車載自組網告警信息廣播策略

曹文靜，徐勝紅

(海軍航空工程學院 控制工程系，山東 煙臺 264001)

車載自組網告警信息廣播策略

曹文靜，徐勝紅

(海軍航空工程學院 控制工程系，山東 煙臺 264001)

車輛可以通過車載自組網交換告警信息提高行駛安全，告警信息對傳輸的可靠性和實時性要求高。目前主要采用重復廣播的方式來提高告警信息廣播的可靠性，但缺乏對重復廣播率的確定方法。基于將告警信息產生和廣播的系統看作一個排隊系統的思想，提出了一種基于車速的重復廣播率計算方法，通過建立車速與告警信息產生量之間的關系模型；并限定告警信息傳輸延遲，建立了優化的告警信息重復廣播率計算公式。實驗結果表明：該計算方法能較好地均衡告警信息廣播的可靠性和實時性，操作簡單。

交通工程；車載自組網；告警信息；單跳廣播；重復廣播策略

研究表明：如果駕駛員若提前0.5 s接收到告警，則可以避免大約60%的交通事故。然而，駕駛員一般只能看到前車的尾燈信息；如果異常車輛不在視線范圍內或者尾燈信息被遮擋，則司機難以有足夠的時間進行適當處理，從而導致連環追尾等交通事故[1-2]。為此，在車載自組網中，車輛可以將所檢測到的環境或自身狀況，通過無線通信的方式告警他人，從而彌補目視范圍受限的缺陷。告警信息包括剎車告警、事故告警、路況差告警、擁塞告警等[3-4]。在車載自組網中，告警信息可靠、及時的分發對于避免交通事故起著關鍵性的作用。

1 當前研究現狀

單跳廣播作為VANET的一種簡單、有效的信息分發方式，尤其適合于告警信息的分發。告警車輛將告警信息分發給后續一跳范圍內的車輛，鄰居節點只需接收信息。由于VANET高動態拓撲的特點，接收告警信息的車輛不斷發生變化，原來接收到告警信息的車輛由于繞過告警車輛成為不受影響的車輛，而原來距離告警車輛較遠、未接收到告警信息的車輛可能轉變為受影響的車輛。因此，在告警信息的有效期內，告警信息需要周期性地廣播，以保證告警信息分發的及時性。另外，無線信道帶寬受限、易受干擾，導致無線信號的傳輸可靠性差；為提高告警信息廣播的可靠性，也需要周期性重復廣播。

VANET是一種高度動態網絡，不斷變化的車輛密度直接影響著網絡的負載狀況。當局部車輛密度較小時，可以通過提高重復廣播率來提高告警信息傳輸的可靠性；當局部車輛密度較大時，通過提高重復廣播率來提高告警信息傳輸可靠性的方法，反而會由于大量的信道爭用，造成傳輸時延增大。因此，為了確保及時可靠的告警信息分發，需要優化告警信息量，也就是，既要通過一定的重復廣播率來保證信息傳輸可靠性，又要通過控制重復廣播率來降低信息量，進而保證信息傳輸時延。

Q.XU等[5-6]提出了通過重復廣播提高告警信息可靠性的方法，指出了具體的場景下存在最優的重復廣播率，但沒有進一步研究最優重復廣播率的確定方法。YANG Xue等[7]提出了根據車流密度調整重復廣播率，根據后續車輛的廣播情況，調整重復廣播率的策略，但沒有提及如何衡量車輛密度，以及如何根據車輛密度確定具體的重復廣播率。C.SUTHAPUTCHAKUN[8]提出了根據信息優先級的區別設置不同的重傳次數的思想，以保證高優先級信息的傳輸可靠性，但沒有進一步研究具體的重傳次數模型。M.RAYA[9]提到基于車輛行駛速度調整無線告警信號的覆蓋范圍，當車輛行駛速度緩慢時，縮短重復廣播間隔，降低覆蓋范圍，但缺乏具體的可操作的模型。楊林[10]建立了一個能夠直接反映車輛密度、狀態數據包發送頻率和長度、發送功率和數據傳輸速率與車輛狀態數據包接收率、延遲時間之間關系的數理分析模型，但仍缺乏具體的可操作的重復廣播率模型。王二寶等[11]結合重復發送和大范圍忙音以提高傳輸可靠性，即在節點密度較高時，通過發送告警信息的同時發送大范圍的忙音信號來減少隱藏終端的干擾，從而提高告警信息接收的成功概率；而在節點密度較低時，則根據告警信息的生命周期決定重復發送次數的優化值；異常車輛對車輛密度的估計通過測量本車輛與正常車輛之間的距離而定，這需要額外的雷達等設備，而且，正常車輛很多，很難根據任意兩車之間的距離估計出車輛流密度，因此，該方法缺乏可操作性。

