一種車載自組織網絡的多通道認知mac協議的製作方法

2023-04-30 17:36:01 1

專利名稱：一種車載自組織網絡的多通道認知mac協議的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種車載自組織網絡的多通道認知MAC協議，屬於無線網絡通信技術領域。
背景技術：
當前，車載自組織網絡的MAC協議設計主要面臨的問題是信息的到達率不高，特別是在車輛節點密集的情況下，安全信息無法及時準確到達。這些問題不但傳統的移動自組織網絡的MAC協議無法解決，而且現有的車載網絡專用短範圍通信(Dedicated ShortRange Communications,DSRC)協議也難以很好處理。根據電氣電子工程師協會IEEE所提出的用於智能交通的無線區域網標準IEEE802. Ilp規定，車載網絡專用短範圍通信DSRC的工作頻段為5. 860GHz到5. 920GHz頻段，一般將這一車載網絡專用短距離通信DSRC的工作 頻段稱為DSRC頻段。為了解決車載自組織網絡中信息到達率不高的問題，研究人員提出了很多的解決方案。Xu 等人在文獻《Vehicle-to-vehicle safety messaging in DSRC))(Q. Xu, T. Mak, J.Ko, and R. Sengupta, 「Vehicle-to-vehicle safety messaging in DSRC,，，in Proceedingsof thelst ACM international workshop on Vehicular ad hoc networks, New York, NY,USA, 2004, pp. 19-28.)中，提出了 6個改進的MAC協議。其主要思想是使用重複傳輸和無確認的載波監聽來確保消息的到達，以此來處理網絡動態性問題。該論文中提出了一個位於邏輯鏈路控制層LLC和標準的MAC層之間的MAC擴展層，用於實現消息的複製和重複消息的刪除。一旦這個MAC擴展層接收到一個來自LLC的消息，系統就從閒置狀態進入一個複製狀態，並開始複製這個消息。而當MAC擴展層從MAC層接收到一個消息時，它進入一個重複移除狀態。在重複移除狀態下，當一個消息ID是原來沒有被檢測到的，那麼就把它看作是一個新消息，並傳送到LLC ;如果這個消息之前被檢測到，就將其移除。使用以上設計思想，該論文中提出6個改進的MAC協議異步固定重複(AFR)、異步ρ-連續重複(APR)、同步固定重複(SFR)、同步ρ-連續重複(SFR)、具有載波感知的異步固定重複(AFRCS)、具有載波感知的異步P-連續重複(APR-CS)。Chung 等人在文獻《A cognitive MAC for VANET based on the WAVE systems))(Seung-eun Chung, Joon Yoo, and Chong-kwon Kim, 「A cognitive MAC for VANET basedon the WAVE systems,，』iniIth International Conference on Advanced CommunicationTechnology, 2009. ICACT2009, 2009，vol. 01，pp. 41 - 46.)中試圖在保證公平的頻譜分配的基礎上，對車聯網通信中動態性大的問題進行了處理。該論文提出了一種車聯網的認知MAC協議CMV (Cognitive MAC protocol for VANET)。這一協議對於長時間和短時間的通信採用了不同的方法。對於長時間的頻譜接入，它使用基於認知無線電技術的並行傳輸方法。而對於短時間的頻譜接入，它使用寬帶頻譜池(wideband spectrum pooling)的方法。通過數學分析和仿真，這一方法的性能相比較於現有MAC協議提高了 72%。