馬佳榮，趙祥模，馬峻巖，王潤民，孟 強

（長安大學信息工程學院，西安710064）

基于VANET的高速公路事故消息快速廣播機制

馬佳榮，趙祥模，馬峻巖，王潤民，孟 強

（長安大學信息工程學院，西安710064）

針對現(xiàn)有的高速公路事故消息發(fā)布方法存在時延大、傳輸速度慢等問題，結合車載環(huán)境無線接入方案，提出一種定向單跳車輛事故消息廣播機制（DSHVB）。車輛節(jié)點通過建立與自身行駛方向相反的車輛節(jié)點列表，確定是否成為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點從而完成事故消息的定向轉(zhuǎn)發(fā)。研究高速移動情況下車輛節(jié)點間事故消息的可靠轉(zhuǎn)發(fā)條件，利用Veins仿真平臺對DSHVB進行性能評估。實驗結果表明，與泛洪廣播機制相比，DSHVB的丟包率和網(wǎng)絡負載更低、消息可靠性更高，能夠滿足高速公路事故消息快速廣播的需求。

高速公路；事故消息發(fā)布；車載自組網(wǎng)；廣播機制；無線接入

1 概述

高速公路中的突發(fā)事故是造成道路擁堵和引發(fā)二次事故的重要原因，這主要是由于現(xiàn)有的事故消息發(fā)布方式［1］（電子情報板以及調(diào)頻廣播）具有較大的延遲，事故消息傳輸速度慢，無法實現(xiàn)事故后方車輛的快速疏散。因此，建立一種高效的事故信息發(fā)布機制［2］顯得尤為重要。

隨著對車載自組網(wǎng)［3］（Vehicular Ad-hoc Network， VANET）研究的深入，利用VANET對各類交通消息進行廣播［4］以提升交通效率［5］成為研究熱點之一。車載自組網(wǎng)中通信［6］的一個典型特點是：針對不同的應用，各層協(xié)議可以變化很大，而且通常會考慮跨層以及簡化層次。目前，較權威的協(xié)議架構［7］是基于IEEE Standard 802.11［8］協(xié)議提出的車載環(huán)境無線接入［9］（Wireless Access in Vehicular Environments，WAVE）方案，通過周期性廣播短程載波消息，車輛節(jié)點與鄰居車輛節(jié)點或路側設備實現(xiàn)信息交互，并通過處理該信息得到交通現(xiàn)狀并做出相應調(diào)整?？紤]到WAVE協(xié)議信道切換子層嚴格規(guī)定的50 ms的切換間隔，能夠保證安全消息的及時傳輸，同時網(wǎng)絡和傳輸層上的單跳廣播機制可以保證消息傳遞的可靠性，能夠滿足安全信息發(fā)布服務水平［10］的要求。本文以WAVE協(xié)議為基礎，在應用層對事故消息的轉(zhuǎn)發(fā)機制進行研究。

泛洪廣播［11］是WAVE中使用較為廣泛的一種廣播機制，然而，考慮到事故只對道路中與事故車輛行駛方向相同且處于事故車輛后方的車輛行駛造成影響，采用泛洪廣播對事故消息進行傳播存在較大冗余［12］?；诖?，本文提出一種面向高速公路的事故消息快速廣播機制——定向單跳車輛事故消息廣播機制（Directional Single-hop Vehicular Broadcast，DSHVB）。車輛節(jié)點通過建立轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點列表，完成事故消息的定向轉(zhuǎn)發(fā)，以降低消息冗余度，并減少網(wǎng)絡負載。同時，對事故消息可靠轉(zhuǎn)發(fā)的條件進行討論，并利用Veins［13］仿真平臺對DSHVB的性能進行評估。

2 定向單跳車輛事故消息廣播機制

為改善事故消息以泛洪的方式進行廣播時存在的較大冗余，本文提出一種面向高速公路的定向單跳車輛事故消息廣播機制。

如圖1所示，為了加快事故消息向處于事故車輛后方車輛傳播的速度，考慮借助于事故車輛反向行駛的車流對事故消息進行廣播。根據(jù)事故發(fā)生時車輛節(jié)點的不同位置，首先定義多種車輛節(jié)點：事故車輛定義為事故節(jié)點，事故車輛所在道路中處于事故車輛后方的車輛定義為目的節(jié)點，與事故車輛反向行駛的車輛為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。在事故發(fā)生時，事故節(jié)點向處于事故節(jié)點覆蓋范圍內(nèi)所有的車輛節(jié)點廣播事故消息，接收到事故消息后轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點向處于事故后方的目的節(jié)點定向轉(zhuǎn)發(fā)事故消息，處于事故節(jié)點后方的目的節(jié)點不進行二次轉(zhuǎn)發(fā)，事故消息隨著轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的移動實現(xiàn)遠距離傳播。

