程黛月，章國安，葉 翔

（南通大學(xué)電子信息學(xué)院 南通 226019）

1 引言

近些年來，VANET（車輛自組織網(wǎng)絡(luò)）中的緊急消息傳輸在智能交通系統(tǒng)（intelligent transportation system，ITS）里引起了重要關(guān)注。車輛自組織網(wǎng)絡(luò)主要通過廣播的方式傳播緊急消息。這樣的廣播方式主要依賴于被許可的專用短程通信，如IEEE 802.11p和IEEE P1609.4標(biāo)準(zhǔn)[1,2]。然而，由于車輛自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的高速移動、節(jié)點密度頻繁變化、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不穩(wěn)定以及信道資源有限等特點，使得快速可靠地廣播緊急消息成為極大的挑戰(zhàn)[3]。而近期的研究表明，最初的IEEE 802.11p的MAC子層標(biāo)準(zhǔn)并不適用于VANET中對緊急消息的及時廣播。

目前在VANET中廣播協(xié)議方面的研究主要有以下幾種。

[4]提出RTB/CTB握手方案，解決隱藏終端問題。然而，其性能分析結(jié)果顯示，它具有較高的通信時延。

·參考文獻(xiàn)[5]針對參考文獻(xiàn)[4]存在的問題，提出了智能廣播（SB）協(xié)議，該協(xié)議具有較短的通信時延，然而它對網(wǎng)絡(luò)變化的適應(yīng)性較差。

·參考文獻(xiàn)[6]提出了機會廣播（OB-VAN）協(xié)議，目的是滿足安全應(yīng)用所需的嚴(yán)格時間約束和較高的投遞率。然而當(dāng)多個節(jié)點選取同一個退避值時，會發(fā)生嚴(yán)重的沖突。

·參考文獻(xiàn)[7]提出了BPAB（binary partition assisted broadcast）協(xié)議，目的是減少并穩(wěn)定廣播時延。從性能分析結(jié)果中看出，BPAB協(xié)議相比于其他協(xié)議，如SB協(xié)議，在平均消息傳播速度方面具有更好的性能表現(xiàn)。但是在協(xié)議初始階段，該機制并未賦予緊急消息最高優(yōu)先級，從而在協(xié)議初始階段消耗更多時間。

本文針對參考文獻(xiàn)[7]的不足，提出了一種改進(jìn)的二元分割廣播協(xié)議（MBPAB協(xié)議），該協(xié)議能夠更大地降低廣播時延，提高消息傳播速度。

2 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型如圖1所示，這場景為高速公路。在該場景中，假設(shè)沒有路邊單元等基礎(chǔ)設(shè)施用于通信支持。

圖1 系統(tǒng)模型

圖1 中，車輛在高速公路中移動，它們之間通過IEEE 802.11p網(wǎng)絡(luò)通信接口直接通信。在這個模型中，來自所有方向的車輛都可以加入緊急消息的傳播。有效地利用反向交通，能夠在傳播方向上有效地延伸傳播距離。這種通信一般用于節(jié)點對等網(wǎng)絡(luò)。

3 協(xié)議描述

本文針對BPAB協(xié)議，提出了一些改進(jìn)方法，主要是在緊急消息接入信道前加入mini-DIFS[7]來減小競爭時間。mini-DIFS能夠為緊急消息提供快速的信道接入。二元分割主要減小競爭抖動以及在每一跳中選擇合適的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點（離消息源節(jié)點最遠(yuǎn)的節(jié)點）。因此它實現(xiàn)了較快的平均傳播速度。此外，類似于IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)下的請求廣播/清除廣播（RTB/CTB）握手機制也被運用到協(xié)議中，用來解決多跳無線網(wǎng)絡(luò)中的隱藏終端的問題。最后，在沖突解決和數(shù)據(jù)傳輸階段，發(fā)生碰撞的消息被重新發(fā)送。改進(jìn)的二元分割的全部過程如圖2所示。每個階段細(xì)節(jié)如下所示。

（1）本協(xié)議使用mini-DIFS，其基本思想是將DIFS劃分為多個時隙，有緊急消息的節(jié)點隨機選擇幾個時隙（而不需要再等待整個DIFS），判斷信道是否閑忙。DIFS的時隙劃分如圖3所示，這里DIFS的時隙劃分為w個。圖4表示用于判斷信道狀態(tài)等待的一個隨機時間。