以上學者的研究都存在依據車輛密度調整重復廣播率的思想，但都缺乏具體的可操作的確定重復廣播率的方法。如何在具體場景下，快速確定告警信息的重復廣播率，以均衡告警信息量和信道傳輸速率，進而均衡告警信息傳輸的可靠性和實時性，進行及時可靠的告警信息分發，是重復廣播策略要解決的問題。為此，筆者提出一種依據車輛自身行駛速度，估計車流密度，進而確定優化的重復廣播率的簡單方法。

2 重復廣播策略基本模型

將告警信息的產生及廣播可以看成一個排隊系統。告警信息的產生速度是排隊系統的到達速度，告警信息的廣播速度是排隊系統的服務速度，告警信息傳輸延遲就是告警信息在排隊系統中的平均停留時間。

2.1 基于車輛行駛速度估計告警信息產生速度

一般而言，車輛密度決定了產生的告警信息量。設定廣播范圍內的所有車輛告警信息產生速率為Vcreate，產生的告警信息數據包長度相同；廣播范圍內的車輛數量為n，一輛車輛觸發告警信息的頻率為λ，每一個被觸發的告警信息的重復廣播率為k。則有

Vcreate=n×λ×k

(1)

車輛進入異常之前的車速反映了車輛流的密度，車速越高，則車輛流密度越小，一定范圍內的車輛數越少；反之，車速越低，則車輛流密度越大，一定范圍內的車輛數越多。

利用車速反映了車輛流密度的特點，設定廣播范圍為R；車道數為m；車輛進入告警狀態前的速度為v；司機反應平均時間為tresponse；安全車距為hresponse，hresponse=v×tresponse；廣播范圍R的車輛節點數n最大為m×(R/hresponse)。則廣播范圍內所有車輛的告警信息最大產生速度Vmax_create為：

Vmax_create=m×λ×k×(R/hresponse)

(2)

2.2 車輛告警信息產生與分發排隊系統

設定車輛觸發告警信息速率的分布服從泊松分布。無線收發器的收發速率為Vtrans，各告警信息包收發速率相互獨立，且為同一個常數Vtrans，根據排隊論理論，這為一個M/D/1系統；排隊系統的到達速度就是告警信息產生速率Vcreate；排隊系統的服務速度就是無線收發器的收發速率Vtrans；設定服務強度為ρ，則ρ=Vcreate/Vtrans。當0≤ρ≤1時，為一個穩定的排隊系統。

排隊系統中等待傳輸的告警數據包數Lq為：

(3)

排隊系統中停留的告警數據包數Ls為：

Ls=Lq+ρ

(4)

告警數據包在排隊系統中平均等待時間Wq為：

Wq=Lq/Vcreate

(5)

告警數據包在排隊系統中平均逗留時間(包括傳輸時間)Ws為：

Ws=Wq+1/Vtrans

(6)

2.3 確定告警信息傳輸時延

“一個人其實是永遠走不出他的童年”，這是我長篇小說《草房子》扉頁上的一句話。這句話來源于我文字背后一直有我童年的影子。在我20歲之前的歲月里，我是一個地地道道的農村孩子。20年的鄉村生活記憶，成為我無盡的創作源泉，即便后來我進入了真正的大都市，卻始終無法擺脫鄉村情感的追逐與糾纏。可以說，我對農村的迷戀，更多的是一種美學上的迷戀。

