吳學(xué)文，顧 欣

（河海大學(xué) 計算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南京211100）

0 引 言

VANET 通過車輛節(jié)點(diǎn)配備的傳感器系統(tǒng)進(jìn)行信息的采集、傳輸和交換，實現(xiàn)緊急情況預(yù)警、協(xié)同駕駛、分布式交通信息的收集與分發(fā)等交通安全類應(yīng)用，以提高行車安全性和交通效率。其中，緊急情況預(yù)警對信息傳輸?shù)膶崟r性和可靠性要求極高。協(xié)同駕駛、分布式交通信息收集與分發(fā)則要求廣泛性、高效性與安全性。舒適類應(yīng)用中的信息傳輸往往對傳輸可靠性、帶寬、延遲等要求較高。因此，VANET 的信息傳輸對服務(wù)質(zhì)量QoS要求各異，如何針對VANET 的基本特征和不同應(yīng)用設(shè)計高效的、可靠的廣播協(xié)議成為目前VANET 的研究重點(diǎn)。本文旨在針對現(xiàn)有十字路口廣播協(xié)議存在的不足，提出一種性能更優(yōu)越的廣播協(xié)議。

1 相關(guān)工作

現(xiàn)有的VANET 廣播協(xié)議按照中繼方式又可分為基于概率的廣播協(xié)議、基于位置的廣播協(xié)議、基于MAC 層的廣播協(xié)議和基于鄰居消息的廣播協(xié)議。其中，多數(shù)協(xié)議是為高速公路等直線道路場景設(shè)計，只有少部分協(xié)議考慮十字路口處多路段的信息廣播。

1.1 現(xiàn)有VANET廣播協(xié)議分析

1.1.1 基于概率的廣播協(xié)議

基于概率的廣播協(xié)議中的節(jié)點(diǎn)接收到廣播分組后，立即或等待一定時隙后以概率P 轉(zhuǎn)發(fā)分組，P 為1時就退化為簡單洪泛。文獻(xiàn) ［1］提出加權(quán)式p－堅持、時隙式1－堅持、時隙式p－堅持3種基于概率的廣播協(xié)議。K.A.Hafeez等提出一種基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膒－堅持廣播協(xié)議［2］（network topology p－persistence scheme，NTPP）：若接收節(jié)點(diǎn)為候選廣播節(jié)點(diǎn)，則在延時等待后轉(zhuǎn)發(fā)分組；否則在延時等待后以概率p轉(zhuǎn)發(fā)分組。

1.1.2 基于位置的廣播協(xié)議

基于位置的廣播協(xié)議在傳輸范圍內(nèi)選擇相對遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)分組，可在較大程度上減少中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目冗余。該類協(xié)議的中繼節(jié)點(diǎn)選擇策略主要有：距離閾值法、計數(shù)法、概率法、時間片法。前3種策略的共同特點(diǎn)是中繼節(jié)點(diǎn)不唯一，因而不能最大程度減少中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)目和分組冗余?；谖恢玫膹V播協(xié)議多為時間片法或其改進(jìn)，完全采用分布式思想，選擇的中繼節(jié)點(diǎn)是確定且唯一的。目前，很多基于位置的廣播協(xié)議被提出，時間片策略也被普遍采用，典型的基于位置的廣播協(xié)議有EDB［3］、S1－PB、TRAB［4］、LDMB［5］等。

1.1.3 基于MAC層的廣播協(xié)議

針對基于IEEE802.11的MAC 協(xié)議不支持可靠廣播的問題，許多基于MAC 層的廣播協(xié)議被提出，如Gokhan K等提出一種適用于城市道路場景的多跳廣播［6］（urban multi－h(huán)op broadcast，UMB）協(xié)議，通過RTB／CTB 握手機(jī)制 （request to broadcast／clear to broadcast）選擇最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)作為廣播中繼節(jié)點(diǎn)，并通過ACK 分組確認(rèn)提高可靠性。UMB的可靠性和資源利用率高，但基于握手機(jī)制的中繼選擇策略使得信道競爭與沖突問題較為突出，不適合高密度的VANET。文獻(xiàn) ［7］提出的基于跨層的多跳廣播協(xié)議PMBP （position based multi－h(huán)op broadcast），基 于BRTS／BCTS握手機(jī)制選擇中繼節(jié)點(diǎn)，并采用IEEE 802.11e支持不同優(yōu)先級分組的廣播。

