高速預(yù)警信息傳輸下的VANET路由協(xié)議研究

張 勇

(中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司 無線電監(jiān)測事業(yè)部，北京 100070)

0 引言

德國Daimler-Benz公司研究表明，在高速公路上車輛行駛時(shí)僅需要預(yù)先1 s的報(bào)警，就可以減少50%～90%的追尾事故發(fā)生[1]；日本學(xué)者研究指出，借助于交通智能信息預(yù)警技術(shù)，能夠?qū)⒆肺才鲎步档吐蔬_(dá)62%；另外，根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，90%的道路交通事故是由駕駛員的操作失誤引起的，因此汽車的行駛安全性主要還是取決于駕駛者[2]。人們對道路交通安全問題的關(guān)注度持續(xù)上升[3]，使得車聯(lián)網(wǎng)(Vehicular Ad Hoc Network，VANET)的研究[4]成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究的熱點(diǎn)。VANET網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)[5]是在車輛與車輛之間、車輛與路邊設(shè)施之間實(shí)現(xiàn)單跳或者多跳的無線通信，具有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)變化、多跳路由、網(wǎng)絡(luò)容量有限和可擴(kuò)展性等[6]優(yōu)點(diǎn)，可以滿足高速公路上車輛間的無線通信要求，有效地減少了高速公路的事故率[7]。

在高速公路行駛中，駕駛員從發(fā)現(xiàn)隱患到最終采取制動措施的時(shí)間在0.3～1.0 s，平均時(shí)間在0.7 s[8]。按照高速公路行駛中100 km/h的平均速度，在0.7～1.0 s中的距離為100～150 m后駕駛員開始反應(yīng)，再到最后的剎車制動和到安全間隔距離，對車輛駕駛員進(jìn)行提前預(yù)警十分必要。而在國內(nèi)，我國學(xué)術(shù)界對VANET網(wǎng)絡(luò)的研究已經(jīng)取得一些成果。例如，揭志忠建立了高速公路場景下VANET網(wǎng)絡(luò)的可信機(jī)會路由算法[9]；周連科設(shè)計(jì)了一系列VANET多跳廣播協(xié)議，提高了廣播效率[10]；陳振等提出了一種基于相鄰車輛間距的VANET分簇算法[11]。而傳統(tǒng)的VANET路由協(xié)議包括基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由協(xié)議(如DSDV、AODV等)、基于地圖的路由協(xié)議和基于位置的路由協(xié)議(如GPSR、LAR等)[12]。由于高速公路場景下車輛移動速度快、節(jié)點(diǎn)變化大導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化大，使得網(wǎng)絡(luò)時(shí)延大、網(wǎng)絡(luò)傳輸準(zhǔn)確率低等問題，需要對VANET路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)[13]。數(shù)據(jù)包遞交率是傳輸準(zhǔn)確率的重要參考數(shù)據(jù)，本文從提高對數(shù)據(jù)包丟失率的估計(jì)和減少傳播節(jié)點(diǎn)的角度進(jìn)行研究，進(jìn)而提出一種改進(jìn)的VANET路由協(xié)議。

1 數(shù)據(jù)包丟失率估計(jì)

要保證VANET網(wǎng)絡(luò)得到更好的傳輸效果，數(shù)據(jù)包丟失率成為其重要的參考標(biāo)準(zhǔn)。在復(fù)雜的電磁環(huán)境和節(jié)點(diǎn)高速移動下，對網(wǎng)絡(luò)的丟失率進(jìn)行計(jì)算是非常困難的。因此，引入探測包對數(shù)據(jù)包丟失率進(jìn)行測量，但過多的探測包會嚴(yán)重占用帶寬。對此，首先通過混合高斯模型對數(shù)據(jù)包丟失率的概率密度進(jìn)行描述，再根據(jù)混合高斯模型的描述，采用更少探測包對數(shù)據(jù)包丟失率進(jìn)行估計(jì)的最大后分布法[14]。

高速公路場景中影響數(shù)據(jù)包丟包率的參數(shù)包括車輛速度、車輛距離和車輛流量等。本文則通過高速公路中行駛車輛距離作為參考，通過混合高斯模型對不同距離條件下的數(shù)據(jù)包丟失率的概率函數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[15]，則有：

(1)

