一種基於tdma的車載自組網絡自適應時隙分配方法
2023-05-13 17:54:46 4
專利名稱：一種基於tdma的車載自組網絡自適應時隙分配方法
技術領域：
本發明涉及一種基於TDMA的車載自組網絡自適應時隙分配方法，屬於車載通信技術領域。
背景技術：
車載自組網(Vehicular Ad-hoc Networks,簡稱VANET)是一個分布式、自組織的網絡，配備無線收發模塊的移動車輛(本文簡稱節點)和路邊單元(Roadside Unit，簡稱RSU)組成，通信模式包括節點之間自組織多跳通信(V-2-V =Vehicle to Vehicle)和節點與 RSU 之間通信(V-2-1:Vehicle to Infrastructure)。車載自組網作為智能交通系統重要基礎之一，在緩解交通擁堵、實時共享交通信息、安全預警和協助駕駛等方面有著很重要的應用[1]，目前正成為工業界和學術界的研究熱點，而MAC協議是如何使多個用戶合理、有效的利用無線信道資源，它的優劣直接影響到吞吐量、信道利用率等各指標，是車載自組織網絡中一個關鍵的技術。車載自組網是一種特殊的移動自組織網絡，具有車輛終端移動速度快，網絡拓撲高度動態變化，業務隨機性產生，支持突發性高優先級業務，交通安全類業務實時性強等特點。基於以上特點，車載自組網的MAC協議與傳統移動自組織網絡的MAC協議相比，除了有接入衝突、隱藏終端和節點的接入公平性等問題外更有以下新的挑戰:①車輛節點高速移動性；②通信鏈路頻繁斷裂；③車輛移動場景多樣化，需MAC協議的可擴展性強有較高的信道利用率；⑤支持車載自組網中緊急安全信息的及時廣播。相關項目研究表明，高效的信道分配機制可以顯著提高MAC協議的性能，保證良好的通信質量。首先，快速的信道分配可以大大地減少接入時延，保證車載自組網中的安全應用。其次，較少的衝突可以提高通信的可靠性，減少重新競爭時隙和重新傳輸數據的概率，提高信道的利用率和容量，減少丟包率。所以如何設計有效的信道分配機制是車載自組織網中MAC協議的關鍵和難點。基於競爭的信道接入方式，最典型的MAC協議是CSMA/CA，節點在發送數據包之前，先監聽一段時間，如果發現信道空閒，則開始發送數據，同時監聽是否有衝突發生，若衝突，則隨機退避一段時間，然後重複前述的發送過程。CSMA/CA協議是一種隨機競爭方式，是全分布式的，能夠充分的利用有限的無線信道資源。802.1lp標準是目前唯一的專門針對車載無線自組織網絡的通信協議標準，它主要由兩部分協議規範組成:物理層(PHY Layer)協議和介質訪問控制層(MAC Layer)協議。其中，物理層採用針對高速移動動態環境進行了改進的802.1 Ia協議，而MAC層仍然採用了 802.11協議傳統CSMA/CA機制來共享無線信道。802.1lDCF MAC協議在CSMA/CA協議基礎上設計了四握手機制，即節點發送數據前首先發送一個RTS，等待目的節點回應CTS後開始傳輸數據，目的節點接收到數據後回應一個ACK,這樣就有效的解決了隱藏終端和暴露終端的問題。CSMA/CA協議是一種基於載波偵聽競爭機制的共享介質方式，因此，以其為基礎的改進MAC協議在密度大的車輛環境中很容易引起衝突，從而導致大的時延，甚至造成網絡擁塞。不適用於車載自組網中的安全應用；該協議也不能保證網絡中的節點能夠公平共享帶寬，因為信號強度高的區域比信號強度較弱的有優勢，由此導致捕捉效應，使的該區域在傳輸過程中獲得較多的帶寬分配。