车载自组织网络MAC层协议的研究23399.pdf

西华大学硕士学位论文 I 摘 要 车载自组织网络以车辆为基本信息单元，可以使车辆实时监测到其附近道路上其他车辆的相关信息，通过车与车、车与路边单元的实时信息交互来保证车辆行驶安全、规避道路拥塞和提高出行舒适度。作为一种特殊的移动自组织网络，其高速移动、频繁的拓扑变化、多跳路由以及不存在能量和存储空间约束的特征导致了车载自组织网络设计将面临新的问题和挑战。其中车载自组织网络的 MAC 层有着与传统网络不同的特点：无线信道质量受道路环境、交通状况等影响严重，网络拓扑受道路约束及车辆移动速度的影响，链路不稳定等。目前，不少研究是针对 MAC 层多信道协调问题，希望在保证安全应用实时性的同时，提高服务信道中非安全应用网络吞吐量。本文旨在深入研究 IEEE 802.11p 协议 MAC 层的多信道协调机制。在总结和分析802.11n帧聚合技术的基础上，在 IEEE 802.11p协议服务信道上采用帧聚合技术以提高服务信道中非安全应用网络的吞吐量，本文的主要内容包括以下几个方面：1、对 IEEE 802.11p协议 MAC 层多信道机制进行了研究，设计了帧聚合技术在服务信道上的应用方案，建立了非安全应用网络吞吐量的计算模型并进行了性能分析，重点研究了信道误帧率对数据帧长度的影响。2、通过城市交通场景仿真软件 VanetMobiSim 生成了仿真场景，在 NS-2 上进行了IEEE 802.11p 协议仿真。关键词：车载自组织网；IEEE 802.11p 协议；帧聚合；MAC 层；吞吐量；车载自组织网络 MAC 层协议的研究 II Abstract Vehicle ad-hoc network consider vehicle as the basic information unit,it can make real-time monitoring of vehicle-related information to other vehicles on the road near by cars to cars,cars and road side units,which can get real-time information exchange to ensure traffic safety,road congestion avoidance and improve travel comfort.As a special mobile ad-hoc network,its fast-moving,frequent topology changes,multi-hop routing,and there is no storage space constraints and energy characteristics of the vehicle resulted in self-organizing network design will face new problems and challenges.Vehicle ad-hoc network MAC layer has different characteristics with traditional network:radio channel quality by serious road environment,traffic conditions and other factors,affected road network topology constraints and vehicle movement speed,link instability.Currently,many studies against MAC layer multi-channel coordination problems,and want to ensure the safety of real-time applications,while improving service channel non-security applications network throughput.This paper aims to in-depth study multichannel coordination mechanism IEEE 802.11p MAC layer protocol.In