分析IEEE 802.11p和IEEE 1609.4協議中的多信道MAC協議

“摘要：車用無線自組織網絡的設計目標是提供開放的公共道路交通安全服務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。詳細分析了車用自組織網絡相關協議，并提出了改進的多信道MAC協同方案?；诰W絡仿真軟件NS2，設計了車用自組織無線網絡的仿真模型，在原NS2中添加多信道支持模型和應用層模塊，并對多信道和單信道及改進后的MAC協議進行仿真。結果顯示，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。對比原有標準，改進后的MAC協議能夠獲得更低的延時和報文碰撞率?！?/p>

0 引言

車載自組織網絡(Vehicular Ad-hoc Network，VANET)采用基于IEEE 802.11協議的專用短距離通信(Dedicated Short Range Communications，DSRC)技術來增強道路交通系統的安全性[1]。IEEE 1609.4和IEEE 802.11p標準草案為VANET提供了統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，使其對流量敏感業務或實時的支持程度都非常有限。

本文對車載環境無線接入（WAVE）系統中涉及的協議進行分析，討論了相關的MAC協議細節，并提出了固定長度的控制信道（CCH）時隙和業務信道（SCH）時隙協調方式的改進策略。在網絡仿真軟件NS2[3]現有的版本中通過修改源代碼實現多信道仿真模塊和應用層模塊，并在此基礎上對提出的多信道MAC協同改進機制進行仿真。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絡仿真奠定了堅實的基礎。

1 CCH和SCH協調方式的改進策略

VANET被認為是今后智能交通系統的重要組成部分[4]。1999年，美國聯邦通信委員會(Federal Communications Commission，FCC)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(Intelligent Transport Systems，ITS)通信[4]。

WAVE系統就是為支持5.9 GHz上的ITS而設計的。整個WAVE系統由IEEE P1609家族和IEEE 802.11p協議組成，前者規定了系統的上層，后者描述了基本的MAC層和物理層協議[5]。系統的頻譜劃分如圖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發布信息；其他幾個信道為服務信道，可以在其上傳遞一些與安全無關的增值應用信息[3]。

IEEE工作組在原先協議的基礎上，專門為VANET設計了一套新的標準，即IEEE 802.11p標準[6]。IEEE 802.11p協議中引入的WBSS不同于其他IEEE 802.11協議的BSS，它不需要驗證和關聯就可以傳送數據[7]，非常適合VANET這種具有快速動態變化拓撲的網絡。

IEEE 1609.4協議作為WAVE系統的一部分，它描述了多信道無線電操作、WAVE模式、CCH和SCH、優先訪問參數、信道切換和路由、服務管理和多信道操作原語設計[8]。

為了協調對CCH和SCH的信道訪問，IEEE 1609.4采用一種基于通用協調時間（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業務和安全相關業務在不同信道、不同時間段上傳輸，期望所有的節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行安全無關業務傳輸。

2 改進的多信道MAC協同方案設計

IEEE 1609.4協議對于多信道協同只規定了大體的框架，即節點何時必須切換到控制信道上去收發安全信息幀和服務信息發布幀，何時可以選擇切換到特定的服務信道上收發與安全信息無關的應用幀[2]。對于具體的協同機制，協議中并沒有描述。在原先的協議中，由于是基于IEEE 802.11協議，節點要發送數據時首先偵聽信道，如果信道空閑才可以發送。這種基于競爭的信道訪問機制加大了數據包的碰撞幾率，加重了VANET的網絡負擔。本文提出的改進機制是基于無競爭的，以期降低網絡中的數據包碰撞率，并提升網絡性能。

在本文改進的MAC協議中，節點在控制信道上依然傳輸安全信息幀和服務信息發布幀，但需要統計一些額外的信息。本文改進的MAC協議如圖3所示，節點在控制信道上依然傳輸安全信息幀和服務信息發布幀，但需要統計一些額外的信息。節點在控制信道上的工作過程如下：

(1)CCH時隙開始時，網絡中的所有服務提供節點廣播發送WSA幀，幀中包含一個字段表明本節點將在下一個服務周期的某個信道上發布服務。

(2)所有節點偵聽網絡中發布的WSA幀，從中提取服務提供者和將要使用的信道號并保存。

(3)所有節點根據自身情況廣播發送安全信息，如剎車、告警信息等。

(4)根據此次CCH間隔保存的服務提供者和信道號，所有服務提供節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節點的ID號大小、優先級高低、發送時間長短等制定。

