车载环境下无线接入系统中EDCA方式的应用-毕业论文

PAGEPAGEI学校代码：10184学号：2084020253学校代码：10184学号：2084020253延边大学本科毕业论文本科毕业论文题目：题目：车载环境下无线接入系统中EDCA方式的应用学生姓名：林静学院：工学院专业：电子信息工程年级：2008级指导教师：朱东弼副教授二〇一二年六月延边大学本科毕业论文PAGE摘要近年来，随着汽车工业的普及，私家车数量的激增，道路拥塞的日益严重，交通事故的频发，以及各式各样车载设备的不断涌现，车载通信领域的研究引起了人们极大的关注。如何创建高性能、安全的车载通信网络给无线研究者们提出了新的挑战。然而，已提出的车载环境下无线接入（WAVE）技术仍存在一些不足。本文首先介绍了WAVE的概念及现有的多信道MAC机制，其次阐述了EDCA（EnhancedDistributedChannelAccess）方式，即增强型分布式信道访问。随后提出引入EDCA方式能够在一定程度上提高系统性能及服务质量（QoS），并实现在整个CCH间隔中即时传送安全信息（SafetyInformation），从而更大程度上满足人们对车载通信日益增加的需求。在车载无线接入系统中，需要较高的服务质量和实现在整个CCH间隔中即时传送安全信息。因此，本文分析了EDCA的原理及优点，以现有的多信道MAC机制为基础，针对其不足之处，提出了在MAC层中引入EDCA方式代替原有的DCF（DistributedCoordinationFunction）方式，满足了以上要求。关键词：车载环境下无线接入；增强型分布式信道访问；媒体接入控制；服务质量AbstractWiththeprevalenceofVehicleIndustry,theboomingnumberofprivatecars,theseverecircumstanceofcongestedtraffic,thefrequentoccurrenceoftrafficaccidents,andthecontinuousimprovementofvehicularequipments,theareaofVehicularCommunicationarouseourstrongattentionintherecentcoupleofyears.HowtobuildtheVehicularCommunicationNetworkwithhighperformanceandsafetygivestheresearchers,whomfocusonwirelessarea,abrandnewchallenge.Nevertheless,thegivenWAVE(WirelessAccessinVehicularEnvironments)techniquestillhassomeimperfections.Inthispaper,weintroducedtheconceptionofWAVEandMulti-channelMACMechanism.Then,wedescribetheEDCAmode,thatis,EnhancedDistributedChannelAccess.Later,webringEDCAtothesystemwhichcanimprovetheperformanceandQoSofWAVEsystem,alsorealizetheimmediateSafety-InformationtransmissionintheentireCCHInterval.Thus,itcansatisfytheincreasingdemandsofVehicularCommunication.IntheWAVEsystem,weneedhighQoSandalsotherealizationoftheimmediateSafety-InformationtransmissionintheentireCCHInterval.Thus,weanalyzedtheprincipleandadvantagesofEDCA,andthenwesatisfiedtheaboverequirementsbyintroducingtheEDCAmodetoreplacethecurrentDCF(DistributedCoordinationFunction)modeofWAVE.Keywords:WirelessAccessinVehicularEnvironments;EnhancedDistributedChannelAccess;MediaAccessControl;QoS

