張建東

(吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,吉林 132000)

0 引 言

作為智能交通系統(tǒng) (Intelligent Transportation System，ITS)的最有前景技術(shù)，車載網(wǎng)絡(luò)(Vehicular Ad Hoc Networks，VANETs)[1-2]受到廣泛關(guān)注。VANETs使車輛能夠與周圍車輛或其他路邊設(shè)備進(jìn)行通信。通過(guò)車間 (Vehicle-to-Vehicle, V2V)通信和車與路邊設(shè)施(Vehicle-to-Infrastructure, V2I)通信實(shí)現(xiàn)道路信息、娛樂(lè)信息的交互，如圖1所示。路邊設(shè)備(Roadside Unit, RSU)就屬于路邊設(shè)施，車輛通過(guò)RSU可接入外網(wǎng)，或者連通離自己較遠(yuǎn)的車輛。

圖1 VANETs的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

盡管VANETs面臨了多項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)，但數(shù)據(jù)分發(fā)仍是亟待解決的問(wèn)題[3]。通常，周期性的消息并非時(shí)延-苛刻的。相反，安全或緊急消息是時(shí)延-苛刻消息，其要求盡快在極短時(shí)間內(nèi)將消息分發(fā)出去。例如，當(dāng)車輛發(fā)現(xiàn)一個(gè)事故，它就需要快速將此消息向外分發(fā)，致使后方車輛能夠避開此事故。這類消息就屬緊急消息(Emergency Messages, EMs)[4]。

廣播是分發(fā)EMs的最簡(jiǎn)單、快速的機(jī)制。但是廣播機(jī)制容易形成風(fēng)暴，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，降低了消息傳輸成功率。此外，若只是簡(jiǎn)單，粗暴地轉(zhuǎn)發(fā)自己所接收的EMs，而不考慮此EMs的可信度是存在安全風(fēng)險(xiǎn)。任意一輛車可以謊報(bào)EMs，甚至發(fā)動(dòng)一些惡意攻擊。

為了解決這些問(wèn)題，基于簇的消息分發(fā)機(jī)制得到了廣泛關(guān)注。車輛依據(jù)自己屬性形成簇，每個(gè)簇產(chǎn)生一個(gè)簇頭(Cluster Head, CH)，簇內(nèi)其他車輛稱為簇成員(Cluster Members, CMs)。引用簇機(jī)制有利于識(shí)別攻擊者，防止它們發(fā)送虛假的廣播預(yù)警消息。

為此，提出基于簇結(jié)構(gòu)的緊急消息傳輸策略(Clustering-based Emergency Message Transmission, CEMT)。CEMT策略先依據(jù)車輛屬性構(gòu)建簇，然后，再通過(guò)簇頭分發(fā)EMs。同時(shí)，為了抑制廣播風(fēng)暴問(wèn)題，通過(guò)設(shè)置定時(shí)器只允許離發(fā)送節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)的接收節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)播EMs。仿真結(jié)果表明，提出的CEMT策略能夠有效提高EMs的傳輸率，并降低了傳輸時(shí)延。

1 網(wǎng)絡(luò)模型

圖2 基于簇的V2V通信結(jié)構(gòu)

車輛依據(jù)專用短程通信技術(shù)(Dedicated Short Range Communications, DSRC)完成數(shù)據(jù)傳輸。DSRC主要工作于2.4 GHz頻段[5]。

2 CMET策略

2.1 簇形成

2.1.1興趣相似度

考慮車輛的興趣點(diǎn)。令車輛?i有m個(gè)興趣點(diǎn)，它的興趣矢量可表示為：

(1)

其中t表示時(shí)刻。

CMET策略依據(jù)車輛興趣相似性構(gòu)建簇。興趣信息包括停車、事故和交通擁塞。常通過(guò)兩個(gè)矢量角度測(cè)量?jī)蓚€(gè)矢量的相似性。由于CMET策略強(qiáng)調(diào)從車輛方向角度獲取簇信息。因此，車輛?i與車輛?j的興趣相似性可表示為：

