車聯(lián)網(wǎng)中可靠快速信息分發(fā)技術(shù)研究

顏雄詩 劉靜 吳志超

摘 要： 提出了一種可靠快速的信息分發(fā)（RRMD）協(xié)議，該協(xié)議采用面向發(fā)信者的方案，即由發(fā)信者選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)者.考慮了車輛的分布特性、信道特征、鏈路可用性、信號沖突概率、傳輸時延和排隊時延等因素對信息傳輸?shù)挠绊?，設(shè)計了一個端到端時延計算公式，并將其定義為優(yōu)先級函數(shù)，用于下一跳節(jié)點的選擇.理論分析和仿真結(jié)果證明了該協(xié)議的優(yōu)越性.

關(guān)鍵詞： 信息分發(fā)協(xié)議; 信號衰減和沖突; 面向發(fā)信者方案; 最小時延

中圖分類號： TN 929.52文獻標(biāo)志碼： A文章編號： 1000-5137（2019）01-0075-06

Abstract： In this paper，a reliable and rapid message dissemination （RRMD） protocol was proposed.The improved protocol adopted a sender-oriented scheme in which a source dominated the selection of forwarders.The factors that might have an impact on the transmission of messages such as vehicle distribution characteristics，channel characteristics，link availability，signal collision probability，accessing delay and queuing delay were taken into account.Thus，an end-to-end delay calculation scheme was designed and used as a priority function to select the next forwarder.Theoretical analysis and simulation results demonstrated the superiority of the proposed protocol.

Key words： vehicular ad hoc networks （VANETs）; signal attenuation and collision; sender-oriented scheme; minimum time delay

0 引 言

車聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)和智能交通系統(tǒng)的有機結(jié)合，也是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高速動態(tài)場景中的重要應(yīng)用.但車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用面臨著許多挑戰(zhàn)，主要集中在兩個方面：一方面在網(wǎng)絡(luò)中，車輛頻繁接入和離開網(wǎng)絡(luò)，使得通信鏈路可用性較差;另一方面，在通信中，由于通信環(huán)境的多樣性，需設(shè)計合適的信息分發(fā)協(xié)議，以滿足信息傳輸?shù)母呖煽啃院偷蜁r延的要求[1].

為解決上述問題，本文作者提出了一種可靠快速的信息分發(fā)（RRMD）協(xié)議.該協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)接入方面，基于車輛分布特性，提出了一種考慮鏈路可用性、信號沖突、傳輸時延和排隊時延等因素的計算公式;在信道環(huán)境方面，該協(xié)議考慮信道衰減對數(shù)據(jù)包有效接收的影響，并采用面向發(fā)信者方案，以期保證在一定成功接收率的前提下，實現(xiàn)端到端的最小時延.

1 可靠快速的信息分發(fā)（RRMD）協(xié)議

1.1 系統(tǒng)模型

考慮高速公路場景中，車輛配備了GPS、數(shù)字地圖和計算設(shè)備，周期性地廣播信標(biāo)消息，將車輛的狀態(tài)信息告知鄰居車輛.在RRMD協(xié)議中，車輛通過接收信標(biāo)，收集鄰居車輛的信息，并生成鄰居列表.如果在一定時間內(nèi)，沒有接收到某個鄰居車輛更新信標(biāo)的消息，則在鄰居列表中將該鄰居車輛信息刪除.鄰居列表中的每個成員由以下信息組成：車輛ID、車輛速度、車輛移動方向、車輛優(yōu)先級的值、車輛橫坐標(biāo)、鄰居車輛數(shù).

2 仿真結(jié)果

2.1 仿真設(shè)置

為評估RRMD協(xié)議的性能，對RRMD協(xié)議進行仿真，仿真場景為雙向高速公路.其中，道路總長為4 km，60～130輛車在高速公路上移動，MAC層采用802.11p協(xié)議EDCA機制，信道衰落形狀因子m=1.5，發(fā)射功率為20 mW，接收靈敏度為-90 dBm，數(shù)據(jù)包和信標(biāo)消息的大小分別為256 B與70 B，信道帶寬為4 Mbit·s-1，數(shù)據(jù)包和信標(biāo)消息發(fā)送的時間間隔分別為0.05 s和1.00 s，車輛速度變化范圍為10～30 m·s-1，車輛間的平均距離取30，50，70 m.

2.2 仿真性能指標(biāo)

為評估Slotted 1-p，MCDS-alter以及RRMD協(xié)議的性能，探討如下3種性能指標(biāo)：

1） 成功接收率（PDR），表示目的車輛成功接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)與信源發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)的比值，體現(xiàn)信息分發(fā)協(xié)議的可靠性.

2） 端到端時延（EED），表示數(shù)據(jù)包從信源到目的車輛所花費的時延，體現(xiàn)信息分發(fā)協(xié)議的及時性.

3） 單跳時延（OD），表示信息分發(fā)協(xié)議中一跳轉(zhuǎn)發(fā)的平均時延.

2.3 仿真結(jié)果與分析

圖1給出了車輛密度為0.02車·m-1下，不同端到端距離下，3種算法的成功接收率、端到端時延以及單跳時延.

圖1（a）中，Slotted 1-p，MCDS-alter，RRMD協(xié)議的PDR都能達(dá)到80%以上.當(dāng)部分車輛分布在一個較小的范圍內(nèi)時，在Slotted 1-p 協(xié)議中，多輛車可能會選擇相同的通信時隙，而面向發(fā)信者方案的MCDS-alter和RRMD協(xié)議，由發(fā)信者設(shè)定每個鄰居車輛的等待時間，減少了Slotted 1-p協(xié)議中產(chǎn)生的沖突.相對于MCDS-alter協(xié)議，RRMD協(xié)議增加了對可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)包沖突和鏈路可用性的考量，所以成功接收率最高.