崔學(xué)榮, 鈕銘坤, 李 娟, 李世寶, 吳春雷

(1.中國石油大學(xué)(華東)海洋與空間信息學(xué)院，青島 266580;2.中國石油大學(xué)(華東)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,青島 266580)

車載自組網(wǎng)(vehicular ad hoc networks，VANET)是運(yùn)行在交通道路上的具有無線通信能力的移動(dòng)車輛及其周邊的基礎(chǔ)通信設(shè)施組成的為車輛提供通信服務(wù)的自組織網(wǎng)絡(luò)[1]。在車載自組網(wǎng)的研究應(yīng)用領(lǐng)域中，車輛預(yù)警消息的廣播問題引起了國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注，這為解決汽車連環(huán)碰撞等事故預(yù)警問題提供了落腳點(diǎn)。當(dāng)交通事故發(fā)生時(shí)，車輛一般采取多跳廣播的方式向通信范圍內(nèi)的其他車輛發(fā)送緊急預(yù)警信息，如果后續(xù)車輛能夠及時(shí)收到預(yù)警消息，則可避免追尾甚至連環(huán)相撞事故。研究表明，若駕駛員能在碰撞前提前半秒發(fā)出預(yù)警，則約60%的車輛碰撞事故可及時(shí)避免[2]。但由于VANET 中車輛節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度快、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化快等因素直接影響了網(wǎng)絡(luò)傳輸效率[3]，無線通信信號(hào)隨著傳輸距離的增加會(huì)發(fā)生衰減，同時(shí)，隨著車輛節(jié)點(diǎn)密度的增加，節(jié)點(diǎn)面臨的信道競爭問題加劇，因此保證VANET預(yù)警信息在復(fù)雜信道通信質(zhì)量環(huán)境下的低延時(shí)、高可靠性傳播是一件具有挑戰(zhàn)性的工作。

目前，關(guān)于多跳廣播路由協(xié)議的研究大多是基于GPSR[4](greedy perimeter stateless routing)協(xié)議的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)思想來實(shí)現(xiàn)的。貪婪轉(zhuǎn)發(fā)算法的思想是選擇通信范圍內(nèi)距離目的節(jié)點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。由于多徑衰減和車輛的高速移動(dòng)性，這種處于無線傳輸半徑邊緣的節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)過程中與源節(jié)點(diǎn)之間的鏈路不穩(wěn)定，路由中斷的可能性較大，降低了路由性能。研究表明，通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)不一定都能成功地接收并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，因而，選擇最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)的策略存在一定的問題，這導(dǎo)致了丟包率的增加。為此，文獻(xiàn)[5]提出了一種基于優(yōu)先級(jí)的多跳廣播協(xié)議AVED(appropriate vehicular emergency dissemination)，在車輛碰撞傳感器檢測到碰撞信號(hào)后，立即廣播緊急預(yù)警消息，并根據(jù)位置、速度等信息計(jì)算鄰居節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)，接收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)根據(jù)優(yōu)先級(jí)信息判斷是否需要進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。但由于車輛節(jié)點(diǎn)的高速移動(dòng)性，AVED協(xié)議很難獲取節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)地理位置等信息。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于接收端的VANET多跳廣播協(xié)議，當(dāng)車輛收到廣播消息時(shí)，它使用基于模糊邏輯的方法來確定自身和潛在轉(zhuǎn)發(fā)鄰居節(jié)點(diǎn)的重播或非重播狀態(tài)，在計(jì)算每個(gè)重傳節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性和覆蓋因子參數(shù)之后，再?zèng)Q定重傳或刪除消息。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于擁塞控制和能量狀態(tài)的路由協(xié)議CE-AODV-H(congestion-energy AODV hop)，賦予擁塞及能量狀態(tài)不同的等級(jí)，在路徑選擇時(shí)將擁塞及能量狀態(tài)以跳數(shù)的方式呈現(xiàn)出來，根據(jù)路由跳數(shù)選取最優(yōu)路徑。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于位圖的多跳廣播協(xié)議BMB(bitmap-based multi-hop broadcast)以解決現(xiàn)有廣播協(xié)議存在的時(shí)延及碰撞問題。但以上文獻(xiàn)均未考慮在復(fù)雜信道環(huán)境下消息的可靠傳輸，同時(shí)，由于相同消息可能會(huì)被重復(fù)廣播，這不但浪費(fèi)了有限的無線信道帶寬，而且造成頻繁的數(shù)據(jù)碰撞和過高的信道接入延時(shí)。

