車載自組網(wǎng)中安全消息的多跳傳播路由

王繼營

(黃淮學(xué)院，河南 463000)

0 引 言

作為智能交通系統(tǒng)ITS(Intelligent Transportation System)的最有前景技術(shù)，車載網(wǎng)絡(luò)VANETs(Vehicular Ad Hoc Networks)受到廣泛關(guān)注。VANETs通過實時交互關(guān)于路狀、交通事故等信息，提高了交通安全[1]。在VANETs中，一旦車輛發(fā)現(xiàn)異常情況，包括交通事故、道路有障礙物等緊急情況，車輛就向周圍傳遞安全緊急消息[2-3]，簡稱為安全消息，至此提醒周圍車輛，注意避險。

然而，與移動自組織網(wǎng)絡(luò)不同，VANETs存在鮮明的特性。首先，車輛的快速移動，加劇了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?；其次，VANETs采用基于IEEE 802.p 無線通信技術(shù)[4]。車輛通信距離小，導(dǎo)致車間連通時間非常短。而VANETs安全應(yīng)用對傳輸時延和數(shù)據(jù)包傳輸均有很高的要求。例如，安全回收通知(Safety Recall Notice)消息，允許最長傳輸時延只限定于5 s，最大傳輸距離為400 m。而緊急車輛信號消息(Emergency Vehicle signal preemption)允許最長傳輸時延不超過1 s，并且最大傳輸距離為1000 m，其中，最大傳輸距離是指安全消息需傳輸?shù)木嚯x。

目前，對VANET的通信研究是局限于基于IEEE 802.11p協(xié)議。IEEE 802.11p提供了6Mb/s至27Mb/s的數(shù)據(jù)率范圍，傳輸距離較短，約300 m。因此，在大型區(qū)域內(nèi)分發(fā)安全消息需要采用多跳廣播機制。

廣播技術(shù)被認(rèn)為是最適合于分發(fā)VANETs消息的技術(shù)，特別是安全消息。車輛可通過單跳廣播或多跳廣播傳遞安全消息。而周期性單跳廣播主要用于鄰居車輛交互節(jié)點信息，如beacon包、HELLO包[5]。這些包通常包含了發(fā)送節(jié)點的基本信息，如位置坐標(biāo)、移動速度以及節(jié)點ID和數(shù)據(jù)包ID[6-7]。

而由于車輛通信距離較短，車輛分布較稀疏，通常需采用多跳傳輸，才能將消息至目的區(qū)域。圖1描述了多跳廣播傳輸示意圖。由車輛A、F、J、M、R、U構(gòu)成了一條多跳轉(zhuǎn)發(fā)傳輸路徑，直至消息傳輸覆蓋目標(biāo)區(qū)域。

圖1 多跳傳輸示意圖

利用多跳廣播策略分發(fā)消息的關(guān)鍵在于如何選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，進而控制消息冗余以及傳輸時延問題。文獻[8-9]提出了基于p-persistence廣播策略的改進算法，它將離消息源節(jié)點距離遠的車輛作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。文獻[10]提出了基于機會轉(zhuǎn)發(fā)和發(fā)送節(jié)點定向廣播協(xié)議。上述的這些協(xié)議，在選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點時，只考慮了距離因素，而并沒有考慮到鏈路質(zhì)量。在選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點時，若忽略鏈路質(zhì)量因素，可能會增加安全消息丟失率。

為此，本文提出新的選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的策略，記為ORNS策略。ORNS策略融合了鏈路質(zhì)量和距離因子，進而提高了安全消息傳輸?shù)某晒β?，并降低了傳輸時延。

1 ORNS策略

提出的ORNS策略先通過HELLO消息的交互，建立一跳活動鄰居節(jié)點集，然后再估計鏈路質(zhì)量。同時，由距離信息構(gòu)建候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點集。最后，計算每個候選節(jié)點的廣播權(quán)限等級，即轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級。ORNS協(xié)議的框圖如圖2所示。