式中，k表示高斯函數(shù)的值；wi表示混合后的權(quán)重；μi，ξi分別表示平均數(shù)和第i階的高斯方差。為更好地估算出式(1)中的wi，μi，ξi三者的值，本文引入期望最大算法(EM)。該算法的基本思想為交替用期望值和其中的一個(gè)最大值進(jìn)行反復(fù)迭代。EM對預(yù)期數(shù)值的計(jì)算就像使用當(dāng)前的參數(shù)估計(jì)計(jì)算一樣，其具體的計(jì)算公式為：

(2)

根據(jù)式(2)估算出參數(shù)wi，μi，ξi：

(3)

(4)

(5)

根據(jù)式(2)、式(3)、式(4)和式(5)連續(xù)迭代直到相似函數(shù)收斂。

圖1 MAP估計(jì)器的算法流程

通過上述算法可以得到平均最大后分布函數(shù)，從而估算出PLR，其計(jì)算公式為：

(6)

2 基于最短時(shí)延的路由算法設(shè)計(jì)

在完成對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包丟失率的估計(jì)后，則需要在此基礎(chǔ)上對路由協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文提出The Shortest Delay(TSD)算法。該算法的核心思想為結(jié)合高速場景[13]，定義一個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域(ZOR)。在該危險(xiǎn)區(qū)域當(dāng)中，故障車與行駛車輛為同一個(gè)方向。在第一輛車檢測到前方故障后，開始生成預(yù)警信息并開始進(jìn)行廣播。只有在該區(qū)域內(nèi)的車輛對ZOR預(yù)警信息進(jìn)行處理，而非ZOR區(qū)域的則直接將該信息丟失。如車輛在該區(qū)域內(nèi)，則計(jì)算出自身的延遲轉(zhuǎn)播的時(shí)間。同時(shí)在該區(qū)域內(nèi)如果收到后面車輛轉(zhuǎn)播的預(yù)警信息，則不需要在轉(zhuǎn)發(fā)，如沒有，則該車轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)，往后轉(zhuǎn)播信息。

該算法具體實(shí)現(xiàn)的步驟如下：

步驟1：事故車輛檢測到危險(xiǎn)，第一個(gè)生成預(yù)警信息并開始廣播，對非ZOR的車輛則直接丟棄預(yù)警信息；

步驟2：在ZOR的區(qū)域，第一次接收到發(fā)出去的預(yù)警事件之后，結(jié)合距離對延遲時(shí)間進(jìn)行計(jì)算：

(7)

式中，Td表示延遲轉(zhuǎn)播所耗費(fèi)的時(shí)間；TP表示為預(yù)警的周期；D表示發(fā)送和接收2個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離；Tc表示延遲補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間。對Tc的計(jì)算本文采用平均距離(Ad)求出：

Tc=Tp[Ad/(2R)]；

(8)

步驟3：如延遲轉(zhuǎn)播時(shí)間過期，則表示沒有收到后方的預(yù)警信息，前車定期廣播；

步驟4：節(jié)點(diǎn)定期偵聽(周期表示為TL)預(yù)警信息。偵聽過期，沒接聽到后方預(yù)警信息，則表示網(wǎng)絡(luò)斷開，該節(jié)點(diǎn)則定期廣播預(yù)警信息。

最小時(shí)延策略設(shè)計(jì)步驟如圖2所示。

圖2 最小時(shí)延策略設(shè)計(jì)

通過上述協(xié)議，避免在整個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)所有的節(jié)點(diǎn)都參與到對預(yù)警信息的轉(zhuǎn)播中，一方面減少了預(yù)警信息的冗余信息，另一方面作為轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)不必發(fā)送網(wǎng)絡(luò)幀，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的開銷變小，提高了網(wǎng)絡(luò)的性能。

3 數(shù)據(jù)包格式設(shè)計(jì)

針對提出的基于時(shí)延算法，對其中的數(shù)據(jù)庫格式進(jìn)行設(shè)計(jì)。TSD數(shù)據(jù)包格式設(shè)計(jì)如下：

