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1、物联网MAC层技术综述一、本论（一）车联网的MAC层接入技术1.车联网当前背景分析2.车联网MAC层技术介绍3.多信道切换机制（二）M2M网络的MAC层接入控制技术1. M2M网络当前背景分析2. 基于竞争的MAC层技术3. 基于分配的MAC层技术4. 混合型MAC层技术2、 组内分工刘景涛：担任组长，统筹组员，安排分工，整合大作业； 负责车联网MAC层技术介绍，ppt制作程泓严：提纲的主要撰写人，协助组长进行大作业整合； 负责M2M网络中基于竞争的MAC层技术，ppt制作刘宗琦：M2M网络中混合型MAC层技术，ppt制作刘 磊：车联网中的多信道切换机制，ppt制作何 梦：车联网当前背景分析，
2、ppt制作孙诗越：M2M网络中基于分配的MAC层技术，ppt制作徐冰妤：M2M网络当前背景分析，ppt制作目录一、车联网的当前背景分析31.1.车联网的概念31.2.车联网的原理31.3发展现状分析4二、车联网MAC层技术介绍62.1.WAVE协议栈简述62.2.WAVE多信道协调（接入）技术62.3IEEE 802.11p中关键技术9(1)载波监听技术9(2)随机退避技术10(3)基本接入技术10(4)四次握手技术10三、车联网中的多信道切换机制123.1.信道的基础知识123.2.多信道的分配机制13（1）基于簇的集中式信道分配机制13（2）以RSU为中心的集中式信道分配机制13（3）集中
3、式CCA信道分配机制13（4）分布式的信道分配机制14（5）基于节点优先级的无线网络信道分配机制143.3、多信道切换机制15（1）时分多路复用机制15（2）时分复用协议16四、M2M当前背景分析194.1.M2M含义194.2.M2M与物联网等的联系204.3.M2M在国外的发展情况204.4.M2M在国内的发展情况214.5.M2M在标准化组织中的发展情况224.6.M2M发展应用概况23五、基于竞争的MAC接入技术245.1.基于竞争的MAC接入技术的简介24（1）防拥塞机制24（2）拥塞检测技术24（3）拥塞控制技术24（4）基于竞争的MAC接入技术的优点 245.2.S-MAC技术2
4、5（1）使用交替侦听/睡眠机制25（2）使用流量自适应侦听机制25（3）使用消息分段机制255.3.T-MAC技术255.4.Wise-MAC技术26六、M2M基于分配的Mac层技术276.1.基于分配的Mac层技术简介276.2.M2M基于分配的Mac层技术实例27（1）时隙的分配技术27（2）信道的分配技术29七、M2M混合mac技术317.1自动切换CSMA/CD与TokenBus混合型MAC技术317.2基于TDMA与CDMA混合的传感网络MAC技术32（1）TDMA/CDMA混合技术32八、附录：参考文献（总）35一、车联网的当前背景分析（本章节内容大篇幅改动，所以就不在段落中标出改
5、动地方）北京作为“智慧城市”试点，一举一动可能都在传递智慧城市的未来趋势，对于交通极为敏感的北京，正是实现智慧交通的最佳实验点车联网在“智慧城市”中的应用 李刚、杨屏、张红 2015。北京家用轿车数量迅猛增长，尽管采取限行、公交优先、摇号购车等举措，但随着大多数家庭驾车出行的主流意愿强劲，北京交通状况始终无法改善。出行的道路选择，驾驶的安全性，交通事故的紧急处理，停车难等问题都在困扰着有车一族，也在困扰着政府和管理职能部门。车联网（IOV）正成为智慧北京下一步发展的关键，基于此的一系列应用将成为未来经济的增长的原动力，本文介绍车联网的发展现状，试图构建一个基于“人、车、路、数据”一体的“智慧网
6、络”，在“智慧城市”中发挥其重要作用。1 目前，交通事故已经成为全球公共的交通安全问题。当车主身处浓雾或者超视距范围的地方时，可见度低，驾驶汽车往往面临着严重的危险。如果能获得邻近车辆的实时信息，包括车速、行驶方向、位置等，车主就能在第一时间内做出相应的操作以避免交通事故的发生。车联网的发展，无疑将对减少交通事故起到一定的作用。2011年，随着北京限购令的出台，中国大城市的交通拥堵和安全问题再一次凸显出来，车联网因而更为人们关注，特别是两会期间，“车联网”再次被推上了台面。车联网现状与发展研究 程 刚、郭 达 2011 1.1.车联网的概念车联网是战略性新兴产业中物联网和智能化汽车两大领域的重