圖2 ORNS協(xié)議框架圖

1.1 HELLO包的交互

在VANETs中，車輛周期地廣播HELLO包，其包括HELLO包的ID、位置坐標(biāo)以及能直接通信的節(jié)點集(Active Communication Nodes List, ACNL)。其中HELLO包的ID是由發(fā)送節(jié)點的MAC地址表示，而發(fā)送節(jié)點的位置坐標(biāo)由GPS系統(tǒng)提供，由經(jīng)度和緯度表示，而ACNL表示與發(fā)送節(jié)點能夠直接通信的一跳鄰居節(jié)點。例如，圖3所示，圖3表示了HELLO包的格式。

圖3 HELLO包的格式

每輛車周期地廣播一跳鄰居集，其包括當(dāng)前位置。因此，每個輛車建立局部的ACNL集。例如，假定節(jié)點A、B。當(dāng)節(jié)點B收到來自節(jié)點A發(fā)送的HELLO消息后，節(jié)點B就從HELLO包中提取節(jié)點A的ID，并將節(jié)點A的信息加入到自己的ACNL。類似地，節(jié)點B也基于從節(jié)點A所接收的HELLO包更新自己的ACNL。當(dāng)然，也可能因傳輸鏈路問題，導(dǎo)致節(jié)點B無法接收到節(jié)點A的HELLO包。

圖4描述了建立ACNL的過程。節(jié)點A、C、D、F各自建立的ACNL集。由于節(jié)點E產(chǎn)生的HELLO包不能到達B，所以節(jié)點B中的ACNL中并不包括節(jié)點E。同樣，節(jié)點E的ACNL中也不包含節(jié)點B。各個節(jié)點交互各自的ACNL，致使每個節(jié)點建立完備的ACNL集。

圖4 建立ACNL的示例過程

從上述過程可知，建立ACNL的過程與交互HELLO包的間隔Th密切相關(guān)。在每個Th結(jié)束后，車輛就廣播HELLO包以及更新ACNL。

1.2 鏈路質(zhì)量估計

對于任何一對通信節(jié)點，每個節(jié)點都有兩條通信鏈路，分別稱為正向鏈路和反向鏈路[11]。正向鏈路表示節(jié)點向其他節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的鏈路，如傳輸HELLO包，而反向鏈路表示節(jié)點從其節(jié)點接收數(shù)據(jù)的鏈路。對于正向鏈路，節(jié)點在一段時間內(nèi)成功接收到的HELLO包的個數(shù)反映了正向鏈路的質(zhì)量。

文獻[12-13]已證實了HELLO包的接收率能夠反映鏈路質(zhì)量。為此，本文也利用HELLO包的接收率作為估計鏈路質(zhì)量的因子之一。每個節(jié)點計算在固定時間THello內(nèi)所接收的HELLO包數(shù)NHello。換而言之，每個節(jié)點每隔THello就計算一次NHello。即THello成為更新NHello值的周期。

為了能夠準(zhǔn)確地估計鏈路質(zhì)量，THello時長的選擇必須謹(jǐn)慎。如果THello過長，就降低了鏈路質(zhì)量估計的時效性，反之，計算鏈路質(zhì)量估計值就無效。因為在短時間內(nèi)，可能鏈路質(zhì)量并沒有發(fā)生變化。本文選擇THello=5 s，這與文獻[12]的選擇相似。

此外，在典型的車載網(wǎng)絡(luò)場景中，源節(jié)點無法知道其他鄰居節(jié)點是否接收到自己的發(fā)送的HELLO包，除非鄰居節(jié)點發(fā)送確認(rèn)包。然而，明確的確認(rèn)包ACK容易導(dǎo)致廣播風(fēng)暴問題[14]。為此，本文引用隱晦確認(rèn)機制，既不產(chǎn)生風(fēng)暴，又實現(xiàn)了讓源節(jié)點掌握鄰居節(jié)點是否已接收了自己發(fā)送的HELLO包。

