面向城市VANETs的多跳警告廣播協議

王秀峰，王春萌，崔 剛

（哈爾濱工業大學計算機學院，150001哈爾濱）

面向城市VANETs的多跳警告廣播協議

王秀峰，王春萌，崔 剛

（哈爾濱工業大學計算機學院，150001哈爾濱）

為改善道路交叉口處信息向所有方向分發的可靠性以及降低信息分發時延，提出面向城市車載網絡多種交通密度、基于位置的多跳警告廣播協議MBW.本協議把無線信號一次發射覆蓋的道路分為東、南、西、北4個方向.道路交叉路口的中繼節點滿足兩個條件：首先，一個節點至少有兩個鄰居節點，該節點及鄰居的行駛方向都不同，并且與鄰居節點之間的距離都大于路寬；其次，ID號在交叉口的節點中最小，交叉路口處中繼節點優先廣播信息不等待.道路上的中繼節點根據WT公式確定，WT值為零時轉發信息，并定義此節點為中繼節點，本協議支持信息在路上雙向傳輸.MBW協議的中繼節點選擇策略能夠減少中繼節點個數和信息分發冗余.仿真結果表明MBW協議和現存的VANETs廣播協議相比具有較好的高覆蓋率、低延遲、低轉發節點率和較低的網絡開銷.

車載網絡；基于位置的廣播；數據分發；多種交通密度

由于車載無線網絡VANETs（vehicular ad hoc networks）中多跳廣播經常受到廣播風暴的影響［1］，而移動自組網MANETs（mobile ad hoc network）中減輕廣播風暴方法不能直接用于VANETs［2-5］.目前研究學者針對VAENTs的特點提出幾種抑制廣播風暴機制，例如，基于概率的廣播、基于計數的廣播、基于距離的廣播、鄰居知識廣播和基于位置的廣播［6］.在基于位置的機制中，距離最遠的節點被選作中繼節點，每一跳轉發節點的選擇是確定的和唯一的，因此基于位置的廣播冗余和延遲相對較低.當前基于位置的城市VANETs廣播方法中，大多數假設車輛在直行的公路上行駛，而實際的城市場景有交叉路口和建筑物，交通密度是變化的.文獻［7-9］中提出面向感興趣區域ROI（region of interesting）信息分發，這種面向區域的信息分發考慮交叉口，但是網絡開銷大，因此為限制信息冗余、降低網絡開銷和鏈路時延，本文提出城市多跳警告廣播MBW（multi-hop broadcast for warning）協議.本協議充分考慮實際城市場景中道路交叉口處的交通信號和建筑物阻擋. MBW目的是通知從所有方向即將到來的汽車調整行車路線避免碰撞.本文以中繼節點為圓心建立直角坐標系，把無線信號一次發射覆蓋的道路分為東、南、西和北4個方向.如果一個節點有兩個以上的鄰居節點，該節點與鄰居節點的行駛方向都不同，并且ID號在交叉口的節點中最小，則該節點被定義為交叉口的中繼節點.交叉口處的中繼節點優先轉發信息不等待.道路上的中繼節點由WT公式決定，公式由接收節點的轉發概率因子決定.WT結束時，中繼節點轉發信息，該節點被選作中繼節點.MBW支持數據信息沿著道路雙向轉發.

1 相關工作

廣播是VANETs信息分發的核心技術.盲目的廣播會遭遇冗余重傳，尤其在密集型網絡中，目前已有很多基于位置的廣播方案，而相當多的方法是針對直行公路的場景而不考慮交叉口信息分發設計［6，10-12］.

文獻［6］提出基于位置的多跳廣播PMB（position-based multi-hop broadcast）方法，降低信息重傳冗余并且改善信息傳輸的實時性.文獻［10］提出基于位置自適應的廣播協議PAB（position-based adaptive broadcast），該協議考慮發送者和接收者之間的距離、汽車速度和角度.采用對向行駛的汽車作為中繼節點，并沒有給出信道占用多久.

文獻［11］提出基于相對位置的廣播協議RPB（the relative position based message dissemination），不采用基礎設施，減少硬件開銷.采用定向貪婪廣播路由方式轉發信息，由于采用ACK機制，網絡開銷大.文獻［12］針對緊急事故提出一種基于位置的多跳廣播模型PMBP（a position based multi-hop broadcast protocol），PMBP每一跳選擇發送方向上距源節點最遠的節點轉發信息，并且使用BRTS／BCTS握手機制.文獻［13-14］提出交叉口信息轉發的廣播機制，但是增加硬件開銷.