(2)

假定車輛?i有N個(gè)鄰居車輛。則依據(jù)式(2)，車輛?i可以計(jì)算它與N鄰居車輛的興趣的平均相似度，如式(3)所示。

(3)

2.1.2平均距離

(4)

其中(xi,yi)表示車輛?i的位置，相應(yīng)地，(xj,yj)表示車輛?j的位置。

2.1.3平均車速

(5)

最后，依據(jù)車輛興趣均值，平均距離和平均車速構(gòu)成車輛成為簇頭資格(Cluster Head Eligibility, CHE)。車輛?i的CHE可依式(6)計(jì)算：

(6)

具有最高CHE的車輛成為簇頭。一旦成為簇頭，就廣播簇頭通告消息(Cluster Head Advertisements, CHA)。一旦收到CHA消息，就回復(fù)消息(Cluster Association Request, CAR)，成為CM。

2.2 EM消息的分發(fā)

提出CMET策略的主要目的就是減少分發(fā)EM的時(shí)延，提高EM消息的覆蓋率[6]。相比于EM，非時(shí)延-苛刻消息可以容忍一定的傳輸時(shí)延。此外，若采用廣播方式分為EM，則容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞。一旦收到EM，節(jié)點(diǎn)(車輛)就確認(rèn)其狀態(tài)。如果是CH，就立即將所接收的EM分發(fā)至它的所有成員CMs。

當(dāng)一個(gè)CM接收到EM消息后，它就設(shè)置定時(shí)器。定時(shí)時(shí)間與它離EM發(fā)送節(jié)點(diǎn)的距離成反比。距離越遠(yuǎn)，定時(shí)時(shí)間越短。因此，離發(fā)送節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)的車輛能夠轉(zhuǎn)播EM。通過(guò)該策略提高了EM的覆蓋區(qū)域，并避免因廣播風(fēng)暴而產(chǎn)生的時(shí)延，提高了數(shù)據(jù)包傳遞率[7]。

在傳統(tǒng)分發(fā)EM的策略中，CM是向CH轉(zhuǎn)發(fā)它接收的消息。而CH也是將消息分發(fā)至它的CMs。該策略增加了傳輸跳數(shù)[8]，最終，延長(zhǎng)了傳輸時(shí)延。為此，CMET策略依據(jù)離EM的發(fā)送距離設(shè)置定時(shí)器。

假定車輛?i收到車輛?j發(fā)送的EM，且車輛?i為CM。一旦收到EM，車輛?i就依據(jù)式(7)設(shè)置定時(shí)器Tij：

(7)

其中T表示定時(shí)時(shí)間的基準(zhǔn)值，dij為車輛?i與車輛?j的歐式距離。?·」表示向下取整函數(shù)。

一旦定時(shí)完畢，并且在定時(shí)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到其他CM轉(zhuǎn)播的EM，就立即轉(zhuǎn)播EM。若在定時(shí)時(shí)間內(nèi)，收到其他CM轉(zhuǎn)播的EM，則車輛就立即取消定時(shí)，并不轉(zhuǎn)播此EM。通過(guò)此策略，緩解廣播風(fēng)暴問(wèn)題。分發(fā)EM的整個(gè)流程如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)發(fā)EM的流程圖

3 性能分析

3.1 仿真平臺(tái)

利用OMNeT++[9]建立仿真平臺(tái)，分析CMET策略的性能?？紤]城市區(qū)域應(yīng)用場(chǎng)景，車輛隨機(jī)分布于十字路口，車輛密度從20～125輛車/公里(vehicles/km)。仿真時(shí)間為500 s。具體的仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

