一种分发车用安全信息的单跳广播协议

曹文静 李文强 韩庆田 徐胜红

海军航空工程学院控制工程系 山东 264001

0 引言

车用安全信息的分发是车载无线自组织网络的一个重要应用类型。当车辆检测到和车辆安全相关的事件时，通常仅需要在小范围内广播该安全信息，为邻居节点提供各种紧急交通信息，以提醒邻居车辆应对可能的危险状况。基于车载无线自组织网络的广播协议按信息传输跳数可分为单跳和多跳广播。对于车用安全信息的分发，采用单跳广播就足够了。

对于车用安全信息而言，由于安全信息本身的有效期比较短，而且，对于周围的邻居节点是非常重要的，因此，较长的信息传输延时和较高的包丢失率是不可容忍的。如何使车辆及时接入信道，确保安全信息的及时可靠传输，是车用安全信息广播需要解决的主要问题。为保证车辆可靠地接入信道，需要预约信道；为保证安全信息的可靠传输，需要实时指示信道的当前使用状况。在车用安全信息广播中，预约信道机制和信道状态指示机制是影响安全信息及时可靠传输的关键问题。

1 现有的信道预约和信道状态指示机制

1.1 现有信道预约机制

目前，最主要的预约信道方式就是利用RTS/CTS握手机制预约信道。利用RTS/CTS握手机制预约信道就是在发送数据之前，利用源节点和目的节点之间交互较短的控制包RTS和CTS来预约信道。例如BSMA协议，在广播数据包前，源节点发送RTS；对于每个接收到RTS的邻居节点，若能够接收数据，则回复CTS；若源节点接收到CTS，则发送广播数据。

在广播协议中，为了进一步避免CTS之间的冲突，保证可靠地预约信道，可以将每个广播看作多个利用 RTS/CTS预约信道的单播，这种协议包括BMW和BMMM协议。在这种协议中，为了依次与各个邻居节点握手预约信道，源节点需要维护一个邻居节点的列表。

对于车用安全信息广播而言，利用RTS/CTS握手机制预约信道存在以下问题：

(1) 由于车辆之间相对位置的迅速变化，精确维护邻居节点信息是比较困难的；

(2) 由于车辆之间相对位置的迅速变化，广播源节点难以与所有接收节点之间完成完整的RTS/CTS握手，因此，难以可靠地预约信道；

(3) RTS/CTS握手不仅预约了源节点的一跳范围的信道，也通过CTS通知了隐藏终端，因此，利用RTS/CTS预约信道的单跳广播协议预约了源节点的两跳范围的信道。在车辆节点密度大的情况下，这会导致大量的节点等待接入信道，从而直接影响到接入信道的速度。

总之，利用RTS/CTS握手机制预约信道具有信道接入算法复杂、接入速度慢等缺点，难以保证车辆节点密集情况下的车用安全信息的有效广播。

1.2 现有信道状态指示机制

现有广播方法主要利用忙音信号来指示广播源节点两跳范围内信道的使用情况。例如，为了减少隐藏终端，源节点在广播数据包的同时发送大范围的忙音，从而堵塞隐藏终端发送数据。

指示广播源节点两跳范围内的信道状态，可以通知隐藏终端即将或正在进行的数据传输，从而避免隐藏终端发送数据导致的冲突，然而，在车辆节点密度大的情况下，大量的节点等待接入信道，这直接影响到接入信道的速度，从而难以保证车用安全信息的有效广播。

2 一种利用忙音的单跳广播协议

下面提出一种利用忙音，预约源节点一跳范围信道、并指示源节点一跳范围信道使用状况的单跳广播协议。在该协议中，发送器和接收器都是两信道的：一个信道用于传输数据包，称为数据信道；另一个信道用于传输忙音信号，称为忙音信道。对于要发送数据的节点，首先检测忙音信道，若忙音信道空闲，则在忙音信道上发送忙音一段时间来预约信道，一段时间后，若数据信道仍空闲，且未接收到来自其它节点的忙音信号，说明预约信道成功，则节点在发送忙音的同时，开始发送数据。