在城市廣播協議UMB（urban multi-hop broadcast protocol）中使用RTB／CTB廣播機制［13，15］，并且通過廣播節點和中繼節點之間的ACK機制增強廣播的可靠性，規定點對點通信只是在廣播節點和最遠節點之間進行，其它節點只接收信息，根據接收節點和廣播節點之間的距離設立信道占用時間.距離廣播節點較遠的節點占用信道時間較長，所以距離較遠的節點將被選作中繼節點，因此限制中繼節點的個數并且抑制信息重傳次數，減少廣播風暴.在交通流密集型的道路上，通過RTB／CTB機制選擇中繼節點，該協議不容易收斂，增加網絡開銷和降低網絡吞吐量.文獻［16］設置競爭窗口，目的是在不同道路上不同的部分信息轉發不會重疊，確保較遠的節點優先和廣播節點握手.文獻［17］指出由于公路的每部分競爭窗口重疊，不能保證距離廣播節點最遠的節點被選作中繼節點，會遭遇更多碰撞.文獻［18］使用UMB中的RTB／CTB廣播握手機制選擇最遠的節點作為中繼節點，貞間間隔IFS（interframe space）和距廣播節點之間的距離成反比，位置越遠，IFS越短.

文獻［19］提出基于道路的廣播協議，根據汽車所在的道路，按照發送者和接收者之間的角度給汽車分組.并選擇每一跳具有最好視線的節點作為中繼節點，考慮道路交叉口及建筑物阻擋，提高傳輸的可靠性和有效性.AMB廣播協議擴展UMB廣播協議并且改善網絡開銷和轉發節點率［20］.BSM廣播協議中進一步提高AMB協議的覆蓋率、網絡開銷和轉發節點率［9］，但是BSM由于不一定能夠選擇到最遠的節點作為中繼節點，會造成網絡開銷大.

2 MBW協議的詳細設計

MBW廣播協議的主要目標是在事故節點周圍盡可能大的區域內，以低延遲、低網絡開銷和低轉發節點率在多種交通流密度環境中分發信息.MBW為了在每一跳中最大化接收警告信息的汽車數量，選擇中繼節點的機制是很重要的.本文分別給出在交叉口和在道路上兩種不同的選擇中繼節點方法.

本文為每一個中繼節點建立直角坐標系，坐標系原點為O，見圖1，兩條直線L1和L2把中繼節點一跳發射所覆蓋的范圍平均分成4份，每一份角度為．按照逆時針的方向，角度道路的東、西、南、北4個方向的定義為：

定義1 ?節點i，發送者和接收者之間的角度為φi，如果則節點i在道路東方．

定義2 ?節點i，發送者和接收者之間的角度為φi，如果則節點i在道路北方．

定義3 ?節點i，發送者和接收者之間的角度為φi，如果則節點i在道路南方．

定義4 ?節點i，發送者和接收者之間的角度為φi，如果則節點i在道路西方．

圖1 道路方向

本文采用MBW-ONE和MBW-TWO兩種方法分別實現MBW廣播協議.MBW-TWO采用周期性維護鄰居列表方法選擇交叉口的中繼節點，而MBW-ONE則采用緊急事故發生時創建鄰居列表及選擇交叉口中繼節點，MBW-ONE能夠有效地減少網絡開銷.二者均采用周期性hello信標維護鄰居列表，hello包里面包含的信息：＜Hello，Position，Direction，Hop，SID，MID，VID＞，Hello代表hello包，Position標志汽車的位置，Direction值為上一個中繼節點的方向（東、南、西、北），Hop值為hello包的跳數，SID代表源節點ID號，MID值是源節點信息ID號，VID域記錄汽車ID號.當一個節點收到hello包并且Hop值為0時則成對保存MID和SID. hello信標為1 Hz.

MBW-ONE信息轉發策略：

源節點廣播hello信標，其Hop值為0，收到這個信標的節點廣播hello信標并且1s內只廣播一次，設置其Hop值為1，收到這個信標的節點1s內只發送一次應答包，限制hello信標和應答包的次數能夠降低網絡開銷，應答包里包含Respond域和Position域，收到應答包的節點計算自己和鄰居節點的距離，如果該節點在其東、西、南、北4個方向的鄰居節點中至少有兩個不同的方向有鄰居節點，該節點和鄰居節點的行駛方向不同，并且與它們的距離都大于路寬，則標記自己在道路交叉口.并記錄自己VID為最小，否則不做任何事情.

