王繼營(yíng)

(黃淮學(xué)院，河南 463000)

0 引 言

作為智能交通系統(tǒng)ITS(Intelligent Transportation System)的最有前景技術(shù)，車載網(wǎng)絡(luò)VANETs(Vehicular Ad Hoc Networks)受到廣泛關(guān)注。VANETs通過(guò)實(shí)時(shí)交互關(guān)于路狀、交通事故等信息，提高了交通安全[1]。在VANETs中，一旦車輛發(fā)現(xiàn)異常情況，包括交通事故、道路有障礙物等緊急情況，車輛就向周圍傳遞安全緊急消息[2-3]，簡(jiǎn)稱為安全消息，至此提醒周圍車輛，注意避險(xiǎn)。

然而，與移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)不同，VANETs存在鮮明的特性。首先，車輛的快速移動(dòng)，加劇了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?；其次，VANETs采用基于IEEE 802.p 無(wú)線通信技術(shù)[4]。車輛通信距離小，導(dǎo)致車間連通時(shí)間非常短。而VANETs安全應(yīng)用對(duì)傳輸時(shí)延和數(shù)據(jù)包傳輸均有很高的要求。例如，安全回收通知(Safety Recall Notice)消息，允許最長(zhǎng)傳輸時(shí)延只限定于5 s，最大傳輸距離為400 m。而緊急車輛信號(hào)消息(Emergency Vehicle signal preemption)允許最長(zhǎng)傳輸時(shí)延不超過(guò)1 s，并且最大傳輸距離為1000 m，其中，最大傳輸距離是指安全消息需傳輸?shù)木嚯x。

目前，對(duì)VANET的通信研究是局限于基于IEEE 802.11p協(xié)議。IEEE 802.11p提供了6Mb/s至27Mb/s的數(shù)據(jù)率范圍，傳輸距離較短，約300 m。因此，在大型區(qū)域內(nèi)分發(fā)安全消息需要采用多跳廣播機(jī)制。

廣播技術(shù)被認(rèn)為是最適合于分發(fā)VANETs消息的技術(shù)，特別是安全消息。車輛可通過(guò)單跳廣播或多跳廣播傳遞安全消息。而周期性單跳廣播主要用于鄰居車輛交互節(jié)點(diǎn)信息，如beacon包、HELLO包[5]。這些包通常包含了發(fā)送節(jié)點(diǎn)的基本信息，如位置坐標(biāo)、移動(dòng)速度以及節(jié)點(diǎn)ID和數(shù)據(jù)包ID[6-7]。

而由于車輛通信距離較短，車輛分布較稀疏，通常需采用多跳傳輸，才能將消息至目的區(qū)域。圖1描述了多跳廣播傳輸示意圖。由車輛A、F、J、M、R、U構(gòu)成了一條多跳轉(zhuǎn)發(fā)傳輸路徑，直至消息傳輸覆蓋目標(biāo)區(qū)域。

圖1 多跳傳輸示意圖

利用多跳廣播策略分發(fā)消息的關(guān)鍵在于如何選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而控制消息冗余以及傳輸時(shí)延問(wèn)題。文獻(xiàn)[8-9]提出了基于p-persistence廣播策略的改進(jìn)算法，它將離消息源節(jié)點(diǎn)距離遠(yuǎn)的車輛作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。文獻(xiàn)[10]提出了基于機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)和發(fā)送節(jié)點(diǎn)定向廣播協(xié)議。上述的這些協(xié)議，在選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí)，只考慮了距離因素，而并沒(méi)有考慮到鏈路質(zhì)量。在選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí)，若忽略鏈路質(zhì)量因素，可能會(huì)增加安全消息丟失率。

為此，本文提出新的選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的策略，記為ORNS策略。ORNS策略融合了鏈路質(zhì)量和距離因子，進(jìn)而提高了安全消息傳輸?shù)某晒β?，并降低了傳輸時(shí)延。

1 ORNS策略

提出的ORNS策略先通過(guò)HELLO消息的交互，建立一跳活動(dòng)鄰居節(jié)點(diǎn)集，然后再估計(jì)鏈路質(zhì)量。同時(shí)，由距離信息構(gòu)建候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集。最后，計(jì)算每個(gè)候選節(jié)點(diǎn)的廣播權(quán)限等級(jí)，即轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí)。ORNS協(xié)議的框圖如圖2所示。

