[发明专利]一种基于TDMA的车载自组网络自适应时隙分配方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于TDMA的车载自组网络自适应时隙分配方法，属于车载通信技术领域。

背景技术

车载自组网(Vehicular Ad-hoc Networks，简称VANET)是一个分布式、自组织的网络，配备无线收发模块的移动车辆(本文简称节点)和路边单元(Roadside Unit，简称RSU)组成，通信模式包括节点之间自组织多跳通信(V-2-V：Vehicle to Vehicle)和节点与RSU之间通信(V-2-I：Vehicle to Infrastructure)。

车载自组网作为智能交通系统重要基础之一，在缓解交通拥堵、实时共享交通信息、安全预警和协助驾驶等方面有着很重要的应用[1]，目前正成为工业界和学术界的研究热点，而MAC协议是如何使多个用户合理、有效的利用无线信道资源，它的优劣直接影响到吞吐量、信道利用率等各指标，是车载自组织网络中一个关键的技术。车载自组网是一种特殊的移动自组织网络，具有车辆终端移动速度快，网络拓扑高度动态变化，业务随机性产生，支持突发性高优先级业务，交通安全类业务实时性强等特点。基于以上特点，车载自组网的MAC协议与传统移动自组织网络的MAC协议相比，除了有接入冲突、隐藏终端和节点的接入公平性等问题外更有以下新的挑战：①车辆节点高速移动性；②通信链路频繁断裂；③车辆移动场景多样化，需MAC协议的可扩展性强；④有较高的信道利用率；⑤支持车载自组网中紧急安全信息的及时广播。

相关项目研究表明，高效的信道分配机制可以显著提高MAC协议的性能，保证良好的通信质量。首先，快速的信道分配可以大大地减少接入时延，保证车载自组网中的安全应用。其次，较少的冲突可以提高通信的可靠性，减少重新竞争时隙和重新传输数据的概率，提高信道的利用率和容量，减少丢包率。所以如何设计有效的信道分配机制是车载自组织网中MAC协议的关键和难点。

基于竞争的信道接入方式，最典型的MAC协议是CSMA/CA,节点在发送数据包之前，先监听一段时间，如果发现信道空闲，则开始发送数据，同时监听是否有冲突发生，若冲突，则随机退避一段时间，然后重复前述的发送过程。CSMA/CA协议是一种随机竞争方式，是全分布式的，能够充分的利用有限的无线信道资源。802.11p标准是目前唯一的专门针对车载无线自组织网络的通信协议标准，它主要由两部分协议规范组成：物理层（PHY Layer）协议和介质访问控制层（MAC Layer）协议。其中，物理层采用针对高速移动动态环境进行了改进的802.11a协议，而MAC层仍然采用了802.11协议传统CSMA/CA机制来共享无线信道。802.11DCF MAC协议在CSMA/CA协议基础上设计了四握手机制，即节点发送数据前首先发送一个RTS,等待目的节点回应CTS后开始传输数据，目的节点接收到数据后回应一个ACK,这样就有效的解决了隐藏终端和暴露终端的问题。CSMA/CA协议是一种基于载波侦听竞争机制的共享介质方式，因此，以其为基础的改进MAC协议在密度大的车辆环境中很容易引起冲突，从而导致大的时延，甚至造成网络拥塞。不适用于车载自组网中的安全应用；该协议也不能保证网络中的节点能够公平共享带宽，因为信号强度高的区域比信号强度较弱的有优势，由此导致捕捉效应，使的该区域在传输过程中获得较多的带宽分配。

TDMA/FDMA/CDMAMAC协议，即在时间上、频段上或正交码上将信道划分为许多个子信道，节点发送数据之前需要预约并获得至少一个子信道，因此如何管理和分配子信道很重要。ADHOC改进了R-ALOHA协议，采用了TDMA方式划分无线信道，节点需要在帧信息FI（Frame Information）中记录自己所观察到的邻居节点占用时隙的情况，并在自己占用的时隙中周期性广播FI信息。接入的节点通过侦听FI信息，随机选择有效的时隙竞争。VeMAC协议是基于TDMA为车载自组网的多信道系统设计的一种新的MAC协议，该协议在主控信道上采用ADHOC协议机制，不同的是VeMAC将主控信道上的时隙划分为左右、RSU三种，对应的节点首先竞争对应时隙。服务信道采用主控的TDMA分配方式。此类协议可以有效的减少节点竞争冲突，相比较而言，基于ADHOC协议比较适合于VANET网络环境，并且周期性的广播也可以与主动安全应用相结合，只要广播信息中加上速率、位置、方向等行驶数据即可。但是划分子信道的方法需要复杂的调度算法，固定的帧长无法适应网络中的节点密度的变化，在密度小的地区信道利用率极低，在密度大的地区可能使某些节点无法接入网络，严重时，在主动安全应中可能会发生交通事故。此类协议也没有解决车载自组网中的接入冲突和合并冲突问题。