1、车载 Ad hoc 网络基于覆盖度的可靠快速广播协议 李文 中国科学技术大学计算机科学与技术学院 摘 要： 在车载 Ad hoc 网络中, 广播的可靠性与低传输延时对安全应用至关重要。然而由于链路的不可靠性, 广播消息可能不能被发送方所有的邻居接收。传统的基于接收方的广播协议, 候选节点的等待时间是基于距离或者距离与链路质量, 但是忽略车辆的分布情况。在本文中, 我们关注于车载网中基于接收方的快速可靠广播协议, 综合考虑了距离, 链路质量以及车辆的分布来选择广播的中继节点。最可靠的候选节点优先转发消息提升广播的性能。仿真实验结果表明, 文章提出的协议能够保证高可靠性的基础上具有较低的广播时延。
2、关键词： 车载 Ad hoc 网络; 可靠广播; 快速; 作者简介：李文, 1991 年生, 硕士研究生, 主要研究方向为车载自组织网络。电话:0551-63602447 电子信箱: 通信地址:安徽省合肥市中国科技大学东区高性能计算中心 409 室李文收 (230026) Coverage Ratio-based for Reliable and Fast Broadcast Protocol in Vehicular ad hoc NetworksLi Wen School of Computer Science and Technology, University of Science a
3、nd Technology of China; Abstract： In Vehicular ad hoc Networks (VANETs) , the reliability and low transmission latency are important to safety applications. However, due to the unreliable link quality, a broadcast message may not be received by all senders neighbors. Conventional receiver-based broa
4、dcast protocols have problems for that candidate forwarders determine the waiting time based on distance or distance and link quality but does not consider the distribution of vehicles. In this letter, we concern the reliable and fast broadcast for VANETs. The distance, link quality, and the distrib
5、ution of vehicles are jointly considered to choose a broadcast forwarder in receiver-based manner. Then the most reliable broadcast forwarder forwards the message first to improve the broadcast performance. Simulation results have shown that our proposed protocol can improve the delivery ratio and h
6、as lower end-to-end delay for urban VANETs.Keyword： Vehicular Ad hoc Network; Reliable broadcast; Fast; 0.引言车载 Ad hoc 网络支持多种安全应用 (如事故预警, 交通管理) 与非安全应用 (网络的接入, 多媒体数据的传输) 。广播是车载 Ad hoc 网络中一项基本的服务, 并且用来为安全应用传输紧急消息。然而, 由于不可靠的链路质量, 广播的消息并不一定能被所有的车辆所接收, 同时安全消息应当尽早被其他车辆所接收。因此我们需要确保广播的可靠性, 尽可能的降低广播的时延。在已有的研究
7、中, 最简单的广播是 flooding1, 所有的节点设置随机的时间转发广播消息, 但是会带来严重的广播风暴问题。为了减轻广播风暴问题, S1P2通过选择距离发送节点较远的节点优先发送广播消息减少转发节点的数目同时降低端到端的时延。在稀疏网络中, 如果最远的节点距离发送方很近, 需要等待较长的时间, 在稠密网络中, 较远的节点的成功接收消息的概率会随之降低。在整个网络中的广播延时比较低。并且较远的广播节点不能保证广播的可靠性。RCP3中接收方根据与发送方的距离以及链路质量来设置自身的等待时间, 等待时间最短的优先转发消息。它能提升广播的可靠性, 但是给了较高的比重给链路质量, 这样会给整个网络