7、要交集，是城市智慧交通的关键组成部分。2010年上海世界博览会上，上汽集团-通用汽车馆展示了对车联网的远景展望并举行了“直达2030”可持续交通系列论坛“车联网网联城市交通”车联网:物联网在城市交通网络中的应用 计算机应用2012年04期 刘小洋;伍民友;。车联网概念引申自物联网，根据行业背景不同，对车联网的定义也不尽相同。 2014-2020年车联网行业深度调研及投资潜力研究分析报告 2014.。车联网的定义是指，利用车辆电子传感设备，通过无线通信技术、汽车导航系统、智能终端设施和信息处理系统，使车与车、车与人、车与交通设施之间进行双向数据交换与共享，实现对车、人、物、路等状况的实时监控、科
8、学调度和有效管理，进而改善道路运输状况、提高交通管理效率的综合性智能决策信息系统。车联网是传统的智能交通系统与物联网融合发展的产物，是一种特殊的无线传感器网络。车联网通信技术发展现状及趋势研究 任开明、李纪舟、刘玲艳、宋文颖 2015 车内网是指基于控制器局域网络技术（CAN）建立的包含多种车辆状态传感器的车内局域网络，也称汽车局域网；车际网是指基于专用短程通信（DSRC）技术和IEEE802.11p等协议建立的、以车辆为节点的车辆自组织网络陈前斌. 车联网何去何从 2015 ；车载移动互联网是指车载终端通过3G、4G等蜂窝通信技术接入互联网，从而实现车辆与信息服务平台及外部网络之间信息交互的
9、网络7。车联网能够通过先进的信息通信和智能控制技术，推动汽车产业从单纯产品制造向产品和服务融合创新转型。通过感知实现性能优化和控制，车联网还能够提升汽车安全性、能效和便利性，提高交通安全和效率。当前，车联网已经为全球产业界所关注借助新机遇 推动车联网产业创新发展 2014年11月14日。1.2.车联网的原理车联网的整体结构可以分成三个层次，即:硬件平台、系统软件和应用软件车联网技术及其在交通管理中的应用 张建华, 邹常丰 2014。车联网硬件平台：由多种传感器及信号处理电路构成，包括电源转换、信号处理、数据处理与存储等。硬件平台是车联网的基础，也是信息的来源，通过传感器将车辆外的环境信息、车内
10、的信息转换为能够被控制中心处理识别的信号。车联网系统软件层：由系统管理、通信系统、无线通信及语音构成，系统软件层在车联网中为中枢部分，能够将硬件平台得到的信息进行传递和处理，目前，已经制定了车载环境下无线接入的相关协议。车联网应用软件层：主要结合不同的用户需求提供不同的应用，利用车联网对车辆进行控制、安全驾驶，在智能交通系统中应用并提供相应的信息服务等9。1.3发展现状分析从国际上来看，车联网发展仍处于起步阶段，其中美、日、欧走在研究和示范应用的前列车联网产业发展与市场前景分析 章如峰 2015。 2009年 12 月，美国交通部发布了智能交通系统战略研究计划：2010-2014，首次提出了“
11、车联网”构想10。其目标是利用无线通信建立一个全国性的、多模式的地面交通系统，形成一个车辆、道路基础设施、乘客的便携式设备之间相互连接的交通环境，最大程度地保障交通运输的安全性、灵活性和对环境的友好性国内外车联网市场发展的现状及市场驱动力分析 2016。 动态交通信息服务一直是智能交通领域研究的热点问题， 日、欧、美等发达的国家政府和企业投入了大量精力和资源进行交通信息服务的研究与应用， 将其作为解决大城市交通困境的有效手段。国际间通过不断的产业合作和广泛联盟， 动态交通信息服务在向集成化、平台化方向发展的同时， 已经在相关设施建设、终端设备销售、各类服务应用方面形成了规模巨大的产业市场日本
12、VICS 系统的发展介绍 李宏海、刘冬梅、王晶 2011。道路交通情报通信系统（VICS）以提高道路交通的安全性和通畅性、改善道路环境为目的， 被认为是世界上最成功的道路交通信息提供系统， 它通过收集、处理、提供和使用道路交通信息四个环节来达到为交通客户服务的目的。VICS是率先在日本智能交通领域投入使用的系统， 经过近年来的不断发展和完善， VICS已经可以进行日本全国范围的多种出行信息的实时发布和服务， 包括实时路况和行程时间预测、停车场信息、交通事件和天气状况的发布， 在改善交通安全、交通拥挤和环境方面做出了巨大的贡献11。 与美、日、欧等国家地区相比，中国车联网技术及相关应用起步较晚。