圖1 事故消息轉(zhuǎn)發(fā)策略

為實現(xiàn)事故消息以交叉式定點推送的方式進行廣播，要求車輛具有存儲/刪除數(shù)據(jù)包的能力以建立和更新鄰居車輛節(jié)點列表。同時，引入2個參數(shù)，分別是事故消息標識Alevel和節(jié)點行駛方向標識Dnode。

車輛節(jié)點接收到消息進行數(shù)據(jù)解析時，首先根據(jù)Alevel判定該消息是否為beacon消息，若是beacon消息，則根據(jù)Dnode判斷是否需要對存儲的節(jié)點列表進行更新，從而保證節(jié)點建立的節(jié)點列表的實時性；若非beacon消息，則判斷為事故消息，此時根據(jù)Dnode判斷是否需要對事故消息進行轉(zhuǎn)發(fā)。消息包中包含的內(nèi)容如表1所示，只包含5項內(nèi)容的消息包可加快消息解析速度，從而保證消息在高速公路場景中傳播的高效性。

表1 消息包中包含的內(nèi)容

車輛節(jié)點接收消息后進行轉(zhuǎn)發(fā)判定的流程如圖2所示，在接收到事故消息和beacon消息時車輛節(jié)點將進行不同的轉(zhuǎn)發(fā)策略。

圖2 車輛節(jié)點接收消息后的轉(zhuǎn)發(fā)判定流程

在圖1中事故節(jié)點A在事故發(fā)生時，生成事故消息并向節(jié)點覆蓋范圍內(nèi)所有的車輛節(jié)點發(fā)送消息，此時，接收到事故消息的節(jié)點對事故消息進行解析。首先判定事故發(fā)生與否，由于此時Alevel為1，判定事故消息源節(jié)點發(fā)生事故。其次對行駛方向進行判定，對圖1中車輛節(jié)點G、車輛節(jié)點H、車輛節(jié)點I、車輛節(jié)點J而言，由于DG=DH=DI=DJ=DA=0即車輛節(jié)點行駛方向與事故節(jié)點A相同，則這4個車輛節(jié)點不進行轉(zhuǎn)發(fā)，只需對事故發(fā)生位置進行進一步解析。對于車輛節(jié)點B、車輛節(jié)點C和車輛節(jié)點D而言，由于DA=0而DB=DC=DD=1，判定自身為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，將事故消息向存儲在節(jié)點列表中的車輛節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)。最后在經(jīng)過一定時間的消息轉(zhuǎn)發(fā)后，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點對是否繼續(xù)進行轉(zhuǎn)發(fā)做出判斷，若當前時間與接收到事故消息時間間隔小于texit，仍不斷對事故消息進行轉(zhuǎn)發(fā)，否則將事故消息以與beacon消息相同的周期進行轉(zhuǎn)發(fā)，從而達到減少消息冗余度、保證遠距離的事故消息傳輸?shù)哪繕恕?/p>

若場景內(nèi)不存在事故，則車輛接收到的只有周期性發(fā)送的beacon消息（Alevel=0），車輛節(jié)點據(jù)此建立和更新節(jié)點列表。當節(jié)點接收到一個beacon消息時，仍對消息源節(jié)點的行駛方向進行判定，若與該節(jié)點行駛方向相同，則丟棄該消息，否則對列表進行更新，保存消息源節(jié)點ID并更新消息接收時間。另外，在對列表進行掃描時，若某一節(jié)點消息的最終接收時間與當前時間之差大于texit，則刪除該節(jié)點信息，減少不必要的存儲開銷。

3 高速移動條件下事故消息的可靠轉(zhuǎn)發(fā)

