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用于车载自组织网络的方向感知的基于聚类的多信道MAC协议
摘要：本文提出了一种基于方向的聚类和多通道媒体访问控制（DA-CMAC）协议，用于车载Ad Hoc网络（VANETs）。相反方向行驶的车辆可能会导致短时间的通讯。由于通信周期短，采用基于移动方向的集群可以降低重构成本。每个集群由集群头（CH）和集群成员（CM）组成。CH根据资格函数计算优先级，并根据连接的邻居数，平均速度偏差以及邻居与自身之间的平均距离为每个CM分配唯一的优先级。集群是独立管理的，并在本地重新配置为车辆旅行。此外，CH管理信道接入并为其CMs分配时隙。DA-CMAC旨在通过根据移动方向将时隙分组为两组来减少通道中的访问和合并冲突。每个CM在控制信道周期（CCP）和服务信道周期（SCP）中分配有一个时隙，以实现信道接入的公平性。仿真结果表明，该协议提高了分组的可靠性，减少了由于车辆移动性造成的接入冲突。
1.介绍
VANETs是智能交通系统（ITS）的重要组成部分，其技术发展迅猛。VANETs通信可以分为车辆对基础设施（V2I或I2V）和车辆对车辆（V2V）通信[1]。安全和非安全应用程序都是基于V2I和V2V通信构建的。只有提高V2I和V2V通信的可预测性、可伸缩性和可靠性，这些应用程序才能提高交通安全。交通安全信息应在VANETs中以最高优先级传递。而且，这些消息的长度较短，为200字节。
在欧洲，ETSI已经为VANETs通信分配了50MHz频段。其中，5.875-5.905 GHz频段的频谱用于交通安全应用。5.855-5.875 GHz的20 MHz频段用于非安全应用。专用频带已分为10 MHz频道。IEEE 1609 WAVE是VANETs的一个标准系列。在此标准中，VANETs通信存在七个预定频率信道，包括一个控制信道（CCH）和六个服务信道（SCH），其可用于WAVE协议栈的操作。WAVE协议栈由四部分组成。IEEE 1609.4[2]是其中之一，它在MAC层中的IEEE 802.11p之前运行。WAVE组1609.4负责实现VANET中多通道的功能。在WAVE中，同步间隔（SI）是100毫秒，其被分成相等长度的CCH间隔（CCHI）和SCH间隔（SCHI）。CCHI和SCHI之间由一个保护间隔(4 msec)分隔，如图1所示。
图一
VANETs具有一些独特的特性，例如高车辆移动性，动态拓扑和短链路周期等[3]。VANETs被限制在道路结构之内，并且排成纵队行进，在速度和加速度方面与相邻车辆有相似的特性。一些沿相反方向行驶的车辆可能在短时间内成为邻居。此外，通过对沿相同方向行进的车辆进行分组可以提高集群结构的稳定性。此外，聚类方案[4]-[5][6]结合MAC协议可以减少信道访问延迟，数据冲突并提高安全和非安全应用的可靠性。然而，为VANET设计一种可靠且有效的基于聚类的MAC协议是一项非常具有挑战性的工作。
在本文中，我们提出了一种DA-CMAC协议，以提高交通安全信息的传输可靠性。该协议的主要目标是基于方向形成集群，并以最小的访问和合并冲突来调度信道访问。在DA-CMAC协议中，车辆根据交通特征(位置、速度和连通性)被组织成不同的状态。车辆可以采用不同的状态，如未确定状态(US)、集群成员(CMs)、CHs、备份CH (BCH)和网关车辆(GVs)。DA-CMAC协议的目的是减少形成集群所需的初始时间。此外，备用CH (BCH)的优先级是根据车辆的未来位置和连接车辆的数量来设置的。此标准有助于提高集群拓扑的稳定性并减少CH更改的数量。根据车辆与其相邻车辆的平均速度偏差、所覆盖的相邻车辆的总数量、行驶方向以及车辆与其相邻车辆之间的平均距离，利用资格函数选择一个最小控制集(MDS)。由于所有集群管理信息都添加到车辆状态消息中，因此在集群形成和CH选择期间创建的开销最小。DA-CMAC协议通过预测集群中所有车辆的未来位置来控制重新配置，并基于散列函数为车辆分配优先级。而且，此外，这还增加了集群结构CH和CMs的寿命。
当车辆的移动性改变集群的拓扑时，集群维护很重要。在本文中，我们讨论了可能导致集群更改和每个集群中车辆状态的不同场景。此外，该协议在集群中安排通道访问，并由CH管理信道访问。信道中的时间分为多个周期，每个周期被等分为CCP和SCPo。CCP被分成等长度的时隙，CH根据本地标识符（ID）为CM分配时隙。在CCP期间将使用CCH来传递安全信息。在SCP期间将使用服务信道（SCH）来发送非安全消息。第一个插槽总是被保留，这个插槽被划分为小插槽。
