車載自組織網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議的研究

1、人們可以明顯感受到信息化給生活帶來的變化，從功能手機(jī)的少量使用到智能手機(jī)的普及， 從低速家庭寬帶到千兆光纖的應(yīng)用等等都充分說明了我們生活的信息化程度在不斷的提高。在中國(guó)， 隨著國(guó)家生產(chǎn)力的升級(jí)， 人們的生活水平也不斷的提高，越來越多人選擇購(gòu)買汽車作為交通工具。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示， 我國(guó)汽車的生產(chǎn)量和銷售量在xx 年已經(jīng)超越美國(guó)成為全球最大的汽車生產(chǎn)國(guó)和銷售國(guó)； 此外， 最新數(shù)據(jù)顯示我國(guó)汽車還在逐年的增加并已突破2000萬輛。隨著中國(guó)汽車的迅速增長(zhǎng)，中國(guó)將面臨交通擁堵、道路擁擠以及車輛停放管理等問題；此外, 隨著中國(guó)高速公路不斷擴(kuò)張，高速公路上汽車的交通安全管理、 車輛車速的監(jiān)測(cè)以及計(jì)費(fèi)系統(tǒng)等的需求

2、不斷提高；另一方面，隨著汽車的不斷普及，人們對(duì)行車環(huán)境、車內(nèi)應(yīng)用服務(wù)的要求越來越高； 這些問題使得車輛無線交通系統(tǒng)研發(fā)更加迫切。車載自組織網(wǎng)絡(luò)（Vehicular AdHocNetworks , VANET概念應(yīng)運(yùn)而生， 車載自組織網(wǎng)絡(luò)作為車輛無線通信系統(tǒng)的主要組成部分， 主要為車輛提供道路安全信息、 電子收費(fèi)、 車內(nèi)娛樂應(yīng)用以及一些以智能交通 1 有關(guān)的服務(wù)。xx 年，美國(guó)制定了 IEEE802.11p2協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和IEEE1609協(xié)議族標(biāo)準(zhǔn)，這為車載自組織網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。車載自組織網(wǎng)絡(luò)是以車輛為中心，通過車輛與其他車輛或路邊設(shè) 施進(jìn)行通信的一種移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)。它具有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥?/p>

3、化快，車輛移動(dòng)速度快以及信息交互時(shí)間短等 特有的屬性。車載自組織網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)用將使交通管理等問題迎刃而解。車載自組織網(wǎng)絡(luò)帶來巨大的變革同樣使得交通信息的傳遞更加迅速和方便同時(shí)也減少了交通事故的發(fā)生， 因此， 它對(duì)社會(huì)的發(fā)展以及科學(xué)理論的研究都具有重大的意義。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀車載自組織網(wǎng)絡(luò)的提出剛好可以滿足車輛帶來的大多數(shù)問題。但是由于車輛高速移動(dòng)特征，使得以車輛為中心的車載自組織網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓杆伲?而網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目焖僮兓謱?dǎo)致車載自組織網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延有較高的要求。這些特點(diǎn)決定了傳統(tǒng)的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)并不適用于車載自組織網(wǎng)絡(luò)。目前，對(duì)車載自組織網(wǎng)絡(luò)的研究主要分為三大陣營(yíng)美國(guó)、歐盟和

4、日本。它們?cè)谶@方面都有較為深入的研究。在車載自組織網(wǎng)絡(luò)的研究，日本比較早就參與其中，它先后組織了開發(fā)了多個(gè)車輛智能系統(tǒng)，并聯(lián)合多個(gè)生產(chǎn)商進(jìn)行測(cè)試。另外， 日本還專門成立道路交通信息通信系統(tǒng)車載自組織網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議的研究2(VICS)3 中心用于研究和系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)測(cè)試使用。日本在這方面的研究一直處于國(guó)際領(lǐng)先水平。作組 3 專門研究有關(guān)車載自組織網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的制定，同時(shí)也進(jìn)行一系列關(guān)于車車通信和車路通信的大型項(xiàng)目實(shí)施。除此之外，近年來美國(guó)作為主要的研究陣營(yíng)，先后針對(duì)車輛短程通信協(xié)議制定了 IEEE802.11p協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和IEEE1609協(xié)議族標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)為后來的科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)提供了重要的理論基礎(chǔ)。當(dāng)

5、然，中國(guó)作為后來者也積極投身于車載自組織網(wǎng)絡(luò)的科研中，同樣在多個(gè)國(guó)家重大規(guī)劃中提出智能交通試點(diǎn)計(jì)劃， 同時(shí)也在多個(gè)高校中建立國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目。針對(duì)車載自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究，目前可以歸納為以下幾個(gè)方面(1)MAC層協(xié)議方面的設(shè)計(jì)及改進(jìn) MAC!協(xié)議的研究和改進(jìn)是目前對(duì)車載自組織網(wǎng)絡(luò)研究最多的方面之一。在MAC!協(xié)議具體算法研究方面，大部分通過研究現(xiàn)有的協(xié)議算法基礎(chǔ)上提出一些改進(jìn)的方案并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其中包括研究MAC層退避算法4-6 、車輛速度對(duì)車輛自組網(wǎng)絡(luò)性能的影響、網(wǎng)絡(luò)吞吐量的提高以及研究V2V和V2I的公平性問題7-8等。另外，也有部分學(xué)者正對(duì)IEEE1609協(xié)議族的多信道協(xié)調(diào)機(jī)制9

