0 概述

智能交通系统（Intelligent Transport System，ITS）是将先进的信息技术、通信技术、传感技术以及计算机技术等有效地综合运用于整个交通运输管理体系，在缓解交通阻塞、减少交通事故中发挥着日益突出的作用，成为当前研究热点之一。而车载自组织网络（Vehicular Ad Hoc Networks，VANETs）作为ITS的信息承载平台，更是受到了人们的广泛关注。车载自组织网络是由装载在车上的车载单元（On-Board Unit，OBU）、路边的通信基础设施等组成的自组织无线多跳网络。在车载自组织网络中，车辆需要周期性地交换状态信息以及安全信息等，但是车辆行驶时车速过快、网络拓扑变化频繁和无中心等特性^[1]造成了车联网中车与车之间（Vehicle to Vehicle，V2V）和车辆与路边单元之间（Vehicle to Roadside Unit，V2R）数据传输的不可靠。因此，可靠有效的介质访问控制（Medium Access Control，MAC）协议是人们研究的重点。

MAC协议通常分为基于竞争方式和基于非竞争方式^[2]。竞争方式在车辆密度较大时引起的冲突难以满足安全应用的时延要求，而在非竞争方式中，根据通信资源的分配方式又分为集中式和分布式两种。在集中式方式中，通常会借助路边单元（Road Side Unit，RSU）来进行通信资源分配，以减低冲突的产生，提高通信效率。根据不同服务质量（Quality of Service，QoS）的要求，研究人员提出了不同的方法。文献[3]提出的基于无干扰图TDMA调度（IG-TDMA）协议，通过收集其通信范围内的车辆信息并基于车辆位置和预设的无干扰阈值构建无干扰图，再使用通信链路选择算法决定节点发送的时隙。文献[4]将通信帧分为时间帧管理周期（TMP）、自由传输周期（FTP）和竞争周期（CP）。在TMP期间，RSU估算和预测其通信范围内的车辆数，自适应地确定FTP和CP的时间。文献[5]提出一种QoS感知集中式混合MAC（QCHMAC）协议，将访问时间分为预留周期（RP）和传输周期（TP），在RP内，新加入的车辆根据其优先级由RSU分配TP内的时隙，而在TP内由RP内预留成功的车辆进行通信。文献[6]提出基于捕获感知的TDMA MAC（CT-MAC）协议，RSU根据其通信范围内竞争车辆的估计数，优化每一个通信帧的长度。文献[7]提出了碰撞预测TDMA MAC（CPTM）协议，RSU根据预测即将到来的时隙中的合并冲突，适当地调整车辆的时隙分配，再根据车辆密度比率为不同方向的车辆重新分配时隙。文献[8]提出一种考虑实际环境条件的TDMA MAC（VCAR-MAC）协议，在控制信道上，RSU可以根据实际环境快速识别覆盖范围内的车辆数，确定车辆竞争的最佳时隙数以最小化碰撞的概率。文献[9]提出的多信道MAC（RMM）协议，借助RSU的协调使得车辆在控制信道上对服务信道进行预约，实现了服务信道无竞争的传输。

上述方法需要在路旁安置大量的RSU来进行通信协调，一方面加大了开销，另一方面由于车辆的高速移动的特性，导致车辆与RSU之间频繁切换，还可能提高冲突发生的概率，因此，许多研究开始关注于分布式方式MAC协议。文献[10]提出一种自适应Ad Hoc（A-ADHOC）协议，各个节点根据车辆密度调整每一帧的时隙数。文献[11]提出的VeMAC协议通过在控制信道上提供的广播服务，为在相反方向移动的车辆和RSU分配不相交的时隙集以减少传输冲突。文献[12]提出的移动性感知TDMA MAC（MoMAC）协议，则在考虑到车辆移动性的情况下，根据基础道路拓扑和车道分布为车辆分配时隙。文献[13]则在VeMAC协议基础上，提出无冲突预留的MAC（CFR）协议，该协议根据当前的交通流量动态地调整每个方向和速度级别的时隙数。文献[14-15]提出一种基于博弈论的TDMA MAC协议。文献[16]提出基于自适应帧结构的分布式多通道MAC协议，将控制信道分为基于TDMA的广播周期和基于退避机制的协商周期，车辆可以在广播周期内定期广播消息，而协商周期内则是车辆之间协商使用服务信道的权利。文献[17]提出一种将TDMA和SDMA（Space Division Multiple Access）相结合的改进分布式自适应时分多址分配机制（MDATS）。文献[18]提出的适用于时隙共享的MAC（ASTSMAC）协议，允许在彼此通信范围内的车辆共享同一时隙。文献[19]提出一种基于位置的分布式DTMAC协议，将道路分成若干段，时隙在区域之间重复使用，使得不同相邻区域中的车辆可以同时访问信道而不发生冲突。针对DTMAC中存在的问题即每辆车包含的ID字段（IDF）与每一帧的时隙数相同从而导致大量的开销，文献[20]提出了CTMAC（Cooperative TDMA MAC）协议，通过共享邻居车辆感测到的时隙状态信息，有效减少了数据的负载。

