車載自組織網絡中RSU協(xié)調的多信道MAC協(xié)議

宋彩霞，譚國真，丁男

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車載自組織網絡中RSU協(xié)調的多信道MAC協(xié)議

宋彩霞1,2，譚國真1，丁男1

（1. 大連理工大學計算機科學與技術學院，遼寧 大連 116024；2. 青島農業(yè)大學理學與信息科學學院，山東 青島 266109）

提出了一種車載自組織網絡中路側單元（RSU, road side unit）協(xié)調的多信道MAC（RMM, RSU-coordinated multichannel MAC）協(xié)議，以支持非安全（如運輸效率、娛樂應用等）消息的高效傳輸。在路側單元的協(xié)調下，節(jié)點有更多機會在控制信道上進行預約，以實現(xiàn)服務信道上無競爭的傳輸。同時，RMM協(xié)議支持在整個同步間隔內傳輸服務分組，從而提高了服務信道的飽和吞吐量和利用率，并減少了時延。與現(xiàn)有的其他協(xié)議相比，仿真結果證實了所提協(xié)議的優(yōu)越性。

車載自組織網；多信道MAC；路側單元；吞吐量與時延；信道利用率；同時傳輸

1 引言

車載自組織網絡（VANET, vehicular ad hoc network）將在未來的智慧城市中發(fā)揮越來越重要的作用，是智能交通系統(tǒng)（ITS, intelligent transportation system）的重要組成部分[1]。VANET除了可以提供道路安全應用（如緊急剎車、合作碰撞警告等）外，還可以為用戶提供各種非安全應用，包括運輸效率（如交通燈最優(yōu)控制、交通疏導等）和信息/娛樂應用（如多媒體下載、多人移動游戲等）[2-3]。車載網絡最有希望的應用之一就是非安全應用，可以應用具有增加車載自組織網絡成功的機會，并加速車載自組織網絡市場滲透的巨大潛力[4-6]。

非安全應用需要較多的帶寬來滿足應用的高吞吐量（如多媒體下載、在線視頻等）以及接近實時（如IP語音通話、多人在線游戲等）的低傳輸時延需求。無線接入車輛環(huán)境（WAVE, wireless access in vehicular environment）[7]是專門為VANET設計的協(xié)議，包括IEEE 802.11p[8]和IEEE 1609.4[9]協(xié)議。WAVE把在5.9 GHz頻帶附近的75 MHz帶寬分為7個信道：一個控制信道（CCH, control channel）和6個服務信道（SCH, service channel），IEEE 1609.4協(xié)議規(guī)定了多信道操作。在IEEE 1609.4協(xié)議中，時間被分為一個個的同步間隔（SI, synchronization interval），每個同步間隔長度是100 ms。一個同步間隔又被分為一個50 ms的CCH間隔（CCHI, control channel interval）和一個50 ms的SCH間隔（SCHI, service channel interval）。節(jié)點周期性地在CCH間隔與SCH間隔之間交替切換。在CCH間隔中，所有的節(jié)點都在CCH上發(fā)送或接收安全消息和控制消息，如WAVE服務廣告（WSA, WAVE service announcement），而在SCH上的任何通信必須凍結。在SCH間隔中，節(jié)點可以切換到特定的服務信道上去執(zhí)行非安全消息的傳輸。節(jié)點周期性地在CCH與SCH之間切換，可以使VANET同時支持安全應用與非安全應用，從而不會錯過重要信息[1,10]。

現(xiàn)有研究表明，IEEE 802.11p的基于競爭的接入方式以及定義在IEEE 1609.4的媒體訪問控制（MAC, media access control）協(xié)議中的固定的信道切換方式具有以下缺陷[1,10-13]。

1) CCH間隔和SCH間隔之間的固定切換導致CCH與SCH的帶寬資源的利用率低，利用率不超過50%。

2) CCH上基于競爭的信道訪問機制，使安全消息的傳輸占用了較多時間，留給SCH預約的時間較少，進一步降低了SCH的信道利用率。

3) 定長的CCH間隔（50 ms）與SCH間隔（50 ms）不能很好地適應動態(tài)變化的網絡負載情況。

4) SCH上基于競爭的MAC訪問機制，使SCH吞吐量的提升有限。

針對上述問題，本文提出了一種路側單元（RSU, road side unit）協(xié)調的多信道MAC（RMM, RSU-coordinated multichannel MAC）協(xié)議，主要用來提高非安全應用的吞吐量，降低其傳輸時延。在RMM協(xié)議中，節(jié)點利用WSA在CCH上進行服務信道預約，使非安全消息在SCH上實現(xiàn)無競爭的傳輸。另一方面，非安全消息在整個同步間隔期間都可以進行傳輸，因此，系統(tǒng)吞吐量以及SCH利用率大大提高。RMM協(xié)議的優(yōu)勢如下。

1) 節(jié)點在CCH上進行服務信道預約，從而非安全消息可以在SCH上進行無競爭的傳輸，極大地提高了傳輸成功的機會。

2) RMM協(xié)議在RSU的協(xié)調下，利用較少的時間傳輸安全消息，從而留出更多的時間給WSA進行服務信道協(xié)調與預約。節(jié)點預約與協(xié)調的機會增多，成功預約的數(shù)量增加。

