高速預警信息傳輸下的VANET路由協議研究

張 勇

(中華通信系統有限責任公司 無線電監測事業部，北京 100070)

0 引言

德國Daimler-Benz公司研究表明，在高速公路上車輛行駛時僅需要預先1 s的報警，就可以減少50%～90%的追尾事故發生[1]；日本學者研究指出，借助于交通智能信息預警技術，能夠將追尾碰撞降低率達62%；另外，根據研究發現，90%的道路交通事故是由駕駛員的操作失誤引起的，因此汽車的行駛安全性主要還是取決于駕駛者[2]。人們對道路交通安全問題的關注度持續上升[3]，使得車聯網(Vehicular Ad Hoc Network，VANET)的研究[4]成為當前學術界和工業界研究的熱點。VANET網絡的本質[5]是在車輛與車輛之間、車輛與路邊設施之間實現單跳或者多跳的無線通信，具有網絡拓撲的動態變化、多跳路由、網絡容量有限和可擴展性等[6]優點，可以滿足高速公路上車輛間的無線通信要求，有效地減少了高速公路的事故率[7]。

在高速公路行駛中，駕駛員從發現隱患到最終采取制動措施的時間在0.3～1.0 s，平均時間在0.7 s[8]。按照高速公路行駛中100 km/h的平均速度，在0.7～1.0 s中的距離為100～150 m后駕駛員開始反應，再到最后的剎車制動和到安全間隔距離，對車輛駕駛員進行提前預警十分必要。而在國內，我國學術界對VANET網絡的研究已經取得一些成果。例如，揭志忠建立了高速公路場景下VANET網絡的可信機會路由算法[9]；周連科設計了一系列VANET多跳廣播協議，提高了廣播效率[10]；陳振等提出了一種基于相鄰車輛間距的VANET分簇算法[11]。而傳統的VANET路由協議包括基于網絡拓撲結構的路由協議(如DSDV、AODV等)、基于地圖的路由協議和基于位置的路由協議(如GPSR、LAR等)[12]。由于高速公路場景下車輛移動速度快、節點變化大導致網絡拓撲結構變化大，使得網絡時延大、網絡傳輸準確率低等問題，需要對VANET路由協議進行改進[13]。數據包遞交率是傳輸準確率的重要參考數據，本文從提高對數據包丟失率的估計和減少傳播節點的角度進行研究，進而提出一種改進的VANET路由協議。

1 數據包丟失率估計

要保證VANET網絡得到更好的傳輸效果，數據包丟失率成為其重要的參考標準。在復雜的電磁環境和節點高速移動下，對網絡的丟失率進行計算是非常困難的。因此，引入探測包對數據包丟失率進行測量，但過多的探測包會嚴重占用帶寬。對此，首先通過混合高斯模型對數據包丟失率的概率密度進行描述，再根據混合高斯模型的描述，采用更少探測包對數據包丟失率進行估計的最大后分布法[14]。

高速公路場景中影響數據包丟包率的參數包括車輛速度、車輛距離和車輛流量等。本文則通過高速公路中行駛車輛距離作為參考，通過混合高斯模型對不同距離條件下的數據包丟失率的概率函數進行統計[15]，則有：

(1)

式中，k表示高斯函數的值；wi表示混合后的權重；μi，ξi分別表示平均數和第i階的高斯方差。為更好地估算出式(1)中的wi，μi，ξi三者的值，本文引入期望最大算法(EM)。該算法的基本思想為交替用期望值和其中的一個最大值進行反復迭代。EM對預期數值的計算就像使用當前的參數估計計算一樣，其具體的計算公式為：

(2)

根據式(2)估算出參數wi，μi，ξi：

(3)

(4)

(5)

根據式(2)、式(3)、式(4)和式(5)連續迭代直到相似函數收斂。

圖1 MAP估計器的算法流程

通過上述算法可以得到平均最大后分布函數，從而估算出PLR，其計算公式為：

(6)

2 基于最短時延的路由算法設計

在完成對整個網絡的數據包丟失率的估計后，則需要在此基礎上對路由協議進行設計。本文提出The Shortest Delay(TSD)算法。該算法的核心思想為結合高速場景[13]，定義一個危險區域(ZOR)。在該危險區域當中，故障車與行駛車輛為同一個方向。在第一輛車檢測到前方故障后，開始生成預警信息并開始進行廣播。只有在該區域內的車輛對ZOR預警信息進行處理，而非ZOR區域的則直接將該信息丟失。如車輛在該區域內，則計算出自身的延遲轉播的時間。同時在該區域內如果收到后面車輛轉播的預警信息，則不需要在轉發，如沒有，則該車轉變為轉播節點，往后轉播信息。

該算法具體實現的步驟如下：

步驟1：事故車輛檢測到危險，第一個生成預警信息并開始廣播，對非ZOR的車輛則直接丟棄預警信息；

步驟2：在ZOR的區域，第一次接收到發出去的預警事件之后，結合距離對延遲時間進行計算：

(7)

