車載自組網(wǎng)告警信息廣播策略

曹文靜，徐勝紅

(海軍航空工程學(xué)院 控制工程系，山東 煙臺 264001)

車載自組網(wǎng)告警信息廣播策略

曹文靜，徐勝紅

(海軍航空工程學(xué)院 控制工程系，山東 煙臺 264001)

車輛可以通過車載自組網(wǎng)交換告警信息提高行駛安全，告警信息對傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性要求高。目前主要采用重復(fù)廣播的方式來提高告警信息廣播的可靠性，但缺乏對重復(fù)廣播率的確定方法?；趯⒏婢畔a(chǎn)生和廣播的系統(tǒng)看作一個排隊系統(tǒng)的思想，提出了一種基于車速的重復(fù)廣播率計算方法，通過建立車速與告警信息產(chǎn)生量之間的關(guān)系模型；并限定告警信息傳輸延遲，建立了優(yōu)化的告警信息重復(fù)廣播率計算公式。實驗結(jié)果表明：該計算方法能較好地均衡告警信息廣播的可靠性和實時性，操作簡單。

交通工程；車載自組網(wǎng)；告警信息；單跳廣播；重復(fù)廣播策略

研究表明：如果駕駛員若提前0.5 s接收到告警，則可以避免大約60%的交通事故。然而，駕駛員一般只能看到前車的尾燈信息；如果異常車輛不在視線范圍內(nèi)或者尾燈信息被遮擋，則司機(jī)難以有足夠的時間進(jìn)行適當(dāng)處理，從而導(dǎo)致連環(huán)追尾等交通事故[1-2]。為此，在車載自組網(wǎng)中，車輛可以將所檢測到的環(huán)境或自身狀況，通過無線通信的方式告警他人，從而彌補目視范圍受限的缺陷。告警信息包括剎車告警、事故告警、路況差告警、擁塞告警等[3-4]。在車載自組網(wǎng)中，告警信息可靠、及時的分發(fā)對于避免交通事故起著關(guān)鍵性的作用。

1 當(dāng)前研究現(xiàn)狀

單跳廣播作為VANET的一種簡單、有效的信息分發(fā)方式，尤其適合于告警信息的分發(fā)。告警車輛將告警信息分發(fā)給后續(xù)一跳范圍內(nèi)的車輛，鄰居節(jié)點只需接收信息。由于VANET高動態(tài)拓?fù)涞奶攸c，接收告警信息的車輛不斷發(fā)生變化，原來接收到告警信息的車輛由于繞過告警車輛成為不受影響的車輛，而原來距離告警車輛較遠(yuǎn)、未接收到告警信息的車輛可能轉(zhuǎn)變?yōu)槭苡绊懙能囕v。因此，在告警信息的有效期內(nèi)，告警信息需要周期性地廣播，以保證告警信息分發(fā)的及時性。另外，無線信道帶寬受限、易受干擾，導(dǎo)致無線信號的傳輸可靠性差；為提高告警信息廣播的可靠性，也需要周期性重復(fù)廣播。

VANET是一種高度動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，不斷變化的車輛密度直接影響著網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載狀況。當(dāng)局部車輛密度較小時，可以通過提高重復(fù)廣播率來提高告警信息傳輸?shù)目煽啃?；?dāng)局部車輛密度較大時，通過提高重復(fù)廣播率來提高告警信息傳輸可靠性的方法，反而會由于大量的信道爭用，造成傳輸時延增大。因此，為了確保及時可靠的告警信息分發(fā)，需要優(yōu)化告警信息量，也就是，既要通過一定的重復(fù)廣播率來保證信息傳輸可靠性，又要通過控制重復(fù)廣播率來降低信息量，進(jìn)而保證信息傳輸時延。

