基于VANET的高速公路事故消息快速廣播機(jī)制

馬佳榮，趙祥模，馬峻巖，王潤民，孟 強(qiáng)

（長安大學(xué)信息工程學(xué)院，西安710064）

基于VANET的高速公路事故消息快速廣播機(jī)制

馬佳榮，趙祥模，馬峻巖，王潤民，孟 強(qiáng)

（長安大學(xué)信息工程學(xué)院，西安710064）

針對(duì)現(xiàn)有的高速公路事故消息發(fā)布方法存在時(shí)延大、傳輸速度慢等問題，結(jié)合車載環(huán)境無線接入方案，提出一種定向單跳車輛事故消息廣播機(jī)制（DSHVB）。車輛節(jié)點(diǎn)通過建立與自身行駛方向相反的車輛節(jié)點(diǎn)列表，確定是否成為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)從而完成事故消息的定向轉(zhuǎn)發(fā)。研究高速移動(dòng)情況下車輛節(jié)點(diǎn)間事故消息的可靠轉(zhuǎn)發(fā)條件，利用Veins仿真平臺(tái)對(duì)DSHVB進(jìn)行性能評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與泛洪廣播機(jī)制相比，DSHVB的丟包率和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載更低、消息可靠性更高，能夠滿足高速公路事故消息快速廣播的需求。

高速公路；事故消息發(fā)布；車載自組網(wǎng)；廣播機(jī)制；無線接入

1 概述

高速公路中的突發(fā)事故是造成道路擁堵和引發(fā)二次事故的重要原因，這主要是由于現(xiàn)有的事故消息發(fā)布方式［1］（電子情報(bào)板以及調(diào)頻廣播）具有較大的延遲，事故消息傳輸速度慢，無法實(shí)現(xiàn)事故后方車輛的快速疏散。因此，建立一種高效的事故信息發(fā)布機(jī)制［2］顯得尤為重要。

隨著對(duì)車載自組網(wǎng)［3］（Vehicular Ad-hoc Network， VANET）研究的深入，利用VANET對(duì)各類交通消息進(jìn)行廣播［4］以提升交通效率［5］成為研究熱點(diǎn)之一。車載自組網(wǎng)中通信［6］的一個(gè)典型特點(diǎn)是：針對(duì)不同的應(yīng)用，各層協(xié)議可以變化很大，而且通常會(huì)考慮跨層以及簡化層次。目前，較權(quán)威的協(xié)議架構(gòu)［7］是基于IEEE Standard 802.11［8］協(xié)議提出的車載環(huán)境無線接入［9］（Wireless Access in Vehicular Environments，WAVE）方案，通過周期性廣播短程載波消息，車輛節(jié)點(diǎn)與鄰居車輛節(jié)點(diǎn)或路側(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息交互，并通過處理該信息得到交通現(xiàn)狀并做出相應(yīng)調(diào)整?？紤]到WAVE協(xié)議信道切換子層嚴(yán)格規(guī)定的50 ms的切換間隔，能夠保證安全消息的及時(shí)傳輸，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)和傳輸層上的單跳廣播機(jī)制可以保證消息傳遞的可靠性，能夠滿足安全信息發(fā)布服務(wù)水平［10］的要求。本文以WAVE協(xié)議為基礎(chǔ)，在應(yīng)用層對(duì)事故消息的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制進(jìn)行研究。

泛洪廣播［11］是WAVE中使用較為廣泛的一種廣播機(jī)制，然而，考慮到事故只對(duì)道路中與事故車輛行駛方向相同且處于事故車輛后方的車輛行駛造成影響，采用泛洪廣播對(duì)事故消息進(jìn)行傳播存在較大冗余［12］?；诖?，本文提出一種面向高速公路的事故消息快速廣播機(jī)制——定向單跳車輛事故消息廣播機(jī)制（Directional Single-hop Vehicular Broadcast，DSHVB）。車輛節(jié)點(diǎn)通過建立轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)列表，完成事故消息的定向轉(zhuǎn)發(fā)，以降低消息冗余度，并減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。同時(shí)，對(duì)事故消息可靠轉(zhuǎn)發(fā)的條件進(jìn)行討論，并利用Veins［13］仿真平臺(tái)對(duì)DSHVB的性能進(jìn)行評(píng)估。