為了解決車輛幾點密集情況下的消息衝突問題，Kirsch等人在文獻《Improvingthe performance of vehicular networks in high traffic density conditions withcognitive radios》(N. J. Kirsch and B. M. 0』 Connor, 「Improving the performance ofvehicular networks in high traffic density conditions with cognitive radios, 」inIntelligent Vehicles Symposium(IV), 2011IEEE, 2011, pp. 552-556.)中提出為車聯網增加一個認知無線電系統，從而在空間和時間上為車聯網增加通信頻道。該論文中，通過感知和使用電視通信頻譜，將平均可用服務信道數從現有專用短範圍通信DSRC的4個增加到20個。而這些通信頻道可以增加通信的吞吐量和降低消息衝突發生的概率。以上改進方法在一定程度上提高了在車輛節點密集的情況下，廣播信息的到達率，但效果還不是十分理想
發明內容
本發明的目的是為了克服已有車載自組織網絡通信方法存在的不足，提出一種車載自組織網絡的多通道認知MAC協議。本發明的目的是通過下述技術方案實現的。一種車載自組織網絡的多通道認知MAC協議，其包括( I)對頻段的分配方法。在車載自組織網絡中傳輸的信息分為2種①與安全相關的信息，稱為安全信息；②與安全不相關的信息，稱為服務信息；將安全信息的發送節點定義為「虛擬授權用戶」;將服務信息的發送節點定義為「虛擬次級用戶」；所述節點包括汽車、路邊通信基站。所述頻段包括DSRC頻段和UHF頻段(Ultra High Frequency,特高頻段)。DSRC頻段是從5. 860GHz到5. 920GHz，將DSRC頻段劃分為7個信道。選擇DSRC頻段的7個信道中的一個信道作為虛擬授權用戶的控制信道；從DSRC頻段的另外6個信道中選擇一個信道作為虛擬次級用戶的控制信道；剩餘的5個信道作為虛擬授權用戶的服務信道。UHF頻段是從470MHz到860MHz，將UHF頻段分為m個信道，30彡m彡50作為虛擬次級用戶的服務信道。(2)對同步周期的設定方法。設定虛擬授權用戶的同步周期為50ms，其中控制信道時間間隔25ms，服務信道時間間隔25ms。設定虛擬次級用戶的同步周期為100ms，其中控制信道時間間隔50ms，服務信道時間間隔50ms ο(3)虛擬授權用戶的通信過程。步驟I. I :虛擬授權用戶將需要發送的安全信息放入發送隊列。步驟I. 2 :虛擬授權用戶從DSRC頻段的5個服務信道中檢測是否具有空閒服務信道，如果有，選擇一個服務信道，並在控制時間間隔，廣播使用該服務信道的請求幀；否則，重複執行步驟I. 2。步驟I. 3 :虛擬授權用戶在廣播使用該服務信道的請求幀以後，在該服務信道實現安全信息的當前數據幀的廣播通信。如果通信失敗，則轉到步驟I. 2 ;否則重複步驟I. 3進行安全信息的下一數據幀的廣播通信，直到安全信息傳輸完畢。(4)虛擬次級用戶的通信過程。對於虛擬次級用戶的服務信息的傳輸，本發明採用頻譜機會接入的方法進行傳輸，具體通信過程為步驟2. I :車載自組織網絡中的每個節點都維護一個頻譜狀態表，用SST表示。頻譜狀態表SST用於記錄該節點在通信範圍內的DSRC頻段中的5個虛擬授權用戶的服務信道以及UHF頻段中的虛擬次級用戶的m個服務信道的佔用情況。步驟2. 2 :車載自組織網絡中的每個節點都周期性的與鄰居節點交換頻譜狀態表SST0每個節點再據此維護一個鄰居頻譜狀態表，用NSST表示。鄰居頻譜狀態表NSST用於記錄該節點的所有鄰居節點在通信範圍內的DSRC頻段中的5個虛擬授權用戶的服務信道以及UHF頻段中的虛擬次級用戶的m個服務信道的佔用情況。
所述鄰居節點定義為與某一節點能夠實現通信的節點稱為該節點的鄰居節點。步驟2.3 :預先設定虛擬次級用戶可以選擇的空閒服務信道的最大數量，用η表示，10。虛擬次級用戶根據自身維護的鄰居頻譜狀態表NSST，選擇ρ個空閒服務信道，發送請求傳送幀RTS。如果可選擇的空閒服務信道的數量大於η，則ρ=η ;否則，ρ值為實際可選的空閒服務信道的數量。步驟2. 4 :如果接收節點接收到q個請求傳送幀RTS，I ^ P，接收節點從q傳輸請求傳送幀RTS的服務信道中選擇一個服務信道發送確認傳送幀CTS ;否則，重複步驟