13、2007 年 12 月，通用汽车公司与上汽集团联合成立了上海安吉星信息服务公司，在亚洲市场推出通用汽车的安吉星（Onstar）服务7。中国主要通过863 计划、自然科学基金等项目进行重点攻关，包括基于移动中继技术的车辆通信网络的研究、智能车路协同关键技术研究、车联网应用技术研究等课题，已经取得了阶段性成果，但尚未投入实际应用。在车联网体系架构方面，欧美日在车辆专用短程通信、车联网信息应用集、路侧设备等方面已经形成了较为成熟的标准方案; 而中国尚处于被动跟随状态，由全国智能运输系统标准化技术委员会负责统筹制定车联网终端、车联网平台、车联网通信、服务应用、测试规范、信息安全认证等各方面技术标准。总
14、体而言，中国的车网技术正处于快速发展阶段，但与国外还存在较大差距。全球车联网技术预计将在2025 年进入大规模市场化的阶段，未来通过实际应用将能够进一步促进技术的发展中国车联网产业发展现状、瓶颈及应对策略 刘宗巍，匡旭，赵福全 2016。“十二五”期间，工信部从产业规划、技术标准等多方面着手，加大对车载信息服务的支持力度，以推进车联网产业的快速发展汽车物联网产业 2016。2011 年，第二届“车联网”产业链合作研讨会在上海召开中国国际物联网大会闭幕常延廷作总结综述 2011。12 月，由多家高校、科研机构、企业发起组建的中国车联网产业技术创新战略联盟（车联网联盟）在北京成立中国车联网产业技术
15、创新战略联盟成立 2011-12-16 16:51 来源：证券时报网。2012 年至今，车联网联盟等多家机构或单位已发起举办多个车联网领域技术研讨会、技术论坛、标准化会议及工作会议等7。我国的科研工作者已经在物联网和车联网方面累积了许多工作: 973 项目“无线传感网关键技术研究”已开展了5 年;以无锡为中心的“感知中国”物联网产业研究院在2010 年正式启动; 手机交通卡智能交通系统已经在多个城市普及; 智能交通项目已经在上海、武汉等地开展和部署。然而要大规模地应用车联网技术，其实现还有一段成熟期。正如文中所述，还有概念和统一标准等问题存在，安全和可靠等实际问题有待研究。市场与应用模式必须结
16、合实际摸索，最终才能达到网连城市智能交通的目标。车联网将彻底改变人类出行模式，重新给出汽车的定义。实现车联网的未来城市交通将告别红绿灯、拥堵、交通事故和停车难等一系列问题，并实现驾驶自动化车联网: 物联网在城市交通网络中的应用 刘小洋、伍民友 2014。参考文献38二、车联网MAC层技术介绍WAVE是专门为车联网通信设计的协议，而该协议中MAC层所用的技术即囊括了大部分的车联网MAC层技术，本部分从WAVE协议栈简述到其MAC层的多信道协调（接入）技术到IEEE 802.11p媒体介入方式的载波监听技术、随机退避技术、基本接入技术、四次握手技术。2.1.WAVE协议栈简述WAVE 协议栈的前身
17、是DSRC协议，该协议是由美国联邦通信委员会FCC为车间通信制的。DSRC 协议规定了在 5.85GHz 至 5.925GHz 的 75MHz 带宽的无线频谱资源专门用于车联网通信。FCC 将75MHz 带宽分配为7个信道，包括一个控制信道（Control Channel，CCH）和6个服务信道（Service Channel，SCH）。其中控制信道位于频谱资源的中间位置，两侧各3个服务信道。WAVE协议栈采用的是OSI的层次架构，其中IEEE 802.11p主要负责MAC层与物理层，IEEE 1609协议则主要负责上层应用，大致如图2.1所示。其中WSMP（WaveShort Message
18、 Protocol）指WAVE短消息协议，用于车辆之间的直接传输。17图2.1 WAVE协议栈体系结构图172.2.WAVE多信道协调（接入）技术为解决车载通信中的V2V和V2I通信，美国联邦通信委员会将5.850GHZ-5.925GHZ频段共75MHZ频谱分配给交通领域的专用短程通信使用。图2.2.1显示了美国的FFC划分给DSRC的无线信道资源。18图2.2.1 WAVE信道频谱资源划分19如图2所示，DSRC信道7个10MHz的信道组成。此外5.850GHz到5.855GHz共5MHz频谱被作为保留频谱，用于潜在的可扩展应用。信道178被称为控制信道（ControlChannel,CCH