Message_type：消息類型；

Danger_vehicle_id：危險(xiǎn)行駛方向；

Danger_direction：危險(xiǎn)源位置；

Message_vehicle_position：消息節(jié)點(diǎn)位置；

timestamp：消息生成時(shí)間。

Message_type設(shè)置為EWM，節(jié)點(diǎn)處理不同類型信息時(shí)給予不同優(yōu)先級。通過(Danger_vehicle_id，Danger_direction)唯一標(biāo)識一個(gè)預(yù)警事件，車輛第二次收到來自前方節(jié)點(diǎn)的同一預(yù)警事件直接丟棄該消息。(Danger_vehicle_id，Danger_direction)定義了ZoR區(qū)域，非該區(qū)域節(jié)點(diǎn)接收到的信息直接丟棄．Message_vehicle_position為消息生成節(jié)點(diǎn)位置，ZoR節(jié)點(diǎn)第一次收到前方EWM消息后，根據(jù)此信息計(jì)算與消息生成節(jié)點(diǎn)的距離，從而計(jì)算延遲轉(zhuǎn)播時(shí)間。若節(jié)點(diǎn)在延遲轉(zhuǎn)播時(shí)間內(nèi)沒有收到來自后方節(jié)點(diǎn)的EWM信息，則變成轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)，周期性地廣播預(yù)警信息。非轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)周期性地偵聽后方節(jié)點(diǎn)消息，若偵聽到后方節(jié)點(diǎn)預(yù)警信息，則通過消息中timestamp信息更新偵聽周期。

4 路由仿真與性能分析

本文選擇NS-3仿真平臺[16]，該平臺為一款開源、免費(fèi)的網(wǎng)絡(luò)模擬工具。在該仿真平臺中，用戶可采用編寫模塊的方式對結(jié)果進(jìn)行計(jì)算[17]。本系統(tǒng)采用該模塊對高速公路場景進(jìn)行設(shè)定，并對路由協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.1 數(shù)據(jù)包丟包率仿真結(jié)果

對丟包率的仿真選MAP、ETX算法，分別選擇高速場景中汽車在10～20m、20～30m、30～40m和40～50m不等的距離，得到MAP算法與ETX的誤差比較，如表1所示。

表1 丟包率誤差統(tǒng)計(jì)

距離/m算法εε-σMSE10～20MAP0.01130.33080.0153ETX0.00260.77980.033920～30MAP0.02700.37350.0407ETX0.04980.69330.089030～40MAP0.03670.32870.0454ETX0.05290.47460.068440～50MAP0.05960.30370.0860ETX0.08950.45660.1087

通過對誤差的統(tǒng)計(jì)可以看出，改進(jìn)后的MAP網(wǎng)絡(luò)算法其誤差率要小于傳統(tǒng)的ETX算法。

4.2 傳輸時(shí)延仿真結(jié)果

選擇在車輛平均間距在40～50m條件下，共生車輛設(shè)定為50輛。比較該TSD路由協(xié)議在不同時(shí)延補(bǔ)償條件下的路由協(xié)議指標(biāo)。其具體的補(bǔ)償值參數(shù)如表2所示。

表2TSD路由協(xié)議不同延遲補(bǔ)償參數(shù)

參數(shù)Tc/sTp/sR/mTSD0.010.1250TSD-100.1250TSD-20.020.1250

4.2.1 信息傳輸延遲

作為對VANET網(wǎng)絡(luò)信息傳輸質(zhì)量的重要參考標(biāo)準(zhǔn)，選擇從絕對傳輸延時(shí)和相對信息延遲兩方面對其評估，同時(shí)本文將TSD路由協(xié)議與傳統(tǒng)的DF路由協(xié)議進(jìn)行比較，得到如表3和表4所示的比較結(jié)果。

表3 絕對傳輸延遲 (s)

表4 相對傳輸延遲 (s)

4.2.2 轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)數(shù)量

在VANET網(wǎng)絡(luò)中其轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)的數(shù)量越多，對網(wǎng)絡(luò)的開銷也就越大。在安全預(yù)警信息在傳輸?shù)臅r(shí)候就可能導(dǎo)致信息無法傳輸。在不同補(bǔ)償時(shí)間下的路由性能，并得出TSD的轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)數(shù)量要明顯低于DF算法的轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)數(shù)量，如圖3所示。

由仿真結(jié)果可以看出，本算法和傳統(tǒng)算法相比，可以有效提高網(wǎng)絡(luò)傳輸準(zhǔn)確率，解決傳輸延時(shí)的問題，可讓事故區(qū)域車輛及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情。但是上述算法的設(shè)計(jì)未將網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩院玩溌分袛鄦栴}考慮進(jìn)來，對此還需在下一步的研究中進(jìn)行改進(jìn)。

圖3 正常環(huán)境下的轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)數(shù)量

5 結(jié)束語

本文針對目前高速公路信息傳輸中存在的問題，提出了一種行之有效的VANET路由協(xié)議，該路由協(xié)議是基于對實(shí)施丟包率估算和縮短傳輸時(shí)延的研究，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，縮短網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間，從而保障預(yù)警系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出預(yù)警，最終保障駕駛員及時(shí)準(zhǔn)確的獲取險(xiǎn)情信息，減少交通事故的發(fā)生率。

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