3) 節(jié)點可以在整個同步間隔進行非安全消息傳輸，大大提高了系統(tǒng)吞吐量以及信道利用率。

2 相關工作

目前，國內外有許多來自學術界和工業(yè)界的研究人員正在研究解決IEEE 1609.4協(xié)議的固有問題。許多學者提出了一些改進的信道切換方案[1,10,13-15]。Wang等[14]提出了一種CCH間隔（VCI, variable CCH interval）可變的方案，根據(jù)交通流密度來動態(tài)調整CCH間隔，在確保安全消息及時傳輸?shù)那疤嵯拢岣吡朔前踩⒌娘柡屯掏铝俊Ｎ墨I[10]提出了一種自適應的多優(yōu)先級分布式多信道（APDM, adaptive multi-priority distributed multichannel）MAC協(xié)議。APDM MAC協(xié)議分別采用一維馬爾可夫鏈模型與二維馬爾可夫鏈模型去建立具有高優(yōu)先級的安全消息與具有低優(yōu)先級的WSA消息的退避過程，優(yōu)化CCH間隔，提高飽和與非飽和條件下的服務信道吞吐量。對來自應用層的不同類型的消息進行實時統(tǒng)計，并預測出最優(yōu)CCH間隔。文獻[1]除了采用跨層方法來確保CCH上安全消息的及時、可靠傳輸以外，還提高了服務信道的吞吐量。Kim等[15]提出了一種協(xié)調的多信道MAC（C-MAC, coordinated multichannel MAC）協(xié)議。在RSU協(xié)調下，C-MAC可以降低安全消息的沖突概率與傳輸時間，提高服務信道的飽和吞吐量。然而，以上提出的幾種改進的多信道切換方案（協(xié)議），當節(jié)點在CCH上工作時，所有的SCH都處于空閑狀態(tài)，從而使SCH利用率較低。

實際上，許多多信道MAC協(xié)議都存在SCH利用率低的問題[11-12]。存在這種問題有兩個原因：1)節(jié)點有很少時間或幾乎沒有時間在CCH上執(zhí)行服務信道預約；2) 當節(jié)點在CCH上進行安全消息傳輸時，所有SCH空閑。文獻[11,16]提出了時分復用的異步多信道MAC協(xié)議，將50 ms的CCH分為一定數(shù)量的時隙，允許安全消息可以隨時接入信道，其他消息只有在自己的接入時隙才允許爭用信道資源，以此來減少在CCH上安全消息的沖突概率。當節(jié)點在CCH上匯聚時，其他節(jié)點可以利用SCH資源進行非安全數(shù)據(jù)傳輸，從而提高了CCH與SCH資源利用率。然而，在以上兩種協(xié)議中，安全消息的傳輸仍然采用基于競爭的方式，可能需要較多的時間進行安全消息的傳輸，尤其是在交通流密度高的情況下，最終留給節(jié)點進行服務信道預約的時間與機會較少，SCH的利用率仍然有待提高。通過分配不同時隙給不同方向上的車輛，文獻[17]提出了一種車載自組織網絡MAC（VeMAC, vehicular network MAC）協(xié)議。VeMAC協(xié)議采用雙無線電收發(fā)器來進行信息傳輸。收發(fā)器I總是駐留在CCH上進行安全消息傳輸時隙與服務信道傳輸時隙預約，收發(fā)器II根據(jù)需要在多個SCH之間切換。安全消息采用無競爭的時分多址（TDMA, time division multiple access）機制傳輸，從而確保了安全消息的及時、可靠傳輸與服務信道高吞吐量的需求。但是，由于VeMAC協(xié)議采用分布式方式進行安全消息傳輸時隙的預約，節(jié)點需要交換額外的信息，因此節(jié)點需要較多的時間進行安全消息時隙預約，留給服務信道預約的時間較少，最終服務信道上的吞吐量的提高仍可能是有限的。Boban等[18]提出了一種車載自組織網絡環(huán)境下的基于服務驅動的多信道操作（SAMCO, service-actuated multi-channel operation）協(xié)議。SAMCO協(xié)議采用雙無線電收發(fā)器來進行信息傳輸。收發(fā)器I始終在CCH上負責發(fā)送安全相關的消息以及進行服務信道的預約，收發(fā)器II在不同的SCH上進行切換。SAMCO協(xié)議可以支持不同服務（非安全應用）分組的優(yōu)先級傳輸，通過降低或阻止低優(yōu)先級服務分組的傳輸，實現(xiàn)服務信道的擁塞控制，以此來確保高優(yōu)先級服務分組的連續(xù)傳輸，提高服務信道的吞吐量。但是，收發(fā)器I在CCH上無論傳輸安全消息還是進行服務信道預約都采用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免（CSMA/CA, carrier sense multiple access/collision avoidance）機制，這是一種競爭的消息傳輸機制，因此，安全消息的傳輸時間比較長，尤其是在高密度車載自組織網絡環(huán)境下，留給服務信道預約的時間就很少，最終服務信道的吞吐量的提高仍可能是有限的。