圖2 ORNS協(xié)議框架圖

1.1 HELLO包的交互

在VANETs中，車輛周期地廣播HELLO包，其包括HELLO包的ID、位置坐標(biāo)以及能直接通信的節(jié)點(diǎn)集(Active Communication Nodes List, ACNL)。其中HELLO包的ID是由發(fā)送節(jié)點(diǎn)的MAC地址表示，而發(fā)送節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)由GPS系統(tǒng)提供，由經(jīng)度和緯度表示，而ACNL表示與發(fā)送節(jié)點(diǎn)能夠直接通信的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)。例如，圖3所示，圖3表示了HELLO包的格式。

圖3 HELLO包的格式

每輛車周期地廣播一跳鄰居集，其包括當(dāng)前位置。因此，每個(gè)輛車建立局部的ACNL集。例如，假定節(jié)點(diǎn)A、B。當(dāng)節(jié)點(diǎn)B收到來(lái)自節(jié)點(diǎn)A發(fā)送的HELLO消息后，節(jié)點(diǎn)B就從HELLO包中提取節(jié)點(diǎn)A的ID，并將節(jié)點(diǎn)A的信息加入到自己的ACNL。類似地，節(jié)點(diǎn)B也基于從節(jié)點(diǎn)A所接收的HELLO包更新自己的ACNL。當(dāng)然，也可能因傳輸鏈路問(wèn)題，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)B無(wú)法接收到節(jié)點(diǎn)A的HELLO包。

圖4描述了建立ACNL的過(guò)程。節(jié)點(diǎn)A、C、D、F各自建立的ACNL集。由于節(jié)點(diǎn)E產(chǎn)生的HELLO包不能到達(dá)B，所以節(jié)點(diǎn)B中的ACNL中并不包括節(jié)點(diǎn)E。同樣，節(jié)點(diǎn)E的ACNL中也不包含節(jié)點(diǎn)B。各個(gè)節(jié)點(diǎn)交互各自的ACNL，致使每個(gè)節(jié)點(diǎn)建立完備的ACNL集。

圖4 建立ACNL的示例過(guò)程

從上述過(guò)程可知，建立ACNL的過(guò)程與交互HELLO包的間隔Th密切相關(guān)。在每個(gè)Th結(jié)束后，車輛就廣播HELLO包以及更新ACNL。

1.2 鏈路質(zhì)量估計(jì)

對(duì)于任何一對(duì)通信節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有兩條通信鏈路，分別稱為正向鏈路和反向鏈路[11]。正向鏈路表示節(jié)點(diǎn)向其他節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的鏈路，如傳輸HELLO包，而反向鏈路表示節(jié)點(diǎn)從其節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)的鏈路。對(duì)于正向鏈路，節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)成功接收到的HELLO包的個(gè)數(shù)反映了正向鏈路的質(zhì)量。

文獻(xiàn)[12-13]已證實(shí)了HELLO包的接收率能夠反映鏈路質(zhì)量。為此，本文也利用HELLO包的接收率作為估計(jì)鏈路質(zhì)量的因子之一。每個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算在固定時(shí)間THello內(nèi)所接收的HELLO包數(shù)NHello。換而言之，每個(gè)節(jié)點(diǎn)每隔THello就計(jì)算一次NHello。即THello成為更新NHello值的周期。

為了能夠準(zhǔn)確地估計(jì)鏈路質(zhì)量，THello時(shí)長(zhǎng)的選擇必須謹(jǐn)慎。如果THello過(guò)長(zhǎng)，就降低了鏈路質(zhì)量估計(jì)的時(shí)效性，反之，計(jì)算鏈路質(zhì)量估計(jì)值就無(wú)效。因?yàn)樵诙虝r(shí)間內(nèi)，可能鏈路質(zhì)量并沒(méi)有發(fā)生變化。本文選擇THello=5 s，這與文獻(xiàn)[12]的選擇相似。

此外，在典型的車載網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，源節(jié)點(diǎn)無(wú)法知道其他鄰居節(jié)點(diǎn)是否接收到自己的發(fā)送的HELLO包，除非鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)包。然而，明確的確認(rèn)包ACK容易導(dǎo)致廣播風(fēng)暴問(wèn)題[14]。為此，本文引用隱晦確認(rèn)機(jī)制，既不產(chǎn)生風(fēng)暴，又實(shí)現(xiàn)了讓源節(jié)點(diǎn)掌握鄰居節(jié)點(diǎn)是否已接收了自己發(fā)送的HELLO包。

所謂的隱晦確認(rèn)機(jī)制就是節(jié)點(diǎn)將自己的ACNL集嵌入到HELLO包，再?gòu)V播HELLO包。一旦接收了來(lái)自鄰居節(jié)點(diǎn)的HELLO包，就查閱HELLO包的ACNL的信息，若ACNL集內(nèi)包含自己的ID號(hào)，說(shuō)明該鄰居節(jié)點(diǎn)成功接收了自己發(fā)送的HELLO包。