8、的广播带来较大的延时。这些研究没有考虑车辆作为障碍物带来的影响45, 车辆间通信的概率会受到在它们之间大车的影响。同时也未考虑实际情况中街道内车辆的分布。广播的转发节点应该随着车辆分布的不同而不同。当选择广播转发节点时, 车辆的不同分布会影响转发节点的可靠性。在本文中, 用覆盖度描述车辆分布的情况。我们将依据距离、链路质量以及覆盖度来设置候选转发节点的优先级来提升广播的可靠性以及降低整个网络中的延时。1 链路模型本文提出链路模型来估计 2 个车辆之间的链路质量, 主要考虑以下 2 个因素:带有车辆作为障碍物对信号产生衰减的影响以及信道的冲突。1.1 障碍物对信号影响的模型在数据传输范围内, 车
9、辆作为障碍物将显著影响信号的衰减并导致数据包丢失5。在实际中对于某一点的功率损耗是随机的对数分布。通过建立将车辆作为障碍物对信号的影响模型, 该模型能够计算出发送车辆 i 与接收车辆 j 之间的数据包的成功传输概率。公式如下所示:其中, Q () 是用于确定接收信号强度超过阈值的概率函数, Pr 是接收信号强度, 是接收信号强度的阈值, 是标准差。P r的计算方式如下:Pt是发送功率, v 是衍射参数, 计算方式如下:其中, h 是障碍物的高度, d 1与 d2分别是发送方与接收方到障碍物的距离, 是波长。1.2 信号的碰撞概率模型在一个车辆的通信范围内, 当有 2 个或者多个车辆节点在同一时
10、间尝试访问信道, 会造成访问信道冲突。信道冲突概率可以从6中获得, 如下所示:其中 Ncs是车辆 j 检测周围的邻居车辆的数目, N in是车辆 j 周围干扰的车辆数目, 是某个邻居车辆可能传输消息的概率, T h是隐藏终端易损期其时间长度为数据包平均传输时间的 2 倍, 是一个时隙的周期。车辆 i 可以获得成功访问信道的概率为 SCij, 计算如下:综合考虑车辆作为障碍物对信号传输的影响及信号在接收方可能产生的碰撞的问题。通过已有模型建立车辆间的链路模型, 该链路模型可用来估计在城市车载自组织网络中车辆间信号成功传输的概率, 假设车辆 i 与车辆 j 分别为发送方与接收方。则它们之间链路质量
11、模型 Sij如下所示:1.3 覆盖度的计算由于链路质量的不可靠性, 广播消息可能不能被发送方的所有一跳邻居所接收, 转发节点能够覆盖它自己与前一个转发节点 (或源节点) 间的共同邻居节点 (反向覆盖) , 因此它可以提升这些共同邻居节点成功接收消息的比值。额外覆盖能够提升广播的速度。覆盖度的计算如下:其中 Ni是车辆 i 的邻居车辆, N s是前一个转发节点的邻居车辆, N c是与上一个转发节点间共同的邻居车辆。如图 1 所示, 车辆 S 是上一个转发节点, 车辆 A和车辆 B 是潜在的转发节点, 由于车辆 A 和车辆 B 有着相同的额外覆盖车辆数目且车辆的数目是 2, 然而车辆 A 覆盖 S
12、 的邻居节点数目比车辆 B 覆盖 S 的邻居节点数目要多。在这种情况下, 车辆 A 能够覆盖更多的 S 的邻居能够提升这些节点成功接收概率节点, 因此节点 A 的可靠性比节点 B 的可靠性要高。如图2 所示, 显示了额外覆盖的情况对广播推进速度的影响。车辆 S 是源节点, 车辆 C 和车辆 D 是候选转发节点, 车辆 C 与车辆 D 相对于车辆 S 具有相同的反向覆盖节点数目, 而此时车辆 D 相对车辆 C 来说具有更大的额外覆盖节点的数目。在这种情况下, 选择车辆 D 作为优先级更高的候选节点能够有较快的推进速度。图 1 反向覆盖对可靠性的影响 下载原图图 2 额外覆盖对广播速度的影响 下载
13、原图2. 转发策略选择下一个转发节点对网络的性能有着非常大的影响, 如果选择最远的节点作为转发节点, 可能由于较差的链路质量导致高概率的失败。选择链路质量较好的节点优先转发会带来较大的端到端的延时由于广播跳数的增加。在本文中, 我们考虑考虑覆盖度及距离和链路质量, 在保证可靠性的基础上, 降低广播的时延。当车辆 i 接收到来自车辆 j 的消息时, 它将计算自己的优先级, 并根据优先级设置相应的等待时间, 时间最少的节点优先转发广播消息。等待时间的计算公式如下:WTmax是最大的等待时间, P 是节点计算的优先级, P 的计算如下:di是候选转发节点到上一个转发节点间的距离, R 是车辆传输范围
