危鋒

摘要：近年來(lái)汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越受到人們的關(guān)注，人們對(duì)IEEE 802.11進(jìn)行了多項(xiàng)針對(duì)汽車(chē)這樣的特殊環(huán)境的改進(jìn)，便逐漸形成了802.11p標(biāo)準(zhǔn)。該文研究了IEEE 802.11p協(xié)議 MAC層的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、基本框架和各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移過(guò)程，分析了MAC層的關(guān)鍵技術(shù)及影響網(wǎng)絡(luò)性能的參數(shù)分配。

關(guān)鍵詞：IEEE 802.11p，MAC層，關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）08-1700-03

IEEE 802.11是IEEE最初制定的無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，主要用在解決辦公局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中用戶及用戶終端的無(wú)線接入，業(yè)務(wù)主要限于數(shù)據(jù)的存取。由于802.11a/b/g/n等不能滿足道路車(chē)輛間的通信要求，IEEE工作組專門(mén)針對(duì)車(chē)載無(wú)線通信制定了IEEE 802.11p 標(biāo)準(zhǔn)（又稱WAVE，Wireless Access in the Vehicular Environment）[1]。二者之間技術(shù)上的主要差別在于MAC子層和物理層，該文主要針對(duì)MAC層進(jìn)行研究。

1 MAC層關(guān)鍵技術(shù)

1.1 虛擬載波監(jiān)聽(tīng)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)分配適量

載波監(jiān)聽(tīng)主要用來(lái)判斷媒介是否處于可用狀態(tài)。802.11具備兩種載波監(jiān)聽(tīng)，即物理載波監(jiān)聽(tīng)和虛擬載波監(jiān)聽(tīng)。只要其中一個(gè)監(jiān)聽(tīng)到介質(zhì)忙碌，MAC層就會(huì)向上層發(fā)送忙碌狀態(tài)。物理載波監(jiān)聽(tīng)是有物理層處理，由于隱藏節(jié)點(diǎn)隨處可見(jiàn)，因此無(wú)法提供所有必要的信息。

虛擬載波監(jiān)聽(tīng)基于網(wǎng)絡(luò)分配矢量（NAV，Network Allocation Vector）。802.11的每個(gè)幀包含一個(gè)Duration字段，可以用來(lái)預(yù)定一定的介質(zhì)占用時(shí)間。NAV本身是一個(gè)定時(shí)器，以微秒為單位，進(jìn)行倒計(jì)時(shí)，會(huì)根據(jù)收到的幀進(jìn)行更新。只要NAV的值不為0，代表介質(zhì)忙碌；若NAV為0，代表介質(zhì)處于空閑狀態(tài)。這就是虛擬載波監(jiān)聽(tīng)功能。利用NAV可保證工作站的原子操作不受被中斷。比如，RTS/CTS過(guò)程是一種基本操作，圖1說(shuō)明NAV如何保證整個(gè)操作不受干擾。

NAV線上的條狀圖代表NAV定時(shí)器，只要NAV條狀圖存在，其他工作站必須延遲訪問(wèn)介質(zhì)。為了保證整個(gè)過(guò)程不被中斷，RTS和CTS中都會(huì)計(jì)算和設(shè)置NAV的值，在收到NAV的信息后會(huì)通過(guò)與工作站此時(shí)的NAV值比較進(jìn)行更新。位于相同物理信道的工作站均會(huì)收到NAV，因而也會(huì)適當(dāng)?shù)难舆t對(duì)介質(zhì)的訪問(wèn)，即使這些工作站分別處于不同的網(wǎng)絡(luò)中。

1.2 幀間間隔與優(yōu)先級(jí)

與傳統(tǒng)Ethernet一樣，幀間間隔（IFS）可以協(xié)調(diào)介質(zhì)的訪問(wèn)。每個(gè)物理層的aSIFSTIme和aSlotTime是固定的，可以以此得出不同幀間間隔的長(zhǎng)度。802.11用到四種不同的幀間間隔，其中三種用來(lái)決定介質(zhì)的訪問(wèn)，簡(jiǎn)述如下：

短幀間間隔（SIFS），用于高優(yōu)先級(jí)傳輸場(chǎng)合，如RTS/CTS過(guò)程以及ACK確認(rèn)過(guò)程。經(jīng)過(guò)SIFS，即可進(jìn)行高優(yōu)先級(jí)傳輸。由于幀間間隔短，所以需要傳輸?shù)膸膬?yōu)先級(jí)高。SIFS為最短的時(shí)間間隔，當(dāng)站點(diǎn)已經(jīng)獲得媒介的訪問(wèn)權(quán)且需要保持完成幀的交換序列的的持續(xù)時(shí)間時(shí)，使用SIFS，為已啟動(dòng)的交換過(guò)程的完成提供優(yōu)先權(quán)。

