基于IEEE1609網絡的路況信息廣播方法研究

陳錦花

（南通大學 現代教育技術中心，南通 226019）

0 引言

利用信息與通信技術(ICT)來達成智能運輸系統(ITS)已經是近年來重要的研究方向，包含車輛駕駛安全應用和電子收付費系統(ETC)等，為了滿足上述需求，車載專用短距離通訊(WAVE/DSRC)聯盟已經形成，并采用IEEE1609作為網絡層[1]。

IEEE1609/IEEE802.11p通信協議架構定義了無線通信設備在車輛上(OBU)，與道路旁(RSU)，其工作頻帶在5855至5925MHz，協議分成七個頻道，每個頻道為10MHz；第四個頻道是控制頻道，編號178，其他六個頻道是服務頻道，編號分別為172、174、176、180、182和184。在時間軸方面，協議規范的控制頻道與服務頻道每隔50毫秒相互切換，但時間參數可按照實際情形進行調整[2]。

1 路況信息廣播算法

IEEE1609網絡中實時路況信息廣播的兩個重要問題。

第一個問題是RSU在自己控制周期的控制頻道內廣播WSA，但OBU卻在服務周期的服務頻道內，這就使得OBU無法接收RSU廣播的實時路況信息指引，導致RSU與OBU在傳輸距離無法溝通，我們稱之為周期不匹配問題。

第二個問題是兩個OBUs在某一個服務頻道內交互過長時間，超過多個服務/控制周期，但沒有切換至控制頻道，因此，在此期間，兩個OBUs便無法接收RSU廣播的實時路況信息引指，我們稱之為交易驅使消失問題。

我們提出動態頻道切換協議來初步解決上述兩個問題；廣播后退計時器機制來進一步提升動態頻切換協議的效率。

1.1 動態頻道切換協議

因為IEEE1609規范了一個控制頻道與六個服務頻道[3]。我們用C表示控制頻道，S1、S2、S3、S4、S5和S6表示服務頻道，因此共可產生12種頻道切換模式，前六種頻道切換模式從控制頻道開始，分別為 (C,S1)、(C,S2)、(C,S3)、(C,S4)、(C,S5)、(C,S6)，接下來六種頻道切換模式從服務頻道開始，分別為 (S1,C)、(S2,C)、(S3,C)、(S4,C)、(S5,C)、(S6,C)，因為周期不匹配問題的存在，后六種頻道切換模式在時間軸上與前六種正好相反，如圖1所示。

另外，RSU的頻道切換模式只是上述12種模式其中一種，如果OBU按照和RSU相同的頻道切換模式，則在控制周期內，采用控制頻道C聽取RSU的指引切換到服務周期后，采用服務頻道S1來聽取RSU廣播的路況信息。但是因為OBU可能和其它OBU交互過久，或OBU的頻道切換模式與RSU不同，導致根本無法有效廣播路況信息，這就是RSU與OBU的周期不匹配問題與交易驅使消失問題。

因此，在一區域內，RSU欲廣播路況信息時，它會在WSA封包內，選擇一種頻道切換模式，以廣播其路況信息。任何一OBU在此區域內，收到該WSA封包后，采用RSU的頻道切換模式，再接收其路況信息，當知悉后，再選擇另一種不同于RSU的頻道切換模式，幫助該路況信息廣播，直到該路況信息的時限到期，或是超過該規定區域。下面，我們正式定義所提出的動態頻道切換協議。

1）當一個RSU要廣播路況信息時，它會選擇上述12種頻道切換模式的一種，在控制周期內廣播WSA與在服務周期內廣播WSM；在WSA封包內，會指示該RSU頻道切換模式，并告知周圍OBU，未來的服務周期內，采用哪種頻道，提供哪種路況信息。

2）當一個OBUx接收到RSU廣播的WSA封包后，首先它會按照WSA的指示，選擇與RSU相同的頻道切換模式，并在連續的控制/服務周期內，接收完所有的路況信息；接著OBUx回到控制頻道C等待。

