基于位置信息的车辆协同碰撞预警协议*

刘 萌 崔学荣 钮铭坤 张瑞杰

（1.中国石油大学（华东）海洋与空间信息学院 青岛 266580）（2.中国石油大学（华东）计算机科学与技术学院 青岛 266580）

1 引言

当车辆在高速公路上的行驶速度在100km/h以上，驾驶员从察觉到交通事故到刹车制动的反应时间大约需要0.75s～1.5s［1］，由于驾驶员对紧急事件反应的滞后性［2］，在同一车道上的车辆，驾驶员的危险性从后到前依次增加。因此，在高速公路上，一个小的交通事故就会引发连环碰撞事件［3］，为了避免因连环碰撞而引发的交通事故，增加司机的响应时间显得尤为重要，从而避免连环碰撞事件的发生。

目前，解决高速公路上连环碰撞事件的有效办法是缩短后方车辆收到预警信息的时间，从而给司机留出足够的刹车时间，从而避免连环碰撞事件的发生。根据此原理，人们提出了通过V2V（Vehicle to Vehicle）网络周期性广播紧急预警消息来实现车辆的提前预警，但是周期性广播消息容易产生广播风暴。由此分析，尽量减少节点参与广播能有效降低冗余，从而减少广播风暴的发生。改进V2V网络中紧急预警消息的多跳广播协议，对V2V预警消息有十分重要的作用。

2 研究背景

交通事故每年造成数千人死亡，超过任何致命疾病或自然灾害。研究表明，如果车辆操作员在碰撞前至少提前半秒发出警告，则可以避免约60%的车辆碰撞［4］。

在图1中，当车辆A突然刹车时，A在变成危险车辆的同时将周期性广播预警消息，在A的传播范围内的车辆都会收到预警消息，而车辆C、D、、E 不在A的传播范围内则收不到消息，这种连环碰撞的风险就会比较高。多跳广播式协同碰撞预警可以实现预警消息的远距离传输，当车辆A成为危险车辆后，开始周期性广播预警消息，在A 的通信范围内的车辆收到预警消息后，开始广播预警消息，同时会造成消息的碰撞，导致传输延迟。

图1 车辆碰撞预警示意图

很多学者对车辆协同碰撞预警进行了相应的研究，文献［5］提出一种基于基础设施的混合式道路感知路由协议，该协议能够增强车辆与车辆之间以及车辆与基础设施之间的通信。文献［6］提出了一种安全高效的车载通信Ad hoc On-demand Multipath Distance Vector（AOMDV）路由协议。文献［7］针对一种混合MAC（Media Access Control，介质访问控制）协议提出了一个分析模型来研究车辆自组织网络中安全消息的周期性广播，研究了随机正交频分多址方案中子载波碰撞的车辆百分比，从理论上在一个传播周期内的总传输次数和分组传递率有了较大提高。文献［8］提出了一种用于车联网环境中MAC的协作方案，称为协作Cooperative ADHOC MAC（CAH-MAC）。在CAH-MAC中，相邻节点利用无保留的时隙进行协作，该方案提高了分组成功传输的概率。Bharat［9］提出了一种基于节点协作的车载网络组合策略，称为协作中继广播Cooperative Relay Broadcasting（CRB），使相邻节点从源节点重新广播数据包，提高了广播服务的可靠性。文献［10］研究了多跳无线网络中分布式协作媒体访问控制协议，提出了一种基于IEEE 802.11dcf 的跨层协作MAC 协议，通过协作，多用户环境中的单天线移动终端与其他移动终端共享天线，从而生成虚拟多天线系统，以更高的分集增益实现更可靠的通信。文献［11］采用CSMA/CA 和两种基于Time-Division Multiple Access（TDMA）的 覆 盖 协议，利用占用车道数和发射功率推导经验模型，提供每秒平均碰撞次数和平均忙时比的估计值。文献［12］针对高速公路环境多车跟驰场景下研究了一种长距离、实时紧急预警消息的广播协议，但上述研究均缺少对于EWM的低时延、低碰撞率、长距离传送的有关研究。文献［13］提出了一种新的可靠、高效的VANETs 协作媒体访问控制协议，并提出了基于马尔可夫链模型的分析方法。文献［14］提出了一种基于车路协同的高速公路车辆碰撞事故预警模型，通过潜在碰撞事故得到预警结果，并给相关车辆发送事故预警消息广播，从而有效避免追尾碰撞和侧向碰撞的发生。文献［15］提出了一种全分布式的自驾汽车通过交通路口的全分布式交互协议，该控制方法验证了对一般交通路口的自动安全通过的有效性。目前存在的主要问题在于：

