车载自组织网络
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基于IEEE1609.4标准的车载Ad Hoc网络
增强型多信道MAC协议
- Qing Wang等，IEEE INFOCOM, 2010
学生姓名：朱丹丹 指导老师：朱东弼
目 录
研究背景及研究现状 增强型多信道MAC方案 DCF机制
模型分析
结论
研究背景
道路交通安全形势日趋严峻
交通事故频繁
城市道路拥堵
1. CCH时隙进一步被分成了安全时隙和WSA时隙
2. CCH和SCHs的可变时隙能提高饱和状态下SCHs的 吞吐量，同时又确保CCH的安全信息传送。
3. 多信道协调机制通过CCH上的竞争访问来实现 SCHs的无竞争访问。
增强型多信道MAC方案
UTC Second Tsa=k· 103/Bcch n· 同步时隙 Ttotal
E[X]=Tidle · idle / p suc+Tcol · col / p suc+ Tsuc. p p
模型分析
β = Twsa / Tsch ， Ttotal= Tsa+Twsa+Tsch ．
Twsa=(Ttotal - Tsa)· /(β +1), β
(Tidle pidle / psuc Tcol pcol / psuc Tsuc ) N sch , TH TE TSIFS TACK TDIFS
研究现状
VENET MAC 协议的相关研究
VANET的多信道MAC默认标准：
IEEE1609.4 - 一个控制信道(CCH)
- 多个服务信道(SCHs)
- 信道访问时间被分为固定长度为100ms的同步 时隙，包含50ms的CCH时隙和50ms的SCH时隙
研究现状
IEEE1609.4多信道协议，又称WAVE（Wireless
2
一个时隙内，若信道空闲，则退避计数器的值减一；若信道忙，则 退避计数值处于“frozen”状态，直到信道再次空闲。退避计数器的 值减少到零时，节点开始发送数据包。 如果某一时隙只有一个节点发送数据，则接入成功(Tx)，否则发生 碰撞接入失败，此时竞争窗口将增大一倍，即W1=2W0。设m为最高 退避阶，则可知最大竞争窗口大小为Wm=2mW0。
Access in Vehicular Environment ）协议
缺点：WAVE MAC协议的实时和高吞吐量性能较弱。
1. 在密集的车流环境下，50ms的CCH 时隙不能 保证安全信息的传送。 2. 若节点稀疏，则将浪费CCH时隙。
增强型多信道M来自百度文库C方案
本文提出了一种新颖的可变CCH时隙多信道MAC 机制来增强IEEE1609.4的功能。 主要特点：
0, W0 -2 p
1-p
0,W0 -1 p
…
1-p p/Wm
…
1-p
p/Wm
…
…
p/Wm 1-p
m,0
m,1
p
m,2
p
1-p m, W -2 1-p m,W0 -1 0 p p p/Wm
图5.WSA或RFS数据包传送的马尔科夫链模型
p= 1- (1- τ)n-1 , 0< p <1.
τ = 2(1- p)(1-2 p)/{(1-2 p)2+W0· p- p(2 p)m]}, 0<τ<1. [1-
CCH上的预约成功的帧数量 Tcch的最优值
=
SCHs上的发送帧数量
为了到达上述目标，文中提出了一个马尔科夫链模型， 它可以求得任意时隙内节点传送一个WSA/RFS帧的概 率τ 和碰撞概率p 。
模型分析
马尔科夫链模型
1-p
0,0 …
(1-p)/W0 1-p
(1-p)/W0
0,1
p
1-p
0,2
p
1-p
其中，Nsch为SCH信道的数量
Twsa
(Tidle pidle / psuc Tcol pcol / psuc Tsuc ) N sch (Ttotal Tsa ) (Tidle pidle / psuc Tcol pcol / psuc Tsuc ) N sch Tdata
其中，Tdata=TH+TE+TSIFS+TACK+TDIFS
Tcch Tsa Twsa
结 论
作者参考IEEE802.11p中的参数对系统进行 性能评估。
1.不同数据包长度时的最优CCH时隙值
随着数据包的长度变大， 最优Tcch的值变小。
结 论
2. 不同数据包长度时饱和状态下SCHs的
增值服务应用需求
远程办公
车载娱乐
实时导航
研究背景
车载自组织网络 （Vehicular Ad Hoc network，VANET）
通过车与车、车与路边节点的相互通信来构成
统一的无线通信网络。
图1.车路通信
图2.车间通信
研究现状
VANET主要特点：
车辆的高速移动性导致网络拓扑变化快，路径寿命段， 这就需要有效的路由算法支持。 VANET的网络管理涉及面较广，需要相应的机制来解决 节点定位和地址自动配置的等为题。 基于交通安全应用的实时性和可靠性，而无线信道质量 不稳定，且受环境影响较大，需要对原有无线通信协议 进行改进，提高服务质量。
CW=31，BO=16
节点c DIFS 15 14 13 12 11 10 9 frozen DIFS 8 7 6 5 4 frozen DIFS 3 2 1 0
Tx
图4.二进制指数退避过程
CW ：当前退避阶的窗口大小 ; BO ：退避计数器随机选择的初始值。
模型分析
假设在每一个同步时隙内所有节点总是有一个WSA/RFS帧 发送（饱和状态），且至少一个节点对其作出回应。
模型分析
设X为节点开始竞争CCH到一个预留帧成功的时间。
则在一个给定的时隙内 p idle= (1- τ )n ; p suc= n τ (1- τ )n-1; p col = 1- p idle- p suc . Tidle = 一个时隙时间 ; TWSA = TRFS ; Tsuc = Tcol=TWSA+TSIFS+TACK+TAIFS.