TDMA/FDMA/CDMAMAC協議，即在時間上、頻段上或正交碼上將信道劃分為許多個子信道，節點發送數據之前需要預約並獲得至少一個子信道，因此如何管理和分配子信道很重要。ADHOC改進了 R-ALOHA協議，採用了 TDMA方式劃分無線信道，節點需要在幀信息FI(Frame Information)中記錄自己所觀察到的鄰居節點佔用時隙的情況，並在自己佔用的時隙中周期性廣播FI信息。接入的節點通過偵聽FI信息，隨機選擇有效的時隙競爭。VeMAC協議是基於TDMA為車載自組網的多信道系統設計的一種新的MAC協議，該協議在主控信道上採用ADHOC協議機制，不同的是VeMAC將主控信道上的時隙劃分為左右、RSU三種，對應的節點首先競爭對應時隙。服務信道採用主控的TDMA分配方式。此類協議可以有效的減少節點競爭衝突，相比較而言，基於ADHOC協議比較適合於VANET網絡環境，並且周期性的廣播也可以與主動安全應用相結合，只要廣播信息中加上速率、位置、方向等行駛數據即可。但是劃分子信道的方法需要複雜的調度算法，固定的幀長無法適應網絡中的節點密度的變化，在密度小的地區信道利用率極低，在密度大的地區可能使某些節點無法接入網絡，嚴重時，在主動安全應中可能會發生交通事故。此類協議也沒有解決車載自組網中的接入衝突和合併衝突問題。
發明內容
本發明的目的是提供一種基於TDMA的車載自組網絡自適應時隙分配方法，以解決目前車載自組網中信道分配方法採用CSMA/CA協議以及以其為基礎的改進MAC協議在密度大的車輛環境中容易引起接入衝突，導致時延增大的問題，以及採用固定的TDMA幀長協議所造成的在節點稀疏區域信道利用率低，在密度大的地區可能使某些節點無法接入網絡等問題。本發明為解決上述技術問題而提供一種基於TDMA的車載自組網絡自適應時隙分配方法，該時隙分配方法的步驟如下:I)將車載自組網中每個時幀的時隙劃分為左、右兩個時隙集，將欲接入網絡的移動節點按照其方向劃分為左、右兩個節點集，左/右節點集的節點競爭相應的左/右時隙集的時隙；2)節點偵聽信道一個周期，收集其兩跳鄰居節點的位置和佔用的時隙信息，建立一個有效時隙集；3)根據節點當前的地理位置信息從有效時隙集中選擇一個確定的時隙進行競爭。所述的已接入車載自適應網絡中的每個節點根據其鄰居節點的消息，計算兩跳鄰居節點數目，判斷節點與時隙的比值是否超過最大閾值或小於最小閾值，根據判斷結果將其幀長加倍或減半。所述節點成功競爭到時隙後，保持偵聽信道，收集其兩跳鄰居節點信息，計算左、右兩跳鄰居節點數，根據左右節點數目的變化，調節左右時隙集的比值，使左右時隙的比值等於左右節點密度的比值。所述的步驟3)中的時隙競爭過程如下:a.待競爭節點根據地理位置信息計算同一方向上距離自己最近的節點；
b.判斷距離自己最近的節點在自己的前方或後方，如果是在前方，則選擇距離自己最近的節點所佔用的時隙前方最近編號的有效時隙競爭，如果是在後方，則選擇距離自己最近的節點所佔用的時隙後方最近編號的有效時隙競爭。所述步驟3)中如果同時進入網絡的為至少兩個節點，則根據最後一次廣播信息判斷節點之間相對位置，以確定每個節點對應的有效時隙，如果在競爭「唯一時隙」時節點發生衝突，在下一輪的競爭中，節點就隨機選擇一個有效時隙。