分析IEEE 802.11p和IEEE 1609.4協(xié)議中的多信道MAC協(xié)議

“摘要：車用無線自組織網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計目標(biāo)是提供開放的公共道路交通安全服務(wù)和提高車輛駕駛的舒適性與高效性，它使用多個信道來分別傳輸安全告警信息和非安全告警信息。詳細(xì)分析了車用自組織網(wǎng)絡(luò)相關(guān)協(xié)議，并提出了改進(jìn)的多信道MAC協(xié)同方案?；诰W(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS2，設(shè)計了車用自組織無線網(wǎng)絡(luò)的仿真模型，在原NS2中添加多信道支持模型和應(yīng)用層模塊，并對多信道和單信道及改進(jìn)后的MAC協(xié)議進(jìn)行仿真。結(jié)果顯示，多信道對比單信道在相同的帶寬下可以獲得更高的吞吐量。對比原有標(biāo)準(zhǔn)，改進(jìn)后的MAC協(xié)議能夠獲得更低的延時和報文碰撞率?！?/p>

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爭訪問方式，使其對流量敏感業(yè)務(wù)或?qū)崟r的支持程度都非常有限。

本文對車載環(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）時隙和業(yè)務(wù)信道（SCH）時隙協(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現(xiàn)多信道仿真模塊和應(yīng)用層模塊，并在此基礎(chǔ)上對提出的多信道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VANET及其他涉及多信道的網(wǎng)絡(luò)仿真奠定了堅實的基礎(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(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)計的。整個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，其中一個信道為控制信道，在這個信道上傳輸安全信息和服務(wù)發(fā)布信息；其他幾個信道為服務(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[8]。

為了協(xié)調(diào)對CCH和SCH的信道訪問，IEEE 1609.4采用一種基于通用協(xié)調(diào)時間（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、不同時間段上傳輸，期望所有的節(jié)點不遺漏每個安全信息幀，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

IEEE 1609.4協(xié)議對于多信道協(xié)同只規(guī)定了大體的框架，即節(jié)點何時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)點要發(fā)送數(shù)據(jù)時首先偵聽信道，如果信道空閑才可以發(fā)送。這種基于競爭的信道訪問機(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)制是基于無競爭的，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)計一些額外的信息。節(jié)點在控制信道上的工作過程如下：

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

(2)所有節(jié)點偵聽網(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并保存。

(3)所有節(jié)點根據(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，所有服務(wù)提供節(jié)點按照一定的策略計算即將來到的SCH間隔中某個信道上屬于自己的時間片，這里的策略可以根據(jù)節(jié)點的ID號大小、優(yōu)先級高低、發(fā)送時間長短等制定。

(5)CCH間隔結(jié)束，節(jié)點根據(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)。

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

節(jié)點的工作過程具體如下：

(1)SCH時隙開始時，ID最小的節(jié)點啟動服務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送，同時啟動發(fā)送定時器，定時時間為t_send，即此節(jié)點可以發(fā)送的時間，其值由式(1)得到：

(2)其他每個節(jié)點啟動等待定時器，定時時間為t_wait，即等待多長時間后節(jié)點可以發(fā)送，其值由式(2)得到，其中n表示此節(jié)點是第n個發(fā)送的節(jié)點。

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

(4)等待定時器定時結(jié)束時，其對應(yīng)的節(jié)點啟動服務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送，同時啟動發(fā)送定時器，定時時間t_send同樣由式(1)得到。

(5)SCH間隔結(jié)束時，所有節(jié)點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)送時間，節(jié)點在服務(wù)信道上由原來的爭用變成無爭用地使用信道，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)先級服務(wù)的。只要節(jié)點在服務(wù)發(fā)布的報文頭部增加優(yōu)先級、發(fā)送的服務(wù)類型、服務(wù)數(shù)據(jù)包的大小和延續(xù)時間等字段，這樣在控制周期將結(jié)束時，服務(wù)提供節(jié)點就可以根據(jù)不同的優(yōu)先級、不同的服務(wù)和延續(xù)時間來計算屬于自己的發(fā)送時間，達(dá)到支持優(yōu)先級服務(wù)的目的。

3 多信道仿真模型設(shè)計

在現(xiàn)有的NS2版本中每個節(jié)點只支持單信道的收發(fā)，而在實際的VANET網(wǎng)絡(luò)仿真中，需要對多個信道進(jìn)行仿真。為了使NS2可以支持多信道，需要對各層進(jìn)行修改。基于IEEE 802.11改進(jìn)實現(xiàn)[9]，本文設(shè)計了具有多個隊列和信道的移動節(jié)點結(jié)構(gòu)，并增加了信道切換模塊在MAC層。這個模塊的作用是在上層通知需要切換信道時，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)包所在的隊列和切換信道。

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

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

4 實驗與結(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個車道，每個車道寬3 m，相同車道相鄰車輛間的距離是8 m，網(wǎng)絡(luò)中共60個節(jié)點，60個節(jié)點均處于全連通的狀態(tài)，即60個節(jié)點中的任意一個節(jié)點發(fā)送一個廣播包，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都可以收到。各節(jié)點數(shù)據(jù)幀產(chǎn)生時間間隔（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，延時得到了很大的降低。這是因為改進(jìn)的協(xié)議是基于無競爭的，節(jié)點只允許在本節(jié)點的發(fā)送間隔內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，不需要去競爭信道。當(dāng)節(jié)點的發(fā)送時間間隔到來時，節(jié)點獲取上層的數(shù)據(jù)包，然后發(fā)送到信道上。由于減少了競爭信道花費的時間，數(shù)據(jù)包的延時得到了降低。但是當(dāng)數(shù)據(jù)包越來越大時，改進(jìn)后的協(xié)議獲得的延時優(yōu)勢變得越來越不明顯。這是因為數(shù)據(jù)包變大時，每個數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的傳送時間變得越來越長，當(dāng)節(jié)點自己的發(fā)送間隔接近結(jié)束時，由于數(shù)據(jù)包很大，將會被保留到下一個周期發(fā)送，這樣就增加了數(shù)據(jù)包的平均延時。

仿真得到的報文碰撞率比較如圖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)中的報文碰撞。同時，報文的碰撞率從原來的25%~50%降到了10%以下。這歸功于改進(jìn)后的無競爭MAC協(xié)議，它使得節(jié)點按一定的次序發(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)計出多信道MAC模塊與對應(yīng)的應(yīng)用層模型。最后在設(shè)計的模塊之上對改進(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)制可以降低報文的延時與碰撞率，結(jié)果證實了所提協(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)一步降低報文的延時與碰撞率。