本文所述場景為高速公路，車輛節(jié)點移動速度（100 km/h）較高，同時，行駛方向相反的車輛節(jié)點間相對速度增加一倍，保證逆向行駛的車輛節(jié)點建立可靠連接并完成消息的發(fā)送與接收是DSHVB正常工作的前提之一。如圖3所示，假設車輛節(jié)點速度為v，逆向行駛車輛節(jié)點間的垂直間距為dverdis，車輛節(jié)點通信范圍為R，則逆向行駛的車輛節(jié)點B在行駛過程中處于車輛節(jié)點A覆蓋范圍內(nèi)的時間texit為：

圖3 車速、覆蓋范圍和垂直車輛間距示意圖

假設beacon消息的發(fā)送頻率為fbeacon，事故消息的發(fā)送頻率為faccident。為了保證事故消息的可靠傳輸，事故消息的發(fā)送頻率faccident應高于beacon消息的發(fā)送頻率fbeacon。同時，當texit一定時，為保證車輛節(jié)點能夠通過消息的交互建立連接，要求消息的最低發(fā)送頻率應保證至少存在一個消息成功發(fā)送至目的節(jié)點，因此，對beacon消息發(fā)送頻率fbeacon的最小值進行計算。

本文設定丟包率為Plost，且該丟包率僅保證只有一個beacon消息發(fā)送至目標節(jié)點，此時需要發(fā)送的beacon消息數(shù)目Msgp-num為：

其中，texit時間內(nèi)以頻率fbeacon發(fā)送beacon消息的消息數(shù)目Msgr-num為：

若texit時間內(nèi)發(fā)送的消息總數(shù)M sgr-num大于可保證至少一個beacon消息發(fā)送至目標節(jié)點的消息發(fā)送數(shù)目Msgp-num，即：

因此，認為在當前場景下可以建立節(jié)點間的可靠連接，并完成數(shù)據(jù)的定向發(fā)送。

4 實驗驗證與結果分析

本文仿真選用Veins仿真平臺從丟包率和網(wǎng)絡負載兩方面對DSHVB進行性能評估。Veins通過對網(wǎng)絡模擬器OMNeT++［14］（Objective Modular Network Testbed in C++）和微觀交通模擬器SUMO［15］（Simulation of Urban Mobility）各自的專用通信模塊進行擴展，實現(xiàn)了OMNeT++和SUMO的雙向耦合，廣泛應用于車載自組網(wǎng)領域。

4.1 仿真場景設置

本文采用如圖4所示的仿真場景，仿真場景為10 km雙向六車道高速公路，車輛密度為10輛/km。

圖4 SUMO中高速公路仿真場景

考慮到實際要求，仿真中車輛節(jié)點速度v= 100 km/h，車輛間距為100 m，行車道間寬度為3.75 m，六車道高速公路中行駛方向相反的車輛節(jié)點間的垂直間距dverdis取最遠距離和最近距離的均值11.25 m。

仿真中車輛節(jié)點的通信范圍R=100 m，丟包率Plost=90%。根據(jù)式（1）可得，車輛節(jié)點處于某一節(jié)點的覆蓋范圍內(nèi)的時間texit=3.55 s，根據(jù)式（2）可得，beacon消息發(fā)送頻率最小值fbeacon=2.82 Hz，設置beacon消息的發(fā)送頻率fbeacon=2.82 Hz，事故消息的發(fā)送頻率faccident=2.82 Hz。

圖5為仿真進行時OMNeT++中事故發(fā)生時的圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI），其中，已發(fā)送事故消息的事故節(jié)點、與事故車輛反向行駛的車流中接收到事故消息并已進行轉(zhuǎn)發(fā)操作的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點及接收消息的目的節(jié)點已在圖中進行說明。

圖5 事故發(fā)生后SUMO中的仿真GUI

4.2 實驗分析

在上述仿真場景中，從事故消息傳播過程中丟包率和網(wǎng)絡負載兩方面對DSHVB消息廣播機制進行性能評估，并與泛洪廣播機制的廣播性能進行對比。

4.2.1 丟包率

本文對不同廣播機制下的丟包率進行測試，設定測試時間為325 s～494.4 s，測試時間停止點為事故消息到達事故發(fā)生時邊界處目的節(jié)點的時間。經(jīng)測試分析，分別采用DSHVB廣播機制與泛洪廣播機制對消息進行廣播時的丟包率如圖6所示。

