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车辆自组网多信道MAC机制研究综述*

2018-07-26吴国栋李艾静

通信技术 2018年7期
关键词:时隙安全控制信道

吴国栋,董 超,李艾静,张 磊

(陆军工程大学通信工程学院,江苏 南京 210007)

0 引 言

车辆自组织网络(Vehicular Ad Hoc Networks,VANETs)是移动自组织网络的一种特殊应用。同后者一样,VANETs的节点之间可以直接通信,无需基础设施的支持。为了实现VANETs组网与通信,车辆配备了车载单元(On Board Unit,OBU),用于聚合车辆中各组件产生的数据,并配有一个或多个无线电设备来实现与其他车辆中的OBU或路边单元(Road Side Unit,RSU)通信。其中,OBU之间的通信称为车对车(Vehicles to Vehicles,V2V)通信,OBU和RSU之间的通信称为车对基础设施(Vehicles to Infrastructure,V2I)通信。如图1所示,车辆、路边单元以及相互之间的V2V与V2I通信等组成了VANETs,目标是在道路上构建一个自组织的、部署方便、费用低廉、结构开放的车辆间通信网络。它提供无中心、自组织、支持多跳转发的数据传输能力,能实现事故预警、辅助驾驶、道路交通信息查询、车间通信和Internet接入服务等应用。因此,VANETs是智能交通系统(Intelligent Transportation System,ITS)的重要组成部分,能使交通系统更加智能、快速、安全和方便。

图1 VANETs

在VANETs通信中,传输的消息主要包括两类[1]:安全控制类和用户业务类。安全控制类消息包括位置、速度和交通故障等信息,通常以广播的形式传输,要求网络中所有邻居节点或全部节点都能接收到。由于涉及到车辆安全等问题,此类消息对网络的可靠性和延迟要求较高。用户业务类消息包括图像、视频等多媒体业务,通常是点对点传输,提供V2V、V2I或者车辆与其他单元的信息交互。相比安全控制消息,此类消息一般要求较高的网络吞吐量,但对时延、可靠性有一定容忍能力。如何同时保证这两类业务的不同QoS需求,是VANETs能否成功且高效应用的关键。

与移动自组织网络类似,媒体访问控制(Medial Access Control,MAC)协议是保障VANETs中业务QoS性能的关键因素。它可以提升VANETs的性能,保证智能交通系统的高效性、安全性、舒适性、实时性以及稳定性供。考虑到安全控制与用户业务不同的QoS需求,早在1999年,美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission,FCC) 鼓励研究人员为车辆自组网设计多信道MAC机制,通过分配不同的信道用于安全和业务两类消息的传输,既能满足安全控制类消息高可靠性、低延迟的需求,又能为用户业务提供高吞吐量的服务。近年来,许多学者以FCC提出的多信道架构为基础,提出了若干VANETs多信道的MAC协议,以保障安全控制与用户业务消息的不同QoS需求。

本文从这一角度入手,对这些研究成果进行介绍、分析并讨论下一步研究方向。文章第1节阐述了VANETs中MAC机制的系统架构;第2节介绍了MAC机制的研究现状,总结这些工作的特点;第3节则分析了车辆自组网MAC协议的进一步研究方向;第4节进行全文总结。

1 VANETs多信道架构标准

1999年,FCC在5.9 GHz频段分配了7个10 MHz信道,分别包括1个控制信道(Control CHannel,CCH) 和 6个 服 务 信 道(Service CHannel,SCH),用于安全和业务应用,鼓励研究人员为VANETs设计多信道MAC机制。通过在不同的信道上传输不同类型的消息,多信道MAC协议可以同时实现更高的通信吞吐量和较低的网络延迟[2]。IEEE通过引入IEEE 1609.1-4[3-6]和IEEE 802.11p[7]来标准化车载无线通信。IEEE 1609.4增强了IEEE 802.11p(物理层和MAC层),被默认为VANETs多信道MAC协议的标准。它定义了多信道无线电操作模式,包括CCH和SCH的交织操作、优先级访问参数以及MAC和物理层的其他特性等。为了有效协调CCH和多个SCH的信道接入,在IEEE 1609.4中开发了基于协调世界时(UTC)的全球同步信道协调方案。