2 定向單跳車輛事故消息廣播機(jī)制

為改善事故消息以泛洪的方式進(jìn)行廣播時(shí)存在的較大冗余，本文提出一種面向高速公路的定向單跳車輛事故消息廣播機(jī)制。

如圖1所示，為了加快事故消息向處于事故車輛后方車輛傳播的速度，考慮借助于事故車輛反向行駛的車流對(duì)事故消息進(jìn)行廣播。根據(jù)事故發(fā)生時(shí)車輛節(jié)點(diǎn)的不同位置，首先定義多種車輛節(jié)點(diǎn)：事故車輛定義為事故節(jié)點(diǎn)，事故車輛所在道路中處于事故車輛后方的車輛定義為目的節(jié)點(diǎn)，與事故車輛反向行駛的車輛為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。在事故發(fā)生時(shí)，事故節(jié)點(diǎn)向處于事故節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)所有的車輛節(jié)點(diǎn)廣播事故消息，接收到事故消息后轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)向處于事故后方的目的節(jié)點(diǎn)定向轉(zhuǎn)發(fā)事故消息，處于事故節(jié)點(diǎn)后方的目的節(jié)點(diǎn)不進(jìn)行二次轉(zhuǎn)發(fā)，事故消息隨著轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳播。

圖1 事故消息轉(zhuǎn)發(fā)策略

為實(shí)現(xiàn)事故消息以交叉式定點(diǎn)推送的方式進(jìn)行廣播，要求車輛具有存儲(chǔ)/刪除數(shù)據(jù)包的能力以建立和更新鄰居車輛節(jié)點(diǎn)列表。同時(shí)，引入2個(gè)參數(shù)，分別是事故消息標(biāo)識(shí)Alevel和節(jié)點(diǎn)行駛方向標(biāo)識(shí)Dnode。

車輛節(jié)點(diǎn)接收到消息進(jìn)行數(shù)據(jù)解析時(shí)，首先根據(jù)Alevel判定該消息是否為beacon消息，若是beacon消息，則根據(jù)Dnode判斷是否需要對(duì)存儲(chǔ)的節(jié)點(diǎn)列表進(jìn)行更新，從而保證節(jié)點(diǎn)建立的節(jié)點(diǎn)列表的實(shí)時(shí)性；若非beacon消息，則判斷為事故消息，此時(shí)根據(jù)Dnode判斷是否需要對(duì)事故消息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。消息包中包含的內(nèi)容如表1所示，只包含5項(xiàng)內(nèi)容的消息包可加快消息解析速度，從而保證消息在高速公路場(chǎng)景中傳播的高效性。

表1 消息包中包含的內(nèi)容

車輛節(jié)點(diǎn)接收消息后進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)判定的流程如圖2所示，在接收到事故消息和beacon消息時(shí)車輛節(jié)點(diǎn)將進(jìn)行不同的轉(zhuǎn)發(fā)策略。

圖2 車輛節(jié)點(diǎn)接收消息后的轉(zhuǎn)發(fā)判定流程

在圖1中事故節(jié)點(diǎn)A在事故發(fā)生時(shí)，生成事故消息并向節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)所有的車輛節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息，此時(shí)，接收到事故消息的節(jié)點(diǎn)對(duì)事故消息進(jìn)行解析。首先判定事故發(fā)生與否，由于此時(shí)Alevel為1，判定事故消息源節(jié)點(diǎn)發(fā)生事故。其次對(duì)行駛方向進(jìn)行判定，對(duì)圖1中車輛節(jié)點(diǎn)G、車輛節(jié)點(diǎn)H、車輛節(jié)點(diǎn)I、車輛節(jié)點(diǎn)J而言，由于DG=DH=DI=DJ=DA=0即車輛節(jié)點(diǎn)行駛方向與事故節(jié)點(diǎn)A相同，則這4個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)不進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，只需對(duì)事故發(fā)生位置進(jìn)行進(jìn)一步解析。對(duì)于車輛節(jié)點(diǎn)B、車輛節(jié)點(diǎn)C和車輛節(jié)點(diǎn)D而言，由于DA=0而DB=DC=DD=1，判定自身為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，將事故消息向存儲(chǔ)在節(jié)點(diǎn)列表中的車輛節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。最后在經(jīng)過一定時(shí)間的消息轉(zhuǎn)發(fā)后，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)對(duì)是否繼續(xù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)做出判斷，若當(dāng)前時(shí)間與接收到事故消息時(shí)間間隔小于texit，仍不斷對(duì)事故消息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，否則將事故消息以與beacon消息相同的周期進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，從而達(dá)到減少消息冗余度、保證遠(yuǎn)距離的事故消息傳輸?shù)哪繕?biāo)。