本文提出一种具有竞争和时分复用特点的基于竞争的时分多址协议（Contention-based TDMA MAC protocol，CTDMAC）。将道路按照通信半径分成若干段，每段道路对应帧的一部分，而每部分又分为静态段和动态段，在同一路段的车辆，在静态段使用时分复用的方式进行通信，新进入的车辆在动态段以竞争的方式确定发送时隙，该协议采用分布式方式，具有较大的灵活性。

1 系统模型和问题描述 1.1 系统模型

本文系统研究的场景是高速公路。每辆车都有唯一编号，由于车辆是在高速公路上行驶，在一个较短的时间内，可假设车辆的速度恒定。车辆都装有GPS装置，每辆车通过GPS获得自己的行驶方向、行驶速度和地理位置等，车辆之间同步使用GPS接收器提供的1PPS信号，每辆车通过安装在车上的OBU进行短距离的广播。对于车辆之间的无线通信采用圆盘模型，即两辆车能进行通信当且仅当两辆车之间的欧氏距离小于通信半径。

1.2 问题描述

在车联网中，存在合并冲突和访问冲突^[1]两种冲突。一方面，不在两跳通信范围内使用相同时隙发送数据的车辆由于车辆的移动变成两跳邻居，会发生合并冲突。另一方面，当处在相同两跳通信范围内的车辆试图占用一个时隙时会发生访问冲突。为了能够更好地以分布式方式分配时隙，减少冲突的发生，在下一帧中车辆$ v $需要知道邻居节点的信息，其中包括车辆$ v $可以使用时隙集合$ A\left(v\right) $和车辆$ v $一跳邻居车辆的集合N（v）。

2 CTDMAC协议

本文将道路分成固定的区域，每个区域的长度为车辆通信的半径，区域用$ {x}_{i}\left(i=1, \mathrm{ }2, \cdots , \theta \right) $表示，如图 1所示。

在时间轴上，每一帧分成3个时隙组，分别用$ {S}_{1} $、$ {S}_{2} $、$ {S}_{3} $表示，每个时隙组分别对应高速公路上的各个道路段，如图 2所示。

时隙组和道路段根据下面的规则进行映射：

1）如果$ i\mathrm{\%}3==1 $，则$ {x}_{i} $和$ {S}_{1} $相关联。

2）如果$ i\mathrm{\%}3==2 $，则$ {x}_{i} $和$ {S}_{2} $相关联。

3）如果$ i\mathrm{\%}3==0 $，则$ {x}_{i} $和$ {S}_{3} $相关联。

采用上述方式，可以保证相邻道路段之间发送数据时不会发生冲突。

2.1 协议帧格式

帧信息结构如图 3所示，每个帧包括3个时隙组，每组时隙包括动态段和静态段。动态段由长度较小的竞争时隙组成，用于新加入的车辆竞争静态段中的空闲时隙。静态段由长度相对较大的发送时隙组成，用于交换时隙占用信息和车辆信息。

动态段的数据包结构如图 4所示，其中，$ V\_\mathrm{i}\mathrm{d} $表示车辆号，$ ts $表示车辆在静态段内想要占用的静态段发送时隙。

静态段数据包结构如图 5所示。

在图 5中，$ \mathrm{s}{\mathrm{s}}_{j} $表示时隙$ j $的状态，分别是冲突、空闲或被占用的车辆ID，$ F $表示在区域$ {x}_{i} $中，占用当前时隙的车辆在下一帧开始时是否驶离当前区域，其值为二值变量，含义为：

