張建東
(吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,吉林 132000)
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。通過車間 (Vehicle-to-Vehicle, V2V)通信和車與路邊設(shè)施(Vehicle-to-Infrastructure, V2I)通信實現(xiàn)道路信息、娛樂信息的交互,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面臨了多項技術(shù)挑戰(zhàn),但數(shù)據(jù)分發(fā)仍是亟待解決的問題[3]。通常,周期性的消息并非時延-苛刻的。相反,安全或緊急消息是時延-苛刻消息,其要求盡快在極短時間內(nèi)將消息分發(fā)出去。例如,當(dāng)車輛發(fā)現(xiàn)一個事故,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。任意一輛車可以謊報EMs,甚至發(fā)動一些惡意攻擊。
為了解決這些問題,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,每個簇產(chǎn)生一個簇頭(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,再通過簇頭分發(fā)EMs。同時,為了抑制廣播風(fēng)暴問題,通過設(shè)置定時器只允許離發(fā)送節(jié)點遠(yuǎn)的接收節(jié)點轉(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,并降低了傳輸時延。
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]。
2.1.1興趣相似度
考慮車輛的興趣點。令車輛?i有m個興趣點,它的興趣矢量可表示為:
(1)
其中t表示時刻。
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。常通過兩個矢量角度測量兩個矢量的相似性。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個鄰居車輛。則依據(jù)式(2),車輛?i可以計算它與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。
提出CMET策略的主要目的就是減少分發(fā)EM的時延,提高EM消息的覆蓋率[6]。相比于EM,非時延-苛刻消息可以容忍一定的傳輸時延。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(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CM接收到EM消息后,它就設(shè)置定時器。定時時間與它離EM發(fā)送節(jié)點的距離成反比。距離越遠(yuǎn),定時時間越短。因此,離發(fā)送節(jié)點遠(yuǎn)的車輛能夠轉(zhuǎn)播EM。通過該策略提高了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,延長了傳輸時延。為此,CMET策略依據(jù)離EM的發(fā)送距離設(shè)置定時器。
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)置定時器Tij:
(7)
其中T表示定時時間的基準(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)。
一旦定時完畢,并且在定時時間內(nèi)沒有收到其他CM轉(zhuǎn)播的EM,就立即轉(zhuǎn)播EM。若在定時時間內(nèi),收到其他CM轉(zhuǎn)播的EM,則車輛就立即取消定時,并不轉(zhuǎn)播此EM。通過此策略,緩解廣播風(fēng)暴問題。分發(fā)EM的整個流程如圖3所示。
圖3 轉(zhuǎn)發(fā)EM的流程圖
利用OMNeT++[9]建立仿真平臺,分析CMET策略的性能??紤]城市區(qū)域應(yīng)用場景,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、傳輸時延以及消息傳遞率作為性能指標(biāo)。
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,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傳輸時延
圖5顯示了EM的傳輸時延,其中傳輸時延是指將EM傳輸至目的節(jié)點的時間。
圖5 傳輸時延
從圖5可知,在車密度的變化期間,CMET策略的平均傳輸時延優(yōu)于CPB、CEMD和Flooding。然而,F(xiàn)looding算法在低車輛密度環(huán)境時,它的時延最低,但是隨著車輛密度的增加,F(xiàn)looding算法的傳輸時延反而最高,這也證實廣播風(fēng)暴對數(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策略通過車輛的屬性,包括位置、移動速度以及興趣點,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。這主要因為:在Flooding算法中,車輛只是簡單地轉(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。
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。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,對消息的轉(zhuǎn)播節(jié)點進(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,并降低了傳輸時延。