圖6 事故消息傳播丟包率統(tǒng)計

從圖6可以看出，2種廣播機制的丟包率趨勢均為先增長后降低，這是因為事故初始接收到事故消息的車輛數(shù)目較少，從而轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的數(shù)量較少，網(wǎng)絡競爭小。末端節(jié)點丟包率較小是因為該節(jié)點出現(xiàn)時仿真過程接近結束，末端節(jié)點發(fā)送的消息包數(shù)目較少，因而丟包率較低。

同時，泛洪廣播的丟包率普遍高于DSHVB廣播方式。這是由于泛洪廣播中的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點數(shù)量比DSHVB廣播方式中的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點數(shù)量多一倍，發(fā)送的事故消息過多從而造成網(wǎng)絡擁堵，丟包率上升。

DSHVB廣播的丟包率最大值為81.5%，低于預期的90%。這表明，DSHVB在當前的事故消息發(fā)送頻率下可以保證事故消息的可靠傳輸，且占用網(wǎng)絡資源少，丟包率低。

4.2.2 網(wǎng)絡負載

本文通過統(tǒng)計事故消息到達一定距離時發(fā)送事故消息的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點數(shù)目，衡量不同廣播協(xié)議下的網(wǎng)絡負載。顯然，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點數(shù)目越少，網(wǎng)絡負載越小。圖7給出了不同廣播協(xié)議下的網(wǎng)絡負載?？梢钥闯觯汉閺V播機制下的轉(zhuǎn)發(fā)比率呈現(xiàn)大幅增長，遠高于DSHVB廣播機制下的轉(zhuǎn)發(fā)比率，這是因為DSHVB廣播機制下轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的數(shù)目增長速率只與車輛節(jié)點移動速度有關，所以呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的增長，轉(zhuǎn)發(fā)比率小，網(wǎng)絡負載小。定向單跳車輛事故消息廣播機制大大減少了事故消息傳播過程中的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點數(shù)目，事故消息轉(zhuǎn)發(fā)過程中的網(wǎng)絡負載遠小于泛洪廣播，不僅能夠減少事故消息傳播過程中的信道競爭，從而保證較低的丟包率及網(wǎng)絡負載，為事故消息的可靠傳播建立更良好的網(wǎng)絡環(huán)境。

圖7 不同廣播機制下的網(wǎng)絡負載

5 結束語

本文考慮到現(xiàn)有廣播協(xié)議應用于高速公路場景時通常會造成事故消息延誤且冗余較大，提出一種面向高速公路事故消息可靠發(fā)布的廣播協(xié)議DSHVB。通過引入2個參數(shù)：車輛節(jié)點行駛方向Dnode和事故等級Alevel，完成鄰居節(jié)點列表的建立和更新，同時據(jù)此對車輛節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)角色進行判定，實現(xiàn)事故消息的定向單跳轉(zhuǎn)發(fā)。實驗結果表明，與泛洪廣播機制相比，DSHVB在保證事故消息快速傳播的前提下具有更低的丟包率和網(wǎng)絡負載。為建立更完善的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，同時進一步提高事故消息的傳播速度，需要引入路側節(jié)點實現(xiàn)事故消息的全網(wǎng)發(fā)布。因此，如何優(yōu)化路側節(jié)點與車輛節(jié)點間的消息交互策略以保證消息傳輸過程中的低冗余和可靠性是下一步研究的主要內(nèi)容。

［1］ 黃海軍，吳文祥.交通事故信息發(fā)布的有效性分析［J］.系統(tǒng)工程理論方法應用，2001，10（4）：298-301.

［2］ Yokoyama R S，Kimura B Y L，Jaimes L M S.A Beaconing-based Opportunistic Service Discovery Protocol for Vehicular Networks［C］//Proceedings of the 28th International Conference on Advanced Information Networking and Applications Workshops.Washington D.C.，USA：IEEE Computer Society，2014：498-503.

［3］ Stibor L，Zang Yunpeng.Evaluation of Communication Distance of Broadcast Messages in a Vehicular Ad-hoc Network Using IEEE 802.11p［C］//Proceedings of 2007 IEEE Wireless Communications and Networking Conference.Washington D.C.，USA：IEEE Computer Society，2007：254-257.

