路口2-DVANET中緊急信息單跳廣播的可靠性分析*

張恩展，鄺育軍

（電子科技大學(xué)移動(dòng)互聯(lián)實(shí)驗(yàn)室 成都611731）

1 引言

當(dāng)前，智能交通系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外快速發(fā)展，不但可以提高交通路網(wǎng)的運(yùn)行效率，還可以使駕駛更安全。在智能交通系統(tǒng)中，車(chē)輛自組織網(wǎng)絡(luò)（vehicular Ad Hoc network，VANET）是重要的組成部分。VANET是由分散的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)間自動(dòng)組網(wǎng)來(lái)完成節(jié)點(diǎn)間的通信。VANET未來(lái)的主要應(yīng)用包括數(shù)據(jù)采集、緊急信息廣播、安全預(yù)警、交通娛樂(lè)信息分享和廣告等。大部分的應(yīng)用都要求及時(shí)可靠地把信息傳播到接收端。因此，廣播成了最有效的交通信息傳播方法。對(duì)于緊急預(yù)警信息的傳播，在多數(shù)情況下，尤其是高動(dòng)態(tài)拓?fù)渥兓能?chē)輛環(huán)境下，單跳廣播常常作為主要的信息傳播方式，可以實(shí)現(xiàn)快速及時(shí)地把緊急信息傳播給周?chē)能?chē)輛。截至目前，大量的研究工作主要針對(duì)VANET中多跳廣播的連接問(wèn)題[1,2]，極少關(guān)注單跳廣播的可靠性。然而，由于隱藏終端問(wèn)題、并發(fā)廣播問(wèn)題和車(chē)輛節(jié)點(diǎn)的快速移動(dòng)問(wèn)題等存在，使得單跳廣播的可靠性面臨極大的考驗(yàn)和挑戰(zhàn)。目前，學(xué)者們?cè)赩ANET中的廣播研究中主要解決洪泛廣播的廣播風(fēng)暴問(wèn)題、中繼節(jié)點(diǎn)選擇問(wèn)題、多跳連接的連通問(wèn)題、多跳路由問(wèn)題等[3]。參考文獻(xiàn)[4]介紹一種基于車(chē)輛密度的緊急信息廣播（VDEB）方案來(lái)解決廣播數(shù)據(jù)流的過(guò)載問(wèn)題。參考文獻(xiàn)[5]給出一個(gè)基于有效道路的有向廣播（ERD）協(xié)議用來(lái)提高在VANET中廣播的效率。參考文獻(xiàn)[6]介紹一種選擇可靠節(jié)點(diǎn)廣播（SRB）的協(xié)議來(lái)減小廣播風(fēng)暴的影響。參考文獻(xiàn)[7]通過(guò)仿真揭示了有向存儲(chǔ)—攜帶—前傳廣播協(xié)議在二維道路模型上的特性，充分體現(xiàn)了該協(xié)議的優(yōu)良性能。綜上所述，這些協(xié)議的主要目的是改善VANET中數(shù)據(jù)傳輸方法的性能。自從IEEE 802.11p成為VANET的主要標(biāo)準(zhǔn)后，使得VANET中的媒體接入層有了一個(gè)具體的解決方案，于是研究人員對(duì)此提供了一些新的廣播方案。參考文獻(xiàn)[8]分析了IEEE 802.11p的廣播性能，并通過(guò)仿真來(lái)驗(yàn)證廣播模型。盡管緊急信息廣播服務(wù)在VANET中是個(gè)重要的問(wèn)題，但對(duì)于單跳廣播，更深入的理論分析和仿真工作還很少。Ma X M等在參考文獻(xiàn)[9]給出VANET中單跳廣播的可靠性定義，即在特定廣播周期內(nèi)所有車(chē)輛節(jié)點(diǎn)接收到廣播分組的網(wǎng)絡(luò)能力，分析了一維VANET場(chǎng)景下的單跳廣播的可靠性。接著，Ma X M等在參考文獻(xiàn)[10]分析了MANET中二維場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)分組接收率 （packet reception rate，PRR）。該二維場(chǎng)景是將兩條平行的線(xiàn)作為移動(dòng)場(chǎng)景。對(duì)于二維VANET場(chǎng)景下分析廣播的可靠性仍然是一個(gè)開(kāi)放性的問(wèn)題[9～11]。對(duì)于路口二維VANET場(chǎng)景下的單跳廣播的可靠性分析工作還未見(jiàn)報(bào)道，為此，在參考文獻(xiàn)[9]的基礎(chǔ)上，考慮了路口兩條交叉道路上的隱藏節(jié)點(diǎn)和并發(fā)廣播節(jié)點(diǎn)問(wèn)題以及車(chē)輛密度的變化，分析了偵聽(tīng)范圍、數(shù)據(jù)分組大小、退避窗口大小等因素對(duì)單跳廣播的PRR、距標(biāo)記節(jié)點(diǎn)距離為d的范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)分組接收率（PRR with distance d from the sender，PRR(d)）和數(shù)據(jù)分組投遞率（packet delivery probability，PDP）的影響。

