車輛自組網多信道MAC機制研究綜述*

吳國棟，董 超，李艾靜，張 磊

（陸軍工程大學通信工程學院，江蘇 南京 210007）

0 引 言

車輛自組織網絡（Vehicular Ad Hoc Networks，VANETs）是移動自組織網絡的一種特殊應用。同后者一樣，VANETs的節點之間可以直接通信，無需基礎設施的支持。為了實現VANETs組網與通信，車輛配備了車載單元（On Board Unit，OBU），用于聚合車輛中各組件產生的數據，并配有一個或多個無線電設備來實現與其他車輛中的OBU或路邊單元（Road Side Unit，RSU）通信。其中，OBU之間的通信稱為車對車（Vehicles to Vehicles，V2V）通信，OBU和RSU之間的通信稱為車對基礎設施（Vehicles to Infrastructure，V2I）通信。如圖1所示，車輛、路邊單元以及相互之間的V2V與V2I通信等組成了VANETs，目標是在道路上構建一個自組織的、部署方便、費用低廉、結構開放的車輛間通信網絡。它提供無中心、自組織、支持多跳轉發的數據傳輸能力，能實現事故預警、輔助駕駛、道路交通信息查詢、車間通信和Internet接入服務等應用。因此，VANETs是智能交通系統（Intelligent Transportation System，ITS）的重要組成部分，能使交通系統更加智能、快速、安全和方便。

圖1 VANETs

在VANETs通信中，傳輸的消息主要包括兩類[1]：安全控制類和用戶業務類。安全控制類消息包括位置、速度和交通故障等信息，通常以廣播的形式傳輸，要求網絡中所有鄰居節點或全部節點都能接收到。由于涉及到車輛安全等問題，此類消息對網絡的可靠性和延遲要求較高。用戶業務類消息包括圖像、視頻等多媒體業務，通常是點對點傳輸，提供V2V、V2I或者車輛與其他單元的信息交互。相比安全控制消息，此類消息一般要求較高的網絡吞吐量，但對時延、可靠性有一定容忍能力。如何同時保證這兩類業務的不同QoS需求，是VANETs能否成功且高效應用的關鍵。

與移動自組織網絡類似，媒體訪問控制（Medial Access Control，MAC）協議是保障VANETs中業務QoS性能的關鍵因素。它可以提升VANETs的性能，保證智能交通系統的高效性、安全性、舒適性、實時性以及穩定性供。考慮到安全控制與用戶業務不同的QoS需求，早在1999年，美國聯邦通信委員會（Federal Communications Commission，FCC） 鼓勵研究人員為車輛自組網設計多信道MAC機制，通過分配不同的信道用于安全和業務兩類消息的傳輸，既能滿足安全控制類消息高可靠性、低延遲的需求，又能為用戶業務提供高吞吐量的服務。近年來，許多學者以FCC提出的多信道架構為基礎，提出了若干VANETs多信道的MAC協議，以保障安全控制與用戶業務消息的不同QoS需求。

本文從這一角度入手，對這些研究成果進行介紹、分析并討論下一步研究方向。文章第1節闡述了VANETs中MAC機制的系統架構；第2節介紹了MAC機制的研究現狀，總結這些工作的特點；第3節則分析了車輛自組網MAC協議的進一步研究方向；第4節進行全文總結。

1 VANETs多信道架構標準

1999年，FCC在5.9 GHz頻段分配了7個10 MHz信道，分別包括1個控制信道（Control CHannel，CCH） 和 6個 服 務 信 道（Service CHannel，SCH），用于安全和業務應用，鼓勵研究人員為VANETs設計多信道MAC機制。通過在不同的信道上傳輸不同類型的消息，多信道MAC協議可以同時實現更高的通信吞吐量和較低的網絡延遲[2]。IEEE通過引入IEEE 1609.1-4[3-6]和IEEE 802.11p[7]來標準化車載無線通信。IEEE 1609.4增強了IEEE 802.11p（物理層和MAC層），被默認為VANETs多信道MAC協議的標準。它定義了多信道無線電操作模式，包括CCH和SCH的交織操作、優先級訪問參數以及MAC和物理層的其他特性等。為了有效協調CCH和多個SCH的信道接入，在IEEE 1609.4中開發了基于協調世界時（UTC）的全球同步信道協調方案。