summary and analysis of 802.11n frame aggregation technology,I apply frame aggregation techniques to improve the service channel network throughput on non-security applications at IEEE 802.11p protocol service channel.The main contents of this paper include the following aspects:A.Research on multi-channel MAC layer protocol IEEE 802.11p mechanism,and designed the application solutions of a frame aggregation technology in service channel,then establish the calculation model of network throughput in the non-secure applications and take network throughput performance analysis,focusing on the channel error impact on the bit rate data frame length.B.Through urban traffic scenario simulation software VanetMobiSim generated simulation scenario,and make IEEE 802.11p protocol simulation in the NS-2.Key Words:Vehicular Ad-hoc Network;IEEE 802.11p Protocol;MAC Layer;Frame Aggregation;Throughput;西华大学硕士学位论文 III 目 录 摘 要.I Abstract.II 目 录.III 1 绪 论.1 1.1 研究背景和意义.1 1.2 国内外研究现状.1 1.3 论文的研究内容.3 1.4 论文结构安排.3 2 IEEE 802.11p 协议.4 2.1 车载自组织网络简介.4 2.2 IEEE 802.11p 协议物理层.5 2.3 IEEE 802.11p 协议 MAC 层.7 2.3.1 分布式协调功能（DCF）.7 2.3.2 IEEE 802.11e EDCA 机制.10 2.3.3 IEEE 802.11p MAC 层的关联和验证机制.12 2.4 帧聚合技术.13 2.4.1 A-MSDU 聚合.14 2.4.2 A-MPDU 聚合.15 2.4.3 二级聚合机制.16 2.5 本章小结.16 3 IEEE 802.11p 协议 MAC 层多信道机制研究.17 3.1 IEEE 802.11p 协议 MAC 层多信道机制.17 3.1.1 CCH 信道和 SCH 信道.17 3.1.2 多信道协调机制.18 3.2 帧聚合技术的应用研究.21 3.2.1 马尔可夫链理论分析模型.22 3.2.2 帧聚合技术的应用.25 3.2.3 吞吐量的计算与性能分析.28 3.2.4 信道误帧率对数据帧长度的影响.35 3.2.5 吞吐量的计算结果分析.37 3.3 本章小结.41 4 车载自组织网络仿真.42 4.1 NS-2 仿真软件.42 4.1.1 NS-2 仿真软件简介.42 4.1.2 NS-2 仿真过程.42 4.1.3 NS-2 移动节点属性配置.43 4.1.4 IEEE 802.11p 协议仿真.44 4.2 城市交通场景仿真软件 VanetMobiSim.46 4.2.1 VanetMobiSim 的移动特征.46 车载自组织网络 MAC 层协议的研究 IV 4.2.2 VanetMobiSim 的微移动模型.47 4.2.3 VanetMobiSim 软件的 XML 配置文件的使用.48 4.2.4 车辆移动拓扑文件的生成.49 4.3 IEEE 802.11p 协议性能仿真.50 4.3.1 仿真场景的搭建.50 4.3.2 网络仿真参数的设定.51 4.3.3 实验结果分析.53 4.4 本章小结.54 总结与展望.55 参考文献.56 攻读硕士学位期间发表论文及科研成果.60 致 谢.61 西华大学硕士学位论文 1 1 绪 论 1.1 研究背景和意义 进入 21 世纪之后信息化技术蓬勃发展，同时，人们的生活也随之发生了巨大的变革。