2 廣播場(chǎng)景及條件

2.1 廣播場(chǎng)景

十字路口二維VANET場(chǎng)景如圖1所示，廣播節(jié)點(diǎn)位于路口，后續(xù)內(nèi)容中稱(chēng)其為標(biāo)記節(jié)點(diǎn)。

圖1 路口2-D VANET廣播場(chǎng)景

2.2 給定條件

文中研究給定條件如下。

·車(chē)輛密度為ρ（輛/m），節(jié)點(diǎn)單跳廣播的覆蓋半徑為R（通常大于300 m），節(jié)點(diǎn)的載波偵聽(tīng)范圍為L(zhǎng)cs，節(jié)點(diǎn)的干擾范圍為L(zhǎng)int，且滿(mǎn)足R≤Lint≤Lcs≤2R。

·在圖1所示的二維環(huán)境中，由于覆蓋范圍R垌Widthronad，則道路寬度可以忽略，車(chē)輛節(jié)點(diǎn)在道路上的分布可以看作分布在兩條相互垂直的直線(xiàn)上。2-D模型如圖2所示，可以很好地近似十字路口的情景。

·標(biāo)記節(jié)點(diǎn)在十字路口處，如圖中O處；則在標(biāo)記節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)有4ρR個(gè)節(jié)點(diǎn)。

·車(chē)輛在每一條道路上的分布是一個(gè)泊松點(diǎn)過(guò)程，密度為ρ，節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組的到來(lái)是服從到達(dá)率為λ的泊松過(guò)程。

·MAC層的數(shù)據(jù)分組排隊(duì)長(zhǎng)度不限，服務(wù)過(guò)程服從離散馬爾科夫過(guò)程M/G/1。

·節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性在數(shù)據(jù)分組的單跳傳播時(shí)間內(nèi)可以忽略，例如車(chē)輛速度為120 km/h（城市道路上雙向行駛車(chē)輛的平均相對(duì)速度），數(shù)據(jù)分組大小為200 byte，數(shù)據(jù)速率為12 Mbit/s，在一個(gè)數(shù)據(jù)分組的投遞周期內(nèi)，則車(chē)輛移動(dòng)位移約為0.053 m。

圖2 路口2-D VANET模型

·假設(shè)單跳覆蓋范圍內(nèi)的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)是時(shí)間同步的。

3 可靠性指標(biāo)

針對(duì)路口2-D VANET中單跳廣播的可靠性，本節(jié)給出3個(gè)衡量指標(biāo)，數(shù)據(jù)分組接收率PRR、距標(biāo)記節(jié)點(diǎn)距離為d的范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)分組接收率PRR(d)和數(shù)據(jù)分組投遞率PDP(di)。分別定義如下：

4 PRR、PRR(d)和PDP分析

在IEEE 802.11退避機(jī)制中，假設(shè)每個(gè)車(chē)輛節(jié)點(diǎn)在一個(gè)時(shí)隙中廣播數(shù)據(jù)分組的概率為ε，于是可得：

