車聯網中可靠快速信息分發技術研究
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摘 要： 提出了一種可靠快速的信息分發（RRMD）協議，該協議采用面向發信者的方案，即由發信者選擇下一跳轉發者.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的影響，設計了一個端到端時延計算公式，并將其定義為優先級函數，用于下一跳節點的選擇.理論分析和仿真結果證明了該協議的優越性.
關鍵詞： 信息分發協議; 信號衰減和沖突; 面向發信者方案; 最小時延
中圖分類號： TN 929.52文獻標志碼： 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
車聯網是物聯網和智能交通系統的有機結合，也是物聯網技術在高速動態場景中的重要應用.但車聯網的應用面臨著許多挑戰，主要集中在兩個方面：一方面在網絡中，車輛頻繁接入和離開網絡，使得通信鏈路可用性較差;另一方面，在通信中，由于通信環境的多樣性，需設計合適的信息分發協議，以滿足信息傳輸的高可靠性和低時延的要求[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（RRMD）協議.該協議在網絡接入方面，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;在信道環境方面，該協議考慮信道衰減對數據包有效接收的影響，并采用面向發信者方案，以期保證在一定成功接收率的前提下，實現端到端的最小時延.
1 可靠快速的信息分發（RRMD）協議
1.1 系統模型
考慮高速公路場景中，車輛配備了GPS、數字地圖和計算設備，周期性地廣播信標消息，將車輛的狀態信息告知鄰居車輛.在RRMD協議中，車輛通過接收信標，收集鄰居車輛的信息，并生成鄰居列表.如果在一定時間內，沒有接收到某個鄰居車輛更新信標的消息，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、車輛優先級的值、車輛橫坐標、鄰居車輛數.
2 仿真結果
2.1 仿真設置
為評估RRMD協議的性能，對RRMD協議進行仿真，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協議EDCA機制，信道衰落形狀因子m=1.5，發射功率為20 mW，接收靈敏度為-90 dBm，數據包和信標消息的大小分別為256 B與70 B，信道帶寬為4 Mbit·s-1，數據包和信標消息發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
為評估Slotted 1-p，MCDS-alter以及RRMD協議的性能，探討如下3種性能指標：
1） 成功接收率（PDR），表示目的車輛成功接收到的數據包數與信源發送的數據包數的比值，體現信息分發協議的可靠性.
2） 端到端時延（EED），表示數據包從信源到目的車輛所花費的時延，體現信息分發協議的及時性.
3） 單跳時延（OD），表示信息分發協議中一跳轉發的平均時延.
2.3 仿真結果與分析
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協議的PDR都能達到80%以上.當部分車輛分布在一個較小的范圍內時，在Slotted 1-p 協議中，多輛車可能會選擇相同的通信時隙，而面向發信者方案的MCDS-alter和RRMD協議，由發信者設定每個鄰居車輛的等待時間，減少了Slotted 1-p協議中產生的沖突.相對于MCDS-alter協議，RRMD協議增加了對可能出現的數據包沖突和鏈路可用性的考量，所以成功接收率最高. 圖1（b）中，RRMD協議實現了最小的端到端時延.圖1（c）中，每個協議的單跳時延幾乎固定.其中Slotted 1-p協議總是選擇距離最遠的鄰居車輛，實現了最小轉發跳數，但是其單跳時延較大，且數據包在中繼過程中，每一跳即使選擇優先級最高的節點，也會存在等待時間，導致Slotted 1-p協議的端到端時延性能較差.然而，在MCDS-alter和RRMD協議中，具有最高優先級的車輛被分配的等待時間可以設置為0，使中繼節點更快地轉發數據包.RRMD協議遍歷所有的鄰居車輛，得到端到端時延，并選擇最小時延的鄰居車輛作為下一個轉發者，因此時延性能最好.
圖2中，討論在信源到目的車輛的距離為2000 m下，不同車輛密度下的成功接收率和端到端時延，車輛密度變化范圍為0.330～0.014車·m-1.
3 結 論
為實現高速公路場景下快速傳輸信息的可靠性，本文作者提出了一種用于信息分發的RRMD協議.在該協議中，設計了一個端到端時延計算公式，作為優先級函數給鄰居車輛設置優先級，并以此作為依據選擇轉發者.該公式依據車輛分布特點，綜合考慮與鏈路可靠性有關的信道特征、鏈路可用性、信號沖突概率、排隊時延和排隊時延等因素，以滿足網絡拓撲結構變化的要求.通過仿真實驗證實，對比Slotted 1-p及MCDS-alter協議，RRMD協議在信息傳輸過程中，能實現最小的端到端時延和最高的成功接收率.
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