所謂的隱晦確認(rèn)機制就是節(jié)點將自己的ACNL集嵌入到HELLO包，再廣播HELLO包。一旦接收了來自鄰居節(jié)點的HELLO包，就查閱HELLO包的ACNL的信息，若ACNL集內(nèi)包含自己的ID號，說明該鄰居節(jié)點成功接收了自己發(fā)送的HELLO包。

如圖5所示，假定節(jié)點B成功接收了由節(jié)點A發(fā)送HELLO包，而節(jié)點C因其他原因未能正確接收到來自節(jié)點A發(fā)送的HELLO包。因此，節(jié)點B所建立的ACNL中包含節(jié)點A的ID，而節(jié)點C所建立的ACNL未包含節(jié)點A的ID。同時，節(jié)點B、C分別將自己的ACNL集信息嵌入到HELLO包，再傳輸。當(dāng)節(jié)點A分別接收了來自B、C的HELLO包后，再查閱它們的ACNL集。發(fā)現(xiàn)節(jié)點C的ACNL集中并沒有自己，說明節(jié)點C沒有接收到自己的發(fā)送的HELLO包。類似地，節(jié)點A明確了節(jié)點B已成功接收了自己發(fā)送的HELLO包，說明雙方已建立雙向通信(Bi-directional Communication, BDC)。通過這種方式，節(jié)點A就能掌握鄰居節(jié)點是否已正確接收了自己發(fā)送的HELLO包。

圖5 隱晦的確認(rèn)機制示例

對于源節(jié)點(假定節(jié)點A)，已建立BDC的節(jié)點越多，周圍鏈路質(zhì)量好。為此，引用變量CBDC記錄已建立的BDC節(jié)點數(shù)。每建立一條BDC通道，CBDC就加一。

最終，估算鏈路質(zhì)量(Link Quality, LQ)，其等于CBDC值與應(yīng)該接收到的HELLO包數(shù)之比，如式(1)所示：

(1)

1.3 候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點集

所謂候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點集就是指這些節(jié)點才可能轉(zhuǎn)發(fā)消息。本文利用歐式距離產(chǎn)生候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點集。假定源節(jié)點離n個一跳鄰居節(jié)點的距離分別為d1、d2、…、dn。為此，先計算平均距離：

(2)

1.4 廣播優(yōu)先級

本小節(jié)，計算候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點集ψF內(nèi)每個節(jié)點的廣播優(yōu)先級，即ψF內(nèi)節(jié)點轉(zhuǎn)播安全消息的順序。節(jié)點i的廣播優(yōu)先級Pi。先計算廣播優(yōu)先權(quán)重Wi:

Wi=LQi×di

(3)

其中LQi表示源節(jié)點離節(jié)點i間正向鏈路的鏈路質(zhì)量。權(quán)重Wi越大，廣播優(yōu)先級Pi越高。Pi=0，表明節(jié)點i的優(yōu)先級最高。

定義延時等待基值σ。每個ψF內(nèi)節(jié)點依據(jù)其優(yōu)先級設(shè)置廣播延時值Wi=Pi×σ。換而言之，優(yōu)先級最高的節(jié)點廣播延時值為0，即無需等待立即廣播消息。

圖6描述了A與節(jié)點B、C、D、E、F、G的鏈路質(zhì)量、距離以及優(yōu)先級。從圖6可知，節(jié)點E的廣播優(yōu)先權(quán)重WE最高，其無需延時，立即廣播消息。

