基于自適應(yīng)信標(biāo)交換的方向廣播協(xié)議

吳學(xué)文，顧 欣

（河海大學(xué) 計算機與信息學(xué)院，江蘇 南京211100）

0 引 言

VANET 通過車輛節(jié)點配備的傳感器系統(tǒng)進(jìn)行信息的采集、傳輸和交換，實現(xiàn)緊急情況預(yù)警、協(xié)同駕駛、分布式交通信息的收集與分發(fā)等交通安全類應(yīng)用，以提高行車安全性和交通效率。其中，緊急情況預(yù)警對信息傳輸?shù)膶崟r性和可靠性要求極高。協(xié)同駕駛、分布式交通信息收集與分發(fā)則要求廣泛性、高效性與安全性。舒適類應(yīng)用中的信息傳輸往往對傳輸可靠性、帶寬、延遲等要求較高。因此，VANET 的信息傳輸對服務(wù)質(zhì)量QoS要求各異，如何針對VANET 的基本特征和不同應(yīng)用設(shè)計高效的、可靠的廣播協(xié)議成為目前VANET 的研究重點。本文旨在針對現(xiàn)有十字路口廣播協(xié)議存在的不足，提出一種性能更優(yōu)越的廣播協(xié)議。

1 相關(guān)工作

現(xiàn)有的VANET 廣播協(xié)議按照中繼方式又可分為基于概率的廣播協(xié)議、基于位置的廣播協(xié)議、基于MAC 層的廣播協(xié)議和基于鄰居消息的廣播協(xié)議。其中，多數(shù)協(xié)議是為高速公路等直線道路場景設(shè)計，只有少部分協(xié)議考慮十字路口處多路段的信息廣播。

1.1 現(xiàn)有VANET廣播協(xié)議分析

1.1.1 基于概率的廣播協(xié)議

基于概率的廣播協(xié)議中的節(jié)點接收到廣播分組后，立即或等待一定時隙后以概率P 轉(zhuǎn)發(fā)分組，P 為1時就退化為簡單洪泛。文獻(xiàn) ［1］提出加權(quán)式p－堅持、時隙式1－堅持、時隙式p－堅持3種基于概率的廣播協(xié)議。K.A.Hafeez等提出一種基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膒－堅持廣播協(xié)議［2］（network topology p－persistence scheme，NTPP）：若接收節(jié)點為候選廣播節(jié)點，則在延時等待后轉(zhuǎn)發(fā)分組；否則在延時等待后以概率p轉(zhuǎn)發(fā)分組。

1.1.2 基于位置的廣播協(xié)議

基于位置的廣播協(xié)議在傳輸范圍內(nèi)選擇相對遠(yuǎn)的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)分組，可在較大程度上減少中繼節(jié)點數(shù)目冗余。該類協(xié)議的中繼節(jié)點選擇策略主要有：距離閾值法、計數(shù)法、概率法、時間片法。前3種策略的共同特點是中繼節(jié)點不唯一，因而不能最大程度減少中繼節(jié)點的數(shù)目和分組冗余?；谖恢玫膹V播協(xié)議多為時間片法或其改進(jìn)，完全采用分布式思想，選擇的中繼節(jié)點是確定且唯一的。目前，很多基于位置的廣播協(xié)議被提出，時間片策略也被普遍采用，典型的基于位置的廣播協(xié)議有EDB［3］、S1－PB、TRAB［4］、LDMB［5］等。

1.1.3 基于MAC層的廣播協(xié)議

針對基于IEEE802.11的MAC 協(xié)議不支持可靠廣播的問題，許多基于MAC 層的廣播協(xié)議被提出，如Gokhan K等提出一種適用于城市道路場景的多跳廣播［6］（urban multi－h(huán)op broadcast，UMB）協(xié)議，通過RTB／CTB 握手機制 （request to broadcast／clear to broadcast）選擇最遠(yuǎn)節(jié)點作為廣播中繼節(jié)點，并通過ACK 分組確認(rèn)提高可靠性。UMB的可靠性和資源利用率高，但基于握手機制的中繼選擇策略使得信道競爭與沖突問題較為突出，不適合高密度的VANET。文獻(xiàn) ［7］提出的基于跨層的多跳廣播協(xié)議PMBP （position based multi－h(huán)op broadcast），基 于BRTS／BCTS握手機制選擇中繼節(jié)點，并采用IEEE 802.11e支持不同優(yōu)先級分組的廣播。