1.1.4 基于鄰居消息的廣播協(xié)議

基于鄰居消息的廣播協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)根據(jù)來自鄰居節(jié)點(diǎn)的周期性的Hello或Beacon消息維護(hù)和更新鄰居列表，在得知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞幕A(chǔ)上選擇最佳中繼節(jié)點(diǎn)。這種協(xié)議的中繼方式主要有：距離法、拓?fù)浞謱臃ā⑦B通域集合法。其中連通域集合法是節(jié)點(diǎn)通過鄰居列表信息計算自身是否處于連通區(qū)域集合 （connected dominating set，CDS）中，處于CDS內(nèi)的節(jié)點(diǎn)相對處于CDS外的節(jié)點(diǎn)具有更短的延時等待時間，從而最先接入信道成為廣播中繼節(jié)點(diǎn)。典型的基于 鄰 居 消 息 的 協(xié) 議 有 ERD［8］、StreetCAST［9］、DBAMAC［10］、DV－CAST［11］、AckPBSM［12］等。

1.2 考慮十字路口的廣播協(xié)議分析

上述廣播協(xié)議多為高速公路等直線路段場景設(shè)計，未考慮十字路口處廣播傳輸?shù)姆较蛐?，因而將其用于城市道路是不可取的?，F(xiàn)有的考慮十字路口的廣播協(xié)議主要有UMB、EDB、DP－IB［13］、StreetCAST、RB－FI、AckPBSM、ERD 等。對于十字路口轉(zhuǎn)發(fā)方式，UMB、EDB、DP－IB、StreetCAST 均在十字路口安裝轉(zhuǎn)發(fā)器，該集中式方法實現(xiàn)簡單、可靠性和信道利用率比較高，缺點(diǎn)是給每個路口配備轉(zhuǎn)發(fā)器增加了成本。RB－FI、AckPBSM、ERD 則采用完全分布式策略，分別在十字路口的各路段上，并從中選擇合適的中繼節(jié)點(diǎn)。本文主要討論分布式策略。

RB－FI通過計算轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)速度矢量與轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)的位移矢量間夾角的正弦值，分別將轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)后方和前方節(jié)點(diǎn)分為三類 （sinα＞0、sinα＝0、sinα＜0），表示處于不同路段上，采用基于位置的時間片法分別選擇中繼節(jié)點(diǎn)。RB－FI默認(rèn)相同道路上的車輛節(jié)點(diǎn)處于同一條直線上，但在實際場景中往往存在偏差 （尤其是多車道場景），容易造成分類錯誤，從而影響協(xié)議性能。AckPBSM 基于連通域集合法，無需根據(jù)車輛節(jié)點(diǎn)的位置、速度等信息了解車輛是否處于十字路口。ERD 在十字路口處根據(jù) “l(fā)ine－ofsight”原則選擇各路段上最合適中繼節(jié)點(diǎn)，但由于缺乏重播機(jī)制，容易造成稀疏路段上的廣播中斷。UV－CAST 結(jié)合類似傳染轉(zhuǎn)發(fā)策略提高廣播可靠性，核心思想是：處于十字路口的中繼節(jié)點(diǎn)在完成分組轉(zhuǎn)播后，選擇其傳輸范圍邊界處 的 節(jié) 點(diǎn) 成 為SCF （store－carry－forward）節(jié) 點(diǎn)；SCF發(fā)現(xiàn)有未收到該分組的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入其傳輸范圍時就轉(zhuǎn)播分組，旨在保證所有方向上的不同路段的節(jié)點(diǎn)都能收到廣播分組。相對于以上幾種選擇各路段上最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)的廣播協(xié)議，UVCAST 能保證廣播覆蓋率，但額外的SCF 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)播分組，造成分組冗余和碰撞。

