车载自组织网络中并发广播冲突研究

葛 晨,孙 宁,肖广兵

(南京林业大学汽车与交通工程学院,南京 210037)

0 引言

车载自组织网络(vehicle-mounted Ad hoc network,VANET)作为智能交通系统[1](intelligent traffic system，ITS)的核心框架载体，通过车-车(vehicle to vehicle,V2V)通信、车-路(vehicle to infrastructure,V2I)通信等实现道路安全信息在人-车-路之间的交互共享，以提高出行效率、保障行车安全。目前，基于VANET网络的应用服务可分为安全性相关与舒适性相关两大类。安全性相关应用是指人-车-路交互共享与交通安全相关的数据信息，如刹车预警、碰撞预警、超车预警等，以提高道路交通安全。舒适性相关应用是指通过人-车-路交互共享非安全相关的数据信息，如影音共享、车载游戏等，提升驾乘体验。针对安全性应用，欧洲电信标准委员会(European Telecommunications Standards Institute,ETSI)在合作式智能交通系统标准(cooperative intelligence transport systems,C-ITS)中定义了合作感知消息(cooperative awareness message,CAM)的概念；建议每个车辆周期性广播自身的CAM消息，其中包含地理位置、实时车速、安全警告等内容；通过与周围临近的车辆、智能路基设施等交换当前的运行状态和道路交通信息，增强对交通安全隐患的协同防控能力。然而，VANET作为一个典型的分布式网络，在数据信息交互的过程中仅能获取局部人-车-路信息，加之车辆快速移动使得网络拓扑结构动态变化，会频繁引发并发广播冲突问题[2]。

由此可见，并发广播冲突问题已经成为制约VANET网络性能，特别是安全性相关应用发展的瓶颈。解决VANET网络内存在的并发广播冲突问题，从而实现人-车-路之间道路安全信息的可靠、实时交互，具有现实的理论研究需求和工程实践意义。因此，本文针对目前适用于VANET网络的并发广播冲突解决方案进行了分类，并阐述了当前的并发广播冲突问题研究现状。

1 VANET网络概述

1.1 VANET网络的架构

车载自组织网络的基本框架主要由车辆、行人、路基单元(road unit side,RSU)、通信服务商等组成。车辆、行人和路基单元是VANET网络中的基本节点，通过装备智能移动单元，如车载设备(on board unit,OBU)等，实现信息在人-车-路之间的数据信息交互。通信服务商则为基本节点提供信息接入服务，如数据上传/下载、后台数据更新等。需要注意的是，车辆、行人和路基单元等基本节点不仅能够通过通信服务商直接进行数据信息交互，还需要与周围临近的其他基本节点通过无线自组织网络进行数据信息交互，以获取更为全面、综合的道路信息。

车载自组织网络的基本框架如图1所示。

图1 车载自组织网络的基本框架

1.2 并发广播冲突问题

由于CAM消息中包含了道路交通安全相关的数据信息，并发广播冲突造成的持续丢包会造成严重的交通安全隐患。并发广播冲突问题在VANET网络中存在两种形式：一种是两个或多个彼此不在各自广播覆盖范围内的节点同时广播CAM消息，在其共同邻居车辆处造成数据冲突；另一种则是两个或多个彼此位于对方的广播覆盖范围内的节点同时广播CAM消息，在其自身处造成数据冲突。两种形式的并发广播冲突都将造成持续的CAM消息丢包。并发广播冲突的两种产生形式如图2所示。

图2 并发广播冲突示意图

在图2(a)中，当车辆v1向邻居车辆v3传输消息，而对面车道驶来的车辆v2也同时向车辆v3传输消息，则两者的并发广播将在共同邻居车辆v3处引发数据冲突，导致车辆v3丢失车辆v1、v2发送的数据包。在图2(b)中，当车辆v1与对面车道的车辆v2同时驶入对方的传输范围时，两者的并发广播将在自身处引发数据冲突，造成两辆车都将丢失对方发送的数据包。

无线自组织网络中的并发广播冲突属于无线通信领域隐藏终端问题的范畴。业内对该问题的研究起步较早，目前已提出了较多解决方案。其中，握手协议是一种简单、有效的方法，即发送和接收节点通过传输RTS/CTS信号预约信道，确认空闲后才进行数据传输。典型的握手协议包括载波侦听多路访问(carrier sense multiple access with collision avoidance,CSMA/CA)、多路访问冲突避免(multiple access collision avoidance,MACA)、无线多路访问碰撞回避(multiple access collision avoidance for wireless,MACAW)等。然而，由于VANET网络中的车辆节点以广播通信模式为主，且车辆具有动态变化性，因此握手协议并不适用于VANET网络。

