基于路側單元協助的VANET異步多信道MAC協議研究

唐 欣，李曉歡,2，陳名松，詹益旺

（1.桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004；2.華南理工大學，廣東 廣州 510641；3.廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310）

基于路側單元協助的VANET異步多信道MAC協議研究

唐 欣1，李曉歡1,2，陳名松1，詹益旺2,3

（1.桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004；2.華南理工大學，廣東 廣州 510641；3.廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310）

主要提出了一種基于路側單元（RSU）協助的車載自組網（VANET）異步多信道MAC協議。該協議不需要嚴格的時間同步，通過RSU協助節點進行業務信道預約，可實現多個業務信道上同時進行數據傳輸，不僅提高了業務信道吞吐量，而且有效地避免了多信道隱藏終端問題以及錯失接收方問題。

車載自組網 異步多信道協調協議 媒介訪問控制 路側單元

1 引言

基于IEEE 802.11p[1]標準的VANET采用專用短距離無線通信（DSRC，Dedicated Short Rang Communication）[2]技術實現了車與車（V2V，Vehicleto-Vehicle）、車與路側單元（V2R，Vehicle-to-Road）的通信。IEEE 1609.4[3]標準規定了車載環境無線接入（WAVE，Wireless Access in Vehicular Environments）[4]系統的多信道操作，其中控制信道（CCH，Control Channel）、業務信道（SCH，Service Channel）的訪問在時間上被分割為CCH間隔和SCH間隔。這樣的方式使得控制信道和業務信道周期性地處于閑置狀態，降低了吞吐量和信道使用效率。

為解決現有協議的不足，多信道MAC協議得到了廣泛的研究。文獻[5]提出的AMCP（Asynchronous Multi-channel Coordination Protocol）協議，采用了類似IEEE 1609.4的信道分配方案[3]，不需要時間同步就能實現非安全信息在業務信道上的傳輸；文獻[6]提出了VCI MAC（Variable CCH Interval MAC）協議，該協議利用車輛密度調整CCH間隔的長度，改善了非安全信息的飽和吞吐量；文獻[7]提出了基于RSU協調的多信道MAC協議，該協議從6個業務信道中分出了1個緊急信道，避免了安全信息與其他非安全信息的碰撞；文獻[8]提出的AMCMAC（Asynchronous Multi-Channel MAC）協議，實現了節點在控制信道上進行業務信道的預約以及安全信息的廣播。

以上協議雖然從一定程度上提高了信道利用率，但在多信道操作中仍然存在多信道隱藏終端以及錯失接收方問題[5]。基于此，本文提出采用異步的多信道協調方法，并利用RSU協助節點進行業務信道預約，在提高業務信道吞吐量的同時，還能有效地避免多信道隱藏終端問題以及錯失接收方問題。

2 協議工作流程

本文提出了一種基于RSU協助的VANET異步多信道MAC協議。該協議利用RTS（R equest-To-Send）/ CTS（Clear-To-Send）[9]在控制信道上完成業務信道預約，在業務信道上進行非安全信息傳輸。在描述協議工作流程之前，首先對協議的應用場景及協議中的主要參數進行簡單說明。

應用中各車輛節點均配備1臺收發機，該收發機可以在任意時隙切換到控制信道或某個業務信道上，用于進行信道監聽或數據傳輸。而RSU配備2臺收發機（收發機A、收發機B），收發機A監聽控制信道，收發機B則可在控制信道和業務信道之間切換。RTS/CTS的幀間間隔為2個SIFS（Short Inter-Frame Space），并在RTS幀、CTS幀中新增3個字段：業務信道號（SCI，Service Channel ID）字段，用于存放源節點和目的節點選擇的空閑業務信道號；預約的開始時間（ST，Start Time）字段；預約的終止時間（ET， End Time）字段。每個節點均維持一個本地信道預約列表，其中包括預約的業務信道號、信道被預約的起止時間、業務信道上正在進行傳輸的源節點號和目的節點號。另外，RSU協助（RA，RSU-Assisted）幀是在CTS幀結構之上新增3個字段：節點忙（BN，Busy Node）字段表示節點不在信道上；信道忙（BC，Busy Channel）字段表示被選中的信道當前處于忙的狀態；信道剩余時間（RTC，Remaining Time of Channel）字段表示信道或者節點持續忙的時間。下面將對協議的具體方法和操作步驟進行說明。

當源節點有非安全信息發送給目的節點時，執行以下步驟：

（1）源節點預先檢查本地信道預約列表，設置SCI字段的值為被選中的空閑業務信道號，ST字段和ET字段被分別設置為預約信道的起止時間，然后發送RTS幀；若沒有可用的空閑業務信道，則繼續等待。

（2）RSU接收RTS幀之后，若發現目的節點不在控制信道上，那么RSU等待SIFS之后回復RA幀（BN=1）；否則，RSU繼續檢查RTS幀的SCI字段，若發現SCI指示的業務信道此刻為忙，那么RSU回復RA幀（BC=1），否則RSU不發送RA幀。