如圖5所示，假定節(jié)點(diǎn)B成功接收了由節(jié)點(diǎn)A發(fā)送HELLO包，而節(jié)點(diǎn)C因其他原因未能正確接收到來(lái)自節(jié)點(diǎn)A發(fā)送的HELLO包。因此，節(jié)點(diǎn)B所建立的ACNL中包含節(jié)點(diǎn)A的ID，而節(jié)點(diǎn)C所建立的ACNL未包含節(jié)點(diǎn)A的ID。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)B、C分別將自己的ACNL集信息嵌入到HELLO包，再傳輸。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A分別接收了來(lái)自B、C的HELLO包后，再查閱它們的ACNL集。發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)C的ACNL集中并沒(méi)有自己，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)C沒(méi)有接收到自己的發(fā)送的HELLO包。類似地，節(jié)點(diǎn)A明確了節(jié)點(diǎn)B已成功接收了自己發(fā)送的HELLO包，說(shuō)明雙方已建立雙向通信(Bi-directional Communication, BDC)。通過(guò)這種方式，節(jié)點(diǎn)A就能掌握鄰居節(jié)點(diǎn)是否已正確接收了自己發(fā)送的HELLO包。

圖5 隱晦的確認(rèn)機(jī)制示例

對(duì)于源節(jié)點(diǎn)(假定節(jié)點(diǎn)A)，已建立BDC的節(jié)點(diǎn)越多，周圍鏈路質(zhì)量好。為此，引用變量CBDC記錄已建立的BDC節(jié)點(diǎn)數(shù)。每建立一條BDC通道，CBDC就加一。

最終，估算鏈路質(zhì)量(Link Quality, LQ)，其等于CBDC值與應(yīng)該接收到的HELLO包數(shù)之比，如式(1)所示：

(1)

1.3 候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集

所謂候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集就是指這些節(jié)點(diǎn)才可能轉(zhuǎn)發(fā)消息。本文利用歐式距離產(chǎn)生候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集。假定源節(jié)點(diǎn)離n個(gè)一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的距離分別為d1、d2、…、dn。為此，先計(jì)算平均距離：

(2)

1.4 廣播優(yōu)先級(jí)

本小節(jié)，計(jì)算候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集ψF內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的廣播優(yōu)先級(jí)，即ψF內(nèi)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)播安全消息的順序。節(jié)點(diǎn)i的廣播優(yōu)先級(jí)Pi。先計(jì)算廣播優(yōu)先權(quán)重Wi:

Wi=LQi×di

(3)

其中LQi表示源節(jié)點(diǎn)離節(jié)點(diǎn)i間正向鏈路的鏈路質(zhì)量。權(quán)重Wi越大，廣播優(yōu)先級(jí)Pi越高。Pi=0，表明節(jié)點(diǎn)i的優(yōu)先級(jí)最高。

定義延時(shí)等待基值σ。每個(gè)ψF內(nèi)節(jié)點(diǎn)依據(jù)其優(yōu)先級(jí)設(shè)置廣播延時(shí)值Wi=Pi×σ。換而言之，優(yōu)先級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)廣播延時(shí)值為0，即無(wú)需等待立即廣播消息。

圖6描述了A與節(jié)點(diǎn)B、C、D、E、F、G的鏈路質(zhì)量、距離以及優(yōu)先級(jí)。從圖6可知，節(jié)點(diǎn)E的廣播優(yōu)先權(quán)重WE最高，其無(wú)需延時(shí)，立即廣播消息。

圖6 廣播優(yōu)先級(jí)示意圖

3 性能分析

3.1 仿真平臺(tái)

利用NS2.35網(wǎng)絡(luò)仿真器[15]建立仿真平臺(tái)，并采用IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)?？紤]長(zhǎng)為4 km、4車道的高速公路，每條車道寬度為3.7 m。所有車輛沿著同方向行駛，行駛速度范圍在80～120 km/h，車輛從速度范圍內(nèi)取隨機(jī)速度行駛。此外，Th=0.1 s、THello=5 s、σ=10 ms。車輛數(shù)從100～800變化。仿真時(shí)間為130 s。每次實(shí)驗(yàn)獨(dú)立重復(fù)100次，取平均值作為最終的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