微時隙的長度l以及微時隙的數(shù)量w的計算式如下：

圖2 改進(jìn)的二元分割過程

圖3 DIFS劃分

圖4 等待時間

其中，δ是在傳輸范圍R內(nèi)的最大信道傳播時延。Tswitch是收發(fā)器在發(fā)送和接收模式之間的轉(zhuǎn)換所需要的時間。TDIFS和TSIFS分別對應(yīng)于DIFS和SIFS的標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)時間。一旦通信信道進(jìn)入閑置狀態(tài)，為賦予緊急消息優(yōu)先權(quán)，嘗試廣播緊急消息的車輛將從（0，w]中隨機選取第i個微時隙。等待時間Tw最終被計算成：

mini-DIFS階段結(jié)束后，發(fā)送端發(fā)送一個RTB數(shù)據(jù)分組，等待來自下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點響應(yīng)的CTB數(shù)據(jù)分組。利用RTB/CTB機制解決隱藏終端和廣播風(fēng)暴問題[8]。在發(fā)送節(jié)點傳輸范圍內(nèi)，接收到RTB消息的所有車輛同時廣播出一個黑脈沖消息BA，即干擾信號。一旦發(fā)送端接收到BA，便判斷出消息傳播方向區(qū)域內(nèi)至少有一個候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。這種情況下，將進(jìn)入二元分割進(jìn)程。否則，發(fā)送節(jié)點會判定，傳播方向內(nèi)沒有候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。那么發(fā)送節(jié)點會等待一定時間，然后重新開始mini-DIFS過程。

（2）收到發(fā)送節(jié)點的RTB分組后，所有潛在的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點同時廣播黑脈沖BA，告知發(fā)送節(jié)點存在潛在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。下一步就是選取離發(fā)送節(jié)點最遠(yuǎn)的可能的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，再以每跳最大通信范圍向下一跳轉(zhuǎn)發(fā)緊急消息，這可以通過二元分割機制實現(xiàn)。

（3）碰撞處理機制：最后一輪二元分割過程結(jié)束后，可能發(fā)生CTB碰撞。這種情況下，所選區(qū)域內(nèi)，退避時間未結(jié)束的車輛將繼續(xù)進(jìn)行倒計時，因此，它們最終也會成為一個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。

超時階段（由最大競爭窗口時間Cw和廣播CTB數(shù)據(jù)分組的時間（Ttimeout=maxcw+TCTB）組成）結(jié)束后，若發(fā)送節(jié)點未能收到CTB，它將僅需圖2（b）所示的一半的時隙通過廣播黑脈沖來重啟該進(jìn)程。一旦探測到半個時隙的黑脈沖，在所選區(qū)域的候選節(jié)點通過選擇新的Cw值相互重新競爭。該進(jìn)程在設(shè)定的閾值內(nèi)重復(fù)執(zhí)行，直到CTB被成功發(fā)送。否則，若重新競爭次數(shù)超出預(yù)先設(shè)定的閾值，候選節(jié)點競爭進(jìn)程將被終止。

4 協(xié)議性能參數(shù)

4.1 單跳時延Td

單跳時延指的是緊急消息被收到至轉(zhuǎn)發(fā)給中繼節(jié)點的時間。如圖2（a）所示，即：

其中，TI表示初始化時間，TP表示分割時間，TC表示競爭時間，TB表示消息傳播時間。

（1）初始時間TI

初始時間是指緊急消息被收到至RTB數(shù)據(jù)分組成功傳播的時間。因此，它由mini-DIFS時間Tm以及RTB數(shù)據(jù)分組廣播時間TRTB組成，如下：

在mini-DIFS進(jìn)程的競爭階段時間內(nèi)，會經(jīng)歷下面3種情況之一。

·空閑：沒有車輛廣播RTB，并且信道在整個mini-DIFS時隙中都處于空閑狀態(tài)。

·成功：只有一個車輛廣播RTB，廣播成功。

·碰撞：同時有多輛車廣播RTB，發(fā)生碰撞。

3種情況下的平均初始時間的持續(xù)時間分別為：

其中，Tm_idle是信道處于空閑狀態(tài)的時間。Tm_suc是成功傳播RTB時間。Tm_col表示平均碰撞時間，由TRTB和mini-DIFS階段間的平均競爭時間Tm_cont組成。

