王繼營
(黃淮學(xué)院,河南 463000)
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。
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
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。
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)
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)
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
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)。
3.2.1 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。
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。
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