1）一個Hop值為0的節點廣播hello包并等待tms后廣播數據包，如果交叉口的節點收到數據包，這些節點廣播Hop值為0的hello包，收到這個hello包的節點廣播hello信標并標記Hop值為1，那些收到這個hello信標的節點廣播應答包，然后帶有VID值最小的節點立即轉發數據包，因此這個節點被選作中繼節.

2）如果路上所有的節點收到Hop值為0的hello信標，收到數據包的節點計算WT后開始等待，如果WT沒有結束，一個節點收到來自其它節點并且Hop值為0的hello包，則不廣播Hop值為0的hello包；如果一個節點在已經發送Hop值為0的hello包之后收到來自其它節點Hop值為0的hello包，比較自己保存的SID、MID和hello包里的這兩個域值，如果自己的SID和MID和hello包里這兩個域值不同，表明沒有收到過該信息，則廣播Hop值為1的hello包而且1s內只能發一次，然后收到這個hello信標的節點1s內只發一次應答包，收到應答包的節點更新交叉口標記.如果一個節點收到一個hello包里的SID、MID值和自己保存的一樣，則比較VID值，如果自己的VID值比其它節點的VID值大并且Direction值是相同的，則取消轉發數據.否則轉發數據信息.因此轉發節點被定義為道路上的中繼節點.

3）在源節點廣播數據包之后，MID值加1.

MBW-TWO信息轉發策略：

1）當一個節點收到Hop值為0的hello信標，則更新鄰居列表，計算自己和鄰居節點的距離，如果至少有兩個鄰居節點和自己的距離大于路寬則標記自己在交叉口，并且如果自己的VID值比收到的hello包里的VID小，則標記VID最小值，否則不做任何事情.

2）事故發生時，源節點立即廣播數據信息，如果交叉口的節點收到信息，采用節點ID號最小的節點廣播信息，因此該節點也被選作中繼節點.數據包包含信息：＜Data、Position、Direction、TS、SID、MID、Message＞.Data代表數據包，Position代表節點的位置，Direction是相對于上一個節點東、南、西、北4個方向，TS的值為發送數據包的時間，SID代表源節點的ID號，MID的值為信息的ID號，Message為告警信息.

3）當路上的節點收到數據包，則計算WT并等待.如果WT沒有結束，節點收到來自其它節點的數據包并且它們方向域值相同，那么取消轉發信息，因此相對于源節點不同方向的節點還可以轉發信息.當WT截止時，轉發數據包，因此，轉發節點被選作中繼節點.

4）當源節點廣播數據包之后，MID域值加1.

這兩個策略可以用來同時轉發不同的信息.

MBW廣播協議通過限制中繼節點的選擇，可減少信息重傳次數.因此能夠減少信息冗余和競爭，降低廣播風暴的風險.

3 WT公式的提出

為了限制重播信息的汽車數量，在基于位置廣播協議中，典型的WT計算方法是采用一些相關因素設計等待時間函數，比如廣播節點的無線通信半徑，發送者和接收者之間的距離，鄰居節點的數量和車速等.文獻［6］提出WT延遲為

式中：Ri和Rj是兩個節點的傳輸范圍，dij是節點i和j之間的距離．從式（1）中看不出明顯的WT和距離之間的關系，文獻［9］提出過類似的WT函數. BSM廣播協議提出WT為

式中：dsr是發送者和接收這之間的距離，nn是鄰居汽車的數量，很明顯這樣的表達式不是線性函數，文獻［8］提出HyDiAck廣播協議的WT為

式（4）、（5）表明等待時間TSij是Dij的線性函數，Dij是發送者和接收者之間的距離，NS是為每兩個區間可提供的時隙數，文獻［7］提出UV-CAST協議給出WT為

式（6）表明τi是di，j的線性函數，τi為等待時延，di，j是發送節點和中繼節點之間的距離．基于上述思想可知距離發送者較遠的節點有更大的轉發信息概率，因此基于發送者和接收者之間距離，本文提出節點轉發信息的概率表達式為

式中：Pi為接收者重播信息的概率，di為接收者距發送者之間的距離，r是無線通信半徑，如果一個節點有較高的轉發概率，那么在轉發信息之前等待的時間越短．因此，采用Pi概率因子分別建立指數和線性的WT為

在本研究中WTmax為100ms，如果WTmax太高，時延將會增加.如果太低，許多汽車在收到信息之前會重播信息.圖2給出式（8）、（9）計算等待時延的比較，當接收節點距離發送節點越遠，則等待時間WT越小，尤其當距離＞200m時，線性的WT函數和指數的WT函數計算的WT值幾乎相等，但是當距離＜200 m時，則指數的WT函數計算的WT值比線性的小，WT值越小，信息轉發的越早，為信息盡快轉發，本文采用指數的WT公式.

