车辆自组网多信道MAC机制研究综述*

吴国栋，董 超，李艾静，张 磊

（陆军工程大学通信工程学院，江苏 南京 210007）

0 引 言

车辆自组织网络（Vehicular Ad Hoc Networks，VANETs）是移动自组织网络的一种特殊应用。同后者一样，VANETs的节点之间可以直接通信，无需基础设施的支持。为了实现VANETs组网与通信，车辆配备了车载单元（On Board Unit，OBU），用于聚合车辆中各组件产生的数据，并配有一个或多个无线电设备来实现与其他车辆中的OBU或路边单元（Road Side Unit，RSU）通信。其中，OBU之间的通信称为车对车（Vehicles to Vehicles，V2V）通信，OBU和RSU之间的通信称为车对基础设施（Vehicles to Infrastructure，V2I）通信。如图1所示，车辆、路边单元以及相互之间的V2V与V2I通信等组成了VANETs，目标是在道路上构建一个自组织的、部署方便、费用低廉、结构开放的车辆间通信网络。它提供无中心、自组织、支持多跳转发的数据传输能力，能实现事故预警、辅助驾驶、道路交通信息查询、车间通信和Internet接入服务等应用。因此，VANETs是智能交通系统（Intelligent Transportation System，ITS）的重要组成部分，能使交通系统更加智能、快速、安全和方便。

图1 VANETs

在VANETs通信中，传输的消息主要包括两类[1]：安全控制类和用户业务类。安全控制类消息包括位置、速度和交通故障等信息，通常以广播的形式传输，要求网络中所有邻居节点或全部节点都能接收到。由于涉及到车辆安全等问题，此类消息对网络的可靠性和延迟要求较高。用户业务类消息包括图像、视频等多媒体业务，通常是点对点传输，提供V2V、V2I或者车辆与其他单元的信息交互。相比安全控制消息，此类消息一般要求较高的网络吞吐量，但对时延、可靠性有一定容忍能力。如何同时保证这两类业务的不同QoS需求，是VANETs能否成功且高效应用的关键。

与移动自组织网络类似，媒体访问控制（Medial Access Control，MAC）协议是保障VANETs中业务QoS性能的关键因素。它可以提升VANETs的性能，保证智能交通系统的高效性、安全性、舒适性、实时性以及稳定性供。考虑到安全控制与用户业务不同的QoS需求，早在1999年，美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC） 鼓励研究人员为车辆自组网设计多信道MAC机制，通过分配不同的信道用于安全和业务两类消息的传输，既能满足安全控制类消息高可靠性、低延迟的需求，又能为用户业务提供高吞吐量的服务。近年来，许多学者以FCC提出的多信道架构为基础，提出了若干VANETs多信道的MAC协议，以保障安全控制与用户业务消息的不同QoS需求。

本文从这一角度入手，对这些研究成果进行介绍、分析并讨论下一步研究方向。文章第1节阐述了VANETs中MAC机制的系统架构；第2节介绍了MAC机制的研究现状，总结这些工作的特点；第3节则分析了车辆自组网MAC协议的进一步研究方向；第4节进行全文总结。

1 VANETs多信道架构标准

1999年，FCC在5.9 GHz频段分配了7个10 MHz信道，分别包括1个控制信道（Control CHannel，CCH） 和 6个 服 务 信 道（Service CHannel，SCH），用于安全和业务应用，鼓励研究人员为VANETs设计多信道MAC机制。通过在不同的信道上传输不同类型的消息，多信道MAC协议可以同时实现更高的通信吞吐量和较低的网络延迟[2]。IEEE通过引入IEEE 1609.1-4[3-6]和IEEE 802.11p[7]来标准化车载无线通信。IEEE 1609.4增强了IEEE 802.11p（物理层和MAC层），被默认为VANETs多信道MAC协议的标准。它定义了多信道无线电操作模式，包括CCH和SCH的交织操作、优先级访问参数以及MAC和物理层的其他特性等。为了有效协调CCH和多个SCH的信道接入，在IEEE 1609.4中开发了基于协调世界时（UTC）的全球同步信道协调方案。