VANET的介質(zhì)訪問控制的通信協(xié)議通常為IEEE 802.11p[9]協(xié)議，該協(xié)議使用了傳統(tǒng)的二進(jìn)制指數(shù)退避[10](binary exponential back-off，BEB)算法進(jìn)行無線傳輸介質(zhì)上的信道接入。通過監(jiān)聽信道來判斷信道忙閑狀態(tài)，若信道空閑，可發(fā)送數(shù)據(jù)；若信道忙碌，則需等待隨機(jī)退避時(shí)間后競爭信道發(fā)送權(quán)。但由于VANET中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜且變化極快等特性，使用BEB算法難以為消息的多跳廣播傳輸提供可靠保障[11]。

針對(duì)車輛預(yù)警信息在復(fù)雜信道環(huán)境下多跳廣播傳輸效率低及信道競爭加劇的問題，提出一種基于位置信息的多車協(xié)同碰撞預(yù)警協(xié)議(vehicle collision warning protocol,VCWP)，該協(xié)議將候選的思想引入到車載自組織網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)車輛的實(shí)時(shí)地理位置信息，動(dòng)態(tài)地確定首選及候選轉(zhuǎn)發(fā)車輛，這將極大降低EWM在復(fù)雜信道環(huán)境下消息丟失的可能性，也避免了傳統(tǒng)多跳廣播存在的洪泛性問題；同時(shí)，在無線傳輸?shù)男诺澜尤霑r(shí)，采取基于鄰節(jié)點(diǎn)密度的信道競爭機(jī)制，根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)在通信范圍內(nèi)的車輛鄰節(jié)點(diǎn)密度來選取退避時(shí)間，以使預(yù)警信息在信道環(huán)境不理想的狀態(tài)下能高可靠地傳輸，從而降低EWM的傳送時(shí)延，保障消息的可靠傳輸，在延時(shí)和碰撞率之間取得了較好的均衡。

1 問題分析

車載無線網(wǎng)絡(luò)多跳廣播通信的場景如圖1所示。假設(shè)筆直的公路是長度為L的直線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，車輛節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍用R表示，車輛密度為α。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)S車遇到緊急情況時(shí)，S狀態(tài)轉(zhuǎn)換為異常車(abnormal vehicle，AV)，制動(dòng)并產(chǎn)生預(yù)警信息，此時(shí)，其后方車輛成為瀕危車輛。為使S后方及后方的后方車輛及時(shí)規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，避免連環(huán)碰撞事故的發(fā)生，車輛S在自己的通信范圍R內(nèi)進(jìn)行預(yù)警信息的廣播。在不考慮信道質(zhì)量的情況下，通信范圍內(nèi)的車輛節(jié)點(diǎn)皆可收到來自S的預(yù)警信息。依據(jù)多車碰撞協(xié)同預(yù)警的多跳廣播協(xié)議，通常在通信范圍內(nèi)選取距離節(jié)點(diǎn)S最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)B作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，節(jié)點(diǎn)B選取節(jié)點(diǎn)D作為承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)的節(jié)點(diǎn)，以此類推，實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息的遠(yuǎn)距離傳輸，以達(dá)到使后方車輛及時(shí)預(yù)警的目的。為了分析轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)面臨的信道競爭問題，采用CSMA/CA 模型用以分析IEEE 802.11p 的信道競爭機(jī)制。在IEEE 802.11p協(xié)議中通常使用BEB算法決定發(fā)送包成功或失敗后下次接入的等待時(shí)間T，表達(dá)式為