PCF幀間間隔（PIFS），點(diǎn)協(xié)調(diào)功能中所使用，優(yōu)先級(jí)高于競(jìng)爭(zhēng)式傳輸。PIFS可由公式[PIFS=aSIFSTime+aSlotTime]導(dǎo)出。PIFS只能被在PCF下的站點(diǎn)使用。

DCF幀間間隔（DIFS），分布式協(xié)調(diào)功能中所使用。DIFS是競(jìng)爭(zhēng)式服務(wù)中最短介質(zhì)訪問(wèn)空閑時(shí)間，長(zhǎng)于PIFS。DIFS可由[DIFS=aSIFSTime+2*aSlotTime]導(dǎo)出。采用DIFS站點(diǎn)只要其載波監(jiān)聽(tīng)機(jī)制確定媒體在DIFS內(nèi)空閑且退避時(shí)間到期即可允許發(fā)送。

擴(kuò)展幀間間隔（EIFS），并非固定的時(shí)間間隔。只有在幀傳輸出現(xiàn)錯(cuò)誤是才會(huì)用到EIFS工作于DCF方式下當(dāng)FCS校驗(yàn)錯(cuò)誤才使用EIFS。

在持續(xù)時(shí)間上，DIFS>PIFS>SIFS，通過(guò)設(shè)置不同的幀間間隔，不同優(yōu)先級(jí)的幀可以得到不同的訪問(wèn)優(yōu)先級(jí)。

1.3 隨機(jī)退避機(jī)制

在DCF工作方式下，當(dāng)幀傳輸完畢，工作站等待DIFS后會(huì)試圖傳輸之前擁堵的數(shù)據(jù)。DIFS之后緊接著的一段時(shí)間稱為競(jìng)爭(zhēng)窗口或退避窗口[2]。此窗口由時(shí)隙（slot）組成，時(shí)隙長(zhǎng)度由介質(zhì)決定。工作站會(huì)隨機(jī)挑選某個(gè)時(shí)隙，之后進(jìn)行介質(zhì)訪問(wèn)。所有時(shí)隙的選擇機(jī)會(huì)相同，當(dāng)多個(gè)工作站競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送，時(shí)隙較短的工作站可以優(yōu)先發(fā)送。

退避時(shí)間選取如下：[T=CW×Random（）×SlotTime]

其中[Random（）]為隨機(jī)數(shù)在0與1之間取值，[SlotTime]是時(shí)隙大小，[CW]為競(jìng)爭(zhēng)窗口。通過(guò)以上公式可以選擇窗口[CW]范圍內(nèi)的隨機(jī)長(zhǎng)度的時(shí)隙作為退避時(shí)間。[CW]在[CWmin]和[CWmax]之間選擇。協(xié)議規(guī)定的隨機(jī)退避算法是二進(jìn)制指數(shù)退避算法：當(dāng)一幀準(zhǔn)備發(fā)送時(shí)，[CW]被初始化為[CWmin]，以后每次進(jìn)入重傳時(shí)加倍，直到[CWmax]，之后保持[CWmax]。

在隨機(jī)退避狀態(tài)下，若檢測(cè)到信道空閑，退避計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)信道進(jìn)入忙的狀態(tài)，退避計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，直到再次空閑時(shí)間達(dá)到DIFS恢復(fù)計(jì)時(shí)。這種機(jī)制下，退避時(shí)間最短的工作站獲得介質(zhì)訪問(wèn)權(quán)，其他工作站等到下次空閑時(shí)繼續(xù)退避計(jì)時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)權(quán)。這樣避免了有的站永遠(yuǎn)無(wú)法獲得訪問(wèn)權(quán)。具體工作方式如圖2。

2 MAC層網(wǎng)絡(luò)工作方式

無(wú)線介質(zhì)的訪問(wèn)是由協(xié)調(diào)功能控制的。分布式協(xié)調(diào)功能（DCF）通過(guò)CSMA/CA機(jī)制控制，用于競(jìng)爭(zhēng)服務(wù)。點(diǎn)協(xié)調(diào)功能（PCF）可用于無(wú)競(jìng)爭(zhēng)服務(wù)。在各取所需的DCF與精確控制的PCF之間，網(wǎng)絡(luò)可使用混合協(xié)調(diào)功能（HCF）。無(wú)競(jìng)爭(zhēng)服務(wù)只用于基礎(chǔ)服務(wù)型網(wǎng)絡(luò)，只要工作站支持HCF就可以提供服務(wù)質(zhì)量（QoS）功能[3]。

2.1 分布式協(xié)調(diào)功能

載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/碰撞避免（CSMA/CA，Carrier sense multiple access with collision avoidance）是DCF的關(guān)鍵技術(shù)。

