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(lèi)社會(huì)承受著交通事故帶來(lái)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(chē)流量多變化的城區(qū)道路交通環(huán)境,，基于車(chē)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(chē)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(chē)輛自組織網(wǎng)絡(luò),；自適應(yīng)廣播機(jī)制

　　中圖分類(lèi)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(chē)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(chē)輛自組織網(wǎng)絡(luò)(Vehicular Adhoc Networks, VANET)因其以車(chē)輛為節(jié)點(diǎn)形成的專(zhuān)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(chē)載網(wǎng)絡(luò)中的緊急信息自適性廣播調(diào)控機(jī)制,，通過(guò)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(chē)輛均能即時(shí)收到,，以避開(kāi)擁塞路段或危險(xiǎn)區(qū)域,。

1研究背景

　　隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐的不斷加快,，國(guó)內(nèi)機(jī)動(dòng)車(chē)增長(zhǎng)迅猛，據(jù)統(tǒng)計(jì),，截止到2013年國(guó)內(nèi)機(jī)動(dòng)車(chē)已達(dá)到1.37億輛,。機(jī)動(dòng)車(chē)的激增也給道路交通安全帶來(lái)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(wàn)人死于交通事故,，其中，歐盟,、日本,、美國(guó)分別為2.8萬(wàn)人、0.44萬(wàn)人,、3.4萬(wàn)人，相比之下,，國(guó)內(nèi)的死亡人數(shù)為6萬(wàn)人,，交通安全形勢(shì)不容樂(lè)觀［1-2］。

　　當(dāng)今各國(guó)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?lài)?guó)家開(kāi)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(guò)廣播方式,，雖然這種方式有能將信息快速傳遞周?chē)鷧^(qū)域所有車(chē)輛的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在無(wú)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(wèn)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(guó)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(chē)輛的信息來(lái)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(lái)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(wú)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(lái)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?jiàn)且有效的做法就是調(diào)整信息發(fā)送頻率,。但是頻率過(guò)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(guò)慢則無(wú)法滿(mǎn)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(lái)適應(yīng)不同車(chē)流量情況,，滿(mǎn)足所有需要接收緊急信息的車(chē)輛能實(shí)時(shí)收到,，又不會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過(guò)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)輛總數(shù)，l代表車(chē)道數(shù),，即一個(gè)區(qū)塊可以容納的車(chē)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(méi)有任何車(chē)輛,，那么緊急信息將無(wú)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(chē)輛分布可能數(shù)”記為Ndis,對(duì)“車(chē)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(chē),，則必然有≤k≤n。將一個(gè)有車(chē)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(chē)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(chē)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(lèi)推,，直到無(wú)法有更多的區(qū)塊相連為止，最后由下式求出Ndis：

　　類(lèi)似地,，可以由下式求解Ntotal：

　　如需提高危險(xiǎn)區(qū)域中車(chē)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(chē)輛平均車(chē)速為v,車(chē)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(chē)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(chē)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?，設(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(chē)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(lái)統(tǒng)計(jì)所聽(tīng)取到的重復(fù)傳送次數(shù),，所有車(chē)輛對(duì)于第一次收到的緊急信息重傳給周?chē)?chē)輛,，否則予以丟棄，因此該次數(shù)可視為與其相鄰的車(chē)輛數(shù),。取5次的平均值記為實(shí)際的相鄰車(chē)輛數(shù)B,。

　　（2）事故發(fā)源車(chē)輛以B值推算危險(xiǎn)區(qū)域的車(chē)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(chē)輛以I的傳送間隔,，傳送緊急信息r次之后，再將過(guò)去所有統(tǒng)計(jì)過(guò)的周遭相鄰車(chē)輛數(shù)取平均值,，作為更新后的實(shí)際相鄰車(chē)輛數(shù)B,。

　　（5）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(chē)輛位于正中央位置,，街道長(zhǎng)度均為600 m，道路為雙車(chē)道,，車(chē)流密度取每100 m內(nèi)3.5~5.5車(chē),，車(chē)速平均為35~55 km/h，車(chē)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(guò)事故發(fā)源車(chē)輛對(duì)重傳信息的主動(dòng)偵聽(tīng)，從而推測(cè)出危險(xiǎn)區(qū)域中街道的車(chē)輛數(shù),，結(jié)合已知的街道長(zhǎng)度,、車(chē)道數(shù)和傳輸距離參數(shù)，即可以計(jì)算出該區(qū)域中車(chē)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(guò)多的消耗。

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