在任意节点上，该协议的运行过程如图1所示。

在图1中，节点的初始状态为IDLE：

(1) 在IDLE状态，侦听数据信道和忙音信道的使用情况：

1) 若侦听到数据信道忙，则节点状态迁移至 RECEIVE状态，开始接收数据；

2) 若侦听到忙音信道忙，而数据信道闲，意味着本节点一跳范围内有其它节点在竞争信道，则返回IDLE状态，继续侦听数据信道和忙音信道的使用情况；

3) 若侦听到数据信道闲，忙音信道闲，且本节点有数据发送，则迁移至CONTEND状态，开始预约信道；

4) 若侦听到数据信道闲，忙音信道闲，且本节点无数据发送，则返回IDLE状态，继续侦听数据信道和忙音信道的使用情况。

(2) 在RECEIVE状态，接收数据包，侦听数据信道和忙音信道的使用情况，当侦听到数据信道闲，迁移至IDLE状态。

(3) 在CONTEND状态，在忙音信道发送忙音信号一段时间 t，同时通过接收器侦听忙音信道上是否有来自其他节点的忙音信号：

1) 若在时间t内通过接收器侦听到来自其他节点的数据和忙音信号，则终止本车辆的忙音发送，状态迁移至RECEIVE状态，开始接收数据；

2) 若在时间t内通过接收器侦听到来自其他节点的忙音信号，而没有侦听到来自其它节点的数据，则终止本车辆的忙音发送，状态迁移至IDLE状态，继续侦听信道状态。

3) 若在时间t内通过接收器没有侦听到来自其他节点的忙音信号和数据，则成功预约了信道，状态迁移至SENDDATA状态，开始发送数据，同时发送忙音信号。

(4) 在 SENDDATA状态，发送数据，同时发送忙音信号。发送数据完毕，则终止发送忙音信号，返回IDLE状态。

图1 协议运行状态迁移图

3 实验设计及结果

为了验证本文提出的利用单跳广播协议的性能，本实验在OPNET网络仿真平台上设计和实现了如下三个协议：

(1) 协议1：无任何预约信道机制和信道状态指示机制的广播协议；

(2) 协议2：利用忙音，预约源节点一跳范围信道、并指示源节点一跳范围信道使用状况的单跳广播协议；

(3) 协议3：利用忙音预约源节点两跳范围信道、并指示源节点两跳范围信道使用状况的单跳广播协议。

为了评价协议的性能，本研究在实验中收集了如下的全局统计量：

(1) 端到端数据传输延时：是指数据产生的时刻与被成功接收到的时刻之间的时差；

(2) 平均接收节点的数目：是指平均成功接收到数据的节点数目。

为了研究以上三个协议在不同网络配置下的性能，设计实现一系列的网络场景，如表1所示。在所有的场景中，设置车用安全信息长度为 100bit，每个节点产生数据包的周期为1s，每个节点的通信范围为300米，即一跳距离为300米，所有的节点分布在宽50米、长1200米的道路上。

表1 场景设置

仿真实验结果如图2、图3和表2所示。

图2 场景1—场景5的端到端数据传输延时

如图3和表2所示，在同样的网络配置下，若协议1、协议2、协议3的端到端数据传输延时都达到稳健，则三个协议的端到端数据传输延时、接收节点的平均数目基本没有区别。如图2所示，和协议1和协议3相比，协议2的端到端数据传输延时更稳健。因此，本文提出的单跳广播协议的端到端数据传输延时更稳健，而接收节点的平均数目并不比其它协议差，且仿真得到的具体结果值能够满足车用安全信息广播的传输时延和可靠性需求。

图3 场景6—场景11的端到端数据传输延时

表2 接收节点的平均数目

4 结束语

本文研究了车用安全信息的单跳广播协议，提出了一种利用忙音预约一跳信道和指示一跳信道状态的单跳广播协议。实验结果表明：本文提出的单跳广播协议适合分发车用安全信息。

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