為確定告警信息的重復廣播率，首先要確定告警信息傳輸時延約束。

一般而言，異常車輛后方兩倍安全距離內的車輛可以通過目視獲得異常車輛的狀態信息。因此，異常車輛后方兩倍安全距離內的車輛對告警信息的傳輸延時可以沒有要求。

對異常車輛后方兩倍安全距離外的車輛，由于距離及前車遮擋等原因，通過目視難以獲得異常車輛的狀態信息，這時就對告警信息的傳輸延時有要求。當告警信息平均傳輸延時小于等于tresponse時，則對于異常車輛后方2倍安全距離之外的車輛而言，在tresponse時接收到信息時，距離前方異常車輛還有至少一個安全距離，這時就有足夠的時間作出反應。因此，設定告警信息傳輸時延約束為不大于tresponse。

2.4 基于車速的重復廣播率基本模型

由告警信息傳輸時延約束，得Ws的約束為：

0≤Ws≤tresponse

(7)

筆者進一步建立廣播范圍內產生的告警信息量、車輛數目、車輛行駛速度、告警信息傳輸時延之間的關系，從而推導出基于車速計算重復廣播率的基本模型。

由式(3)～式(7)，可得：

(8)

當2Vtranstresponse-1>0時，則Vcreate存在最大值，即：

(9)

將式(1)代入式(9)，可得：

(10)

由n≤mR/v，則使用mR/v代替n，得到滿足條件的最小的k(即密度最大時的k)，即：

(11)

因此，依據車速確定重復廣播率的基本模型為：

(12)

3 實驗設計與性能分析

設無線信號覆蓋范圍R=600 m，司機平均反應時間tresponse=1 s，車道數m=1，車輛觸發告警信息的速率λ=0.05個/s，無線信道傳輸告警信息速率為10個/s，告警信息的有效時間長度t=2 s，告警信息一次傳輸被成功接收的概率為0.5。則基于車輛進入異常狀態前的速度確定的重復廣播率k=(6/19)v。

如圖1，車輛進入異常前速度越大，則重復廣播率越高，二者呈正比關系。由于速度越大，車輛密度越小，車輛間距離越大，告警信息一次接收成功率越小，也就要求重復廣播率越高，才能保證傳輸可靠性；相反，車輛進入異常前速度越小，則車輛間距離越小，告警信息一次成功接收率越大。車輛密度越大，也就要求重復廣播率越低，才能保證較低的傳輸延時。因此，基于速度的重復廣播率的基本模型是符合實際需求的。

圖1 告警重復率與車輛行駛速度的關系Fig.1 Relationship between repeated alarming rate k and running vehicle speed v

為進一步驗證基于車速的重復廣播率基本模型的有效性，分別針對固定重復廣播率k和基于車速的重復廣播率k′，對比其在各種車輛密度下的告警信息傳輸可靠性和傳輸延時。

3.1 傳輸可靠性對比

針對任何給定的告警信息，有效壽命為t，其一次被成功接收到概率為p，其重復廣播率為k；則在t內，這一告警信息重復廣播了kt次，該告警信息被成功接收到的概率P=1-(1-p)(kt-1)。

由此可見，當t固定，重復廣播率越高，則告警信息傳輸的可靠性越高。

圖2描述了在k1=(6/19)v,k2=0.5，k3=1，k4=2，k5=4，k6=6的情況下，對應的接收可靠度與速度的關系。

圖2 接收概率與行駛速度的關系Fig.2 Relationship between receiving probaility P and running speed v

由圖2可知：具體的重復廣播率越大，則可靠性越高。當重復廣播率為固定值時，其可靠性是固定的；基于行駛速度確定的重復廣播率隨速度的增大而增加。因此，其相應的可靠性隨速度的增加而增加，且基于行駛速度確定的重復廣播率的傳輸可靠性隨速度的增大呈指數增加，傳輸可靠性很快能達到90%以上。

