基于位置信息的多车协同碰撞预警协议

崔学荣, 钮铭坤, 李 娟, 李世宝, 吴春雷

(1.中国石油大学(华东)海洋与空间信息学院，青岛 266580;2.中国石油大学(华东)计算机科学与技术学院,青岛 266580)

车载自组网(vehicular ad hoc networks，VANET)是运行在交通道路上的具有无线通信能力的移动车辆及其周边的基础通信设施组成的为车辆提供通信服务的自组织网络[1]。在车载自组网的研究应用领域中，车辆预警消息的广播问题引起了国内外研究人员的广泛关注，这为解决汽车连环碰撞等事故预警问题提供了落脚点。当交通事故发生时，车辆一般采取多跳广播的方式向通信范围内的其他车辆发送紧急预警信息，如果后续车辆能够及时收到预警消息，则可避免追尾甚至连环相撞事故。研究表明，若驾驶员能在碰撞前提前半秒发出预警，则约60%的车辆碰撞事故可及时避免[2]。但由于VANET 中车辆节点移动速度快、网络拓扑动态变化快等因素直接影响了网络传输效率[3]，无线通信信号随着传输距离的增加会发生衰减，同时，随着车辆节点密度的增加，节点面临的信道竞争问题加剧，因此保证VANET预警信息在复杂信道通信质量环境下的低延时、高可靠性传播是一件具有挑战性的工作。

目前，关于多跳广播路由协议的研究大多是基于GPSR[4](greedy perimeter stateless routing)协议的贪婪转发思想来实现的。贪婪转发算法的思想是选择通信范围内距离目的节点最近的节点作为转发节点，承担转发任务。由于多径衰减和车辆的高速移动性，这种处于无线传输半径边缘的节点在转发过程中与源节点之间的链路不稳定，路由中断的可能性较大，降低了路由性能。研究表明，通信范围内的节点不一定都能成功地接收并转发数据包，因而，选择最远节点承担转发任务的策略存在一定的问题，这导致了丢包率的增加。为此，文献[5]提出了一种基于优先级的多跳广播协议AVED(appropriate vehicular emergency dissemination)，在车辆碰撞传感器检测到碰撞信号后，立即广播紧急预警消息，并根据位置、速度等信息计算邻居节点的优先级，接收到数据包的节点根据优先级信息判断是否需要进行转发。但由于车辆节点的高速移动性，AVED协议很难获取节点的实时地理位置等信息。文献[6]提出了一种基于接收端的VANET多跳广播协议，当车辆收到广播消息时，它使用基于模糊逻辑的方法来确定自身和潜在转发邻居节点的重播或非重播状态，在计算每个重传节点的移动性和覆盖因子参数之后，再决定重传或删除消息。文献[7]提出了一种基于拥塞控制和能量状态的路由协议CE-AODV-H(congestion-energy AODV hop)，赋予拥塞及能量状态不同的等级，在路径选择时将拥塞及能量状态以跳数的方式呈现出来，根据路由跳数选取最优路径。文献[8]提出了一种基于位图的多跳广播协议BMB(bitmap-based multi-hop broadcast)以解决现有广播协议存在的时延及碰撞问题。但以上文献均未考虑在复杂信道环境下消息的可靠传输，同时，由于相同消息可能会被重复广播，这不但浪费了有限的无线信道带宽，而且造成频繁的数据碰撞和过高的信道接入延时。

VANET的介质访问控制的通信协议通常为IEEE 802.11p[9]协议，该协议使用了传统的二进制指数退避[10](binary exponential back-off，BEB)算法进行无线传输介质上的信道接入。通过监听信道来判断信道忙闲状态，若信道空闲，可发送数据；若信道忙碌，则需等待随机退避时间后竞争信道发送权。但由于VANET中网络拓扑复杂且变化极快等特性，使用BEB算法难以为消息的多跳广播传输提供可靠保障[11]。

针对车辆预警信息在复杂信道环境下多跳广播传输效率低及信道竞争加剧的问题，提出一种基于位置信息的多车协同碰撞预警协议(vehicle collision warning protocol,VCWP)，该协议将候选的思想引入到车载自组织网络中，根据车辆的实时地理位置信息，动态地确定首选及候选转发车辆，这将极大降低EWM在复杂信道环境下消息丢失的可能性，也避免了传统多跳广播存在的洪泛性问题；同时，在无线传输的信道接入时，采取基于邻节点密度的信道竞争机制，根据转发节点在通信范围内的车辆邻节点密度来选取退避时间，以使预警信息在信道环境不理想的状态下能高可靠地传输，从而降低EWM的传送时延，保障消息的可靠传输，在延时和碰撞率之间取得了较好的均衡。