$ F=\left\{\begin{array}{l}0, \mathrm{车}\mathrm{辆}\mathrm{在}\mathrm{下}\mathrm{一}\mathrm{帧}\mathrm{停}\mathrm{留}\mathrm{在}\mathrm{当}\mathrm{前}\mathrm{区}\mathrm{域}\\ 1, \mathrm{车}\mathrm{辆}\mathrm{将}\mathrm{在}\mathrm{下}\mathrm{一}\mathrm{帧}\mathrm{离}\mathrm{开}\mathrm{当}\mathrm{前}\mathrm{区}\mathrm{域}\end{array}\right. $

(1)

当车辆成功占用一个时隙后，将一直使用此时隙直到其离开该区域。如果一辆车成功占用一个时隙，无论它是否需要在服务信道上传输数据，都需要在该时隙内发送时隙占用信息和标志F信息。

2.2 CTDMAC协议机制

当一辆车启动时，需要尽快得到一个发送时隙发送其数据。任何车辆$ v $进入到一个新的区域$ {x}_{i} $时，为防止它抢占其他车辆已经成功占用的时隙，需要在静态段内侦听邻居车辆发送的数据，来收集其他邻居车辆的信息。通过侦听，车辆$ v $得到$ {x}_{i} $内对应的可用时隙集合$ A\left(v\right) $。侦听结束后，所有新加入的车辆开始通过动态段内的竞争时隙竞争静态段内的发送时隙。

算法1  竞争时隙过程

1.确定车辆所在区域，通过侦听得到可用时隙集$ \mathrm{A}\left(\mathrm{v}\right) $

2.if $ \mathrm{A}\left(\mathrm{v}\right)\ne \left\{\mathrm{\varnothing }\right\} $ then

3. 随机选择一个竞争时隙$ \mathrm{s} $发送数据包；

4. $ \mathrm{s}{\mathrm{s}}_{\mathrm{j}}=\mathrm{I}{\mathrm{D}}_{\mathrm{v}} $；

5. if其他车辆指示成功收到$ \mathrm{s} $发送的数据包then

6. 车辆$ \mathrm{v} $在发送时隙$ \mathrm{j} $发送数据；

7. if其他车辆接收到车辆$ \mathrm{v} $的数据then

8. Successful =1；

9. else

10. Successful =0；

11. $ \mathrm{s}{\mathrm{s}}_{\mathrm{j}}=0 $

12. end if

13. end if

14. if Successful ==0 then

15. 更新$ \mathrm{A}\left(\mathrm{v}\right) $

16. 随机在$ \mathrm{A}\left(\mathrm{v}\right) $中占用一个发送时隙$ \mathrm{k} $

17. if其他车辆接收到车辆$ \mathrm{v} $的数据then

18. Successful =1；

19. else

20. Successful =0；

21. $ \mathrm{s}{\mathrm{s}}_{\mathrm{k}}=0 $；

22. end if

23. end if

24.end if

算法1所示为新加入车辆竞争静态时隙过程的伪代码。车辆$ v $在其所对应的动态段内随机选取一个竞争时隙$ s $发送数据包，并将静态段内的发送时隙$ j $的状态变为占用。新加入的车辆在动态段发送的数据包将会被已经分配好时隙的车辆侦听到。因此，$ v $车辆在动态段内发送的预留请求是否成功，将会由这些车辆发送给车辆$ v $。若其他车辆发送的数据包中含有车辆$ v $的预留请求信息，则车辆$ v $将会在时隙$ j $发送数据，否则，车辆$ v $将释放发送时隙$ j $。

在动态段内尚未预留成功的车辆将会在静态段内重新随机占用空闲发送时隙。如果在$ {x}_{i} $内只有车辆$ v $发送预留时隙请求，则不会发生冲突。此时，车辆$ v $的所有邻居节点$ u\in N\left(v\right) $都将其添加到自己的邻居节点中，并记录时隙被其占用。当有多辆车同时发送预留时隙请求时，则发生冲突。车辆$ v $将会继续发送请求，直到其成功预留一个时隙。

为了在下一帧能得到更多的可用时隙，减少访问冲突发生的次数，车辆在离开当前区域之前，将标志F设置为1，以指示在下一帧释放占用的时隙。

3 访问冲突分析

假设道路的长度为L，在道路段$ {x}_{i} $内有m辆新加入的车辆，动态段内竞争时隙的个数为n，则在动态段内成功发送的概率为：

$ {p}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}=\frac{{A}_{n}^{m}}{{n}^{m}} $

