分析IEEE 802.11p和IEEE 1609.4协议中的多信道MAC协议

“摘要： 车用无线自组织网络的设计目标是提供开放的公共道路交通安全服务和提高车辆驾驶的舒适性与高效性，它使用多个信道来分别传输安全告警信息和非安全告警信息。详细分析了车用自组织网络相关协议，并提出了改进的多信道MAC协同方案。基于网络仿真软件NS2，设计了车用自组织无线网络的仿真模型，在原NS2中添加多信道支持模型和应用层模块，并对多信道和单信道及改进后的MAC协议进行仿真。结果显示，多信道对比单信道在相同的带宽下可以获得更高的吞吐量。对比原有标准，改进后的MAC协议能够获得更低的延时和报文碰撞率。”

0 引言

车载自组织网络(Vehicular Ad-hoc Network，VANET)采用基于IEEE 802.11协议的专用短距离通信(Dedicated Short Range Communications，DSRC)技术来增强道路交通系统的安全性[1]。IEEE 1609.4和IEEE 802.11p标准草案为VANET提供了统一的多信道访问控制框架[2]。但由于采用单一信道竞争访问方式，使其对流量敏感业务或实时的支持程度都非常有限。

本文对车载环境无线接入（WAVE）系统中涉及的协议进行分析，讨论了相关的MAC协议细节，并提出了固定长度的控制信道（CCH）时隙和业务信道（SCH）时隙协调方式的改进策略。在网络仿真软件NS2[3]现有的版本中通过修改源代码实现多信道仿真模块和应用层模块，并在此基础上对提出的多信道MAC协同改进机制进行仿真。多信道仿真模块的添加为以后对VANET及其他涉及多信道的网络仿真奠定了坚实的基础。

1 CCH和SCH协调方式的改进策略

VANET被认为是今后智能交通系统的重要组成部分[4]。1999年，美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)将5.9 GHz上的75 MHz带宽分配为DSRC频段，专门用于车辆间通信以及车辆到路边通信的智能交通系统(Intelligent Transport Systems，ITS)通信[4]。

WAVE系统就是为支持5.9 GHz上的ITS而设计的。整个WAVE系统由IEEE P1609家族和IEEE 802.11p协议组成，前者规定了系统的上层，后者描述了基本的MAC层和物理层协议[5]。系统的频谱划分如图1所示，其中一个信道为控制信道，在这个信道上传输安全信息和服务发布信息；其他几个信道为服务信道，可以在其上传递一些与安全无关的增值应用信息[3]。

IEEE工作组在原先协议的基础上，专门为VANET设计了一套新的标准，即IEEE 802.11p标准[6]。IEEE 802.11p协议中引入的WBSS不同于其他IEEE 802.11协议的BSS，它不需要验证和关联就可以传送数据[7]，非常适合VANET这种具有快速动态变化拓扑的网络。

IEEE 1609.4协议作为WAVE系统的一部分，它描述了多信道无线电操作、WAVE模式、CCH和SCH、优先访问参数、信道切换和路由、服务管理和多信道操作原语设计[8]。

为了协调对CCH和SCH的信道访问，IEEE 1609.4采用一种基于通用协调时间（Coordinated Universal Time，UTC）的全局同步信道访问策略[2]，如图2所示。这种同步信道访问策略使安全无关业务和安全相关业务在不同信道、不同时间段上传输，期望所有的节点不遗漏每个安全信息帧，并且在不影响安全信息传播的条件下进行安全无关业务传输。

2 改进的多信道MAC协同方案设计

IEEE 1609.4协议对于多信道协同只规定了大体的框架，即节点何时必须切换到控制信道上去收发安全信息帧和服务信息发布帧，何时可以选择切换到特定的服务信道上收发与安全信息无关的应用帧[2]。对于具体的协同机制，协议中并没有描述。在原先的协议中，由于是基于IEEE 802.11协议，节点要发送数据时首先侦听信道，如果信道空闲才可以发送。这种基于竞争的信道访问机制加大了数据包的碰撞几率，加重了VANET的网络负担。本文提出的改进机制是基于无竞争的，以期降低网络中的数据包碰撞率，并提升网络性能。

在本文改进的MAC协议中，节点在控制信道上依然传输安全信息帧和服务信息发布帧，但需要统计一些额外的信息。本文改进的MAC协议如图3所示，节点在控制信道上依然传输安全信息帧和服务信息发布帧，但需要统计一些额外的信息。节点在控制信道上的工作过程如下：

(1)CCH时隙开始时，网络中的所有服务提供节点广播发送WSA帧，帧中包含一个字段表明本节点将在下一个服务周期的某个信道上发布服务。

(2)所有节点侦听网络中发布的WSA帧，从中提取服务提供者和将要使用的信道号并保存。

(3)所有节点根据自身情况广播发送安全信息，如刹车、告警信息等。

(4)根据此次CCH间隔保存的服务提供者和信道号，所有服务提供节点按照一定的策略计算即将来到的SCH间隔中某个信道上属于自己的时间片，这里的策略可以根据节点的ID号大小、优先级高低、发送时间长短等制定。