6、-11 進(jìn)行研究，并提出一些改進(jìn)方案。還有另外一些學(xué)者對(duì)廣播機(jī)制 12-15 進(jìn)行了研究， 同時(shí)設(shè)計(jì)了多種改進(jìn)協(xié)議和算法，如多跳協(xié)議、廣播可靠性算法等。網(wǎng)絡(luò)安全隨著無線網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用， 在車載環(huán)境下的無線應(yīng)用也將會(huì)越來越豐富， 所以車輛網(wǎng)絡(luò)通信的信息安全 16 問題也成為一個(gè)重要的研究熱點(diǎn)。目前主要的研究熱點(diǎn)集中在網(wǎng)絡(luò)安全路由技術(shù)17-19 、 認(rèn)證密鑰管理 20-21 等方面。仿真工具為了更好的測(cè)試現(xiàn)有協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的各種網(wǎng)絡(luò)性能， 如網(wǎng)絡(luò)吞吐量、時(shí)延抖動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)丟包率等參數(shù)指標(biāo)，很多研究者開發(fā)了仿真器，其中以NS-2 為代表的開源、的網(wǎng)絡(luò)仿真器，成為大部分研究者測(cè)試性能的首選， 而這些網(wǎng)絡(luò)仿真器的

7、組件的開發(fā)也是目前一個(gè)研究方向。另外，為了更好的模擬現(xiàn)實(shí)生活中車輛的移動(dòng)規(guī)律，也有一部分學(xué)者著眼研究車輛移動(dòng)模型，其中以VaMobiSim仿真軟件的智能交通 駕駛車輛模型為代表，被大多數(shù)測(cè)試車載網(wǎng)絡(luò)性能的學(xué)者采用。(4)車載服務(wù)質(zhì)量(QoS)應(yīng)用方面針對(duì)交通事故等高優(yōu)先級(jí)安全信息的傳輸是一個(gè)研究熱點(diǎn)，這些安全信息對(duì)傳輸時(shí)延有較高的要求，同時(shí)一些廣告消息也對(duì)傳輸?shù)目煽啃蕴岢龈叩囊螅?如何快速地傳遞這些安全信息也是一個(gè)研究較多的方向。西華大學(xué)碩士學(xué)位論文31.3 論文的研究?jī)?nèi)容本文主要研究IEEE802.11p協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)MACg服務(wù)信道(SCH)的吞吐量問題，通過對(duì)車載自組織網(wǎng)的IEEE802.

8、11p MACg協(xié)議進(jìn)行研究并結(jié)合幀聚合策略 原理，提出了一種改進(jìn)方案來提高服務(wù)信道的信道吞吐量。IEEE802.11p 協(xié)議與其他傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行對(duì)比分析，然后分析了現(xiàn)有的幀聚合策略和現(xiàn)有的研究現(xiàn)狀。通過分析和研究提出了基于 WAV林系架構(gòu)的幀聚合策略，并對(duì)該方案的理論模型進(jìn)行分析。最后介紹了網(wǎng)絡(luò)仿真工具的主要工作流程和功能，并對(duì)車載自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真和結(jié)果分析。1.4 論文結(jié)構(gòu)安排本文主要研究在城市密集型交通環(huán)境下，車載單元與路邊處理單元的服務(wù)信道的傳輸性能。論文結(jié)構(gòu)安排如下第一章為論文緒論，主要介紹了論文研究的背景和意義， 同時(shí)對(duì)研究方向的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀進(jìn)行闡述， 最后介紹了本文研

9、究的主要內(nèi)容和章節(jié)結(jié)構(gòu)。第二章為 IEEE802.11p 協(xié)議，主要對(duì)車載自組織網(wǎng)絡(luò)所采用的IEEE802.11p協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行詳細(xì)的介紹，同時(shí)將該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)與其他傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行對(duì)比分析。另外，該章還分析了現(xiàn)有的幀聚合策略及其研究現(xiàn)狀。第三章為IEEE802.11p協(xié)議MACB多信道機(jī)制研究，在分析IEEE802.11p協(xié)議MAC1多信道協(xié)調(diào)機(jī)制之后，提出應(yīng)用幀聚合技術(shù)提高服務(wù)信道吞吐量的改進(jìn)方案， 并對(duì)改進(jìn)方案的算法進(jìn)行推導(dǎo)和理論分析對(duì)比。第四章為車載自組織網(wǎng)絡(luò)仿真，首先在開頭介紹了網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)的主要工具，并對(duì)工具的主要流程和功能進(jìn)行詳細(xì)地介紹。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。第五章為總結(jié)和展望，主

10、要對(duì)本文研究的內(nèi)容進(jìn)行全面的總結(jié)，最后提出論文存在的不足之處，并對(duì)未來進(jìn)一步深入研究進(jìn)行展望。車載自組織網(wǎng)絡(luò)MACg協(xié)議白WF究42IEEE802.11p協(xié)議2.1車載自組織網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介專用短距離通信（DSRC） 22 主要用于 ITS 領(lǐng)域，也可以說它是專為 ITS 而開發(fā)出的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。早期的DSR的準(zhǔn)主要針對(duì)電子停車收費(fèi)業(yè)務(wù)（ETC而提出的。WAVE的體系是根據(jù)DSRCt展而來的。1994年，歐洲聯(lián)盟組織開始研究制定 DSR而準(zhǔn)，并于第二年完成制定工作, 日本也制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。1998 年，美國(guó)為車載通信標(biāo)準(zhǔn)劃分了相應(yīng)的頻段, 并在 xx 年制定了 DSR的準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)為其劃分的頻段分布在 5.