若場(chǎng)景內(nèi)不存在事故，則車輛接收到的只有周期性發(fā)送的beacon消息（Alevel=0），車輛節(jié)點(diǎn)據(jù)此建立和更新節(jié)點(diǎn)列表。當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到一個(gè)beacon消息時(shí)，仍對(duì)消息源節(jié)點(diǎn)的行駛方向進(jìn)行判定，若與該節(jié)點(diǎn)行駛方向相同，則丟棄該消息，否則對(duì)列表進(jìn)行更新，保存消息源節(jié)點(diǎn)ID并更新消息接收時(shí)間。另外，在對(duì)列表進(jìn)行掃描時(shí)，若某一節(jié)點(diǎn)消息的最終接收時(shí)間與當(dāng)前時(shí)間之差大于texit，則刪除該節(jié)點(diǎn)信息，減少不必要的存儲(chǔ)開銷。

3 高速移動(dòng)條件下事故消息的可靠轉(zhuǎn)發(fā)

本文所述場(chǎng)景為高速公路，車輛節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度（100 km/h）較高，同時(shí)，行駛方向相反的車輛節(jié)點(diǎn)間相對(duì)速度增加一倍，保證逆向行駛的車輛節(jié)點(diǎn)建立可靠連接并完成消息的發(fā)送與接收是DSHVB正常工作的前提之一。如圖3所示，假設(shè)車輛節(jié)點(diǎn)速度為v，逆向行駛車輛節(jié)點(diǎn)間的垂直間距為dverdis，車輛節(jié)點(diǎn)通信范圍為R，則逆向行駛的車輛節(jié)點(diǎn)B在行駛過程中處于車輛節(jié)點(diǎn)A覆蓋范圍內(nèi)的時(shí)間texit為：

圖3 車速、覆蓋范圍和垂直車輛間距示意圖

假設(shè)beacon消息的發(fā)送頻率為fbeacon，事故消息的發(fā)送頻率為faccident。為了保證事故消息的可靠傳輸，事故消息的發(fā)送頻率faccident應(yīng)高于beacon消息的發(fā)送頻率fbeacon。同時(shí)，當(dāng)texit一定時(shí)，為保證車輛節(jié)點(diǎn)能夠通過消息的交互建立連接，要求消息的最低發(fā)送頻率應(yīng)保證至少存在一個(gè)消息成功發(fā)送至目的節(jié)點(diǎn)，因此，對(duì)beacon消息發(fā)送頻率fbeacon的最小值進(jìn)行計(jì)算。

本文設(shè)定丟包率為Plost，且該丟包率僅保證只有一個(gè)beacon消息發(fā)送至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，此時(shí)需要發(fā)送的beacon消息數(shù)目Msgp-num為：

其中，texit時(shí)間內(nèi)以頻率fbeacon發(fā)送beacon消息的消息數(shù)目Msgr-num為：

若texit時(shí)間內(nèi)發(fā)送的消息總數(shù)M sgr-num大于可保證至少一個(gè)beacon消息發(fā)送至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的消息發(fā)送數(shù)目Msgp-num，即：

因此，認(rèn)為在當(dāng)前場(chǎng)景下可以建立節(jié)點(diǎn)間的可靠連接，并完成數(shù)據(jù)的定向發(fā)送。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