Q.XU等[5-6]提出了通過重復(fù)廣播提高告警信息可靠性的方法，指出了具體的場景下存在最優(yōu)的重復(fù)廣播率，但沒有進(jìn)一步研究最優(yōu)重復(fù)廣播率的確定方法。YANG Xue等[7]提出了根據(jù)車流密度調(diào)整重復(fù)廣播率，根據(jù)后續(xù)車輛的廣播情況，調(diào)整重復(fù)廣播率的策略，但沒有提及如何衡量車輛密度，以及如何根據(jù)車輛密度確定具體的重復(fù)廣播率。C.SUTHAPUTCHAKUN[8]提出了根據(jù)信息優(yōu)先級的區(qū)別設(shè)置不同的重傳次數(shù)的思想，以保證高優(yōu)先級信息的傳輸可靠性，但沒有進(jìn)一步研究具體的重傳次數(shù)模型。M.RAYA[9]提到基于車輛行駛速度調(diào)整無線告警信號的覆蓋范圍，當(dāng)車輛行駛速度緩慢時，縮短重復(fù)廣播間隔，降低覆蓋范圍，但缺乏具體的可操作的模型。楊林[10]建立了一個能夠直接反映車輛密度、狀態(tài)數(shù)據(jù)包發(fā)送頻率和長度、發(fā)送功率和數(shù)據(jù)傳輸速率與車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)包接收率、延遲時間之間關(guān)系的數(shù)理分析模型，但仍缺乏具體的可操作的重復(fù)廣播率模型。王二寶等[11]結(jié)合重復(fù)發(fā)送和大范圍忙音以提高傳輸可靠性，即在節(jié)點密度較高時，通過發(fā)送告警信息的同時發(fā)送大范圍的忙音信號來減少隱藏終端的干擾，從而提高告警信息接收的成功概率；而在節(jié)點密度較低時，則根據(jù)告警信息的生命周期決定重復(fù)發(fā)送次數(shù)的優(yōu)化值；異常車輛對車輛密度的估計通過測量本車輛與正常車輛之間的距離而定，這需要額外的雷達(dá)等設(shè)備，而且，正常車輛很多，很難根據(jù)任意兩車之間的距離估計出車輛流密度，因此，該方法缺乏可操作性。

以上學(xué)者的研究都存在依據(jù)車輛密度調(diào)整重復(fù)廣播率的思想，但都缺乏具體的可操作的確定重復(fù)廣播率的方法。如何在具體場景下，快速確定告警信息的重復(fù)廣播率，以均衡告警信息量和信道傳輸速率，進(jìn)而均衡告警信息傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性，進(jìn)行及時可靠的告警信息分發(fā)，是重復(fù)廣播策略要解決的問題。為此，筆者提出一種依據(jù)車輛自身行駛速度，估計車流密度，進(jìn)而確定優(yōu)化的重復(fù)廣播率的簡單方法。

2 重復(fù)廣播策略基本模型

將告警信息的產(chǎn)生及廣播可以看成一個排隊系統(tǒng)。告警信息的產(chǎn)生速度是排隊系統(tǒng)的到達(dá)速度，告警信息的廣播速度是排隊系統(tǒng)的服務(wù)速度，告警信息傳輸延遲就是告警信息在排隊系統(tǒng)中的平均停留時間。

2.1 基于車輛行駛速度估計告警信息產(chǎn)生速度

一般而言，車輛密度決定了產(chǎn)生的告警信息量。設(shè)定廣播范圍內(nèi)的所有車輛告警信息產(chǎn)生速率為Vcreate，產(chǎn)生的告警信息數(shù)據(jù)包長度相同；廣播范圍內(nèi)的車輛數(shù)量為n，一輛車輛觸發(fā)告警信息的頻率為λ，每一個被觸發(fā)的告警信息的重復(fù)廣播率為k。則有

Vcreate=n×λ×k

(1)

車輛進(jìn)入異常之前的車速反映了車輛流的密度，車速越高，則車輛流密度越小，一定范圍內(nèi)的車輛數(shù)越少；反之，車速越低，則車輛流密度越大，一定范圍內(nèi)的車輛數(shù)越多。