［4］ 韓江洪，李 超，衛(wèi) 星，等.車聯(lián)網(wǎng)中基于距離的多轉(zhuǎn)發(fā)者廣播協(xié)議［J］.計算機工程，2015，41（1）：6-11.

［5］ 萬 明，金書鑫，韓子東.事故條件下高速公路路網(wǎng)運行效率評估［J］.公路交通科技：應用技術版，2015，31（4）：229-231.

［6］ 閔宗如，馮建國，張 芳，等.一種基于區(qū)域廣播的VANET機會路由協(xié)議［J］.信息技術與信息化，2014，（3）：77-89.

［7］ 宋曉雨.基于最優(yōu)方案VANET協(xié)議的研究［J］.網(wǎng)絡安全技術與應用，2014，（2）：160-162.

［8］ IEEE.IEEE Std 802.11p-2010 Wireless Access in Vehicular Environments［S］.2010.

［9］ Marica A，Claudia C，Antonella M.Enhancing IEEE 802.11p/WAVE to Provide Infotainment Application in VANETs［J］.Ad Hoc Networks，2010，10（2）：253-269.

［10］ Song Yi，Xie Jiang.A QoS-based Broadcast Protocol Under Blind Information for Multihop Cognitive Radio Ad Hoc Networks［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2014，63（3）：1453-1466.

［11］ Xu Shouzhi，Zhou Huan，Li Chengxia，et al.A Multi-hop V2V Broadcast Protocol for Chain Collision Avoidance on Highways［C］//Proceedings of 2009 IEEE International Conference on Communications Technology and Applications.Washington D.C.，USA：IEEE Computer Society，2009：110-114.

［12］ Christoph S，Reinhard G，F(xiàn)alko D.Bidirectionally Coupled Network and Road Traffic Simulation for Improved IVC Analysis［J］.IEEE Transactions on Mobile Computing，2011，10（1）：3-15.

［13］ 張 宏，李 杰.車載自組織網(wǎng)絡拓撲特性及控制［J］.交通運輸系統(tǒng)工程與信息，2015，15（2）：81-87.

［14］ Objective Modular Network Testbed in C++［EB/OL］.（2014-07-09）.http：//www.om netpp.org.

［15］ Daniel K，Jakob E，Michael B，et al.Recent Development and Applications of SUMO——Simulation of Urban Mobility［J］.International Journal on Advances in Systems and Measurements，2012，5（3）：128-138.

編輯 陸燕菲

Fast Broadcast Mechanism of Accident Message on Highway Based on VANET

MA Jiarong，ZHAO Xiangmo，MA Junyan，WANG Runm in，MENG Qiang
（College of Information Engineering，Chang' an University，Xi'an 710064，China）

Aiming at the problem of long time delay and slow transmission speed of accident message publication method on highway，this paper proposes a Directional Single-hop Vehicular Broadcast（DSHVB）mechanism combining the application with Wireless Access scheme Vehicular Environments（WAVE）.Each car node builds a car node list to record other cars driving in opposite direction，then accomplishes the directional accident message rebroadcast.It discusses the requirements to achieve reliable accident message forwarding and evaluates the performance of DSHVB using Veins. Experimental result shows that DSHVB has lower packet lost rate，higher quality of reliability and lower network load compared with flooding broadcast mechanism，and it meets the requirement of the fast broadcast of the accident message in highway scenario.

highway；accident message publication；Vehicular Ad-hoc Network（VANET）；broadcast mechanism；wireless access

馬佳榮，趙祥模，馬峻巖，等.基于VANET的高速公路事故消息快速廣播機制［J］.計算機工程，2015，41（11）：8-12.

英文引用格式：Ma Jiarong，Zhao Xiangmo，Ma Junyan，et al.Fast Broadcast Mechanism of Accident Message on Highway Based on VANET［J］.Computing Engineering，2015，41（11）：8-12.

1000-3428（2015）11-0008-05

A

TP391.9

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.11.002

國家自然科學基金資助項目（61402050）；國家物聯(lián)網(wǎng)重大示范工程科研基金資助項目（2012-364-812-105）。

馬佳榮（1991-），女，碩士研究生，主研方向：交通信息工程及控制；趙祥模，教授、博士生導師；馬峻巖，講師、博士；王潤民，碩士；孟 強，碩士研究生。

2015-06-15

2015-07-14 E-m ail：727752748@qq.com