3 RSU協(xié)調的多信道媒體訪問控制協(xié)議

本文提出了一種RSU協(xié)調的多信道MAC協(xié)議——RMM協(xié)議，主要用來提高非安全應用的吞吐量，降低其傳輸時延。在RMM協(xié)議中，假設每輛車配備兩個收發(fā)器（兩個收發(fā)器的成本與汽車本身的成本相比，實際上是微不足道的）：收發(fā)器I總是在CCH上，收發(fā)器II可以在多個SCH上切換。協(xié)調世界時間（UTC, coordinated universal time）[9]機制被全球定位系統(tǒng)（GPS, global position system）用于所有車輛之間的時間同步。在CCH上，節(jié)點不僅可以傳輸安全消息以及WSA消息，還可以進行信道協(xié)調與分配。節(jié)點在CCH上進行消息傳輸?shù)耐瑫r，可以在SCH上進行非安全消息的傳輸。RMM協(xié)議的多信道框架如圖1所示。

圖1 RMM協(xié)議的多信道框架

3.1 RMM協(xié)議

由圖1可知，時間被分為一個個大小為100 ms的同步間隔。在CCH上每個同步間隔包含兩個間隔[19]：安全間隔與WSA間隔。安全間隔用來進行安全消息傳輸與車輛確認，WSA間隔用來進行服務信道協(xié)調與分配。安全間隔又進一步分為無競爭間隔（CFI, contention-free interval）與車輛確認間隔（VII, vehicle identification interval）。每個同步間隔開始于無競爭間隔CFI，這期間，在一個保護間隔之后，RSU發(fā)送一個協(xié)調與長度信息（CLI, coordination and length information）數(shù)據(jù)分組，隨后節(jié)點在自己的傳輸時隙中發(fā)送安全消息（如緊急消息或周期性信標）。CLI數(shù)據(jù)分組包含了每個被RSU確認了的節(jié)點和它們在CFI中用來傳輸安全消息的時隙，以及CFI、VII和WI的值，其中，CFI、VII和WI分別代表無競爭間隔CFI的持續(xù)時間、車輛確認間隔VII的持續(xù)時間和WSA間隔的持續(xù)時間。為了確保CLI分組被可靠地投遞，每個CLI分組被廣播兩次，節(jié)點收到CLI數(shù)據(jù)分組后就知道自己在CFI的傳輸時隙。在接下來的車輛確認間隔VII中，新到的車輛按照動態(tài)幀時隙ALOHA（DFSA, dynamic framed slotted ALOHA）[19-20]獲得一個在CFI中用來傳輸安全消息的時隙。在WSA間隔，節(jié)點采用CSMA/CA機制為下一個同步間隔中非安全消息的傳輸進行服務信道協(xié)商與預約。節(jié)點成功協(xié)商后，在下一個同步間隔，服務提供者與服務用戶就轉到相應的SCH進行非安全消息的傳輸。

當RSU數(shù)量較少或RSU部署比較稀疏，甚至在某一些偏遠的地方RSU的個數(shù)為0的場景下，為了確保協(xié)議的正常運行，RMM協(xié)議采用如下工作方式：每個車輛節(jié)點維護一個鄰居用戶表（NL, neighboring list）用來存儲一跳鄰居節(jié)點車輛的MAC地址。當車輛連續(xù)兩個同步間隔內沒收到RSU發(fā)送來的消息時，節(jié)點認為已經離開RSU的覆蓋范圍，或周圍沒有可用的RSU。節(jié)點就檢查自己維護的鄰居用戶表，具有最小MAC地址的節(jié)點被選為首領，執(zhí)行RSU的功能。因為在WSA間隔期間，服務提供者/用戶廣播的WSA/RFS分組中，包含了節(jié)點的MAC地址，因此每個節(jié)點很容易獲得周圍一跳鄰居節(jié)點的MAC地址，并將其記錄在鄰居用戶表NL中。從NL中，節(jié)點知道自己的MAC地址是否是最小的。如果一個節(jié)點的MAC地址是最小的，它就執(zhí)行RSU功能，在車輛確認間隔VII中為新來的車輛分配一個在CFI中用來傳輸安全消息的時隙，然后在每個同步間隔的開始，廣播CLI數(shù)據(jù)分組。

3.2 服務信道選擇與預約方案

如表1所示，每個節(jié)點維護一個SCH使用表（SUL, SCH usage list）。SUL存儲了節(jié)點在接下來的同步間隔中可用的SCH以及其上的時隙（slot）（注意：這里的一個時隙，指的是在SCH上成功傳輸一個非安全分組所用的時間）。根據(jù)SUL，節(jié)點使用兩路WSA/請求服務（RFS, request for service）握手來協(xié)商預約下一個同步間隔的SCH。每個服務提供者發(fā)送一個WSA數(shù)據(jù)分組，其中包含服務信息、所選的[SCH, slot]以及其他信息[9]。當節(jié)點有非安全消息傳遞時，將根據(jù)自己的SUL選擇[SCH, slot]，然后在WSA間隔期間，采用CSMA/CA機制競爭CCH用來傳輸WSA消息。當接收方收到想要的WSA消息時，就檢查自己的SUL表，如果[SCH, slot]可用，就向發(fā)送方發(fā)送一個確認（ACK）分組，否則發(fā)送一個非確認（NACK）分組。每個服務用戶還可以主動發(fā)起服務請求，通過發(fā)送一個RFS分組給服務提供者，RFS分組中包含了選中的[SCH, slot]。為了確保SCH的負載均衡，節(jié)點每次都會選擇包含最多可用傳輸時隙的SCH。如果多個SCH可用，發(fā)送者優(yōu)先選擇自己最近一次使用過的SCH。由于收發(fā)器I總是檢測與監(jiān)視CCH，因此多信道隱藏終端問題[19]和丟失接收端問題[21]可以避免。