如图2所示。

图2 信道划分

信道时间被分为固定长度100 ms的同步间隔,由各为50 ms的CCH间隔(CCH Interval,CCHI)和SCH间隔(SCH Interval,SCHI)组成。根据协调方案,在CCHI期间,所有设备必须留在CCH传输并监控安全消息,同时通过握手机制传输控制消息进行SCH的预留。在SCHI期间,成功预留SCH的设备在规定时间内切换到SCH,以执行业务分组的传输。多信道MAC协议不仅可以确保安全控制分组的可靠传输,而且可以以分布式方式为非安全的用户业务分组提供最大的吞吐量[8]。该方案为同时保障安全控制类和用户业务消息建立了基本信道架构,但也存在着如下不足。

首先,IEEE 1609.4采用CSMA/CA作为基于信道争用的机制,不能提供时延保证,同时在节点数目较多时,其吞吐量性能表现一般。其次,由于EEE 1609.4为CCHI和SCHI划分的时间长度是固定的,当安全控制和用户业务消息的流量动态变化时,两类消息的QoS难以同时保障,且信道利用率不高[9]。因为在车辆交通拥挤的状况下,CCH的长度有限,不能提供足够的带宽来传送大量的安全分组和控制分组。此外,如果节点密度稀疏,则CCH信道上的偶然传输将浪费信道资源,而诸如视频下载和数据更新的一些大带宽消耗的业务应用将无法在SCH上获得足够的带宽资源。

由于IEEE 1609.4 MAC已成为VANETs中的多信道架构标准,目前的各项相关工作均沿用了EEE 1609.4信道划分的方式,并以此为基础进行改进。下面将对这些相关研究进行介绍。

2 VANETs多信道MAC机制

目前,VANETs的MAC架构大部分需要RSU的辅助,而有一部分则不需要RSU的辅助。这两类MAC协议具有不同的特点,因此本文将当前研究成果分为带RSU和无RSU两部分。

2.1 带RSU

在VANETs中,RSU能与网络中所有的节点直接通信,根据收集的网络信息调整MAC机制的某些参数,以适应多变的网络环境。因此,通过RSU的辅助,可以进一步提高VANETs通信的性能。

文献[10]提出了利用RSU调整CCHI和SCHI长度的MAC机制-VCIMAC,目标在于在动态变化的车辆交通状况中提供适当的带宽,以适应安全控制和用户业务分组的不同流量需求。如图3所示,VCIMAC将CCHI进一步划分为用于传输安全分组的安全消息间隔和用于预留SCH的预留间隔。在安全消息间隔,各个节点按顺序传输安全分组,以保障延迟和可靠性。VCIMAC根据网络节点数量等基本参数计算安全消息间隔,并建立了马尔科夫模型推测下一状态预留情况,从而调整预留间隔的长度,提高信道预留的成功率。这些计算由RSU来实现,以通告所有的节点同步CCHI的长度。VCIMAC过于关注CCHI长度的调整,而SCHI长度实是被动调整的,因此不能最优权衡两类分组的流量需求。

图3 VCIMAC结构

文献[11]提出的TDMCC协议不仅能动态调整CCHI长度,而且进一步提升了SCH的利用率。根据分组的平均长度、数据传输速率和分组发送频率等参数,由RSU计算和调整CCHI长度,并公告给所有节点。如图4所示,TDMCC将CCH上的分组被分为三个访问类别(Access Category,AC)。AC[2]、AC[1]用于高优先级安全相关的分组,AC[0]用于低优先级的控制分组。在每个OBU中,设置AC队列分配控制器,用于检测CCHI期间每个AC队列的访问延迟,估计传输延迟,然后引导AC队列动态分配。这种方式相比较于VCIMAC更加灵活,为安全控制分组提供优先级服务。TDMCC还将SCH时隙化,根据预期的业务分组持续时间和SCH的条件,分配适当的SCH时隙(由RSU辅助实现)。这种方式下,一个SCH中允许多对节点传输,提高了信道利用率。