式中，Td表示延遲轉播所耗費的時間；TP表示為預警的周期；D表示發送和接收2個節點的距離；Tc表示延遲補償的時間。對Tc的計算本文采用平均距離(Ad)求出：

Tc=Tp[Ad/(2R)]；

(8)

步驟3：如延遲轉播時間過期，則表示沒有收到后方的預警信息，前車定期廣播；

步驟4：節點定期偵聽(周期表示為TL)預警信息。偵聽過期，沒接聽到后方預警信息，則表示網絡斷開，該節點則定期廣播預警信息。

最小時延策略設計步驟如圖2所示。

圖2 最小時延策略設計

通過上述協議，避免在整個危險區域內所有的節點都參與到對預警信息的轉播中，一方面減少了預警信息的冗余信息，另一方面作為轉播節點不必發送網絡幀，使得整個網絡的開銷變小，提高了網絡的性能。

3 數據包格式設計

針對提出的基于時延算法，對其中的數據庫格式進行設計。TSD數據包格式設計如下：

Message_type：消息類型；

Danger_vehicle_id：危險行駛方向；

Danger_direction：危險源位置；

Message_vehicle_position：消息節點位置；

timestamp：消息生成時間。

Message_type設置為EWM，節點處理不同類型信息時給予不同優先級。通過(Danger_vehicle_id，Danger_direction)唯一標識一個預警事件，車輛第二次收到來自前方節點的同一預警事件直接丟棄該消息。(Danger_vehicle_id，Danger_direction)定義了ZoR區域，非該區域節點接收到的信息直接丟棄．Message_vehicle_position為消息生成節點位置，ZoR節點第一次收到前方EWM消息后，根據此信息計算與消息生成節點的距離，從而計算延遲轉播時間。若節點在延遲轉播時間內沒有收到來自后方節點的EWM信息，則變成轉播節點，周期性地廣播預警信息。非轉播節點周期性地偵聽后方節點消息，若偵聽到后方節點預警信息，則通過消息中timestamp信息更新偵聽周期。

4 路由仿真與性能分析

本文選擇NS-3仿真平臺[16]，該平臺為一款開源、免費的網絡模擬工具。在該仿真平臺中，用戶可采用編寫模塊的方式對結果進行計算[17]。本系統采用該模塊對高速公路場景進行設定，并對路由協議進行設計。

4.1 數據包丟包率仿真結果

對丟包率的仿真選MAP、ETX算法，分別選擇高速場景中汽車在10～20m、20～30m、30～40m和40～50m不等的距離，得到MAP算法與ETX的誤差比較，如表1所示。

表1 丟包率誤差統計

距離/m算法εε-σMSE10～20MAP0.01130.33080.0153ETX0.00260.77980.033920～30MAP0.02700.37350.0407ETX0.04980.69330.089030～40MAP0.03670.32870.0454ETX0.05290.47460.068440～50MAP0.05960.30370.0860ETX0.08950.45660.1087

通過對誤差的統計可以看出，改進后的MAP網絡算法其誤差率要小于傳統的ETX算法。

4.2 傳輸時延仿真結果

選擇在車輛平均間距在40～50m條件下，共生車輛設定為50輛。比較該TSD路由協議在不同時延補償條件下的路由協議指標。其具體的補償值參數如表2所示。

表2TSD路由協議不同延遲補償參數

參數Tc/sTp/sR/mTSD0.010.1250TSD-100.1250TSD-20.020.1250

4.2.1 信息傳輸延遲

作為對VANET網絡信息傳輸質量的重要參考標準，選擇從絕對傳輸延時和相對信息延遲兩方面對其評估，同時本文將TSD路由協議與傳統的DF路由協議進行比較，得到如表3和表4所示的比較結果。

表3 絕對傳輸延遲 (s)

表4 相對傳輸延遲 (s)

4.2.2 轉播節點數量

在VANET網絡中其轉播節點的數量越多，對網絡的開銷也就越大。在安全預警信息在傳輸的時候就可能導致信息無法傳輸。在不同補償時間下的路由性能，并得出TSD的轉播節點數量要明顯低于DF算法的轉播節點數量，如圖3所示。

由仿真結果可以看出，本算法和傳統算法相比，可以有效提高網絡傳輸準確率，解決傳輸延時的問題，可讓事故區域車輛及時發現險情。但是上述算法的設計未將網絡傳輸的安全性和鏈路中斷問題考慮進來，對此還需在下一步的研究中進行改進。

圖3 正常環境下的轉播節點數量

5 結束語

本文針對目前高速公路信息傳輸中存在的問題，提出了一種行之有效的VANET路由協議，該路由協議是基于對實施丟包率估算和縮短傳輸時延的研究，提高網絡傳輸的準確性，縮短網絡傳輸時間，從而保障預警系統及時發出預警，最終保障駕駛員及時準確的獲取險情信息，減少交通事故的發生率。

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