T=INT[CiRandom()]TS,T

(1)

圖1 車載無線網(wǎng)絡(luò)多跳廣播的典型場景Fig.1 Typical scenarios of multi-hop broadcasting on vehicular wireless networks

(2)

式(1)中：INT表示取整數(shù)；Ci表示第i次退避后的競爭窗口值，通常為2n-1；Random()為0～1的一個(gè)隨機(jī)數(shù)；TS，T代表一個(gè)時(shí)隙；Ni表示車輛i在一跳范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量。不同于BEB算法。采取基于鄰節(jié)點(diǎn)密度的信道競爭機(jī)制，在進(jìn)行信道接入退避時(shí)間的選取時(shí)，綜合考慮車輛密度和轉(zhuǎn)發(fā)車輛的鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)量，將退避時(shí)間TVCWP作式(2)所示的計(jì)算。若轉(zhuǎn)發(fā)車的鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，則其退避時(shí)間越長，預(yù)警信息碰撞的概率越小，消息送達(dá)的時(shí)延越?。环粗?，退避時(shí)間越短，節(jié)點(diǎn)碰撞的可能性加大，消息重傳造成EWM送達(dá)的時(shí)延增加。

2 協(xié)議設(shè)計(jì)

本文研究基于位置信息的EWM的快速高效和可靠傳輸?shù)膯栴}，提出的基于位置信息的多車碰撞協(xié)同預(yù)警協(xié)議VCWP描述如圖2所示。

圖2 VCWP協(xié)議路由機(jī)制流程圖Fig.2 VCWP Protocol Routing mechanism flowchart

(1)源節(jié)點(diǎn)車輛遇到緊急情況時(shí)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換為AV，廣播緊急預(yù)警消息EWM，根據(jù)異常情況在無線信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)選擇距離最遠(yuǎn)的兩輛車，其中最遠(yuǎn)的車輛作為首選轉(zhuǎn)發(fā)車輛、次遠(yuǎn)的車輛作為候選轉(zhuǎn)發(fā)車輛。如圖1所示，異常車S選擇B車作為首選轉(zhuǎn)發(fā)車、A車作為候選轉(zhuǎn)發(fā)車。選擇兩輛車的原因是避免最遠(yuǎn)車輛超過了AV的無線覆蓋范圍，同時(shí)保障EWM在信道質(zhì)量較差情況下的送達(dá)。

(2)收到EWM的車輛均判斷自己是否是EWM中指定的首選轉(zhuǎn)發(fā)車或候選轉(zhuǎn)發(fā)車，若是首選轉(zhuǎn)發(fā)車且生存時(shí)間(time to live，TTL，指協(xié)議需要經(jīng)過中繼的跳數(shù)，每經(jīng)過一個(gè)中繼，則TTL減1,當(dāng)TTL為0時(shí)，不再轉(zhuǎn)發(fā))不為0則轉(zhuǎn)發(fā)EWM；若是候選車，則延遲t時(shí)間后，判斷是否收到相同ID的EWM，若沒有收到且TTL不為0，則轉(zhuǎn)發(fā)EWM，轉(zhuǎn)發(fā)成功后TTL減1。其他車輛均不進(jìn)行EWM的轉(zhuǎn)發(fā)。以上，通過TTL來避免產(chǎn)生無休止的EWM。