11、8505.925GHz。xx年，美國(guó)相關(guān)組織對(duì)之前制定的 DSR的準(zhǔn)進(jìn)行改進(jìn)，并命名為ASTM E2213-03同時(shí)作為新的 DSR的準(zhǔn)。xx 年 11 月，IEEE802.11p 和 IEEE1609工作小組在 ASTME2213-03 的基礎(chǔ)上開始制定車載環(huán)境下的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)的底層協(xié)議由IEEE802.11p任務(wù)組負(fù)責(zé)制定。而IEEE1609工作組則負(fù)責(zé)WAV肆系結(jié)構(gòu)中的上層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，如網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)路由、應(yīng)用層資源管理和安全機(jī)制等。xx年7月，IEEE802.11p協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)正式出版發(fā)布。同時(shí)IEEE1609協(xié)議族也正式發(fā)布成。Application(Resource Manager)

12、Application(SecurityService)TCP/UDPIPv6WSMPLLCMulti-ChannelIEEE802.11pMACIEEE802.11pPHYIEEE1609.1IEEE1609.2IEEE1609.3IEEE1609.4IEEE802.11p圖2.1WAV助、議棧2構(gòu)圖 Fig.2.1WAVE protocolstack structurediagram 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文5如圖 2.1 所示 , 該協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖給出了各功能層與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系 ,IEEE802.11p 標(biāo)準(zhǔn)是WAV林系結(jié)構(gòu)的底層標(biāo)準(zhǔn)，主要對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)的物理層和MACg的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制定。而IE

13、EE1609協(xié)議族是WAV肆系結(jié)構(gòu)的上層應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，該協(xié)議族 則是對(duì)應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)定。從WAV勃議棧的體系結(jié)構(gòu)圖中可以看出，其中包括多個(gè)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。 詳細(xì)功能描述如下(1)IEEE1609.123 標(biāo)準(zhǔn)該標(biāo)準(zhǔn)負(fù)責(zé)資源管理，并為 DSR段備提 供額外的管理機(jī)制。(2)IEEE1609.224 標(biāo)準(zhǔn)該標(biāo)準(zhǔn)主要負(fù)責(zé)制定 WAV肆系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和管理消息的安全機(jī)制， 包括安全信息的格式、 加密方法以及整個(gè)過程的認(rèn)證和執(zhí)行保障。(3)IEEE1609.325 標(biāo)準(zhǔn)該標(biāo)準(zhǔn)主要用于指定 WAV肆系結(jié)構(gòu)中網(wǎng) 絡(luò)層通信協(xié)議及管理機(jī)制。該標(biāo)準(zhǔn)就如何在車載環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)包的路由轉(zhuǎn)發(fā)問題進(jìn)行了闡述，該標(biāo)準(zhǔn)作

14、為中間層，對(duì)整個(gè)WAV林系結(jié)構(gòu)起著承上啟下的作用。(4)IEEE1609.426 標(biāo)準(zhǔn)該標(biāo)準(zhǔn)主要負(fù)責(zé)制定信道之間切換和協(xié)調(diào)方案，從而實(shí)現(xiàn)了在相同媒介近乎同步地傳輸不同應(yīng)用數(shù)據(jù)。IEEE1609.4 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)控制信道CC麗服務(wù)信道SCH間的協(xié)調(diào)與切換機(jī)制提供了四種建議方案， 從而滿足各種環(huán)境系統(tǒng)對(duì)兩種信道的不同需求。(5)IEEE1609.1127 標(biāo)準(zhǔn)該標(biāo)準(zhǔn)定義了無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換協(xié)議，作為電子支付數(shù)據(jù)交換的智能交通系統(tǒng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn), 對(duì)相應(yīng)的信息格式進(jìn)行了規(guī)范。(6)IEEE1609.12 標(biāo)準(zhǔn)該標(biāo)準(zhǔn)介紹了 WAV林系結(jié)構(gòu)中使用的標(biāo)示 符，并明確地指定了 WAV標(biāo)準(zhǔn)中標(biāo)識(shí)符值的分配。(7)IEEE

15、802.11p 標(biāo)準(zhǔn)該標(biāo)準(zhǔn)主要定義了 WAV林系結(jié)構(gòu)的底層協(xié) 議標(biāo)準(zhǔn),包括WAV林系結(jié)構(gòu)的物理層和 MAC!。2.2IEEE802.11p 協(xié)議物理層IEEE802.11p協(xié)議的物理層是在IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)展，它也采用正交頻分復(fù)用技術(shù) 28 ( orthogonal frequencydivision multiplexing ， OFDM)。但是，IEEE802.11p協(xié)議的物理層又對(duì)IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)行了一定的修改，從而更適合車載自組織網(wǎng)絡(luò)的多信道操作等。與IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)相比，IEEE802.11p協(xié)議有如下改進(jìn)(1) 為了滿足車載自組織

16、網(wǎng)絡(luò)的多種應(yīng)用安全性應(yīng)用和非安全性應(yīng)用。IEEE802.11p 協(xié)議將5.8505.925GHz頻段劃分為7個(gè)10MHz勺信道和一個(gè)5MHz段，開始的5MH顏段作為空白預(yù)留，如圖2.2所 示。圖中信道 178 作為控制信道，工作頻率為 5.890GHz29 ，它主要以廣播的形式傳播與交通相關(guān)的安全性信息。其余 6 個(gè)信道是服務(wù)信道，主要以單播的方式傳輸傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)。同時(shí)上層標(biāo)準(zhǔn)又對(duì)多個(gè)信道的使用制定了標(biāo)準(zhǔn)，使在車載系統(tǒng)中能同時(shí)進(jìn)行多項(xiàng)不同應(yīng)用的傳輸。其中用于傳輸非安車載自組織網(wǎng)絡(luò) MAC!協(xié)議白研究6全性信息的信道為174 、176 、 180 和 182, 而 172 和 184 信道