發(fā)送方如果檢測(cè)到信道空閑，等到空閑超過(guò)幀間間隔DIFS，然后發(fā)送幀，若檢測(cè)到信道忙則等到信道空閑超過(guò)DIFS，利用退避算法隨機(jī)計(jì)算退避時(shí)間，開(kāi)始退避，若信道忙則暫停退避等待空閑DIFS后繼續(xù)退避。發(fā)送方等待ACK，若接收超時(shí)或接收錯(cuò)誤則認(rèn)為發(fā)生碰撞。碰撞后，通過(guò)重傳退避算法修改競(jìng)爭(zhēng)窗口，等待重新發(fā)送，重傳超過(guò)一定次數(shù)則要丟棄這一幀。在超時(shí)時(shí)間范圍內(nèi)收到ACK認(rèn)為發(fā)送成功。接收方接到幀后通過(guò)CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)通過(guò)則返回ACK，否則丟棄這一幀。

2.2 點(diǎn)協(xié)調(diào)功能

點(diǎn)協(xié)調(diào)功能提供無(wú)競(jìng)爭(zhēng)服務(wù)，基于輪詢機(jī)制。在PCF中，AP控制所有工作站的幀發(fā)送，在一個(gè)周期開(kāi)始，通過(guò)beacon幀設(shè)置所有工作站的NAV達(dá)到介質(zhì)訪問(wèn)控制的目的。需要提供無(wú)競(jìng)爭(zhēng)服務(wù)的工作站向AP進(jìn)行請(qǐng)求，獲得許可后加入輪詢隊(duì)列。AP按照優(yōu)先級(jí)向隊(duì)列中發(fā)送輪詢幀，被輪詢的站點(diǎn)可以發(fā)送數(shù)據(jù)，接收站發(fā)送確認(rèn)幀確認(rèn)發(fā)送成功。PCF在實(shí)現(xiàn)上并不常見(jiàn)。

2.3 混合協(xié)調(diào)功能

有些應(yīng)用需要比DCF更高的服務(wù)質(zhì)量，又不需要PCF那么嚴(yán)格的時(shí)機(jī)控制。HCF僅應(yīng)用在需要QoS的網(wǎng)絡(luò)中。HCF對(duì)DCF和PCF進(jìn)行了強(qiáng)化。在競(jìng)爭(zhēng)模式下，HCF使用EDCA（Enhanced Distributed Channel Access）機(jī)制。在無(wú)競(jìng)爭(zhēng)模式下，使用HCCA（HCF Controlled Channel Access）機(jī)制。以下主要對(duì)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的EDCA進(jìn)行介紹。

EDCA機(jī)制為工作站提供八種不同優(yōu)先級(jí)的分布式無(wú)線介質(zhì)接入，定義了四種接入種類（AC，Access Category）來(lái)提供不同優(yōu)先級(jí)的接入支持。八種TC（Traffic Category）分別映射至四類AC中。AC_VO、AC_VI、AC_BE和AC_BK分別代表語(yǔ)音類、視頻類、盡力而為類和背景類。接入種類及優(yōu)先級(jí)如表1所示。

不同的AC采用不同的接入?yún)?shù)設(shè)置控制接入的過(guò)程，參數(shù)包括[CWmin]、[CWmax]、AIFS。每個(gè)EDCA節(jié)點(diǎn)中有4個(gè)隊(duì)列分別保存來(lái)自4個(gè)AC的幀，根據(jù)不同的接入?yún)?shù)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)接入，相當(dāng)于在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部建立了虛擬的4個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。

仲裁幀間間隔（AIFS，Arbitration Inter Frame Space）代替了DCF中的DIFS。計(jì)算公式為[AIFS[i]=SIFS+AIFSN[i]*aSlotTime]，[AIFS[i]]為i類接入種類需要在信道空閑SIFS后繼續(xù)等待或退避的時(shí)隙數(shù)，優(yōu)先級(jí)越高，[AIFS[i]]越小。圖3說(shuō)明了仲裁幀間間隔的計(jì)算。

EDCA還通過(guò)使用不同最小競(jìng)爭(zhēng)窗口[CWmin]和[CWmax]最大競(jìng)爭(zhēng)窗口使退避時(shí)間擁有不同的范圍。內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制可以使同一節(jié)點(diǎn)多個(gè)類型同時(shí)完成退避導(dǎo)致沖突時(shí)令高優(yōu)先級(jí)獲得信道訪問(wèn)權(quán)，較低優(yōu)先級(jí)繼續(xù)退避。

3 結(jié)論

本文研究了IEEE 802.11p協(xié)議 MAC層的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、基本框架和各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移過(guò)程，研究了關(guān)鍵技術(shù)及影響網(wǎng)絡(luò)性能的參數(shù)分配，包括網(wǎng)絡(luò)類型、虛擬載波監(jiān)聽(tīng)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)分配適量、幀間間隔與優(yōu)先級(jí)、隨機(jī)退避機(jī)制等。

參考文獻(xiàn)：

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