表1 節(jié)點的SCH使用表（SUL）

4 模型分析

本節(jié)采用一個分析模型來分析提出的RMM協(xié)議的吞吐量與傳輸時延。真實的無線電網絡受很多因素影響。在本文研究中，給出一個易于處理且合理的模型來表征提出的RMM協(xié)議性能，給出以下假設。1)理想的信道條件。也就是沒有信道衰落引起的數(shù)據(jù)位錯誤，沒有隱藏終端問題，沒有捕獲效應，數(shù)據(jù)分組傳輸失敗只由沖突引起。2)飽和的網絡流。也就是在WSA間隔內，每個節(jié)點成功預約后都有可用的WSA或RFS分組進行下一次預約。3) 在SCH上每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組具有相同的大小。意味著每個數(shù)據(jù)分組在SCH上占有相同大小的時隙。4) 每個分組的傳輸概率與沖突概率是獨立的。

圖2 WSA/RFS數(shù)據(jù)分組退避的二維馬爾可夫鏈模型

4.1 吞吐量

本文建模了一個二維的馬爾可夫鏈來分析數(shù)據(jù)分組的傳輸概率。此馬爾可夫鏈是從文獻[10,22]演化來的，如圖2所示。

證明 根據(jù)圖2所示的馬爾可夫鏈狀態(tài)之間的轉移特點，可以得到

通過對穩(wěn)態(tài)分布施以正規(guī)化條件，可以得到

利用式(1)~式(3)，可以得到

其中，0,0可以從式(4)中獲得。證畢。

證明 在WSA間隔期間，CCH上的系統(tǒng)歸一化吞吐量為[22]

因為在WSA間隔中節(jié)點利用WSA數(shù)據(jù)分組采用單播形式進行服務信道預約。因此，T和T的計算式分別為

現(xiàn)在把式(6)的分子與分母都除以PPtr后，可以得到

式(9)的分母表示成功傳輸一個WSA數(shù)據(jù)分組平均需要的時間，也就是在進行服務信道預約時，每成功預約一次平均需要的時間。證畢。

為了計算服務信道上的飽和吞吐量，特定義如下變量。

1) 令saslot與SI分別表示傳輸一個安全相關數(shù)據(jù)分組的時間與一個同步間隔的時間。根據(jù)圖1可知，有

其中，CLI代表傳輸一個CLI數(shù)據(jù)分組的時間，根據(jù)文獻[19]，CLI取值為0.8 ms。在一個同步間隔內，RSU覆蓋范圍內新到達的節(jié)點數(shù)量new為

根據(jù)文獻[19]中的算法1，VII的計算式為

2) 令sch代表在車載自組織網絡中可用的服務信道數(shù)目。

3) 令1代表在CCH上的WSA間隔中，節(jié)點可以預約的服務信道總數(shù)量。2代表在一個同步間隔中，節(jié)點在所有的服務信道上可以用來傳輸非安全數(shù)據(jù)分組的時隙總數(shù)。因此，有

其中，data代表在服務信道上傳輸一個非安全數(shù)據(jù)分組的時間，data的計算式為

4）令data代表在sch個服務信道獲得的非安全數(shù)據(jù)分組的總吞吐量。服務信道上吞吐量的獲得包含以下兩種情形。

①當1≤2時，意味著在CCH上的WSA間隔內，每成功進行一次服務信道預約，總有可用的服務信道，也就是只要WSA數(shù)據(jù)分組與ACK數(shù)據(jù)分組交換成功，相應的非安全數(shù)據(jù)分組就可以在服務信道上投遞成功。這種情形中CCH成為了性能瓶頸，服務信道沒有被充分利用。

②當12時，由于可用的服務信道數(shù)量有限，WSA數(shù)據(jù)分組與ACK數(shù)據(jù)分組交換成功并不意味著非安全數(shù)據(jù)分組總能在服務信道上成功投遞。這種情形中服務信道成為了性能瓶頸。

基于以上兩種情形，最終在SCH上獲得的非安全數(shù)據(jù)分組的總吞吐量可以表示為

4.2 傳輸時延

圖3 數(shù)據(jù)傳輸時延模型

其中，succ代表在一個同步間隔內成功傳輸?shù)姆前踩纸M的個數(shù)，則有

令delay代表總的傳輸時延，則有

5 模型驗證與性能評估

5.1 對比協(xié)議

本文將提出的RMM協(xié)議的性能與以下協(xié)議（方案）進行比較。

1) IEEE 1609.4協(xié)議[9]