目录摘要 IAbstract II引言 1第一章绪论 21.1课题背景 21.2车载环境下无线接入技术的研究现状 31.3研究目的和意义 4第二章车载环境下无线接入技术 52.1WAVE网络架构及组成部分 52.1.1WAVE网络架构 52.1.2WAVE组成部分 62.2WAVE协议栈及功能 62.2.1IEEE802.11p 72.2.2IEEE1609协议族 72.3WAVE通信过程 82.4WAVE的MAC层构成 92.4.1MAC下层—基于IEEE802.11p 102.4.2MAC上层—基于IEEE1609.4 10第三章EDCA方式的研究 123.1EDCA简介 123.2EDCA的工作原理 123.3EDCA的优点 14第四章车载环境下无线接入系统中EDCA方式的应用 164.1静态多信道MAC机制 164.2动态多信道MAC机制—VCI多信道MAC机制 164.3VCI多信道MAC机制的改进方面及优缺点 174.3.1VCI多信道MAC机制的改进方面 174.3.2VCI多信道MAC机制的优点与不足 184.4在车载环境下无线接入系统中EDCA方式的应用 19结论 21参考文献 22谢辞 23引言近年来，关于车载无线自组织网络VANET（VehicularAdHocNetwork）的研究引起了学术界和工业界的极大兴趣。而创建高性能、高扩展性、安全的车用自组织网络（VANETs）给无线研究者们提出了新的挑战。现阶段，各国已提出并制定了自己的VANET发展计划和研究项目，而WAVE由于具有更容易部署，成本更低，更加符合商业模式角度的优点而成为改进VANET首要考虑和研究的技术，因此，与WAVE相关的工程和研究项目也相继被提出。为了达到车载通信降低事故概率、减少道路拥塞、提供增值业务的愿望，我们还需要进一步去探讨和研究。而WAVE中MAC层的改进是车载无线通信中提高系统性能的重要研究课题，所以本文对WAVE中基于EDCA方式的MAC机制进行了研究。第一章绪论1.1课题背景近年来，VANET（VehicularAdHocNetwork）即车载无线自组织网络的研究受到了学术界和工业界的高度关注。VANET是指在交通道路上车辆之间、车辆与固定接入点之间相互通信组成的开放移动Adhoc网络，其目标是为了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，以实现事故预警、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。当前车载无线网络技术的研究焦点聚集在基于车载自组织网络的车到车（VehicleToVehicle，V2V）与车到中心台（VehicleToInfrastructure，V2I）的通讯技术。

早在1992年，美国材料试验协会（ASTM）就已经开始制定专用近程车间通信技术（DedicatedShortRangeCommunication，DSRC）标准，以用于高速公路电子收费系统。当时确定的DSRC标准采用915MHz频段，频段宽度仅能支持0.5Mbps的传输速率。随着交通领域信息化的不断发展，仅0.5Mbps的传输速率，和30米的传输距离，无法满足新提出的各种车载无线网络应用的要求。因此，美国于1999年提出新一代的DSRC，即WAVE技术[1]。2003年，WAVE技术应用新一代DSRC国家标准ASTME2213-03。ASTME2213-03标准的物理层和数据链路层是在IEEE802.11p的基础上制定的，采用美国联邦通信委员会FCC分配给ITS的5.9GHz频段，其中WAVE工作于5.850~5.925GHz。WAVE采用OFDM传输技术，能够达到6~27Mbit/s的信息传输速率。此外，WAVE的通信距离可达到1000米，相对于之前的DSRC标准的30米通信距离有显著提高[2]。美国材料试验协会将DSRC标准的制定工作转到IEEE下面进行，即现在正在制定中的IEEE802.11p标准。这是目前唯一正在制定之中的WAVE通信协议标准，其中包含MAC层和PHY层协议。与此同时，VANET上层协议的制定也在同步进行，即IEEE1609协议簇，其中包含了1609.0（体系结构描述）、1609.1（资源管理）、1609.2（安全服务）、1609.3（网络服务及通信服务）、1609.4（服务信道管理）等，与802.11p构成完整的WAVE协议栈。除了美国之外，欧洲和日本也分别制定了自己的WAVE发展计划以及研究项目，包括欧洲的SafeSpot、FleetNet、NetworkonWheels、CIVIC、PReVENT、CarTALK2000等。并且成立了车载通信联盟（Car2CarCommunicationConsortium），以及日本汽车行驶电子技术协会（JSK）领导的AssociationofElectronicTechnologyforAutomobileTrafficandDriving和GroupCooperativeDriving以及InternetITS等WAVE相关的工程和研究项目。1.2车载环境下无线接入技术的研究现状车载通信具有车辆高速行驶、移动区域受限、网络拓扑变化快、通信过程频繁中断、以及要求私密性等特点。