車聯(lián)網(wǎng)多頻道協(xié)議設計研究.pdf

1、在5G時代，車聯(lián)網(wǎng)將提供更加多樣、泛在、可靠、智能的服務。為此，車聯(lián)網(wǎng)的媒體接入控制層協(xié)議應當充分利用所有已授權的通信頻道，提供高速率、低延時、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)點快速移動特性，車聯(lián)網(wǎng)媒體接入控制層協(xié)議設計面臨著很多挑戰(zhàn)，尤其在大量節(jié)點并發(fā)接入、協(xié)議可伸縮能力、點對點通信協(xié)商等方面，現(xiàn)有協(xié)議還有較多不足，存在接入時延長、信道利用率低、協(xié)議的環(huán)境適應能力差等問題，無法滿足未來車聯(lián)網(wǎng)通信的各類需求。因此，設計高效的

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鍵環(huán)節(jié)。
　　本文將詳細闡述車聯(lián)網(wǎng)媒體接入控制層的多頻道操作協(xié)議設計。對控制頻道，主要研究低延時、高可靠、可伸縮的信令傳輸機制;對服務頻道，主要研究高速點對點通信機制，設計高速率自適應服務頻道協(xié)議。具體創(chuàng)新點總結如下:
　　1)為應對大量節(jié)點的信道并發(fā)接入問題，提出基于正交頻分復用的分組競爭控制頻道協(xié)議（OGCMAC）。該協(xié)議采用基于正交頻分復用的控制頻道架構，并引入多載

3、波競爭機制。借助于信道的頻分特性，OGCMAC可大幅降低競爭窗口的資源消耗。為縮短節(jié)點獲取資源的時延，OGCMAC引入了分組競爭機制，將時間幀分割成多個組。在給定多載波競爭的基本參數(shù)后，時間幀內(nèi)分組結構的確定被建模成一個優(yōu)化問題，通過最大化單個時間幀內(nèi)成功分配的資源塊比例來確定分組結構。仿真結果表明，OGCMAC能夠顯著降低節(jié)點的信道接入時延，且能保證信令的可靠傳輸。所提出的分組結構優(yōu)化方法能夠充分發(fā)揮競爭窗口和資源塊隨機選擇技術的優(yōu)勢

4、，在降低競爭強度的同時，減少資源浪費。
　　2)針對車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的快速移動特性，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)點能夠?qū)崟r獲得信道資源狀態(tài)，并在接入信道時，選擇可用的資源并通過競爭來獲取，以降低資源塊競爭強度，避免碰撞。為增強SCMAC的可伸縮性，一方面在不影響新節(jié)點競爭

5、接入的前提下，節(jié)點會盡可能使用較小的信令發(fā)送周期。當節(jié)點密度逐漸下降時，節(jié)點的信令發(fā)送周期也會隨之縮短;另一方面，SCMAC會始終預留一小部分資源，用于新節(jié)點的競爭接入。隨著新節(jié)點逐漸加入網(wǎng)絡，節(jié)點的平均信令發(fā)送周期會逐漸上升，使所有節(jié)點都有獲得發(fā)送信令的機會。仿真結果表明，SCMAC能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的周期性信令廣播，并能自適應節(jié)點密度變化，協(xié)議性能不會隨著節(jié)點密度的變化而產(chǎn)生明顯波動。
　　3)針對服務頻道上的點對點應用數(shù)據(jù)傳輸，提

6、出高速率自適應服務頻道協(xié)議（AHTMAC）。在AHTMAC的資源管理策略中，節(jié)點的服務頻道傳輸半徑小于控制頻道的信令傳輸半徑。節(jié)點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。進而AHTMAC可以保持很高的RTS成功率，即節(jié)點發(fā)送的RTS基本上都可以成功建立起點對點通信，以此提升傳輸速率。為增強協(xié)議的可伸縮能力，節(jié)點在申請資源時會根據(jù)AHTMAC的自適應資源共享機制一次性申請盡可能多的資源。當有其它節(jié)點需要資源時

7、，擁有資源的節(jié)點會主動讓出一部分資源，使其它節(jié)點也能有機會發(fā)送數(shù)據(jù)。該機制通過簡潔的RTS/CTS信令交互實現(xiàn)，隨節(jié)點的通信協(xié)商過程一并完成，所以AHTMAC能夠適應節(jié)點密度的快速變化。仿真結果表明，AHTMAC能夠維持較高的RTS成功率，達到更高的傳輸速率。此外，由于AHTMAC的點對點通信可靠性同時由RTS/CTS握手和資源管理機制保證，其通信可靠性也更高。
　　綜上所述，針對現(xiàn)有車聯(lián)網(wǎng)多頻道協(xié)議的不足，本論文在大量節(jié)點的并發(fā)