為了更好地分析CMET策略性能，選擇同類的基于簇的概率廣播(Clustering based probabilistic broadcasting, CPB)[10],基于簇的EM分發(fā)(Cluster-based EM dissemination, CEMD)[11]和簡(jiǎn)單的泛洪(Flooding)[12]策略。CPB是基于概率轉(zhuǎn)播，而CEMD策略是依據(jù)車輛狀態(tài)以及它的興趣區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。并選擇EM的覆蓋、傳輸時(shí)延以及消息傳遞率作為性能指標(biāo)。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1EM的覆蓋率

覆蓋率是指EMs分發(fā)的區(qū)域與仿真區(qū)域面積之比，其反映了EM達(dá)到率。圖4顯示了EM覆蓋率隨車輛密度的變化情況，其中車輛密度從20～125 vehicles/km變化。

從圖4可知，在低密度環(huán)境，CMET策略的覆蓋率與CPB相近，但Flooding算法的覆蓋率最高。但隨著車密度的增加，F(xiàn)looding算法的覆蓋率隨之快速下降。原因在于：當(dāng)車輛密度低時(shí)，F(xiàn)looding算法并不容易形成廣播風(fēng)暴，能夠使EM快速在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)分發(fā)。相反，CMET策略的覆蓋率逐漸上升。并且隨著車密度的增加，覆蓋率也趨于穩(wěn)定。這也說(shuō)明，CMET策略能夠有效地控制廣播風(fēng)暴，有效地分發(fā)EMs。

圖4 EM的覆蓋率

3.2.2傳輸時(shí)延

圖5顯示了EM的傳輸時(shí)延，其中傳輸時(shí)延是指將EM傳輸至目的節(jié)點(diǎn)的時(shí)間。

圖5 傳輸時(shí)延

從圖5可知，在車密度的變化期間，CMET策略的平均傳輸時(shí)延優(yōu)于CPB、CEMD和Flooding。然而，F(xiàn)looding算法在低車輛密度環(huán)境時(shí)，它的時(shí)延最低，但是隨著車輛密度的增加，F(xiàn)looding算法的傳輸時(shí)延反而最高，這也證實(shí)廣播風(fēng)暴對(duì)數(shù)據(jù)傳輸性能的影響。

3.2.3消息傳遞率

最后，分析CMET策略的消息傳遞率。消息傳遞率等于目的節(jié)點(diǎn)所接收的消息數(shù)與總體傳輸?shù)南?shù)之比。

圖6 消息傳遞率

從圖6可知，相比于CPB、CEMD和Flooding算法，提出的CMET策略的消息傳遞率最高。這歸功于：CMET策略通過(guò)車輛的屬性，包括位置、移動(dòng)速度以及興趣點(diǎn)，構(gòu)建簇，再依據(jù)簇結(jié)構(gòu)分發(fā)EM消息。而Flooding算法的消息傳遞率最低。這主要因?yàn)椋涸贔looding算法中，車輛只是簡(jiǎn)單地轉(zhuǎn)發(fā)其所接收的消息，其極容易形成網(wǎng)絡(luò)擁塞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包碰撞，最終，降低了消息傳遞率。

4 總 結(jié)

部署車載網(wǎng)絡(luò)的根本目的在于共享安全消息，提高車輛行駛安全以及交通管理效率。安全消息屬于緊急消息，具有時(shí)延-苛刻特性。相比于廣播策略，基于簇結(jié)構(gòu)的消息傳輸策略具有一定的優(yōu)勢(shì)。為此，本文提出基于簇結(jié)構(gòu)的緊急消息傳輸算法CMET。CMET策略先構(gòu)建穩(wěn)定的簇，然后，再依據(jù)簇結(jié)構(gòu)傳輸消息。同時(shí)，對(duì)消息的轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)進(jìn)行限制，只允許滿足條件的車輛轉(zhuǎn)播消息。仿真結(jié)果表明，提出的CMET策略能夠有效地提高消息傳遞率，并降低了傳輸時(shí)延。