鄧向林
?。ê辖煌殬I技術學院，湖南 長沙410132）
摘要：道路交通的高速發展在創造巨大社會財富的同時，也令人類社會承受著交通事故帶來的慘痛代價，為減少交通事故的危害，人們對智慧交通系統的研究日益重視。針對車流量多變化的城區道路交通環境，基于車輛自組織網絡設計了一套信息廣播機制，能將道路交通的緊急信息快速有效發布到危險區域內各車輛進行預警，以便駕駛人員能提前回避。仿真結果顯示，該機制可靠度達到預期，并能有效地降低通信網絡的負載。
關鍵詞：智慧交通；車輛自組織網絡；自適應廣播機制
中圖分類號：U463.6；TP29文獻標識碼ADOI10.19358/j.issn.1674 7720.2016.20.014
引用格式：鄧向林. 車輛自組織網絡中緊急信息的自適應廣播機制研究［J］.微型機與應用，2016,35（20）：51 53.
0引言
城市交通運輸系統的安全性與舒適性目前還不夠健全。隨著智慧交通系統的研究進展，車輛自組織網絡(Vehicular Adhoc Networks, VANET)因其以車輛為節點形成的專用隨機網絡特點得到了廣泛的應用。
在VANET中發布緊急信息必須要做到實時傳達才有意義,以往的廣播機制在緊急信息傳送的穩定度與實時性之間難以平衡。本文提出了一個應用在車載網絡中的緊急信息自適性廣播調控機制，通過將信息發布的廣播頻率進行實時優化調控，保證所有需要接收到緊急信息車輛均能即時收到，以避開擁塞路段或危險區域。
1研究背景
隨著國內經濟建設步伐的不斷加快，國內機動車增長迅猛，據統計，截止到2013年國內機動車已達到1.37億輛。機動車的激增也給道路交通安全帶來了新的挑戰，2013年世界衛生組織的報告表明，全球每年約有124萬人死于交通事故，其中，歐盟、日本、美國分別為2.8萬人、0.44萬人、3.4萬人，相比之下，國內的死亡人數為6萬人，交通安全形勢不容樂觀［1-2］。
當今各國都已將預防和減少道路交通事故作為一項重要的工作目標，但是道路交通是一個復雜的整體系統，傳統的管理與預防手段效果有限。隨著科學技術的進步，已有不少國家開始研究智能交通系統，用信息化技術為人們提供一個更為安全的交通運輸環境。VANET是其中的重要技術之一。
在VANET中的緊急信息主要通過廣播方式，雖然這種方式有能將信息快速傳遞周圍區域所有車輛的優點，但是也存在無法確認回復、可能產生隱藏節點、缺少重傳機制以及可能產生廣播風暴等問題，使信息發送的可靠度降低；在城區的交通環境中，還存在其他諸如信號干擾、封包碰撞的影響［3-4］。因此，如何提高緊急信息的傳播性能成為需要研究的課題。
2自適應廣播機制設計
2.1國內外研究現狀
雖然廣播方式存在種種缺點，但在緊急信息的傳達上仍不失為一種高效的方式，因此，學術界針對廣播方式進行了研究，主要集中在設計信息重傳機制與抗信息干擾兩個方向。在重傳機制方面，主要有依據某個經驗幾率值、依據所收到的重復信息數量、依據與發送者的距離以及依據收集相鄰車輛的信息來進行評估是否重傳［5-7］，這些機制均由少數的傳送者來減少不必要的信息傳送，雖然可以降低產生廣播風暴的幾率，但無法提高信息傳遞的可靠度；在抗信息干擾方面，主要有通信前先進行要求傳送（Request to Send,RTS）/允許傳送（Clear to Send，CTS）交換來預留帶寬、利用不同頻道分別傳送控制信息與數據以及設計回復機制的方法［8-9］，雖然保證了信息可達，但也相對地提高了傳送的延遲時間與網絡通道占用，對緊急信息的傳遞及時性存在影響。
如果需要提高傳輸的可靠性，最常見且有效的做法就是調整信息發送頻率。但是頻率過快明顯會增加網絡負載，導致傳播性能大幅下降，而過慢則無法滿足緊急信息的實時性要求，因此，需要一種動態的調整機制來適應不同車流量情況，滿足所有需要接收緊急信息的車輛能實時收到，又不會造成網絡負載過重的需求。
