基于位置信息的車輛協(xié)同碰撞預(yù)警協(xié)議*

劉 萌 崔學(xué)榮 鈕銘坤 張瑞杰

（1.中國石油大學(xué)（華東）海洋與空間信息學(xué)院 青島 266580）（2.中國石油大學(xué)（華東）計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 青島 266580）

1 引言

當(dāng)車輛在高速公路上的行駛速度在100km/h以上，駕駛員從察覺到交通事故到剎車制動(dòng)的反應(yīng)時(shí)間大約需要0.75s～1.5s［1］，由于駕駛員對緊急事件反應(yīng)的滯后性［2］，在同一車道上的車輛，駕駛員的危險(xiǎn)性從后到前依次增加。因此，在高速公路上，一個(gè)小的交通事故就會(huì)引發(fā)連環(huán)碰撞事件［3］，為了避免因連環(huán)碰撞而引發(fā)的交通事故，增加司機(jī)的響應(yīng)時(shí)間顯得尤為重要，從而避免連環(huán)碰撞事件的發(fā)生。

目前，解決高速公路上連環(huán)碰撞事件的有效辦法是縮短后方車輛收到預(yù)警信息的時(shí)間，從而給司機(jī)留出足夠的剎車時(shí)間，從而避免連環(huán)碰撞事件的發(fā)生。根據(jù)此原理，人們提出了通過V2V（Vehicle to Vehicle）網(wǎng)絡(luò)周期性廣播緊急預(yù)警消息來實(shí)現(xiàn)車輛的提前預(yù)警，但是周期性廣播消息容易產(chǎn)生廣播風(fēng)暴。由此分析，盡量減少節(jié)點(diǎn)參與廣播能有效降低冗余，從而減少廣播風(fēng)暴的發(fā)生。改進(jìn)V2V網(wǎng)絡(luò)中緊急預(yù)警消息的多跳廣播協(xié)議，對V2V預(yù)警消息有十分重要的作用。

2 研究背景

交通事故每年造成數(shù)千人死亡，超過任何致命疾病或自然災(zāi)害。研究表明，如果車輛操作員在碰撞前至少提前半秒發(fā)出警告，則可以避免約60%的車輛碰撞［4］。

在圖1中，當(dāng)車輛A突然剎車時(shí)，A在變成危險(xiǎn)車輛的同時(shí)將周期性廣播預(yù)警消息，在A的傳播范圍內(nèi)的車輛都會(huì)收到預(yù)警消息，而車輛C、D、、E 不在A的傳播范圍內(nèi)則收不到消息，這種連環(huán)碰撞的風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)比較高。多跳廣播式協(xié)同碰撞預(yù)警可以實(shí)現(xiàn)預(yù)警消息的遠(yuǎn)距離傳輸，當(dāng)車輛A成為危險(xiǎn)車輛后，開始周期性廣播預(yù)警消息，在A 的通信范圍內(nèi)的車輛收到預(yù)警消息后，開始廣播預(yù)警消息，同時(shí)會(huì)造成消息的碰撞，導(dǎo)致傳輸延遲。