人们可以明显感受到信息化给生活带来的变化，从功能手机的少量使用到智能手机的普及，从低速家庭宽带到千兆光纤的应用等等都充分说明了我们生活的信息化程度在不断的提高。在中国，随着国家生产力的升级，人们的生活水平也不断的提高，越来越多人选择购买汽车作为交通工具。据相关数据显示，我国汽车的生产量和销售量在 2008 年已经超越美国成为全球最大的汽车生产国和销售国；此外，最新数据显示我国汽车还在逐年的增加并已突破 2000 万辆。随着中国汽车的迅速增长，中国将面临交通拥堵、道路拥挤以及车辆停放管理等问题；此外,随着中国高速公路不断扩张，高速公路上汽车的交通安全管理、车辆车速的监测以及计费系统等的需求不断提高；另一方面，随着汽车的不断普及，人们对行车环境、车内应用服务的要求越来越高；这些问题使得车辆无线交通系统研发更加迫切。车载自组织网络（Vehicular Ad Hoc Networks，VANET）概念应运而生，车载自组织网络作为车辆无线通信系统的主要组成部分，主要为车辆提供道路安全信息、电子收费、车内娱乐应用以及一些以智能交通1有关的服务。2010年，美国制定了IEEE 802.11p2协议标准和 IEEE 1609 协议族标准，这为车载自组织网络的进一步应用提供了理论基础。车载自组织网络是以车辆为中心，通过车辆与其他车辆或路边设施进行通信的一种移动自组织网络。它具有网络拓扑变化快，车辆移动速度快以及信息交互时间短等特有的属性。车载自组织网络的运用将使交通管理等问题迎刃而解。车载自组织网络带来巨大的变革同样使得交通信息的传递更加迅速和方便同时也减少了交通事故的发生，因此，它对社会的发展以及科学理论的研究都具有重大的意义。1.2 国内外研究现状 车载自组织网络的提出刚好可以满足车辆带来的大多数问题。但是由于车辆高速移动特征，使得以车辆为中心的车载自组织网络的网络拓扑变化迅速，而网络拓扑的快速变化又导致车载自组织网络对网络时延有较高的要求。这些特点决定了传统的移动自组织网络的协议标准并不适用于车载自组织网络。目前，对车载自组织网络的研究主要分为三大阵营：美国、欧盟和日本。它们在这方面都有较为深入的研究。在车载自组织网络的研究，日本比较早就参与其中，它先后组织了开发了多个车辆智能系统，并联合多个生产商进行测试。另外，日本还专门成立道路交通信息通信系统车载自组织网络 MAC 层协议的研究 2(VICS)3中心用于研究和系统的现实测试使用。日本在这方面的研究一直处于国际领先水平。在日本研究车载自组织网络的同时，欧洲也成立了 CEN/TC278 工作组3专门研究有关车载自组织网络标准的制定，同时也进行一系列关于车车通信和车路通信的大型项目实施。除此之外，近年来美国作为主要的研究阵营，先后针对车辆短程通信协议制定了 IEEE 802.11p 协议标准和 IEEE 1609 协议族标准。这些标准为后来的科学研究和实验提供了重要的理论基础。当然，中国作为后来者也积极投身于车载自组织网络的科研中，同样在多个国家重大规划中提出智能交通试点计划，同时也在多个高校中建立国家自然科学基金项目。针对车载自组织网络技术的研究，目前可以归纳为以下几个方面：(1)MAC 层协议方面的设计及改进 MAC 层协议的研究和改进是目前对车载自组织网络研究最多的方面之一。在 MAC 层协议具体算法研究方面，大部分通过研究现有的协议算法基础上提出一些改进的方案并进行了实验验证，其中包括研究 MAC 层退避算法4-6、车辆速度对车辆自组网络性能的影响、网络吞吐量的提高以及研究 V2V 和 V2I 的公平性问题7-8等。另外，也有部分学者正对 IEEE 1609 协议族的多信道协调机制9-11进行研究，并提出一些改进方案。还有另外一些学者对广播机制12-15进行了研究，同时设计了多种改进协议和算法，如多跳协议、广播可靠性算法等。(2)网络安全 随着无线网络的广泛应用，在车载环境下的无线应用也将会越来越丰富，所以车辆网络通信的信息安全16问题也成为一个重要的研究热点。目前主要的研究热点集中在网络安全路由技术17-19、认证密钥管理20-21等方面。