如图2所示。

图2 信道划分

信道时间被分为固定长度100 ms的同步间隔，由各为50 ms的CCH间隔（CCH Interval，CCHI）和SCH间隔（SCH Interval，SCHI）组成。根据协调方案，在CCHI期间，所有设备必须留在CCH传输并监控安全消息，同时通过握手机制传输控制消息进行SCH的预留。在SCHI期间，成功预留SCH的设备在规定时间内切换到SCH，以执行业务分组的传输。多信道MAC协议不仅可以确保安全控制分组的可靠传输，而且可以以分布式方式为非安全的用户业务分组提供最大的吞吐量[8]。该方案为同时保障安全控制类和用户业务消息建立了基本信道架构，但也存在着如下不足。

首先，IEEE 1609.4采用CSMA/CA作为基于信道争用的机制，不能提供时延保证，同时在节点数目较多时，其吞吐量性能表现一般。其次，由于EEE 1609.4为CCHI和SCHI划分的时间长度是固定的，当安全控制和用户业务消息的流量动态变化时，两类消息的QoS难以同时保障，且信道利用率不高[9]。因为在车辆交通拥挤的状况下，CCH的长度有限，不能提供足够的带宽来传送大量的安全分组和控制分组。此外，如果节点密度稀疏，则CCH信道上的偶然传输将浪费信道资源，而诸如视频下载和数据更新的一些大带宽消耗的业务应用将无法在SCH上获得足够的带宽资源。

由于IEEE 1609.4 MAC已成为VANETs中的多信道架构标准，目前的各项相关工作均沿用了EEE 1609.4信道划分的方式，并以此为基础进行改进。下面将对这些相关研究进行介绍。

2 VANETs多信道MAC机制

目前，VANETs的MAC架构大部分需要RSU的辅助，而有一部分则不需要RSU的辅助。这两类MAC协议具有不同的特点，因此本文将当前研究成果分为带RSU和无RSU两部分。

2.1 带RSU

在VANETs中，RSU能与网络中所有的节点直接通信，根据收集的网络信息调整MAC机制的某些参数，以适应多变的网络环境。因此，通过RSU的辅助，可以进一步提高VANETs通信的性能。

文献[10]提出了利用RSU调整CCHI和SCHI长度的MAC机制-VCIMAC，目标在于在动态变化的车辆交通状况中提供适当的带宽，以适应安全控制和用户业务分组的不同流量需求。如图3所示，VCIMAC将CCHI进一步划分为用于传输安全分组的安全消息间隔和用于预留SCH的预留间隔。在安全消息间隔，各个节点按顺序传输安全分组，以保障延迟和可靠性。VCIMAC根据网络节点数量等基本参数计算安全消息间隔，并建立了马尔科夫模型推测下一状态预留情况，从而调整预留间隔的长度，提高信道预留的成功率。这些计算由RSU来实现，以通告所有的节点同步CCHI的长度。VCIMAC过于关注CCHI长度的调整，而SCHI长度实是被动调整的，因此不能最优权衡两类分组的流量需求。

图3 VCIMAC结构

文献[11]提出的TDMCC协议不仅能动态调整CCHI长度，而且进一步提升了SCH的利用率。根据分组的平均长度、数据传输速率和分组发送频率等参数，由RSU计算和调整CCHI长度，并公告给所有节点。如图4所示，TDMCC将CCH上的分组被分为三个访问类别（Access Category，AC）。AC[2]、AC[1]用于高优先级安全相关的分组，AC[0]用于低优先级的控制分组。在每个OBU中，设置AC队列分配控制器，用于检测CCHI期间每个AC队列的访问延迟，估计传输延迟，然后引导AC队列动态分配。这种方式相比较于VCIMAC更加灵活，为安全控制分组提供优先级服务。TDMCC还将SCH时隙化，根据预期的业务分组持续时间和SCH的条件，分配适当的SCH时隙（由RSU辅助实现）。这种方式下，一个SCH中允许多对节点传输，提高了信道利用率。