圖2描述的成功接收到的概率假設一次接收概率為固定值0.5。然而在實際中，接收概率往往與車輛行駛速度相關，行駛速度越快，則一次成功接收概率越小，反之越大。K.A.HAFEEZ等[12]和J.P.SINGH等[13]分別研究了車輛移動速度對一次成功接收概率的影響；結果表明：當速度比較低甚至靜止時，一次成功接收概率是很高的。由此可見，對于基于速度確定的重復廣播率而言，雖然在速度較低時的重復廣播率很低，通過重復來提高傳輸可靠性的作用很小，但由于其一次成功接收概率高，因此，重復廣播率即使很低，仍能保證接收可靠性。

3.2 傳輸延時對比

圖3和圖4分別描述了在k1=(6/19)v,k2=0.5，k3=1，k4=2，k5=4，k6=6的情況下，告警信息傳輸延時Ws的情況。

由圖3可見，k2=0.5，k3=1，k4=2，k5=4，k6=6時，總會存在Ws發散的情況，即Ws<0。由圖4可知，基于車速確定告警重復率的告警信息傳輸等待延時在各種車輛密度下為常數1 s，滿足告警信息傳輸需求。

圖3 告警信息傳輸等待延時與固定告警重復率的告警信息傳輸等待延時對比Fig.3 Comparison of waiting time Ws with vehicular speed-based broadcasting Policy and with set repeating rate resrectly

圖4 基于車速確定告警重復率的告警信息傳輸平均等待延時與車輛行駛速度的關系Fig.4 Relationship between alarming message transmission Waiting time Ws with vehicular speed-based broadcasting Policy and vehicle speed v

4 結 論

1)基于車速的重復廣播策略，能夠根據場景自適應地確定重復廣播率，由此產生的告警信息傳輸可靠性和等待傳輸延時均能滿足告警信息傳輸的需求。

2)基于車速確定告警信息重復率的方法對于車輛本身而言，只需根據自身進入異常前的行駛速度，來計算所觸發告警信息的廣播重復率。因此，具有簡單易操作的優點。

3)基于車速確定告警信息重復廣播率的方法基本假設是車速反映了車輛的密度。在一些密度分布不均衡的場景下，特別在兩個相差較大的密度區域的邊界，如何在基于車速的重復廣播策略基本模型的基礎上，進一步調整重復廣播率，以滿足告警信息傳輸可靠性和實時性的需求，是需要進一步解決的問題。

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(責任編輯 劉 韜)

A Broadcasting Policy of Emergency Warning Message in Vehicular Ad-hoc Network

CAO Wenjing, XU Shenghong

(Control Engineering Department, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, Shandong, P.R.China)

Vehicle safety can be improved by communicating alarming messages in vehicular ad hoc network. High reliability and real-timeliness of warning messages transmission is required. Currently , the reliability of emergency messages transmission is guaranteed by repeated broadcast without calculating method for the message repeating rate. In current research, broadcast repeating rate per second was not discussed herein. A vehicular speed-based broadcast repeating ratio model is proposed based on the thought regarding warning information generation and the broadcasting system as a queuing system and by establishing a model on the relationship between vehicular speed and alarming information . The delayed transmission of the alarming information was limited and an calculation formula was worked out for calculation of optimized rate of repeated alarming. Experiment results showed that the method better strikes the balance between the reliability and real-timeliness of alarming information transmission by broadcast and the operation is easy.

traffic engineering; vehicular ad hoc network; emergency warning message; single-hop broadcasting; repeating broadcast policy

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.01.16

2015-11-16；

2015-12-16

國家自然科學基金項目(61203168)；中國博士后科學基金項目(2011M500156；2013T60922)

曹文靜(1975—)，女，山東梁山人，副教授，博士，主要從事無線組網技術方面的研究。E-mail: caowenjing 751215@sohu.com。

U491.5；TP 393

A

1674-0696(2017)01-088-05