赵 颖，李学峰

（1.青海广播电视大学 继续教育学院，青海 西宁 810000；2.西安电子科技大学 网络与信息安全学院，陕西 西安 710071）

0 引 言

基于短距离通信的车联网（Vehicular Ad Hoc Networks，VANETs）被认为是应用于智能交通系统最有前景的技术之一[1]。VANETs提供了车间通信V2V和车与设施通信V2I平台，使得车辆间能够实时交互车道、车辆行驶状态等信息，进而提高交通行驶安全以及效率[2-3]。

提高道路行驶安全是VANETs设计的主要目的。为了实现此目的，需要以小的接入时延和传输碰撞概率的可靠广播方案作为保障。因此，迫切需要有效的基于时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）的媒介接入控制（Medium Access Control，MAC）协议[3-5]。然而，由于VANETs网络的快速发展，分布式的TDMA时隙算法产生大量的通信开销，尤其是高密度区域[6]分配开销非常大。此外，在传统的基于TDMA的MAC协议中，两车辆时常接入同一时隙产生接入碰撞问题。

目前，MAC协议主要分为基于竞争和基于非竞争两类。在基于竞争的MAC协议中，当需要传输数据时，节点利用载波监听策略竞争接入信道[7]。例如，IEEE 802.11p就是基于竞争的MAC协议标准[8]，其利用权值接入策略，并结合优化的分布式信道接入（Enhanced Distributed Channel Access，EDCA）和免碰撞的载波多接入机制[9]（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）。但是基于竞争的MAC协议无法满足可靠性以及限定通信时延要求。

在基于非竞争的MAC协议中，任何时刻在局部通信范围内仅一辆车能够接入信道。因此，这类协议能提供限定传输时延和无碰撞的传输。多类基于TDMA的MAC协议被提出，进而满足实时和可靠的通信，同时避免碰撞问题。例如，文献[10]提出自组媒体接入协议（Ad Hoc Medium Access Control，Ad Hoc MAC），其为车间通信提供了有效广播方案，并解决了MAC协议中的隐藏终端。此外，文献[11]提出VeMAC协议，通过给相反方向移动车辆分配两个不相邻的时隙降低碰撞率。

实际上，降低分配开销和缓解接入碰撞问题的有效方案就是利用集中式协调者分配时隙。为此，本文提出基于集中式的TDMA-MAC协议（C-TDMA-MAC）。CTDMA-MAC协议引用路边设备（Road Side Units，RSUs）作为协调者，由它负责其覆盖范围内车辆的时隙分配，避免相邻RSUs间的干扰。同时，只允许RSUs周期地广播控制信息，减少了开销。

1 系统模型及TDMA问题描述

1.1 系统模型

在C-TDMA-MAC协议中，假定每辆车均装备了全球定位系统（Global Positioning System，GPS），使得每辆车能获取自己的三维位置及行驶速度和时间。同时，车辆间利用GPS时钟信息保持时间同步。

此外，每条道路划分为长为2R路段，其中R为车辆的通信范围。每个路段只由一个RSU覆盖。每个TDMA帧内有多个时隙，并将这些时隙划分为两个集S1和S2。同时，这两个集的时隙只提供两个相邻的RSU覆盖的路段，如图1所示。每个帧包含τ个时隙数，且每个时隙的固定时长为s。此外，每辆车均能检测每帧的开始及时隙的开始。同时，RSU依照集S1或S2的第一个时隙向其覆盖范围内的车辆广播时隙告知消息（Slot Announcement Message，SA）。

1.2 TDMA问题

传统基于TDMA的MAC协议主要存在如下问题：

1）RSUs间干扰：由于每个RSU自适应地为其覆盖范围内车辆产生并管理时隙，邻居的RSUs覆盖范围可能分配同一个时隙。然而，如果两个邻居的RSUs存在重叠，它们可能使用相同频带。因此，一个RSU覆盖区域内的广播消息可能会影响邻居的RSU覆盖区域的通信；

图1 TDMA时隙分配机制Fig.1 Time slot allocation mechanism of TDMA

2）驻留时间短：由于车辆的高速移动，每辆车驻留在RSU的时间较短，这将加速通信的断裂。因此，集中式MAC协议应当确保每辆车在一段时间内能持续通信；

3）接入碰撞：当车辆同时竞争同一时隙时，就产生接入碰撞[12]。

2 系统模型及时隙分配策略

本文提出的C-TDMA-MAC协议使用时隙复用概念，进而保证相邻覆盖区域的车辆无碰撞接入。将每个信道时间划分为不同的帧，每个帧进一步划分为两个时隙集S1和S2。将它们所包含的时隙分配给相邻RSU覆盖区域内的移动车辆。通过这种策略，避免RSU间干扰，如图2所示。

图2 两个时隙集S1和S2Fig.2 Two time slot sets，S1andS2

在C-TDMA-MAC协议中，每个RSU构建和维护帧信息（Frame Information，FI），FI由ID域构成，每个ID域对应一个帧的时隙，每个FI由3个字段构成，如图3所示。字段VC_ID表示接入该时隙的车辆ID号。SLT_STS表示该时隙的状态：空闲、忙或碰撞。而PKT_TYP表示传输数据包的类型，如周期信息或事件驱动型安全消息。与VeMAC和Ad Hoc MAC协议不同，C-TDMA-MAC协议只允许RSU周期地广播帧信息。而每辆车依据接收的数据包更新帧信息。