1 问题分析

车载无线网络多跳广播通信的场景如图1所示。假设笔直的公路是长度为L的直线网络拓扑，车辆节点的传输范围用R表示，车辆密度为α。当源节点S车遇到紧急情况时，S状态转换为异常车(abnormal vehicle，AV)，制动并产生预警信息，此时，其后方车辆成为濒危车辆。为使S后方及后方的后方车辆及时规避风险，避免连环碰撞事故的发生，车辆S在自己的通信范围R内进行预警信息的广播。在不考虑信道质量的情况下，通信范围内的车辆节点皆可收到来自S的预警信息。依据多车碰撞协同预警的多跳广播协议，通常在通信范围内选取距离节点S最远的节点B作为转发节点，承担转发任务，节点B选取节点D作为承担转发任务的节点，以此类推，实现预警信息的远距离传输，以达到使后方车辆及时预警的目的。为了分析转发节点面临的信道竞争问题，采用CSMA/CA 模型用以分析IEEE 802.11p 的信道竞争机制。在IEEE 802.11p协议中通常使用BEB算法决定发送包成功或失败后下次接入的等待时间T，表达式为

T=INT[CiRandom()]TS,T

(1)

图1 车载无线网络多跳广播的典型场景Fig.1 Typical scenarios of multi-hop broadcasting on vehicular wireless networks

(2)

式(1)中：INT表示取整数；Ci表示第i次退避后的竞争窗口值，通常为2n-1；Random()为0～1的一个随机数；TS，T代表一个时隙；Ni表示车辆i在一跳范围内的邻居节点数量。不同于BEB算法。采取基于邻节点密度的信道竞争机制，在进行信道接入退避时间的选取时，综合考虑车辆密度和转发车辆的邻节点数量，将退避时间TVCWP作式(2)所示的计算。若转发车的邻节点数越多，则其退避时间越长，预警信息碰撞的概率越小，消息送达的时延越小；反之，退避时间越短，节点碰撞的可能性加大，消息重传造成EWM送达的时延增加。

2 协议设计

本文研究基于位置信息的EWM的快速高效和可靠传输的问题，提出的基于位置信息的多车碰撞协同预警协议VCWP描述如图2所示。

图2 VCWP协议路由机制流程图Fig.2 VCWP Protocol Routing mechanism flowchart

(1)源节点车辆遇到紧急情况时，状态转换为AV，广播紧急预警消息EWM，根据异常情况在无线信号覆盖范围内选择距离最远的两辆车，其中最远的车辆作为首选转发车辆、次远的车辆作为候选转发车辆。如图1所示，异常车S选择B车作为首选转发车、A车作为候选转发车。选择两辆车的原因是避免最远车辆超过了AV的无线覆盖范围，同时保障EWM在信道质量较差情况下的送达。

(2)收到EWM的车辆均判断自己是否是EWM中指定的首选转发车或候选转发车，若是首选转发车且生存时间(time to live，TTL，指协议需要经过中继的跳数，每经过一个中继，则TTL减1,当TTL为0时，不再转发)不为0则转发EWM；若是候选车，则延迟t时间后，判断是否收到相同ID的EWM，若没有收到且TTL不为0，则转发EWM，转发成功后TTL减1。其他车辆均不进行EWM的转发。以上，通过TTL来避免产生无休止的EWM。

(3)除首选及候选转发车辆外其他车辆均不进行EWM的转发。

(4)所有车辆在EWM发送过程中均进行 CSMA-CA检测，若碰撞则按照车辆邻节点密度选取退避时间进行避让，车辆邻节点越少避让的时间越短，否则越长。随机退避避免了首选和候选车辆消息的碰撞，当首选车转发失败后候选车自动转发。

3 实验与结果分析

3.1 实验环境

本实验使用MATLAB仿真模拟器来验证基于位置信息的多车碰撞协同预警协议VCWP的性能，并将VCWP与GPSR和IEEE 802.11p协议的BEB策略进行对比研究。选择GPSR和IEEE 802.11p是因为其较为广泛地被作为研究VANET 路由协议的基准参考。其中，GPSR协议采用贪婪转发的思想，选择通信范围内最远车辆节点作为转发节点，IEEE 802.11p采用二进制指数退避算法，随机选择退避时间，其转发车辆的选取具有随机性。

