《電子技術(shù)應(yīng)用》
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車聯(lián)網(wǎng)VANETs中一種分發(fā)緊急消息的廣播方案
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第7期
張韌志,韓 棟
黃淮學(xué)院 信息工程學(xué)院,河南 駐馬店463000
摘要: 車載網(wǎng)VANETs中的車間通信V2V能夠?qū)崿F(xiàn)車間緊急消息的傳遞。然而,傳統(tǒng)的廣播算法采用RTB和CTB握手機(jī)制,同時(shí)在傳遞消息后,還需確認(rèn)ACK環(huán)節(jié),降低了緊急消息傳遞速度、增加了傳輸時(shí)延。為此,提出了一種廣播緊急消息的新型算法。該算法利用數(shù)據(jù)包的信噪比SNR和節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)信息計(jì)算最大競(jìng)爭(zhēng)窗口,再在最大競(jìng)爭(zhēng)窗口內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)隙用于轉(zhuǎn)發(fā)緊急消息,避免了RTB/CTB握手機(jī)制。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)收到重播的緊急消息,表明緊急消息已成功傳到下一節(jié)點(diǎn),將其作為抑制源節(jié)點(diǎn)再廣播緊急消息指標(biāo),避免了ACK確認(rèn)環(huán)節(jié),從而提高了緊急消息的傳播效率和速度,降低了傳輸時(shí)延。
關(guān)鍵詞: 車載網(wǎng) 廣播 RTB CTB ACK
中圖分類號(hào): TN915.5
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2015.07.028
中文引用格式: 張韌志,韓棟. 車聯(lián)網(wǎng)VANETs中一種分發(fā)緊急消息的廣播方案[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2015,41(7):100-102,106.
英文引用格式: Zhang Renzhi,Han Dong. A new broadcasting emergency message algorithm in VANETs[J].Application of Electronic Technique,2015,41(7):100-102,106.
A new broadcasting emergency message algorithm in VANETs
Zhang Renzhi,Han Dong
Huanghuai University,Zhumadian 463000,China
Abstract: In Vehicle Ad hoc Networks,Vehicle-to-Vehicle communication is able to transmit emergency message. However, traditional broadcasting algorithm introduces the Request to Broadcast and clear to Broadcast handshake mechanism. Meantime, after broadcasting message, it need acknowledge process, which reduces the transmission speed of emergency message, increase the transmission delay. Therefore, a new broadcasting emergency message algorithm is proposed. It uses Signal-to-Noise Ratio and location information to compute the contention window sizes, and randomly choose a time slot from the contention window sizes to transmit the emergency message. It avoids the RTB/CTB handshake mechanism. When the source node received the rebroadcasted emergency message, it means that emergency message has been successfully transmit, which inhibition of source node to broadcast an urgent message indicators, and avoid the ACK, so as to improve the transmission efficiency and speed, reduce the transmission delay.
Key words : VANETs;broadcast;Request to Broadcast;Clear to Broadcast;acknowledge;emergency message;contention window

   

0 引言

    隨著專用短程通信DSRC(Dedicated Short-Range Communications)標(biāo)準(zhǔn)的成熟,車載自組織網(wǎng)絡(luò)VANETs(Vehicle Ad hoc Networks)成為研究的焦點(diǎn)。VANETs網(wǎng)絡(luò)通過車間通信V2V(Vehicle-to-Vehicle)實(shí)現(xiàn)消息的傳遞。車輛間傳遞的消息分為兩類:緊急消息(Emergency Message)和非緊急消息。當(dāng)前方車輛發(fā)現(xiàn)交通事故、路面有障礙物等緊急情況,需向周圍車輛發(fā)布這一情況,即緊急消息,提醒周圍車輛采取必要的措施[1-3]。