所述網絡中的每個節點都隨時監測網絡中的節點數量，如果某個節點發現其觀察到的節點數與時隙比超過最大閾值，就在該節點佔用的時隙中廣播一個加倍幀長度的建議，並在之後的一個周期中接收的所有具有相同幀長的節點廣播數據包都表示接收了該建議，則此節點建議成功，即以後的無線通信將採用加倍的幀長度；如果某個節點觀察到的節點數與時隙比低於設定值，且該節點的全部一跳鄰居節點觀察的節點數與時隙比都低於最小閾值，就在該節點佔用的時隙中廣播一個減半幀長的建議，並在之後的一個周期中沒有接到周圍節點的反對意見，則該節點對所採用的幀長度減半，而其他節點保持原來的幀長度。所述節點的有效時隙集為未被該節點的兩條鄰居節點所佔用的時隙集。所述的屬於同一方向的節點可以根據位置信息判斷節點之間的前後順序，每個節點都知道自己前後的節點及它們所佔用的時隙編號，TDMA的幀當作一個循環的結構，規定一個「前」向，在理想的場景下，同一方向的所有節點佔用時隙編號的順序與時隙位置順序是一致的。本發明的有益效果是:本 發明採用TDMA幀結構，將每一個幀劃分成左右兩個時隙集，每個時隙集裡包含若干時隙，將節點按照其移動方向劃分為左、右節點集，左/右節點集裡的節點根據當前的地理位置信息按照一定的規則選擇左/右時隙集裡的競爭時隙。為了適應節點密度的變化，節點在成功接入信道後判斷節點與時隙的比值是否超過最大閾值或小於最小閾值，若是，則加倍或減半幀長；若否，判斷左/右時隙集的時隙數是否大於最大閾值或小於最小閾值，若是，則調節左右時隙集時隙數目比值以適應左右兩邊節點數目的變化，本發明很大程度上減少了節點發生的接入衝突和合併衝突的概率；並根據節點感知到的節點密度變化，動態的調整幀長，以滿足節點快速接入信道的需求；通過理論分析和仿真實驗兩方面證明本發明具有較低的時延，與現有協議相比較，本發明具有更少的衝突節點數量，更高的信道利用率，且具有良好的可擴展性。
圖1是時隙劃分為左右兩個時隙集的示意圖；圖2是_■叉樹與時隙的對應關係不意圖；圖3是幀長加倍與二叉樹的對應關係示意圖；圖4是節點競爭時隙的過程示意圖；圖5是左右時隙比值的調節示意圖；圖6是線性網絡拓撲結構圖；圖7是基於二叉樹的幀長加倍示意圖；圖8是採用本發明和其他協議在η個時幀中所有節點成功獲得時隙概率的比較示意圖；圖9是採用本發明和其他協議在η個時幀裡成功獲得時隙的平均節點數目比較示意圖；圖10是節點密度與幀長之間的關係示意圖；圖11是放大的節點密度與幀長之間的關係示意圖；圖12是採用本發明和其他協議發生衝突的節點數目比較示意圖；圖13是採用本發明和VeMAC協議的信道利用率比較示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步的說明。本發明為了提高節點接入時延減少節點衝突，將時隙分為左右兩個時隙集，將節點按照其移動方向劃分為左、右節點集，左/右節點集裡的節點對應選擇左/右時隙集裡的時隙競爭，然後節點按照自己的地理位置確定「唯一」的競爭時隙，以減少節點接入信道的時延和節點發生衝突的概率。本發明中各個節點可以使用不同的幀長度，每個活動節點只使用其對應時幀中的一個時隙，時幀的長度以2的冪進行擴展和收縮，每個幀的左右兩個時隙集分別用L和R表示，節點以南北線為基準，按其移動方向分為左右兩個節點集，如圖其所示。有效時隙定義為未被兩跳鄰居節點佔用的時隙，為了避免接入衝突，兩條範圍內的節點不能佔用相同時隙，兩個相鄰節點的幀長只能是相等或二倍的關係。對於一個節點，其兩跳鄰域內的節點信息可映射到一個時隙二叉樹，如圖2所示，左右時隙集對應二叉樹的左右子結點，圖2中黑色部分表示左時隙集，灰色部分表示右時隙集。