如圖2所示。

圖2 信道劃分

信道時間被分為固定長度100 ms的同步間隔，由各為50 ms的CCH間隔（CCH Interval，CCHI）和SCH間隔（SCH Interval，SCHI）組成。根據協調方案，在CCHI期間，所有設備必須留在CCH傳輸并監控安全消息，同時通過握手機制傳輸控制消息進行SCH的預留。在SCHI期間，成功預留SCH的設備在規定時間內切換到SCH，以執行業務分組的傳輸。多信道MAC協議不僅可以確保安全控制分組的可靠傳輸，而且可以以分布式方式為非安全的用戶業務分組提供最大的吞吐量[8]。該方案為同時保障安全控制類和用戶業務消息建立了基本信道架構，但也存在著如下不足。

首先，IEEE 1609.4采用CSMA/CA作為基于信道爭用的機制，不能提供時延保證，同時在節點數目較多時，其吞吐量性能表現一般。其次，由于EEE 1609.4為CCHI和SCHI劃分的時間長度是固定的，當安全控制和用戶業務消息的流量動態變化時，兩類消息的QoS難以同時保障，且信道利用率不高[9]。因為在車輛交通擁擠的狀況下，CCH的長度有限，不能提供足夠的帶寬來傳送大量的安全分組和控制分組。此外，如果節點密度稀疏，則CCH信道上的偶然傳輸將浪費信道資源，而諸如視頻下載和數據更新的一些大帶寬消耗的業務應用將無法在SCH上獲得足夠的帶寬資源。

由于IEEE 1609.4 MAC已成為VANETs中的多信道架構標準，目前的各項相關工作均沿用了EEE 1609.4信道劃分的方式，并以此為基礎進行改進。下面將對這些相關研究進行介紹。

2 VANETs多信道MAC機制

目前，VANETs的MAC架構大部分需要RSU的輔助，而有一部分則不需要RSU的輔助。這兩類MAC協議具有不同的特點，因此本文將當前研究成果分為帶RSU和無RSU兩部分。

2.1 帶RSU

在VANETs中，RSU能與網絡中所有的節點直接通信，根據收集的網絡信息調整MAC機制的某些參數，以適應多變的網絡環境。因此，通過RSU的輔助，可以進一步提高VANETs通信的性能。

文獻[10]提出了利用RSU調整CCHI和SCHI長度的MAC機制-VCIMAC，目標在于在動態變化的車輛交通狀況中提供適當的帶寬，以適應安全控制和用戶業務分組的不同流量需求。如圖3所示，VCIMAC將CCHI進一步劃分為用于傳輸安全分組的安全消息間隔和用于預留SCH的預留間隔。在安全消息間隔，各個節點按順序傳輸安全分組，以保障延遲和可靠性。VCIMAC根據網絡節點數量等基本參數計算安全消息間隔，并建立了馬爾科夫模型推測下一狀態預留情況，從而調整預留間隔的長度，提高信道預留的成功率。這些計算由RSU來實現，以通告所有的節點同步CCHI的長度。VCIMAC過于關注CCHI長度的調整，而SCHI長度實是被動調整的，因此不能最優權衡兩類分組的流量需求。

圖3 VCIMAC結構

文獻[11]提出的TDMCC協議不僅能動態調整CCHI長度，而且進一步提升了SCH的利用率。根據分組的平均長度、數據傳輸速率和分組發送頻率等參數，由RSU計算和調整CCHI長度，并公告給所有節點。如圖4所示，TDMCC將CCH上的分組被分為三個訪問類別（Access Category，AC）。AC[2]、AC[1]用于高優先級安全相關的分組，AC[0]用于低優先級的控制分組。在每個OBU中，設置AC隊列分配控制器，用于檢測CCHI期間每個AC隊列的訪問延遲，估計傳輸延遲，然后引導AC隊列動態分配。這種方式相比較于VCIMAC更加靈活，為安全控制分組提供優先級服務。TDMCC還將SCH時隙化，根據預期的業務分組持續時間和SCH的條件，分配適當的SCH時隙（由RSU輔助實現）。這種方式下，一個SCH中允許多對節點傳輸，提高了信道利用率。

