鄧向林

　?。ê辖煌殬I(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410132）

       摘要：道路交通的高速發(fā)展在創(chuàng)造巨大社會(huì)財(cái)富的同時(shí)，也令人類社會(huì)承受著交通事故帶來的慘痛代價(jià)，為減少交通事故的危害，人們對(duì)智慧交通系統(tǒng)的研究日益重視。針對(duì)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(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一套信息廣播機(jī)制，能將道路交通的緊急信息快速有效發(fā)布到危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)各車輛進(jìn)行預(yù)警，以便駕駛?cè)藛T能提前回避。仿真結(jié)果顯示，該機(jī)制可靠度達(dá)到預(yù)期，并能有效地降低通信網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。

　　關(guān)鍵詞：智慧交通；車輛自組織網(wǎng)絡(luò)；自適應(yīng)廣播機(jī)制

　　中圖分類號(hào)：U463.6；TP29文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼ADOI10.19358/j.issn.1674 7720.2016.20.014

　　引用格式：鄧向林. 車輛自組織網(wǎng)絡(luò)中緊急信息的自適應(yīng)廣播機(jī)制研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35（20）：51 53.

0引言

　　城市交通運(yùn)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(jìn)展，車輛自組織網(wǎng)絡(luò)(Vehicular Adhoc Networks, VANET)因其以車輛為節(jié)點(diǎn)形成的專用隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。

　　在VANET中發(fā)布緊急信息必須要做到實(shí)時(shí)傳達(dá)才有意義,以往的廣播機(jī)制在緊急信息傳送的穩(wěn)定度與實(shí)時(shí)性之間難以平衡。本文提出了一個(gè)應(yīng)用在車載網(wǎng)絡(luò)中的緊急信息自適性廣播調(diào)控機(jī)制，通過將信息發(fā)布的廣播頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)控，保證所有需要接收到緊急信息車輛均能即時(shí)收到，以避開擁塞路段或危險(xiǎn)區(qū)域。

1研究背景

　　隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐的不斷加快，國內(nèi)機(jī)動(dòng)車增長(zhǎng)迅猛，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2013年國內(nèi)機(jī)動(dòng)車已達(dá)到1.37億輛。機(jī)動(dòng)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(bào)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(nèi)的死亡人數(shù)為6萬人，交通安全形勢(shì)不容樂觀［1-2］。

　　當(dāng)今各國都已將預(yù)防和減少道路交通事故作為一項(xiàng)重要的工作目標(biāo)，但是道路交通是一個(gè)復(fù)雜的整體系統(tǒng)，傳統(tǒng)的管理與預(yù)防手段效果有限。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，已有不少國家開始研究智能交通系統(tǒng)，用信息化技術(shù)為人們提供一個(gè)更為安全的交通運(yùn)輸環(huán)境。VANET是其中的重要技術(shù)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(diǎn)，但是也存在無法確認(rèn)回復(fù)、可能產(chǎn)生隱藏節(jié)點(diǎn)、缺少重傳機(jī)制以及可能產(chǎn)生廣播風(fēng)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(hào)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(yīng)廣播機(jī)制設(shè)計(jì)

　　2.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　雖然廣播方式存在種種缺點(diǎn)，但在緊急信息的傳達(dá)上仍不失為一種高效的方式，因此，學(xué)術(shù)界針對(duì)廣播方式進(jìn)行了研究，主要集中在設(shè)計(jì)信息重傳機(jī)制與抗信息干擾兩個(gè)方向。在重傳機(jī)制方面，主要有依據(jù)某個(gè)經(jīng)驗(yàn)幾率值、依據(jù)所收到的重復(fù)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(jìn)行評(píng)估是否重傳［5-7］，這些機(jī)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(chǎn)生廣播風(fēng)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(jìn)行要求傳送（Request to Send,RTS）/允許傳送（Clear to Send，CTS）交換來預(yù)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(shè)計(jì)回復(fù)機(jī)制的方法［8-9］，雖然保證了信息可達(dá)，但也相對(duì)地提高了傳送的延遲時(shí)間與網(wǎng)絡(luò)通道占用，對(duì)緊急信息的傳遞及時(shí)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(diào)整信息發(fā)送頻率。但是頻率過快明顯會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，導(dǎo)致傳播性能大幅下降，而過慢則無法滿足緊急信息的實(shí)時(shí)性要求，因此，需要一種動(dòng)態(tài)的調(diào)整機(jī)制來適應(yīng)不同車流量情況，滿足所有需要接收緊急信息的車輛能實(shí)時(shí)收到，又不會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過重的需求。