在二叉樹結構中,根節點(root)在O層,第i+Ι層的節點由第i層的節點生成，對於一個編號為Ci (二進位數)的節點，其左子節點的編號為Oci,右子節點的編號為Ici，對於第L層，子節點數為2S 二叉樹每一層節點數對應了幀長度(每個幀的時隙數目)，且每一個子節點的編號與時隙號對應。本發明的基於TDMA的車載自組網絡自適應時隙分配方法的具體步驟如下:1.將車載自組網中每個幀的時隙劃分為左右兩個時隙集，分別用L和R表示。當節點X準備接入網絡時，首先根據自身的GPS模塊判斷當前的移動方向，根據自己的移動方向選擇對應的時隙集L或R。2.偵聽一個周期，收集該節點兩條鄰居節點的位置、方向和佔用的時隙信息。3.根據收集到信息建立一個有效時隙集Ax，從\中根據當前的地理位置信息確定一個「唯一」時隙，如圖4所示，我們以一個節點X為例，來說明節點的競爭過程如下:節點X首先計算出同一方向上距離自己最近的節點y，然後根據地理位置信息判斷節點I是在自己的前方還是後方，如果是在前方，則選擇離節點I佔用的時隙j前方最近編號的有效時隙競爭，如果是在後方，則選擇離節點y佔用的時隙j後方最近編號的有效時隙競爭。而對於多個節點同時進入網絡的情況，則根據最後一次廣播信息判斷節點之間相對位置，以確定每個節點對應的有效時隙，如果在競爭唯一時隙時節點發生衝突，則下一輪競爭中，節點就隨機選擇一個有效時隙。本發明根據節點的方向和地理信息分配TDMA時隙，能夠有效減少節點之間的接入衝突(多個節點同時競爭相同的時隙所產生的衝突)與合併衝突(處於兩跳範圍之外的兩個節點可以同時使用相同的時隙而不會發生衝突，但隨著節點的移動，當兩個節點處於一跳通信範圍之內就會發生衝突，導致節點發送信息失敗，需要重新競爭新的時隙)。合併衝突大都發生在反方向移動的節點佔用相同的時隙或者移動節點與固定的RSU使用相同時隙的場景，本發明的基於TDMA的車載自組織網絡自適應時隙分配機制對於不同方向的節點競爭不同的時隙集，這樣就大大減少了發生合併衝突的概率。為了進一步提高節點時隙競爭的成功率，使本時隙分配機制具有可擴展性，在節點成功地競爭到時隙後，仍保持偵聽信道，收集兩跳鄰居節點的信息，計算周圍節點的密度，判斷一個幀的左右時隙集的有效時隙的數量是否大於最大閾值或小於最小閾值，即是否滿足不等式(3)。開始時假設網絡中左右節點數量處於穩定平衡狀態式，即滿足等式(2);隨著節點的移動，節點密度不斷變化，當左右節點數目差距增大，且其比值滿足不等式(3)時，調節左右時隙集的比值，使左右時隙的比值等於左右節點密度的比值，即滿足不等式
(4)，此時節點就在自己的時隙消息裡廣播調整左右時隙比值的消息，如果所有具有相同幀長的一跳鄰居節點都沒有反對，則擁有相同時幀長度的節點就重新分配左右時隙，其左右時隙的調節如圖4所示。
權利要求
1.一種基於TDMA的車載自組網絡自適應時隙分配方法,其特徵在於:該時隙分配方法的步驟如下: 1)將車載自組網中每個時幀的時隙劃分為左、右兩個時隙集，將欲接入網絡的移動節點按照其方向劃分為左、右兩個節點集，左/右節點集的節點競爭相應的左/右時隙集的時隙； 2)節點偵聽信道一個周期，收集其兩跳鄰居節點的位置和佔用的時隙信息，建立一個有效時隙集； 3)根據節點當前的地理位置信息從有效時隙集中選擇一個確定的時隙進行競爭。
2.根據權利要求1所述的基於TDMA的車載自組網絡自適應時隙分配方法，其特徵在於:所述的已接入車載自適應網絡中的每個節點根據其鄰居節點的消息，計算兩跳鄰居節點數目，判斷節點與時隙的比值是否超過最大閾值或小於最小閾值，根據判斷結果將其幀長加倍或減半。
