车辆自组织网络中紧急信息的自适应广播机制研究*

邓向林

(湖南交通职业技术学院，湖南 长沙410132)



车辆自组织网络中紧急信息的自适应广播机制研究*

邓向林

(湖南交通职业技术学院，湖南 长沙410132)

道路交通的高速发展在创造巨大社会财富的同时，也令人类社会承受着交通事故带来的惨痛代价，为减少交通事故的危害，人们对智慧交通系统的研究日益重视。针对车流量多变化的城区道路交通环境，基于车辆自组织网络设计了一套信息广播机制，能将道路交通的紧急信息快速有效发布到危险区域内各车辆进行预警，以便驾驶人员能提前回避。仿真结果显示，该机制可靠度达到预期，并能有效地降低通信网络的负载。

智慧交通；车辆自组织网络；自适应广播机制

0 引言

城市交通运输系统的安全性与舒适性目前还不够健全。随着智慧交通系统的研究进展，车辆自组织网络(Vehicular Ad-hoc Networks, VANET)因其以车辆为节点形成的专用随机网络特点得到了广泛的应用。

在VANET中发布紧急信息必须要做到实时传达才有意义,以往的广播机制在紧急信息传送的稳定度与实时性之间难以平衡。本文提出了一个应用在车载网络中的紧急信息自适性广播调控机制，通过将信息发布的广播频率进行实时优化调控，保证所有需要接收到紧急信息车辆均能即时收到，以避开拥塞路段或危险区域。

1 研究背景

随着国内经济建设步伐的不断加快，国内机动车增长迅猛，据统计，截止到2013年国内机动车已达到1.37亿辆。机动车的激增也给道路交通安全带来了新的挑战，2013年世界卫生组织的报告表明，全球每年约有124万人死于交通事故，其中，欧盟、日本、美国分别为2.8万人、0.44万人、3.4万人，相比之下，国内的死亡人数为6万人，交通安全形势不容乐观[1-2]。

当今各国都已将预防和减少道路交通事故作为一项重要的工作目标，但是道路交通是一个复杂的整体系统，传统的管理与预防手段效果有限。随着科学技术的进步，已有不少国家开始研究智能交通系统，用信息化技术为人们提供一个更为安全的交通运输环境。VANET是其中的重要技术之一。

在VANET中的紧急信息主要通过广播方式，虽然这种方式有能将信息快速传递周围区域所有车辆的优点，但是也存在无法确认回复、可能产生隐藏节点、缺少重传机制以及可能产生广播风暴等问题，使信息发送的可靠度降低；在城区的交通环境中，还存在其他诸如信号干扰、封包碰撞的影响[3-4]。因此，如何提高紧急信息的传播性能成为需要研究的课题。

2 自适应广播机制设计

2.1 国内外研究现状

虽然广播方式存在种种缺点，但在紧急信息的传达上仍不失为一种高效的方式，因此，学术界针对广播方式进行了研究，主要集中在设计信息重传机制与抗信息干扰两个方向。在重传机制方面，主要有依据某个经验几率值、依据所收到的重复信息数量、依据与发送者的距离以及依据收集相邻车辆的信息来进行评估是否重传[5-7]，这些机制均由少数的传送者来减少不必要的信息传送，虽然可以降低产生广播风暴的几率，但无法提高信息传递的可靠度；在抗信息干扰方面，主要有通信前先进行要求传送(Request to Send,RTS)/允许传送(Clear to Send，CTS)交换来预留带宽、利用不同频道分别传送控制信息与数据以及设计回复机制的方法[8-9]，虽然保证了信息可达，但也相对地提高了传送的延迟时间与网络通道占用，对紧急信息的传递及时性存在影响。

如果需要提高传输的可靠性，最常见且有效的做法就是调整信息发送频率。但是频率过快明显会增加网络负载，导致传播性能大幅下降，而过慢则无法满足紧急信息的实时性要求，因此，需要一种动态的调整机制来适应不同车流量情况，满足所有需要接收紧急信息的车辆能实时收到，又不会造成网络负载过重的需求。

2.2 建模及求解

首先需对紧急信息的发送范围予以定义，只针对那些可能会接触到危险的区域中的车辆。研究文献表明，在市区道路中，交叉路口是最容易发生交通事故的地方，而紧急信息的广播合理范围是一公里之内[10]。据此将危险区域定义为危险街道向外延伸两个路口的范围，在此区域内的车辆应实时收到紧急信息，提前进行避让。

对于危险区域内的街道(不包括危险点所在街道)车辆分布情况，按以下方式计算紧急信息发送成功率。假设将街道按宽度为5 m(约一个车身长)、长度为原路宽的区块划分，共分成m个区块；令n为街道中所有的车辆总数，l代表车道数，即一个区块可以容纳的车辆数,d表示传输半径内可以覆盖的区块个数，则如果街道某处有连续大于等于d个区块之中没有任何车辆，那么紧急信息将无法传递下去造成发送失败。对于“有连续大于等于d个区块为空的车辆分布可能数”记为Ndis,对“车辆落于各个区块的分布可能数”记为Ntotal,则信息发送的失败率为两者之比。

(1)

同样，对于至少有两个连续大于或等于d个空区块的车辆分布的可能数由公式(2)计算得出：

(2)