3）每一個OBU也要選定一個頻道切換模式去廣播路況信息時；首先OBUx在廣播后退計時器(在1.2討論如何改善廣播后退計時器機制)未到期前，OBUx會盡可能接收周圍OBUs所選擇的頻道切換模式，并在廣播后退計時器到后，在控制頻道C發出WSA封包，選擇某一尚未選取的頻道切換模式去廣播路況信息，如果12種頻道切換模式都被選完，就保持安靜。

4）每一個OBU重復步驟(2)與(3)，直到該路況信息時限到期或是OBU行駛超過該路況信息服務范圍。

圖1 12種頻道切換模式

用一個例子來說明動態頻道切換協議，如圖2所示，道路上有一個RSU和四個OBU，分別為OBU1、OBU2、OBU3和OBU4。我們假設RSU有路況信息要廣播并選擇頻道切換模式(C,S1)，在控制頻道C上廣播WSA封包與服務頻道S1上廣播WSM封包，此時，OBU1、OBU3都與RSU在相同的頻道切換模式(C,S1)，故經過兩次控制/服務周期切換，OBU1、OBU3都可接收RSU的路況信息，而OBU2因為采用頻道切換模式(S3,C)，故無法接收RSU的路況信息廣播；另外，OBU4一直采用服務頻道S2與另一OBU相互溝通，也無法接收RSU的路況信息，因此當OBU1、OBU3接收完路況信息后，也知道RSU已采用頻道切換模式(C,S1)，故OBU1、OBU3選擇其他頻道切換模式以幫助路況信息的廣播，故OBU1選擇(S3,C)，讓OBU2也得知該路況信息，這樣就可以消除周期不匹配的問題；而OBU3選擇(C,S2)，讓OBU4也可得知該路況信息，這就消除了交易驅使消失的問題。

1.2 廣播后退計時器機制

動態頻道切換協議會遭受到兩個OBU采用相同的廣播后退計時器，而導致頻道競爭與封包碰撞的問題，我們提出一種廣播后退計時器機制來緩解這個問題。

1）動態頻道切換協議假設每個OBU都具有相同的優先權去執行路況信息廣播；但是某些路況信息由特定的車輛廣播會是比較好的方式，如警車、救護車等。例如，有火災時，救護車的OBU具有較高的優先權去廣播實時路況信息，可以采用較短的廣播后退計時器，告知周圍車輛讓道，讓緊急車輛可以優先通過救災；因此，按照不同類型的車輛，給予不同優先權去產生較短的廣播后退計時器，對于路況信息廣播有正面效果。

2）我們考慮行駛車輛的位置、方向與相對速度。當某一OBU廣播路況信息時，把車輛本身的位置、方向、速度放入WSA與WSM封包內，讓接收端OBU得知自己是否需要再轉送該路況信息。第一步，當接收端OBU接收路況信息時，先計算本身位置與行駛方向，如是朝向發送端行駛，則保持靜止，不參與路況信息廣播，如果是遠離發送端，則需參與路況信息廣播；第二步，需要參與路況信息廣播的OBU，經由本身速度與發送端速度，計算出彼此相對速度，當其相對速度大于某一門限值，則具有較高優先權去傳送路況信息，因此選擇較小的廣播后退計時器；當其相對速度小于某一門限值，則具較低優先權，而選擇較大的廣播后退計時器。

3）在協同式行車安全應用上，每輛車被要求定期發送信息，告知當前車輛位置、方向、速度、車道與歷史路徑給周圍行駛車輛，以減少車禍和碰撞的發生。因此，如果每輛OBU可以在行車安全信息上，增加一個指引，告知發送端，本身是否已經知道該路況信息，如此，發送端可以清楚知道哪些OBU尚未收到路況信息，可以大幅降低不必要廣播與轉送。