19、），主要用于公共安全通信，主要用于传播和安全相关的消息（如WAVE短消息，WAVE服务广播）。Ch172、174、176、180、182、184被称为业务信道（ServiceChannel.SCH），主要用来传输WAVE短消息和个人业务的数据包。Ch172和Ch184被专门的应用于涉及财产和生命的公共安全应用。Ch172主要用于V2V之间安全应用的通信，旨在避免交通事故发生，保障人们的行车安全。Ch184主要应用于基于公共设施的安全应用，常用于避免十字交叉口发生碰撞事故。此外，由于CCH上主要应用于安全应用，而SCH上传输的主要是非安全应用，所以这就要求WAVE系统需要具有多信道特性，并且可以
20、实现多信道的切换。由于业务需求不同时，信道资源的分布不同，所以在IEEE1609.4标准中总共定义了4种信道的切换方式：alternating,continuous,extended和immediate。(1)alternating：切换模式。在该模式下CCH与SCH进行等间隔切换，系统不停地在CCH和SCH下交替工作，信道切换的周期为同步时间间隔。(2)continuous：占用模式。CCH和SCH处于占用模式时，WAVE系统将会一直工作于一种信道（CCH或SCH）不进行切换。(3)extended：扩展模式。在该模式下，SCH可以占用多个同步时间间隔，进行连续占用模式。这种模式主要适用于个
21、人非安全应用业务。(4)immediate：抢占模式。在这种模式下，每当CCH信道空闲时，就可以使用SCH信道，这是因为系统会在CCH和SCH之间以可变的时间间隔进行交替工作。但是在下一个时间同步周期来到时，系统需要无条件的切换到CCH信道。19对单天线设备来说，不能同时利用多个信道，因此必须有效的进行信道协调。信道协调的设计是为了支持多个正在进行数据交换的设备在控制信道和业务信道上的交替操作。例如，支持单天线设备在CCH间隔内访问高优先级数据和管理数据流，也支持在SCH间隔内访问高层的IP数据流。IEEE802.11p/1609MAC层结合TDMA/FDMA的方式管理链路带宽。图2.2.2显
22、示了IEEE802.11p/1609网络怎样利用它的带宽资源。如图所示，频谱资源被划分成了多个信道，每个信道的带宽在时间轴上分割为一个一个的同步间隔，每个同步间隔的时间为100ms。每个同步间隔内包含一个控制帧和一个业务帧，每个控制帧和业务帧的持续时间都为50ms。控制帧必须在控制信道上传输，而业务帧必须在具体的业务信道上传输。IEEE 802.11p/1609车载网络结点在加入网络之后，会先工作在控制信道CCH上，以获得必要的网络信息。数据包的传输仅允许在一个WAVE基本服务集(WAVEBasicServiceSet,WBSS)内发生。创建WBSS的结点称为WBSS提供者，加入WBSS的结点
23、称为WBSS用户。为了建立一个WBSS，WBSS提供者需要在控制信道上广播它的信标帧，这些信标帧包括WAVE服务广播消息WSA。一个WSA消息包括这个WBSS相关的操作信息(例如：WBSS的标示符，WBSS将会工作的业务信道SCH等)。移动结点应该检测控制信道上的控制帧里的WSA消息，通过这种手段来获得可加入的WBSS的相关操作信息。移动结点在获得一个WBSS操作信息之后，可以将自己的信道切换到WBSS工作的业务信道SCH上，这样该移动结点就加入了这个WBSS。图2.2.2 WAVA 多信道操作例子20在加入一个WBSS的时候，一个WBSS用户不需要进行关联和认证等操作。这主要是因为，在一个高