由于基于WAVE的应用更容易部署，成本更低，更加符合商业模式，同时WAVE的标准化工作正在顺利进行中，所以关于WAVE的架构及通信过程成为了研究者们首先要关注的问题。关于WAVE演示系统的研究，美国的加州大学洛杉矶分校、俄亥俄州立大学、乔治亚理工大学等都有系统原型发布。具体而言，主要有瑞士洛桑联邦理工大学（EPFL）研发的TraNS，美国加州大学等研发的GrooveNet，台湾交通大学开发的一种网络模拟与仿真软件NCTUns等；相应的还有一些场景产生软件，如VanetMobiSim[3]。目前，WAVE物理层采用OFDM调制方式，其MAC层去除了主动扫描、关联和认证等协议流程，使得WAVE应用能够在尽可能短的时间内高效完成。同时，MAC层中引入了多信道协作机制，以达到更高的传输速率。除此之外，在性能上也得到很大提高。IEEE802.11p最高传输速率可以达到27Mbit/s，传输范围达1km，支持高达500km/h的运动速度，可以对抗有多条长时延的反射径的环境。除此之外，IEEE802.11p对IEEE802.11还进行了多项针对车载环境的改进，如热点间切换更先进、支持移动环境、增强了安全性、加强身份认证等，同时也为不同厂商产品间的互通性提供了参考标准[4]。IEEE1609协议族依赖于IEEE802.11p协议，完整地解决了车载终端中关于互通性的通信接口问题，而且为每一层的顺利完成分别制定了相应的标准参数和技术指标，为高速（最大27Mbit/s）短距离（最大1km）低时延的车载环境下的无线通信定义了架构、通信模块、管理结构、安全机制和物理接入。由此可见，车载通信标准化工作的进一步完善，各国对车载通信研究的重视，各研究机构对车载通信的试验阶段的逐步成熟，以及相关技术的研究实施，都为车载通信的发展以及其中的关键技术WAVE的发展提供了有力支撑。1.3研究目的和意义车载环境下无线接入(WAVE)技术作为一种网络技术，能够提供高速的V2V和V2I数据传输，基于WAVE的应用更容易部署，成本也更低，更加符合商业模式的角度。目前，已经提出了WAVE相关的试用标准，同时研究领域也对WAVE投入了广泛关注。对于WAVE的研究很重要的一个方面即是对其MAC层的研究。WAVE的MAC层向网络中的节点提供了物理寻址和信道接入控制，为上层提供快速、可靠的报文传输支持。特别在无线网络中，MAC协议能否有效地利用无线信道的有限带宽，将对无线网络的性能起着决定性作用。对于WAVE来说，MAC层除了考虑接入公平性、隐藏终端、暴露终端等AdHoc网络的普遍问题外，还需考虑以下特殊因素：不同类别应用优先级、低传输延时、可靠传输等。因此MAC协议需要具备以下特征：支持车辆高速移动性，保证通信的实时性和可靠性，具有较好的可扩展性，具有较高的带宽利用率，采用分布式自组网方式，为每个用户提供公平的通信机会，提供高效、及时的广播机制。由于WAVE系统中MAC标准正处于不断发展的阶段，MAC机制有待于进一步的完善。因此，在WAVE中MAC机制改善方案的研究具有重要的意义。\o"襄阳人家"襄阳人家

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圈子社区|第二章车载环境下无线接入技术 车载环境下无线接入（WAVE）技术是下一代专用短距通信（DSRC:DedicatedShortRangeCommunication）技术，能够提供高速的V2V和V2I数据传输，主要可以用于智能交通系统（ITS:IntelligentTransportationSystem），车辆安全服务以及车上因特网接入。下面我们介绍基于WAVE的车载通信系统。2.1WAVE网络架构及组成部分2.1.1WAVE网络架构从宏观上而言，WAVE的通信方式，主要包含V2V之间的通信，V2I之间的通信，以及车辆和便携设备（V2P:VehicleToPedestrian）之间的通信。WAVE通信的网络架构如图2.1所示：车上单元（OBU:OnBoardUnit）之间、OBU和行人（Pedestrian）之间组成小型的无线ad-hoc网络，完成安全、娱乐等信息的交互；OBU还可以通过路边单元（RSU:RoadsideUnit）以有线或者无线的方式和互联网、移动通信网络、无线局域网等网络相连接，完成信息的交换。其中，OBU为车辆上安装的片上单元，RSU为路边单元，Pedestrian代表路边行人身上携带的便携设备[2]。图2.1车载通信的网络架构2.1.2WAVE组成部分WAVE中的模块主要包含OBU、RSU、传感器、以及WAVE中为了实现互通性而提供的通信接口。基于嵌入式处理单元的OBU，相当于802.11网络中的STA，即通信系统中的移动终端，不同OBU只是通信方式和频率的差异；RSU相当于802.11中的AP，主要负责车载单元的接入，以及与其他网络的互联。在没有RSU的情况下，OBU之间组成移动的车载自组织（ad-hoc）网络。