图4 TDMCC结构

VCIMAC和TDMCC两类信道间隔的调整都关注CCH上的安全和控制分组情况，而没有充分考虑SCH的业务需求。针对这一问题，2016年，文献[12]提出的C-MAC协议将CCHI进一步分为安全信息阶段（Safety Message Phase，SMP）和预留信道阶段（Channel Reservation Phase，CRP）。在安全信息阶段，C-MAC利用RSU调度各个节点按顺序无冲突的传输安全分组，使用更少的时间传输安全信息且没有竞争，为CRP和SCHI分配了更多的时间；C-MAC合理平衡CRP间隔和SCHI长度，提高了吞吐量；C-MAC在SCHI上重利用了两类信道。标准的IEEE 1609.4下，在SCHI内成功预留SCH的节点会切换到SCH，而剩下的节点停留在CCH。而C-MAC合理利用此时的CCH空闲时间，如图5所示。在SHCI，新节点6、新节点7、新节点8、新节点9和新节点10可以在CCH完成入网接入，以不同的方式（相对于TDMCC）合理利用信道。

图5 C-MAC结构

此外，还有一些工作如文献[13-16]仅关注CCH的设计，基于TDMA机制在CCH上建立冲突避免的时隙分配机制，旨在提高CCH安全广播类消息的可靠性，降低端到端的延迟。由于车辆在道路上的移动方向是固定的，因此这些工作利用了车辆的移动模型，建立了合理的时隙分配方案。其中，文献[13]通过为不同方向行驶的车辆分配不同时隙集，降低了大部分车辆移动带来的时隙冲突。文献[14-15]进一步扩展了工作，RSU根据两跳或三跳内的车辆速度和加速度来预测潜在的冲突，使潜在冲突的车辆切换时隙来避免将会发生的冲突。文献[16]则利用车辆的移动预测来调整时隙的数目和分配，以提高信道利用率。

2.2 无RSU

带RSU的VANETs虽然可以获得较好的性能，但需要建设RSU等基础设施，组建成本较高。不需要RSU的VANETs建设成本与运营成本都较低，也更加容易布设。然而，由于缺乏RSU的辅助，如何同时保证安全控制与用户业务不同的QoS变地更为困难。目前，针对无RSU的分布式MAC协议较少，有待进一步研究。

如图6所示，文献[17]提出的DMMAC将CCHI进一步分为自适应安全消息广播帧（Adaptive Broadcast Frame，ABF）和CRP。ABF基于TDMA机制，由多个时隙组成，用于传输安全分组。CRP基于CSMA/CA传输控制分组，以预留SCH。DMMAC的主要贡献是能动态调整ABF的时隙数目，以提高CCH的利用率。ABF中包含的时隙数称为ABF长度。整个网络没有统一的ABF长度，但每个车辆可以根据其两跳网络内的节点数量来调整ABF长度。另外，与TDMCC相同，DMMAC将SCH时隙化，一个SCHI允许多个节点传输，进一步提升了信道利用率。由于没有RSU辅助，它难以灵活调度节点的传输间隔，因此CCHI和SCHI的长度是固定的，难以适应两类分组流量的动态变化。

图6 DMMAC结构

文献[18]提出了VER-MAC，通过提高信道利用率来提升VANETs的性能。标准的IEEE 1609.4为两类信道规定了不同的间隔。在CCHI，所有的节点都保留在CCH。此时，SCH是空闲的。同理，在SCHI，CCH也是空闲的。如图7所示，文献[17]在时间上重利用了两类信道。在SCHI，允许没有业务传输的节点可以在CCH广播安全消息；在CCHI，允许部分节点在SCH传播业务数据。同时，VER-MAC将SCH时隙化，在一个SCH期间允许多个节点传输。因此，与前面的相关工作相比，VER-MAC信道利用率是最高的。但是，因为时间上重复利用了两类信道，会导致某些节点无法接收到广播的安全消息，例某对节点在CCHI却停留在SCH传输数据。VER-MAC采取的方案是安全类广播消息在不同信道传输，共传两次，以减缓问题，但难以保障广播消息的实时性。