2 并发广播冲突问题研究现状

考虑到车辆节点的快速移动特性，现有针对VANET网络中并发广播冲突问题的解决方案大致可分为三类，即硬件辅助控制、路由信息交互以及主节点控制。

2.1 硬件辅助控制

硬件辅助控制是指车辆通过控制其搭载的硬件设施，如天线、收发器等，对车辆间的并发广播冲突进行处理。

马晓明[3]等在提出的分布式跨层协议中规定，车辆广播的消息按优先级划分为一级紧急消息、二级紧急消息以及例行广播消息。车辆在广播一级紧急消息、二级紧急消息时，将同步开启双频忙音。邻车接收到忙音后将不会在同一时刻广播自身的消息，直至忙音消失。这可以避免并发广播冲突。然而，车辆开启忙音将会占据部分带宽，浪费信道资源。同时，开启忙音通常需要车辆架设两根天线，引入了不菲的硬件开销。

文献[4]通过调整传输功率，对并发广播冲突进行控制。其核心思想是车辆根据车辆密度等信息调整传输功率，避免发生并发广播冲突。当车辆密度较大时，车辆降低传输功率以减小传输范围。即使此时有其他正在广播的车辆，但双方的传输范围互不覆盖，因此不会发生并发广播冲突。然而，由于传输范围变小，车辆仅能获得少数邻车的CAM消息，无法满足其安全行驶的需求。

李帅兵[5]等提出一种基于模糊逻辑的自适应功率控制策略(adaptive power control strategy based on fuzzy logic,FAPCS)。他们建立了理论传输范围计算模型，预测出车辆密度和满足90%的CAM消息传输率时的传输功率。相较于其他方案，FAPCS调整传输功率时不仅取决于车辆密度值，还取决于车辆能否获取足够的道路安全信息。

Li Shujing[6]等提出一种调整传输功率与冲突检测并行的方案。该方案中，车辆具有两种传输功率(即P1、P0)和两种传输范围(即R1、R0)，如果车辆在通信过程中检测到有两辆车占用同一时隙，存在发生冲突的风险，则该车辆将在其CAM消息中发出通知。冲突方将根据其与占用同一车辆的相对距离大小，作出调整传输功率或跳转时隙的处理。

硬件辅助控制能够有效控制并发广播冲突，但也存在不足。文献[4]～文献[6]利用功率对并发广播冲突进行控制时，忽略了车辆对道路安全信息的需求。此外，绝大部分硬件辅助控制方案不具备自主检测冲突能力。同时，该类方案通常会引入硬件开销，增加了成本。

2.2 路由信息交互

路由信息交互即车辆将自身维护的邻车列表、帧信息列表等与周围邻车进行共享，从而对已发生或潜在的并发广播冲突进行检测和处理。

Van Dung Nguyen[7]等在时分多址接入协议(time division multiple access,TDMA)的基础上，提出基于路基单元辅助的检测冲突(RSU coordination for TDMA-based MAC,RCMAC)方案。在RCMAC中，车辆及RSU均维护单跳邻车列表(one-hop neighbors list,ONL)，以记录车辆的邻车对时隙的占用情况。当车辆访问信道时，将随机占用时隙，根据接收到的消息更新自身的ONL。同时，RSU将整合其传输范围内所有车辆的ONL，并在每一帧开始时广播，以调度其传输范围内的车辆广播。

RCMAC能够对潜在或已发生的并发广播冲突进行处理，但其工作过程严重依赖RSU。针对此问题，Zou Rui[8]等在VeMAC协议的基础上提出一种无冲突预约(collision free reservation,CFR)协议。CFR协议仿照VeMAC协议，将每一帧分为两个时隙集，从而分配给不同行驶方向的车辆，解决了不同行驶方向的车辆相遇时产生的并发广播问题。此外，CFR规定每辆车均维护一个帧信息(frame information,FI)列表，从而记录当前的时隙状态、车辆ID等信息。车辆访问信道时，将初步生成自身的FI列表，并将其状态标记为free(空闲)、collision(冲突)、busy-1(被其一跳邻车占用)、busy-2(被其二跳邻车占用)，从而占据时隙、避免冲突。

VeMAC协议通过划分时隙集解决了不同行驶方向的车辆在相遇时产生的并发广播冲突。然而，VeMAC中的时隙集大小是固定的。这使得VeMAC在一些特殊的交通场景中的发挥出的性能并不尽如人意，如繁忙的十字路口。针对此问题，文献[9]在VeMAC协议的基础上提出了A-VeMAC协议。A-VeMAC协议在分配时隙集时考虑到两边车道上车流量的因素，使车流量多的车道获得更多的时隙，从而完善了VeMAC方案中的不足。

RCMAC和CFR检测冲突时都依赖于冲突方各自的一跳邻车。如果此时冲突方均不存在一跳邻车，则无法检测到并发广播冲突。但总体而言，路由信息交互仍凭借其具备的自主检测能力而成为目前较为主流的并发广播冲突检测方案。