2 基于自適應(yīng)信標(biāo)交換的方向廣播協(xié)議DB－IA

基于鄰居消息的廣播協(xié)議根據(jù)包含位置、速度等信息的信標(biāo)掌握網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌诖嘶A(chǔ)上選擇最合適的節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)，實現(xiàn)簡單且冗余抑制率高。因此，本文采用基于鄰居消息的中繼策略，針對現(xiàn)有考慮十字路口的廣播協(xié)議存在的不足，提出一種同時適用于高速公路和城市道路場景的基于自適應(yīng)信標(biāo)交換的方向廣播協(xié)議 （directional broadcast considering intersection via adaptive beaconing，DB－IA）。DB－IA 采用自適應(yīng)信標(biāo)交換機(jī)制動態(tài)調(diào)整信標(biāo)分組廣播周期，減小分組沖突和網(wǎng)絡(luò)開銷，提高資源利用率。在可靠性方面，DB－IA 通過中繼節(jié)點(diǎn)間單播ACK 分組進(jìn)行廣播分組確認(rèn)，并結(jié)合雙向傳輸和存儲－轉(zhuǎn)發(fā)策略緩解廣播中斷問題。為避免十字路口多中繼節(jié)點(diǎn)同時轉(zhuǎn)播分組造成的沖突，DB－IA 通過優(yōu)化退避方式控制轉(zhuǎn)播隊列，使分組轉(zhuǎn)播快速、有序地完成，提高廣播的實時性。

2.1 中繼節(jié)點(diǎn)選擇策略

DB－IA 中的節(jié)點(diǎn)根據(jù)周期性的包含ID、路段、位置、速率等信息的信標(biāo)分組完成鄰居列表的建立或更新。信標(biāo)分組和鄰居列表的格式如圖1所示。

圖1 信標(biāo)分組和鄰居列表格式

各字段含義如下：ID：節(jié)點(diǎn)標(biāo)識符；R＿ID：路段標(biāo)識符；Loc：節(jié)點(diǎn)位置；Vel：節(jié)點(diǎn)速率；Vel－R：鄰居節(jié)點(diǎn)相對當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動趨勢 （靠近／遠(yuǎn)離）；Loc－R：鄰居節(jié)點(diǎn)與當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系 （前方／后方）；Dis：鄰居節(jié)點(diǎn)與當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的距離。

對于緊急告警信息，同向車道上緊隨EMSN 的車輛處境最危險，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先被警告；對于交通疏導(dǎo)信息，同向車道上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入擁堵區(qū)域的概率比較大，應(yīng)當(dāng)快速被告知。因此，DB－IA 優(yōu)先選擇相距最遠(yuǎn)的同向車輛節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)分組，旨在滿足交通安全需求的同時減少中繼節(jié)個數(shù)。當(dāng)同向車道存在網(wǎng)絡(luò)空洞時則采用反向中繼策略，即暫時選擇反向車道上的節(jié)點(diǎn)作為下一中繼節(jié)點(diǎn)，而后在條件允許的情況下返回同向中繼策略。因此，所有車輛節(jié)點(diǎn)可分為同向中繼節(jié)點(diǎn)、反向中繼節(jié)點(diǎn)和非中繼節(jié)點(diǎn)三類。

節(jié)點(diǎn)接收到廣播分組后，判斷自己是否為上層中繼節(jié)點(diǎn) （pre－relay node，PRN）選擇的中繼節(jié)點(diǎn)，若是則進(jìn)行下一中繼節(jié)點(diǎn)的選擇。首先，根據(jù)鄰居列表中感興趣區(qū)域的鄰居節(jié)點(diǎn)的路段標(biāo)識符R＿ID判斷場景：若R＿ID相同，說明為直路場景；若R＿ID不同，說明為十字路口場景，每個路段分別選擇一個中繼節(jié)點(diǎn)。同向中繼節(jié)點(diǎn)的感興趣區(qū)域為其后方，而反向中繼節(jié)點(diǎn)的感興趣區(qū)域為其前方。

直路或每個路段的中繼選擇策略基本相同，描述如下：若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為同向中繼節(jié)點(diǎn)，則選擇后方鄰居節(jié)點(diǎn)中距離最遠(yuǎn)且靠近的節(jié)點(diǎn)為同向中繼節(jié)點(diǎn)，如無靠近的節(jié)點(diǎn)則選擇距離最遠(yuǎn)且遠(yuǎn)離的節(jié)點(diǎn)為反向中繼節(jié)點(diǎn)；若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為反向中繼節(jié)點(diǎn)，則選擇前方鄰居節(jié)點(diǎn)中最遠(yuǎn)且靠近的節(jié)點(diǎn)為同向中繼節(jié)點(diǎn)，若無靠近的節(jié)點(diǎn)則選擇距離最遠(yuǎn)且遠(yuǎn)離的節(jié)點(diǎn)為反向中繼節(jié)點(diǎn)。

