0 引言

    隨著專用短程通信DSRC(Dedicated Short-Range Communications)標準的成熟，車載自組織網(wǎng)絡(luò)VANETs(Vehicle Ad hoc Networks)成為研究的焦點,。VANETs網(wǎng)絡(luò)通過車間通信V2V(Vehicle-to-Vehicle)實現(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],。

    由于緊急消息對時間相當敏感，必須快速,、可靠地傳輸,，否則就失去意義。目前,，常采用廣播機制傳遞緊急消息,，如城市多跳廣播^[3]，是一個有效傳遞緊急消息的方案,。當出現(xiàn)緊急情況,，源節(jié)點(第一個發(fā)現(xiàn)該緊急情況的車輛)向鄰居節(jié)點廣播消息，接收節(jié)點再重播,，直到所有相關(guān)的節(jié)點均收到此消息,。然而，這種簡單的廣播策略,，會引發(fā)信道擁擠,，導致廣播風暴。

    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信息和請求廣播RTB(Request to Broadcast)數(shù)據(jù)包機制,，將傳輸范圍分幾段,，每段的節(jié)點知道自己所在的段區(qū)域，位于最遠段的節(jié)點具有成為轉(zhuǎn)發(fā)清除廣播CTB(Clear to Broadcast)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先權(quán),。然而,，當最遠段內(nèi)的節(jié)點數(shù)不止一個時，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)點利用RTB內(nèi)的信息,，產(chǎn)生一個干擾信號Jamming Signal去占用信道,。當信道內(nèi)無其他節(jié)點的Jamming Signal就發(fā)送CTB數(shù)據(jù)包。此過程一直進行，直到成功選舉轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點,?？梢姡琔WB協(xié)議中的碰撞避免機制是一個重復迭代過程,，效率低，并且VANETs的動態(tài)拓撲致使吞吐量下降,。為了改進UWB協(xié)議,，文獻[7]采用智能廣播SB(Smart Broadcast)以消除復雜的碰撞避免機制，極大地提高了時延性能,。然而,，智能廣播仍采用了RTB/CTB交互和ACK機制，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)點的信噪比SNR(Signal to Noise Ratio)去選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點^[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延、提高傳輸速度為目的,，利用信噪比SNR和節(jié)點的位置信息計算最大競爭窗口,，并從中選擇轉(zhuǎn)發(fā)緊急消息時隙，摒棄了RTB/CTB握手機制,，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Sender(緊急消息的初始傳播者,，假定是節(jié)點j)利用標準的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j的鄰居節(jié)點N_j計算相應(yīng)的SNR值,，以及歐式距離D,。接收節(jié)點(假定為節(jié)點i，i∈N_j)利用這些值計算最大競爭窗口尺寸CW_max：

其中D_max為節(jié)點傳輸?shù)淖畲蠓秶?，D_ij為節(jié)點i與節(jié)點j間的歐式距離,。CW_base為競爭窗口值，可通過CW_base優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)密度,。SNR_i為節(jié)點i的SNR值,，單位為dB。SNR_thresh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]。

    每個節(jié)點計算CW_max，并在[0,，CW_max]區(qū)間內(nèi)隨機選擇一個時隙,，再等待該時隙到來，并準備重播緊急消息Mes,。時隙最先到來的節(jié)點將成來轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點,，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)點就終止重播緊急消息的活動,。

    注意到，離節(jié)點j越遠的節(jié)點具有更低的CW_max,，相應(yīng)地,，從統(tǒng)計上看，節(jié)點具有短的等待時間,，因此,，這些節(jié)點被選為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的概率更大。此外,，來自轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點Forwarder的Re_Mes作為回復節(jié)點j的確認消息ACK,。

    本文提出的廣播算法的兩個關(guān)鍵點：摒棄RTB/CTB環(huán)節(jié)縮短信道接入時延、消除ACK環(huán)節(jié)提高消息傳播效率,。緊急消息能夠在各時域內(nèi)隨機分布,，發(fā)生碰撞的概率較小。一旦發(fā)生了碰撞,，可再從CW_max中隨機選擇時隙,，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進行比較,。

    在提出的算法中,，通過結(jié)合SNR和GPS坐標，降低ACK依賴性,。收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點依據(jù)式(1)計算CW_max,，并從中隨機地選擇時隙。當時隙到來時,，候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點試著重播消息,。若在傳遞重播消息時發(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)點所用的方案也不一樣,，目的在于降低ACK dependency。在SB中,，節(jié)點隨機選擇時隙，并競爭成為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點Forwarder,，然后,，F(xiàn)orwarder向發(fā)送節(jié)點回復ACK。如果不能成功傳遞ACK,，就重復該過程,。與SB不同，提出的方案使用SNR和GPS信息,，致使發(fā)送者一直實時地監(jiān)聽來自轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的廣播消息,，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)點通信范圍為300 m、時隙Time Slot為20 μs,、SIFS為10 μs,，每次實驗運行時間為100 s，具體的仿真參數(shù)如表1所示,。

2.2 仿真數(shù)值分析

    (1)對提出的算法的平均每跳時延的影響

    圖2描繪了在不同的CW_base環(huán)境下,，提出的算法每跳平均時延隨節(jié)點密度的變化曲線。因為節(jié)點密度越低,，位于300 m通信范圍內(nèi)的節(jié)點數(shù)目越小,，相應(yīng)地，發(fā)送者Sender可能需等待最長時限(大于CW_base)后,，才能重播緊急消息,。然而,，當節(jié)點密度大于40 nodes/km，時延略有增加,。這主要是因為,，當節(jié)點密度增加一定程度，更多的節(jié)點參與了競爭重播消息,，提高了碰撞概率,，增加了時延。