圖2 指數和線性的WT曲線

式（8）是計算路上WT的計算方法，但是對于交叉口的中繼節點，本文規定收到信息則立即轉發不等待，其它在交叉口的節點收到信息時候取消轉發.因此，本文把道路上轉發信息計算WT的方法和道路交叉口轉發信息不等待時延的方法合并成一個公式為

4 信息分發的實現

為實現數據信息分發，本文使用信息貼標簽技術［21］.當信息發送時，象貼標簽一樣被貼上源節點的ID號、信息的ID號和汽車ID號，在本研究中，信息分發采用MBW-ONE和MBW-TWO策略實現，信息分發的過程遵循以下兩個流程圖，見圖3、4.

5 廣播協議性能分析

5.1 模擬場景和參數的設置

為分析MBW廣播協議的性能，本文采用NS2模擬器進行模擬.所有的協議都是在低、中、高交通密度條件下模擬的，汽車的密度范圍從0.8～4千輛／h，速度從0～60 km／h變化.本文采用2.25 km2網格道路拓撲結構實現MBW廣播協議的模擬，每條道路有3車道雙向交通流.汽車行駛遵循交叉口的交通燈信號.交通信號包括紅燈、綠燈和黃燈，在模擬過程中，直行綠燈和紅燈分別為30、70 s，黃燈3 s；左轉綠燈為20 s，左轉紅燈80 s，左轉黃燈為3 s；整個交通信號周期為103 s.本文設置交叉口及障礙物.為了模擬真實的汽車移動，采用VISSIM模擬器定義的移動性模型.在某一條道路的中間位置的汽車負責產生警告信息.

圖3 MBW-ONE流程

圖4 MBW-TWO流程

IEEE802.11p標準里Veins 2.0網絡模型已經定義鏈路層和物理層［22］，為廣播協議設置3 Mbps的位速率，信息包的大小為512字節，hello信標包的大小25字節并且每1秒發送一次，應答包為9個字節，模擬時間為500 s.使用下面4個特性來分析MBW的可靠性、高效性和可擴展性.覆蓋率是指在模擬區域內收到數據包汽車數量的百分數.高覆蓋率意味著MBW廣播協議選擇中繼節點和數據傳輸是可靠的，并且協議對于不同的交通密度具有較高的容忍性.時延是指一個數據包從源節點到目的節點所用的時間.這個特性測量數據傳輸的高效性.網絡開銷等于模擬期間每個汽車接收到的數據包的數量.這個特性用來測量網絡的可擴展性.轉發節點率是指網絡中重播來自源節點信息的汽車的比例.

5.2 模擬結果

圖5中給出多種交通流密度下幾個協議的覆蓋率，MBW和BSM協議的覆蓋率隨著交通密度的增加而增加.這是合理的，因為隨著交通密度的變大，網絡連接性較好，因此數據包的接收率將會增加.MBW的覆蓋率在不同的交通密度條件下比BSM的高.特別是，當交通流密度大約1.2千輛／h的時候，覆蓋率達到了100%，這是因為MBW維護兩跳鄰居信息，采用汽車行駛的道路方向（東，南，西，北）、節點和鄰居節點之間的距離來識別交叉口，交叉口的識別率高，交叉口的中繼節點選擇準確率高，減少信息在交叉口的冗余和碰撞，在路上可選擇到最遠的中繼節點，減少信息的碰撞機會，增強信息可靠傳輸，所以覆蓋率比BSM的高.BSM協議的覆蓋率低是因為沒有交叉口識別機制，交叉口容易錯過向所有方向轉發，而且選擇鄰居數量多的節點作中繼節點轉發，所以中繼節點不一定是最遠的，會造成信息冗余碰撞.這從式（3）可看得出來.它的覆蓋率只有在密集型交通流中高，BSM的覆蓋率沒有達到100%.

圖5 覆蓋率

圖6 給出BSM和MBW鏈路時延比較.當節點密度增加的時候，幾個協議的鏈路時延變短，因為節點增多，網絡的連接性比較好，所以鏈路時延變短. MBW-TWO鏈路時延比BSM和MBW-ONE都低，理由是MBW-TWO在模擬期間一直維護兩跳鄰居信息，所以使用最短的時間發現交叉口的中繼節點并且迅速把信息轉發到其它節點.本文規定交叉口的中繼節點直接轉發信息不等待，所以減少信息的轉發時間.MBW-ONE的鏈路時延比其它兩個高，這是因為MBW-ONE只有在事故發生時才維護鄰居列表，所以在選擇中繼節點時浪費時間.

