APP下载

车载网中一种新的紧急消息转发方案

2019-12-23张建东

中国电子科学研究院学报 2019年10期
关键词:转播覆盖率时延

张建东

(吉林铁道职业技术学院,吉林 132000)

0 引 言

作为智能交通系统 (Intelligent Transportation System,ITS)的最有前景技术,车载网络(Vehicular Ad Hoc Networks,VANETs)[1-2]受到广泛关注。VANETs使车辆能够与周围车辆或其他路边设备进行通信。通过车间 (Vehicle-to-Vehicle, V2V)通信和车与路边设施(Vehicle-to-Infrastructure, V2I)通信实现道路信息、娱乐信息的交互,如图1所示。路边设备(Roadside Unit, RSU)就属于路边设施,车辆通过RSU可接入外网,或者连通离自己较远的车辆。

图1 VANETs的网络结构

尽管VANETs面临了多项技术挑战,但数据分发仍是亟待解决的问题[3]。通常,周期性的消息并非时延-苛刻的。相反,安全或紧急消息是时延-苛刻消息,其要求尽快在极短时间内将消息分发出去。例如,当车辆发现一个事故,它就需要快速将此消息向外分发,致使后方车辆能够避开此事故。这类消息就属紧急消息(Emergency Messages, EMs)[4]。

广播是分发EMs的最简单、快速的机制。但是广播机制容易形成风暴,导致网络拥塞,降低了消息传输成功率。此外,若只是简单,粗暴地转发自己所接收的EMs,而不考虑此EMs的可信度是存在安全风险。任意一辆车可以谎报EMs,甚至发动一些恶意攻击。

为了解决这些问题,基于簇的消息分发机制得到了广泛关注。车辆依据自己属性形成簇,每个簇产生一个簇头(Cluster Head, CH),簇内其他车辆称为簇成员(Cluster Members, CMs)。引用簇机制有利于识别攻击者,防止它们发送虚假的广播预警消息。

为此,提出基于簇结构的紧急消息传输策略(Clustering-based Emergency Message Transmission, CEMT)。CEMT策略先依据车辆属性构建簇,然后,再通过簇头分发EMs。同时,为了抑制广播风暴问题,通过设置定时器只允许离发送节点远的接收节点转播EMs。仿真结果表明,提出的CEMT策略能够有效提高EMs的传输率,并降低了传输时延。

1 网络模型

图2 基于簇的V2V通信结构

车辆依据专用短程通信技术(Dedicated Short Range Communications, DSRC)完成数据传输。DSRC主要工作于2.4 GHz频段[5]。

2 CMET策略

2.1 簇形成

2.1.1兴趣相似度

考虑车辆的兴趣点。令车辆ϑi有m个兴趣点,它的兴趣矢量可表示为:

(1)

其中t表示时刻。

CMET策略依据车辆兴趣相似性构建簇。兴趣信息包括停车、事故和交通拥塞。常通过两个矢量角度测量两个矢量的相似性。由于CMET策略强调从车辆方向角度获取簇信息。因此,车辆ϑi与车辆ϑj的兴趣相似性可表示为:

(2)

假定车辆ϑi有N个邻居车辆。则依据式(2),车辆ϑi可以计算它与N邻居车辆的兴趣的平均相似度,如式(3)所示。

(3)

2.1.2平均距离

(4)

其中(xi,yi)表示车辆ϑi的位置,相应地,(xj,yj)表示车辆ϑj的位置。

2.1.3平均车速

(5)

最后,依据车辆兴趣均值,平均距离和平均车速构成车辆成为簇头资格(Cluster Head Eligibility, CHE)。车辆ϑi的CHE可依式(6)计算:

(6)

具有最高CHE的车辆成为簇头。一旦成为簇头,就广播簇头通告消息(Cluster Head Advertisements, CHA)。一旦收到CHA消息,就回复消息(Cluster Association Request, CAR),成为CM。

2.2 EM消息的分发

提出CMET策略的主要目的就是减少分发EM的时延,提高EM消息的覆盖率[6]。相比于EM,非时延-苛刻消息可以容忍一定的传输时延。此外,若采用广播方式分为EM,则容易导致网络拥塞。一旦收到EM,节点(车辆)就确认其状态。如果是CH,就立即将所接收的EM分发至它的所有成员CMs。

当一个CM接收到EM消息后,它就设置定时器。定时时间与它离EM发送节点的距离成反比。距离越远,定时时间越短。因此,离发送节点远的车辆能够转播EM。通过该策略提高了EM的覆盖区域,并避免因广播风暴而产生的时延,提高了数据包传递率[7]。