(3)仿真工具 为了更好的测试现有协议标准的各种网络性能，如网络吞吐量、时延抖动、网络丢包率等参数指标，很多研究者开发了仿真器，其中以 NS-2 为代表的开源、免费的网络仿真器，成为大部分研究者测试性能的首选，而这些网络仿真器的组件的开发也是目前一个研究方向。另外，为了更好的模拟现实生活中车辆的移动规律，也有一部分学者着眼研究车辆移动模型，其中以 VanetMobiSim 仿真软件的智能交通驾驶车辆模型为代表，被大多数测试车载网络性能的学者采用。(4)车载服务质量(QoS)应用方面 针对交通事故等高优先级安全信息的传输是一个研究热点，这些安全信息对传输时延有较高的要求，同时一些广告消息也对传输的可靠性提出更高的要求，如何快速地传递这些安全信息也是一个研究较多的方向。西华大学硕士学位论文 3 1.3 论文的研究内容 本文主要研究 IEEE 802.11p 协议标准 MAC 层服务信道(SCH)的吞吐量问题，通过对车载自组织网的 IEEE 802.11p MAC 层协议进行研究并结合帧聚合策略原理，提出了一种改进方案来提高服务信道的信道吞吐量。本文首先对车载自组织网络所采用的 WAVE 体系进行详细的介绍，同时将 IEEE 802.11p协议与其他传统的无线网络协议进行对比分析，然后分析了现有的帧聚合策略和现有的研究现状。通过分析和研究提出了基于 WAVE 体系架构的帧聚合策略，并对该方案的理论模型进行分析。最后介绍了网络仿真工具的主要工作流程和功能，并对车载自组织网络进行实验仿真和结果分析。1.4 论文结构安排 本文主要研究在城市密集型交通环境下，车载单元与路边处理单元的服务信道的传输性能。论文结构安排如下：第一章为论文绪论，主要介绍了论文研究的背景和意义，同时对研究方向的国内外现状进行阐述，最后介绍了本文研究的主要内容和章节结构。第二章为 IEEE 802.11p 协议，主要对车载自组织网络所采用的 IEEE 802.11p 协议标准进行详细的介绍，同时将该协议标准与其他传统的无线网络协议进行对比分析。另外，该章还分析了现有的帧聚合策略及其研究现状。第三章为 IEEE 802.11p 协议 MAC 层多信道机制研究，在分析 IEEE 802.11p 协议 MAC层多信道协调机制之后，提出应用帧聚合技术提高服务信道吞吐量的改进方案，并对改进方案的算法进行推导和理论分析对比。第四章为车载自组织网络仿真，首先在开头介绍了网络仿真实验的主要工具，并对工具的主要流程和功能进行详细地介绍。然后开始为仿真 IEEE 802.11p 协议设定交通场景和仿真参数，并对实验结果进行分析。第五章为总结和展望，主要对本文研究的内容进行全面的总结，最后提出论文存在的不足之处，并对未来进一步深入研究进行展望。车载自组织网络 MAC 层协议的研究 4 2 IEEE 802.11p 协议 2.1 车载自组织网络简介 专用短距离通信（DSRC）22主要用于 ITS 领域，也可以说它是专为 ITS 而开发出的技术标准。早期的 DSRC 标准主要针对电子停车收费业务（ETC）而提出的。WAVE 的体系是根据 DSRC 发展而来的。1994 年，欧洲联盟组织开始研究制定 DSRC 标准，并于第二年完成制定工作,日本也制定了相关标准。1998 年，美国为车载通信标准划分了相应的频段,并在 2002 年制定了 DSRC 标准,该标准为其划分的频段分布在 5.8505.925GHz。2003 年，美国相关组织对之前制定的 DSRC 标准进行改进，并命名为 ASTM E2213-03，同时作为新的 DSRC 标准。2004 年 11 月，IEEE 802.11p 和 IEEE 1609 工作小组在 ASTM E2213-03 的基础上开始制定车载环境下的无线通信标准。该标准的底层协议由 IEEE 802.11p 任务组负责制定。而 IEEE 1609 工作组则负责 WAVE 体系结构中的上层协议标准，如网络层数据路由、应用层资源管理和安全机制等。2010 年 7 月，IEEE 802.11p 协议标准正式出版发布。同时 IEEE1609 协议族也正式发布。而 WAVE 系统主要由 IEEE 802.11p 协议标准和 IEEE 1609 协议族组成。