(5)CCH間隔結束，節點根據自身情況切換到相應的服務信道上提供或使用服務。

在某一個服務信道上，假設SCH的時間間隔為sch_sec，單位為s；在此間隔內共有num_nodes個節點將提供服務；所有節點的發送優先級相同，ID小的節點先發送；發送的服務數據包大小為size_per_packet個字節，一個服務信道的網絡帶寬是band_per_ch，單位是bit/s。那么節點的工作過程流程圖如圖4所示。

節點的工作過程具體如下：

(1)SCH時隙開始時，ID最小的節點啟動服務數據發送，同時啟動發送定時器，定時時間為t_send，即此節點可以發送的時間，其值由式(1)得到：

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

(3)收到服務數據的節點回復確認幀，收到確認幀后，如果發送定時器定時時間未到，節點可以繼續發送服務數據；否則，立即停止發送。

(4)等待定時器定時結束時，其對應的節點啟動服務數據發送，同時啟動發送定時器，定時時間t_send同樣由式(1)得到。

(5)SCH間隔結束時，所有節點切換到控制信道上發送、接收安全告警信息和服務發布信息。

可以看出，在改進的這種MAC協議中，通過在控制信道上“預約”發送時間，節點在服務信道上由原來的爭用變成無爭用地使用信道，這可以降低網絡中數據包的碰撞。同時在這種改進策略中，是可以在服務信道上支持優先級服務的。只要節點在服務發布的報文頭部增加優先級、發送的服務類型、服務數據包的大小和延續時間等字段，這樣在控制周期將結束時，服務提供節點就可以根據不同的優先級、不同的服務和延續時間來計算屬于自己的發送時間，達到支持優先級服務的目的。

3 多信道仿真模型設計

在現有的NS2版本中每個節點只支持單信道的收發，而在實際的VANET網絡仿真中，需要對多個信道進行仿真。為了使NS2可以支持多信道，需要對各層進行修改?；贗EEE 802.11改進實現[9]，本文設計了具有多個隊列和信道的移動節點結構，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，快速地保留沒有發出的數據包和現在的狀態，通知物理層更改要發送的數據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點的通用配置；后一個文件是移動節點的配置文件。在C++部分，需要對信道、物理層、MAC層、隊列、鏈路層進行相應的修改來支持信道的保存和切換。

為了測試多信道模型，本文設計了針對VANET的應用層模型。模型實現的功能主要有定時切換信道控制、產生WSA數據包和告警信息數據包、計算下個服務周期可以被本節點用來發送服務數據的時間間隔和模擬發送服務數據信息。

4 實驗與結果分析

通過仿真比較MAC協議改進前后系統的性能。仿真使用的交通網絡拓撲圖中分雙向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，網絡中共60個節點，60個節點均處于全連通的狀態，即60個節點中的任意一個節點發送一個廣播包，網絡中的所有節點都可以收到。各節點數據幀產生時間間隔（泊松分布）為0.005 s，仿真的相關參數設定如表1所示。

協議改進前后的延時比較如圖5所示。從圖5可以看出在數據包大小比較小時，延時得到了很大的降低。這是因為改進的協議是基于無競爭的，節點只允許在本節點的發送間隔內發送數據，不需要去競爭信道。當節點的發送時間間隔到來時，節點獲取上層的數據包，然后發送到信道上。由于減少了競爭信道花費的時間，數據包的延時得到了降低。但是當數據包越來越大時，改進后的協議獲得的延時優勢變得越來越不明顯。這是因為數據包變大時，每個數據包在網絡中的傳送時間變得越來越長，當節點自己的發送間隔接近結束時，由于數據包很大，將會被保留到下一個周期發送，這樣就增加了數據包的平均延時。

仿真得到的報文碰撞率比較如圖6所示。從圖6可以看出，當數據包大小到達RTS/CTS門限之前，改進后協議比原來協議極大地減少了網絡中的報文碰撞。同時，報文的碰撞率從原來的25%~50%降到了10%以下。這歸功于改進后的無競爭MAC協議，它使得節點按一定的次序發送數據，降低了沖突。而當數據包大小到達RTS/CTS門限之后，原來協議的報文碰撞大大降低。

5 結束語

本文首先分析了IEEE 802.11p和IEEE 1609.4協議中的多信道MAC協議，然后將改進的IEEE 802.11[9]協議添加到NS2中，在此基礎上設計出多信道MAC模塊與對應的應用層模型。最后在設計的模塊之上對改進前后的多信道MAC協同機制進行仿真比較。結果顯示與現有的協議相比，改進后的多信道MAC協同機制可以降低報文的延時與碰撞率，結果證實了所提協議的優越性。下一步的研究方向是加強算法，考慮多跳網絡環境下優化多信道MAC協同機制，進一步降低報文的延時與碰撞率。