鄧向林

　?。ê辖煌殬I(yè)技術學院，湖南 長沙410132）

       摘要：道路交通的高速發(fā)展在創(chuàng)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(tǒng)的研究日益重視。針對車流量多變化的城區(qū)道路交通環(huán)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(fā)布到危險區(qū)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(tǒng)的安全性與舒適性目前還不夠健全。隨著智慧交通系統(tǒng)的研究進展，車輛自組織網絡(Vehicular Adhoc Networks, VANET)因其以車輛為節(jié)點形成的專用隨機網絡特點得到了廣泛的應用。

　　在VANET中發(fā)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(wěn)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(fā)布的廣播頻率進行實時優(yōu)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(qū)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(jù)統(tǒng)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(zhàn)，2013年世界衛(wèi)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(shù)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(tǒng)，傳統(tǒng)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(tǒng)，用信息化技術為人們提供一個更為安全的交通運輸環(huán)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(qū)域所有車輛的優(yōu)點，但是也存在無法確認回復、可能產生隱藏節(jié)點、缺少重傳機制以及可能產生廣播風暴等問題，使信息發(fā)送的可靠度降低；在城區(qū)的交通環(huán)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(xiàn)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(jù)某個經驗幾率值、依據(jù)所收到的重復信息數(shù)量、依據(jù)與發(fā)送者的距離以及依據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)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?shù)目煽啃?，最常見且有效的做法就是調整信息發(fā)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(tài)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(fā)送范圍予以定義，只針對那些可能會接觸到危險的區(qū)域中的車輛。研究文獻表明，在市區(qū)道路中，交叉路口是最容易發(fā)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(jù)此將危險區(qū)域定義為危險街道向外延伸兩個路口的范圍，在此區(qū)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(qū)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(fā)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(qū)塊劃分，共分成m個區(qū)塊；令n為街道中所有的車輛總數(shù)，l代表車道數(shù)，即一個區(qū)塊可以容納的車輛數(shù),d表示傳輸半徑內可以覆蓋的區(qū)塊個數(shù)，則如果街道某處有連續(xù)大于等于d個區(qū)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(fā)送失敗。對于“有連續(xù)大于等于d個區(qū)塊為空的車輛分布可能數(shù)”記為Ndis,對“車輛落于各個區(qū)塊的分布可能數(shù)”記為Ntotal,則信息發(fā)送的失敗率為兩者之比。

　　考慮m個區(qū)塊中恰有k個區(qū)塊中有車，則必然有≤k≤n。將一個有車的區(qū)塊與連續(xù)的d個空區(qū)塊視為一組區(qū)塊,那么至少有一個連續(xù)大于或等于d個空區(qū)塊的車輛分布的可能數(shù)可由公式(1)計算得出：

　　同樣，對于至少有兩個連續(xù)大于或等于d個空區(qū)塊的車輛分布的可能數(shù)由公式(2)計算得出：

　　利用排容原理，將只有一組區(qū)塊的組合情形減去兩組區(qū)塊相連的組合情形，再加回三組區(qū)塊相連的組合情形，以此類推，直到無法有更多的區(qū)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(qū)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(qū)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(fā)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(fā)源車輛會以1 Hz的頻率廣播緊急信息5次，并在發(fā)送廣播消息后，等待100 ms來統(tǒng)計所聽取到的重復傳送次數(shù)，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(shù)可視為與其相鄰的車輛數(shù)。取5次的平均值記為實際的相鄰車輛數(shù)B。

　?。?）事故發(fā)源車輛以B值推算危險區(qū)域的車輛數(shù)n,n=然后將n值分別帶入公式(1)~(3),求得預計緊急信息發(fā)送的失敗率。

　?。?）依據(jù)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(shù)r，然后根據(jù)已知的L、v參數(shù)，可計算出最佳的傳送間隔時間I。

　?。?）事故發(fā)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(tǒng)計過的周遭相鄰車輛數(shù)取平均值，作為更新后的實際相鄰車輛數(shù)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(xié)議。模擬一個雙十字路口的市區(qū)環(huán)境，事故發(fā)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(fā)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(fā)源車輛對重傳信息的主動偵聽，從而推測出危險區(qū)域中街道的車輛數(shù)，結合已知的街道長度、車道數(shù)和傳輸距離參數(shù)，即可以計算出該區(qū)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(xiàn)動態(tài)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(qū)域的網絡傳輸性能不會有過多的消耗。

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