圖4 TDMCC結構

VCIMAC和TDMCC兩類信道間隔的調整都關注CCH上的安全和控制分組情況，而沒有充分考慮SCH的業務需求。針對這一問題，2016年，文獻[12]提出的C-MAC協議將CCHI進一步分為安全信息階段（Safety Message Phase，SMP）和預留信道階段（Channel Reservation Phase，CRP）。在安全信息階段，C-MAC利用RSU調度各個節點按順序無沖突的傳輸安全分組，使用更少的時間傳輸安全信息且沒有競爭，為CRP和SCHI分配了更多的時間；C-MAC合理平衡CRP間隔和SCHI長度，提高了吞吐量；C-MAC在SCHI上重利用了兩類信道。標準的IEEE 1609.4下，在SCHI內成功預留SCH的節點會切換到SCH，而剩下的節點停留在CCH。而C-MAC合理利用此時的CCH空閑時間，如圖5所示。在SHCI，新節點6、新節點7、新節點8、新節點9和新節點10可以在CCH完成入網接入，以不同的方式（相對于TDMCC）合理利用信道。

圖5 C-MAC結構

此外，還有一些工作如文獻[13-16]僅關注CCH的設計，基于TDMA機制在CCH上建立沖突避免的時隙分配機制，旨在提高CCH安全廣播類消息的可靠性，降低端到端的延遲。由于車輛在道路上的移動方向是固定的，因此這些工作利用了車輛的移動模型，建立了合理的時隙分配方案。其中，文獻[13]通過為不同方向行駛的車輛分配不同時隙集，降低了大部分車輛移動帶來的時隙沖突。文獻[14-15]進一步擴展了工作，RSU根據兩跳或三跳內的車輛速度和加速度來預測潛在的沖突，使潛在沖突的車輛切換時隙來避免將會發生的沖突。文獻[16]則利用車輛的移動預測來調整時隙的數目和分配，以提高信道利用率。

2.2 無RSU

帶RSU的VANETs雖然可以獲得較好的性能，但需要建設RSU等基礎設施，組建成本較高。不需要RSU的VANETs建設成本與運營成本都較低，也更加容易布設。然而，由于缺乏RSU的輔助，如何同時保證安全控制與用戶業務不同的QoS變地更為困難。目前，針對無RSU的分布式MAC協議較少，有待進一步研究。

如圖6所示，文獻[17]提出的DMMAC將CCHI進一步分為自適應安全消息廣播幀（Adaptive Broadcast Frame，ABF）和CRP。ABF基于TDMA機制，由多個時隙組成，用于傳輸安全分組。CRP基于CSMA/CA傳輸控制分組，以預留SCH。DMMAC的主要貢獻是能動態調整ABF的時隙數目，以提高CCH的利用率。ABF中包含的時隙數稱為ABF長度。整個網絡沒有統一的ABF長度，但每個車輛可以根據其兩跳網絡內的節點數量來調整ABF長度。另外，與TDMCC相同，DMMAC將SCH時隙化，一個SCHI允許多個節點傳輸，進一步提升了信道利用率。由于沒有RSU輔助，它難以靈活調度節點的傳輸間隔，因此CCHI和SCHI的長度是固定的，難以適應兩類分組流量的動態變化。

圖6 DMMAC結構

文獻[18]提出了VER-MAC，通過提高信道利用率來提升VANETs的性能。標準的IEEE 1609.4為兩類信道規定了不同的間隔。在CCHI，所有的節點都保留在CCH。此時，SCH是空閑的。同理，在SCHI，CCH也是空閑的。如圖7所示，文獻[17]在時間上重利用了兩類信道。在SCHI，允許沒有業務傳輸的節點可以在CCH廣播安全消息；在CCHI，允許部分節點在SCH傳播業務數據。同時，VER-MAC將SCH時隙化，在一個SCH期間允許多個節點傳輸。因此，與前面的相關工作相比，VER-MAC信道利用率是最高的。但是，因為時間上重復利用了兩類信道，會導致某些節點無法接收到廣播的安全消息，例某對節點在CCHI卻停留在SCH傳輸數據。VER-MAC采取的方案是安全類廣播消息在不同信道傳輸，共傳兩次，以減緩問題，但難以保障廣播消息的實時性。