本文的其余部分安排如下：在第二部分，介绍了有关VANETs的集群形成，CH选举和MAC协议的相关工作。第三部分介绍了问题的定义和解决方案。第四节介绍了CH选举的细节。第五部分提出了时隙分配方案。第六部分讨论了在群集维护期间发生的不同方案。第七部分给出了仿真结果，对提出的方案进行了评价。第八部分为结论。
2.相关工作
集群 [7]是一种将具有共同特征的少量车辆分组为称为集群的可管理实体的方法。其可以解决带宽分配、通道访问和路由等重要功能。但是，需要一个主车辆来同步和调度对集群中所有车辆的信道访问。此外，本节还讨论了一些著名的基于集群的MAC协[11]0[11]1[8][9][10][11][12][13][14][15][16][17]。
在分层聚类算法（HCA）[8]中，作者提出了一种新的最大四跳范围聚类算法。HCA协议调度集群内的传输和信道访问，以确保可靠的通信。但是，它不适合实时安全应用。此外，由于集群间干扰，开销和分组丢失增加。HCA不考虑运动方向，降低了聚类的稳定性和CH持续时间。
在[9]中，作者提出了一种基于集群的VANETs的混合MAC协议。此外，他们试图限制网络中形成的集群总数。在[10]中提出了一种基于分布式集群的多信道通信协议，它将基于竞争的MAC协议和无争用的MAC协议与集群技术相结合。在论文[11]，[12]中，作者介绍了一种新型的基于聚类的MAC协议，以最大限度地减少隐藏终端问题。然而，该方案不适用于高密度场景，因为当车辆密度增加时，集群稳定性会降低。
在[13]中，引入了基于区域的聚类机制（RCM）来提高VANETs的MAC协议的可扩展性。在RCM中，网络被划分为多个空分单元，并且每个划分单元限于固定数量的车辆以避免信道的争用。此外，还为一个区域分配了一个非干扰无线电信道池。因此，满足通道的车辆数量减少了，从而增加了吞吐量。但是，[13]中的方法在流量稀疏的情况下提供低信道池利用率。
在[14]中，提出了TC-MAC协议以减少干扰并在集群中的车辆之间提供信道接入的公平性。TC-MAC是集中式集群管理技术和TDMA信道接入的组合。在TC-MAC中，群集中的所有车辆被给予不同的时隙以用于无冲突信道接入。但是，它的延迟是不能容忍的，不适合安全应用。
ADHOC MAC[15]是一个基于时分多址(TDMA)的协议，是针对V2V通信而提出的。在ADHOC MAC中，时间槽被分配给不同的CMs，所有的时间槽被分组到虚拟帧中。在ADHOC MAC中，不需要帧同步。然而，由于车辆的移动性，ADHOC MAC的吞吐量下降。
VeMAC[16]是一种基于多信道TDMA的MAC协议，其中单跳和多跳广播通信由控制信道控制。此外，VeMAC消除了隐藏的终端问题。另外，为避免在控制通道内发生碰撞，还为车辆分配了不相交的时段组。然而，在稀疏和动态流量的情况下，许多插槽被浪费了。
在[17]中，作者提出了一种帧长度为100毫秒的多信道MAC协议。专用多信道MAC（DMMAC）[17]使用自适应广播来消除传输冲突并提供可预测的分数据包交付。帧长度被分成两个大小相等的间隔CCH和SCH。但是，本文没有讨论如果车辆在一段时间内与网络断开连接会发生什么。
在本文中，我们提出了DA-CMAC协议，该协议通过根据移动方向形成集群来创建稳定可靠的集群结构。DA-CMAC根据资格函数在每个集群中选择一个CH。资格函数基于连接的邻居的数量，速度偏差和到其邻居的距离。选出的CH将为其CMs安排频道访问。此外，DA-CMAC将时间分为多个周期，每个周期均分为CCP和SCP，SCP和CCP分为相等的时隙。SCP和CCP中的时隙根据行驶方向分组为不同的不相交集。这种不相交集有助于改善由于VANETs的移动性而发生的可靠性约束。此外，双向行驶的车辆在CCP和SCP中至少接收一个插槽，通过该插槽，可以确保生成的安全和非安全消息将在截止日期或可预测的延迟内交付。还有，通过为每个车辆分配一个插槽显示了信道接入的公平性。
3.问题定义和解决方案
基于方向的聚类的主要目的是实现相对稳定的集群拓扑，因为通过对沿同向行驶的车辆进行分组可以增加成员的生命周期并减少由于频繁的集群重新配置而产生的开销。此外，每个集群需要选择CH来调度信道接入。利用图论可以利用图论可以解决稳定聚类和CH选择的问题。此外，利用最小连通控制集[18]可以从MDS中得到最优的聚类数，从而解决聚类稳定问题。在DA-CMAC中，无向图用于表示VANETs。在本文中，我们的目标是在G中获得一个MDS，如下所述，并减少由于车辆流动性而导致的CH重选的次数。在第一部分中，我们将介绍贯穿全文的每个概念和定义：