17、分別用于交通事故的避免和公共安全信息。而IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)貝U使用20MHz言道帶寬。ReservedCritical SafetySCHSCH CCHSCHSCHPublicSafetyCh172Ch174Ch176Ch178Ch180Ch182Ch1845.8555.8605.8705.8805.8905.9005.9105.920 圖 2.2IEEE802.11p 物理層頻道分布 Fig.2.2IEEE802.11p physicallayer channeldistribution(2)為了更好的適應(yīng)車載環(huán)境，IEEE802.11p協(xié)議在調(diào)制參數(shù)上進(jìn)行了相應(yīng)的修改。其中為了增強(qiáng)

18、對(duì)信號(hào)多路徑傳播的承受能力，就需要更大的保護(hù)間隔和符號(hào)周期來減少由多徑傳播帶來的符號(hào)間的干擾。所以IEEE802.11p將20MHzM半，使IEEE802.11p物理層的關(guān)鍵參數(shù) 30 相對(duì)于 IEEE802.11a 擴(kuò)大了一倍。具體參數(shù)如表2.1 。雖然這樣將對(duì)應(yīng)的傳輸速率減少一半，卻可以更好的滿足車載環(huán)境。另一方面，使用減半的帶寬可以有效的減少頻道之間的多普勒散射效應(yīng)。表 2.1IEEE802.11a 與 IEEE802.11pOFD嗪數(shù) Tab.2.1IEEE802.11aandIEEE802.11pOFDM parameters參數(shù) 協(xié)議 IEEE802.11a IEEE802.11p

19、 信道帶寬 20MHz10MHz護(hù)間隔 0.8us1.6us OFDM 符號(hào) 間隔 4us8us FFT 周期 3.2us6.4us 比特速率 654MHz327MHz圍 45m1000mF載波頻率間隔 0.3125MHz0.15625MHz(3) 在IEEE802.11p協(xié)議采用的OFDMB制技術(shù)中，10MHz言道由 52 個(gè)副載波組成。其中 4 個(gè)副載波充當(dāng)導(dǎo)頻，其余48 個(gè)副載波則用于數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)為了在車載環(huán)境下進(jìn)行更大范圍地通信，IEEE802.11p協(xié)議 分別為車輛處理緊急事件和安全相關(guān)信息定義了最大有效等向輻射功率( 44.8dB 、 33dB)。西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 72.3I

20、EEE802.11p協(xié)議MA得IEEE802.11p標(biāo)準(zhǔn)MACg協(xié)議也是基于IEEE802.11協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展改進(jìn)的在基本信道接入機(jī)制上采用了 IEEE802.11 協(xié)議的分布式協(xié)調(diào)訪問機(jī)制 28 ( Distribution CoordinateFunction,DCF ) , 而為了提高 信道接入公平性問題該協(xié)議引入了IEEE802.11e協(xié)議的服務(wù)區(qū)分機(jī)制。其中DCF機(jī)制的核心是載波偵聽多路監(jiān)測(cè)機(jī)制28 (carrier sensemultiple aess,CSMA/CA )。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立地使用CSM覦制來獲取信道使用權(quán)。IEEE802.11p 協(xié)議的MAC!的改進(jìn)主要是引入IEEE8

21、02.11e的EDCAWL并在其它機(jī)制上進(jìn)行修改，包括認(rèn)證機(jī)制、EDC像數(shù)等。2.3.1分布式協(xié)調(diào)功能(DCF IEEE802.11協(xié)議的DCF機(jī)制是基于CSMA/CA勺隨機(jī)訪問機(jī)制，它以節(jié)點(diǎn)為單位，利用信道監(jiān)測(cè)的方式進(jìn) 行信道接入。在無線局域網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)獲得信道使用權(quán)需要先通過使用 CSMA/CA機(jī)制來確定信道狀態(tài)，如果信道空閑，如果再等待DIFS 時(shí)間間隔之后信道仍處于空閑狀態(tài)， 則可以開始向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)； 如果信道忙，它將采用二進(jìn)制指數(shù)退避機(jī)制并繼續(xù)偵聽信道狀態(tài)。作為IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的MA僵協(xié)議的基本媒體接入控制機(jī)制，DCF 提供了兩種接入機(jī)制基本接入機(jī)制和基于RTS/CTS勺

22、接入機(jī)制，前者主要用于普通無線接入使用， 后者則是對(duì)信道質(zhì)量要求比較高的一些 協(xié)議使用，從而提高系統(tǒng)吞吐量。(1) 載波偵聽機(jī)制由于無線通信網(wǎng)絡(luò)信道相比傳統(tǒng)的有線以太網(wǎng)受道路環(huán)境影響嚴(yán)重, 為了減少碰撞發(fā)生的概率和重傳次數(shù)，無線網(wǎng)絡(luò)中采用偵聽機(jī)制來避免碰撞， 即節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)之前通過偵聽信道狀態(tài)， 以確保信道處于空閑狀態(tài)， 從而避免傳輸數(shù)據(jù)時(shí)與其他節(jié)點(diǎn)碰撞。DCF 機(jī)制提供的載波監(jiān)聽機(jī)制包括兩種方式, 一種是物理載波監(jiān)聽31(PHY CarrierSense,PHYCS), 物理載波監(jiān)聽通過檢測(cè)無線鏈路信號(hào)的強(qiáng)弱來確定信道狀態(tài)，并將其狀態(tài)信息提交給MAC!。通過這種機(jī)制可以有效的避免干擾。另外