如圖2 所示，假設(shè)節(jié)點(diǎn)A 為緊急消息源節(jié)點(diǎn) （emergency message source node，EMSN），A 根 據(jù) 鄰 居 節(jié) 點(diǎn) 的R－ID判斷后方為直線道路場景，則選擇后方最遠(yuǎn)且靠近的節(jié)點(diǎn)B為同向中繼節(jié)點(diǎn)；B 判斷其后方為十字路口場景，在路段2、3根據(jù)最遠(yuǎn)且靠近原則分別選擇D 和G 為同向中繼節(jié)點(diǎn)。對于路段1，因為無靠近的節(jié)點(diǎn)則根據(jù)雙向中繼原則選擇最遠(yuǎn)且遠(yuǎn)離的節(jié)點(diǎn)C為反向中繼節(jié)點(diǎn)。對于節(jié)點(diǎn)D，在判斷后方為直線道路場景后發(fā)現(xiàn)后方傳輸范圍內(nèi)無靠近的節(jié)點(diǎn)，即發(fā)生同向傳輸空洞，所以選擇節(jié)點(diǎn)E為反向中繼節(jié)點(diǎn)。E選擇其前方且靠近的節(jié)點(diǎn)為同向中繼節(jié)點(diǎn)。告警信息分組按照以上規(guī)則被傳輸?shù)竭h(yuǎn)處路段上，直到分組過期。

2.2 自適應(yīng)信標(biāo)交換機(jī)制

信標(biāo)交換主要實現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)和位置等信息交互，是DB－IA進(jìn)行中繼節(jié)點(diǎn)選擇的重要基礎(chǔ)和依據(jù)，其廣播方式和周期對DB－IA協(xié)議性能存在較大的影響。在節(jié)點(diǎn)密度相對低的場景下，較小頻率的信標(biāo)交換延長鄰居發(fā)現(xiàn)時間，某一時刻使用的鄰居節(jié)點(diǎn)信息并不是最實時的，影響協(xié)議的可靠性。在節(jié)點(diǎn)密度相對高的場景下，若保持較大頻率的信標(biāo)交

圖2 DB－IA 中繼節(jié)點(diǎn)選擇

換，雖能獲得較為實時的鄰居信息，但過多占用了告警信息廣播帶寬，產(chǎn)生沖突的概率較大，降低協(xié)議的實時性。因此，為使DB－IA能適應(yīng)不同節(jié)點(diǎn)密度場景，本文提出一種自適應(yīng)信標(biāo)交換機(jī)制來取代傳統(tǒng)的固定周期的信標(biāo)交換策略。

自適應(yīng)信標(biāo)交換機(jī)制主要依據(jù)車輛節(jié)點(diǎn)密度、距離、移動性等因素，動態(tài)調(diào)整信標(biāo)交換周期I，涉及的主要參數(shù)包括：密度度量D，距離度量d、移動性度量M 等。I 的計算方法如下所示

其中，Di＝n，n表示鄰居節(jié)點(diǎn)的總個數(shù)，Dmax是一個預(yù)設(shè)值，表示節(jié)點(diǎn)能夠承受的最大鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)，dij為節(jié)點(diǎn)i到鄰居節(jié)點(diǎn)j的距離 （m），R 為車輛節(jié)點(diǎn)傳輸范圍，vi和vj分別為節(jié)點(diǎn)i及其鄰居節(jié)點(diǎn)的移動速率 （m／s）；w 為權(quán)重因子，可根據(jù)場景或應(yīng)用的不同，調(diào)節(jié)各參數(shù)對I 計算的影響程度，此處w1＝w2＝0.25，w3＝0.5，I 的值始終處于區(qū)間 ［Imin，Imax］內(nèi)，Imin和Imax分別為I 的下限和上限，其值由網(wǎng)絡(luò)負(fù)載承受能力和可靠性要求來決定?？紤]以下幾種情形：①D 較大，表明局部節(jié)點(diǎn)密度較大；②d 較大，表明節(jié)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，節(jié)點(diǎn)靠近其鄰居節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍邊界，因而離開其傳輸范圍的概率較大；③M 較大，即節(jié)點(diǎn)i的相對移動速度較快，可能快速從一鄰居節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍移動到另一鄰居節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍。根據(jù)式 （1）可知：情形①下，應(yīng)在保證鄰居發(fā)現(xiàn)精度的基礎(chǔ)上適量減小I值，避免頻繁的信標(biāo)交換造成信息碰撞；情形②③，應(yīng)增大I，來緩減稀疏網(wǎng)絡(luò)或移動性的影響，保證鄰居發(fā)現(xiàn)的實時性和精度。