　　2.2建模及求解

　　首先需對(duì)緊急信息的發(fā)送范圍予以定義，只針對(duì)那些可能會(huì)接觸到危險(xiǎn)的區(qū)域中的車輛。研究文獻(xiàn)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(nèi)［10］。據(jù)此將危險(xiǎn)區(qū)域定義為危險(xiǎn)街道向外延伸兩個(gè)路口的范圍，在此區(qū)域內(nèi)的車輛應(yīng)實(shí)時(shí)收到緊急信息，提前進(jìn)行避讓。

　　對(duì)于危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的街道（不包括危險(xiǎn)點(diǎn)所在街道）車輛分布情況，按以下方式計(jì)算緊急信息發(fā)送成功率。假設(shè)將街道按寬度為5 m(約一個(gè)車身長(zhǎng))、長(zhǎng)度為原路寬的區(qū)塊劃分，共分成m個(gè)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(gè)區(qū)塊可以容納的車輛數(shù),d表示傳輸半徑內(nèi)可以覆蓋的區(qū)塊個(gè)數(shù)，則如果街道某處有連續(xù)大于等于d個(gè)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(duì)于“有連續(xù)大于等于d個(gè)區(qū)塊為空的車輛分布可能數(shù)”記為Ndis,對(duì)“車輛落于各個(gè)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(gè)區(qū)塊中恰有k個(gè)區(qū)塊中有車，則必然有≤k≤n。將一個(gè)有車的區(qū)塊與連續(xù)的d個(gè)空區(qū)塊視為一組區(qū)塊,那么至少有一個(gè)連續(xù)大于或等于d個(gè)空區(qū)塊的車輛分布的可能數(shù)可由公式(1)計(jì)算得出：

　　同樣，對(duì)于至少有兩個(gè)連續(xù)大于或等于d個(gè)空區(qū)塊的車輛分布的可能數(shù)由公式(2)計(jì)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(xiǎn)區(qū)域中車輛對(duì)緊急信息的接收成功率，可以使用重傳機(jī)制。假設(shè)該街道長(zhǎng)為L(zhǎng)，車輛平均車速為v,車輛由危險(xiǎn)區(qū)域外圍路口進(jìn)入后，在T秒后將抵達(dá)與危險(xiǎn)街道相鄰的路口，則有T=L/v。因此，至少要讓車輛在這段時(shí)間內(nèi)能收到一次緊急信息才能保證發(fā)送的效果。假設(shè)緊急事件的源頭車輛重復(fù)傳送r次，則不難得知最佳傳送間隔I=T/r?；谝陨夏Ｐ图扒蠼猓O(shè)計(jì)自適應(yīng)的緊急信息廣播機(jī)制如下。

　?。?）事故發(fā)源車輛會(huì)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(jì)所聽取到的重復(fù)傳送次數(shù)，所有車輛對(duì)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(shí)際的相鄰車輛數(shù)B。

　?。?）事故發(fā)源車輛以B值推算危險(xiǎn)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(yù)計(jì)緊急信息發(fā)送的失敗率。

　?。?）依據(jù)所求得失敗率，不難計(jì)算出若需達(dá)到預(yù)期傳送可靠度的最少重復(fù)傳送次數(shù)r，然后根據(jù)已知的L、v參數(shù)，可計(jì)算出最佳的傳送間隔時(shí)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(jì)過的周遭相鄰車輛數(shù)取平均值，作為更新后的實(shí)際相鄰車輛數(shù)B。

　?。?）重復(fù)步驟（2）~步驟（4）。

3模擬實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

　　仿真平臺(tái)采用的是NS-2網(wǎng)絡(luò)仿真器，以802.11p為網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。模擬一個(gè)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(zhǎng)度均為600 m，道路為雙車道，車流密度取每100 m內(nèi)3.5~5.5車，車速平均為35~55 km/h，車輛傳輸距離為75 m。設(shè)置模擬的時(shí)間為3 000 s，傳送成功率不低于85%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采取自適性廣播調(diào)控機(jī)制，相比于1 Hz頻率定期發(fā)送緊急信息的方式，網(wǎng)路負(fù)載可降低5/6，且成功率不低于預(yù)期目標(biāo)。

　　該廣播機(jī)制通過事故發(fā)源車輛對(duì)重傳信息的主動(dòng)偵聽，從而推測(cè)出危險(xiǎn)區(qū)域中街道的車輛數(shù)，結(jié)合已知的街道長(zhǎng)度、車道數(shù)和傳輸距離參數(shù)，即可以計(jì)算出該區(qū)域中車輛接收到緊急信息的成功率，進(jìn)而更新最適宜的緊急信息傳送頻率，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)控的目的。仿真結(jié)果顯示，該機(jī)制能有效保證緊急信息的傳送可靠度，且對(duì)該區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能不會(huì)有過多的消耗。

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