為了更好地分析ORNS協(xié)議性能，選擇同類的FD[5]、EPD[12]協(xié)議進(jìn)行比較。同時(shí)選擇數(shù)據(jù)包傳遞率、端到端傳輸時(shí)延以及節(jié)省的重播數(shù)據(jù)包作為性能指標(biāo)。

3.2 仿真結(jié)果

3.2.1 端到端傳輸時(shí)延

首先，考查車輛數(shù)對(duì)端到端傳輸時(shí)延的影響，同時(shí)分別假定10%、100%的車輛廣播消息，仿真數(shù)據(jù)分別7(a)、(b)所示。

從圖7可知，提出的ORNS方案在車輛數(shù)變化的整個(gè)區(qū)間內(nèi)，具有最低的端到端傳輸時(shí)延。隨著車輛數(shù)的增加，端到端傳輸時(shí)延具有增加趨勢(shì)。相比之下，EPD協(xié)議的端到端傳輸時(shí)延高于ORNS協(xié)議，并且它的時(shí)延隨車輛數(shù)增加而上升更為明顯。原因在于：EPD協(xié)議在選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí)，過(guò)重考慮了節(jié)點(diǎn)的吞吐量，這導(dǎo)致傾向于選擇離源節(jié)點(diǎn)更近的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)消息，增加傳輸跳數(shù)，必然會(huì)引起端到端傳輸時(shí)延的增加。

圖7 端到端傳輸時(shí)延

此外，從圖中可知，F(xiàn)D協(xié)議的端到端傳輸時(shí)延最高。原因在于FD協(xié)議采用基于延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)策略，增加了傳輸時(shí)延。同時(shí)，觀察圖(a)和(b)可知，增加廣播消息的車輛數(shù)，對(duì)FD和ORNS的傳輸時(shí)延的影響并不大，相反，對(duì)EPD協(xié)議的傳輸時(shí)延影響較大，廣播消息的車輛數(shù)的增加提高了EPD協(xié)議的端到端傳輸時(shí)延。

3.2.2 數(shù)據(jù)包傳遞率

本次實(shí)驗(yàn)考查離源節(jié)點(diǎn)不同距離處的數(shù)據(jù)包傳遞率，車輛數(shù)為800。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1、2所示。

表1 10%車輛廣播消息

表2 100%車輛廣播消息

結(jié)合表1、2可知，相比于EPD協(xié)議，提出的ORNS協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳遞率得到有效地提高。原因于ORNS協(xié)議在選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí)，盡量選擇離源節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，減少了傳輸跳數(shù)，而EPD協(xié)議選擇近的節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，增加了傳輸跳數(shù)。隨著車輛數(shù)的增加，ORNS協(xié)議在數(shù)據(jù)包傳遞率方面的優(yōu)勢(shì)更為明顯。

而FD協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳遞率最低，并且隨之距離的增加，傳遞率迅速下降。相比于EPD和ORNS協(xié)議，F(xiàn)D協(xié)議在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，它的數(shù)據(jù)包傳遞率性能較差。原因在于：當(dāng)距離增加時(shí)，網(wǎng)絡(luò)分割嚴(yán)重，甚至導(dǎo)致部分車間通信無(wú)法連通，這降低了數(shù)據(jù)包傳遞率。

3.2.3 節(jié)省的重播消息率

本次實(shí)驗(yàn)考查車輛數(shù)對(duì)節(jié)省的重播消息率，也考慮10%、100%車輛廣播消息數(shù)兩種情況。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別圖8(a)、(b)所示。

圖8 節(jié)省的重播消息率

從圖8可知，F(xiàn)D協(xié)議所節(jié)省的重播消息率最高，原因在于它具有最低的傳輸跳數(shù)。盡管FD在控制重播消息率方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但是它在端到端傳輸時(shí)延、數(shù)據(jù)包傳遞率方面的性能較差。相比于FD協(xié)議，提出的ORNS協(xié)議和EPD協(xié)議所節(jié)省的重播消息數(shù)較低。原因在于，EPD協(xié)議利用多的傳輸跳數(shù)將消息傳遞至目的節(jié)點(diǎn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)車載自組網(wǎng)的多跳安全消息傳播，對(duì)基于鏈路質(zhì)量感知的多跳安全消息的廣播研究，提出了ORNS策略選擇安全消息轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。ORNS策略通過(guò)HELLO消息，估計(jì)鏈路質(zhì)量，并利用隱晦確認(rèn)機(jī)制，進(jìn)而提高估計(jì)鏈路質(zhì)量的有效性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，提出的基于ORNS的多跳廣播協(xié)議的性能能夠有效地降低端到端傳輸時(shí)延，并提高了數(shù)據(jù)包傳遞率。

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