基于数据类型的车联网MAC协议设计及系统实现

发布时间：2020-08-06 16:41

【摘要】：随着车载自组织网络(Vehicular Ad-hoc Network,VANET)技术的迅速发展,其作用已经从车辆间简单的信息交换手段发展到用于大规模交通管理调度,从安全相关应用到信息娱乐类应用等多种多样的车联网应用层出不穷。这些应用对车联网的MAC层协议设计提出了更高的要求,信息的可靠性和时效性与司机和乘客的生命安全和用户体验息息相关,如何为车辆提供高吞吐量、低时延的无线接入服务成为一个急需解决的难题。本文针对车联网环境高移动性、网络拓扑快速变化的特点,提出了基于数据类型的无线接入MAC(Medium Access Control)协议,并搭建了V2I(vehicle-to-infrastructure)通信系统用于协议验证。本文首先描述了车辆移动情形下的MAC竞争窗口调节算法。IEEE 802.11p协议中使用传统的二进制指数退避算法,节点发送数据时如果发生碰撞就会随机退避一段时间后重新发送。如果退避时间选的太小可能会导致碰撞变得严重,退避时间太长又会浪费信道资源,所以如何选择合适的竞争窗口大小变得至关重要。我们提出MCWA(Mobility based Contention Window Adjustment Algorithm)算法来动态改变退避过程中的初始竞争窗口大小,使其与信道竞争的激烈程度相对应,获得最佳的网络性能。首先我们使用二维马尔可夫模型对退避过程建模,寻找最优竞争窗口大小和节点数量的关系,接着研究车辆的移动情况,估计车辆密度和竞争车辆数,最后基于以上分析给出合适的竞争窗口值的计算方法,并综合使用SUMO和NS-3对算法的性能进行了仿真分析。高速公路场景和城市交通场景下的仿真结果都显示相比原始的IEEE 802.11p协议,MCWA算法可以有效降低消息的碰撞概率,提高吞吐量,改善高密度环境下的车辆通信质量。本文接着详细介绍了面向数据传输需求的MAC协议设计。车联网WAVE协议把75MHz频谱分成了7个信道,其中控制信道(CCH)用于传输安全和控制消息,服务信道(SCH)用于传输非安全消息,但是却没有给出具体的信道使用方案。由于WAVE中的信道接入全部采用的是基于竞争的CSMA/CA机制,当需要发送信息的车辆很多时,消息碰撞的概率会明显增大,网络性能急剧下降,安全消息的时效性和可靠性都无法保障,严重影响交通安全。因此我们提出了一种名为SPA-MAC(Spectrum Penetration Assisted MAC Protocol)的协议,SPA-MAC协议充分利用竞争型方案的灵活性和分配型方案的可靠性,借助注册和预约机制,分别为安全信息和服务信息提供了非竞争的信道接入服务,避免了高密度环境下严重的消息碰撞问题,降低了消息的时延。此外,频谱渗透机制的使用解决了安全消息无法在SCH时隙发送的痛点,针对车辆移动性高的特点,协议中引入了车辆坐标的信息用于信道分配的优化。我们在仿真中分别就包送达率、时延和吞吐量把SPA-MAC协议和其他协议进行了对比,验证了协议的有效性。文章最后介绍了我们搭建的基于Labview的V2I通信系统。借助软件无线电设备,我们开发了一套基于OFDM技术的信息传输系统并进行了协议验证,此外该系统不仅模拟了车内的总线网络,还具备WIFI、蓝牙、3G/4G等多种外部通信手段,不仅可以为相关研究提供支撑和实验工具,也为以后的进一步开发打下了基础。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U495;TN929.5
【图文】：

示意图,自组织网络,示意图

的方式建立连接，车辆间通信时不需要借助其他设备，V2I 通信属于异构网络接入，车辆通过 RSU、基站和路边接入点 (Access point, AP) 等基础设施可以进一步接入互联网。VANET 的网络结构如图1 1所示。图 1 1 车载自组织网络示意图Fig 1 1 VANET framework1.1.2 车载自组织网络的特点VANET 以车辆作为移动节点，车辆自身的特殊性和环境等因素的影响使其相比普通的移动自组织网络具有了许多新的特性和挑战，VANET 的特点可以总结为以下几点[7]：1. 拓扑结构快速变化。车辆的高速移动使得节点间通信链路的持续时间非常短暂，节点在不同的网络间频繁进出，极难维持一个稳定的网络拓扑结构[8]。当两辆车以 60km/h 的速度反向行驶时，假设有效通信距离为 300 米，那么通信链路只能— 2 —

示意图,协议栈,安全应用,逻辑链路层

境下分别能够达到 1km 和 300m。同时 WAVE 协议栈针对车辆移动场景做了大量优化以满足车联网通信的低时延和高可靠要求。如图1 2所示是 WAVE 协议栈的示意图。WAVE 协议栈同时支持安全应用和非安全应用的通信，可以总体划分为数据平面和管理平面[12]。数据平面负责数据交换方面的功能，VANET 应用可以把数据通过传统 TCP/IP 协议进行传送或者通过 WAVE 短信息协议 (WSMP) 进行传送。WSMP 协议提供进入 DSRC 安全应用的界面，在 IEEE 1609.3 中有详细的规定，而 TCP/IP 协议用于为互联网连接提供支持，当它无法使用时会转而使用 WSMP 协议。数据链路层分为逻辑链路层和 MAC 层，逻辑链路层在 IEEE 802.2 中定义，MAC 层则由 IEEE 1609.4 和 802.11p 共同管理。WAVE 管理平面即 WAVE 管理实体(WME)

信道分配

的 PPS 信号获得精确时间，也可以读取 WAVE 广告时间帧获取时间信息。每秒被划分为 10 个 100ms 的同步间隔 (Synchronization Interval, SI)，每个同步间隔进一步分为 CCH间隔和 SCH 间隔，如图1 4所示。在每个间隔内 1609.4 规定了 4ms 的前保护间隔用于同步时间公差和信道转换，还有 1ms 的后保护间隔用于转换信道前完成帧的接收。图 1 4 WAVE 时间间隔划分Fig 1 4 Time interval of WAVEIEEE 1609.4 规定了 4 种信道接入模式[24]，如图1 5所示：1. 连续模式。节点始终保持在 CCH 或 SCH 上进行通信，不进行信道切换，该模式虽然机制简单，却无法获得其他信道的信息。2. 交替模式。CCH 间隔和 SCH 间隔轮流切换，设备在 CCH 和 SCH 上交替使用，通常 CCH 间隔和 SCH 间隔各 50ms，这是最常用的模式。— 8 —

【参考文献】