（3）若源節點接收到R A幀（B N=1或者BC=1），那么等待RTC字段指示的時間之后再次發起信道預約；否則，源節點等待接收CTS幀。

（4）RTS幀被發送到控制信道之后，收到RTS幀的其他節點，更新自己的NAV（Network Allocation Vector）的時長為1個CTS幀傳輸時延與2個SIFS之和。若接收到RA幀，則提前終止NAV。

（5）目的節點在收到RTS幀之后，等待2個SIFS時長，其間若一直沒有收到RSU發送的RA幀，那么就立即回復CTS幀，并切換到被預約的業務信道上，等待接收信息。

（6）源節點收到CTS幀之后，立即切換到被預約的業務信道上，發送信息。

（7）目的節點接收完信息之后，回復A C K（Acknowledgement）幀，并切換到控制信道；源節點收到ACK幀之后，切換到控制信道。至此完成一次信息的交互。

3 協議中解決問題的方案

（1）多信道隱藏終端問題

多信道隱藏終端問題是由于多個預約節點選擇了相同的信道導致信息碰撞。RSU協助預約機制解決多信道隱藏終端問題的方案是：RSU接收到RTS幀之后，檢查本地信道預約列表，若RTS幀中SCI字段指示的信道忙，那么它等待1個SIFS時長之后發送RA幀（BC=1，RTC字段被賦值為ET與當前時間之差），源節點收到RA幀之后，等待RTC字段指示的時間之后再次發起信道預約。

如圖1所示，當節點n3發送完RTS幀之后，RSU發現SCI指示的業務信道處于忙（節點n4和n9正在占用），則發送1個R A幀（BC=1），這種機制解決了多信道隱藏終端問題。

（2）錯失接收方問題

錯失接收方問題是異步多信道MAC協議中的常見問題。當源節點在控制信道上發送RTS幀之后，由于接收不到目的節點發送的CTS幀，導致源節點長時間占用控制信道，造成信道資源浪費，其主要原因是目的節點此時可能正在其他信道上參與數據傳輸，而未收到RTS幀。RSU協助預約機制解決錯失接收方問題的方案是：RSU接收到RTS幀之后，檢索本地信道預約列表中是否存在RTS幀的目的節點，如果目的節點處于忙，那么RSU等待SIFS之后發送RA幀（BN=1，RTC字段被賦值為ET與當前時間之差），源節點收到RA幀，等待RTC字段指示的時間之后再次發起信道預約。

如圖2所示，當節點n3發送完RTS幀之后，RSU發現目的節點n7處于忙（節點n2和n7正在交換信息），則發送1個RA幀（BN=1）用來告知源節點，其目的節點正忙。因此，該機制避免了由于目的節點不在控制信道而引起的錯失接收方問題。

4 協議仿真與結果分析

下面通過仿真實驗對本文提出的方法進行性能分析。

圖2 ARAMMAC協議解決錯失接收方問題的方案

利用NS2[10]對ARAMMAC進行仿真，并選取了一種典型的異步多信道協議（AMCP）和IEEE 1609.4進行性能比較。文獻[11]證明了節點的移動對信道接入的影響是極其微小的，因此本次仿真是在單個RSU的傳輸范圍內進行的，并且各節點處于靜止狀態。仿真分析的主要參數如表1所示：

表1 仿真實驗參數

圖3給出了3種協議的總的業務信道吞吐量變化曲線。可以看出，ARAMMAC的吞吐量與IEEE 1609.4相比得到了較大的提升，表明異步多信道機制可以實現多個業務信道同時進行數據傳輸，有效地提高了業務信道利 用率。ARAMMAC的吞吐量較AMCP更優的原因是：通過引入RSU協議的機制更好地避免了多信道隱藏終端問題，降低了業務信道上信息的碰撞；同時也緩解了錯失接收方問題，節約了寶貴的控制信道資源，提高了信道預約效率。

圖3 總的業務信道吞吐量變化曲線

圖4給出了ARAMMAC和AMCP的業務信道預約成功數變化曲線。隨著節點數量的增加，ARAMMAC的預約成功數在AMCP之上提高了10%～30%。這是因為ARAMMAC采用了RSU協助預約機制，避免了多信道隱藏終端以及錯失接收方問題，提高了信道預約成功數。而AMCP采取的避免多信道隱藏終端問題的策略[5]，是以降低信道預約效率為代價的。