图3 FI字段格式Fig.3 Format of FI field

在每个帧结束时，每个RSU（假定为u）依据帧信息决策空闲时隙集，且记为F(u)。若F(u)不为空，u就向其覆盖范围内车辆广播SA消息，其包含了空闲时隙消息。当车辆（假定为υ）收到SA消息，并且它想接入该信道，该车辆就向u回复时隙申请消息（Slot Request Message，SREQ），并申请时隙k。

一旦车辆υ接收到来自u所发送的时隙回复消息（Slot Reply Message，SREP），车辆就在所申请的时隙k内广播消息。此外，由于车辆υ从发送SREQ至接收到SREP消息，需要一段时间。甚至车辆υ无法接收到SREP消息。为了避免车辆υ等待时间过长，设定定时器Timer。若在Timer内，车辆υ未能接收到SREP消息，车辆υ需重新发送SREQ消息。车辆υ申请时隙的整个流程如图4所示。

图4 车辆υ申请时隙的流程示意图Fig.4 Flowchart of time slot applied by vehicleυ

而对于u，如果它收到车辆υ发送的SREQ消息，u就判断车辆υ申请的时隙k是否为空，即FI[k].SLT_STS是否为空，若为空，u就给车辆υ分配时隙k，并回复消息SREP。RSUu分配时隙的伪代码如下：

输入：SjRSUu所管理的时隙集

Step 1:ifureceives an SREQ message from vehicleυthen

Step 2:if∃k∈Sjsuch that FI[k].SLT_STS=Freethen

Step 3:uallocates the slotkto vehicleυ

Step 4:usends a SREP to vehicleυ

Step 5: End if

Step 6:End if

3 数值分析

选择长为3 km的双向四车道的高速道路作为仿真模型。每条道路划分为等间隔的子路段，如图5所示。

图5 一个路段模型Fig.5 One road segment model

利用MOVE和SUMO[13]分别产生车流数据和车流仿真。车辆行驶的最高速度为120 km/h，速度方差为30 km/h，车辆传输距离为310 m。每个帧含100个时隙，即τ=100。每个时隙长为0.001 s，仿真时间为120 s，每次仿真独立重复100次，取平均值作为最终仿真数据。

为了充分地分析C-TDMA-MAC协议性能，选择VeMAC和Ad Hoc MAC协议作为参照，并比较它们在系统开销、数据包丢失率以及接入碰撞率方面的性能。

3.1 开 销

开销是在120 s的仿真时间内所产生的控制开销。实验结果如图6所示。从图6可知，相比于VeMAC和Ad Hoc MAC协议，C-TDMA-MAC协议的开销明显降低。例如，当RCO为0.96时，C-TDMA-MAC协议开销比VeMAC和Ad Hoc MAC协议分别平均下降了85.52%和83.81%。原因在于：C-TDMA-MAC协议利用RSU分配时隙，通过广播FI信息，使得其覆盖范围内的车辆能够更新时隙分配；而VeMAC和Ad Hoc MAC协议要求每个车辆周期地向直接邻居广播FI信息，增加了系统开销。

3.2 数据包丢失率

图7显示了3个协议的数据包丢失率。从图7可知，随着RCO的增加，数据包丢失率也随之上升。而与VeMAC和Ad Hoc MAC协议相比，C-TDMA-MAC协议的数据包丢失率得到有效控制。特别是在高RCO环境下，C-TDMA-MAC协议的数据包丢失率远低于VeMAC和Ad Hoc MAC协议。例如，在RCO=1时，VeMAC和Ad Hoc MAC协议的数据包丢失率比C-TDMA-MAC协议的数据包丢失率分别提高了约103.4%和90.1%。

图6 开销Fig.6 Overhead

图7 数据包丢失率Fig.7 Loss rate of data package

3.3 接入碰撞率

3个协议的接入碰撞率随RCO的变化曲线如图8所示。

图8 接入碰撞率Fig.8 Access collision rate

从图8可知，当RCO小于0.6时，3个协议的接入碰撞率相近，差异很小。而当RCO大于0.7时，C-TDMAMAC协议的接入碰撞率低于VeMAC和Ad Hoc MAC协议。这主要是因为，VeMAC和Ad Hoc MAC协议具有低的融合碰撞（Merging-collisions）。一旦检测到融合碰撞，遭受碰撞的节点就需释放时隙，并重新申请新的时隙，这将引入接入碰撞；而C-TDMA-MAC协议利用RSU作为集中协调者，为其覆盖范围内车辆分配、管理时隙，防止了车辆间多次发生接入碰撞问题。

4 结 语

本文针对车联网MAC协议的时隙分配问题，提出基于集中式时分多址C-TDMA-MAC协议，目的在于降低RSUs间干扰，减少开销。C-TDMA-MAC协议通过RSUs协调管理其时隙分配，降低了相邻车辆接入时隙的碰撞概率。实验数据表明，本文提出的C-TDMA-MAC协议降低了数据包丢失率和碰撞概率，也减少了开销。