1.1.4 基于鄰居消息的廣播協(xié)議

基于鄰居消息的廣播協(xié)議中，節(jié)點根據(jù)來自鄰居節(jié)點的周期性的Hello或Beacon消息維護(hù)和更新鄰居列表，在得知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞幕A(chǔ)上選擇最佳中繼節(jié)點。這種協(xié)議的中繼方式主要有：距離法、拓?fù)浞謱臃?、連通域集合法。其中連通域集合法是節(jié)點通過鄰居列表信息計算自身是否處于連通區(qū)域集合 （connected dominating set，CDS）中，處于CDS內(nèi)的節(jié)點相對處于CDS外的節(jié)點具有更短的延時等待時間，從而最先接入信道成為廣播中繼節(jié)點。典型的基于 鄰 居 消 息 的 協(xié) 議 有 ERD［8］、StreetCAST［9］、DBAMAC［10］、DV－CAST［11］、AckPBSM［12］等。

1.2 考慮十字路口的廣播協(xié)議分析

上述廣播協(xié)議多為高速公路等直線路段場景設(shè)計，未考慮十字路口處廣播傳輸?shù)姆较蛐裕蚨鴮⑵溆糜诔鞘械缆肥遣豢扇〉摹，F(xiàn)有的考慮十字路口的廣播協(xié)議主要有UMB、EDB、DP－IB［13］、StreetCAST、RB－FI、AckPBSM、ERD 等。對于十字路口轉(zhuǎn)發(fā)方式，UMB、EDB、DP－IB、StreetCAST 均在十字路口安裝轉(zhuǎn)發(fā)器，該集中式方法實現(xiàn)簡單、可靠性和信道利用率比較高，缺點是給每個路口配備轉(zhuǎn)發(fā)器增加了成本。RB－FI、AckPBSM、ERD 則采用完全分布式策略，分別在十字路口的各路段上，并從中選擇合適的中繼節(jié)點。本文主要討論分布式策略。

RB－FI通過計算轉(zhuǎn)播節(jié)點速度矢量與轉(zhuǎn)播節(jié)點到接收節(jié)點的位移矢量間夾角的正弦值，分別將轉(zhuǎn)播節(jié)點后方和前方節(jié)點分為三類 （sinα＞0、sinα＝0、sinα＜0），表示處于不同路段上，采用基于位置的時間片法分別選擇中繼節(jié)點。RB－FI默認(rèn)相同道路上的車輛節(jié)點處于同一條直線上，但在實際場景中往往存在偏差 （尤其是多車道場景），容易造成分類錯誤，從而影響協(xié)議性能。AckPBSM 基于連通域集合法，無需根據(jù)車輛節(jié)點的位置、速度等信息了解車輛是否處于十字路口。ERD 在十字路口處根據(jù) “l(fā)ine－ofsight”原則選擇各路段上最合適中繼節(jié)點，但由于缺乏重播機制，容易造成稀疏路段上的廣播中斷。UV－CAST 結(jié)合類似傳染轉(zhuǎn)發(fā)策略提高廣播可靠性，核心思想是：處于十字路口的中繼節(jié)點在完成分組轉(zhuǎn)播后，選擇其傳輸范圍邊界處 的 節(jié) 點 成 為SCF （store－carry－forward）節(jié) 點；SCF發(fā)現(xiàn)有未收到該分組的節(jié)點進(jìn)入其傳輸范圍時就轉(zhuǎn)播分組，旨在保證所有方向上的不同路段的節(jié)點都能收到廣播分組。相對于以上幾種選擇各路段上最遠(yuǎn)節(jié)點的廣播協(xié)議，UVCAST 能保證廣播覆蓋率，但額外的SCF 節(jié)點轉(zhuǎn)播分組，造成分組冗余和碰撞。

