同样适用于f d m a 与c d m a 算法。 假设网络用一个公式g ( v ，e ) 来代表，其中v 代表节点条件，而e 代表网络 拓扑结构条件，例如在拥有y 个节点的网络范围内，若节点u 和v 均处于对方的 无线电覆盖范围内，网络拓扑结构p = ( “，v ) 。假设时间被分为独立相等的间隔， 成为帧( t i m ef l a m e ) ，而帧又被分为独立相等的时隙( t i m es l o t s ) ，时隙编号分别从 1 号到最大时隙号( m a x s l o t ) ，m a x s l o t 必须足够大来应对网络g ( v ，e ) 的输入条 第2 章接入协议的研究现状及应用 件。定义处于相互可干扰的无线电覆盖范围内的节点为处于同一冲突域，例如 上面提到的节点u 和v ，当且仅当这两个节点同时发送数据时，会产生冲突，因 此在广播条件下，冲突可能发生在任何两跳邻节点范围内，而在单播模式下， 在发送方和接收方一跳邻节点范围内都有可能造成冲突。将时隙分配问题定义 为：在给定网络g 的条件下，为每个节点分配时隙，使得任何处于冲突条件的节 点不会拥有相同时隙。 d r a n d 算法在部署过程中通常按轮，周期进行，每一轮的时间长度将会根 据网络延时时间进行动态变化。d r a n d 算法并不需要每个节点在周期初始或结 尾时进行时间同步。在d r a n d 算法运行过程中，节点有可能处于以下4 种状态： 空闲、请求、授权、释放。 初始阶段节点a 处于空闲状态时，它会在间隔乃时间后，进行一次随机计算， 这个随机过程具有先验概率( 确切的说，这个先验概率是按照如下方式计算的： 每个节点持续计算其周围两跳范围内尚未分配时隙的节点个数预估值c i ，节点a 将会把随机竞争过程的概率定为p 。= 1 k ，其中k 为a 两条范围内所有邻节点中 c ，的最大值) ，当计算结果符合条件时，则与它的邻节点通过消息交换协商选择 一个时隙。假设a 节点现在处于分配算法运行的第i 轮，如果a 在第i 轮通过随机 计算过程进入请求状态，则向它的一跳邻节点广播一个请求信息r e q u e s t ，。如果 它没有通过随机计算过程它将继续保持空闲状态，并且死时间将设置为3 d 。，d a 为节点a 向周围节点发送单向消息延时中的最大值。 当节点a 的某一个邻节点b 接收到来自于节点a 的r e q u e s t ，而b 节点处于空 闲或释放状态时，它将进入授权状态，并且向a 节点发送一个授权信息g r a n t 。 当发送grant消息时，b节点将会把其邻节点选择的时隙信息包含在消息中(这主, 要通过释放消息r e l e a s e 的交换获得) ：如果节点b 处于请求和授权状态，b 则将 向a 节点发送一个拒绝消息r e j e c t , 。当节点a 接收到r e j e c t , 消息后，就会向其所有 的一跳邻节点发送一个失败消息屈f ，。，并且进入空闲状态。而对于b 来说，如果 它接收到a 节点的向f z 消息时，则进入空闲或释放状态。图片说明了一个由于b 在接收n a 节点的请求消息之前已经发送了授权信息给其他的一跳邻节点而导 致的历f ，过程。 1 2 第2 章接入协议的研究现状及应用 g r a n t 图2 5 时隙信息交换失败示意图 若节点a 在d 。时间内没有接收到来自其邻节点b 的授权消息g r a n t t 或者拒绝 消息，咖谚，则会向其他还没有接受过授权消息的其他一跳邻节点重传请求消息 r e q u e s t ，。若节点接收到来自于它已经拒绝过的节点的r e q u e s t 消息，则重传r e j e c t 消息。无论节点a 接收到授权还是拒绝消息，它都会更新自己的以时间，并将其 重置到发送与接收消息之间的时间差。 如果节点a 接收到其他节点发出的g r a n t ，消息，用以回应它发出的r e q u e s t ，消 息，则会选择目前尚未被其他两跳范围内邻节点所占有的时隙中编号最小的作 为自己的时隙，并进入释放状态，进而向周围一跳邻节点广播带有自己选择的 时隙信息的释放消息r e l e a s e r 。如图2 6 所示为成功的时隙获取过程： 图2 6 时隙信息交换成功示意图 当a 节点的一跳邻节点接收到来自a 的r e l e a s e 消息时，如果它还没有决定自 己的时隙，则会进入空闲或释放状态，并且重新向自己的其他一跳邻节点广播 这个r e l e a s e 消息。当其他节点接收到这个r e l e a s e 消息时，可以重新估算自己的k 值。若节点b 向节点a 发送了一个g r a n t 消息后超过d 。时间仍没有接收到屈玎或 者r e l e a s e 消息，便会重传这个g r a n t 消息，如果节点接收到的g r a n t 消息来自于 已经向它发送过屈f z 或者r e l e a s e 消息的节点时，节点将重新向他发送庙f ，或者 r e l e a s e 消息。时隙分配效果如图2 7 所示： 1 3 第2 章接入协议的研究现状及应用 图2 7 时隙分配效果示意图 上图中a h j k 个节点组成的小型网络中，按照传统的t d m a 算法，需要给每 个节点分配一个时隙，那么一帧就包含8 个时隙，以确保每一个节点拥有一个时 隙。但是通过d r a n d 算法，即可得到上图中所示的时隙分配图，从图中可以看 出，节点a 与节点d 选择同一时隙s l o t0 作为自己的时隙，而节点b 与节点e 同时 选择时隙s l o f1 作为自己的时隙，这样就缩小了帧结构，提高了资源利用率， 并提升了分布式自组织t d m a 机制的工作效率。 2 2 智能交通网络中信道接入技术的应用 2 2 1c s m a c a 技术的应用现状及标准 目前在v a n e t 网络中应用c s m a c a 技术作为m a c 接入控制方案的主要是 由美国和欧洲倡导的专用短程通信( d s r c ) 计划，这个系统已经被世界范围内 包括中国、澳大利亚以及南非在内的很多国家接受并作为车辆间通信自组织网 络系统。该系统作为智能交通系统i t s 的一部分，i e e e 为其做底层通信规范，并 在原有i e e e 8 0 2 1 1 标准的基础上，发展出i e e e 8 0 2 1 l p 作为车辆自组织网络的专 1 4 一墨*；j盘一 第2 章接入协议的研究现状及应用 用通信标准，对物理层、m a c 层等进行规范，如图2 8 所示： 0 s i 七层模型 传输层 1 - j1j 网络层 i p 逻辑链路子层 数据链路层 信道接入控制8 0 2 1 1 p 物理层物理层8 0 2 t i p 图2 8i e e e8 0 2 i l p 网络模型不意图 8 0 2 1 1 协议族中的分布式协调功能是i e e e8 0 2 1 l p 的基本技术，在信道接入 机制上采用的是基于竞争的c s m a c a 技术。节点在发送数据前等待一个随机时 间，这个随机时间从零到竞争窗口的最大值不等，如果竞