Application(Resource Manager)Application(Security Service)TCP/UDPIPv6WSMPLLCMulti-ChannelIEEE802.11p MACIEEE802.11p PHYIEEE1609.1IEEE1609.2IEEE1609.3IEEE1609.4IEEE802.11p 图 2.1 WAVE 协议栈结构图 Fig.2.1 WAVE protocol stack structure diagram 西华大学硕士学位论文 5 如图 2.1 所示,该协议栈结构图给出了各功能层与相应标准的对应关系,IEEE 802.11p 标准是 WAVE 体系结构的底层标准，主要对车载网络的物理层和 MAC 层的标准进行制定。而 IEEE 1609 协议族是 WAVE 体系结构的上层应用标准，该协议族则是对应用层、网络层的协议标准进行规定。从 WAVE 协议栈的体系结构图中可以看出，其中包括多个协议标准。详细功能描述如下：(1)IEEE 1609.123标准：该标准负责资源管理，并为 DSRC 设备提供额外的管理机制。(2)IEEE 1609.224标准：该标准主要负责制定 WAVE 体系结构的应用和管理消息的安全机制，包括安全信息的格式、加密方法以及整个过程的认证和执行保障。(3)IEEE 1609.325标准：该标准主要用于指定 WAVE 体系结构中网络层通信协议及管理机制。该标准就如何在车载环境下进行数据包的路由转发问题进行了阐述，该标准作为中间层，对整个 WAVE 体系结构起着承上启下的作用。(4)IEEE 1609.426标准：该标准主要负责制定信道之间切换和协调方案，从而实现了在相同媒介近乎同步地传输不同应用数据。IEEE 1609.4 标准对控制信道 CCH 和服务信道 SCH 之间的协调与切换机制提供了四种建议方案，从而满足各种环境系统对两种信道的不同需求。(5)IEEE 1609.1127标准：该标准定义了无线网络的数据交换协议，作为电子支付数据交换的智能交通系统协议标准,对相应的信息格式进行了规范。(6)IEEE 1609.12 标准：该标准介绍了 WAVE 体系结构中使用的标示符，并明确地指定了 WAVE 标准中标识符值的分配。(7)IEEE 802.11p 标准：该标准主要定义了 WAVE 体系结构的底层协议标准,包括 WAVE体系结构的物理层和 MAC 层。2.2 IEEE 802.11p 协议物理层 IEEE 802.11p 协议的物理层是在 IEEE 802.11a 标准基础上进行进一步的扩展,它也采用正交频分复用技术28（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）。但是，IEEE 802.11p 协议的物理层又对 IEEE 802.11a 标准的进行了一定的修改，从而更适合车载自组织网络的多信道操作等。与 IEEE 802.11a 标准相比，IEEE 802.11p 协议有如下改进：(1)为了满足车载自组织网络的多种应用：安全性应用和非安全性应用。IEEE 802.11p 协议将 5.850 5.925 GHz 频段划分为 7 个 10 MHz 的信道和一个 5MHz 频段，开始的 5MHz 频段作为空白预留，如图 2.2 所示。图中信道 178 作为控制信道，工作频率为 5.890GHz29，它主要以广播的形式传播与交通相关的安全性信息。其余 6 个信道是服务信道，主要以单播的方式传输传统互联网应用数据。同时上层标准又对多个信道的使用制定了标准，使在车载系统中能同时进行多项不同应用的传输。其中用于传输非安车载自组织网络 MAC 层协议的研究 6 全性信息的信道为 174、176、180 和 182,而 172 和 184 信道分别用于交通事故的避免和公共安全信息。而 IEEE 802.11a 标准则使用 20MHz 信道带宽。ReservedCritical SafetySCHSCHCCHSCHSCHPublic SafetyCh 172Ch 174Ch 176Ch 178Ch 180Ch 182Ch 1845.8555.8605.8705.880 5.8905.9005.9105.920 图 2.2 IEEE 802.11p 物理层频道分布 Fig.2.2 IEEE 802.11p physical layer channel distribution (2)为了更好的适应车载环境，IEEE 802.11p 协议在调制参数上进行了相应的修改。其中为了增强对信号多路径传播的承受能力，就需要更大的保护间隔和符号周期来减少由多径传播带来的符号间的干扰。