23、一種是虛擬載波監(jiān)聽31(Virtual CarrierSense,VCS), 虛擬載波偵聽則為了更好地記錄其他節(jié)點(diǎn)的信道占用時(shí)間定義一個(gè)網(wǎng)絡(luò)分配矢量 31(Network AllocationVector,NAV) ，這樣節(jié)點(diǎn)可以通過記錄的時(shí)間來決定等待下次監(jiān)聽時(shí)機(jī)而不用一直偵聽信道, 從而提高效率。(2)信道接入機(jī)制IEEE802.11協(xié)議的DCF機(jī)制主要采用了四次握手(RTS/CTS/DATA/A。K機(jī)制和基本接入機(jī)制(DATA/ACK來完成分 布式數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸。如圖 2.3 所示。車載自組織網(wǎng)絡(luò)MAC!協(xié)議白研究8開始結(jié)束監(jiān)聽信道二進(jìn)制指數(shù)退避信道空閑退避計(jì)數(shù)器遞減信道空閑計(jì)數(shù)值0傳輸

24、數(shù)據(jù)收到ACK YESYESNONOYESNES據(jù) NO圖 2.3CSMA/CA言道接入流程圖 Fig.2.3CSMA/CA channelaess flowchartDCF 機(jī)制不采用任何中心控制，而是在每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用CSMA/CAT法，讓各個(gè)站通過競(jìng)爭(zhēng)來獲 得信道的使用權(quán)。因此，DCF向上提供爭(zhēng)用服務(wù)。從圖 2.3 可知 , 只有在計(jì)數(shù)器值減為零時(shí)才能參與信道使用權(quán)的 競(jìng)爭(zhēng) , 當(dāng)節(jié)點(diǎn)獲得信道使用權(quán)后 , 其它沒有參與競(jìng)爭(zhēng)的節(jié)點(diǎn)的退避計(jì)數(shù)值將被暫停。每個(gè)節(jié)點(diǎn)采用分布式方式獨(dú)立進(jìn)行載波偵聽、信道預(yù)約、西華大學(xué)碩士學(xué)位論文9 數(shù)據(jù)傳輸以及等待確認(rèn)。信道空閑源節(jié)點(diǎn)目的節(jié)點(diǎn)其他節(jié)點(diǎn) tttDATAA

25、CK SIFSSIFSNAV（推 遲接入）DIFS競(jìng)爭(zhēng)信道圖2.4基本接入方式Fig.2.4Basic aess 如 圖 2.4 所示，該圖顯示基本接入方式的工作過程。節(jié)點(diǎn)開始傳輸數(shù)據(jù)時(shí)都是先進(jìn)行載波偵聽信道狀態(tài)，當(dāng)信道空閑時(shí)，并等待一個(gè)SIFS 時(shí)間間隔且信道仍然為空閑時(shí)，節(jié)點(diǎn)才開始傳輸數(shù)據(jù)。否則，節(jié)點(diǎn)將采用退避機(jī)制等待一段時(shí)間再進(jìn)行偵聽信道狀態(tài)。最后，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)收到AC砸時(shí)，表示數(shù)據(jù)已經(jīng)正確地傳輸。源節(jié)點(diǎn)目的節(jié)點(diǎn)其他節(jié)點(diǎn) tttDATAACKSIFSSIFSNAVRTJ DIFS競(jìng) 爭(zhēng) DIFS RTSCTSSIFSH 2.5DCF的 RTS/CTST作方式 Fig25The RTS/CTS

26、worksof DC助了減少隱藏終端和暴露終端問題，IEEE802.11 的MAC!協(xié)議對(duì)基本接入方式進(jìn)行改進(jìn)，在請(qǐng)求獲取信道前先進(jìn)行信 道預(yù)約，該機(jī)制稱為基于RTS/CTS勺四次握手機(jī)制。如圖 2.5 所示 , 當(dāng)節(jié)點(diǎn)要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)， 先檢測(cè)信道狀態(tài)， 如果信道為空閑，再等待DIFS 時(shí)間間隙后仍然空閑時(shí)節(jié)點(diǎn)就會(huì)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS數(shù)據(jù)幀請(qǐng)求獲取信道使用權(quán)。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)收到RTSM之后，會(huì)給源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè) CTSM,同時(shí)向其他節(jié)點(diǎn)廣播信道此時(shí)已經(jīng)被占用。其它結(jié)點(diǎn)收到不是發(fā)給自己的 CTSM,就知道傳輸信道已經(jīng)被其 它節(jié)點(diǎn)占用，從而進(jìn)入退避機(jī)制等待信道空閑。源節(jié)點(diǎn)在收到CTS幀之后，將需要等待一個(gè)

27、SIFS時(shí)車載自組織網(wǎng) 絡(luò)MAC!協(xié)議白研究10隙才開始發(fā)送DAT徽據(jù)。目的節(jié)點(diǎn)同樣在接收完DAT蹴據(jù)并等待一個(gè)SIFS時(shí)隙后才向源 節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)ACK據(jù)幀，表示已經(jīng)成功接收數(shù)據(jù)，而當(dāng)源節(jié)點(diǎn)接收 到目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的AC硼之后就知道數(shù)據(jù)已經(jīng)成功發(fā)送。如果源節(jié)點(diǎn)還要繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，則需要按 RTS/CTST作機(jī)制重新 申請(qǐng)信道使用權(quán)。通過這種RTS/CT昉式提前預(yù)約信道，使得其他節(jié)點(diǎn)設(shè)置自己的 NAV直，可以有效減少與其他節(jié)點(diǎn)之間的碰撞，減少了隱藏終端問題 的發(fā)生。即使發(fā)生碰撞，由于RTS幀很小，同樣可以有效的減少帶寬的浪費(fèi)。幀間間隔機(jī)制為了更加合理的利用信道, 提高信道吞吐量,IEEE802.11協(xié)