圖4 業務信道預約成功數變化曲線

圖5給出了控制信道上的安全信息接收率變化曲線。可以看出，3種協議的安全信息接收率隨著節點數的增加而緩慢下降。當節點數增加到100時，IEEE 1609.4保持約90%的接收率，明顯優于ARAMMAC和AMCP。這說明IEEE 1609.4僅允許安全信息在CCH間隔傳輸的機制，有利于提高安全信息的接收率，而ARAMMAC和AMCP允許在CCH間隔交互預約信息會加重控制信道負載，降低了安全信息的接收率。就ARAMMAC與AMCP比較來看，當節點數大于50時，ARAMMAC的安全信息接收率高于AMCP。這說明當網絡負載逐漸增加時，發生多信道隱藏終端和錯失接收方問題的概率也隨之增大，而RSU協助機制可以有效地減少這2個問題引起的信道資源浪費，使得更多的節點在控制信道上進行安全信息交互。

5 結束語

本文提出了一種基于RSU協助的車載自組網異步多信道MAC協議。該協議采用異步的方案，通過RSU協助節點進行業務信道預約，可實現多個業務信道上同時進行數據傳輸，提高了業務信道吞吐量，且有效地避免了多信道隱藏終端問題以及錯失接收方問題。仿真結果表明，在同等網絡負載條件下，本文提出的ARAMMAC與AMCP、IEEE 1609.4相比較，在總的業務信道吞吐量、信道預約成功數方面具有明顯的優勢。

圖5 控制信道上的安全信息接收率變化曲線

[1] IEEE 802.11p. Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications Amendment 6: Wireless Access in Vehicular Environments[S]. 2010.

[2] Kenney J B. Dedicated Short-Range Communications (DSRC) Standards in the United States[J]. Proceedings of the IEEE, 2011,99(7): 1162-1182.

[3] IEEE 1609.4. IEEE Standard for Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE)-Multi-channel Operation[S]. 2011.

[4] Uzcategui R, Acosta-Marum G. Wave: A tutorial[J]. IEEE Communications Magazine, 2009,47(5): 126-133.

[5] Shi J, Salonidis T, Knightly E W. Starvation Mitigation Through Multi-Channel Coordination in CSMA Multi-Hop Wireless Networks[C]. The 7th ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing, 2006: 214-225.

[6] Wang Qing, Leng Supeng, Fu Huirong. An Enhanced Multichannel MAC for the IEEE-1609.4-Based Vehicular Ad Hoc Networks[C]. INFOCOM IEEE Conference on Computer Communication Workshops, 2010: 1-2.

[7] Wang Jie, Ji Yusheng, Wang Xinhong, et al. RSUCoordinated Multi-Channel MAC with Multi-Criteria Channel Allocation[C]. IEEE ICCVE, 2012: 60-65.

[8] Han Chong, Dianati M, Tafazolli R, et al. Asynchronous Multichannel MAC for Vehicular Ad Hoc Networks[C]. Vehicular Networking Conference, 2011: 109-115.

[9] IEEE 802.11. Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifi cation[S]. 1997.

[10] Wiki. The Network Simulator-ns-2[EB/OL]. (2006-04-25) [2015-03-07]. http://www.isi.edu/nsnam/ns/.

[11] Hass Z J, Deng Jing. Dual Busy Tone Multiple Access (DBTMA) Performance Evaluation[C]. Vehicular Technology Conference, 1999: 314-319.★

唐欣：碩士就讀于桂林電子科技大學，主要從事車載無線通信、車載自組織網絡MAC協議等方面的研究工作。

李曉歡：講師，博士畢業于華南理工大學，現任職于桂林電子科技大學，主要從事通信信號處理、認知無線電和車載無線通信等方面的研究工作。

陳名松：教授，碩士畢業于上海理工大學，現任職于桂林電子科技大學，主要從事光通信、光電子技術、寬帶通信網絡等方面的研究工作。

詹益旺：高級工程師，博士畢業于華南理工大學，現任職于廣州杰賽科技股份有限公司，主要從事移動通信市場研究和科研項目開發管理工作。

Research on RSU-Assisted Asynchronous Multi-Channel MAC Protocol for VANET

TANG Xin1, LI Xiao-huan1,2, CHEN Ming-song1, ZHAN Yi-wang2,3

(1. Guilin University of Electronic and Technology, Guilin 541004, China; 2. South China University of Technology, Guangzhou 510641, China; 3. GCI Science & Technology Co., Ltd., Guangzhou 510310, China)

A RSU-assisted asynchronous multi-channel MAC (ARAMMAC) protocol for VANET was proposed in this paper. ARAMMAC does not need rigid time synchronization. It supports simultaneous data transmissions on different service channels (SCHs) because it reserves channel by means of road side unit (RSU) assistance node. ARAMMAC not only increases the throughput of SCHs, but also effectively solves the problems including multi-channel hidden terminal and missing receiver.

vehicular Ad-hoc networks asynchronous multi-channel coordination protocol medium access control road side unit

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.08.008

TN914.3

A

1006-1010(2015)08-0037-05

唐欣,李曉歡,陳名松,等. 基于路側單元協助的VANET異步多信道MAC協議研究[J]. 移動通信, 2015,39(8): 37-41.

2015-03-07

責任編輯：袁婷 yuanting@mbcom.cn