2.2建模及求解
首先需對緊急信息的發送范圍予以定義，只針對那些可能會接觸到危險的區域中的車輛。研究文獻表明，在市區道路中，交叉路口是最容易發生交通事故的地方，而緊急信息的廣播合理范圍是一公里之內［10］。據此將危險區域定義為危險街道向外延伸兩個路口的范圍，在此區域內的車輛應實時收到緊急信息，提前進行避讓。
對于危險區域內的街道（不包括危險點所在街道）車輛分布情況，按以下方式計算緊急信息發送成功率。假設將街道按寬度為5 m(約一個車身長)、長度為原路寬的區塊劃分，共分成m個區塊；令n為街道中所有的車輛總數，l代表車道數，即一個區塊可以容納的車輛數,d表示傳輸半徑內可以覆蓋的區塊個數，則如果街道某處有連續大于等于d個區塊之中沒有任何車輛，那么緊急信息將無法傳遞下去造成發送失敗。對于“有連續大于等于d個區塊為空的車輛分布可能數”記為Ndis,對“車輛落于各個區塊的分布可能數”記為Ntotal,則信息發送的失敗率為兩者之比。
考慮m個區塊中恰有k個區塊中有車，則必然有
≤k≤n。將一個有車的區塊與連續的d個空區塊視為一組區塊,那么至少有一個連續大于或等于d個空區塊的車輛分布的可能數可由公式(1)計算得出：
同樣，對于至少有兩個連續大于或等于d個空區塊的車輛分布的可能數由公式(2)計算得出：
利用排容原理，將只有一組區塊的組合情形減去兩組區塊相連的組合情形，再加回三組區塊相連的組合情形，以此類推，直到無法有更多的區塊相連為止，最后由下式求出Ndis：
類似地，可以由下式求解Ntotal：
如需提高危險區域中車輛對緊急信息的接收成功率，可以使用重傳機制。假設該街道長為L，車輛平均車速為v,車輛由危險區域外圍路口進入后，在T秒后將抵達與危險街道相鄰的路口，則有T=L/v。因此，至少要讓車輛在這段時間內能收到一次緊急信息才能保證發送的效果。假設緊急事件的源頭車輛重復傳送r次，則不難得知最佳傳送間隔I=T/r?；谝陨夏Ｐ图扒蠼?，設計自適應的緊急信息廣播機制如下。
?。?）事故發源車輛會以1 Hz的頻率廣播緊急信息5次，并在發送廣播消息后，等待100 ms來統計所聽取到的重復傳送次數，所有車輛對于第一次收到的緊急信息重傳給周圍車輛，否則予以丟棄，因此該次數可視為與其相鄰的車輛數。取5次的平均值記為實際的相鄰車輛數B。
?。?）事故發源車輛以B值推算危險區域的車輛數n,n=
然后將n值分別帶入公式(1)~(3),求得預計緊急信息發送的失敗率。
（3）依據所求得失敗率，不難計算出若需達到預期傳送可靠度的最少重復傳送次數r，然后根據已知的L、v參數，可計算出最佳的傳送間隔時間I。
（4）事故發源車輛以I的傳送間隔，傳送緊急信息r次之后，再將過去所有統計過的周遭相鄰車輛數取平均值，作為更新后的實際相鄰車輛數B。
（5）重復步驟（2）~步驟（4）。
3模擬實驗及結論
仿真平臺采用的是NS-2網絡仿真器，以802.11p為網絡傳輸協議。模擬一個雙十字路口的市區環境，事故發源車輛位于正中央位置，街道長度均為600 m，道路為雙車道，車流密度取每100 m內3.5~5.5車，車速平均為35~55 km/h，車輛傳輸距離為75 m。設置模擬的時間為3 000 s，傳送成功率不低于85%。實驗結果表明，采取自適性廣播調控機制，相比于1 Hz頻率定期發送緊急信息的方式，網路負載可降低5/6，且成功率不低于預期目標。
該廣播機制通過事故發源車輛對重傳信息的主動偵聽，從而推測出危險區域中街道的車輛數，結合已知的街道長度、車道數和傳輸距離參數，即可以計算出該區域中車輛接收到緊急信息的成功率，進而更新最適宜的緊急信息傳送頻率，實現動態調控的目的。仿真結果顯示，該機制能有效保證緊急信息的傳送可靠度，且對該區域的網絡傳輸性能不會有過多的消耗。
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