一種分發車用安全信息的單跳廣播協議

曹文靜 李文強 韓慶田 徐勝紅

海軍航空工程學院控制工程系 山東 264001

0 引言

車用安全信息的分發是車載無線自組織網絡的一個重要應用類型。當車輛檢測到和車輛安全相關的事件時，通常僅需要在小范圍內廣播該安全信息，為鄰居節點提供各種緊急交通信息，以提醒鄰居車輛應對可能的危險狀況。基于車載無線自組織網絡的廣播協議按信息傳輸跳數可分為單跳和多跳廣播。對于車用安全信息的分發，采用單跳廣播就足夠了。

對于車用安全信息而言，由于安全信息本身的有效期比較短，而且，對于周圍的鄰居節點是非常重要的，因此，較長的信息傳輸延時和較高的包丟失率是不可容忍的。如何使車輛及時接入信道，確保安全信息的及時可靠傳輸，是車用安全信息廣播需要解決的主要問題。為保證車輛可靠地接入信道，需要預約信道；為保證安全信息的可靠傳輸，需要實時指示信道的當前使用狀況。在車用安全信息廣播中，預約信道機制和信道狀態指示機制是影響安全信息及時可靠傳輸的關鍵問題。

1 現有的信道預約和信道狀態指示機制

1.1 現有信道預約機制

目前，最主要的預約信道方式就是利用RTS/CTS握手機制預約信道。利用RTS/CTS握手機制預約信道就是在發送數據之前，利用源節點和目的節點之間交互較短的控制包RTS和CTS來預約信道。例如BSMA協議，在廣播數據包前，源節點發送RTS；對于每個接收到RTS的鄰居節點，若能夠接收數據，則回復CTS；若源節點接收到CTS，則發送廣播數據。

在廣播協議中，為了進一步避免CTS之間的沖突，保證可靠地預約信道，可以將每個廣播看作多個利用 RTS/CTS預約信道的單播，這種協議包括BMW和BMMM協議。在這種協議中，為了依次與各個鄰居節點握手預約信道，源節點需要維護一個鄰居節點的列表。

對于車用安全信息廣播而言，利用RTS/CTS握手機制預約信道存在以下問題：

(1) 由于車輛之間相對位置的迅速變化，精確維護鄰居節點信息是比較困難的；

(2) 由于車輛之間相對位置的迅速變化，廣播源節點難以與所有接收節點之間完成完整的RTS/CTS握手，因此，難以可靠地預約信道；

(3) RTS/CTS握手不僅預約了源節點的一跳范圍的信道，也通過CTS通知了隱藏終端，因此，利用RTS/CTS預約信道的單跳廣播協議預約了源節點的兩跳范圍的信道。在車輛節點密度大的情況下，這會導致大量的節點等待接入信道，從而直接影響到接入信道的速度。

總之，利用RTS/CTS握手機制預約信道具有信道接入算法復雜、接入速度慢等缺點，難以保證車輛節點密集情況下的車用安全信息的有效廣播。

1.2 現有信道狀態指示機制

現有廣播方法主要利用忙音信號來指示廣播源節點兩跳范圍內信道的使用情況。例如，為了減少隱藏終端，源節點在廣播數據包的同時發送大范圍的忙音，從而堵塞隱藏終端發送數據。

指示廣播源節點兩跳范圍內的信道狀態，可以通知隱藏終端即將或正在進行的數據傳輸，從而避免隱藏終端發送數據導致的沖突，然而，在車輛節點密度大的情況下，大量的節點等待接入信道，這直接影響到接入信道的速度，從而難以保證車用安全信息的有效廣播。

2 一種利用忙音的單跳廣播協議

下面提出一種利用忙音，預約源節點一跳范圍信道、并指示源節點一跳范圍信道使用狀況的單跳廣播協議。在該協議中，發送器和接收器都是兩信道的：一個信道用于傳輸數據包，稱為數據信道；另一個信道用于傳輸忙音信號，稱為忙音信道。對于要發送數據的節點，首先檢測忙音信道，若忙音信道空閑，則在忙音信道上發送忙音一段時間來預約信道，一段時間后，若數據信道仍空閑，且未接收到來自其它節點的忙音信號，說明預約信道成功，則節點在發送忙音的同時，開始發送數據。