圖1 車輛碰撞預(yù)警示意圖

很多學(xué)者對車輛協(xié)同碰撞預(yù)警進(jìn)行了相應(yīng)的研究，文獻(xiàn)［5］提出一種基于基礎(chǔ)設(shè)施的混合式道路感知路由協(xié)議，該協(xié)議能夠增強(qiáng)車輛與車輛之間以及車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信。文獻(xiàn)［6］提出了一種安全高效的車載通信Ad hoc On-demand Multipath Distance Vector（AOMDV）路由協(xié)議。文獻(xiàn)［7］針對一種混合MAC（Media Access Control，介質(zhì)訪問控制）協(xié)議提出了一個(gè)分析模型來研究車輛自組織網(wǎng)絡(luò)中安全消息的周期性廣播，研究了隨機(jī)正交頻分多址方案中子載波碰撞的車輛百分比，從理論上在一個(gè)傳播周期內(nèi)的總傳輸次數(shù)和分組傳遞率有了較大提高。文獻(xiàn)［8］提出了一種用于車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中MAC的協(xié)作方案，稱為協(xié)作Cooperative ADHOC MAC（CAH-MAC）。在CAH-MAC中，相鄰節(jié)點(diǎn)利用無保留的時(shí)隙進(jìn)行協(xié)作，該方案提高了分組成功傳輸?shù)母怕?。Bharat［9］提出了一種基于節(jié)點(diǎn)協(xié)作的車載網(wǎng)絡(luò)組合策略，稱為協(xié)作中繼廣播Cooperative Relay Broadcasting（CRB），使相鄰節(jié)點(diǎn)從源節(jié)點(diǎn)重新廣播數(shù)據(jù)包，提高了廣播服務(wù)的可靠性。文獻(xiàn)［10］研究了多跳無線網(wǎng)絡(luò)中分布式協(xié)作媒體訪問控制協(xié)議，提出了一種基于IEEE 802.11dcf 的跨層協(xié)作MAC 協(xié)議，通過協(xié)作，多用戶環(huán)境中的單天線移動(dòng)終端與其他移動(dòng)終端共享天線，從而生成虛擬多天線系統(tǒng)，以更高的分集增益實(shí)現(xiàn)更可靠的通信。文獻(xiàn)［11］采用CSMA/CA 和兩種基于Time-Division Multiple Access（TDMA）的 覆 蓋 協(xié)議，利用占用車道數(shù)和發(fā)射功率推導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，提供每秒平均碰撞次?shù)和平均忙時(shí)比的估計(jì)值。文獻(xiàn)［12］針對高速公路環(huán)境多車跟馳場景下研究了一種長距離、實(shí)時(shí)緊急預(yù)警消息的廣播協(xié)議，但上述研究均缺少對于EWM的低時(shí)延、低碰撞率、長距離傳送的有關(guān)研究。文獻(xiàn)［13］提出了一種新的可靠、高效的VANETs 協(xié)作媒體訪問控制協(xié)議，并提出了基于馬爾可夫鏈模型的分析方法。文獻(xiàn)［14］提出了一種基于車路協(xié)同的高速公路車輛碰撞事故預(yù)警模型，通過潛在碰撞事故得到預(yù)警結(jié)果，并給相關(guān)車輛發(fā)送事故預(yù)警消息廣播，從而有效避免追尾碰撞和側(cè)向碰撞的發(fā)生。文獻(xiàn)［15］提出了一種全分布式的自駕汽車通過交通路口的全分布式交互協(xié)議，該控制方法驗(yàn)證了對一般交通路口的自動(dòng)安全通過的有效性。目前存在的主要問題在于：

1）大量EWM 包造成MAC 層數(shù)據(jù)包的沖突：異常情況發(fā)生后，異常車會(huì)長時(shí)間處于異常狀態(tài)而且它后面的多輛車也會(huì)變成異常車，因此會(huì)造成大量EWM包的并存，必然造成MAC層數(shù)據(jù)包的沖突。

2）傳統(tǒng)廣播式路由造成的廣播風(fēng)暴：在傳統(tǒng)自組織網(wǎng)絡(luò)中的廣播路由采用的是簡單的洪泛算法，勢必會(huì)造成諸如冗余、競爭和沖突等廣播風(fēng)暴的問題。

因此，本文提出了基于位置信息的EWM 轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，以減少轉(zhuǎn)發(fā)的EWM 包數(shù)量，減少廣播風(fēng)暴、提高EWM傳輸效率。

3 最遠(yuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議

3.1 假設(shè)條件

假設(shè)道路上行駛的每個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)都配有GNSS全球衛(wèi)星定位設(shè)備，根據(jù)定位結(jié)果和V2V 通信，每個(gè)車輛隨時(shí)都能得到自己的準(zhǔn)確位置以及近鄰車輛的位置。本文實(shí)驗(yàn)使用Matlab進(jìn)行模擬仿真，場景范圍為3000m，單車道，車輛數(shù)為8 輛～100 輛，具體參數(shù)如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)

3.2 定義

群組：異常車輛主要影響的是其附近及后續(xù)的車輛，因此為了提高傳輸效率、降低信道專用率，每輛車將所有自己無線信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)的車輛按照位置劃分不同的群組，進(jìn)行組播?？梢苑譃槿齻€(gè)群組：前方車輛（包括側(cè)前方）、后方車輛（包括側(cè)后方）和其他車輛（對方車道）。