利用排容原理，将只有一组区块的组合情形减去两组区块相连的组合情形，再加回三组区块相连的组合情形，以此类推，直到无法有更多的区块相连为止，最后由下式求出Ndis：

(3)

类似地，可以由下式求解Ntotal：

(4)

如需提高危险区域中车辆对紧急信息的接收成功率，可以使用重传机制。假设该街道长为L，车辆平均车速为v,车辆由危险区域外围路口进入后，在T秒后将抵达与危险街道相邻的路口，则有T=L/v。因此，至少要让车辆在这段时间内能收到一次紧急信息才能保证发送的效果。假设紧急事件的源头车辆重复传送r次，则不难得知最佳传送间隔I=T/r。基于以上模型及求解，设计自适应的紧急信息广播机制如下。

(1)事故发源车辆会以1 Hz的频率广播紧急信息5次，并在发送广播消息后，等待100 ms来统计所听取到的重复传送次数，所有车辆对于第一次收到的紧急信息重传给周围车辆，否则予以丢弃，因此该次数可视为与其相邻的车辆数。取5次的平均值记为实际的相邻车辆数B。

(3)依据所求得失败率，不难计算出若需达到预期传送可靠度的最少重复传送次数r，然后根据已知的L、v参数，可计算出最佳的传送间隔时间I。

(4)事故发源车辆以I的传送间隔，传送紧急信息r次之后，再将过去所有统计过的周遭相邻车辆数取平均值，作为更新后的实际相邻车辆数B。

(5)重复步骤(2)～步骤(4)。

3 模拟实验及结论

仿真平台采用的是NS-2网络仿真器，以802.11p为网络传输协议。模拟一个双十字路口的市区环境，事故发源车辆位于正中央位置，街道长度均为600 m，道路为双车道，车流密度取每100 m内3.5～5.5车，车速平均为35～55 km/h，车辆传输距离为75 m。设置模拟的时间为3 000 s，传送成功率不低于85%。实验结果表明，采取自适性广播调控机制，相比于1 Hz频率定期发送紧急信息的方式，网路负载可降低5/6，且成功率不低于预期目标。

该广播机制通过事故发源车辆对重传信息的主动侦听，从而推测出危险区域中街道的车辆数，结合已知的街道长度、车道数和传输距离参数，即可以计算出该区域中车辆接收到紧急信息的成功率，进而更新最适宜的紧急信息传送频率，实现动态调控的目的。仿真结果显示，该机制能有效保证紧急信息的传送可靠度，且对该区域的网络传输性能不会有过多的消耗。

[1] 刘海珠.道路交通事故严重程度影响因素分析及预测模型建立[D].长春：吉林大学，2014.

[2] 高天柱.我国道路交通事故特点规律及预防研究[D]. 西安：长安大学，2014.

[3] Bai Songnan, Huang Zequn, KWAK D, et al. Vehicular multi-hop broadcasting protocol for safety message dissemination in VANETs[C]. Proceedings of the 70th IEEE Vehicular Technology Conference Fall (VTC 2009-Fall), 2009:1-5.

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[6] HUANG C M, TU L, CHOU C H. ReWarn: an opportunistic relay scheme for cooperative collision warning in VANET[C]. Proceedings of the 20th IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 2009:3030-3034.

[7] WISITPONGPHAN N, TONGUZ O K, PARIKH J S, et al. Broadcast storm mitigation techniques in vehicular ad hoc networks[J]. IEEE Wireless Communications, 2007:84-94.

[8] YI C W, CHUANG Y T, YEH H H, et al. Streetcast: an urban broadcast protocol for vehicular ad-hoc networks[C]. Proceedings of the 71st IEEE Vehicular Technology Conference (VTC 2010-Spring), 2010:1-5.

[9] HAAS Z J, DENG J. Dual busy tone multiple access (DBTMA)-a multiple access control scheme for ad hoc networks[J]. IEEE Transactions on Communications, 2002,50(6):975-984.

[10] The network simulator-NS-2[EB/OL].[2016-06-21]http://www.isi.edu/nsnam/ns.

Research on adaptive emergency message broadcast control mechanism for VANET

Deng Xianglin

(Hunan Communication Polytechnic, Changsha 410132, China)

The rapid development of road traffic brings not only the huge social wealth, but also the painful cost of traffic accidents. In order to reduce the harm of traffic accidents, people pay more attention to the research of intelligent transportation system(ITS). In this paper, a set of information broadcasting mechanism is designed based on the vehicular ad-hoc networks (VANET) in the urban road traffic environment. Because the emergency information is released quickly and effectively, the drivers can avoid the dangerous area early. Simulation results show that the reliability of the mechanism can achieve the expected result, and it can reduce the load of the communication network effectively.

intelligent transportation system;vehicular ad-hoc networks;adaptive broadcasting mechanism

湖南省交通运输厅科技进步与创新计划项目(201138)；全国交通运输职业教育科研项目(2013B41)

U463.6；TP29

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.20.014

邓向林. 车辆自组织网络中紧急信息的自适应广播机制研究[J].微型机与应用，2016,35(20)：51-53.

2016-06-21)

邓向林(1979-)，女，本科，助理研究员,实验师，主要研究方向：计算机教育、智慧交通。