圖6 廣播優(yōu)先級示意圖

3 性能分析

3.1 仿真平臺

利用NS2.35網(wǎng)絡(luò)仿真器[15]建立仿真平臺，并采用IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)?？紤]長為4 km、4車道的高速公路，每條車道寬度為3.7 m。所有車輛沿著同方向行駛，行駛速度范圍在80～120 km/h，車輛從速度范圍內(nèi)取隨機速度行駛。此外，Th=0.1 s、THello=5 s、σ=10 ms。車輛數(shù)從100～800變化。仿真時間為130 s。每次實驗獨立重復(fù)100次，取平均值作為最終的實驗數(shù)據(jù)。

為了更好地分析ORNS協(xié)議性能，選擇同類的FD[5]、EPD[12]協(xié)議進行比較。同時選擇數(shù)據(jù)包傳遞率、端到端傳輸時延以及節(jié)省的重播數(shù)據(jù)包作為性能指標(biāo)。

3.2 仿真結(jié)果

3.2.1 端到端傳輸時延

首先，考查車輛數(shù)對端到端傳輸時延的影響，同時分別假定10%、100%的車輛廣播消息，仿真數(shù)據(jù)分別7(a)、(b)所示。

從圖7可知，提出的ORNS方案在車輛數(shù)變化的整個區(qū)間內(nèi)，具有最低的端到端傳輸時延。隨著車輛數(shù)的增加，端到端傳輸時延具有增加趨勢。相比之下，EPD協(xié)議的端到端傳輸時延高于ORNS協(xié)議，并且它的時延隨車輛數(shù)增加而上升更為明顯。原因在于：EPD協(xié)議在選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點時，過重考慮了節(jié)點的吞吐量，這導(dǎo)致傾向于選擇離源節(jié)點更近的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)消息，增加傳輸跳數(shù)，必然會引起端到端傳輸時延的增加。

圖7 端到端傳輸時延

此外，從圖中可知，F(xiàn)D協(xié)議的端到端傳輸時延最高。原因在于FD協(xié)議采用基于延時轉(zhuǎn)發(fā)策略，增加了傳輸時延。同時，觀察圖(a)和(b)可知，增加廣播消息的車輛數(shù)，對FD和ORNS的傳輸時延的影響并不大，相反，對EPD協(xié)議的傳輸時延影響較大，廣播消息的車輛數(shù)的增加提高了EPD協(xié)議的端到端傳輸時延。

3.2.2 數(shù)據(jù)包傳遞率

本次實驗考查離源節(jié)點不同距離處的數(shù)據(jù)包傳遞率，車輛數(shù)為800。實驗數(shù)據(jù)如表1、2所示。

表1 10%車輛廣播消息

表2 100%車輛廣播消息

結(jié)合表1、2可知，相比于EPD協(xié)議，提出的ORNS協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳遞率得到有效地提高。原因于ORNS協(xié)議在選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點時，盡量選擇離源節(jié)點遠的節(jié)點作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，減少了傳輸跳數(shù)，而EPD協(xié)議選擇近的節(jié)點作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，增加了傳輸跳數(shù)。隨著車輛數(shù)的增加，ORNS協(xié)議在數(shù)據(jù)包傳遞率方面的優(yōu)勢更為明顯。

而FD協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳遞率最低，并且隨之距離的增加，傳遞率迅速下降。相比于EPD和ORNS協(xié)議，F(xiàn)D協(xié)議在長距離傳輸時，它的數(shù)據(jù)包傳遞率性能較差。原因在于：當(dāng)距離增加時，網(wǎng)絡(luò)分割嚴(yán)重，甚至導(dǎo)致部分車間通信無法連通，這降低了數(shù)據(jù)包傳遞率。

3.2.3 節(jié)省的重播消息率

本次實驗考查車輛數(shù)對節(jié)省的重播消息率，也考慮10%、100%車輛廣播消息數(shù)兩種情況。實驗數(shù)據(jù)分別圖8(a)、(b)所示。