    由于緊急消息對(duì)時(shí)間相當(dāng)敏感,必須快速、可靠地傳輸,否則就失去意義。目前,常采用廣播機(jī)制傳遞緊急消息,如城市多跳廣播[3],是一個(gè)有效傳遞緊急消息的方案。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況,源節(jié)點(diǎn)(第一個(gè)發(fā)現(xiàn)該緊急情況的車輛)向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播消息,接收節(jié)點(diǎn)再重播,直到所有相關(guān)的節(jié)點(diǎn)均收到此消息。然而,這種簡單的廣播策略,會(huì)引發(fā)信道擁擠,導(dǎo)致廣播風(fēng)暴。

    為此,研究者提出基于地理信息的廣播算法[4-9]。G.Korkmaz[4]提出基于城市多跳廣播協(xié)議UMB(Urban Multi-Hop Broadcast Protocol)。利用GPS信息和請(qǐng)求廣播RTB(Request to Broadcast)數(shù)據(jù)包機(jī)制,將傳輸范圍分幾段,每段的節(jié)點(diǎn)知道自己所在的段區(qū)域,位于最遠(yuǎn)段的節(jié)點(diǎn)具有成為轉(zhuǎn)發(fā)清除廣播CTB(Clear to Broadcast)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先權(quán)。然而,當(dāng)最遠(yuǎn)段內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)不止一個(gè)時(shí),就出現(xiàn)碰撞。為了避免碰撞,發(fā)送者需通過近的段再將廣播RTB數(shù)據(jù)包。接收節(jié)點(diǎn)利用RTB內(nèi)的信息,產(chǎn)生一個(gè)干擾信號(hào)Jamming Signal去占用信道。當(dāng)信道內(nèi)無其他節(jié)點(diǎn)的Jamming Signal就發(fā)送CTB數(shù)據(jù)包。此過程一直進(jìn)行,直到成功選舉轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。可見,UWB協(xié)議中的碰撞避免機(jī)制是一個(gè)重復(fù)迭代過程,效率低,并且VANETs的動(dòng)態(tài)拓?fù)渲率雇掏铝肯陆?。為了改進(jìn)UWB協(xié)議,文獻(xiàn)[7]采用智能廣播SB(Smart Broadcast)以消除復(fù)雜的碰撞避免機(jī)制,極大地提高了時(shí)延性能。然而,智能廣播仍采用了RTB/CTB交互和ACK機(jī)制,未能避免因RTB/CTB交互和ACK (Acknowledgements)所引用的開銷。除了基于地理位置信息的廣播算法外,利用節(jié)點(diǎn)的信噪比SNR(Signal to Noise Ratio)去選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)[10-13]也是可行方案之一。

    為此,本文提出一種廣播緊急消息的新型算法。該算法以縮短緊急消息傳播時(shí)延、提高傳輸速度為目的,利用信噪比SNR和節(jié)點(diǎn)的位置信息計(jì)算最大競(jìng)爭(zhēng)窗口,并從中選擇轉(zhuǎn)發(fā)緊急消息時(shí)隙,摒棄了RTB/CTB握手機(jī)制,降低了ACK的使用頻率。

1 基于SNR/GPS的伴隨ACK decoupling的廣播

    提出的廣播算法避免了廣播前的握手過程。源發(fā)送節(jié)點(diǎn)Sender(緊急消息的初始傳播者,假定是節(jié)點(diǎn)j)利用標(biāo)準(zhǔn)的802.11 CSMA/CA技術(shù)接入媒介,并廣播緊急消息Mes。發(fā)送節(jié)點(diǎn)j的鄰居節(jié)點(diǎn)Nj計(jì)算相應(yīng)的SNR值,以及歐式距離D。接收節(jié)點(diǎn)(假定為節(jié)點(diǎn)i,i∈Nj)利用這些值計(jì)算最大競(jìng)爭(zhēng)窗口尺寸CWmax