該協(xié)議默認多信道協(xié)議具有固定的CCH間隔（50 ms）和SCH間隔（50 ms）。在CCH間隔期間，所有節(jié)點采用CSMA/CA機制執(zhí)行信道訪問，傳輸安全消息或WSA消息。在SCH間隔期間，節(jié)點切換到相應的SCH上傳輸服務分組（非安全消息）。

2) 可變的CCH間隔（VCI, variable CCH interval）方案[14]

VCI方案根據(jù)系統(tǒng)中節(jié)點的數(shù)量，提供足夠的間隔長度給安全間隔。并根據(jù)系統(tǒng)中節(jié)點數(shù)量動態(tài)調節(jié)CCH間隔長度，在確保安全消息及時可靠傳輸?shù)幕A上，最大化服務信道飽和吞吐量。

3) 協(xié)調的多信道MAC（C-MAC, coordinated multichannel MAC）協(xié)議[15]

在RSU的協(xié)助下，C-MAC協(xié)議能提供無競爭的安全消息廣播，從而降低了安全消息傳輸?shù)膫鬏敃r間。通過優(yōu)化SCH間隔，可以獲得最大的飽和SCH吞吐量。

4) 專門為車載自組織網絡設計的多信道TDMA MAC（VeMAC）協(xié)議[17]

VeMAC協(xié)議被認為是為V2V通信設計的最早的TDMA MAC協(xié)議。每個節(jié)點有兩個收發(fā)器：收發(fā)器I總是調到CCH上去傳輸安全消息以及執(zhí)行SCH預約，收發(fā)器II可以隨意地切換到任何一個SCH去傳輸服務分組。VeMAC協(xié)議工作在分布式方式下，從而每個節(jié)點需要交換額外的信息才能獲得一個安全時隙去發(fā)送安全相關的消息[17]。根據(jù)協(xié)議，一個VeMAC數(shù)據(jù)分組大約650 B（假設最大網絡容量是200個節(jié)點），假設信道傳輸速率R=6 Mbit/s，為了傳輸這個數(shù)據(jù)分組大約需要0.9 ms[17]。在下面的分析中，在VeMAC協(xié)議中定義的每一幀大小是200 B。為了便于分析，每個節(jié)點在每個幀中總是能成功地執(zhí)行SCH預約，并且每個服務提供者在一幀中只能成功預約一次SCH，也就是傳輸一個服務分組。

注意：進行對比的IEEE 1609.4[9]、VCI[14]協(xié)議和C-MAC[15]協(xié)議均采用單收發(fā)器進行通信，而本文提出的RMM協(xié)議采用的是雙收發(fā)器進行通信。但是IEEE 1609.4、VCI和C-MAC這3種協(xié)議有一個共同的特點，當節(jié)點在CCH上傳輸安全消息或在CCH上進行SCH預約時，所有的SCH都處于空閑狀態(tài)，SCH資源沒有被充分利用。實際上，對于單收發(fā)器來說，仔細設計節(jié)點在SCH上的傳輸時刻，可以實現(xiàn)當一些節(jié)點在CCH上傳輸安全消息的同時，另外一些節(jié)點可以在SCH上傳輸服務分組，以此實現(xiàn)安全消息的可靠傳輸與提高服務信道資源利用率的目的[11,19]。本文提出的RMM協(xié)議，除了支持在整個同步間隔內傳輸服務分組之外，在路側單元的協(xié)調下，節(jié)點有更多的時間與機會在CCH上進行SCH預約，在實現(xiàn)服務信道上無競爭的傳輸同時，進一步提高了服務信道的飽和吞吐量與利用率。因此，本文提出的RMM協(xié)議也與這3種協(xié)議進行了性能對比。

5.2 仿真場景

仿真平臺采用網絡仿真器NS3，仿真場景是一個6 km長的高速公路，每個方向上有兩個車道，每輛車都配備一個GPS與一個WAVE通信裝置并配備兩個收發(fā)器。所有的車輛既是服務提供者也是服務用戶。仿真時間是2 min，最后取每次仿真結果的平均值。在不同的交通密度場景下評估所提出的RMM協(xié)議，以確保協(xié)議的可擴展性、可靠性、有效性。仿真參數(shù)如表2所示。

表2 仿真參數(shù)