吞吐量
VCI MAC的计算结果 与仿真结果相吻合， 与WAVE MAC协议 相比，SCHs的吞吐量 明显提高。
CCH时隙 Tcch
WSA 时隙 Twsa
SCH时隙(100 –Tcch )
安全时隙 Tsa CCH
V C I
…
W S A
SIFS
A C K
AIFS
R F S
A C K
SIFS
…
W S A
W S A
节点 Ni
节点 Nj
A C K
SIFS
保护时隙
SCHs
安全信息
Service Data
Service … Data
3
DCF机制
三个节点a、b、c互相竞争信道时的退避过程
节点a
CW=7，BO=7 DIFS 6 5 4 3 2 1 0 CW=15，BO=12 CW=15，BO=11 CW=7，BO=5 Tx DIFS 4 3 2 1 0 碰撞 DIFS 10 9 8 7 frozen CW=31，BO=9
节点b DIFS 11 10 9 8 7 6 5 frozen DIFS 4 3 2 1 0 碰撞 DIFS 8 7 6 5 frozen
DCF机制
基本访问方式
当节点需要发送数据时，它首先检测信道是否空闲。
若信道持续空闲时间达到DIFS（DCF帧间隔），则节点
开始发送数据；
若信道忙，节点继续检测信道；
当信道由忙变为空闲且持续时达到DIFS，节点进行退避。
DCF机制
退避过程
1
设当前的竞争窗口大小为W0，节点首先在[0,W0-1]内等概率的选择 一个数设置为退避计数器的值。
SIFS
A C K
…
图3. VCI 多信道 MAC方案模型
VCI ：可变CCH时隙帧，帧中包含Tcch 的值。 RFS ：服务请求帧 ； ACK ：确认帧 ； WSA ：WAVE服务信息帧，内含提供服务者的ID和SCH 序号。
DCF机制
CCH上的竞争访问由DCF机制实现。
DCF定义：
DCF（分布式协调功能）是一种基于 CSMA/CA (载波侦听/冲突避免)的随 机接入协议，采用二进制指数退避来 避免可能的传输冲突。
增强型多信道MAC协议
- Qing Wang等，IEEE INFOCOM, 2010
学生姓名：朱丹丹 指导老师：朱东弼
目 录
研究背景及研究现状 增强型多信道MAC方案 DCF机制
模型分析
结论
研究背景
道路交通安全形势日趋严峻
交通事故频繁
城市道路拥堵
1. CCH时隙进一步被分成了安全时隙和WSA时隙
2. CCH和SCHs的可变时隙能提高饱和状态下SCHs的 吞吐量，同时又确保CCH的安全信息传送。
3. 多信道协调机制通过CCH上的竞争访问来实现 SCHs的无竞争访问。
增强型多信道MAC方案
UTC Second Tsa=k· 103/Bcch n· 同步时隙 Ttotal
E[X]=Tidle · idle / p suc+Tcol · col / p suc+ Tsuc. p p
模型分析
β = Twsa / Tsch ， Ttotal= Tsa+Twsa+Tsch ．
Twsa=(Ttotal - Tsa)· /(β +1), β
(Tidle pidle / psuc Tcol pcol / psuc Tsuc ) N sch , TH TE TSIFS TACK TDIFS
研究现状
VENET MAC 协议的相关研究
VANET的多信道MAC默认标准：
IEEE1609.4 - 一个控制信道(CCH)
- 多个服务信道(SCHs)
- 信道访问时间被分为固定长度为100ms的同步 时隙，包含50ms的CCH时隙和50ms的SCH时隙
研究现状
IEEE1609.4多信道协议，又称WAVE（Wireless
2
一个时隙内，若信道空闲，则退避计数器的值减一；若信道忙，则 退避计数值处于“frozen”状态，直到信道再次空闲。退避计数器的 值减少到零时，节点开始发送数据包。 如果某一时隙只有一个节点发送数据，则接入成功(Tx)，否则发生 碰撞接入失败，此时竞争窗口将增大一倍，即W1=2W0。设m为最高 退避阶，则可知最大竞争窗口大小为Wm=2mW0。
Access in Vehicular Environment ）协议
缺点：WAVE MAC协议的实时和高吞吐量性能较弱。
1. 在密集的车流环境下，50ms的CCH 时隙不能 保证安全信息的传送。 2. 若节点稀疏，则将浪费CCH时隙。
增强型多信道M来自百度文库C方案
本文提出了一种新颖的可变CCH时隙多信道MAC 机制来增强IEEE1609.4的功能。 主要特点：
0, W0 -2 p
1-p
0,W0 -1 p
…
1-p p/Wm
…
1-p
p/Wm
…
…
p/Wm 1-p
m,0
m,1
p
m,2
p
1-p m, W -2 1-p m,W0 -1 0 p p p/Wm
图5.WSA或RFS数据包传送的马尔科夫链模型
p= 1- (1- τ)n-1 , 0< p <1.
