車聯(lián)網(wǎng)多頻道協(xié)議設(shè)計(jì)研究.pdf

1、在5G時(shí)代，車聯(lián)網(wǎng)將提供更加多樣、泛在、可靠、智能的服務(wù)。為此，車聯(lián)網(wǎng)的媒體接入控制層協(xié)議應(yīng)當(dāng)充分利用所有已授權(quán)的通信頻道，提供高速率、低延時(shí)、高可靠的數(shù)據(jù)傳輸。由于車聯(lián)網(wǎng)的自組織特性和節(jié)點(diǎn)快速移動(dòng)特性，車聯(lián)網(wǎng)媒體接入控制層協(xié)議設(shè)計(jì)面臨著很多挑戰(zhàn)，尤其在大量節(jié)點(diǎn)并發(fā)接入、協(xié)議可伸縮能力、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信協(xié)商等方面，現(xiàn)有協(xié)議還有較多不足，存在接入時(shí)延長(zhǎng)、信道利用率低、協(xié)議的環(huán)境適應(yīng)能力差等問題，無(wú)法滿足未來車聯(lián)網(wǎng)通信的各類需求。因此，設(shè)計(jì)高效的

2、車聯(lián)網(wǎng)媒體接入控制層協(xié)議依舊是車聯(lián)網(wǎng)從理論走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵環(huán)節(jié)。
　　本文將詳細(xì)闡述車聯(lián)網(wǎng)媒體接入控制層的多頻道操作協(xié)議設(shè)計(jì)。對(duì)控制頻道，主要研究低延時(shí)、高可靠、可伸縮的信令傳輸機(jī)制;對(duì)服務(wù)頻道，主要研究高速點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信機(jī)制，設(shè)計(jì)高速率自適應(yīng)服務(wù)頻道協(xié)議。具體創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下:
　　1)為應(yīng)對(duì)大量節(jié)點(diǎn)的信道并發(fā)接入問題，提出基于正交頻分復(fù)用的分組競(jìng)爭(zhēng)控制頻道協(xié)議（OGCMAC）。該協(xié)議采用基于正交頻分復(fù)用的控制頻道架構(gòu)，并引入多載

3、波競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。借助于信道的頻分特性，OGCMAC可大幅降低競(jìng)爭(zhēng)窗口的資源消耗。為縮短節(jié)點(diǎn)獲取資源的時(shí)延，OGCMAC引入了分組競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，將時(shí)間幀分割成多個(gè)組。在給定多載波競(jìng)爭(zhēng)的基本參數(shù)后，時(shí)間幀內(nèi)分組結(jié)構(gòu)的確定被建模成一個(gè)優(yōu)化問題，通過最大化單個(gè)時(shí)間幀內(nèi)成功分配的資源塊比例來確定分組結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明，OGCMAC能夠顯著降低節(jié)點(diǎn)的信道接入時(shí)延，且能保證信令的可靠傳輸。所提出的分組結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法能夠充分發(fā)揮競(jìng)爭(zhēng)窗口和資源塊隨機(jī)選擇技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

4、，在降低競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度的同時(shí)，減少資源浪費(fèi)。
　　2)針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的快速移動(dòng)特性，提出可伸縮的合作控制頻道協(xié)議(S CMAC)，用以支撐控制頻道上的周期性信令廣播。SCMAC主要考慮通信的可靠性和協(xié)議的可伸縮性。通信可靠性主要是由合作信令廣播來保證。通過周期性地廣播合作信令，節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崟r(shí)獲得信道資源狀態(tài)，并在接入信道時(shí)，選擇可用的資源并通過競(jìng)爭(zhēng)來獲取，以降低資源塊競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度，避免碰撞。為增強(qiáng)SCMAC的可伸縮性，一方面在不影響新節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)

5、接入的前提下，節(jié)點(diǎn)會(huì)盡可能使用較小的信令發(fā)送周期。當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度逐漸下降時(shí)，節(jié)點(diǎn)的信令發(fā)送周期也會(huì)隨之縮短;另一方面，SCMAC會(huì)始終預(yù)留一小部分資源，用于新節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)接入。隨著新節(jié)點(diǎn)逐漸加入網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)的平均信令發(fā)送周期會(huì)逐漸上升，使所有節(jié)點(diǎn)都有獲得發(fā)送信令的機(jī)會(huì)。仿真結(jié)果表明，SCMAC能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的周期性信令廣播，并能自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)密度變化，協(xié)議性能不會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)密度的變化而產(chǎn)生明顯波動(dòng)。
　　3)針對(duì)服務(wù)頻道上的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸，提

6、出高速率自適應(yīng)服務(wù)頻道協(xié)議（AHTMAC）。在AHTMAC的資源管理策略中，節(jié)點(diǎn)的服務(wù)頻道傳輸半徑小于控制頻道的信令傳輸半徑。節(jié)點(diǎn)只需接收一跳鄰居的信令即可確定哪些資源是其自身與其一跳鄰居共同可用的。進(jìn)而AHTMAC可以保持很高的RTS成功率，即節(jié)點(diǎn)發(fā)送的RTS基本上都可以成功建立起點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，以此提升傳輸速率。為增強(qiáng)協(xié)議的可伸縮能力，節(jié)點(diǎn)在申請(qǐng)資源時(shí)會(huì)根據(jù)AHTMAC的自適應(yīng)資源共享機(jī)制一次性申請(qǐng)盡可能多的資源。當(dāng)有其它節(jié)點(diǎn)需要資源時(shí)

7、，擁有資源的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)讓出一部分資源，使其它節(jié)點(diǎn)也能有機(jī)會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)。該機(jī)制通過簡(jiǎn)潔的RTS/CTS信令交互實(shí)現(xiàn)，隨節(jié)點(diǎn)的通信協(xié)商過程一并完成，所以AHTMAC能夠適應(yīng)節(jié)點(diǎn)密度的快速變化。仿真結(jié)果表明，AHTMAC能夠維持較高的RTS成功率，達(dá)到更高的傳輸速率。此外，由于AHTMAC的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信可靠性同時(shí)由RTS/CTS握手和資源管理機(jī)制保證，其通信可靠性也更高。
　　綜上所述，針對(duì)現(xiàn)有車聯(lián)網(wǎng)多頻道協(xié)議的不足，本論文在大量節(jié)點(diǎn)的并發(fā)