圖6 時延

BSM廣播協議在二者中間，因為BSM在模擬期間一直維護鄰居列表，它的時延函數選擇鄰居數量多的節點作為中繼節點，但不一定能夠選擇到最遠的中繼節點，所以時延較大.

圖7給出幾個協議的轉發節點率.轉發節點數量少，則信息冗余和競爭減少，因此廣播風暴的風險相應地降低.MBW-ONE具有最低的轉發節點率并且曲線平滑.MBW-ONE的轉發節點率大約12%左右.BSM位于MBW-ONE和MBW-TWO之間.BSM的轉發節點率大約15%.MBW-ONE的轉發節點率比BSM低3%.MBW-TWO的轉發節點率輕微地增加.當交通密度大約2.8、4.0千輛／h，BSM的轉發節點率突然增加到30%，理由是當交通密度高的時候，BSM選擇的中繼節點不一定是最遠的節點，結果導致轉發節點數增加.本文提出的MBW轉發節點率低，這表明MBW選擇中繼節點的方法是正確的，所以降低轉發節點率.

圖7 轉發節點率

圖8 給出交通密度變化的所有協議的網絡開銷，盡管不同的交通密度，MBW的網絡開銷比BSM的低.因此MBW展示較好的網絡開銷性能.MBWONE的網絡開銷比MBW-TWO的網絡開銷平均低5%，比BSM的網絡開銷平均低20%，MBW-TWO的網絡開銷比BSM平均低10%.因此MBW的可擴展性在高的交通密度下比BSM的好，這樣的結果是因為MBW有效地限制中繼節點的數量，因此，當交通密度變大的時候，重播的信息數量減少，信息冗余降低.

圖8 網絡開銷

6 結 語

本文提出一個新的基于位置的MBW廣播協議，是一個多種交通流密度下面向城市場景的警告信息分發協議.MBW把無線信號一次覆蓋道路的范圍分為東、南、西、北4個方向.維護兩跳鄰居信息，節點根據其至少兩個不同的方向的鄰居節點和自己之間的距離是否大于路寬來判斷自己是否在道路的交叉口，如果在交叉口有多個節點，則采用ID號最小的節點作為中繼節點，并且交叉口的中繼節點賦予優先轉發的權限.支持數據沿著道路雙向分發. MBW協議在不同的交通密度條件下的覆蓋率優于BSM的覆蓋率，實現低網絡開銷、信息傳播的低時延、低轉發節點率.

總之，MBW廣播協議適合解決多種交通流密度環境下的安全信息廣播應用，并且具有低網絡開銷、低延遲和高覆蓋率.

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（編輯苗秀芝）

M ulti-hop broadcast protocol for warning for urban vanets

WANG Xiufeng，WANG Chunmeng，CUIGang
（School of Computer，Harbin Institute of Technology，150001 Harbin，China）

To improve dissemination toward all directions and decrease duration thatmessage is forwarded，in this paper，themulti-hop broadcast forwarning protocol in urban VANETs is proposed.The roadswhich wireless signal cover every time areclassified into four directions：east，south，west and north.Relay node at the intersection is decided by following rules：first，it has at least two neighbor nodeswhosedirections are different to the relay node，and the distances between relay nodeand the neighbors are more than the width of road.Second，its ID is the smallest among the nodes at the intersection.Relay nodes at intersections prioritize to forward messages without waiting.Relay nodes on the road are selected according to waiting-time equation and message is rebroadcasted if waiting time ends.MBW supports thatmessage is propagated in both directions along the road.Due to relay node selection strategy，the number of relay nodes andmessage retransmissions is decreased.Simulation results show that MBW offers better coverage，lower delay，lower forwarding nodes ratio and lower overhead compared to exiting broadcasting protocols in VANETs.

VANETs；position-based broadcast；data dissemination；diverse traffic density

TP393

：A

：0367-6234（2015）11-0034-07

10.11918／j.issn.0367-6234.2015.11.006

2015-01-23.

國家自然科學基金（61272130）.

王秀峰（1979—），女，教授，博士研究生；崔 剛（1947—），男，教授，博士生導師.

王秀峰，wxf＠hit.edu.cn.