τ = 2(1- p)(1-2 p)/{(1-2 p)2+W0· p- p(2 p)m]}, 0<τ<1. [1-
CCH上的预约成功的帧数量 Tcch的最优值
=
SCHs上的发送帧数量
为了到达上述目标，文中提出了一个马尔科夫链模型， 它可以求得任意时隙内节点传送一个WSA/RFS帧的概 率τ 和碰撞概率p 。
模型分析
马尔科夫链模型
1-p
0,0 …
(1-p)/W0 1-p
(1-p)/W0
0,1
p
1-p
0,2
p
1-p
其中，Nsch为SCH信道的数量
Twsa
(Tidle pidle / psuc Tcol pcol / psuc Tsuc ) N sch (Ttotal Tsa ) (Tidle pidle / psuc Tcol pcol / psuc Tsuc ) N sch Tdata
其中，Tdata=TH+TE+TSIFS+TACK+TDIFS
Tcch Tsa Twsa
结 论
作者参考IEEE802.11p中的参数对系统进行 性能评估。
1.不同数据包长度时的最优CCH时隙值
随着数据包的长度变大， 最优Tcch的值变小。
结 论
2. 不同数据包长度时饱和状态下SCHs的
增值服务应用需求
远程办公
车载娱乐
实时导航
研究背景
车载自组织网络 （Vehicular Ad Hoc network，VANET）
通过车与车、车与路边节点的相互通信来构成
统一的无线通信网络。
图1.车路通信
图2.车间通信
研究现状
VANET主要特点：
车辆的高速移动性导致网络拓扑变化快，路径寿命段， 这就需要有效的路由算法支持。 VANET的网络管理涉及面较广，需要相应的机制来解决 节点定位和地址自动配置的等为题。 基于交通安全应用的实时性和可靠性，而无线信道质量 不稳定，且受环境影响较大，需要对原有无线通信协议 进行改进，提高服务质量。
CW=31，BO=16
节点c DIFS 15 14 13 12 11 10 9 frozen DIFS 8 7 6 5 4 frozen DIFS 3 2 1 0
Tx
图4.二进制指数退避过程
CW ：当前退避阶的窗口大小 ; BO ：退避计数器随机选择的初始值。
模型分析
假设在每一个同步时隙内所有节点总是有一个WSA/RFS帧 发送（饱和状态），且至少一个节点对其作出回应。
模型分析
设X为节点开始竞争CCH到一个预留帧成功的时间。
则在一个给定的时隙内 p idle= (1- τ )n ; p suc= n τ (1- τ )n-1; p col = 1- p idle- p suc . Tidle = 一个时隙时间 ; TWSA = TRFS ; Tsuc = Tcol=TWSA+TSIFS+TACK+TAIFS.
吞吐量
VCI MAC的计算结果 与仿真结果相吻合， 与WAVE MAC协议 相比，SCHs的吞吐量 明显提高。
CCH时隙 Tcch
WSA 时隙 Twsa
SCH时隙(100 –Tcch )
安全时隙 Tsa CCH
V C I
…
W S A
SIFS
A C K
AIFS
R F S
A C K
SIFS
…
W S A
W S A
节点 Ni
节点 Nj
A C K
SIFS
保护时隙
SCHs
安全信息
Service Data
Service … Data
3
DCF机制
三个节点a、b、c互相竞争信道时的退避过程
节点a
CW=7，BO=7 DIFS 6 5 4 3 2 1 0 CW=15，BO=12 CW=15，BO=11 CW=7，BO=5 Tx DIFS 4 3 2 1 0 碰撞 DIFS 10 9 8 7 frozen CW=31，BO=9
节点b DIFS 11 10 9 8 7 6 5 frozen DIFS 4 3 2 1 0 碰撞 DIFS 8 7 6 5 frozen
DCF机制
基本访问方式
当节点需要发送数据时，它首先检测信道是否空闲。
若信道持续空闲时间达到DIFS（DCF帧间隔），则节点
开始发送数据；
若信道忙，节点继续检测信道；
当信道由忙变为空闲且持续时达到DIFS，节点进行退避。
DCF机制
退避过程
1
设当前的竞争窗口大小为W0，节点首先在[0,W0-1]内等概率的选择 一个数设置为退避计数器的值。
SIFS
A C K
…
图3. VCI 多信道 MAC方案模型
VCI ：可变CCH时隙帧，帧中包含Tcch 的值。 RFS ：服务请求帧 ； ACK ：确认帧 ； WSA ：WAVE服务信息帧，内含提供服务者的ID和SCH 序号。
DCF机制
CCH上的竞争访问由DCF机制实现。
DCF定义：
DCF（分布式协调功能）是一种基于 CSMA/CA (载波侦听/冲突避免)的随 机接入协议，采用二进制指数退避来 避免可能的传输冲突。