圖8 節(jié)省的重播消息率

從圖8可知，F(xiàn)D協(xié)議所節(jié)省的重播消息率最高，原因在于它具有最低的傳輸跳數(shù)。盡管FD在控制重播消息率方面具有顯著的優(yōu)勢，但是它在端到端傳輸時延、數(shù)據(jù)包傳遞率方面的性能較差。相比于FD協(xié)議，提出的ORNS協(xié)議和EPD協(xié)議所節(jié)省的重播消息數(shù)較低。原因在于，EPD協(xié)議利用多的傳輸跳數(shù)將消息傳遞至目的節(jié)點。

4 結(jié) 語

針對車載自組網(wǎng)的多跳安全消息傳播，對基于鏈路質(zhì)量感知的多跳安全消息的廣播研究，提出了ORNS策略選擇安全消息轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。ORNS策略通過HELLO消息，估計鏈路質(zhì)量，并利用隱晦確認(rèn)機制，進而提高估計鏈路質(zhì)量的有效性。實驗數(shù)據(jù)表明，提出的基于ORNS的多跳廣播協(xié)議的性能能夠有效地降低端到端傳輸時延，并提高了數(shù)據(jù)包傳遞率。

[1] Yaser P, Neda N, Krishnan H. Stable and Fair Power Control in Vehicle safety Networks[J].IEEE Network,2016,65(3):1662-1675.

[2] Rayner P, Sergio. Experimenting broadcast storm mitigation techniques in FANETs[C].2016 49th Hawaii International Conference on System Science,2016:5868-5877.

[3] Pratap K, Eric H.BAHG:Back-Bone-Assisted Hop Greedy Routing for VANET’s City Environments[J].IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems,2013,14(1):199-213.

[4] Project Cooperative Cars,CoCar.[Online].Available:http://www.aktivonline.org/english/aktiv-cocar.html,2015.

[5] A.Amoroso, G.Marfia, M.Roccetti.Going Realistic and optimal: a distributed multi-hop broadcast algorithm for vehicular safety[J].Comput.Netw., 2011,55(10):2504-2519.

[6] C.F.Wang, Y.P Chiou, G.H.Liaw. Next hop selection mechanism for nodes with heterogeneous transmission range in VANETs[J].Comput.Commun,2015,55(20):22-31.

[7] J.A.Sanguesa, M.Fogue, P.Garrido. RTAD:a real-time adaptive dissemination system for VANETs[J].Comput.Commun,2015,60(0):53-70.

[8] O.K.Tonguz, N.Wisitpongphan, B.Fan.DV-CAST: a distributed vehicular broadcast protocol for vehicular ad hoc networks[J].2010,17(2):47-57.

[9] N.Wisitpongphan, O.K.Tonguz. Broadcast stro mitigation techniques in vehicular ad hoc networks[J]. Wireless commun. IEEE, 2007,14(6):84-94.

[10] G.S. Li, W.L.Wang, X.W.Yao. An adaptive and opportunistic broadcast protocol for vehicular ad hoc networks[J].Int.J.Autom.Comput., 2012,9(4):378-387.

[11] R.Bauza, J.Gozalvez, M.Sepulcre.Power-aware link quality estimation for vehicular communication networks[J].Commun.Lett.IEEE, 2013,17(4):649-652.

[12] H.Okada, A. Takano, K.Mase. A proposal of link metric for next-hop forwarding methods in vehicular ad hoc networks[C].//Consumer Communications and networking Conference,2009. CCNC 2009.6thIEEE,2009:1-5.

[13] X.Cai, Y.He,C.Zhao, L.Zhu.LSGO:Link state aware geographic opportunistic routing protocol for VANET[J].EURASIP J.Wirel.Commun.Netw, 2014,3(1):1-10.

[14] O.Rehman, O.K.Mohamed, B.Hadj. An adaptive relay nodes selection scheme for multi-hop broadcast in VANETs[J].Computer Communications,2016,87(6):76-90.

[15] Simulation of Urban MObility, SUMO. [Online]. Available: http://http://sumo.sourceforge.net/,2014.