如图2.2所示，RSU和OBU利用WAVE协议栈通信，从而完成应用报文的交互过程。相关的协议栈及其功能将在下一节具体描述。图2.2WAVE组成部分2.2WAVE协议栈及功能WAVE通信协议标准包含MAC层协议，PHY层协议和上层IEEE1609协议族。IEEE1609协议族包含了1609.0（体系结构描述）、1609.1（资源管理）、1609.2（安全服务）、1609.3（网络服务及通信服务）、1609.4（服务信道管理）等，与802.11p构成完整的WAVE协议栈[5]。WAVE标准采用了基于802.11p的协议架构，达到获得更高的通信速率和更大的传输范围，以及与现有的Internet和移动通信网络更好地融合的目的。WAVE标准通过一系列的服务和接口被标准化使得V2V和V2I通信变得更加安全可行，也为车载环境下更广范的应用（包括车辆安全、自动计费、增强型导航和交通管理等）提供了基础。WAVE协议栈以经典的OSI七层模型为参考，同时分为管理平面和数据平面如图2.3所示，管理平面负责协议栈的参数以及行为控制，数据平面负责传输有效数据信息。图2.3WAVE协议栈2.2.1IEEE802.11pWAVE物理层采用OFDM调制方式。MAC层去除了主动扫描、关联和认证等协议流程，使得WAVE应用能够在尽可能短的时间内高效完成；同时引入了多信道协作机制，以达到更高的传输速率；从性能上看，IEEE802.11p最高传输速率可以达到27Mbit/s，传输范围达1km，支持高达500km/h的运动速度，可以对抗有多条长时延的反射径的环境，但是WAVE设备的有效传输距离为300m，此时的传输速率为6Mbit/s。从技术上来看，IEEE802.11p对IEEE802.11进行了多项针对车载环境的改进，如热点间切换更先进、支持移动环境、增强了安全性、加强身份认证等，同时也为不同厂商产品间的互通性提供了参考标准[6]2.2.2IEEE1609协议族IEEE1609标准是基于IEEE802.11p通信协议的上层应用标准[7]。其中每个具体的协议及功能如下：IEEE1609.1—“资源管理”，其中规定了多个远程应用和资源管理间的控制互换流程。此模块位于应用层，负责信息的交换，定义资源设备与资源管理设备之间通信的格式及方法，以便传送数据、命令和状态信息。IEEE1609.2—“应用和管理信息的安全服务”，其中包括了WAVE信息安全抵制窃听、电子欺诈和其他袭击的方法。此模块定义在WAVE/DSRC系统中的安全信息封包格式及处理方式。也定义WAVE管理与应用信息的加密方法，车辆引发的安全意外处理方法。IEEE1609.3—“网络服务”，此模块位于OSI的网络模型的网络层与传输层，以便提供WAVE/DSRC的网络服务。可以提供两个车辆设备之间的通讯，或者车辆设备与路旁设备（Roaddevice）之间的通讯。它控制WAVE的连接设置和管理。IEEE1609.4—“多渠道运行”，其中规定了通信协议栈媒体接入控制接口和IEEE802.11p的多渠道运行对单渠道运行。协调控制频道（CCH）与服务频道（SCH）的多频道运作。它包括优先权（Priority）的使用，频道的切换的机制。图2.4IEEEP1609协议栈参考类型IEEE1609系列标准提供了一个在车载网络中能够有效使用无线网络的存取方式。在IEEE802.11p针对车辆移动的特性修正了物理层，也在IEEE1609系列中提供了有效的快速传递信息的通讯协议。IEEE1609协议族依赖于IEEE802.11p协议，完整地解决了车载终端中关于互通性的通信接口问题，而且为每一层的顺利完成分别制定了相应的标准参数技术指标，为高速（最大27Mbit/s）短距离（最大1km）低时延的车载环境下的无线通信定义了架构、通信模块、管理结构、安全机制和物理接入。2.3WAVE通信过程WAVE把通信设备分为服务提供设备（PD：ProviderDevice）和用户设备（UD：UserDevice）两类，WAVE的典型运行流程如下:（1）PD启动，开始广播WAVE服务信息（WSA:WAVEServiceAnnouncement），开启了一个WAVE基本服务集（WBSS：WAVEBasicServiceSet）。WSA中携带了诸如使用信道、提供哪些应用程序、各个应用程序的使用参数等的信息。这个过程相当于802.11中广播Beacon信息的过程。（2）当UD进入PD提供WBSS的区域后，收到PD广播的信息WSA，根据所存储的密钥解密WSA，并分析其中的配置信息，判断是否和自己的配置信息相匹配，如果匹配，则加入此WBSS中，并根据WSA中的配置信息配置相关参数，如使用频率和信道等。（3）PD和UD之间建立了一条通信链路，此时，不再有PD和UD之分，PD和UD转为对等服务（P2P:PeerToPeer模式），它们之间开始平等交换数据信息，而不再是一个只能发信息，另一个只能收信息的模式。（4）在设备决定退出此WBSS时，向协议栈的管理实体发出指令指示退出WBSS；或者，在设备检测到不在此WBSS时，由底层管理实体向上层应用异步通告。