实验性能评价指标包括平均端到端时延、报文送达率和发包数量：①平均端到端延时定义为从源节点成功到达目的节点的数据包的平均延迟;②报文送达率定义为成功到达目的节点的数据包个数和源节点产生的数据包个数的比值；③发包数量定义为成功到达目的节点时节点共发送的数据包个数。实验拓扑结构采用如图1 所示的2 km公路场景，车辆数M=20～100，所有车辆节点均衡分布在道路上。实验仿真参数的设置如表1所示。

表1 实验仿真参数Table 1 Experimental simulation parameters

为了分析紧急预警信息在无线通信信道质量较差情况下的传输情况，设置如图3所示的信道环境。实验的仿真时间为1 000个时隙，因此，纵坐标表示0～1 000个时隙的信道质量变化情况，横坐标表示时隙增量。例如，图3中的第一行数据信息表示第0～249个时隙的信道通信情况，第四行表示第750～1 000个时隙的信道状况。

图3 通信信道质量变化Fig.3 Mass change of communication channel

3.2 实验分析

在实验环境下，改变网络中车辆节点数量，对VCWP、GPSR、IEEE 802.11p的BEB策略进行比较，选择道路上最前方车辆节点作为预警消息的发送源，以200时隙作为发送间隔周期性发送20时隙大小的预警消息分组。统计的平均端到端时延、报文送达率及发包数量，结果分别如图4～图6 所示。

如图4所示，VCWP、GPSR、IEEE 802.11p三种协议的平均端到端时延都随着车辆节点数量的增加而增长。当车辆数量为20辆/km时，IEEE 802.11p的平均延时比VCWP和GPSR高约300时隙。这是因为IEEE 802.11p随机选取通信范围内的转发节点，由于每次选择的转发节点是不确定的，单跳的平均转发距离较小，预警消息的传输速度最低，因此平均端到端延时较高且呈现不稳定性。GPSR虽然通过选择传输范围内最远的节点作为转发节点提高了消息覆盖范围，但这在信道通信质量不稳定的情况下易造成预警信息的丢失，无法保证预警信息的成功送达，信息重传造成了时延的增加。VCWP选取通信范围内的最远车辆作为首选转发车、次远车辆作为候选转发车，通过降低转发次数实现快速多跳广播覆盖。同时，候选转发车的存在补充了信道质量不稳定情况下消息无法成功送达的缺陷，由于VCWP协议在节点碰撞时根据通信范围内的车辆邻节点密度来选取退避时间，这相较于基于二进制指数退避的IEEE 802.11p协议而言，能较早达到等待的时间，降低了重传概率，延时性能较好。

图4 平均端到端时延Fig.4 Average end-to-end delay

VCWP、IEEE 802.11p和GPSR这3种协议的报文送达率随车辆节点数变化的情况如图5所示。从图中可以看出，3种协议的报文送达率随车辆节点数量的增加而降低。这是因为随着节点数量的增加，预警信息碰撞的可能性加大，使节点在信道竞争过程中具有较高的繁忙概率，从而降低了报文送达率。本文中提出的VCWP协议在相同的数据包数量条件下，报文送达率最大，而且随车辆节点数量减小的曲率小于其他两种协议。这是因为VCWP选取了候选转发车，并根据车辆邻节点密度的来选取退避时间，降低了包碰撞的概率，增大了报文送达率。

如图6所示，由于IEEE 802.11p协议随机选择转发节点，在目的节点收到预警信息的过程中，需进行数据包的多次传送，性能较差。相较于IEEE 802.11p，GPSR与VCWP协议减少了中继跳数，发包数量明显降低。当节点数量超过70时，VCWP的发包数量低于GPSR，这是因为当节点密度变大时，VCWP采用了候选转发机制和基于车辆邻节点密度选取退避时间的算法，保证了数据包的成功送达，减少了碰撞重传的次数，获得了较低的发包数量。

图5 报文送达率Fig.5 Message delivery rate

图6 发包数量Fig.6 Number of packets sent

4 结论

针对车辆预警信息在复杂信道环境下多跳广播传输效率低及信道竞争加剧的问题，本文提出了一种基于位置信息的多车碰撞协同预警协议。这种协议考虑了通信信道质量不稳定的情况下紧急预警信息的传播问题，根据通信范围选取首选和候选转发车，并使用基于邻节点密度的退避算法，根据转发节点在通信范围内的车辆邻节点密度来选取退避时间，从而较大程度地保障消息的成功送达。MATLAB仿真实验表明，相对GPSR和IEEE 802.11p协议，VCWP在平均端到端延时、报文送达率和发包数量上取得了较好的性能，有效降低了多跳广播延时和发包数量，提高了报文送达率。