2 基于自適應(yīng)信標(biāo)交換的方向廣播協(xié)議DB－IA

基于鄰居消息的廣播協(xié)議根據(jù)包含位置、速度等信息的信標(biāo)掌握網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，在此基礎(chǔ)上選擇最合適的節(jié)點作為中繼節(jié)點，實現(xiàn)簡單且冗余抑制率高。因此，本文采用基于鄰居消息的中繼策略，針對現(xiàn)有考慮十字路口的廣播協(xié)議存在的不足，提出一種同時適用于高速公路和城市道路場景的基于自適應(yīng)信標(biāo)交換的方向廣播協(xié)議 （directional broadcast considering intersection via adaptive beaconing，DB－IA）。DB－IA 采用自適應(yīng)信標(biāo)交換機制動態(tài)調(diào)整信標(biāo)分組廣播周期，減小分組沖突和網(wǎng)絡(luò)開銷，提高資源利用率。在可靠性方面，DB－IA 通過中繼節(jié)點間單播ACK 分組進(jìn)行廣播分組確認(rèn)，并結(jié)合雙向傳輸和存儲－轉(zhuǎn)發(fā)策略緩解廣播中斷問題。為避免十字路口多中繼節(jié)點同時轉(zhuǎn)播分組造成的沖突，DB－IA 通過優(yōu)化退避方式控制轉(zhuǎn)播隊列，使分組轉(zhuǎn)播快速、有序地完成，提高廣播的實時性。

2.1 中繼節(jié)點選擇策略

DB－IA 中的節(jié)點根據(jù)周期性的包含ID、路段、位置、速率等信息的信標(biāo)分組完成鄰居列表的建立或更新。信標(biāo)分組和鄰居列表的格式如圖1所示。

圖1 信標(biāo)分組和鄰居列表格式

各字段含義如下：ID：節(jié)點標(biāo)識符；R＿ID：路段標(biāo)識符；Loc：節(jié)點位置；Vel：節(jié)點速率；Vel－R：鄰居節(jié)點相對當(dāng)前節(jié)點的運動趨勢 （靠近／遠(yuǎn)離）；Loc－R：鄰居節(jié)點與當(dāng)前節(jié)點的位置關(guān)系 （前方／后方）；Dis：鄰居節(jié)點與當(dāng)前節(jié)點的距離。

對于緊急告警信息，同向車道上緊隨EMSN 的車輛處境最危險，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先被警告；對于交通疏導(dǎo)信息，同向車道上的節(jié)點進(jìn)入擁堵區(qū)域的概率比較大，應(yīng)當(dāng)快速被告知。因此，DB－IA 優(yōu)先選擇相距最遠(yuǎn)的同向車輛節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)分組，旨在滿足交通安全需求的同時減少中繼節(jié)個數(shù)。當(dāng)同向車道存在網(wǎng)絡(luò)空洞時則采用反向中繼策略，即暫時選擇反向車道上的節(jié)點作為下一中繼節(jié)點，而后在條件允許的情況下返回同向中繼策略。因此，所有車輛節(jié)點可分為同向中繼節(jié)點、反向中繼節(jié)點和非中繼節(jié)點三類。

節(jié)點接收到廣播分組后，判斷自己是否為上層中繼節(jié)點 （pre－relay node，PRN）選擇的中繼節(jié)點，若是則進(jìn)行下一中繼節(jié)點的選擇。首先，根據(jù)鄰居列表中感興趣區(qū)域的鄰居節(jié)點的路段標(biāo)識符R＿ID判斷場景：若R＿ID相同，說明為直路場景；若R＿ID不同，說明為十字路口場景，每個路段分別選擇一個中繼節(jié)點。同向中繼節(jié)點的感興趣區(qū)域為其后方，而反向中繼節(jié)點的感興趣區(qū)域為其前方。