利用車速反映了車輛流密度的特點，設(shè)定廣播范圍為R；車道數(shù)為m；車輛進(jìn)入告警狀態(tài)前的速度為v；司機(jī)反應(yīng)平均時間為tresponse；安全車距為hresponse，hresponse=v×tresponse；廣播范圍R的車輛節(jié)點數(shù)n最大為m×(R/hresponse)。則廣播范圍內(nèi)所有車輛的告警信息最大產(chǎn)生速度Vmax_create為：

Vmax_create=m×λ×k×(R/hresponse)

(2)

2.2 車輛告警信息產(chǎn)生與分發(fā)排隊系統(tǒng)

設(shè)定車輛觸發(fā)告警信息速率的分布服從泊松分布。無線收發(fā)器的收發(fā)速率為Vtrans，各告警信息包收發(fā)速率相互獨立，且為同一個常數(shù)Vtrans，根據(jù)排隊論理論，這為一個M/D/1系統(tǒng)；排隊系統(tǒng)的到達(dá)速度就是告警信息產(chǎn)生速率Vcreate；排隊系統(tǒng)的服務(wù)速度就是無線收發(fā)器的收發(fā)速率Vtrans；設(shè)定服務(wù)強(qiáng)度為ρ，則ρ=Vcreate/Vtrans。當(dāng)0≤ρ≤1時，為一個穩(wěn)定的排隊系統(tǒng)。

排隊系統(tǒng)中等待傳輸?shù)母婢瘮?shù)據(jù)包數(shù)Lq為：

(3)

排隊系統(tǒng)中停留的告警數(shù)據(jù)包數(shù)Ls為：

Ls=Lq+ρ

(4)

告警數(shù)據(jù)包在排隊系統(tǒng)中平均等待時間Wq為：

Wq=Lq/Vcreate

(5)

告警數(shù)據(jù)包在排隊系統(tǒng)中平均逗留時間(包括傳輸時間)Ws為：

Ws=Wq+1/Vtrans

(6)

2.3 確定告警信息傳輸時延

“一個人其實是永遠(yuǎn)走不出他的童年”，這是我長篇小說《草房子》扉頁上的一句話。這句話來源于我文字背后一直有我童年的影子。在我20歲之前的歲月里，我是一個地地道道的農(nóng)村孩子。20年的鄉(xiāng)村生活記憶，成為我無盡的創(chuàng)作源泉，即便后來我進(jìn)入了真正的大都市，卻始終無法擺脫鄉(xiāng)村情感的追逐與糾纏?？梢哉f，我對農(nóng)村的迷戀，更多的是一種美學(xué)上的迷戀。

為確定告警信息的重復(fù)廣播率，首先要確定告警信息傳輸時延約束。

一般而言，異常車輛后方兩倍安全距離內(nèi)的車輛可以通過目視獲得異常車輛的狀態(tài)信息。因此，異常車輛后方兩倍安全距離內(nèi)的車輛對告警信息的傳輸延時可以沒有要求。

對異常車輛后方兩倍安全距離外的車輛，由于距離及前車遮擋等原因，通過目視難以獲得異常車輛的狀態(tài)信息，這時就對告警信息的傳輸延時有要求。當(dāng)告警信息平均傳輸延時小于等于tresponse時，則對于異常車輛后方2倍安全距離之外的車輛而言，在tresponse時接收到信息時，距離前方異常車輛還有至少一個安全距離，這時就有足夠的時間作出反應(yīng)。因此，設(shè)定告警信息傳輸時延約束為不大于tresponse。

2.4 基于車速的重復(fù)廣播率基本模型

由告警信息傳輸時延約束，得Ws的約束為：

0≤Ws≤tresponse

(7)