图4 TDMCC结构

VCIMAC和TDMCC两类信道间隔的调整都关注CCH上的安全和控制分组情况,而没有充分考虑SCH的业务需求。针对这一问题,2016年,文献[12]提出的C-MAC协议将CCHI进一步分为安全信息阶段(Safety Message Phase,SMP)和预留信道阶段(Channel Reservation Phase,CRP)。在安全信息阶段,C-MAC利用RSU调度各个节点按顺序无冲突的传输安全分组,使用更少的时间传输安全信息且没有竞争,为CRP和SCHI分配了更多的时间;C-MAC合理平衡CRP间隔和SCHI长度,提高了吞吐量;C-MAC在SCHI上重利用了两类信道。标准的IEEE 1609.4下,在SCHI内成功预留SCH的节点会切换到SCH,而剩下的节点停留在CCH。而C-MAC合理利用此时的CCH空闲时间,如图5所示。在SHCI,新节点6、新节点7、新节点8、新节点9和新节点10可以在CCH完成入网接入,以不同的方式(相对于TDMCC)合理利用信道。

图5 C-MAC结构

此外,还有一些工作如文献[13-16]仅关注CCH的设计,基于TDMA机制在CCH上建立冲突避免的时隙分配机制,旨在提高CCH安全广播类消息的可靠性,降低端到端的延迟。由于车辆在道路上的移动方向是固定的,因此这些工作利用了车辆的移动模型,建立了合理的时隙分配方案。其中,文献[13]通过为不同方向行驶的车辆分配不同时隙集,降低了大部分车辆移动带来的时隙冲突。文献[14-15]进一步扩展了工作,RSU根据两跳或三跳内的车辆速度和加速度来预测潜在的冲突,使潜在冲突的车辆切换时隙来避免将会发生的冲突。文献[16]则利用车辆的移动预测来调整时隙的数目和分配,以提高信道利用率。

2.2 无RSU

带RSU的VANETs虽然可以获得较好的性能,但需要建设RSU等基础设施,组建成本较高。不需要RSU的VANETs建设成本与运营成本都较低,也更加容易布设。然而,由于缺乏RSU的辅助,如何同时保证安全控制与用户业务不同的QoS变地更为困难。目前,针对无RSU的分布式MAC协议较少,有待进一步研究。

如图6所示,文献[17]提出的DMMAC将CCHI进一步分为自适应安全消息广播帧(Adaptive Broadcast Frame,ABF)和CRP。ABF基于TDMA机制,由多个时隙组成,用于传输安全分组。CRP基于CSMA/CA传输控制分组,以预留SCH。DMMAC的主要贡献是能动态调整ABF的时隙数目,以提高CCH的利用率。ABF中包含的时隙数称为ABF长度。整个网络没有统一的ABF长度,但每个车辆可以根据其两跳网络内的节点数量来调整ABF长度。另外,与TDMCC相同,DMMAC将SCH时隙化,一个SCHI允许多个节点传输,进一步提升了信道利用率。由于没有RSU辅助,它难以灵活调度节点的传输间隔,因此CCHI和SCHI的长度是固定的,难以适应两类分组流量的动态变化。

图6 DMMAC结构

文献[18]提出了VER-MAC,通过提高信道利用率来提升VANETs的性能。标准的IEEE 1609.4为两类信道规定了不同的间隔。在CCHI,所有的节点都保留在CCH。此时,SCH是空闲的。同理,在SCHI,CCH也是空闲的。如图7所示,文献[17]在时间上重利用了两类信道。在SCHI,允许没有业务传输的节点可以在CCH广播安全消息;在CCHI,允许部分节点在SCH传播业务数据。同时,VER-MAC将SCH时隙化,在一个SCH期间允许多个节点传输。因此,与前面的相关工作相比,VER-MAC信道利用率是最高的。但是,因为时间上重复利用了两类信道,会导致某些节点无法接收到广播的安全消息,例某对节点在CCHI却停留在SCH传输数据。VER-MAC采取的方案是安全类广播消息在不同信道传输,共传两次,以减缓问题,但难以保障广播消息的实时性。