設(shè)w為mini-DIFS的時隙數(shù)。因此，一個節(jié)點在給定時隙內(nèi)初始化一次廣播的概率為pm=1/w。因為緊急消息事件發(fā)生概率非常小，并且獨立于其他事件，無記憶進(jìn)程和數(shù)據(jù)分組之間的獨立模型適用于這種情況。因此，假設(shè)緊急消息的是以到達(dá)率為λm（本文默認(rèn)為5緊急分組/s）的泊松隨機過程到達(dá)的。根據(jù)泊松隨機過程，空閑、成功以及碰撞情況下的概率如下：

每種情況獨立發(fā)生，在成功發(fā)送RTB前發(fā)送失敗的次數(shù)是以期望值為fm的幾何分布，期望值計算如下：

假設(shè)在一個mini-DIFS階段，空閑和碰撞情況都表示通信失敗。因此，失敗的mini-DIFS時隙的持續(xù)時間期望值Tm_fail為：

因此，在mini-DIFS階段所需的平均時間Tm為：

將式（14）代入式（5），可得初始時間為：

（2）分割時間TP

分割時間是在分割機制中消耗的時間：

其中，n是任何多進(jìn)制分割機制的基礎(chǔ)值，本文n值取2；N是分割迭代次數(shù)。TSlotTime是時隙的持續(xù)時間。

（3）競爭時間TC

假定單位區(qū)域內(nèi)的車輛數(shù)是一個隨機的變量，該變量服從均值為λ的泊松分布。因此在任意具有N次迭代的n元分割機制的每個區(qū)域的車輛數(shù)將是一個均值為μ=λ/nN的泊松隨機變量。

與mini-DIFS階段相似，競爭階段也會經(jīng)歷下面3種情況之一。

·空閑：沒有車輛廣播CTB，信道在整個時隙里保持空閑。

·成功：只有一個車輛廣播CTB，CTB傳播成功。

·碰撞：同時有多個車輛廣播CTB，發(fā)生碰撞。每種情況下消耗的時間分別為：

其中，Tc_idle等同于TSlotTime。Tc_suc由CTB的傳播時間TCTB、SIFS階段的時間TSIFS以及數(shù)據(jù)傳播持續(xù)時間TData組成。Tc_col由TCTB和DIFS階段的TDIFS組成。

每一次Cw的選擇的概率為p=1/Cw，這里的Cw是指每次分割可獲得的競爭窗口的個數(shù)。因此，3種情況下的概率分別為：

由于在成功傳播CTB前的競爭次數(shù)等于源節(jié)點廣播的黑脈沖的次數(shù)，競爭時間可計算為：

成功傳播CTB之前的失敗嘗試次數(shù)是以期望值為f的幾何分布，Tc_fail是失敗時隙的預(yù)期持續(xù)時間。每個參數(shù)的計算如下：

（4）廣播傳輸時間TB

TB用來表示廣播傳輸時間，它由CTB成功發(fā)送時間TCTB、SIFS時間TSIFS以及數(shù)據(jù)傳輸時間TData組成，計算如下：

將式（15）、式（16）、式（23）以及式（26）代入式（4）中，單跳時延可計算為：

4.2 平均單跳廣播進(jìn)展β

平均單跳廣播進(jìn)展指每一跳信息廣播的平均距離。協(xié)議將通信范圍劃分為2N個區(qū)域。若假設(shè)，最終的中繼節(jié)點在相應(yīng)區(qū)域中的某處，那么在第i（i=1,2,…,2N）個區(qū)域消息進(jìn)度（用Mi表示）可表示為：

當(dāng)某路段存在節(jié)點且比這個路段更遠(yuǎn)的路段為空白的，那么這個路段即被選定。則空白和非空白區(qū)域的概率分別為：

若在區(qū)域j（j>i）不存在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，那么區(qū)域i將成為選中的區(qū)域。因此：

那么，平均單跳廣播進(jìn)展β可表示為：

4.3 消息傳播速度ν

消息傳播速度定義為每秒廣播緊急消息的平均距離，即單跳廣播進(jìn)展除以通信時延的值。

5 仿真分析

本文采用單跳時延、單跳消息進(jìn)展和消息傳播速度3個性能指標(biāo)來評估協(xié)議的性能。仿真條件假設(shè)如下：

·車輛在高速公路上是隨機分布的，所有車輛都相對運動，具有固定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