2.3。步驟2. 5 :虛擬次級用戶在接收到確認傳送幀CTS以後，在該服務信道實現服務信息的當前數據幀的通信。如果通信失敗，則轉到步驟2. 3 ;否則重複步驟2. 5進行服務信息的下一數據幀的通信，直到該服務信息傳輸完畢。有益效果本發明提出的車載自組織網絡的多通道認知MAC協議與已有車載自組織網絡的通信協議相比較，具有如下優點①由於虛擬授權用戶具有DSRC頻段的優先使用權，而且DSRC頻段的同步周期是現有同步周期的一半，因此，在車輛節點密集的情況下，虛擬授權用戶所廣播的安全信息的到達率有顯著提高；②由於使用了 UHF頻段，虛擬次級用戶的服務需求得到有效保證。
具體實施例方式為了更好的說明本發明的技術方案，通過I個實施例，對本發明做進一步說明。一種車載自組織網絡的多通道認知MAC協議，其包括( I)對頻段的分配方法。所述頻段包括DSRC頻段和UHF頻段。在車載自組織網絡中傳輸的信息分為2種①與安全相關的信息，稱為安全信息；②與安全不相關的信息，稱為服務信息。將安全信息的發送節點定義為「虛擬授權用戶」;將服務信息的發送節點定義為「虛擬次級用戶」。所述節點為汽車、路邊通信基站。
將所有的DSRC頻段分配給虛擬授權用戶；具體為將DSRC頻段劃分為7個信道，具體為5. 855GHz到5. 865GHz為第一信道；5. 865GHz 到 5. 875GHz 為第二信道；5. 875GHz 到 5. 885GHz 為第三信道；5. 885GHz 到
5.895GHz為第四信道；5. 895GHz到5. 905GHz為第五信道；5. 905GHz到5. 915GHz為第六信道；5. 915GHz到5. 925GHz為第七信道。選擇DSRC頻段的7個信道中的一個信道作為虛擬授權用戶的控制信道 』從DSRC頻段的另外6個信道中選擇一個信道作為虛擬次級用戶的控制信道；剩餘的5個信道作為虛擬授權用戶的服務信道。UHF頻段是從470MHz到860MHz，將UHF頻段分為39個信道，每IOMHz為一個信道，這39個信道都作為虛擬次級用戶的服務信道。(2)對同步周期的設定方法。 設定虛擬授權用戶的同步周期為50ms，其中控制信道時間間隔25ms，服務信道時間間隔25ms。設定虛擬次級用戶的同步周期為100ms，其中控制信道時間間隔50ms，服務信道時間間隔50ms ο( 3 )虛擬授權用戶的通信過程。假設節點A需要廣播安全信息，則節點A為虛擬授權用戶。節點A的通信過程為步驟I. I :節點A將需要發送的安全信息放入發送隊列。步驟I. 2 :節點A從DSRC頻段的5個服務信道中檢測是否具有空閒服務信道，如果有，隨機從中選擇一個服務信道，並在控制時間間隔，廣播使用該服務信道的請求幀；否則，重複執行步驟I. 2。步驟I. 3 :節點A在廣播使用該服務信道的請求幀以後，在該服務信道實現安全信息的當前數據幀的廣播通信。如果通信失敗，則轉到步驟I. 2 ;否則重複步驟I. 3進行安全信息的下一數據幀的廣播通信，直到安全信息傳輸完畢。(4)虛擬次級用戶的通信過程。假設節點A需要向節點B發送服務信息，則節點A為虛擬次級用戶，節點B為接收節點。節點A和節點B之間的通信過程為步驟2. I :車載自組織網絡中的每個節點都維護一個頻譜狀態表，用SST表示。頻譜狀態表SST用於記錄該節點在通信範圍內的DSRC頻段中的5個虛擬授權用戶的服務信道以及UHF頻段中的虛擬次級用戶的39個服務信道的佔用情況。DSRC頻段中的5個虛擬授權用戶的服務信道以及UHF頻段中的虛擬次級用戶的39個服務信道分別用SCHl至SCH44表不。步驟2. 2 :車載自組織網絡中的每個節點都周期性的與鄰居節點交換頻譜狀態表SST0每個節點再據此維護一個鄰居頻譜狀態表，用NSST表示。鄰居頻譜狀態表NSST用於記錄該節點的所有鄰居節點在通信範圍內的DSRC頻段中的5個虛擬授權用戶的服務信道以及UHF頻段中的虛擬次級用戶的39個服務信道的佔用情況。此時節點A的頻譜狀態表SST如表I所示；節點A的鄰居頻譜狀態表NSST如表2所示。表I節點A的頻譜狀態表SST
權利要求