直路或每個路段的中繼選擇策略基本相同，描述如下：若當(dāng)前節(jié)點為同向中繼節(jié)點，則選擇后方鄰居節(jié)點中距離最遠(yuǎn)且靠近的節(jié)點為同向中繼節(jié)點，如無靠近的節(jié)點則選擇距離最遠(yuǎn)且遠(yuǎn)離的節(jié)點為反向中繼節(jié)點；若當(dāng)前節(jié)點為反向中繼節(jié)點，則選擇前方鄰居節(jié)點中最遠(yuǎn)且靠近的節(jié)點為同向中繼節(jié)點，若無靠近的節(jié)點則選擇距離最遠(yuǎn)且遠(yuǎn)離的節(jié)點為反向中繼節(jié)點。

如圖2 所示，假設(shè)節(jié)點A 為緊急消息源節(jié)點 （emergency message source node，EMSN），A 根 據(jù) 鄰 居 節(jié) 點 的R－ID判斷后方為直線道路場景，則選擇后方最遠(yuǎn)且靠近的節(jié)點B為同向中繼節(jié)點；B 判斷其后方為十字路口場景，在路段2、3根據(jù)最遠(yuǎn)且靠近原則分別選擇D 和G 為同向中繼節(jié)點。對于路段1，因為無靠近的節(jié)點則根據(jù)雙向中繼原則選擇最遠(yuǎn)且遠(yuǎn)離的節(jié)點C為反向中繼節(jié)點。對于節(jié)點D，在判斷后方為直線道路場景后發(fā)現(xiàn)后方傳輸范圍內(nèi)無靠近的節(jié)點，即發(fā)生同向傳輸空洞，所以選擇節(jié)點E為反向中繼節(jié)點。E選擇其前方且靠近的節(jié)點為同向中繼節(jié)點。告警信息分組按照以上規(guī)則被傳輸?shù)竭h(yuǎn)處路段上，直到分組過期。

2.2 自適應(yīng)信標(biāo)交換機制

信標(biāo)交換主要實現(xiàn)鄰居節(jié)點發(fā)現(xiàn)和位置等信息交互，是DB－IA進(jìn)行中繼節(jié)點選擇的重要基礎(chǔ)和依據(jù)，其廣播方式和周期對DB－IA協(xié)議性能存在較大的影響。在節(jié)點密度相對低的場景下，較小頻率的信標(biāo)交換延長鄰居發(fā)現(xiàn)時間，某一時刻使用的鄰居節(jié)點信息并不是最實時的，影響協(xié)議的可靠性。在節(jié)點密度相對高的場景下，若保持較大頻率的信標(biāo)交

圖2 DB－IA 中繼節(jié)點選擇

換，雖能獲得較為實時的鄰居信息，但過多占用了告警信息廣播帶寬，產(chǎn)生沖突的概率較大，降低協(xié)議的實時性。因此，為使DB－IA能適應(yīng)不同節(jié)點密度場景，本文提出一種自適應(yīng)信標(biāo)交換機制來取代傳統(tǒng)的固定周期的信標(biāo)交換策略。

自適應(yīng)信標(biāo)交換機制主要依據(jù)車輛節(jié)點密度、距離、移動性等因素，動態(tài)調(diào)整信標(biāo)交換周期I，涉及的主要參數(shù)包括：密度度量D，距離度量d、移動性度量M 等。I 的計算方法如下所示

其中，Di＝n，n表示鄰居節(jié)點的總個數(shù)，Dmax是一個預(yù)設(shè)值，表示節(jié)點能夠承受的最大鄰居節(jié)點數(shù)，dij為節(jié)點i到鄰居節(jié)點j的距離 （m），R 為車輛節(jié)點傳輸范圍，vi和vj分別為節(jié)點i及其鄰居節(jié)點的移動速率 （m／s）；w 為權(quán)重因子，可根據(jù)場景或應(yīng)用的不同，調(diào)節(jié)各參數(shù)對I 計算的影響程度，此處w1＝w2＝0.25，w3＝0.5，I 的值始終處于區(qū)間 ［Imin，Imax］內(nèi)，Imin和Imax分別為I 的下限和上限，其值由網(wǎng)絡(luò)負(fù)載承受能力和可靠性要求來決定?？紤]以下幾種情形：①D 較大，表明局部節(jié)點密度較大；②d 較大，表明節(jié)點距離較遠(yuǎn)，節(jié)點靠近其鄰居節(jié)點的傳輸范圍邊界，因而離開其傳輸范圍的概率較大；③M 較大，即節(jié)點i的相對移動速度較快，可能快速從一鄰居節(jié)點的傳輸范圍移動到另一鄰居節(jié)點的傳輸范圍。根據(jù)式 （1）可知：情形①下，應(yīng)在保證鄰居發(fā)現(xiàn)精度的基礎(chǔ)上適量減小I值，避免頻繁的信標(biāo)交換造成信息碰撞；情形②③，應(yīng)增大I，來緩減稀疏網(wǎng)絡(luò)或移動性的影響，保證鄰居發(fā)現(xiàn)的實時性和精度。