1）大量EWM 包造成MAC 层数据包的冲突：异常情况发生后，异常车会长时间处于异常状态而且它后面的多辆车也会变成异常车，因此会造成大量EWM包的并存，必然造成MAC层数据包的冲突。

2）传统广播式路由造成的广播风暴：在传统自组织网络中的广播路由采用的是简单的洪泛算法，势必会造成诸如冗余、竞争和冲突等广播风暴的问题。

因此，本文提出了基于位置信息的EWM 转发协议，以减少转发的EWM 包数量，减少广播风暴、提高EWM传输效率。

3 最远转发协议

3.1 假设条件

假设道路上行驶的每个车辆节点都配有GNSS全球卫星定位设备，根据定位结果和V2V 通信，每个车辆随时都能得到自己的准确位置以及近邻车辆的位置。本文实验使用Matlab进行模拟仿真，场景范围为3000m，单车道，车辆数为8 辆～100 辆，具体参数如表1。

表1 实验相关参数

3.2 定义

群组：异常车辆主要影响的是其附近及后续的车辆，因此为了提高传输效率、降低信道专用率，每辆车将所有自己无线信号覆盖范围内的车辆按照位置划分不同的群组，进行组播。可以分为三个群组：前方车辆（包括侧前方）、后方车辆（包括侧后方）和其他车辆（对方车道）。

所有车辆在EWM 发送过程中均进行碰撞检测，当检测到碰撞时进行避让。该协议是基于位置信息的协议，选取通信范围内最远转发车辆，因此称该协议为最远转发协议。

3.3 原理分析

在不考虑碰撞的情况下，比较了三种不同数据包的转发协议，分别是单跳转发协议，最远转发协议和洪泛转发协议，具体分析过程如下：

1）单跳转发协议，最前方1 号异常车辆发送预警信息，1 号车将预警信息发给2 号车，2 号车依次把预警信息发给后方3 号车辆，即第n-1 辆车收到n-2 车的预警信息，并将自己的预警信息传递给第n 辆车；其中图2 中坐标（x，y）中的x 表示的是收到的消息数量，y表示的是发出的消息数量，图2 共有8辆车。

图2 单跳转发的过程图

时延公式如式（1）所示，其中L 为路长，C 为电磁波传播速度，Δt为信息的处理时间，n 为车辆编号：

2）最远转发协议，最前方1 号异常车辆发送预警信息，在通信范围内的车辆收到预警信息后，接着发自己生成的包，通信范围内的最远车辆承担转发任务，即如图3所示，1号的中继转发节点为4，因此它既要发送自己的报警信息，还要发送1 号车的中继信息；2、3 号车由于不是中继节点，因此不进行转发，只产生自己的报警信息。1 号车辆发出预警信息后，通信范围内的2、3、4 号车均可以接收到。其转发过程如图3 所示，例如：3 号车收到2 个数据包，分别是1号车和2号车的报警信息，但只发送1 个自身的报警信息；4 号车收到3 个数据包，分别是1、2、3号车的报警信息，发送2个数据包，分别是1号车的转发信息和自身的报警信息。