28、議引入了幀間間隔機(jī)制，即在各數(shù)據(jù)幀發(fā)送之前都 需要進(jìn)行一個(gè)等待間隔，DCF機(jī)制規(guī)定在利用CSMA/CAI制來判斷信 道狀態(tài)之前應(yīng)該等待指定的時(shí)間間隔。DCF機(jī)制為此定義了三種幀間間隔短幀幀間間隙SIFS、分布式幀間間隔 DIFS 以及擴(kuò)展幀間間隔 EIFS(Extended Interframe Space)。這三種幀間間隔的定義，使節(jié)點(diǎn)之間競(jìng)爭(zhēng)更加有序，也減少了節(jié) 點(diǎn)間接入信道的沖突和碰撞。其中， SIFS 的時(shí)間最短，因?yàn)樵谡麄€(gè)數(shù)據(jù)幀發(fā)送過程中的每個(gè)步驟完成后都需要等待一個(gè)SIFS 時(shí)隙。DIFS 則主要是節(jié)點(diǎn)采用分布式協(xié)調(diào)機(jī)制進(jìn)行檢測(cè)信道空閑狀態(tài)時(shí)使用。EIFS 的時(shí)間最長(zhǎng)，它一般是為了

29、確保數(shù)據(jù)傳輸能夠成功而選擇退避的時(shí)間間隔， 當(dāng)然這種情況一般發(fā)生在節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)無法正確解析的時(shí)候，為了使源節(jié)點(diǎn)能夠正確接收目的節(jié)點(diǎn)發(fā)來的AC啜據(jù)幀。隨機(jī)退避機(jī)制幀間間隔機(jī)制的目的主要是用于指定當(dāng)節(jié)點(diǎn)成功預(yù)約到信道時(shí)所需的等待時(shí)間， 當(dāng)節(jié)點(diǎn)沒有預(yù)約到信道時(shí)， 即節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到信道忙時(shí)則應(yīng)該確定下次預(yù)約信道的時(shí)間， 并需要延遲接入信道。這種情況下需要等待的時(shí)間稱為節(jié)點(diǎn)的退避時(shí)間，而合理地確定下次偵聽信道狀態(tài)的時(shí)間以及退避時(shí)間的變化的算法稱為退避算法。DCF 機(jī)制退避機(jī)制的算法是二進(jìn)制指數(shù)退避31(BinaryExponentialBackoff,BEB) 算法，假設(shè)退避時(shí)間為 T, 一個(gè)時(shí)隙(SlotTi

30、me)設(shè)為t,則算法可以用公式(2.1)表示(2.1)其中退避時(shí)間是作為退避計(jì)數(shù)器的初始值，公式中表示第 i 次退避時(shí)競(jìng)爭(zhēng)窗口(contention window )的最大值，Random()W值范圍為(0,1) , t 表 示一個(gè)時(shí)隙的時(shí)間。在DCF機(jī)制的二進(jìn)制指數(shù)退避算法中，節(jié)點(diǎn)每次退避時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)窗口都是上次競(jìng)爭(zhēng)窗口的2倍，直到退避競(jìng)爭(zhēng)窗口達(dá)到了最大值C,競(jìng)爭(zhēng)窗口將不再增加。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完成后競(jìng)爭(zhēng)窗口將重新設(shè)置為初始大小，然后按這種方式循環(huán)執(zhí)行。2.3.2IEEE802.11e EDCA 機(jī)制在車載環(huán)境下，車載單元通信的信息不再是單一的交通安全信息， 而是包含豐富多西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 11

31、彩的非安全性應(yīng)用。IEEE802.11p 協(xié)議為此制定了多信道協(xié)調(diào)機(jī)制來合理地分配不同信息公平的交互， 但是車載單元通信的信息也有不同優(yōu)先級(jí)， 如救護(hù)車、 交通事故安全信息， 又如地圖應(yīng)用服務(wù)、 音頻應(yīng)用服務(wù)等； 為此，IEEE802.11p 協(xié)議采用了 IEEE802.11e 標(biāo)準(zhǔn)的 EDCM制。EDCA 機(jī)制通過將不同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包分類后加入不同隊(duì)列來保證車載應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量。增強(qiáng)分布式信道訪問 28 （ Enhanced DistributionCoordinateAess,EDCA機(jī)制作為IEEE802.11p協(xié)議MAC!的擴(kuò)展，是為了提高 信道訪問的公平性和信道吞吐量而采用的方法。ED

32、CA 機(jī)制是一種區(qū)分服務(wù)的機(jī)制，它主要通過對(duì)上層數(shù)據(jù)包進(jìn)行優(yōu)先級(jí)區(qū)分， 然后按接入類別 （Aess Category ， AC） 分配相應(yīng)隊(duì)列，從而實(shí)現(xiàn)不同優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的信道接入控制。EDCA 機(jī)制中定義了 8種優(yōu)先級(jí)服務(wù)數(shù)據(jù)類型，它們主要分為四類接入類別,分別為AC_BK AC_BE AC_VI和AC_VO其中VO代表語音信息、VI代表視頻信息、BE代表盡力而為信息和背景信息BK。具體區(qū)別如表2.2 所示。表 2.2 各接入類別的參數(shù)Tab.2.2Parameters ofeachaesscategory 接入類別最小競(jìng)爭(zhēng)窗口最大競(jìng)爭(zhēng)窗口 AIFSN AC_BKCC9AC_BE CC6AC_V

