车辆自组织网络高吞吐量和低时延的MAC协议研究

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车辆自组织网络(Vehicle ad hoc Networks,VANETs)是智能交通系统的重要组成部分,主要用于保障行车安全、管理交通和提供娱乐等服务。VANETs的媒体访问控制(Media Access Control,MAC)协议主要研究节点的信道接入方式和信道资源使用,对确保VANETs的正常运行有着重要影响。然而,随着车辆密度增多,车辆通信资源变得紧张,节点间冲突增加,降低了系统吞吐量和延长了数据发送的时延。为了提高系统吞吐量和降低数据包的延时,在本文中,我们对两类车辆自组织网络MAC协议进行改进,分别应用于集中式架构和分布式架构。主要内容概括如下:1)针对集中式的VANETs提出了一种高吞吐量,低延迟的MAC(High-Throughput and Low-Delay MAC,HTLD-MAC)协议。首先,该协议提出了一种时隙交换方案,用于解决在多个路侧单元(Road Side Units,RSUs)网络重叠区域上的时隙浪费问题。其次,该协议提出了一种动态时隙分配机制,为了降低系统的丢包率,RSU优先给将要离开网络的车辆分配时隙。最后,为了更好地描述VANETs中的真实环境特征,该协议基于Nakagami-m衰落模型和双斜率路径损耗模型,得出服务信道容量的表达式。HTLDMAC具有两个显著的特征:其一,在控制信道(Control Channel,CCH)上,不同于传统方式的节点根据局部车辆信息分配时隙,该协议利用路侧单元收集全局车辆信息来分配时隙,使得整体性能更优;其二,在服务信道(Service Channels,SCHs)上,不同于传统方式仅考虑单一指标吞吐量,该协议考虑吞吐量和时延两个指标,不仅满足高吞吐量需求,还满足时延多样性需求,使协议适用范围更广。实验结果显示了HTLD-MAC在吞吐量和延迟等方面的优势。2)针对分布式的VANETs提出了一种时隙预留的MAC(Timeslot Reservation MAC,TRMAC)协议。首先,该协议重新设计了VANETs节点的邻居信息表结构。然后,服务提供者节点和服务申请者节点各自根据邻居信息表,排除不可用的信道和时隙。最后,服务提供者根据服务申请者提供的传输方案,选择双方都空闲的时隙段。与传统的节点随机选择空闲时隙段不同,该协议针对发送延时敏感数据包的节点对,优先选择时隙编号小且长度长的空闲时隙段,尽量将数据一帧发送完毕,从而降低系统的延时;针对发送延时容忍数据包的节点对,优先选择时隙编号靠后且长度短的空闲时隙段,数据尽量分块传输,充分利用信道时隙,从而提高系统的吞吐量。与传统的协议节点对在控制信道上的一次成功协商只能在服务信道上预留一个时隙段相比,该协议的节点对仅需要在控制信道上一次成功的协商,便可预留在未来几帧服务信道上的时隙,缓解了在车辆密度大时公共控制信道的拥塞。仿真结果显示了该协议能有效提高系统的吞吐量和降低数据包的延时。
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