2.3 可靠性保障

2.3.1 ACK 機制

由于DB－IA 在每個路段只選擇一個中繼節(jié)點，這些中繼節(jié)點能否可靠地接收到告警分組至關(guān)重要，DB－IA 通過在相鄰中繼節(jié)點間的ACK 分組來保證廣播的可靠性。每個中繼節(jié)點在轉(zhuǎn)播分組后開啟重播定時器 （ReBroadcast timer，RBT），生成ACK 分組并準(zhǔn)備發(fā)送至PRN；檢查其鄰居列表，若PRN 在其中，則單播ACK 分組給PRN；否則，廣播該ACK 分組。接收ACK 廣播分組的鄰居節(jié)點，若發(fā)現(xiàn)目標(biāo)節(jié)點在其鄰居列表中，則競爭ACK 信使節(jié)點。競爭勝出的節(jié)點單播該ACK 分組給目標(biāo)節(jié)點；否則，丟棄該ACK 分組，不作處理。若該中繼節(jié)點在其RBT 溢出之前未收到所有來自下層中繼節(jié)點的ACK 分組，則進(jìn)行告警分組重播。

ACK 信使節(jié)點競爭過程如下：發(fā)送ACK 報文的最大等待時間TAck－max被分為NAck個等長時間片，每個時間片的長度LAck為

每個競爭ACK 信使節(jié)點的中間節(jié)點首先從 ［0，NAck－1－1］中隨機選擇一個時間片idx，再從 ［0.0，LAck］中隨機選擇一個片內(nèi)偏移offset，則最終的延時等待時間TAck如下所示

經(jīng)過兩次隨機選擇，各中間節(jié)點的等待時間被較大程度地離散化，有效降低了多個中間節(jié)點同時轉(zhuǎn)發(fā)ACK 報文的概率。

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)空洞修復(fù)機制

當(dāng)因網(wǎng)絡(luò)空洞造成廣播中斷時，中繼節(jié)點重復(fù)啟動重播定時器，不斷周期性的重播分組，直到有車輛進(jìn)入其信號覆蓋范圍內(nèi)或者消息過期。圖3展現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)空洞的修復(fù)過程：時刻1，中繼節(jié)點A需要轉(zhuǎn)播分組，而其傳輸范圍內(nèi)無車輛節(jié)點，即產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)空洞；時刻2，節(jié)點B進(jìn)入A 的信號覆蓋范圍內(nèi)，成為反向中繼節(jié)點，而其傳輸范圍內(nèi)也無其它節(jié)點，因此繼續(xù)周期性重播過程；時刻3，節(jié)點C進(jìn)入B的信號覆蓋范圍，成為同向廣播節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)空洞修復(fù)成功；若分組未過期，則繼續(xù)進(jìn)行分組的定向廣播。網(wǎng)絡(luò)空洞修復(fù)時間相對較長，對信息傳輸時延的影響較大，卻又不可避免。

圖3 網(wǎng)絡(luò)空洞修復(fù)過程

2.4 十字路口多中繼節(jié)點快速轉(zhuǎn)播機制

在十字路口場景中，各路段的中繼節(jié)點接收到廣播分組的時刻比較靠近，并可能同時嘗試轉(zhuǎn)播分組競爭信道。為減少隨機退避策略帶來的沖突和碰撞，DB－IA 通過合理設(shè)置退避時間來控制分組轉(zhuǎn)播隊列，使得十字路口的廣播中繼快速、有序完成，減少時延。