33、I(C)/2-1C3AC_VO(C)/4-1(C)/2-12在表 2.2 中參數(shù)AIFSN和競(jìng)爭(zhēng)窗口主要是用來區(qū)分隊(duì)列優(yōu)先級(jí)， EDC砌制為了支 持不同優(yōu)先級(jí)服務(wù)，采用與 DIFS不同的信道持續(xù)空閑時(shí)間-仲裁幀 間間隔 (Arbitration Inter-frameSpace,AIFS) ， AIFS 不再是固定不變，而是隨著業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)別的不同而變化，具體取值公式如下AIFSAC=AIFSNAC*SlotTime+SIFS (2.2) EDCAI用基于接入類別(A。的競(jìng)爭(zhēng)方式，它為不同白接入類別設(shè)定不同的AIFSN值，AIFS時(shí)間越短表示爭(zhēng)取信道的機(jī)會(huì)越多，優(yōu)先級(jí)也就越高。EDCA 機(jī)制的每

34、個(gè)接入類別 (AC) 獨(dú)立使用增強(qiáng)的分布式信道接入功能， 從而使節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)之前必須通過內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)來獲取競(jìng)爭(zhēng)信道使用權(quán)的機(jī)會(huì)。這種數(shù)據(jù)傳輸模型可以參考圖 2.6 所示。車載自組織網(wǎng)絡(luò)MA僵協(xié)議白研究12AC1LLC艮據(jù)優(yōu)先級(jí)映射隊(duì)列 AC2AC3AC4部信道競(jìng)爭(zhēng)內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)圖2.6EDCA內(nèi)部機(jī)制Fig.2.6Internal mechanismsof EDCA 從上圖中可以看出每個(gè) AC# 設(shè)置了不同的EDC旗數(shù)，同時(shí)EDCAt避機(jī)制也采用了按AC的二進(jìn) 制指數(shù)退避算法。每個(gè)AC的EDC旗數(shù)在每次幀成功發(fā)送之后，值都會(huì)被重置為初 始值。2.3.3IEEE802.11p MAC 層的關(guān)聯(lián)和驗(yàn)證機(jī)制傳

35、統(tǒng)的無線局域網(wǎng)關(guān)聯(lián)機(jī)制需要進(jìn)行一系列繁瑣的認(rèn)證過程才能正常使用， 而車載環(huán)境的高速性、 多變性決定了車載單元進(jìn)行通信時(shí)需要更短、 更簡(jiǎn)便的認(rèn)證、關(guān)聯(lián)方式。在這種背景下， IEEE802.11p 協(xié)議對(duì) IEEE802.11 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修改，提出了無認(rèn)證方式和更加自由的 WBSS艮務(wù)集模式。為了更好的適應(yīng)車載環(huán)境，IEEE802.11p協(xié)議MAC1加入了dotllOCBEnabled參數(shù)來改變關(guān)聯(lián)機(jī)制。當(dāng) dotllOCBEnabled為 false 時(shí)，IEEE802.11p 協(xié)議的關(guān)聯(lián)機(jī)制 跟802.11標(biāo)準(zhǔn)基本類似；當(dāng)dotllOCBEnabled為true時(shí)， IEEE802.11p協(xié)議將

36、采用無認(rèn)證方式，同時(shí)將節(jié)點(diǎn)基本服務(wù)集 ID(BSSID)改設(shè)為通配符服務(wù)集32ID(WBSSID)。標(biāo)識(shí)位dot11OCBEnabled決定節(jié)點(diǎn)是否需要加入指定BSS才能進(jìn) 行通信，當(dāng)dot11OCBEnabled設(shè)為true時(shí)，節(jié)點(diǎn)將可以與其他節(jié)點(diǎn) 進(jìn)行通信而不考慮是否處于相同的BSS。同樣的其他任何節(jié)點(diǎn)收到 dot11OCBEnabled 為 true 的數(shù)據(jù)包時(shí)，將直接接收。另外，WBSS艮務(wù)集是讓節(jié)點(diǎn)自由的建立服務(wù)集來與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，為了精簡(jiǎn)操作過程，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只西華大學(xué)碩士學(xué)位論文13 需要廣播一個(gè) WAA頓(WAVEannouncementaction frame)就可以建立一個(gè)

37、WBSS艮務(wù)集。其他節(jié)點(diǎn)只要收到這個(gè)幀，并將參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置就能夠直接進(jìn)行通信。當(dāng)然這個(gè)時(shí)候dotllOCBEnabled應(yīng)該設(shè)為false ,如果 dotllOCBEnabled為true ,則需要將服務(wù)集ID相應(yīng)的設(shè)置為通配符 ID。2.4 幀聚合技術(shù)在對(duì)IEEE802.11 協(xié)議性能進(jìn)行相關(guān)研究之后，研究結(jié)果表明對(duì)數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度的選擇將會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。所以選擇合理的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)對(duì)提高性能有很大的幫助。據(jù)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，在一般的無線通信中，小于 256 字節(jié)的數(shù)據(jù)幀超過了70%，而大于1024 字節(jié)的數(shù)據(jù)幀只占不到15%。根據(jù)分布式協(xié)調(diào)機(jī)制(DCF)工作流程和數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，每

