[发明专利]一种基于CSMA/CA的低时延多跳广播通信方法

说明书

技术领域

本发明涉及信息技术领域，特别涉及一种基于CSMA/CA的低时延多跳广播通信方法。

背景技术

智能交通系统(Intelligent Transport System，ITS)是将先进的信息技术、数据通信传输技术、电子传感技术、控制技术及计算机技术等有效地集成运用于整个地面交通管理系统，从而建立的一种能在大范围内全方位发挥作用的、实时准确高效的综合交通运输管理系统。ITS可以有效地利用现有交通设施、减少交通负荷和环境污染、保证交通安全、并提高运输效率；因而，日益受到各国的重视，是未来交通系统的必然发展方向。

由于智能交通系统是建立在网络化信息技术的基础之上的，因此，无线通信技术将在其中扮演非常重要的角色。当前，北美、欧洲和亚洲的很多国家已经为ITS无线应用分配的专属频段。如图1所示，美国联邦通信委员会(FCC)在5.9GHz频段为ITS应用分配了75MHz的带宽，专门用于车与车无线通信(Vehicle-to-Vehicle communication)以及车与基础设施无线通信(Vehicle-to-Infrastructure communication)。该带宽在频率上被进一步划分为多个子信道，即7个带宽为10MHz的信道，其中包括1个控制信道(Control Channel,CCH)和6个业务信道(Service Channel,SCH)。所述CCH仅用于传输系统控制信息和公共安全相关信息，不能用于传输私人业务数据。而所述SCH则既可用于传输公共安全信息，也可以用于传输私人业务数据。

WAVE(Wireless Access in Vehicular Environments)标准，是近年来美国电气和电子工程师协会(IEEE)所制定的一套专门面向ITS的无线通信应用场景的主流国际标准。IEEE WAVE标准包含了IEEE802.11p和IEEE P1609等一系列标准，前者主要定义了无线通信系统的物理层(PHY layer)和媒体接入层(MAC layer)技术规范，而后者则定义了该通信系统中的多子信道操作的具体技术细节。为了达到各子信道间的协作和同步的目的，IEEE WAVE将时间划分为周期性的同步间隔(Synchronization Interval,SI)，如图1所示，每个同步间隔时长为100毫秒，并可进一步细分为前后相连的两个50毫秒时间间隔，即控制信道间隔(Control Channel Interval,CCHI)和业务信道间隔(Service Interval,SCHI)。考虑到同步的误差，在每个信道间隔的开始，预留了4毫秒的保护时间间隔(Guard Interval,GI)。IEEE WAVE标准要求，所有系统中的通信设备都必须在每个CCHI时间间隔内监控CCH信道；这是因为系统控制消息、公共安全消息以及服务通告消息等高优先级信息，通常是发布在CCHI时间间隔内的CCH信道上的。在SCHI时间间隔内，通信设备可以根据自身需求而自由切换到其他SCH信道，或者继续驻留在CCH信道上。

对于任何一个应用在智能交通环境(例如：ITS)中的车载无线通信系统(例如：IEEE WAVE或ISO CALM)而言，信号传输时延始终是一项至关重要的性能指标；因此，被学术和工业界广泛接受的DSRC SAE J2735标准，在定义了WAVE系统的消息集合和消息格式的同时，也根据实际应用需求规定了一系列安全类消息的最大传输时延。例如：高优先级的碰撞预警消息、紧急制动消息、车辆失控消息的最大允许传输时延为10毫秒；其它的警示信息(如：车距告警信息)的最大允许传输时延为20毫秒。

然而，以WAVE为代表的主流车载无线通信系统，目前很难达到上述时延指标。主要原因在于，车载无线通信系统的工作频段被划分为多个频率上正交的子信道。各通信设备通常会随机地工作在某一个子信道上，此时无法接收到发布在其它子信道上的消息。只在CCHI时间间隔内，所有的通信设备才会被强制要求切换至同一个子信道(即CCH信道)上进行消息接收。因此，为确保突发的安全类消息被邻近所有的车辆正确接收，安全类消息只能在CCH信道的CCHI时间间隔上发送。CCHI时间间隔的不连续性，导致了WAVE系统的传输时延指标至少大于54毫秒。如图2所示，当事故发生在某一个CCHI即将结束的时刻，即、剩余的CCHI时间不足以传输一个完整的预警消息，该消息必须推迟到下一个CCHI才能被发送；上述被推迟的时间至少包括一个SCHI和一个GI，共计54毫秒。该时延对一个时速超过100公里/小时的车辆而言，足以导致一场交通事故。