如圖4所示，節(jié)點B和C偵聽到節(jié)點A 的轉(zhuǎn)播，而后節(jié)點B開始延時退避和轉(zhuǎn)播，后續(xù)節(jié)點C 重復(fù)這個過程。DB－IA 加入網(wǎng)絡(luò)分配矢量NAV，其值設(shè)置足夠大，以保證列表上的中繼節(jié)點能不受干擾地完成各路段上的分組轉(zhuǎn)播。

圖4 十字路口多中繼節(jié)點轉(zhuǎn)播機制

3 協(xié)議仿真與性能評估

本文以NS－2作為網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，利用VanetMobiSim交通流仿真器限制車輛運動的區(qū)域及軌跡，以廣播覆蓋率（REachability，RE）、廣 播 冗 余 抑 制 率 （saved ReBroadcast，SRB）、分組碰撞次數(shù) （number of collision，NoC）、端到端時延 （latency）為網(wǎng)絡(luò)性能評估指標(biāo)，分別對RBFI、ERD、UV－CAST 和本文提出的DB－IA 進(jìn)行仿真實驗和性能比較。

以上評估指標(biāo)定義如式 （8）～式 （10）所示，其中NRNt和NRNr分別是源節(jié)點后方車輛節(jié)點數(shù)和源節(jié)點后方接收到廣播分組的車輛節(jié)點數(shù)，NBNf是信道競爭后成為中繼節(jié)點的車輛節(jié)點數(shù)，TSr是源節(jié)點后方某節(jié)點首次接收到廣播分組的時間戳，TSs是源節(jié)點產(chǎn)生告警信息的時間戳

3.1 實驗環(huán)境與場景

本文利用VanetMobiSim 為車輛自組網(wǎng)設(shè)計了車輛移動的場景，設(shè)置的參數(shù)包括仿真區(qū)域，仿真區(qū)域被劃分塊數(shù)，其中運動的車輛數(shù)，車輛移動的速度范圍，以及包含紅綠燈的岔路口個數(shù)。具體參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 VanetMobiSim 的仿真參數(shù)設(shè)置

仿真實驗在Otcl仿真配置腳本中設(shè)置相關(guān)實驗參數(shù)，見表2。其中，RB－FI處于 ［0，RAD＿TMAX］區(qū)間上，RAD＿TMAX 設(shè)置為100ms。Street－CAST 和ERD 的信標(biāo)交換周期設(shè)置為0.25 ms，而DB－IA 則根據(jù)密度、速度等參 數(shù) 計 算 信 標(biāo) 交 換 周 期。Street－CAST、RB－FI、ERD、UV－CAST 的MAC 協(xié) 議 均 采 用IEEE802.11DCF，而DBIA 則采用提出的改進(jìn)思想。

3.2 結(jié)果與分析

本文在不同告警信息產(chǎn)生時刻，對6種交通場景進(jìn)行仿真，最后統(tǒng)計獲得其平均值作為實驗結(jié)果，如圖5～圖8所示。

（1）4種協(xié)議的RE隨車輛節(jié)點密度呈遞增趨勢，且在高密度場景下都能達(dá)到100%。ERD 因缺乏分組確認(rèn)機制來修復(fù)稀疏路段的廣播中斷，RE 性能較差，原因在于：UV－CAST 協(xié)議指定SCF 節(jié)點緩存分組，并轉(zhuǎn)發(fā)給進(jìn)入其傳輸范圍內(nèi)且未收到該分組的鄰居節(jié)點，以確保所有路段的車輛節(jié)點都能接收到廣播分組；DB－IA 通過在中繼節(jié)點間單播ACK 分組進(jìn)行廣播分組確認(rèn)；RB－FI雖采用存儲－轉(zhuǎn)發(fā)策略，但節(jié)點分類錯誤使得實際情況中某些路段上不存中繼節(jié)點，從而影響RE性能。