5.3 仿真結果

圖4顯示了服務信道上的飽和吞吐量隨節(jié)點數(shù)量增長的變化以及隨非安全分組長度增長的變化。

從圖4(a)可以看到，一方面，服務信道的飽和吞吐量（例如，data=2 000 B與data=3 000 B）在開始時隨著節(jié)點的增加一直保持最高值不變，隨著節(jié)點的進一步增加吞吐量變小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是當data=2 000 B且節(jié)點數(shù)量小于90時，CCH上競爭不激烈，每個節(jié)點在CCH上有足夠的時間與機會進行服務信道預約，并且在服務信道上，節(jié)點也有足夠的時間進行數(shù)據(jù)傳輸。這種情況下，服務信道是性能瓶頸，從而服務信道資源被充分利用。然而，隨著節(jié)點的增多，在CCH上的競爭變得越來越激烈，導致reser變長而WSA間隔短缺，因此每個節(jié)點在CCH上有很少的機會與時間進行服務信道預約，成功預約的數(shù)量變小，最終服務信道吞吐量也變少。這種情況中CCH為性能瓶頸。因為具有較長負載的非安全分組的每次傳輸比短負載非安全分組傳輸可以攜帶更多的數(shù)據(jù)，所以可以獲得較高的飽和吞吐量。另一方面，當data=500 B或者data=1 000 B時，隨著節(jié)點的增加，服務信道的飽和吞吐量變小。原因有3個：1) 隨著節(jié)點的增加，CCH上的競爭越來越激烈，導致最終成功預約的服務信道數(shù)量（式(13)的1）變小；2)如果數(shù)據(jù)分組具有較小的負載（相比于data=2 000 B與data=3 000 B），在一個同步間隔里面，服務信道上可以用來傳輸非安全分組的傳輸時隙（式(14)的2）較多；3)當節(jié)點傳輸具有較小負載的數(shù)據(jù)分組時，每一次傳輸攜帶的數(shù)據(jù)量較少。因此，基于以上3個原因，最終導致CCH始終是性能瓶頸。

圖4 服務信道吞吐量

從圖4(b)可以看出，隨著數(shù)據(jù)分組的負載增大，服務信道上的飽和吞吐量先是增大，然后保持最高值不變，并且當data≥2 500 B時，不同節(jié)點具有相同的飽和吞吐量。這是因為，具有較大的數(shù)據(jù)分組負載的節(jié)點傳輸一次可以攜帶更多的數(shù)據(jù)，因此隨著數(shù)據(jù)分組負載的增大，吞吐量也隨之增大。同時，數(shù)據(jù)分組負載的增大也會帶來較少的服務信道上的傳輸機會，因此當數(shù)據(jù)分組負載增大到一定數(shù)量時，例如，data≥2 500 B時，隨著數(shù)據(jù)分組的繼續(xù)增大，吞吐量保持不變。這種情況下，服務信道又成為了性能瓶頸，同時也導致了不同節(jié)點數(shù)量具有相同的飽和吞吐量。從圖4(b)中還可以看出，當data<2 500 B時，由于系統(tǒng)中存在的節(jié)點少會帶來較輕的信道競爭，因此節(jié)點有更多機會預約服務信道，最終帶來較高的服務信道吞吐量，例如，當data=1 500 B時，節(jié)點數(shù)量為40時獲得的吞吐量比節(jié)點數(shù)量為120時獲得的吞吐量高63%。仿真結果和實驗分析結果吻合良好，本文提出的協(xié)議得到了很好的驗證。

圖5顯示了非安全數(shù)據(jù)分組傳輸時延隨節(jié)點數(shù)量增長的變化以及隨非安全數(shù)據(jù)分組長度增長的變化。

從圖5(a)可以看出，一方面，隨著節(jié)點的增長，非安全分組的傳輸時延先下降然后上升。這是因為當data=1 000 B時，當節(jié)點數(shù)量低于140時，每個節(jié)點都能成功傳輸數(shù)據(jù)至少一次，此時WSA間隔長度WI占據(jù)時延的大部分，又因為隨著節(jié)點數(shù)量的增加，安全間隔的增加帶來了較短的WSA間隔，從而傳輸時延下降并且一直低于100 ms。當節(jié)點數(shù)量介于140~150時，每個節(jié)點仍能成功預約一次，因此根據(jù)式(19)，時延仍低于100 ms。當節(jié)點數(shù)量超過150時，每個節(jié)點成功預約的次數(shù)達不到一次，因此節(jié)點需要幾個同步間隔才能成功傳輸數(shù)據(jù)分組，傳輸時延越來越大且超過100 ms。另一方面，不同負載的數(shù)據(jù)分組具有相同的傳輸時延。例如，當節(jié)點數(shù)量介于10~90時，4種負載的數(shù)據(jù)分組具有相同的傳輸時延。這是因為每個節(jié)點能在下個同步間隔到來時，至少成功發(fā)送一次。當節(jié)點數(shù)量介于90~110時，具有長負載（data=5 000 B）的數(shù)據(jù)分組具有最高的傳輸時延，這是因為對于不同負載的數(shù)據(jù)分組，在CCH上成功預約的個數(shù)是一樣的，但是長負載的數(shù)據(jù)分組會導致SCH上可用的傳輸時隙較少，因此需要更多的同步間隔。從圖5(a)還可以看到，data=500 B和data=1 000 B的數(shù)據(jù)分組具有相同的傳輸時延，這是因為當數(shù)據(jù)分組的負載較小時（這個可以從圖5(b)看到，當data≤3 500 B時，傳輸時延保持不變），由于負載不同而導致在SCH上可用的傳輸時隙的個數(shù)不同，但不足以影響傳輸時延。