4）在連續地發送協同式行車安全信息間，每個OBU也會數到周圍車輛的行車安全信息，此時，經由計算安全信息個數，進而知道該OBU周圍的行車密度；因此，我們再定義一個廣播后退計時器與行車密度的相關對應表，當周圍行車密度較大時，OBU會選擇較大的廣播后退計時器，當周圍行車密度較小時，選擇較小的廣播后退計時器，以降低頻競爭與封包碰撞。

圖2 動態頻道切換協議例子

2 效率分析

在本節中，我們的模擬環境為一個長2400m、寬1600m的區域，具有9條橫向與13條縱向道路，雙向車道，一個RSU在模擬區域中央；RSU為路況信息廣播的源點，車輛都由道路的進口產生，緊急車輛出現機率約為3%，車輛只限制在本身車道行駛，速度為高斯機率模型，分布約在10m/sec～20m/sec，在每個十字路口，車輛左轉、右轉、直行的機率各占1/3；所有RSU與OBU都只有一個天線。此外，假設IEEE802.11p的傳輸半徑約250m，OBU的傳輸速率約3Mbps，采用一個控制頻道與六個服務頻道，控制周期和服務周期各占50msec，組合形成一個super frame。

2.1 廣播涵蓋率分析

圖3顯示了路況信息廣播算法在不同行車速度的涵蓋率的模擬結果；傳統方法、按照車輛類型廣播算法、按照相對速度廣播算法、按照行車密度

廣播算法分別命名為TMD、DM-AT、DM-RS、DM-TD。從圖3中，在較高的行車密度時(15 vehicles/km)，我們所提的方法DM-AT、DMRS、DM-TD只需要24sec就可以有90%的涵蓋率，但無法達成100%的涵蓋率，主要原因是有部分車輛只出現一次，就駛離路況信息廣播范圍，但這點不影響信息廣播效果。然而在較低的行車密度下(3 vehicles/km)，40sec大約只能達成60%路況信息的涵蓋率，可見行車密度對于路況信息的廣播有些許程度的影響。另一方面，傳統方法TDM，不管在較高或較低的行車密度時，都比我們的方法差，主要原因為TDM的OBU沒有采用動態頻道切換協議，導致沒有收到任何實時路況信息，進而影響廣播的涵蓋率。

2.2 傳輸碰撞率分析

圖4顯示了路況信息廣播算法，在不同行車密度的傳輸碰撞的模擬結果。封包碰撞機率會隨著行車密度增加而逐漸升高，但是似乎傳統方式TDM比我們所提的方法好，這是因為所有TDM參與模擬的車輛有一半是周期不匹配的問題，因此參與路況信息廣播的OBU個數，只有其他路況信息廣播算法的OBU個數的一半，故會有碰撞機率比較低的現象；另外，按照相對速度廣播算法DM-RS、按照行車密度廣播算法DM-TD都有較小的封包碰撞機率，這是因為DM-RS、DM-TD的OBU都會根據目前所行駛的環境，調整廣播后退計時器，而DM-AT只是按照車輛類型的調整廣播后退計時器，因此會有比較高的封包碰撞機率。

圖3 廣播覆蓋率比較圖

圖4 傳播碰撞率比較圖

3 結束語

在本文中，我們解決了在IEEE 1609網絡中，兩個重要的路況信息廣播問題，第一個是周期不匹配的問題，第二個是交易驅使消失的問題。在1.1中，提出了動態頻道切換協議來克服這兩個問題；在1.2中，利用行車環境特征，提出廣播后退計時器機制來提升動態頻道切換協議的效率。從模擬結果得知，我們的動態頻道切換協議搭配按照行車特征的廣播后退計時器機制，具有最優的路況信息廣播涵蓋率與較少的封包碰撞率。

[1] 儲珊.IEEE802.16e系統中的空時編碼OFDM技術研究[D].浙江大學, 2006

[2] 陳穗光.寬帶無線接入系統中的信道估計技術[D].西安電子科技大學, 2007

[3] IEEE Std.1609.12-2010, “IEEE Draft Standard for Wireless Access in Vehicular Environment (WAVE)–Identif i er Allocations,” 2011