筆者進(jìn)一步建立廣播范圍內(nèi)產(chǎn)生的告警信息量、車輛數(shù)目、車輛行駛速度、告警信息傳輸時延之間的關(guān)系，從而推導(dǎo)出基于車速計算重復(fù)廣播率的基本模型。

由式(3)～式(7)，可得：

(8)

當(dāng)2Vtranstresponse-1>0時，則Vcreate存在最大值，即：

(9)

將式(1)代入式(9)，可得：

(10)

由n≤mR/v，則使用mR/v代替n，得到滿足條件的最小的k(即密度最大時的k)，即：

(11)

因此，依據(jù)車速確定重復(fù)廣播率的基本模型為：

(12)

3 實驗設(shè)計與性能分析

設(shè)無線信號覆蓋范圍R=600 m，司機(jī)平均反應(yīng)時間tresponse=1 s，車道數(shù)m=1，車輛觸發(fā)告警信息的速率λ=0.05個/s，無線信道傳輸告警信息速率為10個/s，告警信息的有效時間長度t=2 s，告警信息一次傳輸被成功接收的概率為0.5。則基于車輛進(jìn)入異常狀態(tài)前的速度確定的重復(fù)廣播率k=(6/19)v。

如圖1，車輛進(jìn)入異常前速度越大，則重復(fù)廣播率越高，二者呈正比關(guān)系。由于速度越大，車輛密度越小，車輛間距離越大，告警信息一次接收成功率越小，也就要求重復(fù)廣播率越高，才能保證傳輸可靠性；相反，車輛進(jìn)入異常前速度越小，則車輛間距離越小，告警信息一次成功接收率越大。車輛密度越大，也就要求重復(fù)廣播率越低，才能保證較低的傳輸延時。因此，基于速度的重復(fù)廣播率的基本模型是符合實際需求的。

圖1 告警重復(fù)率與車輛行駛速度的關(guān)系Fig.1 Relationship between repeated alarming rate k and running vehicle speed v

為進(jìn)一步驗證基于車速的重復(fù)廣播率基本模型的有效性，分別針對固定重復(fù)廣播率k和基于車速的重復(fù)廣播率k′，對比其在各種車輛密度下的告警信息傳輸可靠性和傳輸延時。

3.1 傳輸可靠性對比

針對任何給定的告警信息，有效壽命為t，其一次被成功接收到概率為p，其重復(fù)廣播率為k；則在t內(nèi)，這一告警信息重復(fù)廣播了kt次，該告警信息被成功接收到的概率P=1-(1-p)(kt-1)。

由此可見，當(dāng)t固定，重復(fù)廣播率越高，則告警信息傳輸?shù)目煽啃栽礁摺?/p>

圖2描述了在k1=(6/19)v,k2=0.5，k3=1，k4=2，k5=4，k6=6的情況下，對應(yīng)的接收可靠度與速度的關(guān)系。

圖2 接收概率與行駛速度的關(guān)系Fig.2 Relationship between receiving probaility P and running speed v

由圖2可知：具體的重復(fù)廣播率越大，則可靠性越高。當(dāng)重復(fù)廣播率為固定值時，其可靠性是固定的；基于行駛速度確定的重復(fù)廣播率隨速度的增大而增加。因此，其相應(yīng)的可靠性隨速度的增加而增加，且基于行駛速度確定的重復(fù)廣播率的傳輸可靠性隨速度的增大呈指數(shù)增加，傳輸可靠性很快能達(dá)到90%以上。

圖2描述的成功接收到的概率假設(shè)一次接收概率為固定值0.5。然而在實際中，接收概率往往與車輛行駛速度相關(guān)，行駛速度越快，則一次成功接收概率越小，反之越大。K.A.HAFEEZ等[12]和J.P.SINGH等[13]分別研究了車輛移動速度對一次成功接收概率的影響；結(jié)果表明：當(dāng)速度比較低甚至靜止時，一次成功接收概率是很高的。由此可見，對于基于速度確定的重復(fù)廣播率而言，雖然在速度較低時的重復(fù)廣播率很低，通過重復(fù)來提高傳輸可靠性的作用很小，但由于其一次成功接收概率高，因此，重復(fù)廣播率即使很低，仍能保證接收可靠性。