所有車輛在EWM 發(fā)送過程中均進(jìn)行碰撞檢測，當(dāng)檢測到碰撞時(shí)進(jìn)行避讓。該協(xié)議是基于位置信息的協(xié)議，選取通信范圍內(nèi)最遠(yuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)車輛，因此稱該協(xié)議為最遠(yuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議。

3.3 原理分析

在不考慮碰撞的情況下，比較了三種不同數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，分別是單跳轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，最遠(yuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議和洪泛轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，具體分析過程如下：

1）單跳轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，最前方1 號(hào)異常車輛發(fā)送預(yù)警信息，1 號(hào)車將預(yù)警信息發(fā)給2 號(hào)車，2 號(hào)車依次把預(yù)警信息發(fā)給后方3 號(hào)車輛，即第n-1 輛車收到n-2 車的預(yù)警信息，并將自己的預(yù)警信息傳遞給第n 輛車；其中圖2 中坐標(biāo)（x，y）中的x 表示的是收到的消息數(shù)量，y表示的是發(fā)出的消息數(shù)量，圖2 共有8輛車。

圖2 單跳轉(zhuǎn)發(fā)的過程圖

時(shí)延公式如式（1）所示，其中L 為路長，C 為電磁波傳播速度，Δt為信息的處理時(shí)間，n 為車輛編號(hào)：

2）最遠(yuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，最前方1 號(hào)異常車輛發(fā)送預(yù)警信息，在通信范圍內(nèi)的車輛收到預(yù)警信息后，接著發(fā)自己生成的包，通信范圍內(nèi)的最遠(yuǎn)車輛承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，即如圖3所示，1號(hào)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)為4，因此它既要發(fā)送自己的報(bào)警信息，還要發(fā)送1 號(hào)車的中繼信息；2、3 號(hào)車由于不是中繼節(jié)點(diǎn)，因此不進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，只產(chǎn)生自己的報(bào)警信息。1 號(hào)車輛發(fā)出預(yù)警信息后，通信范圍內(nèi)的2、3、4 號(hào)車均可以接收到。其轉(zhuǎn)發(fā)過程如圖3 所示，例如：3 號(hào)車收到2 個(gè)數(shù)據(jù)包，分別是1號(hào)車和2號(hào)車的報(bào)警信息，但只發(fā)送1 個(gè)自身的報(bào)警信息；4 號(hào)車收到3 個(gè)數(shù)據(jù)包，分別是1、2、3號(hào)車的報(bào)警信息，發(fā)送2個(gè)數(shù)據(jù)包，分別是1號(hào)車的轉(zhuǎn)發(fā)信息和自身的報(bào)警信息。

圖3 最遠(yuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議EWM轉(zhuǎn)發(fā)過程圖

其中收發(fā)預(yù)警信息的公式如下，N 為車輛總數(shù)，收到的預(yù)警信息總數(shù)X（N）為

發(fā)出的預(yù)警信息總數(shù)Y（N）為

時(shí)延公式如下，其中L為路長，C為電磁波傳播速度，Δt為信息的處理時(shí)間，n為車輛編號(hào)：

3）洪泛轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，最前方1 號(hào)異常車輛發(fā)送預(yù)警信息，在通信范圍內(nèi)的車輛收到預(yù)警信息后，將收到的包和生成的自己的包同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)給下一輛車，如圖4 所示，2 號(hào)車收到1 號(hào)車轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包，并將收到的數(shù)據(jù)包和自己生成的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給3 號(hào)車輛，3號(hào)車就收到3個(gè)數(shù)據(jù)包，4號(hào)車收到1、2和3號(hào)車發(fā)送的數(shù)據(jù)包共7個(gè)，轉(zhuǎn)發(fā)過程如圖4所示。