·Cw為競爭窗口大小，本文選取其值為4，N為其迭代次數(shù)，本文取值為3；

·單位區(qū)域內(nèi)的車輛數(shù)是一個均值為λ的泊松分布的隨機變量；

·通信范圍近似為單位區(qū)域的長方形；

·忽略車輛節(jié)點的移動性對廣播性能的影響；

·源節(jié)點發(fā)送的緊急消息能被其通信范圍內(nèi)的所有節(jié)點接收。

本文考慮一個1 500 m長的高速公路環(huán)境，車輛位置的分布服從泊松過程，每輛車上都安裝了無線通信設(shè)備，具體參數(shù)值見表1。

表1 性能仿真參數(shù)

圖5 單跳時延隨車輛密度變化曲線

MBPAB協(xié)議和BPAB協(xié)議以及SB協(xié)議的單跳時延隨車輛密度變化的曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，SB協(xié)議在車輛密度較低的情況下，單跳時延較低，但是當(dāng)車輛密度大于25輛/單位區(qū)域時，其單跳時延快速增長，并不適用于車輛密度較高時緊急消息的傳播。當(dāng)車輛密度從5增大到40的過程中，BPAB和MBPAB的單跳時延見表2。

表2 BPAB與MBPAB單跳時延

從表2可看出，當(dāng)車輛密不斷增加時，BPAB和MBPAB協(xié)議的單跳時延緩慢增加，同時，MBPAB協(xié)議的時延比BPAB協(xié) 議 的 時 延 低14.7μs，MBPAB協(xié) 議 引 入 了mini-DIFS，使緊急消息擁有最高優(yōu)先級接入信道，從而為消息的傳播爭取更多有效時間，使緊急消息能夠有效地廣播出去。

圖6比較了3種協(xié)議的單跳廣播進(jìn)展隨著車輛密度的變化曲線。從圖6中可以看出，SB協(xié)議隨著車輛密度的增大，單跳廣播進(jìn)展在車輛密度達(dá)到15輛/單位區(qū)域后，呈下降趨勢，說明該協(xié)議在車輛網(wǎng)絡(luò)發(fā)生異常情況下（如交通事故場景中），容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，不能將消息可靠地廣播出去。MBPAB協(xié)議與原BPAB協(xié)議的單跳廣播進(jìn)展曲線是一致的，隨著車輛密度的上升，其單跳廣播進(jìn)展緩慢增長，并且當(dāng)車輛密度增大時，單跳廣播進(jìn)展能達(dá)到最大傳播范圍的94%，說明MBPAB協(xié)議能保證消息傳播的可靠性。

圖7比較了3種協(xié)議的消息傳播速度隨車輛密度變化的性能曲線。從圖7中可以看出，車輛密度低于15輛/單位區(qū)域時，SB協(xié)議消息傳播速度高于2 000 m/s，其性能優(yōu)于MBPAB協(xié)議；當(dāng)車輛密度高于15輛/單位區(qū)域時，SB協(xié)議消息傳播速度呈逐漸下降趨勢，說明該協(xié)議適用于車輛密度稀疏的網(wǎng)絡(luò)，而在高車輛密度網(wǎng)絡(luò)下，協(xié)議性能變差。從MBPAB和BPAB協(xié)議的消息傳播速度曲線比較中，發(fā)現(xiàn)MBPAB協(xié)議由于采用了mini-DIFS，平均傳輸速度相較于原協(xié)議提升了大概75 m/s。這種提升是因為mini-DIFS機制賦予緊急消息較高的優(yōu)先權(quán)，降低了接入時延，提高了消息傳播速度，從而改善協(xié)議的性能。

圖6 平均單跳廣播進(jìn)展隨車輛密度變化曲線

圖7 消息傳播速度隨車輛密度變化曲線

6 結(jié)束語

本文提出了一種改進(jìn)的二元分割廣播協(xié)議，賦予緊急消息最高的優(yōu)先級接入信道，通過分析推導(dǎo)獲得單跳時延、平均單跳廣播進(jìn)程以及消息傳播速度的計算式。仿真結(jié)果表明，MBPAB協(xié)議與BPAB、SB協(xié)議相比，降低了單跳廣播時延并且提高了消息傳播速度，增強了廣播協(xié)議的有效性和可靠性。

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