3.2 傳輸延時對比

圖3和圖4分別描述了在k1=(6/19)v,k2=0.5，k3=1，k4=2，k5=4，k6=6的情況下，告警信息傳輸延時Ws的情況。

由圖3可見，k2=0.5，k3=1，k4=2，k5=4，k6=6時，總會存在Ws發(fā)散的情況，即Ws<0。由圖4可知，基于車速確定告警重復(fù)率的告警信息傳輸?shù)却訒r在各種車輛密度下為常數(shù)1 s，滿足告警信息傳輸需求。

圖3 告警信息傳輸?shù)却訒r與固定告警重復(fù)率的告警信息傳輸?shù)却訒r對比Fig.3 Comparison of waiting time Ws with vehicular speed-based broadcasting Policy and with set repeating rate resrectly

圖4 基于車速確定告警重復(fù)率的告警信息傳輸平均等待延時與車輛行駛速度的關(guān)系Fig.4 Relationship between alarming message transmission Waiting time Ws with vehicular speed-based broadcasting Policy and vehicle speed v

4 結(jié) 論

1)基于車速的重復(fù)廣播策略，能夠根據(jù)場景自適應(yīng)地確定重復(fù)廣播率，由此產(chǎn)生的告警信息傳輸可靠性和等待傳輸延時均能滿足告警信息傳輸?shù)男枨蟆?/p>

2)基于車速確定告警信息重復(fù)率的方法對于車輛本身而言，只需根據(jù)自身進(jìn)入異常前的行駛速度，來計算所觸發(fā)告警信息的廣播重復(fù)率。因此，具有簡單易操作的優(yōu)點。

3)基于車速確定告警信息重復(fù)廣播率的方法基本假設(shè)是車速反映了車輛的密度。在一些密度分布不均衡的場景下，特別在兩個相差較大的密度區(qū)域的邊界，如何在基于車速的重復(fù)廣播策略基本模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步調(diào)整重復(fù)廣播率，以滿足告警信息傳輸可靠性和實時性的需求，是需要進(jìn)一步解決的問題。

[1] 劉月波.基于CCA門限調(diào)整的車輛緊急告警信息分發(fā)機(jī)制研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2014：7-8. LIU Yuebo.ResearchofVehicularEmergencyWarningMessageDisseminationMechanismBasedonCCAThresholdAdjustment[D]. Chongqing: Chongqing University, 2014：7-8.

[2] 張續(xù)光，高建平，吳國雄.暴風(fēng)雪天氣下高速公路駕駛員信息獲取研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2015，34(4)：99-102. ZHANG Xuguang, GAO Jianping, WU Guoxiong. Information acquisition of expressway drivers in snowstorm weather[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2015，34(4)：99-102.

[3] 曹文靜，徐勝紅，張毅，等.車間安全信息通信需求分析[C]∥IITAA.2011國際信息技術(shù)與應(yīng)用論壇論文集.重慶：計算機(jī)科學(xué)雜志社，2011：24-26. CAO Wenjing, XU Shenghong, ZHANG Yi, et al. Communication requirement analysis for vehicle-to-vehicle safety message[C]∥IITAA.Proceedingsofthe2011InternationalForumonInformationTechnologyandApplications. Chongqing: Computer Science, 2011：24-26.

[4] 潘道遠(yuǎn)，宋曉磊，石存杰.一種用于危險品運輸安全的智能車載終端的設(shè)計[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2015，34(4)：166-170. PAN Daoyuan, SONG Xiaolei, SHI Cunjie. Design of intelligent vehicle terminal for the safety of dangerous cargo transportation[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2015，34(4)：166-170.

