鄧向林

(湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙410132)

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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*

鄧向林

(湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙410132)

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。

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

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)、長度為原路寬的區(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。

(1)

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：

(2)

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：

(3)

類似地，可以由下式求解Ntotal：

(4)

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)該街道長為L，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。基于以上模型及求解，設(shè)計(jì)自適應(yīng)的緊急信息廣播機(jī)制如下。

(1)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。

(3)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。

(4)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。

(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)源車輛位于正中央位置，街道長度均為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。

[1] 劉海珠.道路交通事故嚴(yán)重程度影響因素分析及預(yù)測(cè)模型建立[D].長春：吉林大學(xué)，2014.

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Research on adaptive emergency message broadcast control mechanism for VANET

Deng Xianglin

(Hunan Communication Polytechnic, Changsha 410132, China)

The rapid development of road traffic brings not only the huge social wealth, but also the painful cost of traffic accidents. In order to reduce the harm of traffic accidents, people pay more attention to the research of intelligent transportation system(ITS). In this paper, a set of information broadcasting mechanism is designed based on the vehicular ad-hoc networks (VANET) in the urban road traffic environment. Because the emergency information is released quickly and effectively, the drivers can avoid the dangerous area early. Simulation results show that the reliability of the mechanism can achieve the expected result, and it can reduce the load of the communication network effectively.

intelligent transportation system;vehicular ad-hoc networks;adaptive broadcasting mechanism

湖南省交通運(yùn)輸廳科技進(jìn)步與創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(201138)；全國交通運(yùn)輸職業(yè)教育科研項(xiàng)目(2013B41)

U463.6；TP29

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.20.014

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.

2016-06-21)

鄧向林(1979-)，女，本科，助理研究員,實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)教育、智慧交通。