(3)除首選及候選轉(zhuǎn)發(fā)車輛外其他車輛均不進(jìn)行EWM的轉(zhuǎn)發(fā)。

(4)所有車輛在EWM發(fā)送過程中均進(jìn)行 CSMA-CA檢測，若碰撞則按照車輛鄰節(jié)點(diǎn)密度選取退避時(shí)間進(jìn)行避讓，車輛鄰節(jié)點(diǎn)越少避讓的時(shí)間越短，否則越長。隨機(jī)退避避免了首選和候選車輛消息的碰撞，當(dāng)首選車轉(zhuǎn)發(fā)失敗后候選車自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本實(shí)驗(yàn)使用MATLAB仿真模擬器來驗(yàn)證基于位置信息的多車碰撞協(xié)同預(yù)警協(xié)議VCWP的性能，并將VCWP與GPSR和IEEE 802.11p協(xié)議的BEB策略進(jìn)行對(duì)比研究。選擇GPSR和IEEE 802.11p是因?yàn)槠漭^為廣泛地被作為研究VANET 路由協(xié)議的基準(zhǔn)參考。其中，GPSR協(xié)議采用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)的思想，選擇通信范圍內(nèi)最遠(yuǎn)車輛節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，IEEE 802.11p采用二進(jìn)制指數(shù)退避算法，隨機(jī)選擇退避時(shí)間，其轉(zhuǎn)發(fā)車輛的選取具有隨機(jī)性。

實(shí)驗(yàn)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)包括平均端到端時(shí)延、報(bào)文送達(dá)率和發(fā)包數(shù)量：①平均端到端延時(shí)定義為從源節(jié)點(diǎn)成功到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包的平均延遲;②報(bào)文送達(dá)率定義為成功到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)和源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)的比值；③發(fā)包數(shù)量定義為成功到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí)節(jié)點(diǎn)共發(fā)送的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)。實(shí)驗(yàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用如圖1 所示的2 km公路場景，車輛數(shù)M=20～100，所有車輛節(jié)點(diǎn)均衡分布在道路上。實(shí)驗(yàn)仿真參數(shù)的設(shè)置如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)仿真參數(shù)Table 1 Experimental simulation parameters

為了分析緊急預(yù)警信息在無線通信信道質(zhì)量較差情況下的傳輸情況，設(shè)置如圖3所示的信道環(huán)境。實(shí)驗(yàn)的仿真時(shí)間為1 000個(gè)時(shí)隙，因此，縱坐標(biāo)表示0～1 000個(gè)時(shí)隙的信道質(zhì)量變化情況，橫坐標(biāo)表示時(shí)隙增量。例如，圖3中的第一行數(shù)據(jù)信息表示第0～249個(gè)時(shí)隙的信道通信情況，第四行表示第750～1 000個(gè)時(shí)隙的信道狀況。

圖3 通信信道質(zhì)量變化Fig.3 Mass change of communication channel

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，改變網(wǎng)絡(luò)中車輛節(jié)點(diǎn)數(shù)量，對(duì)VCWP、GPSR、IEEE 802.11p的BEB策略進(jìn)行比較，選擇道路上最前方車輛節(jié)點(diǎn)作為預(yù)警消息的發(fā)送源，以200時(shí)隙作為發(fā)送間隔周期性發(fā)送20時(shí)隙大小的預(yù)警消息分組。統(tǒng)計(jì)的平均端到端時(shí)延、報(bào)文送達(dá)率及發(fā)包數(shù)量，結(jié)果分別如圖4～圖6 所示。

如圖4所示，VCWP、GPSR、IEEE 802.11p三種協(xié)議的平均端到端時(shí)延都隨著車輛節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而增長。當(dāng)車輛數(shù)量為20輛/km時(shí)，IEEE 802.11p的平均延時(shí)比VCWP和GPSR高約300時(shí)隙。這是因?yàn)镮EEE 802.11p隨機(jī)選取通信范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，由于每次選擇的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)是不確定的，單跳的平均轉(zhuǎn)發(fā)距離較小，預(yù)警消息的傳輸速度最低，因此平均端到端延時(shí)較高且呈現(xiàn)不穩(wěn)定性。GPSR雖然通過選擇傳輸范圍內(nèi)最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)提高了消息覆蓋范圍，但這在信道通信質(zhì)量不穩(wěn)定的情況下易造成預(yù)警信息的丟失，無法保證預(yù)警信息的成功送達(dá)，信息重傳造成了時(shí)延的增加。VCWP選取通信范圍內(nèi)的最遠(yuǎn)車輛作為首選轉(zhuǎn)發(fā)車、次遠(yuǎn)車輛作為候選轉(zhuǎn)發(fā)車，通過降低轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)實(shí)現(xiàn)快速多跳廣播覆蓋。同時(shí)，候選轉(zhuǎn)發(fā)車的存在補(bǔ)充了信道質(zhì)量不穩(wěn)定情況下消息無法成功送達(dá)的缺陷，由于VCWP協(xié)議在節(jié)點(diǎn)碰撞時(shí)根據(jù)通信范圍內(nèi)的車輛鄰節(jié)點(diǎn)密度來選取退避時(shí)間，這相較于基于二進(jìn)制指數(shù)退避的IEEE 802.11p協(xié)議而言，能較早達(dá)到等待的時(shí)間，降低了重傳概率，延時(shí)性能較好。