2.3 可靠性保障

2.3.1 ACK 機(jī)制

由于DB－IA 在每個路段只選擇一個中繼節(jié)點(diǎn)，這些中繼節(jié)點(diǎn)能否可靠地接收到告警分組至關(guān)重要，DB－IA 通過在相鄰中繼節(jié)點(diǎn)間的ACK 分組來保證廣播的可靠性。每個中繼節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)播分組后開啟重播定時器 （ReBroadcast timer，RBT），生成ACK 分組并準(zhǔn)備發(fā)送至PRN；檢查其鄰居列表，若PRN 在其中，則單播ACK 分組給PRN；否則，廣播該ACK 分組。接收ACK 廣播分組的鄰居節(jié)點(diǎn)，若發(fā)現(xiàn)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在其鄰居列表中，則競爭ACK 信使節(jié)點(diǎn)。競爭勝出的節(jié)點(diǎn)單播該ACK 分組給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)；否則，丟棄該ACK 分組，不作處理。若該中繼節(jié)點(diǎn)在其RBT 溢出之前未收到所有來自下層中繼節(jié)點(diǎn)的ACK 分組，則進(jìn)行告警分組重播。

ACK 信使節(jié)點(diǎn)競爭過程如下：發(fā)送ACK 報文的最大等待時間TAck－max被分為NAck個等長時間片，每個時間片的長度LAck為

每個競爭ACK 信使節(jié)點(diǎn)的中間節(jié)點(diǎn)首先從 ［0，NAck－1－1］中隨機(jī)選擇一個時間片idx，再從 ［0.0，LAck］中隨機(jī)選擇一個片內(nèi)偏移offset，則最終的延時等待時間TAck如下所示

經(jīng)過兩次隨機(jī)選擇，各中間節(jié)點(diǎn)的等待時間被較大程度地離散化，有效降低了多個中間節(jié)點(diǎn)同時轉(zhuǎn)發(fā)ACK 報文的概率。

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)空洞修復(fù)機(jī)制

當(dāng)因網(wǎng)絡(luò)空洞造成廣播中斷時，中繼節(jié)點(diǎn)重復(fù)啟動重播定時器，不斷周期性的重播分組，直到有車輛進(jìn)入其信號覆蓋范圍內(nèi)或者消息過期。圖3展現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)空洞的修復(fù)過程：時刻1，中繼節(jié)點(diǎn)A需要轉(zhuǎn)播分組，而其傳輸范圍內(nèi)無車輛節(jié)點(diǎn)，即產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)空洞；時刻2，節(jié)點(diǎn)B進(jìn)入A 的信號覆蓋范圍內(nèi)，成為反向中繼節(jié)點(diǎn)，而其傳輸范圍內(nèi)也無其它節(jié)點(diǎn)，因此繼續(xù)周期性重播過程；時刻3，節(jié)點(diǎn)C進(jìn)入B的信號覆蓋范圍，成為同向廣播節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)空洞修復(fù)成功；若分組未過期，則繼續(xù)進(jìn)行分組的定向廣播。網(wǎng)絡(luò)空洞修復(fù)時間相對較長，對信息傳輸時延的影響較大，卻又不可避免。

圖3 網(wǎng)絡(luò)空洞修復(fù)過程

2.4 十字路口多中繼節(jié)點(diǎn)快速轉(zhuǎn)播機(jī)制

在十字路口場景中，各路段的中繼節(jié)點(diǎn)接收到廣播分組的時刻比較靠近，并可能同時嘗試轉(zhuǎn)播分組競爭信道。為減少隨機(jī)退避策略帶來的沖突和碰撞，DB－IA 通過合理設(shè)置退避時間來控制分組轉(zhuǎn)播隊列，使得十字路口的廣播中繼快速、有序完成，減少時延。

如圖4所示，節(jié)點(diǎn)B和C偵聽到節(jié)點(diǎn)A 的轉(zhuǎn)播，而后節(jié)點(diǎn)B開始延時退避和轉(zhuǎn)播，后續(xù)節(jié)點(diǎn)C 重復(fù)這個過程。DB－IA 加入網(wǎng)絡(luò)分配矢量NAV，其值設(shè)置足夠大，以保證列表上的中繼節(jié)點(diǎn)能不受干擾地完成各路段上的分組轉(zhuǎn)播。