24、速移动的车载环境下，车辆和路边基础设施之间以及车辆之间的无线链路的生存期很短，连接性也很脆弱。通过这种没有关联和认证的设计，一个WBSS用户能够在检测到WBSS的存在之后快速地利用该WBSS提供的带宽。因为WBSS提供者可能改变这个WBSS的相关操作参数，因此WBSS的用户应该经常地切换到CCH上来获得本WBSS的最新信息。WBSS内的通信是一种一跳模式，即：信息只允许在WBSS提供者和WBSS用户之间传递，结点不允许在创建自己的WBSS的同时又加入别的WBSS。此外，由于控制信道上传输的主要是安全消息，而业务信道上传输的主要是非安全消息，为了满足不同应用的操作要求，WAVE系统需要在不同的信
25、道上进行操作和切换。IEEE1609.4标准中定义了四种信道接入方式：continuous,alternating,immediate and extended。如图2.2.3所示：图2.2.3.信道接入选项：(1)continuous,(2)alternating,(3)immediate,(4)extended20(1) continuous：CCH或者SCH连续占用模式。在该模式下，WAVE系统一直工作在CCH或者SCH。(2) alternating：CCH与SCH等间隔交换模式。在该模式下，系统交替工作在CCH和SCH下，以同步间隔为周期反复进行信道切换，CCH和SCH按照相等间隔执
26、行无条件切换。(3)immediate：SCH抢占模式。在该模式下，系统在CCH和SCH下交替工作，交替切换的时间间隔可以变化，即CCH信道空闲时，SCH可以使用信道。但当下一个同步周期到来时，系统必须切换到CCH信道。(4) extended：SCH连续占用模式。在该模式下，允许SCH占据多个同步时间间隔，这种情况比较适合系统中的非安全业务比较多的情况。202.3.IEEE 802.11p中关键技术IEEE 802.11p是WAVE的核心技术，位于WAVE协议族的底层，虽然IEEE802.11p的MAC对于802.11a相比没有什么变化，但是为了使其更适用于车载无线通信环境，它对2007版的
27、IEEE802.11MAC层协议进行了一定的改进，主要包括：（1）基本服务集的通信不同，（2）认证和关联不同，（3）EDCA默认参数不同。IEEE 802.11p的MAC层主要有4种媒体介入方式：DCF机制、PCF机制、HCF机制、EDCA机制。PCF：集中控制点协调功能（PointCoordinationFunction）为802.11标准的MAC层协议，是一种可选方案，用于提供无竞争的数据输入传输服务。主要适用于至少有一个AP点的网路中。只有网络中含有较少的AP和WiFi适配器时才适用于PCF。HCF：混合协调功能（HybridCoordinationFunction）旨在保护QoS的协调
28、功能，广泛适用于对QoS要求较为严格的网络中。它是DCF和PCF的混合体。EDCA：在EDCA中，媒介接入被分为了多个优先队列，每类优先队列都具有不用的退避范围和AIFS。最大和最小竞争窗口随着优先级的不同而变化，优先级越低AIFS和竞争窗口就越大。增强分布信道接入(EnhancedDistributedChannelAccess)是IEEE802.11e采用的信道接入技术。DCF：分布协调功能(DistributedCoordinationFunction）为802.11标准的MAC接入技术。它其他接入方式的基础。它主要采用CSMA/CA算法进行进到接入，一旦发生碰撞后就使用二进制指数退避。
29、为了让节点访问信道，DCF定义了两种信道访问方式：一种是基本访问接入机制也被叫做二次握手机制；另一种是基于四次握手的请求发送/清除发送机制，通过载波监听来尽量避免碰撞的发生，一旦发生碰撞就是用退避算法来退避。下面对DCF的关键机制做简单介绍：21(1) 载波监听技术传统的有线以太网络主要通过CSMA/CD进行，然而在无线通信中，传统的有线检测存在一定的问题，即“Near/Far”现象，这主要是因为要想检测到冲突，就要求设备可以一边接受信号一边发送信号，这在无线环境中很困难。因此802.11对CSMA/CD进行了改进，提出了新的CSMA/CA，即采用了冲突避免（CA）策略。IEEE 802.11