14、。其中、 是调节因子由转发节点决定, 当车辆密度较大时, 链路质量可能较差给与链路质量与覆盖度较大的比重, 当车辆密度稀疏时, 给与距离较大比重, 且 +=1。在本文中, 我们设定阈值, 当节点密度大于 40 辆/km 时, 、 分别为 0.4, 0.4, 0.2, 否则为 0.25, 0.25, 0.5。本文提出的快速可靠算法 (reliable and fast broadcast protocol) RFBP 如下所示:算法 RFBP:3. 性能评测在仿真实验中, 本文使用网络仿真器 OMNet+实现 S1P、RCP 和本文提出的 RFBP三个广播协议。仿真的拓扑为 2000m*20 的
15、街道包含 3 个车道, 车辆随机在街道内生成并沿着街道方向行驶。速度随机在 30km/h60km/h, 车辆装备有 GPS 可以获取自身位置信息以及全向天线通信范围是 500m。通信参数采用 OMNet+默认参数。仿真时间 300s, 进行 50 次取平均值。车辆密度为每千米车辆的数目。图 3 是街道内端到端车辆接收消息时延的对比结果, RFBP 中考虑了车辆作为障碍物以及链路质量, 能够选择更高概率接收广播消息的车辆优先转发, 相对其它 2 个协议平均具有较低的延时。图 3 接收时延 下载原图图 4 接收率 下载原图图 4 是街道内车辆接收的比例的对比结果, RFBP 估计了车辆作为障碍物对
16、信号的影响, 选择更加高覆盖可靠的节点优先广播消息, 因此相对其它 2 个协议具有更高的可靠性。图 5 相对接收率 下载原图图 5 的相对接收率是广播的接收率比上时间的结果, 相对而言, RFBP 能有提升广播的可靠性并且相对具有较低的延时, 因此在相同的时间内能够达到更好的覆盖效果。4. 结束语本文提出了基于覆盖度的快速可靠广播协议, 通过考虑车辆作为障碍物与信号竞争冲突带来的影响, 提出链路模型估计车辆间的链路质量, 并且考虑车辆的覆盖情况, 选择高可靠且较远的节点优先转发消息, 在保证高可靠性的基础上使得消息快速传输出去。仿真实验结果表明, 与已有的协议相比, 本文提出的协议能够提升广播
17、的可靠性, 并且具有较低的延时, 相对覆盖率最高。参考文献1Tseng Y C, Ni S Y, Chen Y S, et al.The broadcast storm problem in a mobile ad hoc networkJ.Wireless Networks, 2002, 8 (2-3) :153-167. 2Wisitpongphan N, Tonguz O K, Parikh J S, et al.Broadcast storm mitigation techniques in vehicular ad hoc networksJ.Wireless Communicati
18、ons IEEE, 2007, 14 (6) :84-94. 3Zemouri S, Djahel S, Murphy J.A Fast, Reliable and Lightweight Distributed Dissemination Protocol for Safety Messages in Urban Vehicular NetworksJ.Ad Hoc Networks, 2015, 27 (C) :26-43. 4Sommer C, Joerer S, Segata M, et al.How shadowing hurts vehicular communications a
19、nd how dynamic beaconing can helpC, Proc of IEEE INFOCOM, 2013:110-114. 5Qureshi M A, Noor R M, Shamshirband S, et al.A Survey on Obstacle Modeling Patterns in Radio Propagation Models for Vehicular Ad Hoc NetworksJ.Arabian Journal Forence&Engineering, 2015, 40 (5) :1385-1407. 6Yao Y, Rao L, Liu X, et al.Delay analysis and study of IEEE 802.11p based DSRC safety communication in a highway environmentM, Proc of IEEE INFOCOM, 2013:1591-1599.