1.一種車載自組織網絡的多通道認知MAC協議，其特徵在於其包括 (1)對頻段的分配方法； 在車載自組織網絡中傳輸的信息分為2種①與安全相關的信息，稱為安全信息；②與安全不相關的信息，稱為服務信息；將安全信息的發送節點定義為「虛擬授權用戶」;將服務信息的發送節點定義為「虛擬次級用戶」； 所述頻段包括DSRC頻段和UHF頻段； DSRC頻段是從5. 860GHz到5. 920GHz，將DSRC頻段劃分為7個信道；選擇DSRC頻段的7個信道中的一個信道作為虛擬授權用戶的控制信道；從DSRC頻段的另外6個信道中選擇一個信道作為虛擬次級用戶的控制信道；剩餘的5個信道作為虛擬授權用戶的服務信道； UHF頻段是從470MHz到860MHz，將UHF頻段分為m個信道，30彡m彡50作為虛擬次級用戶的服務信道； (2)對同步周期的設定方法； 設定虛擬授權用戶的同步周期為50ms，其中控制信道時間間隔25ms，服務信道時間間隔 25ms ； 設定虛擬次級用戶的同步周期為100ms，其中控制信道時間間隔50ms，服務信道時間間隔50ms ； (3)虛擬授權用戶的通信過程； 步驟I. I :虛擬授權用戶將需要發送的安全信息放入發送隊列； 步驟I. 2 :虛擬授權用戶從DSRC頻段的5個服務信道中檢測是否具有空閒服務信道，如果有，選擇一個服務信道，並在控制時間間隔，廣播使用該服務信道的請求幀；否則，重複執行步驟I. 2 ; 步驟I. 3 :虛擬授權用戶在廣播使用該服務信道的請求幀以後，在該服務信道實現安全信息的當前數據幀的廣播通信；如果通信失敗，則轉到步驟I. 2 ;否則重複步驟I. 3進行安全信息的下一數據幀的廣播通信，直到安全信息傳輸完畢； (4)虛擬次級用戶的通信過程； 對於虛擬次級用戶的服務信息的傳輸，本發明採用頻譜機會接入的方法進行傳輸，具體通信過程為 步驟2. I :車載自組織網絡中的每個節點都維護一個頻譜狀態表，用SST表示；頻譜狀態表SST用於記錄該節點在通信範圍內的DSRC頻段中的5個虛擬授權用戶的服務信道以及UHF頻段中的虛擬次級用戶的m個服務信道的佔用情況； 步驟2. 2 :車載自組織網絡中的每個節點都周期性的與鄰居節點交換頻譜狀態表SST ；每個節點再據此維護一個鄰居頻譜狀態表，用NSST表示；鄰居頻譜狀態表NSST用於記錄該節點的所有鄰居節點在通信範圍內的DSRC頻段中的5個虛擬授權用戶的服務信道以及UHF頻段中的虛擬次級用戶的m個服務信道的佔用情況； 所述鄰居節點定義為與某一節點能夠實現通信的節點稱為該節點的鄰居節點；步驟2.3 :預先設定虛擬次級用戶可以選擇的空閒服務信道的最大數量，用η表示，10 ;虛擬次級用戶根據自身維護的鄰居頻譜狀態表NSST，選擇P個空閒服務信道，發送請求傳送幀RTS ;如果可選擇的空閒服務信道的數量大於η，則ρ=η ;否則，ρ值為實際可選的空閒服務信道的數量；步驟2. 4 :如果接收節點接收到q個請求傳送巾貞RTS, I ^ q ^ P,接收節點從q傳輸請求傳送幀RTS的服務信道中選擇一個服務信道發送確認傳送幀CTS ;否則，重複步驟2. 3 ；步驟2. 5 :虛擬次級用戶在接收到確認傳送幀CTS以後，在該服務信道實現服務信息的當前數據幀的通信；如果通信失敗，則轉到步驟2. 3 ;否則重複步驟2. 5進行服務信息的下一數據幀的通信，直到該服務信息傳輸完畢。
2.如權利要求I所述的一種車載自組織網絡的多通道認知MAC協議，其特徵在於所述節點包括汽車、路邊通信基站。
全文摘要
本發明涉及一種車載自組織網絡的多通道認知MAC協議，其包括①對頻段的分配方法將DSRC頻段劃分為7個信道，其中1個作為虛擬授權用戶的控制信道，1個作為虛擬次級用戶的控制信道；剩餘的5個信道作為虛擬授權用戶的服務信道；將UHF頻段劃分為多個服務信道。②對同步周期的設定方法DSRC頻段的同步周期是現有同步周期的一半。③虛擬授權用戶的通信過程。④虛擬次級用戶的通信過程。本方法對比傳統方法，具有以下優點①在車輛節點密集的情況下，虛擬授權用戶所廣播的安全信息的到達率有顯著提高；②由於使用了UHF頻段，虛擬次級用戶的服務需求得到有效保證。
文檔編號H04L29/08GK102780696SQ201210234779
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月6日 優先權日2012年7月6日
發明者廖樂健, 樊秀梅, 鍾常濤 申請人:北京理工大學