摘 要

近年来，随着无线自组织网络技术和无线通信设备的不断发展，在道路上大规模地铺设路边无线通信设备（RSU）以及在车辆上配备无线通信设备成为可能，人们对车载自组织网络（VANET，Vehicle Ad Hoc Network）的研究也不断深入。一些基于信标广播的安全应用已被用来提高驾驶的安全性，这些安全应用的可靠性十分重要，需要保证其尽可能小的延迟来避免信道的拥塞。被广泛使用的车载通信IEEE 802.11p协议在MAC层采用载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）机制，这种基于竞争的介质访问控制可能导致无界延迟，由于其严重的不确定性，无法满足安全应用的低时延要求和实时通信需求。另一方面，基于时分多路（TDMA）机制的介质访问控制（MAC）在车载 Ad Hoc网络中表现出高可靠性的特性。本文所设计的方案目标在于保证一个队列或簇中的每个车辆在每个时间段内至少访问一次信道，保证可能存在的安全信息顺利的传输，满足安全性和低时延的要求。本次设计中，解决的是如何避免冲突的发生。如当最初处于两个不同通信范围而使用同一时隙的两辆车，由于车辆的移动和位置的变化，最终移动到相同的通信范围而发生的冲突，需要合理的划分和分配时隙避免冲突的发生。RSU获取场景中所有车辆的信息，如车道等，为每个车辆分配不同的时隙来避免队列合并导致的冲突。最后在OMNET 环境下进行不同交通场景下的性能评估，实验结果证明了该方案的有效性和可靠性。

关键词：介质访问控制；时隙分配；时分多路访问；车载Ad Hoc网络;

Abstract

In recent years, with the continuous development of wireless Ad Hoc network technology and wireless communication equipment, it is possible to lay road-side units (RSU) on the road on a large scale and equip wireless communication equipment on the vehicle. The research on Vehicle Ad Hoc Network (VANET) is also deepening. Some security applications based on beacon broadcasting have been used to improve driving safety. The reliability of these security applications is important, and it is necessary to ensure that they have as little delay as possible to avoid channel congestion. The widely used IEEE 802.11p protocol uses CSMA/CA mechanism in MAC layer. This competition-based medium access control may lead to unbounded delay. Because of its serious uncertainty, it does not meet the low latency requirements and real-time communication needs for secure applications. On the other hand, media access control based on TDMA mechanism shows high reliability in vehicular Ad Hoc networks. The goal of this paper is to ensure that each vehicle in a queue or cluster accesses the channel at least once in each time period, ensuring the smooth transmission of possible safety information, meeting the requirements of security and low latency. In this design, we solve how to avoid conflicts. For example, when two vehicles with the same time slot are initially in two different communication ranges, they will eventually move to the same communication range due to changes in the movement and position of the vehicle. We need to divide and allocate time slots reasonably to avoid conflicts. The RSU acquires information about all vehicles in the scene, such as lanes, and assigns different time slots to each vehicle to avoid collisions caused by queue consolidation. Finally, we conduct extensive simulations considering various driving scenarios in OMNET . The experimental results show that the scheme is effective and reliable.

Key words: medium access control; time slot allocation；TDMA; vehicle Ad Hoc network;