3.根據權利要求1或2所述的基於TDMA的車載自組網絡自適應時隙分配方法，其特徵在於:所述節點成功競爭到時隙後，保持偵聽信道，收集其兩跳鄰居節點信息，計算左、右兩跳鄰居節點數，根據左右節點數目的變化，調節左右時隙集的比值，使左右時隙的比值等於左右節點密度的比值。
4.根據權利要求1所述的基於TDMA的車載自組網絡自適應時隙分配方法，其特徵在於:所述的步驟3)中的時隙競爭過程如下: a.待競爭節點根據地理位置信息計算同一方向上距離自己最近的節點； b.判斷距離自己最近的節點在自己的前方或後方，如果是在前方，則選擇距離自己最近的節點所佔用的時隙前方最近編號的有效時隙競爭，如果是在後方，則選擇距離自己最近的節點所佔用的時隙後方最近編號的有效時隙競爭。
5.根據權利要求4所述的基於TDMA的車載自組網絡自適應時隙分配方法，其特徵在於:所述步驟3)中如果同時進入網絡的為至少兩個節點，則根據最後一次廣播信息判斷節點之間相對位置，以確定每個節點對應的有效時隙，如果在競爭「唯一時隙」時節點發生衝突，在下一輪的競爭中，節點就隨機選擇一個有效時隙。
6.根據權利要求2所述的基於TDMA的車載自組網絡自適應時隙分配方法，其特徵在於:所述網絡中的每個節點都隨時監測網絡中的節點數量，如果某個節點發現其觀察到的節點數與時隙比超過最大閾值，就在該節點佔用的時隙中廣播一個加倍幀長度的建議，並在之後的一個周期中接收的所有具有相同幀長的節點廣播數據包都表示接收了該建議，則此節點建議成功，即以後的無線通信將採用加倍的幀長度；如果某個節點觀察到的節點數與時隙比低於設定值，且該節點的全部一跳鄰居節點觀察的節點數與時隙比都低於最小閾值，就在該節點佔用的時隙中廣播一個減半幀長的建議，並在之後的一個周期中沒有接到周圍節點的反對意見，則該節點對所採用的幀長度減半，而其他節點保持原來的幀長度。
7.根據權利要求1所述的基於TDMA的車載自組網絡自適應時隙分配方法，其特徵在於:所述節點的有效時隙集為未被該節點的兩條鄰居節點所佔用的時隙集。
8.根據權利要求4所述的基於TDMA的車載自組網絡自適應時隙分配方法，其特徵在於:所述的屬於同一方向的節點可以根據位置信息判斷節點之間的前後順序，每個節點都知道自己前後的節點及它們所佔用的時隙編號，TDMA的幀當作一個循環的結構，規定一個「前」向，在理 想的場景下，同一方向的所有節點佔用時隙編號的順序與時隙位置順序是一致的。
全文摘要
本發明涉及一種基於TDMA的車載自組網絡自適應時隙分配方法，該方法將時幀劃分為左右兩個時隙集，將節點按照其移動方向劃分為左、右節點集，左/右節點集裡的節點根據當前的地理位置信息按照一定的規則選擇左/右時隙集裡的競爭時隙。本發明很大程度上減少了節點發生的接入衝突和合併衝突的概率；並根據節點感知到的節點密度變化，動態的調整幀長，以滿足節點快速接入信道的需求；通過理論分析和仿真實驗兩方面證明本發明具有較低的時延，與現有協議相比較，本發明具有更少的衝突節點數量，更高的信道利用率，且具有良好的可擴展性。
文檔編號H04W16/10GK103096327SQ201310006110
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月8日 優先權日2013年1月8日
發明者楊衛東, 李攀, 管濤, 鄧淼磊, 劉宏月, 王珂, 盧志淵 申請人:河南工業大學, 百年金海安防科技有限公司