在任意節點上，該協議的運行過程如圖1所示。

在圖1中，節點的初始狀態為IDLE：

(1) 在IDLE狀態，偵聽數據信道和忙音信道的使用情況：

1) 若偵聽到數據信道忙，則節點狀態遷移至 RECEIVE狀態，開始接收數據；

2) 若偵聽到忙音信道忙，而數據信道閑，意味著本節點一跳范圍內有其它節點在競爭信道，則返回IDLE狀態，繼續偵聽數據信道和忙音信道的使用情況；

3) 若偵聽到數據信道閑，忙音信道閑，且本節點有數據發送，則遷移至CONTEND狀態，開始預約信道；

4) 若偵聽到數據信道閑，忙音信道閑，且本節點無數據發送，則返回IDLE狀態，繼續偵聽數據信道和忙音信道的使用情況。

(2) 在RECEIVE狀態，接收數據包，偵聽數據信道和忙音信道的使用情況，當偵聽到數據信道閑，遷移至IDLE狀態。

(3) 在CONTEND狀態，在忙音信道發送忙音信號一段時間 t，同時通過接收器偵聽忙音信道上是否有來自其他節點的忙音信號：

1) 若在時間t內通過接收器偵聽到來自其他節點的數據和忙音信號，則終止本車輛的忙音發送，狀態遷移至RECEIVE狀態，開始接收數據；

2) 若在時間t內通過接收器偵聽到來自其他節點的忙音信號，而沒有偵聽到來自其它節點的數據，則終止本車輛的忙音發送，狀態遷移至IDLE狀態，繼續偵聽信道狀態。

3) 若在時間t內通過接收器沒有偵聽到來自其他節點的忙音信號和數據，則成功預約了信道，狀態遷移至SENDDATA狀態，開始發送數據，同時發送忙音信號。

(4) 在 SENDDATA狀態，發送數據，同時發送忙音信號。發送數據完畢，則終止發送忙音信號，返回IDLE狀態。

圖1 協議運行狀態遷移圖

3 實驗設計及結果

為了驗證本文提出的利用單跳廣播協議的性能，本實驗在OPNET網絡仿真平臺上設計和實現了如下三個協議：

(1) 協議1：無任何預約信道機制和信道狀態指示機制的廣播協議；

(2) 協議2：利用忙音，預約源節點一跳范圍信道、并指示源節點一跳范圍信道使用狀況的單跳廣播協議；

(3) 協議3：利用忙音預約源節點兩跳范圍信道、并指示源節點兩跳范圍信道使用狀況的單跳廣播協議。

為了評價協議的性能，本研究在實驗中收集了如下的全局統計量：

(1) 端到端數據傳輸延時：是指數據產生的時刻與被成功接收到的時刻之間的時差；

(2) 平均接收節點的數目：是指平均成功接收到數據的節點數目。

為了研究以上三個協議在不同網絡配置下的性能，設計實現一系列的網絡場景，如表1所示。在所有的場景中，設置車用安全信息長度為 100bit，每個節點產生數據包的周期為1s，每個節點的通信范圍為300米，即一跳距離為300米，所有的節點分布在寬50米、長1200米的道路上。

表1 場景設置

仿真實驗結果如圖2、圖3和表2所示。

圖2 場景1—場景5的端到端數據傳輸延時

如圖3和表2所示，在同樣的網絡配置下，若協議1、協議2、協議3的端到端數據傳輸延時都達到穩健，則三個協議的端到端數據傳輸延時、接收節點的平均數目基本沒有區別。如圖2所示，和協議1和協議3相比，協議2的端到端數據傳輸延時更穩健。因此，本文提出的單跳廣播協議的端到端數據傳輸延時更穩健，而接收節點的平均數目并不比其它協議差，且仿真得到的具體結果值能夠滿足車用安全信息廣播的傳輸時延和可靠性需求。

圖3 場景6—場景11的端到端數據傳輸延時

表2 接收節點的平均數目

4 結束語

本文研究了車用安全信息的單跳廣播協議，提出了一種利用忙音預約一跳信道和指示一跳信道狀態的單跳廣播協議。實驗結果表明：本文提出的單跳廣播協議適合分發車用安全信息。

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