目 录

第1章： 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究的目的和意义 2

1.4 章节安排 2

第2章： 时分多路访问介质访问控制 3

2.1 IEEE 802.11p物理层 3

2.2 IEEE 802.11p MAC层 3

2.3 EDCA 4

2.4 TDMA MAC 4

第3章： 基于RSU的集中式时隙分配策略与实现 6

3.1 设计思路 6

3.2 时隙分配方案 6

3.3 仿真平台介绍 7

3.3.1 OMNet 7

3.3.2 Veins 8

3.3.3 SUMO 8

3.4 仿真模型建立 9

3.4.1 场景模型 9

3.4.2 行驶队列模型 10

3.4.3 碰撞模型 11

3.5 时隙获取方案 11

3.6 数据结构 12

3.7 具体实现 12

3.7.1 模拟场景： 12

3.7.2 模块结构： 13

3.7.3 主要算法代码： 14

3.8 仿真流程 15

3.9 仿真结果分析 16

第4章： 总结与展望 19

4.1 总结 19

4.2 展望 19

参考文献 20

致 谢 22

绪论

研究背景

车载Ad Hoc网络的应用可以有效缓解交通问题，如大城市的道路拥堵、交通事故频发等问题，使交通通行变得安全高效。大都市的快速发展导致了进出大城市的车流量不断增加，因此，城市道路和高速公路交通事故频发，导致严重的社会经济问题^[1]。2014年，美国的城市通勤者在交通延误上总共损失约69亿小时的工时和31亿加仑的燃料，损失的生产力和燃料接近1600亿美元^[2]。每年大量的交通事故不仅会造成巨大的经济损失，而且严重危害道路使用者的生命安全。世界卫生组织的调查指出，全球每年因交通事故死亡的人数约120万，平均每天有3242人死于交通事故，由于交通事故受伤的人数更是高达五千万^[3]。我国每年也会发生大量的交通事故，因交通事故伤亡的人数还在以每年近10%的速度增长^[3]。与其他国家相比，我国的拥堵经济成本和机动车年平均行驶里程都是最高的。通过增加额外的基础设施（例如为快速公交修建专用车道）来减少交通拥堵的影响是有限的^[2]。另一方面，智能交通技术的使用可将交通堵塞减少大半，短途运输效率也将提高，大大提高现有道路网的通行能力。车辆在智能交通体系内行驶，停车次数和行车时间将大幅减少。智能交通技术将大大地提高交通道路管理水平，有效减少交通事故的发生，提高道路通行效率。在车载Ad Hoc网络（VANET）中，车辆和路边单元（RSU）通过无线网络进行通信，车辆通过广播消息感知周边的道路状况和其他车辆的物理状态和通信状态等信息，这样一来，当危险发生或驶入拥塞路段之前，车辆可以提前做出警告，避免交通事故或交通堵塞的发生。车载 Ad Hoc网络将给人们带来方便舒适的驾驶体验。

国内外研究现状

车载通信网络作为新兴网络和当下的热门研究领域，能够缓解交通安全问题和城市拥堵问题，给用户提供媒体服务和安全预警等安全服务，已成为各国学术界和工程界的研究热点。

美国是最早开始研究车载环境网络通信的国家，同时也是最早颁布相关标准的国家。早在上世纪九十年代，美国便开展相关项目旨在推动智能汽车和电信业务的发展，得到很多高校和工业公司的积极响应^[3]。二十一世纪初的美国，联邦通信委员工会将短距离通信（DSRC）频段划分为7个信道，总共75MHz的带宽用作车辆与车辆，车辆与路边单元之间的短距离通信^[3]。其中较高传输优先级的控制信道（CCH）用于传输安全信息、控制信息等消息，其他信道用作多媒体信息传输。

日本的车辆短距离通信标准与美国类似，日本上世纪八十年代便开始研究车载环境下通信系统的特征和应用，在九十年代开展了车辆辅助驾驶的研究并做了相关实验。日本使用的是700MHz 带宽标准。2006年起，车辆通信系统专家组也开始研究底层的通信标准并改进协议标准以适应新的车载环境互联网通信系统，并尝试了一系列相关的通信项目^[3]。

本世纪初，欧洲致力于开发一个能够通过路边单元访问互联网的通信系统，来改善交通安全。欧洲的短程通信频段不仅被划分用作传输多媒体信息和控制信息，还另外划分出20MHz用作将来扩展使用。欧洲信息与媒体协会项目继承了蜂窝网、无线局域网等技术来确保不同车辆之间的互操作性。IEEE 802.11p协议考虑车辆高速移动的特性，在MAC层采用传统的载波侦听多路访问/冲突避免机制，数据传输最远可达一千米。IEEE车辆技术协会制定了1609协议作为IEEE 802.11p协议的上层协议以提供资源管理器等服务。