(5)CCH间隔结束，节点根据自身情况切换到相应的服务信道上提供或使用服务。

在某一个服务信道上，假设SCH的时间间隔为sch_sec，单位为s；在此间隔内共有num_nodes个节点将提供服务；所有节点的发送优先级相同，ID小的节点先发送；发送的服务数据包大小为size_per_packet个字节，一个服务信道的网络带宽是band_per_ch，单位是bit/s。那么节点的工作过程流程图如图4所示。

节点的工作过程具体如下：

(1)SCH时隙开始时，ID最小的节点启动服务数据发送，同时启动发送定时器，定时时间为t_send，即此节点可以发送的时间，其值由式(1)得到：

(2)其他每个节点启动等待定时器，定时时间为t_wait，即等待多长时间后节点可以发送，其值由式(2)得到，其中n表示此节点是第n个发送的节点。

(3)收到服务数据的节点回复确认帧，收到确认帧后，如果发送定时器定时时间未到，节点可以继续发送服务数据；否则，立即停止发送。

(4)等待定时器定时结束时，其对应的节点启动服务数据发送，同时启动发送定时器，定时时间t_send同样由式(1)得到。

(5)SCH间隔结束时，所有节点切换到控制信道上发送、接收安全告警信息和服务发布信息。

可以看出，在改进的这种MAC协议中，通过在控制信道上“预约”发送时间，节点在服务信道上由原来的争用变成无争用地使用信道，这可以降低网络中数据包的碰撞。同时在这种改进策略中，是可以在服务信道上支持优先级服务的。只要节点在服务发布的报文头部增加优先级、发送的服务类型、服务数据包的大小和延续时间等字段，这样在控制周期将结束时，服务提供节点就可以根据不同的优先级、不同的服务和延续时间来计算属于自己的发送时间，达到支持优先级服务的目的。

3 多信道仿真模型设计

在现有的NS2版本中每个节点只支持单信道的收发，而在实际的VANET网络仿真中，需要对多个信道进行仿真。为了使NS2可以支持多信道，需要对各层进行修改。基于IEEE 802.11改进实现[9]，本文设计了具有多个队列和信道的移动节点结构，并增加了信道切换模块在MAC层。这个模块的作用是在上层通知需要切换信道时，快速地保留没有发出的数据包和现在的状态，通知物理层更改要发送的数据包所在的队列和切换信道。

对NS2的源代码修改分为两个部分：OTcl脚本语言部分和C++部分[10]。在OTcl实现部分需要修改tcl/lib/ns-lib.tcl和tcl/lib/ns-mobilenode.tcl两个文件。前一个文件定义了节点的通用配置；后一个文件是移动节点的配置文件。在C++部分，需要对信道、物理层、MAC层、队列、链路层进行相应的修改来支持信道的保存和切换。

为了测试多信道模型，本文设计了针对VANET的应用层模型。模型实现的功能主要有定时切换信道控制、产生WSA数据包和告警信息数据包、计算下个服务周期可以被本节点用来发送服务数据的时间间隔和模拟发送服务数据信息。

4 实验与结果分析

通过仿真比较MAC协议改进前后系统的性能。仿真使用的交通网络拓扑图中分双向6个车道，每个车道宽3 m，相同车道相邻车辆间的距离是8 m，网络中共60个节点，60个节点均处于全连通的状态，即60个节点中的任意一个节点发送一个广播包，网络中的所有节点都可以收到。各节点数据帧产生时间间隔（泊松分布）为0.005 s，仿真的相关参数设定如表1所示。

协议改进前后的延时比较如图5所示。从图5可以看出在数据包大小比较小时，延时得到了很大的降低。这是因为改进的协议是基于无竞争的，节点只允许在本节点的发送间隔内发送数据，不需要去竞争信道。当节点的发送时间间隔到来时，节点获取上层的数据包，然后发送到信道上。由于减少了竞争信道花费的时间，数据包的延时得到了降低。但是当数据包越来越大时，改进后的协议获得的延时优势变得越来越不明显。这是因为数据包变大时，每个数据包在网络中的传送时间变得越来越长，当节点自己的发送间隔接近结束时，由于数据包很大，将会被保留到下一个周期发送，这样就增加了数据包的平均延时。

仿真得到的报文碰撞率比较如图6所示。从图6可以看出，当数据包大小到达RTS/CTS门限之前，改进后协议比原来协议极大地减少了网络中的报文碰撞。同时，报文的碰撞率从原来的25%~50%降到了10%以下。这归功于改进后的无竞争MAC协议，它使得节点按一定的次序发送数据，降低了冲突。而当数据包大小到达RTS/CTS门限之后，原来协议的报文碰撞大大降低。

5 结束语

本文首先分析了IEEE 802.11p和IEEE 1609.4协议中的多信道MAC协议，然后将改进的IEEE 802.11[9]协议添加到NS2中，在此基础上设计出多信道MAC模块与对应的应用层模型。最后在设计的模块之上对改进前后的多信道MAC协同机制进行仿真比较。结果显示与现有的协议相比，改进后的多信道MAC协同机制可以降低报文的延时与碰撞率，结果证实了所提协议的优越性。下一步的研究方向是加强算法，考虑多跳网络环境下优化多信道MAC协同机制，进一步降低报文的延时与碰撞率。