30、定义了络分配矢量(NetworkAllocationVector,NAV)，NAV用来表示共享信道空闲状态的剩余时间，这样就可以判断信道将被其它节点所占用的时间，每个站点从信道中的传输帧中更新NAV的值，从而确认自身发送需要退避的时间，这种技术也被称为虚拟载波监(VirtualCarrierSense,VCS)。虚拟载波监听与物理载波监听(PHYCarrierSense,PHYCS)是DCF的两种载波监听模式。PHYCS在物理层进行，当接到到的信号强度超过预定的门限值时就可以判断信道状态，然后将状态信息交付给MAC层。IEEE802.11p MAC就是使用虚拟载波监听和物理载波监听相互辅助来实
31、现冲突避免的。(2)随机退避技术当发送节点发送帧之前检测到信道繁忙或者每一次的失败重传，以及每一次的成功发送后再要发送下一帧，在这些情况下都要执行退避机制。退避算法实际上就是为了合理的确定网络节点在成功发送或者发送失败后所要等待的时间间隔，尽量减少需要等待的时间。在IEEE 802.11 DCF机制中使用的是传统的BEB算法来确定退避时间的大小。BEB(BinaryExponentialBackoff)也叫做二进制指数退避算法，网络节点每次碰撞之后都会将竞争窗口增大一倍，直到达到最大竞争窗口为止，当节点成功传输数据之后就会将重新调整为最小竞争窗口。节点等待的退避间隔是0,CW-1之间一个随机数
32、，之后节点会根据退避间隔来确定所要等待的退避时间。21(3) 基本接入技术DCF的基本接入机制实际上就是两次握手的CA机制，通信节点之间只交换的帧有数据帧(DATA)与确认帧(ACK)两种，因此又叫做ACK机制。每一个站点都将发送数据放入队列之中，同时进行信道的监听。作为一种简单的握手协议，每当接收节点正确的接收到数据帧之后，会回复发送节点一个确认帧（ACK），一旦发送方收到了确认帧（ACK），就表明已经成功的建立传输。如图2.3.1所示，其基本工作原理如下：图2.3.1 基本接入方式21一旦网络节点有数据需要传输，首先要判断信道是否处于空闲状态。如果信道连续空闲时间达到DCF帧间间隔(DCF
33、InterFrameSpace,DIFS)，节点就此时信道为空闲不会与其他节点发生碰撞，站点便开始发送数据。如果信道处于繁忙状态，站点继续监测信道，直到信道重新处于空闲状态并持续DIFS之后，发送节点便启动二进制指数退避，退避结束之后进行数据发送。每当发送节点进行数据发送时，处于同一网络集内的其他可以从该数据帧中获得自己的NAV，从而预留后续的传输时间。当目标节点成功接受数据，需要等待一个短帧间间隔(ShortInterFrameSpace,SIFS)，之后目标节点向发送节点发送确认帧（ACK），让发送节点知道目标节点已经成功接收到消息帧，同时发送节点将降低至，准备发送新的数据。每个节点在两次
34、连续的数据发送之间需要进行随机退避。(4) 四次握手技术IEEE 802.11 MAC协议引入了四次握手RTS/CTS机制，是为了更好的解决隐藏终端和暴露终端的问题，在信道激烈竞争的情况下保证较高的信道利用率。RTS/CTS的工作方式如图2.3.2：图2.3.2 四次握手机制22当网络中节点需要传输数据时，首先节点开始监听信道，当信道的连续空闲时长达到了DIFS之后，发送节点就认为信道处于空闲状态，开始向目标节点放RTS帧。当目标节点接受到RTS帧之后，会给发送节点回复一个CTS帧，告诉发送节点它已经接受到RTS帧，让发送节点开始发送消息帧。发送节点在成功接收到CTS帧之后会等待SIFS时长，
35、然后开始向目标节点发送数据。此时网络中的其他节点会根据接收到的RTS帧和CTS帧的相关内容更新自己的NAV，判断信道是否被占用，然后根据占用情况推延自己数据的发送时间，为发送节点预留后续的数据发送时间。这可以有效的客服隐藏终端问题，而且即使发生碰撞，也只是简短的控制帧之间的碰撞，这能与直接传输较长的数据帧相比，可以减少碰撞和节约信道资源。参考文献17唐迪. 车联网MAC层关键技术研究D. 北京理工大学, 2016.18 IEEE P1609.0/D5. IEEE Draft Guide for Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE) -