圖7 VER-MAC結構

2.3 小結

總結并對比幾種具有代表性的VANETs的多信道MAC協議，結果如表1所示。

表1 VANETs的MAC協議對比

其中，CCH可靠性反映了對安全控制類消息的性能保障能力，信道利用率則主要體現了對用戶業務消息的吞吐量適應能力。總的來看，帶RSU的協議的共同特點是，RSU可以作為一個網絡中的中心節點來執行協調與調度工作，能直接與網中的所有節點通信，收集網絡信息，然后根據信息可以動態調節CCHI和SCHI長度，因此這類協議能有效適應兩類消息的流量變化。與此相比，目前不帶RSU的協議的CCHI和SCHI都是固定的，其中DMMAC分布式計算基于TDMA的CCH時隙個數，保障安全廣播消息的可靠性，VER-MAC則在時間上重利用兩類信道，通過提高信道利用率來提高網絡性能。

總的來看，相對無RSU的方案，具有RSU輔助的方案性能較優，且易于實現不需要額外的開銷，但RSU等基礎設施的建設增加了VANETs的成本，也限制了其應用環境。而不帶RSU的方案不受基礎設施的限制，組網更加方便，但需要額外的開銷以支持其分布式結構。

3 下一步研究

雖然多信道MAC協議能提高業務分組的吞吐量，但也給VANETs的某些特殊應用帶來了新的挑戰。VANETs中存在一些緊急分組以傳達緊急安全消息，如突發的碰撞、交通事故等。相對于一般的安全分組，緊急分組對延遲要求更加嚴格。但在SCHI，節點處于不同的信道，緊急分組難以在嚴格的時間約束內被廣播給所有鄰居節點。目前，MAC協議并沒有解決這類問題，VANETs下一步的研究內容應考慮如何在SCHI確保緊急分組的傳輸。一個有效的解決方案是為車輛配備多個無線收發器，讓一個收發器始終處于CCH，另一個收發器處于SCHs。由于它們工作在不同頻率上，節點可以同時接收不同類別信道上的分組。需制定可靠的傳輸機制避免分組沖突，這樣即使在SCHI，安全分組和緊急分組也能通過CCH廣播，且能確保所有鄰居節點的接收。

目前，VANETs的多信道MAC協議都存在一定條件的限制，不能適用于任意場景。因為VANETs的網絡環境是多元變化的，不僅安全和業務類消息的流量需求動態變化，且道路情況多變，RSU等基礎設施可能時有時無，所以VANETs需以更加靈活的方式組建和運行。

未來的車輛自組網的MAC協議應當是完全自適應的機制。首先，需適應安全控制與用戶業務類消息動態的流量需求，保障安全控制類消息的可靠性，提供業務類消息高吞吐量的服務。安全消息應基于TDMA機制在CCH傳輸，根據網絡中節點的數目自動調整時隙數目,充分考慮車輛的移動模型[13-15]來避免沖突；業務類消息也可以考慮將SCH時隙化（不同于TDMA，時隙長度可變），提高SCH的信道利用率。其次，需要適應帶RSU和無RSU的通信環境。當車輛在RSU等基礎設施完善的道路行駛時，充分利用RSU的輔助優勢，統一分配和協調信道資源，避免沖突，提高VANETs的性能；當車輛行駛在偏僻地區或無RSU的環境時，可以自動切換到無RSU的狀態，增加控制信息的開銷以支持分布式方式運行。這種完全自適應的MAC機制，在任何情況下都能為VANETs提供當前條件下最優的通信性能。

4 結 語

本文介紹了VANETs多信道MAC機制的研究現狀，并對相關工作進行了分類總結，分析了VANETs的下一步研究方向。目前，VANETs的多信道MAC機制受網絡環境影響較大，未來VANETs的MAC機制應當以更加靈活的方式組建，不僅要滿足安全和業務類消息的動態流量需求，也要適應有RSU和無RSU的場景。具體地，有RSU時，充分利用輔助優勢提高性能；無RSU時，也能運行且保障網絡性能。