38、 一個(gè)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送都包括 MACM頭、FCS物理層幀頭等額外的開銷， 而這些開銷將超過50 字節(jié)。止匕外，在幀發(fā)送過程中還需要等待一些時(shí)間間隙如DIFS、SIFS等。因此，在這種機(jī)制下，頻繁的短幀發(fā)送將嚴(yán)重限制了信道的利用率和系統(tǒng)有效的飽和吞吐量。在這樣的背景下，幀聚合概念應(yīng)運(yùn)而生，它本質(zhì)上是通過將多個(gè)的數(shù)據(jù)幀通過重組后重新封裝上相應(yīng)的幀頭等來減少系統(tǒng)開銷， 從而 達(dá)到提高系統(tǒng)有效吞吐量的目的。另一方面，雖然幀聚合技術(shù)大大的提高了系統(tǒng)吞吐量，但是同樣增加了數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時(shí)延和重傳概率； 在信道環(huán)境不好或者對(duì)數(shù)據(jù)及時(shí)性要求比較高的場(chǎng)景中，這種技術(shù)的運(yùn)用將受到影響。因此，在采用幀聚合策略時(shí)，必須根據(jù)

39、現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景和實(shí)際需求來權(quán)衡網(wǎng)絡(luò)吞吐量和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的重要性。目前對(duì)幀聚合機(jī)制的研究主要集中在聚合幀長(zhǎng)度33 的選擇和優(yōu)化以及聚合機(jī)制改進(jìn)等方面。在聚合幀長(zhǎng)度方面，一部分學(xué)者通過研究聚合機(jī)制，提出了動(dòng)態(tài)調(diào)整幀長(zhǎng)度來適應(yīng)不同的通信環(huán)境，從而使信道性能達(dá)到最佳。另外還有些學(xué)者從誤幀率角度出發(fā)研究聚合機(jī)制，同時(shí)提出了相應(yīng)的改進(jìn)算法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的性能。大部分學(xué)者都是對(duì)幀聚合機(jī)制的各方面性能進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從而得出聚合門限與系統(tǒng)性能的關(guān)系、 站點(diǎn)數(shù)目對(duì)聚合機(jī)制的影響等。在聚合機(jī)制方面， 有研究者關(guān)注對(duì)區(qū)分業(yè)務(wù)下的幀聚合機(jī)制 34 ，從排隊(duì)論思想出發(fā)， 引入兩級(jí)緩沖區(qū)調(diào)度策略， 定量分析了隊(duì)列平均長(zhǎng)

40、度、數(shù)據(jù)包等待時(shí)間與系統(tǒng)負(fù)載的關(guān)系 35 。還有學(xué)者引入了定價(jià)機(jī)制，通過這種靜態(tài)定價(jià)的幀聚合策略實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)效用的優(yōu)化， 并通過實(shí)驗(yàn)證明了該策略能有效的提高系統(tǒng)的平均吞吐量。目前幀聚合機(jī)制主要應(yīng)用在IEEE802.11n 協(xié)議中，針對(duì)聚合技術(shù)的原理也提出了三種聚合方式，它們分別是A-MSD、U A-MPD、UTWO-LEVEL36-39。A-MSDU 是根據(jù)幀聚合策略的原理制定的。從理論上分析，這種機(jī)制可以最大化的提高系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能；但是在實(shí)際運(yùn)用中由于信道誤幀率的影響，數(shù)據(jù)的重傳次數(shù)也隨之增加，使得這種機(jī)制的性能反而下降；為此，提出了 A-MPDU!合機(jī)制來解 決該問題，該機(jī)制通過在每個(gè)子幀開頭

41、添車載自組織網(wǎng)絡(luò) MAC!協(xié)議 的研究 14 加獨(dú)有的幀分隔符，當(dāng)出現(xiàn)重傳時(shí)只重傳錯(cuò)誤的子幀而不是整個(gè)數(shù)據(jù)幀，從而提高了系統(tǒng)的性能。但同樣A-MPDUI制仍然產(chǎn)生不小的系統(tǒng)開銷，這種條件下作為兩 種幀聚合機(jī)制的折中方案兩級(jí)聚合方案隨之產(chǎn)生。下面分別對(duì)這三種聚合方案進(jìn)行分析。A-MSDU聚合A-MSDUS合機(jī)制是最接近幀聚合技術(shù)核心思想 的，在A-MSDUI制下，多個(gè)LLC層的MSD量據(jù)包可以聚合成一個(gè) MPDIM發(fā)往多個(gè)目的地。如圖2.7所示，該圖顯示一個(gè)A-MSDU的結(jié)構(gòu)圖，從圖2.7中可 以看出一個(gè)A-MSDUS含多個(gè)子幀，每個(gè)子幀包含各自的子幀幀頭、 MSD瞰據(jù)負(fù)載和填充字段。其中，子幀

42、幀頭包括該子幀的目的地址、源地址和幀長(zhǎng)；子幀的填充字段是為了使子幀的長(zhǎng)度為 4 字節(jié)的倍數(shù)， 好作對(duì)齊處理； 此外，所有子幀都只共享一個(gè)MACM頭和幀白檢驗(yàn)和（FCS）,一個(gè)A-MSDIM 被物理層當(dāng)作一個(gè)MPD順來識(shí)別。由于每個(gè)子幀都沒有自己的檢驗(yàn)和，所以子幀不能被單獨(dú)選擇重傳。同時(shí)該機(jī)制規(guī)定了一個(gè)A-MSDU勺最大幀長(zhǎng)為7955字節(jié)從圖中還可看出整個(gè)A-MSD瞅開始包括一個(gè)控制字段和一個(gè)長(zhǎng)度為2字節(jié)的QoS空制字段。Bytes:2Address2Address3SeqCtrlAddress4QoSControlAddress1Dur ation IDFrameControlHTControlA-MSDU FCSSub Frame1Sub Frame2Sub Frame3Sub Frame1Sub FrameHeaderMSDU PaddingDASA Length266620/62407955Bytes