36、 Architecture, 2012:1-74.19袁涛. 基于IEEE 802.11p的车载自组网MAC层关键技术研究D. 南京邮电大学, 2013.20杜英田. 基于IEEE802.11p/1609协议的智能交通无线车载通信协议优化研究D. 北京邮 电大学, 2011.21郭晋杰. 基于IEEE 1609.4/802.11p的智能交通系统的跨层优化D. 北京邮电大学, 2013.22刘泽正. 车联网中基于802.11p的MAC层车辆接入决策的研究D. 南京邮电大学, 2015.三、车联网中的多信道切换机制本部分先从车联网单信道存在的问题引出多信道，然后讲述多信道的五种分配机制，以及实现多
37、信道切换机制的四种协议（AMCP、AMCMAC、ATMP、AOCM）。 3.1.信道的基础知识信道在无线网络中指的是发送节点和接收节点之间的通路。在无线通信中，因为信息传输没有专一的线路，是通过空气传输，一个信道代表一次成功的通信所占的线路。信道一般是一个特定的频段，这样通过在不同频段传输信息实现多个传输的同时进行。传统的无线自组网采用的是单信道机制，即一个节点一直工作在一个信道上，但是随着网络规模的不断变大，可用带宽不断下降。而且单信道上会存在隐藏节点和暴露节点的问题，如图3.1.1和图3.1.2。图3.1.1 隐藏节点问题Error! Reference source not found.
38、隐藏节点是指在两个节点通信时，第三个节点在信息接收方的通信范围内，但是没有在信息发送方范围内的节点，如图3.1.2中的c节点相对于a节点到B节点的消息传输就是隐藏节点，它在b节点的通信范围内，而在a节点的通信范围外，在单信道中，因为c节点不能侦听到a节点信息的发送，可能会在同时与b节点通信，这样就会发生冲突，降低信道利用率。3.1.2 暴露节点问题Error! Reference source not found.暴露节点是指在两个节点通信过程中，存在第三个节点在信息发送方的通信范围内，而没有在信息接收方的通信范围内的节点，比如图1.2中的B节点相对于节点c到节点D的数据传输就是暴露节点。当节
39、点C向D节点发送消息时，B节点接收到了，会放弃对A节点的消息发送，转而等待一段时间，其实两者之间的通信并不会发生冲突，这就导致了不必要的时延。单信道中的隐藏节点和暴露节点问题造成通信在MAC层经常发生碰撞或者浪费。而且在信道带宽一定的时候，网络中的节点的数量越大，节点网络容量就会减少。这时多信道的使用就可以避免上述情况的产生，可以实现多个通信同时进行，互不干扰，这对现在日益增多的网络通信带来了极大的便利。Error! Reference source not found.3.2.多信道的分配机制（1）基于簇的集中式信道分配机制 集中式的信道分配机制有一种基于簇的多信道MAC协议(Cluster
40、ing-Based Multi-ChannelMAC Protocol,CMMP)如图3.2.1，在这种协议中，在一定范围内的车辆会分成一个簇，簇中会定义一个簇头，这个簇头区别于其他车辆节点，它拥有一个信道状态表，并且在CCH阶段会定期的将信道使用表(Channel Usage List,CUL)广播给簇中节点。每一个想要进行传输的节点都需要在CCH阶段向簇头发出信道申请(Request Channel Assignment,RCA)。图3.2.1 CMMP协议示意图Error! Reference source not found.在车辆节点进入网络时，他可以选择想要进入的簇，提出入簇申请，
41、簇头收到申请后，可以选择将其加入簇中，簇头拥有一个簇成员表，在每个CCH阶段给簇成员表中的成员发送信道使用情况，簇成员知道信道状态后，如果想要进行通信，可以选择一个空闲的信道然后进行预约，预约信道需要先向簇头发出申请，簇头同意后，会将更新后的信道使用表广播给周围。因为簇成员向簇头发送信道申请时都在CCH阶段并且是随机预约的，可能会发生碰撞，因此采用了CSMA/CA避让机制。（2）以RSU为中心的集中式信道分配机制集中式的信道分配机制在车联网中的还有一种以RSU为中心的信道分配策略，大体思想跟基于簇的信道分配方式一样，只是簇头变成了RSU，这种分配机制一般用于十字路口，这样将RSU安装到十字路口