图7 VER-MAC结构

2.3 小结

总结并对比几种具有代表性的VANETs的多信道MAC协议,结果如表1所示。

表1 VANETs的MAC协议对比

其中,CCH可靠性反映了对安全控制类消息的性能保障能力,信道利用率则主要体现了对用户业务消息的吞吐量适应能力。总的来看,带RSU的协议的共同特点是,RSU可以作为一个网络中的中心节点来执行协调与调度工作,能直接与网中的所有节点通信,收集网络信息,然后根据信息可以动态调节CCHI和SCHI长度,因此这类协议能有效适应两类消息的流量变化。与此相比,目前不带RSU的协议的CCHI和SCHI都是固定的,其中DMMAC分布式计算基于TDMA的CCH时隙个数,保障安全广播消息的可靠性,VER-MAC则在时间上重利用两类信道,通过提高信道利用率来提高网络性能。

总的来看,相对无RSU的方案,具有RSU辅助的方案性能较优,且易于实现不需要额外的开销,但RSU等基础设施的建设增加了VANETs的成本,也限制了其应用环境。而不带RSU的方案不受基础设施的限制,组网更加方便,但需要额外的开销以支持其分布式结构。

3 下一步研究

虽然多信道MAC协议能提高业务分组的吞吐量,但也给VANETs的某些特殊应用带来了新的挑战。VANETs中存在一些紧急分组以传达紧急安全消息,如突发的碰撞、交通事故等。相对于一般的安全分组,紧急分组对延迟要求更加严格。但在SCHI,节点处于不同的信道,紧急分组难以在严格的时间约束内被广播给所有邻居节点。目前,MAC协议并没有解决这类问题,VANETs下一步的研究内容应考虑如何在SCHI确保紧急分组的传输。一个有效的解决方案是为车辆配备多个无线收发器,让一个收发器始终处于CCH,另一个收发器处于SCHs。由于它们工作在不同频率上,节点可以同时接收不同类别信道上的分组。需制定可靠的传输机制避免分组冲突,这样即使在SCHI,安全分组和紧急分组也能通过CCH广播,且能确保所有邻居节点的接收。

目前,VANETs的多信道MAC协议都存在一定条件的限制,不能适用于任意场景。因为VANETs的网络环境是多元变化的,不仅安全和业务类消息的流量需求动态变化,且道路情况多变,RSU等基础设施可能时有时无,所以VANETs需以更加灵活的方式组建和运行。

未来的车辆自组网的MAC协议应当是完全自适应的机制。首先,需适应安全控制与用户业务类消息动态的流量需求,保障安全控制类消息的可靠性,提供业务类消息高吞吐量的服务。安全消息应基于TDMA机制在CCH传输,根据网络中节点的数目自动调整时隙数目,充分考虑车辆的移动模型[13-15]来避免冲突;业务类消息也可以考虑将SCH时隙化(不同于TDMA,时隙长度可变),提高SCH的信道利用率。其次,需要适应带RSU和无RSU的通信环境。当车辆在RSU等基础设施完善的道路行驶时,充分利用RSU的辅助优势,统一分配和协调信道资源,避免冲突,提高VANETs的性能;当车辆行驶在偏僻地区或无RSU的环境时,可以自动切换到无RSU的状态,增加控制信息的开销以支持分布式方式运行。这种完全自适应的MAC机制,在任何情况下都能为VANETs提供当前条件下最优的通信性能。

4 结 语

本文介绍了VANETs多信道MAC机制的研究现状,并对相关工作进行了分类总结,分析了VANETs的下一步研究方向。目前,VANETs的多信道MAC机制受网络环境影响较大,未来VANETs的MAC机制应当以更加灵活的方式组建,不仅要满足安全和业务类消息的动态流量需求,也要适应有RSU和无RSU的场景。具体地,有RSU时,充分利用辅助优势提高性能;无RSU时,也能运行且保障网络性能。

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