本文仿真選用Veins仿真平臺(tái)從丟包率和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載兩方面對(duì)DSHVB進(jìn)行性能評(píng)估。Veins通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)模擬器OMNeT++［14］（Objective Modular Network Testbed in C++）和微觀交通模擬器SUMO［15］（Simulation of Urban Mobility）各自的專用通信模塊進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了OMNeT++和SUMO的雙向耦合，廣泛應(yīng)用于車載自組網(wǎng)領(lǐng)域。

4.1 仿真場(chǎng)景設(shè)置

本文采用如圖4所示的仿真場(chǎng)景，仿真場(chǎng)景為10 km雙向六車道高速公路，車輛密度為10輛/km。

圖4 SUMO中高速公路仿真場(chǎng)景

考慮到實(shí)際要求，仿真中車輛節(jié)點(diǎn)速度v= 100 km/h，車輛間距為100 m，行車道間寬度為3.75 m，六車道高速公路中行駛方向相反的車輛節(jié)點(diǎn)間的垂直間距dverdis取最遠(yuǎn)距離和最近距離的均值11.25 m。

仿真中車輛節(jié)點(diǎn)的通信范圍R=100 m，丟包率Plost=90%。根據(jù)式（1）可得，車輛節(jié)點(diǎn)處于某一節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍內(nèi)的時(shí)間texit=3.55 s，根據(jù)式（2）可得，beacon消息發(fā)送頻率最小值fbeacon=2.82 Hz，設(shè)置beacon消息的發(fā)送頻率fbeacon=2.82 Hz，事故消息的發(fā)送頻率faccident=2.82 Hz。

圖5為仿真進(jìn)行時(shí)OMNeT++中事故發(fā)生時(shí)的圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI），其中，已發(fā)送事故消息的事故節(jié)點(diǎn)、與事故車輛反向行駛的車流中接收到事故消息并已進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)操作的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)及接收消息的目的節(jié)點(diǎn)已在圖中進(jìn)行說明。

圖5 事故發(fā)生后SUMO中的仿真GUI

4.2 實(shí)驗(yàn)分析

在上述仿真場(chǎng)景中，從事故消息傳播過程中丟包率和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載兩方面對(duì)DSHVB消息廣播機(jī)制進(jìn)行性能評(píng)估，并與泛洪廣播機(jī)制的廣播性能進(jìn)行對(duì)比。

4.2.1 丟包率

本文對(duì)不同廣播機(jī)制下的丟包率進(jìn)行測(cè)試，設(shè)定測(cè)試時(shí)間為325 s～494.4 s，測(cè)試時(shí)間停止點(diǎn)為事故消息到達(dá)事故發(fā)生時(shí)邊界處目的節(jié)點(diǎn)的時(shí)間。經(jīng)測(cè)試分析，分別采用DSHVB廣播機(jī)制與泛洪廣播機(jī)制對(duì)消息進(jìn)行廣播時(shí)的丟包率如圖6所示。

圖6 事故消息傳播丟包率統(tǒng)計(jì)

從圖6可以看出，2種廣播機(jī)制的丟包率趨勢(shì)均為先增長后降低，這是因?yàn)槭鹿食跏冀邮盏绞鹿氏⒌能囕v數(shù)目較少，從而轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量較少，網(wǎng)絡(luò)競爭小。末端節(jié)點(diǎn)丟包率較小是因?yàn)樵摴?jié)點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)仿真過程接近結(jié)束，末端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的消息包數(shù)目較少，因而丟包率較低。

同時(shí)，泛洪廣播的丟包率普遍高于DSHVB廣播方式。這是由于泛洪廣播中的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)量比DSHVB廣播方式中的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)量多一倍，發(fā)送的事故消息過多從而造成網(wǎng)絡(luò)擁堵，丟包率上升。

DSHVB廣播的丟包率最大值為81.5%，低于預(yù)期的90%。這表明，DSHVB在當(dāng)前的事故消息發(fā)送頻率下可以保證事故消息的可靠傳輸，且占用網(wǎng)絡(luò)資源少，丟包率低。