表2 NS－2仿真實驗參數(shù)設(shè)置

圖5 不同車輛節(jié)點密度場景下的RE

圖6 不同車輛密度場景下的SRB

圖7 不同車輛密度場景下的NoC

圖8 不同車輛密度場景下的平均Latency

（2）DB－IA 和ERD 的冗余抑制效果接近且相對較好，RB－FI次 之，UV－CAST 相 對 最 差。ERD 和DB－IA 都 是 在得知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞幕A(chǔ)上，直接在每個路段上選擇最遠(yuǎn)且唯一的中繼節(jié)點，從而較大程度上減少了中繼節(jié)點的數(shù)目和廣播跳數(shù)。RB－FI由于分類錯誤問題，某一路段可能存在兩個或以上節(jié)點轉(zhuǎn)播分組，廣播冗余抑制的效果不佳。在稀疏場景中，UV－CAST 中每個十字路口選擇的SCF 節(jié)點增加了轉(zhuǎn)播節(jié)點的個數(shù)，所以SRB性能相對RB－FI低。隨著節(jié)點密度的增加，UV－CAST 的SCF 節(jié)點轉(zhuǎn)播分組需求降低，而RB－FI的分類錯誤程度加劇，兩中協(xié)議的SRB性能的差距逐漸減小。

（3）4種協(xié)議的NoC都是車輛節(jié)點密度的遞增函數(shù)。當(dāng)節(jié)點密度增大時，ERD的中繼節(jié)點數(shù)目不受影響，但信標(biāo)分組數(shù)量激增；ERD的分組碰撞比較嚴(yán)重。RB－FI中，節(jié)點分類錯誤增加了中繼節(jié)點的個數(shù)，而節(jié)點密度的增加使得距離相近的鄰居節(jié)點競爭信道，導(dǎo)致分組碰撞加劇。DB－IA 的NoC最小，原因在于：與ERD 相似，中繼節(jié)點數(shù)目基本不受節(jié)點密度變化的影響；自適應(yīng)信標(biāo)交換機制在節(jié)點密度增大時適度減少分組交換頻率，從而減少信標(biāo)分組的數(shù)量；針對十字路口各路段上的中繼節(jié)點同時轉(zhuǎn)播分組可能造成的碰撞，DB－IA通過設(shè)置遞增的退避時間來控制轉(zhuǎn)播順序，使得轉(zhuǎn)播快速、有序完成，很大程度上減少分組碰撞的概率。

（4）平均Latency曲線呈現(xiàn)兩邊高、中間低的形態(tài)，表明節(jié)點密度過低或過高都會降低廣播的實時性。無論在稀疏場景或稠密場景中，DB－IA 的實時性最好。

當(dāng)ρ＞10時，DB－IA 的中繼節(jié)點個數(shù)幾乎不受密度增加的影響；改進(jìn)的退避方式避免十字路口多中繼節(jié)點的分組碰撞，有效減少信道接入時延；自適應(yīng)信標(biāo)交換機制減小信標(biāo)的廣播周期，減少信標(biāo)分組與廣播分組的碰撞。ERD 中激增的信標(biāo)分組，UV－CAST 中多中繼節(jié)點的信道競爭，RB－FI中節(jié)點路段分類錯誤，使得它們的平均Latency比DB－IA 大。

當(dāng)ρ≤10時，ERD 由于沒有確認(rèn)和重播機制修復(fù)網(wǎng)絡(luò)空洞，廣播中斷帶來的時延較大。DB－IA 結(jié)合存儲－轉(zhuǎn)發(fā)和雙向傳輸策解決網(wǎng)絡(luò)空洞問題，修復(fù)時間相對短。RB－FI和UV－CAST 分別采用存儲－轉(zhuǎn)發(fā)和SCF節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)策略修復(fù)網(wǎng)絡(luò)空洞，但耗時相對DB－IA 長，平均Latency稍大。