圖2  提出算法的平均每跳時延隨節(jié)點密度的變化情況

    此外,，低的CW_base(如CW_base=2)具有更低的平均時延,。原因很簡單，低的CW_base導致CW_max更低,，這就意味著轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點Forwarders只需等待較短的時間,，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延,、吞吐量方面進行對比分析,。

    (2)節(jié)點密度對每跳平均時延的影響

    由圖3可知，與SB相比,，提出的算法的平均每跳時延降低了約SB算法在整個節(jié)點密度區(qū)間,，平均時延約1.75 ms，而提出的算法的平均每跳時延約為0.6 ms,。兩個主要的原因：首先,，SB算法嚴重依賴于RTB/CTB握手機制，需等待較長干擾信號(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和坐標信息去處理，摒棄了ACK環(huán)節(jié),。

    (3)數(shù)據(jù)包大小對吞吐量的影響

    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,。

    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,。這個數(shù)據(jù)結(jié)果反映一個事實：競爭節(jié)點在重播前所耗的時間與數(shù)據(jù)包大小沒有關(guān)系,，而對于大的數(shù)據(jù)包而言，每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大,，進而提升了吞吐量,。

3 總結(jié)

    在VANET環(huán)境下，針對緊急消息的傳播問題展開分析,，提出一個新型的廣播算法,。源節(jié)點廣播緊急消息Mes，接收節(jié)點利用信噪比SNR和GPS坐標信息計算最大競爭窗口CW_max,，并從[0,，CW_max]區(qū)間內(nèi)隨機選擇一個時隙用于轉(zhuǎn)發(fā)消息Mes。當時隙到來并沒有收到其他節(jié)點廣播的消息Re_Mes,，則成為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點,，并重播緊急消息。若源節(jié)點收到消息Re_Mes,，表明緊急消息已成功傳遞到下一個節(jié)點,，源節(jié)點無需再廣播。通過這種方式摒棄了RTB/CTB握手機制,，也免去ACK的過程，提高消息的傳輸速度,，降低了時延,。若出現(xiàn)傳輸碰撞，節(jié)點再從[0,，CW_max]隨機選擇時隙,，重復上述過程。由于CW_max反映了節(jié)點的實時信息,，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延降低了約,，吞吐量提高了兩倍。

參考文獻

[1] KENNEY J B.Dedicated short-range communications(DSRC) standards in the united states[C].Proceedings of the IEEE,，2011,，99(7)：1162-1182.

[2] RAZVAN C，HAMZA A,，HUANG F.Fast and reliable broad-casting in VANETs using SNR with ACK decoupling[C].IEEE ICC 2014-Ad-hoc and Sensor Networking Symposium,，2014：574-579.

[3] 常促宇，向勇,，史美林.車載自組網(wǎng)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].通信學報,，2007,，11(5)：116-127.

[4] KORKMAZ G，EKICI E,，OZGLINER F.Urban multi-hop broadcast protocol for inter-vehicle communication systems[C].Proceedings of the 1st ACM International Workshop on Vehicular Ad hoc Networks, VANET′04,，New York，USA,，2004：76-85.

[5] 夏梓峻,，劉春鳳，趙增華,，等.基于鏈路預測的VANET路由算法[J].計算機工程,，2012，38(4)：110-114.

[6] PANICHPAPIBOON S,，F(xiàn)ERRARI G,，TONGUZ O K.Connectivity of ad hoc wireless networks：An alternative to graph-theoretic approaches[J].Wirel.Netw.，2010,，16(3)：793-811.

[7] FASOLO E,，ZANELLA A，ZORZI M.An effective broadcast scheme for alert message propagation in vehicular Ad hoc Networks[C].Communications,，2006.ICC′06.IEEE International Conference on,，2006(9)：3960-3965.

[8] Bai Songnan，Huang Zequn,，Kwak Dongyong,，et al.Vehicular multi-hop broadcasting protocol for safety message dissemination in VANETs[J].Vehicular Technology Conference Fall(VTC 2009-Fall)，2009 IEEE 70th,，2009,，1(5)：20-23.

[9] Li Ming，Lou Wenjing,，Zeng Kai.Oppcast：opportunistic broadcast of warning messages in VANETs with unreliable links[C].Mobile Adhoc and Sensor Systems, 2009.MASS′09.IEEE 6th International Conference on,，2009：534-543.

[10] MI R P，DONGWON K S.A simple SNR based linear back-off to propagate multi-hop emergency messages on the distributed VANETs[C].Communications in Computer and Information Science,，2012：34-41.

[11] KESTING A,，TREIBER M，HELBING D.Connectivity statistics of storeand-forward intervehicle communication[J].IEEE Trans.Intell.Transp.Syst.,，2010,，11(1)：172-181.

[12] PASCOE M C，GOMEZ J,，RANGEL V,，et al.Route duration modeling for mobile ad-hoc networks[J].Wireless Netw.，2010,，16(3)：743-757.

[13] Jang Chulhee,，Lee Jae-Hong.Path selection algorithms for multi-hop VANETs[C].Vehicular Technology Conference Fall(VTC 2010Fall),，2010：1-6.

[14] Yan Gongjun，Olariu Stephan.A probabilistic analysis of link duration in vehicular ad hoc networks[J].IEEE Transactions on intelligent transportation system,，2011,，12(4)：1227-1237.

[15] KHAN F，CHANG Y,，COPELAND P S.Handshaking vs.instant broadcast in VANET safety message routing[C].Proceedings of IEEE PIMRC′II,，2011：709-714