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其中Dmax為節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)淖畲蠓秶?,Dij為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j間的歐式距離。CWbase為競(jìng)爭(zhēng)窗口值,可通過CWbase優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)密度。SNRi為節(jié)點(diǎn)i的SNR值,單位為dB。SNRthresh表示為了保證可靠傳輸而設(shè)置的最小SNR門限值。k為常數(shù),以確保式(1)為正整數(shù)(Positive Integers)[14-15]。

    每個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算CWmax,并在[0,CWmax]區(qū)間內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)隙,再等待該時(shí)隙到來,并準(zhǔn)備重播緊急消息Mes。時(shí)隙最先到來的節(jié)點(diǎn)將成來轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),并重播該緊急消息Mes。一旦接收到已重播的緊急消息RE_Mes,其他節(jié)點(diǎn)就終止重播緊急消息的活動(dòng)。

    注意到,離節(jié)點(diǎn)j越遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)具有更低的CWmax,相應(yīng)地,從統(tǒng)計(jì)上看,節(jié)點(diǎn)具有短的等待時(shí)間,因此,這些節(jié)點(diǎn)被選為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的概率更大。此外,來自轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)Forwarder的Re_Mes作為回復(fù)節(jié)點(diǎn)j的確認(rèn)消息ACK。

    本文提出的廣播算法的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):摒棄RTB/CTB環(huán)節(jié)縮短信道接入時(shí)延、消除ACK環(huán)節(jié)提高消息傳播效率。緊急消息能夠在各時(shí)域內(nèi)隨機(jī)分布,發(fā)生碰撞的概率較小。一旦發(fā)生了碰撞,可再從CWmax中隨機(jī)選擇時(shí)隙,直到不發(fā)生碰撞。

    算法流程如圖1所示。從圖1可知,提出的廣播算法降低了對(duì)ACK依賴。若Sender能夠收到Forwarder重播的消息Re_Mes,便可將其作為ACK消息,降低了ACK的使用,稱為ACK decoupling;反之,就需要節(jié)點(diǎn)向Sender發(fā)送ACK,稱為ACK recovery。接下來,從ACK decoupling、ACK recovery方面分析提出的廣播性能,并與SB進(jìn)行比較。

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    在提出的算法中,通過結(jié)合SNR和GPS坐標(biāo),降低ACK依賴性。收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)依據(jù)式(1)計(jì)算CWmax,并從中隨機(jī)地選擇時(shí)隙。當(dāng)時(shí)隙到來時(shí),候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)試著重播消息。若在傳遞重播消息時(shí)發(fā)生碰撞,提出的方案與SB的處理方式不同,并且選取轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)所用的方案也不一樣,目的在于降低ACK dependency。在SB中,節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇時(shí)隙,并競(jìng)爭(zhēng)成為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)Forwarder,然后,F(xiàn)orwarder向發(fā)送節(jié)點(diǎn)回復(fù)ACK。如果不能成功傳遞ACK,就重復(fù)該過程。與SB不同,提出的方案使用SNR和GPS信息,致使發(fā)送者一直實(shí)時(shí)地監(jiān)聽來自轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的廣播消息,消除了ACK過程。   

2 系統(tǒng)仿真及數(shù)據(jù)分析

2.1 仿真參數(shù)

    采用N3-3仿真軟件進(jìn)行仿真,并考慮瑞利衰落模型。考慮4車道(雙向)道路,長為4 km。節(jié)點(diǎn)通信范圍為300 m、時(shí)隙Time Slot為20 μs、SIFS為10 μs,每次實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間為100 s,具體的仿真參數(shù)如表1所示。

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2.2 仿真數(shù)值分析

    (1)對(duì)提出的算法的平均每跳時(shí)延的影響

    圖2描繪了在不同的CWbase環(huán)境下,提出的算法每跳平均時(shí)延隨節(jié)點(diǎn)密度的變化曲線。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)密度越低,位于300 m通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目越小,相應(yīng)地,發(fā)送者Sender可能需等待最長時(shí)限(大于CWbase)后,才能重播緊急消息。然而,當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度大于40 nodes/km,時(shí)延略有增加。這主要是因?yàn)?,?dāng)節(jié)點(diǎn)密度增加一定程度,更多的節(jié)點(diǎn)參與了競(jìng)爭(zhēng)重播消息,提高了碰撞概率,增加了時(shí)延。