(2)

在静态段内成功占用发送时隙的概率为：

$ {p}_{\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{c}\mathrm{c}}=\frac{{A}_{n}^{m}}{{n}^{m}}\cdot \left(\frac{1}{{\alpha }_{i}-{\beta }_{i}-{N}_{\mathrm{s}\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{e}\mathrm{d}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{e}\mathrm{d}}}\right) $

(3)

其中，$ {N}_{\mathrm{s}\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{e}\mathrm{d}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{e}\mathrm{d}} $表示上一帧中已经被分配好时隙的车辆的个数，$ {\alpha }_{i} $、$ {\beta }_{i} $分别表示道路段$ {x}_{i} $对应的第一个发送时隙和最后一个发送时隙，则在动态段内成功竞争时隙的车辆数$ \mathrm{S}\mathrm{u}\mathrm{c}{\mathrm{c}}_{tp} $为：

$ \mathrm{S}\mathrm{u}\mathrm{c}{\mathrm{c}}_{tp}=m\cdot \frac{{A}_{n}^{m}}{{n}^{m}}\cdot \left(\frac{1}{{\alpha }_{i}-{\beta }_{i}-{N}_{\mathrm{s}\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{e}\mathrm{d}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{e}\mathrm{d}}}\right) $

(4)

则未成功占用时隙的车辆数为：

$ \mathrm{U}\mathrm{n}\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{c}{\mathrm{c}}_{tp}=m-m\cdot \frac{{A}_{n}^{m}}{{n}^{m}}\cdot \left(\frac{1}{{\alpha }_{i}-{\beta }_{i}-{N}_{\mathrm{s}\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{e}\mathrm{d}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{e}\mathrm{d}}}\right) $

(5)

在动态段内没成功占用时隙的车辆将会在静态段内再次占用时隙，则此时其可用时隙为：

$ \begin{array}{l}{N}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\_\mathrm{s}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{t}}={\alpha }_{i}-{\beta }_{i}-{N}_{\mathrm{s}\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{e}\mathrm{d}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{e}\mathrm{d}}-\\ \qquad\qquad m\cdot \frac{{A}_{n}^{m}}{{n}^{m}}\cdot \left(\frac{1}{{\alpha }_{i}-{\beta }_{i}-{N}_{\mathrm{s}\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{e}\mathrm{d}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{e}\mathrm{d}}}\right)\end{array} $

(6)

因此：

$ {p}_{ij}=\frac{{A}_{{N}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\_\mathrm{s}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{t}}}^{\mathrm{S}\mathrm{u}\mathrm{c}{\mathrm{c}}_{tp}}}{{N}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\_\mathrm{s}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{t}}^{\mathrm{S}\mathrm{u}\mathrm{c}{\mathrm{c}}_{tp}}} $

(7)

其中，$ {p}_{ij} $表示车辆在道路段$ {x}_{i} $内一辆车成功占用发送时隙$ j $概率。

$ {P}_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{l}-\mathrm{a}\mathrm{c}}=1-{P}_{\mathrm{n}\mathrm{o}-\mathrm{a}\mathrm{c}} $

(8)

$ {P}_{\mathrm{n}\mathrm{o}-\mathrm{a}\mathrm{c}}=\sum\limits _{i=1}^{N}{P}_{\mathrm{n}\mathrm{a}\mathrm{c}\mathrm{i}}=\sum\limits _{i=1}^{N}\sum\limits _{j={\alpha }_{i}}^{{\beta }_{i}}{p}_{ij}\cdot \prod\limits _{k=2}^{{A}_{i}}\left(1-{p}_{ij}\right) $

(9)

其中，$ {P}_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{l}-\mathrm{a}\mathrm{c}} $表示总的访问冲突的概率，$ {P}_{\mathrm{n}\mathrm{o}-\mathrm{a}\mathrm{c}} $表示车辆没有发生冲突的概率，则各个道路段平均发生冲突的概率为：

$ {P}_{\mathrm{a}\mathrm{v}\mathrm{e}\mathrm{r}-\mathrm{a}\mathrm{c}}=\frac{1}{\theta }\cdot {P}_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{l}-\mathrm{a}\mathrm{c}} $

(10)