所以 IEEE 802.11p 将 20MHz 减半，使 IEEE 802.11p 物理层的关键参数30相对于 IEEE 802.11a 扩大了一倍。具体参数如表 2.1。虽然这样将对应的传输速率减少一半，却可以更好的满足车载环境。另一方面，使用减半的带宽可以有效的减少频道之间的多普勒散射效应。表 2.1 IEEE 802.11a 与 IEEE 802.11pOFDM 参数 Tab.2.1 IEEE 802.11a and IEEE 802.11pOFDM parameters 参数协议 IEEE802.11a IEEE 802.11p 信道带宽 20MHz 10MHz 保护间隔 0.8us 1.6us OFDM 符号间隔 4us 8us FFT 周期 3.2us 6.4us 比特速率 654MHz 327MHz 范围 45m 1000m 子载波频率间隔 0.3125MHz 0.15625MHz (3)在 IEEE 802.11p 协议采用的 OFDM 调制技术中，10MHz 信道由 52 个副载波组成。其中 4 个副载波充当导频，其余 48 个副载波则用于数据传输。同时为了在车载环境下进行更大范围地通信，IEEE 802.11p 协议分别为车辆处理紧急事件和安全相关信息定义了最大有效等向辐射功率（44.8dB、33dB）。西华大学硕士学位论文 7 2.3 IEEE 802.11p 协议 MAC 层 IEEE 802.11p 标准 MAC 层协议也是基于 IEEE 802.11 协议进行扩展改进的。在基本信道接入机制上采用了 IEEE 802.11 协议的分布式协调访问机制28（Distribution Coordinate Function,DCF）,而为了提高信道接入公平性问题该协议引入了 IEEE 802.11e协议的服务区分机制。其中 DCF 机制的核心是载波侦听多路监测机制28（carrier sense multiple access,CSMA/CA）。每一个节点独立地使用 CSMA 机制来获取信道使用权。IEEE 802.11p 协议的 MAC 层的改进主要是引入 IEEE 802.11e 的 EDCA机制，并在其它机制上进行修改，包括认证机制、EDCA 参数等。2.3.1 分布式协调功能（DCF）IEEE 802.11 协议的 DCF 机制是基于 CSMA/CA 的随机访问机制，它以节点为单位，利用信道监测的方式进行信道接入。在无线局域网中，节点获得信道使用权需要先通过使用 CSMA/CA 机制来确定信道状态，如果信道空闲，如果再等待 DIFS 时间间隔之后信道仍处于空闲状态，则可以开始向目的节点发送数据；如果信道忙，它将采用二进制指数退避机制并继续侦听信道状态。作为 IEEE 802.11 标准的 MAC 层协议的基本媒体接入控制机制，DCF 提供了两种接入机制：基本接入机制和基于 RTS/CTS 的接入机制，前者主要用于普通无线接入使用，后者则是对信道质量要求比较高的一些协议使用，从而提高系统吞吐量。(1)载波侦听机制 由于无线通信网络信道相比传统的有线以太网受道路环境影响严重,为了减少碰撞发生的概率和重传次数，无线网络中采用侦听机制来避免碰撞，即节点在传输数据之前通过侦听信道状态，以确保信道处于空闲状态，从而避免传输数据时与其他节点碰撞。DCF 机制提供的载波监听机制包括两种方式,一种是物理载波监听31(PHY Carrier Sense,PHYCS),物理载波监听通过检测无线链路信号的强弱来确定信道状态，并将其状态信息提交给 MAC 层。通过这种机制可以有效的避免干扰。另外一种是虚拟载波监听 3 1(Virtual Carrier Sense,VCS),虚拟载波侦听则为了更好地记录其他节点的信道占用时间定义一个网络分配矢量31(Network Allocation Vector,NAV)，这样节点可以通过记录的时间来决定等待下次监听时机而不用一直侦听信道,从而提高效率。(2)信道接入机制 IEEE 802.11 协议的 DCF 机制主要采用了四次握手（RTS/CTS/DATA/ACK）机制和基本接入机制（DATA/ACK）来完成分布式数据业务的传输。如图2.3 所示。车载自组织网络 MAC 层协议的研究 8 开始结束监听信道二进制指数退避信道空闲退避计数器递减信道空闲计数值 0传输数据收到 ACK 帧YESYESNONOYESNOYES重传数据NO 图 2.3 CSMA/CA 信道接入流程图 Fig.2.3 CSMA/CA channel access flowchart DCF 机制不采用任何中心控制，而是在每个节点使用 CSMA/CA 算法，让各个站通过竞争来获得信道的使用权。