研究的目的和意义

在车载Ad Hoc网络（VANET）中，驾驶的安全性已被视为第一优先级。通过VANET传输有关车辆危险驾驶状况的警告已成为有望提高驾驶安全性的解决方案。为了提高VANET中的交通安全性和高效性，车辆和路边单元（RSU）需要定期向单跳内的所有邻居广播基本安全信息（BSM）。利用不断从周围环境中获取到的信息，可以支持高优先级安全应用，如提前碰撞预感，盲点警告，紧急电子制动灯等，也出现了一些用于安全应用的模型，如预防车辆事故的概率预测模型^[4]。然而，高频周期性广播可能造成通信信道中的过多网络负载，尤其在车辆密度高的环境中。如果没有得到有效的控制，这些广播的聚集将会使信道拥塞，从而削弱接收性能和安全性。此外，安全消息对延迟敏感，但是，很难找到用于VANET中安全消息分发协调的集中式基础结构。在这种严格的分布式和高动态网络中，为安全应用设计高效的具有可靠性和极小延迟的介质访问控制（MAC）协议是至关重要且具有挑战性的。

章节安排

论文的具体内容安排如下：第一章阐述了本次实验的研究背景、意义和国内外研究现状。第二章介绍了IEEE 802.11p标准化协议，包括其物理层和MAC层的相关标准，MAC层的信道访问机制，另外，介绍了TDMA的访问机制并和前者就在复杂的车载环境中的表现做了讨论和比较。第三章讨论了基于TDMA的信道访问控制机制，详细描述了RSU对车辆结点的时隙分配方案和车辆结点的时隙获取方案。第四章介绍了实验的流程，描述了模拟场景和结点结构等，对实验结果和数据进行了分析。最后，第五章对本次设计做了总结与展望。

时分多路访问介质访问控制

IEEE 802系列标准是IEEE 802标准委员会制定的局域网和城域网技术标准，主要定义了物理层和数据链路层的标准。1999年，美国ASTME17.51小组在用于智能交通系统的5.9GHz频段基础上开始制定IEEE 802.11a标准，在其通过验收后，IEEE成立了IEEE 802.11p小组着手完善车载自组织网络中无线通信的标准，最终于2010年底发布IEEE 802.11p正式版^[3]，该协议定义网络通信中介质访问控制（MAC）层和物理层的标准，现已成为车载 Ad Hoc网络的主要国际标准。

随着IEEE802.11p协议中的专用短程通信（DSRC）在MAC层的发展和标准化，短程无线电广播成为了蜂窝通信的一个可行补充^[6]，也是近距离车辆间低延迟通信的首选技术之一。DSRC已经被广泛的应用。

IEEE 802.11p物理层

在IEEE 802.11p物理层中，75MHz的工作带宽被划分为7个工作信道^[3]，包括一个控制信道（CCH）和六个服务信道（SCH），其中控制信道用来传输控制信息，服务信道用来传输视频音频等媒体信息。由于车载环境中结点之间的通信距离可能很大，为了支持高速移动环境下车辆与车辆之间、车辆与路边单元之间的顺利通信，IEEE 802.11p标准定义了4种有效等方向辐射功率，其中最大的辐射功率用于控制信息的传输。与IEEE 802.11a协议相比，IEEE 802.11p协议使用的道路环境更加复杂，建筑、住宅区甚至停车场等都会使信号衰减。在过去的2-3年中，由测量活动支持的理论建模方法清楚地表明，信号阴影和衰减可能对相邻车辆之间的无线通信产生重大影响^[6]。IEEE 802.11p标准中将IEEE 802.11a使用的20MHz带宽改为10MHz，来加强信号的抗衰减能力，这使得IEEE 802.11p标准下的数据传输速率是IEEE 802.11a5准的一半，而传输时间变为两倍。IEEE 802.11a协议沿用了802.11a协议的正交频分复用（OFDM）技术，信号传输距离可达到一千米。

IEEE 802.11p MAC层

为了适应车载通信网络的分布式特点，IEEE 802.11p协议在MAC层也对IEEE 802.11a标准做出了一些相应的修改。IEEE 802.11p协议使用的介质访问控制基于载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）机制。在该机制中，结点在使用信道之前先侦听信道；如果信道空闲，则直接访问信道；否则该结点必须执行随机退避程序。在802.11p协议的广播模式中，为了促进实时响应，请求发送（RTS）/清除发送（CTS）/确认（ACK）包被移除，这使得隐藏终端问题得不到解决。除此之外， 802.11p协议的介质访问控制在高密度场景下存在无限延迟和信道拥塞等严重问题，有研究表明，即使在相对简单的交通环境下，也可能发生信道拥塞，造成BSMs（Basic Safety Messages，基本安全消息）的相互淹没^[7]。由于基于CSMA的方案的随机性，数据包接收的概率并不理想，信标的延迟时间长。因此，802.11p协议基于竞争的介质访问控制由于其不确定性特征并不适合于实时通信。