從圖5(b)可以看到，當data≤3 500 B時，由于負載不同而導致在SCH上可用的傳輸時隙的個數(shù)不同不足以影響傳輸時延，因此數(shù)據(jù)分組傳輸時延保持不變。當data≥4 000 B時，當系統(tǒng)中節(jié)點數(shù)量為100或120時，隨著負載的增加時延變長。這是因為，當=120時較多的節(jié)點數(shù)量帶來更多的控制信道上的競爭，WSA周期變短，節(jié)點預約服務信道的機會與時間變少，最終導致成功預約的服務信道個數(shù)（式(13)的1）變少。當節(jié)點數(shù)據(jù)分組的負載超過4 000 B且繼續(xù)增加時，長的負載會帶來服務信道上可用的傳輸時隙數(shù)量（式(14)的2）也變少。以上兩個原因最終導致隨著負載的增大傳輸時延變長。另一方面，當data≤3 500 B時，當系統(tǒng)中節(jié)點數(shù)量為120時，數(shù)據(jù)分組具有最小的傳輸時延。這是因為，當data≤3 500 B時，當節(jié)點數(shù)量小于130時（從圖5(a)可以看出），在一個同步間隔中，每個節(jié)點至少在SCH上成功傳輸一次數(shù)據(jù)，因此WSA間隔占據(jù)傳輸時延的主要部分，且節(jié)點數(shù)量越大，WSA間隔就越少，因此最終當節(jié)點數(shù)量為120時，數(shù)據(jù)分組具有最小的傳輸時延。同樣地，仿真結果與分析結果非常吻合。

圖5 非安全數(shù)據(jù)分組傳輸時延

圖6顯示了5種協(xié)議的飽和吞吐量隨節(jié)點數(shù)量變化與負載變化的對比。由圖6(a)可知，在IEEE 1609.4、VCI協(xié)議和C-MAC協(xié)議中，當節(jié)點的數(shù)量變大時，吞吐量就會降低。這是因為隨著節(jié)點數(shù)量增加，沖突概率增加。對于VCI協(xié)議和C-MAC協(xié)議來說，更多的時間留給了CCH間隔，留給SCH間隔的時間就少了。對于IEEE 1609.4協(xié)議，在SCH上，節(jié)點數(shù)量的增加帶來了更加激烈的競爭。對于VeMAC協(xié)議，就像在本節(jié)前面所假設的那樣，由于幀長是固定的，更多的節(jié)點帶來了更多成功的SCH預約，從而帶來了更高的吞吐量，因此吞吐量隨著節(jié)點的增加而增加。因為本文提出的RMM協(xié)議一方面花費在安全間隔上的時間比其他4種協(xié)議要少，另一方面，在RMM協(xié)議中，有更長的WSA間隔執(zhí)行服務信道預約，帶來了更多的1（式(13)），并且節(jié)點在整個同步間隔內都可以在SCH上傳輸數(shù)據(jù)分組，帶來了更多2（式(14)），因此本文提出的RMM協(xié)議的吞吐量是最高的。另一方面，VeMAC協(xié)議也能使用整個同步間隔傳輸服務分組，但是由于在VeMAC協(xié)議中，每個節(jié)點需要傳輸額外的信息進行SCH預約，從而相比RMM協(xié)議，在相同的時間內，VeMAC協(xié)議成功預約SCH的數(shù)量要少些。因此，RMM協(xié)議具有最高的吞吐量且可以提高服務信道利用率。舉例來說，當data=2 000 B時，如圖6(a)所示，RMM協(xié)議的吞吐量比IEEE 1609.4、VCI協(xié)議、C-MAC協(xié)議和VeMAC協(xié)議的吞吐量分別高394%、844%、128%和288%。在圖6(b)中，隨著負載的增加，RMM協(xié)議也具有最高的飽和吞吐量。這進一步證明了本文提出的RMM協(xié)議能提供有效、高的吞吐量，并實現(xiàn)較高的服務信道利用率。

圖7給出了5種協(xié)議的非安全數(shù)據(jù)分組傳輸時延隨節(jié)點數(shù)量變化與負載變化的對比。從圖7(a)可以看到，除了VeMAC協(xié)議，其他幾種協(xié)議的傳輸時延都隨著節(jié)點數(shù)量的增加而增大。這是因為，對于VCI協(xié)議、C-MAC協(xié)議和RMM協(xié)議，隨著節(jié)點數(shù)量的增加，CCH上的沖突概率增加，因此成功預約SCH的數(shù)量就減少。由于在IEEE 1609.4中，在CCH和SCH上采用競爭機制，沖突概率隨著節(jié)點的增加而增加。而在VeMAC協(xié)議中的每個節(jié)點在每一幀中都能成功傳輸一次非安全數(shù)據(jù)分組，所以數(shù)據(jù)分組的傳輸時延是固定的，大約等于一半幀長。在大多數(shù)情況下，RMM協(xié)議的服務分組的傳輸時延性能要優(yōu)于其他協(xié)議。原因是RMM協(xié)議可以分出比VCI協(xié)議、C-MAC協(xié)議和VeMAC協(xié)議更多的WI用于SCH預約。相比于IEEE 1609.4協(xié)議，RMM協(xié)議采用協(xié)調的無競爭的傳輸方式。以圖7(a)中的data=500 B為例來進行下面的分析。當節(jié)點數(shù)量小于或等于30時，在RMM協(xié)議中，節(jié)點數(shù)據(jù)分組的時延要略高于其他4種協(xié)議，這是因為RMM協(xié)議比其他4種協(xié)議需要等待較長WI才能傳輸。然而，隨著節(jié)點數(shù)量的增加，RMM協(xié)議比IEEE 1609.4、VCI、C-MAC和VeMAC協(xié)議顯示了更好的性能。這是因為IEEE 1609.4協(xié)議中，在SCH上是基于競爭的傳輸，競爭更激烈；而VCI、C-MAC和VeMAC協(xié)議中，更多的時間留給安全消息與SCH預約，很少的時間留給了非安全數(shù)據(jù)分組傳輸。在圖7(b)中，隨著負載的增加，RMM協(xié)議的傳輸時延變化不大，大部分情況下低于100 ms（除了=120且data≥500 B），可以滿足一些接近實時的娛樂應用（如交互式移動游戲、IP語音通話）。