[5] XU Q, MARK T，WKO J, et al. Vehicle-to-vehicle safety messaging in DSRC[C]∥Proceedingofthe1stACMInternationalWorkshoponVehicularAdHocNetworks. New York: ACM Press, 2004：19-28.

[6] XU Q, SEGUPTA R，JIANG D, et al. Design and analysis of highway safety communication protocol in 5.9 GHz dedicated short range communication spectrum[C]∥Proceedingsofthe57thIEEESemiannualVehicularTechnologyConference(VTC). New York: IEEE Computer Society Press, 2003：2451-2455.

[7] YANG Xue, LIU Jie, ZHAO Feng. A vehicle-to-vehicle communication protocol for cooperative collision warning[C]∥ProceedingoftheInternationalConferenceonMobileandUbiquitousSystems:NetworkingandServices. New York: IEEE Computer Society Press, 2004：114-123.

[8] SUTHAPUTCHAKUN C. Priority-based inter-vehicle communication for highway safety messaging using IEEE 802.11e[J].InternationalJournalofVehicularTechnology, 2009，2009：1-12.

[9] RAYA M. Data-centric trust in ephemeral networks[J].Epfl，2009，29(5)：709-725.

[10] 楊林.車載無線自組網(wǎng)在車輛主動式安全應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].天津：南開大學(xué)，2010：14-34. YANG Lin.StudiesontheKeyTechniquesofVehicularAd-hocNetworksforVehicleSafetyApplications[D]. Tianjin: Nankai University, 2010：14-34.

[11] 王二寶，李紅艷，張彤.車輛網(wǎng)絡(luò)告警信息的自適應(yīng)發(fā)送策略[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(10)：133-136. WANG Er’bao, LI Hongyan, ZHANG Tong. Adaptive emergency warnings transmission policy in vehicular networks[J].ModernElectronicTechnology, 2007，30(10)：133-136.

[12] HAFEEZ K A, ZHAO L，MA B, et al. Performance analysis and enhancement of the DSRC for VANET’s safety applications[J].IEEETransactionsonVehicularTechnology, 2013，62(7)：3069-3083.

[13] SINGH J P, BAMBOS N，SRINIVASAN B, et al. Wireless LAN performance under varied stress conditions in vehicular traffic scenarios[J].VehicularTechnologyConference, 2002，2(2)：743-747.

(責(zé)任編輯 劉 韜)

A Broadcasting Policy of Emergency Warning Message in Vehicular Ad-hoc Network

CAO Wenjing, XU Shenghong

(Control Engineering Department, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, Shandong, P.R.China)

Vehicle safety can be improved by communicating alarming messages in vehicular ad hoc network. High reliability and real-timeliness of warning messages transmission is required. Currently , the reliability of emergency messages transmission is guaranteed by repeated broadcast without calculating method for the message repeating rate. In current research, broadcast repeating rate per second was not discussed herein. A vehicular speed-based broadcast repeating ratio model is proposed based on the thought regarding warning information generation and the broadcasting system as a queuing system and by establishing a model on the relationship between vehicular speed and alarming information . The delayed transmission of the alarming information was limited and an calculation formula was worked out for calculation of optimized rate of repeated alarming. Experiment results showed that the method better strikes the balance between the reliability and real-timeliness of alarming information transmission by broadcast and the operation is easy.

traffic engineering; vehicular ad hoc network; emergency warning message; single-hop broadcasting; repeating broadcast policy

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.01.16

2015-11-16；

2015-12-16

國家自然科學(xué)基金項目(61203168)；中國博士后科學(xué)基金項目(2011M500156；2013T60922)

曹文靜(1975—)，女，山東梁山人，副教授，博士，主要從事無線組網(wǎng)技術(shù)方面的研究。E-mail: caowenjing 751215@sohu.com。

U491.5；TP 393

A

1674-0696(2017)01-088-05