其中，w0是退避窗口大小，p0是MAC層無(wú)數(shù)據(jù)分組廣播的概率，由數(shù)據(jù)分組從上層到來(lái)的到達(dá)率和車(chē)輛節(jié)點(diǎn)使用的廣播信道的服務(wù)率μ決定。給定數(shù)據(jù)分組的平均長(zhǎng)度為E[P]和數(shù)據(jù)頭長(zhǎng)度LH（包含物理層和MAC層的頭長(zhǎng)度），信道傳播時(shí)延為τ，數(shù)據(jù)速率為Rd，DIFS為分布式協(xié)調(diào)功能幀間間隔（DCF inter frame space），則退避時(shí)間長(zhǎng)度T為：

受隱藏終端廣播影響的標(biāo)記節(jié)點(diǎn)的一個(gè)時(shí)間段稱(chēng)為敏感時(shí)間，可由式（6）計(jì)算：

標(biāo)記節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)到信道忙的概率為：

根據(jù)十字路口的幾何對(duì)稱(chēng)性，只需分析標(biāo)記節(jié)點(diǎn)右側(cè)覆蓋范圍內(nèi)的可靠性指標(biāo)就可以獲得整個(gè)覆蓋范圍內(nèi)的對(duì)應(yīng)結(jié)果。因此，以下內(nèi)容針對(duì)右側(cè)覆蓋范圍[0，R]的指標(biāo)進(jìn)行分析。

4.1 PRR

4.1.1 隱藏終端的影響

根據(jù)隱藏終端的干擾范圍和標(biāo)記節(jié)點(diǎn)的偵聽(tīng)范圍的大小，由圖2可知，十字路口處兩條道路上的隱藏終端僅影響與隱藏終端處與同側(cè)標(biāo)記節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)的接收。令X為距標(biāo)記節(jié)點(diǎn)最近的起影響作用的隱藏節(jié)點(diǎn)距最外側(cè)OH的距離隨機(jī)變量，則隱藏終端范圍內(nèi)潛在隱藏終端未發(fā)送廣播的節(jié)點(diǎn)所分布的范圍為：

那么隨機(jī)變量X的累積分布函數(shù)（CDF）為：

從以上分析，很容易得到在范圍Lfree內(nèi)的節(jié)點(diǎn)不受隱藏終端的影響。其中Lfree為：

于是在范圍[0,R]中，即標(biāo)記節(jié)點(diǎn)右側(cè)覆蓋范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)接收標(biāo)記節(jié)點(diǎn)廣播失敗的期望節(jié)點(diǎn)數(shù)目為：

因此，在標(biāo)記節(jié)點(diǎn)右側(cè)覆蓋范圍[0,R]內(nèi)，標(biāo)記節(jié)點(diǎn)廣播分組的接收率為：

根據(jù)對(duì)稱(chēng)性，標(biāo)記節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)左側(cè)、上側(cè)和下側(cè)的數(shù)據(jù)分組接收率同式（12）。

4.1.2 并發(fā)廣播的影響

在偵聽(tīng)范圍內(nèi)，當(dāng)存在節(jié)點(diǎn)與標(biāo)記節(jié)點(diǎn)同時(shí)廣播時(shí)，則產(chǎn)生并發(fā)廣播沖突。即在同一個(gè)時(shí)隙內(nèi)如果偵聽(tīng)范圍內(nèi)有節(jié)點(diǎn)與標(biāo)記節(jié)點(diǎn)同時(shí)廣播，則在該廣播節(jié)點(diǎn)與標(biāo)記節(jié)點(diǎn)的重疊覆蓋范圍內(nèi)產(chǎn)生廣播沖突，使得接收節(jié)點(diǎn)不能成功接收標(biāo)記節(jié)點(diǎn)的廣播分組。下面分析右側(cè)并發(fā)廣播節(jié)點(diǎn)對(duì)PRR的影響，其他3側(cè)并發(fā)廣播的影響僅給出結(jié)果。