无向图G=(V,E),V是一组行驶方向相同的车辆, Esube;Vtimes;V是一组链接在彼此通信范围内的车辆或彼此之间的距离小于集群半径L。
图G=(V,E)的MDS(S)是V(Ssube;V)的子集，使得S中的每辆车都在V中的至少一辆车的传输范围内。
CH是MDS的成员之一。CH为集合V中的一些成员或至少一个成员组织和调度通道访问。
GV是指在S中两辆车之间有直接连接的车辆。
集群是指以相同方向行驶的一组车辆，它们之间的距离小于或等于Lr。每个集群至少有一个CH，并且可以有一组GVs。集群是具有相同CH的车辆的子集。
是第个聚类在l方向上运动的CH, 是第个聚类在l方向上运动的 的CM，具有第j个传输时隙，对于visin;V，聚类内每辆车分配一个唯一的传输时隙。
集群中的每个成员都有一个本地ID和一个全局ID, CH根据本地ID分配插槽，网络中的每个车辆都携带(gi,li,CH,bch,g,d,sl,s,n,p)，其中gi:全局ID;li:本地身份证;ch:ch ID;bch:备份CH ID;g:地理位置;d:方向(0朝向头部或1朝向尾部);sl:它在下一帧中有自己的插槽;s:车速;n:连通邻居数;p:车辆优先级。在本文中，我们假设CH为每个进入的车辆分配一个大于1的本地ID。为达到聚类的目的，每辆车都维护着自己和邻近车辆的少量信息。车辆定期广播状态信息，集群信息嵌入到状态信息中。
图二
MDS的初始创建包括以下4个阶段:
快速选择一个相对稳定的CH.
快速选择属于所选CH的CMs .
快速选择GVs的尾部和头部列表。
在CCP和SCP中为所有CMs和gv分配插槽。
图2显示了车辆在网络中的可能角色和转换。图中的状态表示网络中的相关角色(CH管理调度)，行表示从一个状态到另一个状态的转换。在这个协议中，我们认为车辆有五个不同的角色。他们是US，CH, CM, BCH和GVs。US是执行该算法的所有车辆的初始角色。所有CMs定期向其CH发送状态/更新消息，GVs是那些连接到多个CHs的车辆。GVs用于将一个集群的控制信息或插槽信息转发到另一个集群。CH管理和调度集群成员的通道访问(CH是最小支配集S的成员)。CH维护两个GVs列表。网关头列表(GHL)和网关尾列表(GTL)。GTL集合是所有GVs的一组，其位置在CHs位置之后，按降序排列。GHL列表包含所有位置大于按升序排序的CHs位置的网关车辆。CH会根据拓扑变化不断更新这些列表。
4.集群头选举
在选择CH时，我们考虑了不同的因素，任何车辆都应该只考虑与自身距离一跳的车辆的参数。太多的CHs在同一组车辆周围会导致没有MDS[18]。邻居的信息有助于实现MDS。CH根据之前收到的状态消息计算所有已注册车辆的优先级。在设计计算优先级时，我们做了各种假设。我们做了两个假设，一是没有两辆车可以在它的一跳邻居或集群中获得相同的优先级。二是相邻的两辆车在网络中行驶时不可能有相同的瞬时速度。这意味着两辆车之间的相对速度不可能总是零。车辆只有在满足下列条件时才成为CH。
在同一方向和在其一跳邻区行驶的车辆中，车辆具有最高优先级。
每辆车计算连接集(CS)。整个CSbeta;,最大数量的车辆一跳邻居车辆我。这是表示为
其中j为相邻车辆的潜在一跳。C(i,j,t)=1如果我和j都在彼此在时间t的传输范围。此外,C(i,j,t)=0如果我和j不在彼此在时间t的范围。此外, 我们已经确定了一辆车和所有其他沿同一方向行驶的邻居之间的CS数量。
每辆车使用式(4)计算出所有邻居与自己的平均距离，表示邻居与一辆车的距离。考虑到这个参数，可以降低分组延迟，提高CH的生存期。
考虑到vanets的流动性。每辆车的平均差异计算速度之间车辆及其所有CMs使用方程(6)。该参数是用来避免当选CHs很快失去连通性与邻国的资格车辆时应迅速降低它的速度从平均速度有很大的不同。因此，速度偏差较大的车辆优先级较低。
总的来说，为了避免选举的CH很快失去与邻居的联系，当车速与平均速度有很大差异时，当彼此之间的距离很大时，车辆的资格应该迅速减少，并且连接的邻居的数量是减。因此，车速偏差大、邻域数少、邻域间距离最大的车辆优先级应较低。在考虑上述标准的同时，可以使用许多可能的解决方案来计算车辆的优先级。我们定义车辆pi的优先级为
哈希函数用于根据本地ID的输入、车辆的未来位置和资格函数为车辆i生成唯一的优先级。资格函数Ei定义为
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