图3 最远转发协议EWM转发过程图

其中收发预警信息的公式如下，N 为车辆总数，收到的预警信息总数X（N）为

发出的预警信息总数Y（N）为

时延公式如下，其中L为路长，C为电磁波传播速度，Δt为信息的处理时间，n为车辆编号：

3）洪泛转发协议，最前方1 号异常车辆发送预警信息，在通信范围内的车辆收到预警信息后，将收到的包和生成的自己的包同时转发给下一辆车，如图4 所示，2 号车收到1 号车转发的数据包，并将收到的数据包和自己生成的数据包转发给3 号车辆，3号车就收到3个数据包，4号车收到1、2和3号车发送的数据包共7个，转发过程如图4所示。

图4 洪泛算法消息转发过程图

其中收发预警信息总数的公式如下，其中f(n)为第n辆车收到的预警信息数，公式如下：

其中g(n)为第n辆车发出的预警信息数，公式如下：

时延公式如下，其中L为路长，C为电磁波传播速度，Δt为信息的处理时间，n为车辆编号：

为了让消息高效地传输，在传输时要保证以下几点。

1）低延迟，在事故发生后，消息能及时地传送到存在潜在危险的车辆，给司机足够的时间去制动。

2）减少信息的冗余，预警消息是周期性广播，这样才更容易让周边的车辆收到预警消息，从而采取应对措施，但周期性广播易造成广播风暴，因此减少信息的冗余非常重要。

最远转发协议是基于位置信息的协议，在已知位置信息的基础上，各个车辆能够精确识别到自己的地理位置，在该算法中，根据道路状况以及车辆信息来进行数据传输。

1）异常车辆从三个群组中选择某个群组中距离最远（无线信号覆盖范围内）的一辆车，其中最远的车辆作为转发车辆，转发车辆再继续进行转发预警信息，从而避免了信息的冗余传输。

2）当转发车辆在转发预警信息时，其他车辆均不转发EWM，避免信息的冗余传输。

上述紧急预警信息的发送、转发及接收流程如图5 所示，通过以上碰撞预警信息的转发，实现了紧急预警信息的远距离传播，并减少了紧急预警信息在传播过程中的冗余问题，从而降低了紧急预警信息在传播过程中因碰撞造成的传输时延和传输失败问题。

图5 紧急状态下EWM转发流程图

4 实验分析

为了对比该协议传输的低延迟性，对比了洪泛转发协议，该协议是节点接收预警信息后，以广播的形式向所有邻居节点转发消息，即每个节点收到广播信息后，都重播一次，这样做就确保了车辆节点都能够收到广播信息，同时因为所有的节点都参与了广播，所以就会产生冗余和冲突等问题，因此洪泛算法容易产生广播风暴，从而导致数据传输的延时。

图6 为传输时延的对比，本文考虑的是在车辆数（M）不同的情况下，两种算法时延的对比。设置车辆数M为8到100辆，图中可以看出，洪泛算法在车辆较少的时候，传输时延略高于最远转发协议，随着车辆的增多，洪泛转发协议的传输时延剧增，尤其车辆数大于16 辆的时候，洪泛算法的时延增长尤为迅速，在车辆数为28 辆左右的时候，时延达到1s。相比较，本文提出的最远转发协议时延增长缓慢，较为平稳，车辆数达到100辆时，时延在0.35s左右，因此，相对于洪泛协议，本协议可以较大程度地降低传播时延，提高紧急预警信息的传输效率。

图6 时延图

5 结语

本文研究了在不考虑碰撞发生的情况下，三种算法的收发预警信息的情况，以及考虑碰撞的情况下，与洪泛转发协议做了对比实验，通过以上仿真实验结果比较，本文提出的最远转发协议能够较好地降低紧急预警信息的传输时延，在车辆数增多的时候，时延仍然比较稳定，减少了信息传输过程中的冲突，降低了碰撞率，提高了传输的可靠性，从而可以起到提前预警的效果，降低事故的发生几率。