圖4 洪泛算法消息轉(zhuǎn)發(fā)過程圖

其中收發(fā)預(yù)警信息總數(shù)的公式如下，其中f(n)為第n輛車收到的預(yù)警信息數(shù)，公式如下：

其中g(shù)(n)為第n輛車發(fā)出的預(yù)警信息數(shù)，公式如下：

時(shí)延公式如下，其中L為路長，C為電磁波傳播速度，Δt為信息的處理時(shí)間，n為車輛編號(hào)：

為了讓消息高效地傳輸，在傳輸時(shí)要保證以下幾點(diǎn)。

1）低延遲，在事故發(fā)生后，消息能及時(shí)地傳送到存在潛在危險(xiǎn)的車輛，給司機(jī)足夠的時(shí)間去制動(dòng)。

2）減少信息的冗余，預(yù)警消息是周期性廣播，這樣才更容易讓周邊的車輛收到預(yù)警消息，從而采取應(yīng)對措施，但周期性廣播易造成廣播風(fēng)暴，因此減少信息的冗余非常重要。

最遠(yuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議是基于位置信息的協(xié)議，在已知位置信息的基礎(chǔ)上，各個(gè)車輛能夠精確識(shí)別到自己的地理位置，在該算法中，根據(jù)道路狀況以及車輛信息來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1）異常車輛從三個(gè)群組中選擇某個(gè)群組中距離最遠(yuǎn)（無線信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)）的一輛車，其中最遠(yuǎn)的車輛作為轉(zhuǎn)發(fā)車輛，轉(zhuǎn)發(fā)車輛再繼續(xù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)預(yù)警信息，從而避免了信息的冗余傳輸。

2）當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)車輛在轉(zhuǎn)發(fā)預(yù)警信息時(shí)，其他車輛均不轉(zhuǎn)發(fā)EWM，避免信息的冗余傳輸。

上述緊急預(yù)警信息的發(fā)送、轉(zhuǎn)發(fā)及接收流程如圖5 所示，通過以上碰撞預(yù)警信息的轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了緊急預(yù)警信息的遠(yuǎn)距離傳播，并減少了緊急預(yù)警信息在傳播過程中的冗余問題，從而降低了緊急預(yù)警信息在傳播過程中因碰撞造成的傳輸時(shí)延和傳輸失敗問題。

圖5 緊急狀態(tài)下EWM轉(zhuǎn)發(fā)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)分析

為了對比該協(xié)議傳輸?shù)牡脱舆t性，對比了洪泛轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，該協(xié)議是節(jié)點(diǎn)接收預(yù)警信息后，以廣播的形式向所有鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)消息，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)收到廣播信息后，都重播一次，這樣做就確保了車輛節(jié)點(diǎn)都能夠收到廣播信息，同時(shí)因?yàn)樗械墓?jié)點(diǎn)都參與了廣播，所以就會(huì)產(chǎn)生冗余和沖突等問題，因此洪泛算法容易產(chǎn)生廣播風(fēng)暴，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)。

圖6 為傳輸時(shí)延的對比，本文考慮的是在車輛數(shù)（M）不同的情況下，兩種算法時(shí)延的對比。設(shè)置車輛數(shù)M為8到100輛，圖中可以看出，洪泛算法在車輛較少的時(shí)候，傳輸時(shí)延略高于最遠(yuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，隨著車輛的增多，洪泛轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的傳輸時(shí)延劇增，尤其車輛數(shù)大于16 輛的時(shí)候，洪泛算法的時(shí)延增長尤為迅速，在車輛數(shù)為28 輛左右的時(shí)候，時(shí)延達(dá)到1s。相比較，本文提出的最遠(yuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議時(shí)延增長緩慢，較為平穩(wěn)，車輛數(shù)達(dá)到100輛時(shí)，時(shí)延在0.35s左右，因此，相對于洪泛協(xié)議，本協(xié)議可以較大程度地降低傳播時(shí)延，提高緊急預(yù)警信息的傳輸效率。

圖6 時(shí)延圖

5 結(jié)語

本文研究了在不考慮碰撞發(fā)生的情況下，三種算法的收發(fā)預(yù)警信息的情況，以及考慮碰撞的情況下，與洪泛轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議做了對比實(shí)驗(yàn)，通過以上仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，本文提出的最遠(yuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議能夠較好地降低緊急預(yù)警信息的傳輸時(shí)延，在車輛數(shù)增多的時(shí)候，時(shí)延仍然比較穩(wěn)定，減少了信息傳輸過程中的沖突，降低了碰撞率，提高了傳輸?shù)目煽啃裕瑥亩梢云鸬教崆邦A(yù)警的效果，降低事故的發(fā)生幾率。