在传统分发EM的策略中,CM是向CH转发它接收的消息。而CH也是将消息分发至它的CMs。该策略增加了传输跳数[8],最终,延长了传输时延。为此,CMET策略依据离EM的发送距离设置定时器。

假定车辆ϑi收到车辆ϑj发送的EM,且车辆ϑi为CM。一旦收到EM,车辆ϑi就依据式(7)设置定时器Tij:

(7)

其中T表示定时时间的基准值,dij为车辆ϑi与车辆ϑj的欧式距离。⎣·」表示向下取整函数。

一旦定时完毕,并且在定时时间内没有收到其他CM转播的EM,就立即转播EM。若在定时时间内,收到其他CM转播的EM,则车辆就立即取消定时,并不转播此EM。通过此策略,缓解广播风暴问题。分发EM的整个流程如图3所示。

图3 转发EM的流程图

3 性能分析

3.1 仿真平台

利用OMNeT++[9]建立仿真平台,分析CMET策略的性能。考虑城市区域应用场景,车辆随机分布于十字路口,车辆密度从20~125辆车/公里(vehicles/km)。仿真时间为500 s。具体的仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数

为了更好地分析CMET策略性能,选择同类的基于簇的概率广播(Clustering based probabilistic broadcasting, CPB)[10],基于簇的EM分发(Cluster-based EM dissemination, CEMD)[11]和简单的泛洪(Flooding)[12]策略。CPB是基于概率转播,而CEMD策略是依据车辆状态以及它的兴趣区域转发数据。并选择EM的覆盖、传输时延以及消息传递率作为性能指标。

3.2 数据分析

3.2.1EM的覆盖率

覆盖率是指EMs分发的区域与仿真区域面积之比,其反映了EM达到率。图4显示了EM覆盖率随车辆密度的变化情况,其中车辆密度从20~125 vehicles/km变化。

从图4可知,在低密度环境,CMET策略的覆盖率与CPB相近,但Flooding算法的覆盖率最高。但随着车密度的增加,Flooding算法的覆盖率随之快速下降。原因在于:当车辆密度低时,Flooding算法并不容易形成广播风暴,能够使EM快速在网络内分发。相反,CMET策略的覆盖率逐渐上升。并且随着车密度的增加,覆盖率也趋于稳定。这也说明,CMET策略能够有效地控制广播风暴,有效地分发EMs。

图4 EM的覆盖率

3.2.2传输时延

图5显示了EM的传输时延,其中传输时延是指将EM传输至目的节点的时间。

图5 传输时延

从图5可知,在车密度的变化期间,CMET策略的平均传输时延优于CPB、CEMD和Flooding。然而,Flooding算法在低车辆密度环境时,它的时延最低,但是随着车辆密度的增加,Flooding算法的传输时延反而最高,这也证实广播风暴对数据传输性能的影响。

3.2.3消息传递率

最后,分析CMET策略的消息传递率。消息传递率等于目的节点所接收的消息数与总体传输的消息数之比。

图6 消息传递率

从图6可知,相比于CPB、CEMD和Flooding算法,提出的CMET策略的消息传递率最高。这归功于:CMET策略通过车辆的属性,包括位置、移动速度以及兴趣点,构建簇,再依据簇结构分发EM消息。而Flooding算法的消息传递率最低。这主要因为:在Flooding算法中,车辆只是简单地转发其所接收的消息,其极容易形成网络拥塞,导致数据包碰撞,最终,降低了消息传递率。

4 总 结

部署车载网络的根本目的在于共享安全消息,提高车辆行驶安全以及交通管理效率。安全消息属于紧急消息,具有时延-苛刻特性。相比于广播策略,基于簇结构的消息传输策略具有一定的优势。为此,本文提出基于簇结构的紧急消息传输算法CMET。CMET策略先构建稳定的簇,然后,再依据簇结构传输消息。同时,对消息的转播节点进行限制,只允许满足条件的车辆转播消息。仿真结果表明,提出的CMET策略能够有效地提高消息传递率,并降低了传输时延。

猜你喜欢

转播覆盖率时延
民政部等16部门:到2025年村级综合服务设施覆盖率超80%
什么是北京冬奥会“云上转播”
我国全面实施种业振兴行动 农作物良种覆盖率超过96%
5G承载网部署满足uRLLC业务时延要求的研究
2022年冬奥会对中国体育赛事转播的影响
基于GCC-nearest时延估计的室内声源定位
电信800M与移动联通4G网络测试对比分析
体育赛事网络转播法律保护制度的缺陷与完善
简化的基于时延线性拟合的宽带测向算法
卫星导航设备收发链路时延测量方法研究①