因此，DCF 向上提供争用服务。从图 2.3 可知,只有在计数器值减为零时才能参与信道使用权的竞争,当节点获得信道使用权后,其它没有参与竞争的节点的退避计数值将被暂停。每个节点采用分布式方式独立进行载波侦听、信道预约、西华大学硕士学位论文 9 数据传输以及等待确认。信道空闲源节点目的节点其他节点tttDATAACKSIFSSIFSNAV（推迟接入）DIFS竞争信道图 2.4 基本接入方式 Fig.2.4 Basic access 如图 2.4 所示，该图显示基本接入方式的工作过程。节点开始传输数据时都是先进行载波侦听信道状态，当信道空闲时，并等待一个 SIFS 时间间隔且信道仍然为空闲时，节点才开始传输数据。否则，节点将采用退避机制等待一段时间再进行侦听信道状态。最后，当源节点收到 ACK 帧时，表示数据已经正确地传输。源节点目的节点其他节点tttDATAACKSIFSSIFSNAV（RTS）DIFS竞争DIFSRTSCTSSIFS 图 2.5 DCF 的 RTS/CTS 工作方式 Fig.2.5 The RTS/CTS works of DCF 为了减少隐藏终端和暴露终端问题，IEEE 802.11 的 MAC 层协议对基本接入方式进行改进,在请求获取信道前先进行信道预约,该机制称为基于 RTS/CTS 的四次握手机制。如图 2.5 所示,当节点要传输数据时，先检测信道状态，如果信道为空闲，再等待 DIFS时间间隙后仍然空闲时节点就会向目的节点发送 RTS 数据帧请求获取信道使用权。当目的节点收到 RTS 帧之后，会给源节点发送一个 CTS 帧，同时向其他节点广播信道此时已经被占用。其它结点收到不是发给自己的 CTS 帧，就知道传输信道已经被其它节点占用，从而进入退避机制等待信道空闲。源节点在收到 CTS 帧之后，将需要等待一个 SIFS 时车载自组织网络 MAC 层协议的研究 10 隙才开始发送 DATA 数据。目的节点同样在接收完 DATA 数据并等待一个 SIFS 时隙后才向源节点发送一个 ACK 数据帧，表示已经成功接收数据，而当源节点接收到目的节点发送的 ACK 帧之后就知道数据已经成功发送。如果源节点还要继续发送数据，则需要按RTS/CTS 工作机制重新申请信道使用权。通过这种 RTS/CTS 方式提前预约信道，使得其他节点设置自己的NAV 值，可以有效减少与其他节点之间的碰撞，减少了隐藏终端问题的发生。即使发生碰撞,由于 RTS 帧很小，同样可以有效的减少带宽的浪费。(3)帧间间隔机制 为了更加合理的利用信道,提高信道吞吐量,IEEE 802.11 协议引入了帧间间隔机制,即在各数据帧发送之前都需要进行一个等待间隔，DCF 机制规定在利用 CSMA/CA 机制来判断信道状态之前应该等待指定的时间间隔。DCF 机制为此定义了三种帧间间隔：短帧帧间间隙 SIFS、分布式帧间间隔 DIFS 以及扩展帧间间隔 EIFS(Extended Interframe Space)。这三种帧间间隔的定义，使节点之间竞争更加有序，也减少了节点间接入信道的冲突和碰撞。其中，SIFS 的时间最短，因为在整个数据帧发送过程中的每个步骤完成后都需要等待一个SIFS 时隙。DIFS 则主要是节点采用分布式协调机制进行检测信道空闲状态时使用。EIFS 的时间最长，它一般是为了确保数据传输能够成功而选择退避的时间间隔，当然这种情况一般发生在节点数据无法正确解析的时候，为了使源节点能够正确接收目的节点发来的 ACK 数据帧。(4)随机退避机制 帧间间隔机制的目的主要是用于指定当节点成功预约到信道时所需的等待时间，当节点没有预约到信道时，即节点检测到信道忙时则应该确定下次预约信道的时间，并需要延迟接入信道。这种情况下需要等待的时间称为节点的退避时间，而合理地确定下次侦听信道状态的时间以及退避时间的变化的算法称为退避算法。DCF 机制退避机制的算法是二进制指数退避31(Binary Exponential Backoff,BEB)算法，假设退避时间为 T，一个时隙(Slot Time)设为 t，则算法可以用公式(2.1)表示：（2.1）其中退避时间是作为退避计数器的初始值，公式中表示第 i 次退避时竞争窗口（contention window）的最大值，Random()取值范围为(0,1)，t 表示一个时隙的时间。