4.2.2 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載

本文通過統(tǒng)計(jì)事故消息到達(dá)一定距離時(shí)發(fā)送事故消息的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)目，衡量不同廣播協(xié)議下的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。顯然，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)目越少，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載越小。圖7給出了不同廣播協(xié)議下的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載?？梢钥闯?，泛洪廣播機(jī)制下的轉(zhuǎn)發(fā)比率呈現(xiàn)大幅增長，遠(yuǎn)高于DSHVB廣播機(jī)制下的轉(zhuǎn)發(fā)比率，這是因?yàn)镈SHVB廣播機(jī)制下轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目增長速率只與車輛節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度有關(guān)，所以呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的增長，轉(zhuǎn)發(fā)比率小，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載小。定向單跳車輛事故消息廣播機(jī)制大大減少了事故消息傳播過程中的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)目，事故消息轉(zhuǎn)發(fā)過程中的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載遠(yuǎn)小于泛洪廣播，不僅能夠減少事故消息傳播過程中的信道競爭，從而保證較低的丟包率及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，為事故消息的可靠傳播建立更良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

圖7 不同廣播機(jī)制下的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載

5 結(jié)束語

本文考慮到現(xiàn)有廣播協(xié)議應(yīng)用于高速公路場(chǎng)景時(shí)通常會(huì)造成事故消息延誤且冗余較大，提出一種面向高速公路事故消息可靠發(fā)布的廣播協(xié)議DSHVB。通過引入2個(gè)參數(shù)：車輛節(jié)點(diǎn)行駛方向Dnode和事故等級(jí)Alevel，完成鄰居節(jié)點(diǎn)列表的建立和更新，同時(shí)據(jù)此對(duì)車輛節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)角色進(jìn)行判定，實(shí)現(xiàn)事故消息的定向單跳轉(zhuǎn)發(fā)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與泛洪廣播機(jī)制相比，DSHVB在保證事故消息快速傳播的前提下具有更低的丟包率和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。為建立更完善的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，同時(shí)進(jìn)一步提高事故消息的傳播速度，需要引入路側(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)事故消息的全網(wǎng)發(fā)布。因此，如何優(yōu)化路側(cè)節(jié)點(diǎn)與車輛節(jié)點(diǎn)間的消息交互策略以保證消息傳輸過程中的低冗余和可靠性是下一步研究的主要內(nèi)容。

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編輯 陸燕菲

Fast Broadcast Mechanism of Accident Message on Highway Based on VANET

MA Jiarong，ZHAO Xiangmo，MA Junyan，WANG Runm in，MENG Qiang
（College of Information Engineering，Chang' an University，Xi'an 710064，China）

Aiming at the problem of long time delay and slow transmission speed of accident message publication method on highway，this paper proposes a Directional Single-hop Vehicular Broadcast（DSHVB）mechanism combining the application with Wireless Access scheme Vehicular Environments（WAVE）.Each car node builds a car node list to record other cars driving in opposite direction，then accomplishes the directional accident message rebroadcast.It discusses the requirements to achieve reliable accident message forwarding and evaluates the performance of DSHVB using Veins. Experimental result shows that DSHVB has lower packet lost rate，higher quality of reliability and lower network load compared with flooding broadcast mechanism，and it meets the requirement of the fast broadcast of the accident message in highway scenario.

highway；accident message publication；Vehicular Ad-hoc Network（VANET）；broadcast mechanism；wireless access

馬佳榮，趙祥模，馬峻巖，等.基于VANET的高速公路事故消息快速廣播機(jī)制［J］.計(jì)算機(jī)工程，2015，41（11）：8-12.

英文引用格式：Ma Jiarong，Zhao Xiangmo，Ma Junyan，et al.Fast Broadcast Mechanism of Accident Message on Highway Based on VANET［J］.Computing Engineering，2015，41（11）：8-12.

1000-3428（2015）11-0008-05

A

TP391.9

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.11.002

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61402050）；國家物聯(lián)網(wǎng)重大示范工程科研基金資助項(xiàng)目（2012-364-812-105）。

馬佳榮（1991-），女，碩士研究生，主研方向：交通信息工程及控制；趙祥模，教授、博士生導(dǎo)師；馬峻巖，講師、博士；王潤民，碩士；孟 強(qiáng)，碩士研究生。

2015-06-15

2015-07-14 E-m ail：727752748@qq.com