2.3 主节点控制

主节点控制是指利用中心节点簇头(cluster head,CH)对车辆的广播进行调度，避免发生并发广播冲突。此类方案通过集群形成算法将车辆整合为集群，筛选出具有最优条件的车辆成为簇头，并利用簇头对集群内部的车辆进行调度，实现无冲突广播。

Yvonne Gunter[10]等提出的基于集群的介质访问控制(cluster based medium access control,CBMAC)协议将车辆整合为集群的形式行驶，并通过算法筛选出中心节点作为簇头，由簇头安排集群内车辆的广播；同时，重新定义了帧结构。帧结构如图3所示。

图3 帧结构示意图

由图3可知：每一帧划分为车辆广播阶段与随机访问阶段，车辆广播阶段中的头两个时隙固定分配给簇头。时隙1中，簇头将广播信标消息，接收到信标消息的车辆均默认自身加入由该簇头管理的集群。时隙2中，簇头将广播当前帧的广播安排，以免集群内部车辆发生广播冲突。新车辆加入时将在随机访问阶段广播注册消息以申请时隙。簇头接收到新车辆的注册消息后，将为其安排时隙。该方法解决了并发广播冲突问题。然而，由于时隙的总数是不变的，在车辆密度较大的交通环境中，集群内部可能因为车辆总数超过时隙总数而发生并发广播冲突。文献[11]提出的TC-MAC协议规定，根据车辆密度动态变化时隙数目，确保车辆能以最大公平性接入信道。在极端情况下，即使车辆数超过时隙数，簇头也可根据车辆的地理位置安排距离较远的车辆对时隙进行复用，从而充分利用信道资源。

然而，上述方案未考虑集群间的广播冲突问题。因此，Aghmaz Ul Haq等[12]提出一种基于车辆位置和移动方向(location and mobility-aware clustering based TDMA,LMA-CT)协议，解决了集群间的并发广播问题。LMA-CT借鉴了VeMAC协议，将一帧划分为两个时隙集，使不同行驶方向的车辆占用不同的时隙集。此外，LMA-CT协议规定：车辆均维护一个FI列表，由车辆实时交换并更新FI列表，以占用无冲突时隙；同时，对已发生的冲突进行检测及处理。

基于主节点控制的方法能够有效地解决并发广播冲突。但集群行驶目前仅是一个构想，存在如集群的形成、维护、簇头选择等问题。尽管如此，此类方案仍具有广阔的发展前景。

2.4 性能比较

为了从性能上对上述三类方案进行对比，利用以下指标进行评价。

①自主检测能力：评价方案是否具备自主检测并发广播冲突的能力。

②源头阻截能力：评价方案是否具备防止并发广播冲突发生的能力。

③适应性：评价方案在不同交通环境中是否均具备检测冲突或防止冲突发生的能力。

④硬件开销：评价方案在解决问题的同时是否引入额外的硬件开销。

⑤通信开销：评价方案在解决问题的同时是否引入额外的通信开销。

方案性能对比如表1所示。

表1 方案性能对比

3 存在的问题与未来研究方向

3.1 存在的问题

通过对上述三类方案的阐述与比较，可大致归纳出目前在解决并发广播冲突问题上存在的几个问题。

①成本问题。

文献[3]需要车辆装设两根天线，引入了不菲的硬件开销。文献[7]和文献[8]需要车辆维护路由信息表，产生了额外通信开销。

②分布式网络中的冲突检测及处理。

目前，部分文献在解决并发广播冲突时假设车辆能够获得全局网络信息。然而，这种假设在真实的VANET网络中是不现实的，甚至是不可能实现的。

③集群的相关问题。

主节点控制引入了集群的形成、维护、簇头选择等问题，但目前业内对这些问题的研究也尚未形成共识。

3.2 未来研究方向

①低成本化的解决方案。

考虑到未来VANET网络将大范围投入使用，同时网络内的节点数目众多，并发广播冲突解决方案的低成本化势在必行。

②适用于分布式网络的解决方案。

未来，在对VANET网络中的并发广播冲突问题研究时，需充分考虑到VANET网络的特性。

③集群的行驶模式。

集群行驶的模式不失为未来VANET网络的一个重要发展方向，因此可在集群间的广播冲突方面展开深入研究。

④车辆丢包的后续处理。

在有效时间内对丢失的数据包进行恢复，将是目前及未来的研究重心之一。

4 结论

VANET网络在车辆通信方面发挥着巨大的作用，具有广阔的发展前景。并发广播冲突问题的存在严重影响了车辆间的数据包交换，对安全行驶造成了潜在隐患。因此，检测并处理并发广播冲突对VANET网络的发展而言具有长远意义。本文对目前已提出的并发广播冲突解决方案进行了总结与分类，分析了各类方案中的优缺点，提出所述方案中存在的一些问题，并列出了解决VANET网络中并发广播问题的几个方向。该研究为后续并发广播冲突的处理提供了借鉴。