EDCA

IEEE 802.11p协议使用了EDCA（增强型分布式信道访问）机制以满足车载网络通信环境中实时的服务质量需求，该机制能够让高优先级的消息更快的使用信道，大大降低安全信息的传输时延，提高安全性，使网络通信具有更好的服务能力。EDCA机制在MAC层定义了4种信道访问类型：分别是Voice traffic、Video traffic、Best effort traffic和Background traffic他们分别拥有一个发送消息队列和各自的退避机制，MAC层将上层收到的WSM根据IEEE Std 802.11-2012，将用户优先级（User Priority）映射到信道访问类别（Access Category），按照消息使用的信道类型和映射之后得到的信道访问类型，将消息压入对应的队列。EDCA机制中每个信道访问类型的消息队列需要等待该类型信道空闲才有机会传输消息，AIFS（Arbitration Inter Frame Space，仲裁帧间间隔）为等待信道空闲时间：

其中表示此队列时隙个数，SIFS（Short interframe space）表示短帧间间隔。EDCA的退避机制和重传机制都相对复杂。

TDMA MAC

对于各种应用于车载Ad Hoc 网络的信道访问机制，基本可以分为基于竞争的和非竞争的。当场景中的车辆数量较少时，基于竞争的MAC协议是有效的，但是在车辆密集的场景中，由于竞争产生的过多退避会大大降低响应效率，特别是在车辆密度较高的情况下，车辆以固定的传输功率和固定的速率发送信标消息的原始信标方案可能会导致严重的信道拥塞^[8]，这不能满足VANET中安全应用的实时要求。

在基于TDMA的介质访问控制中，时间被划分为帧，并进一步划分为等长等量的时隙，并且在车辆结点之间保持同步。在消息传输之前，每个结点需要获取唯一的时隙，结点可以在所有后续的帧中使用它。保证每个车辆在每个帧中至少访问一次信道；这样可以满足安全应用严格的时间要求。此外，每个车辆不仅发送其应用数据，还报告其单跳邻居所使用的时隙的状态；通过这种方式，车辆可以感知两跳邻居的最新状态并保证获得与它们不同的时隙，此外，车辆可以具有检测冲突的能力并避免隐藏/暴露的终端问题，不须请求发送（RTS）/清除发送（CTS）/确认（ACK）数据包。然而，在现有的TDMA介质访问控制方式中，对于所有结点都配置了高恒定信标速率，通常为10Hz（每100毫秒发送一次信标），从而导致资源分配中严重的可扩展性问题。具体而言，当结点密度较低时，由于不必要的广播，浪费了稀缺的信道资源。为每个车辆分配多余资源而进行不必要的广播不仅浪费了信道资源，而且增加了干扰其他车辆可能性。另一方面，由于时分多路访问的空间重用约束，当车辆密度高时，例如在交叉点处，可能发生时隙匮乏问题，其结果是暴露出车辆之间介质访问的不公平性。例如，当交叉路口的某些车辆在每个帧中完全占用时隙时，后续进入的车辆可能没有时隙可供选择进行传输，那么时隙获取失败将持续很长时间，从而导致巨大的介质访问延迟。更糟糕的是，如果具有低优先级安全要求的车辆成功占用时间段，而具有高优先级安全要求的车辆没有机会传输，则这种极端不公平的介质访问将严重损害驾驶的安全性。此外，为了设计安全消息的动态信标方法，信标速率控制尤为关键。

基于RSU的集中式时隙分配策略与实现

设计思路

在车载环境中，由于不同的速度和路线，车辆可能会不时地聚集和分隔。 当车辆在移动中合并在一起时，将产生时隙分配的冲突。 因此，需要为那些必然合并的车辆分配不相交的时隙，这是本次设计的关键之处。 具体而言，该分配策略有以下两个方面^[15]：

1）当车辆处于单独的多车道路段时，利用车道信息来划分时隙组，不同车道的车辆将使用不同时隙组，如图3.1所示。

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