圖4 十字路口多中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)播機(jī)制

3 協(xié)議仿真與性能評估

本文以NS－2作為網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，利用VanetMobiSim交通流仿真器限制車輛運(yùn)動的區(qū)域及軌跡，以廣播覆蓋率（REachability，RE）、廣 播 冗 余 抑 制 率 （saved ReBroadcast，SRB）、分組碰撞次數(shù) （number of collision，NoC）、端到端時延 （latency）為網(wǎng)絡(luò)性能評估指標(biāo)，分別對RBFI、ERD、UV－CAST 和本文提出的DB－IA 進(jìn)行仿真實驗和性能比較。

以上評估指標(biāo)定義如式 （8）～式 （10）所示，其中NRNt和NRNr分別是源節(jié)點(diǎn)后方車輛節(jié)點(diǎn)數(shù)和源節(jié)點(diǎn)后方接收到廣播分組的車輛節(jié)點(diǎn)數(shù)，NBNf是信道競爭后成為中繼節(jié)點(diǎn)的車輛節(jié)點(diǎn)數(shù)，TSr是源節(jié)點(diǎn)后方某節(jié)點(diǎn)首次接收到廣播分組的時間戳，TSs是源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生告警信息的時間戳

3.1 實驗環(huán)境與場景

本文利用VanetMobiSim 為車輛自組網(wǎng)設(shè)計了車輛移動的場景，設(shè)置的參數(shù)包括仿真區(qū)域，仿真區(qū)域被劃分塊數(shù)，其中運(yùn)動的車輛數(shù)，車輛移動的速度范圍，以及包含紅綠燈的岔路口個數(shù)。具體參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 VanetMobiSim 的仿真參數(shù)設(shè)置

仿真實驗在Otcl仿真配置腳本中設(shè)置相關(guān)實驗參數(shù)，見表2。其中，RB－FI處于 ［0，RAD＿TMAX］區(qū)間上，RAD＿TMAX 設(shè)置為100ms。Street－CAST 和ERD 的信標(biāo)交換周期設(shè)置為0.25 ms，而DB－IA 則根據(jù)密度、速度等參 數(shù) 計 算 信 標(biāo) 交 換 周 期。Street－CAST、RB－FI、ERD、UV－CAST 的MAC 協(xié) 議 均 采 用IEEE802.11DCF，而DBIA 則采用提出的改進(jìn)思想。

3.2 結(jié)果與分析

本文在不同告警信息產(chǎn)生時刻，對6種交通場景進(jìn)行仿真，最后統(tǒng)計獲得其平均值作為實驗結(jié)果，如圖5～圖8所示。

（1）4種協(xié)議的RE隨車輛節(jié)點(diǎn)密度呈遞增趨勢，且在高密度場景下都能達(dá)到100%。ERD 因缺乏分組確認(rèn)機(jī)制來修復(fù)稀疏路段的廣播中斷，RE 性能較差，原因在于：UV－CAST 協(xié)議指定SCF 節(jié)點(diǎn)緩存分組，并轉(zhuǎn)發(fā)給進(jìn)入其傳輸范圍內(nèi)且未收到該分組的鄰居節(jié)點(diǎn)，以確保所有路段的車輛節(jié)點(diǎn)都能接收到廣播分組；DB－IA 通過在中繼節(jié)點(diǎn)間單播ACK 分組進(jìn)行廣播分組確認(rèn)；RB－FI雖采用存儲－轉(zhuǎn)發(fā)策略，但節(jié)點(diǎn)分類錯誤使得實際情況中某些路段上不存中繼節(jié)點(diǎn)，從而影響RE性能。

表2 NS－2仿真實驗參數(shù)設(shè)置

圖5 不同車輛節(jié)點(diǎn)密度場景下的RE

圖6 不同車輛密度場景下的SRB

圖7 不同車輛密度場景下的NoC

圖8 不同車輛密度場景下的平均Latency

（2）DB－IA 和ERD 的冗余抑制效果接近且相對較好，RB－FI次 之，UV－CAST 相 對 最 差。ERD 和DB－IA 都 是 在得知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞幕A(chǔ)上，直接在每個路段上選擇最遠(yuǎn)且唯一的中繼節(jié)點(diǎn)，從而較大程度上減少了中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)目和廣播跳數(shù)。RB－FI由于分類錯誤問題，某一路段可能存在兩個或以上節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)播分組，廣播冗余抑制的效果不佳。在稀疏場景中，UV－CAST 中每個十字路口選擇的SCF 節(jié)點(diǎn)增加了轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)的個數(shù)，所以SRB性能相對RB－FI低。隨著節(jié)點(diǎn)密度的增加，UV－CAST 的SCF 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)播分組需求降低，而RB－FI的分類錯誤程度加劇，兩中協(xié)議的SRB性能的差距逐漸減小。