圖4 平均端到端時(shí)延Fig.4 Average end-to-end delay

VCWP、IEEE 802.11p和GPSR這3種協(xié)議的報(bào)文送達(dá)率隨車輛節(jié)點(diǎn)數(shù)變化的情況如圖5所示。從圖中可以看出，3種協(xié)議的報(bào)文送達(dá)率隨車輛節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而降低。這是因?yàn)殡S著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，預(yù)警信息碰撞的可能性加大，使節(jié)點(diǎn)在信道競爭過程中具有較高的繁忙概率，從而降低了報(bào)文送達(dá)率。本文中提出的VCWP協(xié)議在相同的數(shù)據(jù)包數(shù)量條件下，報(bào)文送達(dá)率最大，而且隨車輛節(jié)點(diǎn)數(shù)量減小的曲率小于其他兩種協(xié)議。這是因?yàn)閂CWP選取了候選轉(zhuǎn)發(fā)車，并根據(jù)車輛鄰節(jié)點(diǎn)密度的來選取退避時(shí)間，降低了包碰撞的概率，增大了報(bào)文送達(dá)率。

如圖6所示，由于IEEE 802.11p協(xié)議隨機(jī)選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，在目的節(jié)點(diǎn)收到預(yù)警信息的過程中，需進(jìn)行數(shù)據(jù)包的多次傳送，性能較差。相較于IEEE 802.11p，GPSR與VCWP協(xié)議減少了中繼跳數(shù)，發(fā)包數(shù)量明顯降低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量超過70時(shí)，VCWP的發(fā)包數(shù)量低于GPSR，這是因?yàn)楫?dāng)節(jié)點(diǎn)密度變大時(shí)，VCWP采用了候選轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制和基于車輛鄰節(jié)點(diǎn)密度選取退避時(shí)間的算法，保證了數(shù)據(jù)包的成功送達(dá)，減少了碰撞重傳的次數(shù)，獲得了較低的發(fā)包數(shù)量。

圖5 報(bào)文送達(dá)率Fig.5 Message delivery rate

圖6 發(fā)包數(shù)量Fig.6 Number of packets sent

4 結(jié)論

針對(duì)車輛預(yù)警信息在復(fù)雜信道環(huán)境下多跳廣播傳輸效率低及信道競爭加劇的問題，本文提出了一種基于位置信息的多車碰撞協(xié)同預(yù)警協(xié)議。這種協(xié)議考慮了通信信道質(zhì)量不穩(wěn)定的情況下緊急預(yù)警信息的傳播問題，根據(jù)通信范圍選取首選和候選轉(zhuǎn)發(fā)車，并使用基于鄰節(jié)點(diǎn)密度的退避算法，根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)在通信范圍內(nèi)的車輛鄰節(jié)點(diǎn)密度來選取退避時(shí)間，從而較大程度地保障消息的成功送達(dá)。MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)表明，相對(duì)GPSR和IEEE 802.11p協(xié)議，VCWP在平均端到端延時(shí)、報(bào)文送達(dá)率和發(fā)包數(shù)量上取得了較好的性能，有效降低了多跳廣播延時(shí)和發(fā)包數(shù)量，提高了報(bào)文送達(dá)率。