（1）右側(cè)并發(fā)廣播的影響

如圖2所示，右側(cè)并發(fā)節(jié)點(diǎn)的分布范圍為OO2=[0,Lcs]，可以分為OO2=OO1∪O1O2兩部分，其中，OO1=[0,Lint]，O1O2=[Lint,Lcs]。在OO1中有并發(fā)廣播節(jié)點(diǎn)存在時(shí)，會(huì)導(dǎo)致標(biāo)記節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)右側(cè)[0,R]中的所有節(jié)點(diǎn)接收標(biāo)記節(jié)點(diǎn)的廣播分組失敗。只有在OO1中沒(méi)有并發(fā)廣播時(shí)，PRR才不為0。

在O1O2中的并發(fā)廣播節(jié)點(diǎn)對(duì)PRR的影響取決于距離標(biāo)記節(jié)點(diǎn)最近的并發(fā)廣播節(jié)點(diǎn)。令Y為該節(jié)點(diǎn)距離外邊界O2的距離隨機(jī)變量，則在[Lint，Lcs-Y]范圍內(nèi)沒(méi)有節(jié)點(diǎn)并發(fā)廣播。于是，Y的CDF為：

標(biāo)記節(jié)點(diǎn)右側(cè)[0,R]中接收標(biāo)記節(jié)點(diǎn)廣播分組失敗的期望節(jié)點(diǎn)數(shù)目為：

因此，標(biāo)記節(jié)點(diǎn)右側(cè)[0,R]范圍內(nèi)受右側(cè)O1O2范圍內(nèi)的并發(fā)廣播影響下的PRR為：

綜合式（13）和式（16）可得，標(biāo)記節(jié)點(diǎn)右側(cè)[0,R]中受右側(cè)范圍內(nèi)并發(fā)廣播影響的總PRR為：

（2）左側(cè)并發(fā)廣播的影響

（3）上側(cè)并發(fā)廣播的影響

（4）下側(cè)并發(fā)廣播的影響

標(biāo)記節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)范圍內(nèi)所有的并發(fā)廣播對(duì)PRR的影響為：

4.2 PRR(d)

在VANET中，相對(duì)于PRR，一些應(yīng)用更關(guān)心標(biāo)記節(jié)點(diǎn)的廣播對(duì)附近節(jié)點(diǎn)的成功覆蓋率，比如緊急事故預(yù)警、多跳中繼節(jié)點(diǎn)的選擇等。為此，更進(jìn)一步地分析了隨著距標(biāo)記節(jié)點(diǎn)距離d（0

4.2.1 隱藏終端的影響

標(biāo)記節(jié)點(diǎn)右側(cè)[0，d]范圍內(nèi)的PRRH(d)為：

其中，距標(biāo)記節(jié)點(diǎn)距離為d的范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)接收標(biāo)記節(jié)點(diǎn)廣播失敗的期望節(jié)點(diǎn)數(shù)目E[NFh(d)]為：

4.2.2 并發(fā)廣播的影響

并發(fā)廣播對(duì)PRR(d)的影響可以參照第3.1.2節(jié)的分析，分析過(guò)程中需注意d的范圍為0

4.3 PDP

式（3）給出定義，PRR(di)為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)成功接收標(biāo)記節(jié)點(diǎn)的廣播分組的概率，其中，di為節(jié)點(diǎn)i距標(biāo)記節(jié)點(diǎn)的距離。PRR(di)同樣受到隱藏終端和并發(fā)廣播的影響。

其中，Pfh為未受隱藏終端影響的概率，Pfc為未受并發(fā)廣播影響的概率，分別為：

5 數(shù)值結(jié)果

表1給出分析時(shí)采用的參數(shù)。

表1 參數(shù)設(shè)置

5.1 PRR

圖3給出不同通信參數(shù)下PRR隨車(chē)輛密度的變化。從圖中可以獲得如下3個(gè)結(jié)論。

（1）當(dāng)傳輸距離、干擾范圍、偵聽(tīng)范圍和數(shù)據(jù)分組大小固定時(shí)，CW=15時(shí)的PRR比CW=31時(shí)的PRR小，即表示增大回退窗口，可以提高PRR。例如在車(chē)輛密度為0.1 veh/m時(shí)，PRRρ=0.1(CW=15)=89.90%，PRRρ=0.1(CW=31)=94.81%，相差4.91%。