至此服务提供者和使用者之间的通信宣告结束。2.4WAVE的MAC层构成图2.5WAVE通信协议栈由图2.5可知，IEEE802.11p负责下层MAC标准和物理层（Physicallayer，PHY）标准的制定，它工作在单逻辑信道。而WAVE的信道设计和操作都是由IEEE1609标准来控制。其中，IEEE1609.4主要负责WAVE的多信道操作，即上层MAC标准的制定，它工作在IEEE802.11p的上层，故不需要了解物理层的参数，就能通过多信道使上面几层运行。2.4.1MAC下层—基于IEEE802.11pIEEE802.11p在IEEE802.11系列的基础上做了一些改进。在MAC层,由于OBU设备具有移动性特征,IEEE802.11p的MAC去掉了ActiveScanning、Association、Authentication等需花费较长时间的协议流程,并使所有的802.11p信号在同一个信道中进行传输,且具有相同的BSSID,使得协议能够较好满足移动车辆环境下的通信需求,并保证WAVE应用在尽可能短的时间内高效完成。<ahref="/"title="襄阳人家">襄阳人家</a><ahref="/"title="没得看">没得看</a><ahref="/"title="春哥网">春哥网</a><ahref="/"title="猫哇网">猫哇网</a>WAVE设备需要支持多个信道,IEEE802.11p定义了CCH和SCH,1609.4规定设备需要支持一个CCH和多个SCH。CCH用来传输WSM和广播WAVE服务(WSA);SCH用于传输IP分组。在信道协调机制之中,SCH和CCH作为两个独立MAC实体存在于IEEE802.11p定义的MAC之上。此外，相对于802.11a20MHz信道,802.11p10MHz信道的传输速率将分别是3、4、5、6、9、12、18、24以及27Mbit/s。改变调制和编码率可以获得不同的传输速率。其次，在IEEE802.11p中，节点只需要发送WAVEAnnouncementAction帧就建立了一个WBSS，同时它成为该WBSS的Provider。其它节点只需要根据接收到的WAVEAnnouncementAction帧进行相应的配置并切换到指定的信道上便可加入该WBSS，加入WBSS的节点称为User。Provider和user之间不需要任何的交互。WBSS一般通过在CCH间隔发送WAVEAnnouncementAction帧（包含了用户加入该WBSS所需的所有信息）来进行建立，并在下一个SCH间隔上进行通信。当WBSS初始化之后，Provider和User节点除了名字外便不再有任何不同，即使Provider不再是该WBSS的成员时，本WBSS依然存在。需要注意的是，建立WBSS是在控制信道上，但是真正的数据发送却不是在控制信道上，而是在WAVEAnnouncementAction帧指定的服务信道上，即Provider在控制信道上广播其将在接下来的SCH间隔，在指定的服务信道上建立WBSS[8]。2.4.2MAC上层—基于IEEE1609.4在IEEE1609.4中主要是规定了多通道的操作，即如何在WAVE中处理各个不同频道之间的数据传输操作，并且定义一些关于MAC层的功能[9]。此规范是基于IEEE802.11P制定出来的，IEEE1609.4主要位于IEEE1609.3的LLC层及IEEE802.11PPHY层之间，主要包含管理层和数据链路层。在IEEE1609.4规范中，关于数据层主要分为两类：同步通道和优先权。首先是同步信道。在IEEE1609.4中使用两类信道，分别是传送控制信道ControlChannel（CCH）和业务信道ServiceChannel（SCH）。当装置只有一个天线时，用以下方式对此二个频道进行存取：依据协议中的定义，每隔50ms进行一次CCH与SCH的切换，并且规定每秒开头都先从CCHinterval开始。如果是较具优先性的重要信息如IEEE1609.3中的WSA信息，而当WAVE装置使用某服务时就从指定的SCH进行此服务。考虑频道切换时需要时间，规范中在每个频道与频道之间加入GuardInterval以防止可能的切换误差。由于必须要在二个频道间切换，装置与装置间必须做时间同步才能进行沟通。有关于时间同步的部分定义于IEEE1609.4的管理层中。其次是优先级。在IEEE1609.4的MAC中用到两个IEEE802.11P的MAC，各别处理CCH跟SCH的封包。当IEEE1609.3LLC要送出封包时会先进行ChannelRouting，此部分会根据封包的种类属于控制类型或是服务类型，分别放到对应的MAC中。每个封包也都有UserPriority的属性以便于进行封包排序，优先权高的会先进行传送。关于IEEE1609.4的管理层，主要可分成以下两个部分：时间同步和切换方式。关于时间同步，在I