當(dāng)ρ處于 （5，10］區(qū)間時，DB－IA 和ERD 的平均Latency小于RB－FI和UV－CAST，原因在于：DB－IA 和ERD在每個路段上選擇唯一的中繼節(jié)點，平均Latency隨著中繼節(jié)點數(shù)目較少而減少；RB－FI和UV－CAST 的廣播冗余效果不如前兩種協(xié)議，平均Latency有所增加。

4 結(jié)束語

本文在研究現(xiàn)有VANET 廣播協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對十字路口廣播協(xié)議存在的不足，提出了一種同時適用于高速公路和城市道路兩種場景的方向廣播協(xié)議DB－IA。根據(jù)周期性的信標(biāo)交換獲得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，在各路段上選擇最遠(yuǎn)的節(jié)點作為中繼節(jié)點，減少了廣播跳數(shù)。采用自適應(yīng)信標(biāo)交換機制取代傳統(tǒng)的固定周期的信標(biāo)交換，減少了分組沖突和網(wǎng)絡(luò)開銷。通過ACK 分組確認(rèn)機制，提高廣播可靠性。通過給每個中繼節(jié)點設(shè)置遞增的退避時間，提高廣播實時性和可靠性。仿真結(jié)果表明，DB－IA 具有相對優(yōu)越的性能，適合交通安全類信息傳輸。

［1］Wistipongphan N，Tonguz OK，Parikh JS，et al.Broadcast storm mitigation techniques in vehicular ad hoc networks［J］.Wireless Communications.IEEE，2007，14 （6）：84－94.

［2］Hafeez KA，Zhao Lian，Liao Zaiyi，et al.A new broadcast protocol for vehicular ad hoc networks safety applications［C］／／Global Telecommunications Conference.IEEE，2010：1－5.

［3］Li Da，Huang Hongyu，Li Xu，et al.A distance－based directional broadcast protocol for urban vehicular ad hoc network ［C］／／Proc of the International Conference on Wireless Communications，Networking and Mobile Computing，2007：1520－1523.

［4］Wu Xuewen，Yan Wei，Song Shiming，et al.A transmission range adaptive broadcast algorithm for vehicular ad hoc networks［C］／／Proc of the Second International Conference on Networks Security Wireless Communication and Trusted Computing，2010：28－32.

［5］Yang Qiong，Shen Lianfeng.A multi－h(huán)op broadcast scheme for propagation of emergency messages in VANET ［C］／／Proc of 12th IEEE International Conference on Communication Technology，2010：1072－1075.

［6］Korkmaz G，Ekici E，Ozguner F.Black－burst－based multihop broadcast protocols for vehicular networks［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2007，56 （5）：3159－3167.

［7］BI Yuanguo，ZHAO Hai，SHEN Xuemin.A directional broadcast protocol for emergency message exchange in inter－vehicle communications［C］／／IEEE International Conference on Communications，2009：1－5.

［8］Tung Lung－Chih，Gerla M.An efficient road－based directional broadcast protocol for urban VANETs ［C］／／Proc of IEEE Vehicular Networking Conference，2010：9－16.

［9］Yi Chih－Wei，Chuang Yi－Ta，Yeh Hou－Heng，et al.Streetcast：An urban broadcast protocol for vehicular ad hoc networks［C］／／Proc of the IEEE 71st Vehicular Technology Conference，2010：1－5.

［10］Bononi L，Di Felice M.A cross layered MAC and clustering scheme for efficient broadcast in VANETs［C］／／Proc of the IEEE International Conference of Mobile Ad Hoc and Sensor Systems，2007：7－12.

［11］Tonguz O，Wisitpongphan N，Bai F，et al.Broadcasting in VANET ［J］.Mobile Networking for Vehicular Environments.IEEE，2007：7－12.

［12］Ros FJ，Ruiz PM，Stojemnovic I.Reliable and efficient broadcasting in vehicular ad hoc networks［C］／／Proc of Vehicular Technology Conference.IEEE，2009：1－5.

［13］Zhao Jing，Zhang Yang，Cao Guohong.Data pouring and buffering on the road：A new data dissemination paradigm for vehicular ad hoc networks［J］.IEEE Transactions of Vehicular Technology，2007，56 （6）：3266－3277.