（2）當(dāng)傳輸距離、干擾范圍、CW和數(shù)據(jù)分組大小固定時(shí)，Lcs=500 m時(shí)的PRR比Lcs=250 m時(shí)的PRR大，即載波偵聽(tīng)范圍越大，隱藏終端減少，有利于提高接收廣播分組的概率。例如在車(chē)輛密度為0.1 veh/m時(shí)，PRRρ=0.1(Lcs=300)=94.81%和PRRρ=0.1(Lcs=250)=86.91%，二者相差7.90%。

（3）當(dāng)傳輸距離、干擾范圍、偵聽(tīng)范圍和CW大小固定時(shí)，packetsize=200 byte時(shí) 的PRR比packetsize=400 byte時(shí)的PRR大，即表示數(shù)據(jù)分組越大，導(dǎo)致PRR的值越小。例如在車(chē)輛密度為0.1 veh/m時(shí)，PRRρ=0.1(packetsize=200 byte)=86.91%，PRRρ=0.1(packetsize=400 byte)=81.62%，相 差5.29%。

圖3 廣播分組和窗口大小不同時(shí)PRR隨車(chē)輛密度的變化

5.2 PRR(d)

如圖4所示，PRR隨著距廣播節(jié)點(diǎn)的距離的增加而逐漸減小，是因?yàn)殡S著d增大，距廣播節(jié)點(diǎn)d范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)增多，受并發(fā)廣播和隱藏終端影響到的節(jié)點(diǎn)數(shù)目隨之增大，因而數(shù)據(jù)分組的接收率隨著d的增大而減小。同時(shí)，在相同的傳播和干擾距離以及相同密度下，增大載波偵聽(tīng)范圍可提高數(shù)據(jù)分組的接收率。

圖4 標(biāo)記節(jié)點(diǎn)不同距離范圍內(nèi)的PRR(d)

5.3 PDP

圖5 和圖6給出PDP隨車(chē)輛密度的變化。其中，圖5考察了packetsize=200 byte，CW=15時(shí)不同的偵聽(tīng)范圍下距離標(biāo)記節(jié)點(diǎn)為100 m和200 m的接收節(jié)點(diǎn)成功接收標(biāo)記節(jié)點(diǎn)廣播分組的概率。圖6考察了R=Lint=Lcs=250 m時(shí)，不同的廣播分組和退避窗口大小，d=100 m處的節(jié)點(diǎn)成功接收標(biāo)記節(jié)點(diǎn)廣播分組的概率。從圖中可以看出，在相同的條件下，偵聽(tīng)范圍的大小對(duì)PDP的影響作用比較顯著，尤其是在車(chē)輛密度比較大的環(huán)境下，即表示隱藏終端的數(shù)量對(duì)PDP的影響相對(duì)較大。

圖5 packetsize=200 byte、CW=15時(shí)PDP隨車(chē)輛密度的變化

圖6 R=Lint=Lcs=250 m、d=100 m時(shí)PDP隨車(chē)輛密度的變化

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)路口2-D VANET環(huán)境下單跳廣播的可靠性，本文分別考察了隱藏終端和并發(fā)廣播對(duì)3個(gè)可靠性指標(biāo)PRR、PRR(d)和PDP的影響，并進(jìn)行了理論分析和推導(dǎo)，給出了節(jié)點(diǎn)的偵聽(tīng)范圍、廣播分組的大小、退避窗口大小、車(chē)輛密度等因素對(duì)PRR、PRR(d)和PDP的影響結(jié)果。同時(shí)為單跳廣播在不同方面的應(yīng)用，例如緊急事故信息預(yù)警、多跳中繼節(jié)點(diǎn)選擇等，提供了理論參考。

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