在 DCF 机制的二进制指数退避算法中，节点每次退避时的竞争窗口都是上次竞争窗口的 2 倍，直到退避竞争窗口达到了最大值 C,竞争窗口将不再增加。当数据传输完成后竞争窗口将重新设置为初始大小，然后按这种方式循环执行。2.3.2 IEEE 802.11e EDCA机制 在车载环境下，车载单元通信的信息不再是单一的交通安全信息，而是包含丰富多西华大学硕士学位论文 11 彩的非安全性应用。IEEE 802.11p 协议为此制定了多信道协调机制来合理地分配不同信息公平的交互，但是车载单元通信的信息也有不同优先级，如救护车、交通事故安全信息，又如地图应用服务、音频应用服务等；为此，IEEE 802.11p 协议采用了 IEEE 802.11e标准的 EDCA 机制。EDCA 机制通过将不同优先级的数据包分类后加入不同队列来保证车载应用的服务质量。增强分布式信道访问28（Enhanced Distribution Coordinate Access,EDCA）机制作为 IEEE 802.11p协议 MAC 层的扩展，是为了提高信道访问的公平性和信道吞吐量而采用的方法。EDCA机制是一种区分服务的机制，它主要通过对上层数据包进行优先级区分，然后按接入类别（Access Category，AC）分配相应队列，从而实现不同优先级数据的信道接入控制。EDCA 机制中定义了 8 种优先级服务数据类型，它们主要分为四类接入类别,分别为：AC_BK、AC_BE、AC_VI 和 AC_VO。其中 VO 代表语音信息、VI 代表视频信息、BE 代表尽力而为信息和背景信息BK。具体区别如表2.2 所示。表 2.2 各接入类别的参数 Tab.2.2 Parameters of each access category 接入类别 最小竞争窗口 最大竞争窗口 AIFSN AC_BK C C 9 AC_BE C C 6 AC_VI(C)/2-1 C 3 AC_VO(C)/4-1(C)/2-1 2 在表 2.2 中参数 AIFSN 和竞争窗口主要是用来区分队列优先级，EDCA 机制为了支持不同优先级服务，采用与 DIFS 不同的信道持续空闲时间-仲裁帧间间隔(Arbitration Inter-frame Space,AIFS)，AIFS 不再是固定不变，而是随着业务优先级别的不同而变化，具体取值公式如下：AIFSAC=AIFSNAC*SlotTime+SIFS （2.2）EDCA 采用基于接入类别（AC）的竞争方式，它为不同的接入类别设定不同的 AIFSN值，AIFS 时间越短表示争取信道的机会越多，优先级也就越高。EDCA 机制的每个接入类别(AC)独立使用增强的分布式信道接入功能，从而使节点发送数据之前必须通过内部竞争来获取竞争信道使用权的机会。这种数据传输模型可以参考图 2.6 所示。车载自组织网络 MAC 层协议的研究 12 AC1LLC根据优先级映射队列AC2AC3AC4外部信道竞争内部竞争 图 2.6 EDCA 内部机制 Fig.2.6 Internal mechanisms of EDCA 从上图中可以看出每个 AC 都设置了不同的 EDCA 参数，同时 EDCA 退避机制也采用了按 AC 的二进制指数退避算法。每个 AC 的 EDCA 参数在每次帧成功发送之后，值都会被重置为初始值。2.3.3 IEEE 802.11p MAC层的关联和验证机制 传统的无线局域网关联机制需要进行一系列繁琐的认证过程才能正常使用，而车载环境的高速性、多变性决定了车载单元进行通信时需要更短、更简便的认证、关联方式。在这种背景下，IEEE 802.11p 协议对 IEEE802.11 标准进行修改，提出了无认证方式和更加自由的 WBSS 服务集模式。为了更好的适应车载环境，IEEE802.11p 协议 MAC 层加入了 dot11OCBEnabled 参数来改变关联机制。当 dot11OCBEnabled 为 false 时，IEEE 802.11p 协议的关联机制跟802.11 标准基本类似；当 dot11OCBEnabled 为 true 时，IEEE 802.11p 协议将采用无认证方式，同时将节点基本服务集 ID(BSSID)改设为通配符服务集32ID(WBSSID)。标识位dot11OCBEnabled 决定节点是否需要加入指定 BSS 才能进行通信，当 do