（3）4種協(xié)議的NoC都是車輛節(jié)點(diǎn)密度的遞增函數(shù)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度增大時，ERD的中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目不受影響，但信標(biāo)分組數(shù)量激增；ERD的分組碰撞比較嚴(yán)重。RB－FI中，節(jié)點(diǎn)分類錯誤增加了中繼節(jié)點(diǎn)的個數(shù)，而節(jié)點(diǎn)密度的增加使得距離相近的鄰居節(jié)點(diǎn)競爭信道，導(dǎo)致分組碰撞加劇。DB－IA 的NoC最小，原因在于：與ERD 相似，中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目基本不受節(jié)點(diǎn)密度變化的影響；自適應(yīng)信標(biāo)交換機(jī)制在節(jié)點(diǎn)密度增大時適度減少分組交換頻率，從而減少信標(biāo)分組的數(shù)量；針對十字路口各路段上的中繼節(jié)點(diǎn)同時轉(zhuǎn)播分組可能造成的碰撞，DB－IA通過設(shè)置遞增的退避時間來控制轉(zhuǎn)播順序，使得轉(zhuǎn)播快速、有序完成，很大程度上減少分組碰撞的概率。

（4）平均Latency曲線呈現(xiàn)兩邊高、中間低的形態(tài)，表明節(jié)點(diǎn)密度過低或過高都會降低廣播的實時性。無論在稀疏場景或稠密場景中，DB－IA 的實時性最好。

當(dāng)ρ＞10時，DB－IA 的中繼節(jié)點(diǎn)個數(shù)幾乎不受密度增加的影響；改進(jìn)的退避方式避免十字路口多中繼節(jié)點(diǎn)的分組碰撞，有效減少信道接入時延；自適應(yīng)信標(biāo)交換機(jī)制減小信標(biāo)的廣播周期，減少信標(biāo)分組與廣播分組的碰撞。ERD 中激增的信標(biāo)分組，UV－CAST 中多中繼節(jié)點(diǎn)的信道競爭，RB－FI中節(jié)點(diǎn)路段分類錯誤，使得它們的平均Latency比DB－IA 大。

當(dāng)ρ≤10時，ERD 由于沒有確認(rèn)和重播機(jī)制修復(fù)網(wǎng)絡(luò)空洞，廣播中斷帶來的時延較大。DB－IA 結(jié)合存儲－轉(zhuǎn)發(fā)和雙向傳輸策解決網(wǎng)絡(luò)空洞問題，修復(fù)時間相對短。RB－FI和UV－CAST 分別采用存儲－轉(zhuǎn)發(fā)和SCF節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)策略修復(fù)網(wǎng)絡(luò)空洞，但耗時相對DB－IA 長，平均Latency稍大。

當(dāng)ρ處于 （5，10］區(qū)間時，DB－IA 和ERD 的平均Latency小于RB－FI和UV－CAST，原因在于：DB－IA 和ERD在每個路段上選擇唯一的中繼節(jié)點(diǎn)，平均Latency隨著中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少而減少；RB－FI和UV－CAST 的廣播冗余效果不如前兩種協(xié)議，平均Latency有所增加。

4 結(jié)束語

本文在研究現(xiàn)有VANET 廣播協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對十字路口廣播協(xié)議存在的不足，提出了一種同時適用于高速公路和城市道路兩種場景的方向廣播協(xié)議DB－IA。根據(jù)周期性的信標(biāo)交換獲得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，在各路段上選擇最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)，減少了廣播跳數(shù)。采用自適應(yīng)信標(biāo)交換機(jī)制取代傳統(tǒng)的固定周期的信標(biāo)交換，減少了分組沖突和網(wǎng)絡(luò)開銷。通過ACK 分組確認(rèn)機(jī)制，提高廣播可靠性。通過給每個中繼節(jié)點(diǎn)設(shè)置遞增的退避時間，提高廣播實時性和可靠性。仿真結(jié)果表明，DB－IA 具有相對優(yōu)越的性能，適合交通安全類信息傳輸。

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