4 仿真结果与分析

本文使用MATLAB作为仿真工具对所提出的协议进行仿真验证，基于以下4个方面对仿真结果进行评估：

1）新加入车辆成功预留时隙的速度，表征为访问延迟。

2）访问冲突率，每个时隙每个区域的平均访问冲突数。

3）数据包丢失率，未成功发送的信息总数与总的发送信息数的比值。

4）系统吞吐量，成功占用时隙的车辆总数与可用时隙总数的比值。

本文使用车辆密度作为衡量道路车辆多少的度量单位^[17]，其值为$ \frac{M\times R}{L\times {T}_{s}} $，其中，M为车辆总数，R为车辆通信半径，L为道路长度，$ {T}_{s} $为当前道路段内的发送时隙数。

在本文的仿真中，一帧的时间为100 ms，其中，包含静态段内99个时长1 ms的发送时隙和动态段内时长100个0.01 ms的竞争时隙。$ {S}_{1} $、$ {S}_{2} $分别使用33个发送时隙和33个竞争时隙，剩下的一个竞争时隙不使用。所有车辆的消息都是周期性的，车辆密度变化范围为0.1~0.9，实验中使用的仿真参数如表 1所示。

4.1 新加入车辆成功预留时隙的速度

本文比较了在不同可用时隙个数和新加入车辆的情况下的预留速度，结果如图 6所示。其中，N为可用时隙的个数，K为竞争时隙的车辆数，n为帧的个数，实线表示CTDMAC的结果，虚线表示DTMAC的结果。

从图 6可以看出，当参与竞争时隙的车辆数与可用时隙数相差过大时（如K=5，N=15或者K=7，N=20），两种协议之间的差异并不大。但是当参与竞争时隙的车辆数与可用时隙数相差较小时（如K=15，N=15或者K=17，N=20），因在每一组发送时隙之前加入了用于协商的竞争时隙，CTDMAC在新加入车辆预留速度上表现了很好的性能，其预留发送时隙的时间减少了3个帧。当车辆密度较大时，产生冲突的车辆数将会增多，冲突率将会变大，而在DTMAC中没有竞争时隙机制，故CTDMAC可以更快地使新加入的车辆得到时隙，更加适合车辆密度较大的情况。

4.2 访问冲突率

图 7所示为两种调度方案在不同车辆密度下的访问冲突概率。CTDMAC的访问冲突率远小于DTMAC的访问冲突率，特别是当车辆密度大于0.5时。当车流量达到0.9时，CTDMAC的访问冲突率是3.222%，但是，DTMAC的访问冲突率达到了9.595%，大约减少了1/3。上述结果表明，CTDMAC减少访问冲突率明显优于DTMAC。因为CTDMAC在每一个时隙组前增加了动态段供新加入的车辆竞争空闲时隙，所以在静态段内产生的冲突明显减少。

4.3 数据包丢失率

图 8所示为不同车辆密度下两种不同的调度数据包丢失率。仿真结果显示，CTDMAC在相同的车流量密度下数据包的丢失率明显比DTMAC小。在相同的车辆密度下，两种调度需要发送的数据包总量是相同的，因为CTDMAC在每一个时隙组前加入了可以使加入的车辆竞争发送时隙的动态段，而且本文增加了车辆是否离开当前区域的判定，减少了对总数据包的错误计算，故CTDMAC的数据包丢失率比DTMAC小。

4.4 系统吞吐量

图 9所示为不同车辆密度下两种调度方案的系统吞吐量。随着车辆密度的增加，两种调度方案的系统吞吐量都是增加的，这是因为在一个帧中，随着车辆密度的增加，成功占用时隙的车辆数也在增加。从图 9可以看出，由于在每一组时隙之前加入了动态段用于新加入的车辆竞争发送时隙，CTDMAC的系统吞吐量优于DTMAC，而且两者之间的差异变得越来越大。当车辆密度达到0.8时，DTMAC的系统吞吐量只有0.527，而CTDMAC的系统吞吐量达到了0.693。

5 结束语

本文提出一种基于竞争的时分多址协议。该协议将通信帧分为动态段和静态段，新加入的车辆在动态段中竞争静态段内的发送时隙，而在静态段内发送数据。仿真结果表明，当车辆密度较大时，CTDMAC能够明显降低访问冲突及网络的丢包率，增加系统的吞吐量。本文只考虑控制信道而没有考虑服务信道，后续将继续研究MAC协议，进一步提高信道资源的利用率，避免车辆数据发生冲突。