[发明专利]一种连续协调的多信道车载网MAC协议的设计方法

摘要

本发明公开一种连续协调的多信道车载网MAC协议，包括模式切换机制、RSU调度帧组织机制、RSU协调机制、优先漫游机制、实时消息广播机制和非实时消息传输机制。本发明有效的解决在高密度车辆环境下网络吞吐量偏低，时延较长等问题，为改善交通效率，减少安全事故提供保障。

主权项

1.一种连续协调的多信道车载网MAC协议的设计方法，其特征在于：包括模式切换机制、RSU调度帧组织机制、RSU协调机制、优先漫游机制、实时消息广播机制和非实时消息传输机制；所述模式切换机制，即是指在任意时刻不同位置和状态的车载单元OBU关联一个特定的模式，并且不同模式的车辆自适应地采用不同策略使用信道资源，并由RSU协调其覆盖范围内OBU信道访问；所述RSU调度帧组织机制，即是为消除连续RSU间信号干扰，RSU决定其重复帧的结构，并且每个重复帧被划分成若干个专用时隙用于协调覆盖范围内OBU数据通信和引导临近RSU覆盖范围内的OBU无缝漫游；所述RSU协调机制，即按照RSU调度帧组织机制要求，覆盖区域内OBU使用分配的时槽来广播实时消息并申请服务信道使用权来传输非实时消息；OBU通过优先漫游机制实现临近RSU覆盖区域的无缝漫游；所述实时消息广播机制，即是指OBU在消息及时性和可靠性的约束下，利用RSU分配的时槽周期性地广播实时消息，适宜较高服务质量QoS要求情况；所述非实时消息传输机制，即是指RSU处理OBU递交的服务信道预留请求，并面向公平性和最大信道利用率原则为申请的OBU分配信道资源；所述优先漫游机制，即是指RSU侧听临近RSU覆盖区域内的OBU数据包，提取信号强度，采用信号强度强优先漫游原则协调OBU无缝漫游；在所述模式切换机制中，VANETs包含一个控制信道CCH、一个基站控制信道ICCH、M1个基站服务信道ISCH和M2个Adhoc服务信道ASCH，比值M1/M2由局部公共交通条件所决定，其中M1+M2＝5；在任意时刻，每个车辆当且仅当关联以下三个模式中的一个：mode‑A，mode‑I和mode‑S；其中，mode‑A车辆采用WAVE协议来广播实时消息和收发非实时消息；mode‑I车辆采用基于TDMA的方式在ICCH上收集和传递实时消息并在ISCH上收发非实时消息，mode‑S车辆在外部环境变化的条件下仍然保持之前的状态；mode‑A，mode‑I和mode‑S间切换条件共有如下六种：(A)初始化‑>mode‑A：车辆进入车道，并将天线调到CCH；(B)mode‑A‑>mode‑I：收到附近RSU的HELLO数据包，OBU加入该RSU；RSU每一个重复帧内发送一个HELLO数据包，附近没有加入该RSU的车辆收到该HELLO数据包后，验证其有效性：如果接收信号强度Pr大于一个规定地阈值Pth，则该车辆回复一个请求报文，包含其ID号和网络地址信息内容接收到请求报文后，RSU给请求车辆一个确认报文，该车辆调整天线到ICCH，并等待RSU的调度信息；其中，Pth决定RSU覆盖范围大小；(C)mode‑I‑>mode‑S，即车辆和RSU短暂失去联系；当成员车辆在一个重复帧中没有收到RSU的调度信息，该条件成立；由于信道质量差原因，即便车辆没有离开RSU覆盖区域也可能检测不到RSU的信号，mode‑S车辆始终监听ICCH，直到条件(E)成立；(D)mode‑S‑>mode‑A，即车辆和RSU完全断开联系；当车辆在两个重复帧内接收不到RSU的调度信息，则认为已经离开RSU覆盖区域，此时切换到mode‑A，并监听CCH；如果RSU在三个重复帧内接收不到车辆任何消息，则从成员记录表中删除该车辆信息；(E)mode‑S‑>mode‑I：OBU和原先RSU恢复通信；(F)mode‑I‑>mode‑I：OBU在临近的RSU间漫游；假设有多个RSU相互覆盖，车辆可以持续被RSU协调而无需重新注册；在所述RSU调度帧组织机制中，时间被划分成若干个相同的重复帧，每个重复帧包含3个部分：(1)通信控制间隔CCI；(2)数据传输间隔DTI；(3)漫游协调间隔RCI；其中，CCI被划分成四个时隙：时槽分配时隙、成员车辆时隙、全局实时消息时隙和信道分配时隙；成员车辆时隙包括广播实时消息帧和服务信道请求帧；为了降低RSU通信范围间的干扰和实现无缝漫游，重复帧结构必须同时满足以下4个约束条件：(A)CCI和DTI长度相等；(B)在一个重复周期内，CCI在DTI之前；(C)如果当前RSU处于CCI间隔，则其前后两个临近的RSU处于DTI间隔，反之亦然；(D)所有RSU同时进入RCI；在非RCI时刻，邻近RSU覆盖范围内的OBU在不同的信道上传输不同类型的数据报文；在RCI时刻，所有OBU调整天线监听ICCH，等待接收漫游分配报文；所述非实时消息传输机制中，RSU处理OBU递交的服务信道访问申请的具体方法是mode‑I车辆有两种方式和其它节点建立通信链路：1)通过RSU协助转发；2)直接发送信息，RSU处理OBU预留请求包括两个主要算法：(I)请求分解算法，为避免某些车辆持续占有信道资源，OBU服务信道预留请求根据最大长度Bmax分解成若干个子请求，并且每个子请求被分配了一个优先级，记为η，根据短帧优先原则和最少使用率原则，优先级指标系统被建立来衡量子请求的优先程度，其中，n为子请求编号，Bn为第n个子请求长度，rate为平均发送速率，tu是车辆自加入当前RSU时累计服务时间，TVM是使用服务信道最长的成员车辆累计时间，Pn是车辆在发送第n个子查询时服务信道使用率，Hn用于保证η随着n的增大而减少，α是权重系数；(II)服务信道分配算法，拥有较高优先级η的子查询优先分配信道资源，关于服务信道分配，以下三点约束条件被考虑：(A)在DTI期间，车辆只能监听一个服务信道，尽管其可能有多个收发任务；(B)如果目的终端和源终端皆为RSU成员并且目的终端和源终端一跳可达，则直接建立通信，完成数据的传输；(C)如果目的终端和源终端一跳不可达或目的终端和源终端有且只有一个非成员车辆，则RSU指定一个网关节点，作为中继，在合适的时候对数据包进行转发。