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圖2  提出算法的平均每跳時(shí)延隨節(jié)點(diǎn)密度的變化情況

    此外,低的CWbase(如CWbase=2)具有更低的平均時(shí)延。原因很簡單,低的CWbase導(dǎo)致CWmax更低,這就意味著轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)Forwarders只需等待較短的時(shí)間,便可重播消息。

    下面將提出的算法與SB算法從每跳的平均時(shí)延、吞吐量方面進(jìn)行對(duì)比分析。

    (2)節(jié)點(diǎn)密度對(duì)每跳平均時(shí)延的影響

    由圖3可知,與SB相比,提出的算法的平均每跳時(shí)延降低了約tx7-t2-x1.gifSB算法在整個(gè)節(jié)點(diǎn)密度區(qū)間,平均時(shí)延約1.75 ms,而提出的算法的平均每跳時(shí)延約為0.6 ms。兩個(gè)主要的原因:首先,SB算法嚴(yán)重依賴于RTB/CTB握手機(jī)制,需等待較長干擾信號(hào)(Jamming Signal)才重播消息,而提出的算法在重播消息前,沒有RTB/CTB環(huán)節(jié)。其次,SB算法利用ACK解決碰撞問題,而提出的算法是采用SNR和坐標(biāo)信息去處理,摒棄了ACK環(huán)節(jié)。

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    (3)數(shù)據(jù)包大小對(duì)吞吐量的影響

    圖4描繪了吞吐量隨數(shù)據(jù)包大小的變化曲線。從圖4可知,提出的算法的吞吐量是SB算法的兩倍。在SB協(xié)議中,大量的網(wǎng)絡(luò)資源被消耗于RTB/CTB/ACK數(shù)據(jù)包的交互環(huán)節(jié),而提出的算法避開了這些環(huán)節(jié),從而大幅度地提高了吞吐量。

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    由圖4可知,隨著數(shù)據(jù)包尺寸的增加,吞吐量呈增加趨勢(shì)。這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)果反映一個(gè)事實(shí):競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)在重播前所耗的時(shí)間與數(shù)據(jù)包大小沒有關(guān)系,而對(duì)于大的數(shù)據(jù)包而言,每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大,進(jìn)而提升了吞吐量。

3 總結(jié)

    在VANET環(huán)境下,針對(duì)緊急消息的傳播問題展開分析,提出一個(gè)新型的廣播算法。源節(jié)點(diǎn)廣播緊急消息Mes,接收節(jié)點(diǎn)利用信噪比SNR和GPS坐標(biāo)信息計(jì)算最大競(jìng)爭(zhēng)窗口CWmax,并從[0,CWmax]區(qū)間內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)隙用于轉(zhuǎn)發(fā)消息Mes。當(dāng)時(shí)隙到來并沒有收到其他節(jié)點(diǎn)廣播的消息Re_Mes,則成為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),并重播緊急消息。若源節(jié)點(diǎn)收到消息Re_Mes,表明緊急消息已成功傳遞到下一個(gè)節(jié)點(diǎn),源節(jié)點(diǎn)無需再廣播。通過這種方式摒棄了RTB/CTB握手機(jī)制,也免去ACK的過程,提高消息的傳輸速度,降低了時(shí)延。若出現(xiàn)傳輸碰撞,節(jié)點(diǎn)再從[0,CWmax]隨機(jī)選擇時(shí)隙,重復(fù)上述過程。由于CWmax反映了節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)信息,發(fā)生碰撞的概率極小。仿真結(jié)果表明,與SB相比,提出的算法的平均時(shí)延降低了約tx7-t2-x2.gif,吞吐量提高了兩倍。

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