42、，可以控制来自所有方向但是在RSU通信范围内的车辆的信道分配。如图3.2.2所示。Error! Reference source not found.图3.2.2 以RSU为中心的通信Error! Reference source not found.（3）集中式CCA信道分配机制CCA (Common Channel Assignment)信道分配机制能够很好的利用现有技术，保证良好的兼容性，同时具备实现简单、成本低等优点。通过网络中节点多个接口统一分配多个信道，实现接口与信道的绑定，取消了动态切换信道机制以减少开销，能够支持节点同时使用多个信道进行数据传输。0图3.2.3 集中式CCA信道
43、分配网络拓扑0（4）分布式的信道分配机制分布式的信道分配机制就是没有中心的信道分配机制，在这种类型中，所有车辆的地位是相等的，没有中心节点和成员节点的区别，而信道的分配是由车辆自适应获得的，每个车辆节点自行调整信道的占用和释放。这种分配机制更加适合车辆，有了中心的控制，信道的分配反而会有更多的限制。在分布式的信道分配算法中，每个节点需要记录周围节点的信道使用情况。申请信道时先查看信道使用表，然后选择空闲的信道，并将自己的预约情况通知周围。这类的分配算法有很多，比如CRaSCH，还有多信道时隙自适应算法等等。（5）基于节点优先级的无线网络信道分配机制基于节点优先级的多信道MAC协议主要包含两部分
44、，信道接入机制和多信道资源分配机制。其中，信道接入机制采用IEEE 802.1Ie中的DCF框架，采用CSMA/CA进行载波侦听和冲突避免机制，并且结合RTS/CTS握手协议，实现节点在同一信道上面的信道接入方案。多信道资源分配机制主要包括了基于节点优先级的信道分配机制。利用该机制，能够对无线Mesh网络中不同节点进行等级划分，充分利用网络中节点间关系和有限的网络信道资源，对各个节点进行合理有效的信配置，最大化实现节点间高速率的数据传输，同时减少传输链路间的干扰。0用图G=(V,E表示一个WMN网络，点vV表示网络中节点，边eE表示两WMN节点可以直接通信。节点间的通信是双向的，这里的图都是无
45、向图。集中WMN可以理解为树状拓扑结构，因此，这里的图实际上是树。假设所有的可选信道相互正交，信道集合记为N= 1,2,.,n。假设WMN中每个节点都配有相同的无线接口数量，数量为h(v)=H;每个接口对应着一个发射天线。 网关节点承载网络中大部分流量，作为树形拓扑的根节点，其优先级设为最高。遍历图G=(V,E)的其余节点，计算其优先级。优先级评判标准如式(1-1): 式（1-1） 其中，R(i)为节点1的优先级，AT为节点d的总流量，M为节点1距离网关中心节点的最小跳数，附:为节点i的网络接口数量，N为节点i的相邻节点数。这样，流量承载负荷越大、距离网关节点跳数越小的节点优先级越高。03.3
46、、多信道切换机制为了使系信道协作更具有灵活性和环境适应性，IEEE专门规定了4种信道切换与协作模式，分别为持续占有模式(continuous access)、服务信道交替接入模式(alternating service channel access)、服务信道立即接入模式(immediate SCH access)和服务信道扩展接入模式(extended SCH access )。图3.3.1 CCH与SCH之间的切换机制0（1）时分多路复用机制 IEEE1609.4 定义了基本的时分机制，时间被分成默认为100ms的sync periods，每个SP由CCH和SCH间隔组成，默认时间均为50ms。SCH和CCH间隔均以4ms长度的保护间隔(guard interval) 开始，每个设备允许在GI的时间段里开始接收数据，但在GI结束之前不会传输数据，因为在此期间所有 设备均默认临近的设备在进行信道转换。时分机制如图3.3.2所示。然而，目前的 MAC 接入机制不能满足 对时延和吞吐量有较高要求的应用。在拥挤的道路情况下,有限的CCH长度不能提供足够的带宽传输大量的安全和控制信息，而在车辆稀疏的情况下，固定的CCH则会浪费大量的信道资源，而一些消耗带宽较大的应用，例如视频、地图更新等在SCH信道里得不到足够的带宽。图3.3.2 时分机制0