圖6 各種協(xié)議的服務信道吞吐量對比

圖7 各種協(xié)議的非安全數(shù)據(jù)分組傳輸時延對比

6 結束語

本文提出了一種高效的多信道MAC（RMM）協(xié)議。在RSU的協(xié)調下，RMM協(xié)議使用更少的時間來投遞與預約安全消息，因此，留下了較多的時間隔進行服務信道預約，實現(xiàn)了服務信道預約成功數(shù)量的增加與服務信道上無競爭的數(shù)據(jù)傳輸。同時，RMM協(xié)議支持在整個同步間隔內傳輸非安全數(shù)據(jù)分組，從而提高了服務信道的飽和吞吐量和利用率，并減少了傳輸時延。

在未來的工作中，將考慮更加復雜的車載自組織網絡環(huán)境下對安全相關服務和非安全服務的多信道協(xié)議進行分析和設計，基于目前的工作，將考慮多RSU（inter-RSU）下的通信機制，并考慮在多RUS的覆蓋范圍重疊的情況下，如何減少車輛之間的相互干擾。多跳無線條件下的多信道通信性能也在考慮中。

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RSU-coordinated multichannel MAC protocol in vehicular ad hoc network

SONG Caixia1,2, TAN Guozhen1, DING Nan1

1. College of Computer Science and Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China 2. College of Science and Information, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China

A road side unit (RSU)-coordinated multichannel media access control (MAC) (RMM) protocol was proposed in vehicular ad hoc network, which aimed to improve the transmission efficiency of non-safety messages. Under the coordination of RSU, nodes had more opportunities to make SCH reservations on control channel, and the contention-free message transmissions were thus realized. The proposed RMM protocol could use the service channel during the whole synchronization interval for non-safety message transmissions, and thus the saturated network throughput and channel utilization were improved, and the transmission delay was reduced. Compared with other existing protocols, extensive analysis and simulation results demonstrate the superiority of the RMM protocol.

vehicular ad hoc networks, multichannel MAC, road side unit, throughput and delay, channel utilization, synchronous transmission

TP393

A

10.11959/j.issn.1000-436x.2018233

宋彩霞（1977–），女，山東即墨人，大連理工大學博士生，主要研究方向為車載自組織網絡安全通信協(xié)議、性能分析、信道資源分配、多agent系統(tǒng)與機器學習在車載自組織網絡中的應用。

譚國真（1960–），男，黑龍江齊齊哈爾人，博士，大連理工大學教授、博士生導師，主要研究方向為物聯(lián)網、車載自組織網絡、智能交通控制、無線通信技術。

丁男（1978–），男，遼寧沈陽人，博士，大連理工大學副教授，主要研究方向為物聯(lián)網、智能交通、實時嵌入式系統(tǒng)與移動通信技術。

2018?01?29；

2018?05?16

宋彩霞，cassiesong@mail.dlut.edu.cn

國家高技術研究發(fā)展計劃（“863”計劃）基金資助項目（No.2012AA111902-2）；國家自然科學基金資助項目（No.61471084）；中央高校基本科研業(yè)務費專項基金資助項目（No.DUT15QY02）；教育部在線教育研究中心在線研究基金（全通教育）2017年一般課題基金資助項目（No.2017YB135）；山東省高等學校科學技術計劃基金資助項目（No.J17KA154）；山東省應用型人才培養(yǎng)特色名校建設工程校級精品課程基金資助項目（No.XJP2013032）；青島農業(yè)大學校級教學研究基金資助項目（No.XJG2016056）；青島農業(yè)大學實驗技術研究課題基金資助項目（No.SYJK16-13）

The National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (No.2012AA111902-2), The National Natural Science Foundation of China (No.61471084), The Central University Basic Business Expenses Special Funding for Scientific Research Project (No.DUT15QY02), Online Research Fund of Ministry of Education Research Center for Online Education (No.2017YB135), Project of Shandong Province Higher Educational Science and Technology Program (No.J17KA154), Project of Shandong Province Feature Prestigious Construction-College Quality Course (No.XJP2013032), Teaching Research Project of Qingdao Agricultural University (No.XJG2016056), Experimental Technology Research Project of Qingdao Agricultural University (No.SYJK16-13)