图7 VER-MAC结构

2.3 小结

总结并对比几种具有代表性的VANETs的多信道MAC协议，结果如表1所示。

表1 VANETs的MAC协议对比

其中，CCH可靠性反映了对安全控制类消息的性能保障能力，信道利用率则主要体现了对用户业务消息的吞吐量适应能力。总的来看，带RSU的协议的共同特点是，RSU可以作为一个网络中的中心节点来执行协调与调度工作，能直接与网中的所有节点通信，收集网络信息，然后根据信息可以动态调节CCHI和SCHI长度，因此这类协议能有效适应两类消息的流量变化。与此相比，目前不带RSU的协议的CCHI和SCHI都是固定的，其中DMMAC分布式计算基于TDMA的CCH时隙个数，保障安全广播消息的可靠性，VER-MAC则在时间上重利用两类信道，通过提高信道利用率来提高网络性能。

总的来看，相对无RSU的方案，具有RSU辅助的方案性能较优，且易于实现不需要额外的开销，但RSU等基础设施的建设增加了VANETs的成本，也限制了其应用环境。而不带RSU的方案不受基础设施的限制，组网更加方便，但需要额外的开销以支持其分布式结构。

3 下一步研究

虽然多信道MAC协议能提高业务分组的吞吐量，但也给VANETs的某些特殊应用带来了新的挑战。VANETs中存在一些紧急分组以传达紧急安全消息，如突发的碰撞、交通事故等。相对于一般的安全分组，紧急分组对延迟要求更加严格。但在SCHI，节点处于不同的信道，紧急分组难以在严格的时间约束内被广播给所有邻居节点。目前，MAC协议并没有解决这类问题，VANETs下一步的研究内容应考虑如何在SCHI确保紧急分组的传输。一个有效的解决方案是为车辆配备多个无线收发器，让一个收发器始终处于CCH，另一个收发器处于SCHs。由于它们工作在不同频率上，节点可以同时接收不同类别信道上的分组。需制定可靠的传输机制避免分组冲突，这样即使在SCHI，安全分组和紧急分组也能通过CCH广播，且能确保所有邻居节点的接收。

目前，VANETs的多信道MAC协议都存在一定条件的限制，不能适用于任意场景。因为VANETs的网络环境是多元变化的，不仅安全和业务类消息的流量需求动态变化，且道路情况多变，RSU等基础设施可能时有时无，所以VANETs需以更加灵活的方式组建和运行。

未来的车辆自组网的MAC协议应当是完全自适应的机制。首先，需适应安全控制与用户业务类消息动态的流量需求，保障安全控制类消息的可靠性，提供业务类消息高吞吐量的服务。安全消息应基于TDMA机制在CCH传输，根据网络中节点的数目自动调整时隙数目,充分考虑车辆的移动模型[13-15]来避免冲突；业务类消息也可以考虑将SCH时隙化（不同于TDMA，时隙长度可变），提高SCH的信道利用率。其次，需要适应带RSU和无RSU的通信环境。当车辆在RSU等基础设施完善的道路行驶时，充分利用RSU的辅助优势，统一分配和协调信道资源，避免冲突，提高VANETs的性能；当车辆行驶在偏僻地区或无RSU的环境时，可以自动切换到无RSU的状态，增加控制信息的开销以支持分布式方式运行。这种完全自适应的MAC机制，在任何情况下都能为VANETs提供当前条件下最优的通信性能。

4 结 语

本文介绍了VANETs多信道MAC机制的研究现状，并对相关工作进行了分类总结，分析了VANETs的下一步研究方向。目前，VANETs的多信道MAC机制受网络环境影响较大，未来VANETs的MAC机制应当以更加灵活的方式组建，不仅要满足安全和业务类消息的动态流量需求，也要适应有RSU和无RSU的场景。具体地，有RSU时，充分利用辅助优势提高性能；无RSU时，也能运行且保障网络性能。