E-車載自組網(wǎng)(VANET 續(xù))

VANET信息廣播在移動(dòng)自組網(wǎng)(mobileadhocnetworks,簡(jiǎn)稱MANET)中,廣播協(xié)議主要作為網(wǎng)絡(luò)交換控制信息(beaconinformation)的一種有效方式,應(yīng)用信息傳輸多采用點(diǎn)到點(diǎn)的單播及點(diǎn)到多點(diǎn)的組播協(xié)議.但是,由于VANET

應(yīng)用的特殊性,信息接收節(jié)點(diǎn)一般以組為單位,具有隨機(jī)性和不確定性.在這種信息需求模式下,廣播協(xié)議就成為VANET傳輸各種交通信息最有效的方式之一.1近年來(lái),各國(guó)學(xué)者對(duì)MANET的信息廣播模型與方法進(jìn)行了廣泛研究,但是,由于VANET特殊的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和應(yīng)用需求,基于VANET的信息廣播模型研究更具有挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新性.一方面,在VANET中,地理信息、節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律等都可以通過(guò)一定方法和途徑獲得,這些因素對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、資源優(yōu)化的廣播協(xié)議提供了MANET不可比擬的優(yōu)勢(shì);但另一方面,VANET網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞拇笠?guī)模、高動(dòng)態(tài)變化以及無(wú)線自組網(wǎng)固有的隱藏/暴露節(jié)點(diǎn)問(wèn)題又為設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)可擴(kuò)展性和魯棒性的廣播協(xié)議帶來(lái)巨大的困難和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).2在MANET

中,信息最簡(jiǎn)單的分發(fā)方式是泛洪廣播(floodingbroadcasting).任何節(jié)點(diǎn)在接收到新的廣播信息后均將其向傳輸范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā),同時(shí)丟棄已經(jīng)接收過(guò)的廣播信息.雖然該方式可盡力保證廣播信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn),但仍然存在如下問(wèn)題:第一,由于無(wú)線傳播是全方向的,大量地理位置同時(shí)被多個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)覆蓋,使得節(jié)點(diǎn)可能收到多個(gè)內(nèi)容相同的廣播信息,從而產(chǎn)生大量冗余,形成“廣播風(fēng)暴(broadcaststorm)”;3第二,由于相鄰節(jié)點(diǎn)間轉(zhuǎn)發(fā)廣播信息的時(shí)間選擇高度相關(guān),存在嚴(yán)重的信道爭(zhēng)搶和碰撞;第三,大量隱藏/暴露節(jié)點(diǎn)的存在,很難保證廣播信息的可靠分發(fā).4MANET廣播研究因此,如何抑制過(guò)多冗余廣播信息,協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)間有序競(jìng)爭(zhēng),是設(shè)計(jì)有效廣播模型的基本要求.針對(duì)這些要求,諸多文獻(xiàn)從不同角度提出了一系列廣播協(xié)議.概括為基于鄰居節(jié)點(diǎn)信息的優(yōu)化泛洪廣播、基于概率預(yù)測(cè)的優(yōu)化泛洪廣播以及基于區(qū)域的優(yōu)化泛洪廣播等.5基于鄰居節(jié)點(diǎn)信息的優(yōu)化泛洪廣播可以提高信息傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性,但每個(gè)節(jié)點(diǎn)均需獲得至少一跳鄰居節(jié)點(diǎn)信息,因此協(xié)議的開(kāi)銷較大,并且收斂速度慢,不適宜于高動(dòng)態(tài)變化網(wǎng)絡(luò).基于概率預(yù)測(cè)的優(yōu)化泛洪廣播和基于區(qū)域的優(yōu)化泛洪廣播分別以基于概率的廣播、基于距離的廣播和基于位置的廣播協(xié)議為代表,節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有免疫性.但由于需要設(shè)置不同的門限參數(shù)(延遲發(fā)送時(shí)間或者節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)概率),因此,如何適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟彩沁@兩類廣播需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題.6雖然車用自組網(wǎng)和移動(dòng)自組網(wǎng)都具有自組性、多跳性、分布式等特征,但是由于車用自組網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與道路布局、節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、天氣狀況等因素密切相關(guān),節(jié)點(diǎn)及駕乘人員對(duì)信息的需求與MANET有本質(zhì)的差別,MANET的廣播模型和方法并不能滿足駕乘人員對(duì)交通信息的需求,因此迫切需要研究適應(yīng)于車用自組網(wǎng)的廣播模型和協(xié)議.7VANET信息廣播面臨的挑戰(zhàn)VANET作為特殊的移動(dòng)自組網(wǎng),節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁、大規(guī)模變化,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑尸F(xiàn)典型的非均勻分布.同時(shí),無(wú)線鏈路是開(kāi)放的有損介質(zhì),存在多徑衰落、陰影效應(yīng),對(duì)無(wú)線信道質(zhì)量造成了嚴(yán)重影響.8在研究VANET廣播協(xié)議時(shí),一般都假設(shè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)配備的GPS獲得有效位置信息.但在實(shí)際的車用自組網(wǎng)中,GPS是一個(gè)逐漸普及的過(guò)程,因此應(yīng)考慮協(xié)議的魯棒性.另外,網(wǎng)絡(luò)廣播的信息不只是緊急危險(xiǎn)警告等實(shí)時(shí)性強(qiáng)的應(yīng)用,還包括交通誘導(dǎo)等其他信息的廣播,這些信息對(duì)QoS(實(shí)時(shí)性、可靠性、區(qū)域性等)需求差別較大.因此,基于VANET的基本特征和多種類、多層次應(yīng)用需求,廣播協(xié)議需要具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性、魯棒性和公平性.9綜上所述,適應(yīng)VANET基本特征、滿足駕乘人員需求的交通信息廣播協(xié)議需要具備以下條件:(1)支持節(jié)點(diǎn)的高速移動(dòng);(2)保證信息分發(fā)的實(shí)時(shí)性、可靠性和可達(dá)性;(3)具有較高的資源利用率;(4)適應(yīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)惡劣信道環(huán)境;(5)具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性和魯棒性;(6)為多種應(yīng)用信息提供資源公平共享機(jī)會(huì).由于影響交通信息廣播分發(fā)QoS需求的因素多而雜,因此在提出適應(yīng)VANET特征和應(yīng)用需求的廣播模型與方法之前,必須要以理論研究為基礎(chǔ),深入分析影響廣播性能的各種因素,尤其是VANET網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓邉?dòng)態(tài)變化特征對(duì)廣播性能的影響.10基于VANET的廣播協(xié)議按信息傳輸跳數(shù)可分為單跳和多跳廣播,如圖所示.單跳廣播主要是為鄰居節(jié)點(diǎn)提供各種緊急交通信息,以提醒鄰居車輛應(yīng)對(duì)可能的危險(xiǎn)狀況;多跳廣播可以為駕乘人員提供各種交通誘導(dǎo)信息,實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)預(yù)警、擁堵疏導(dǎo)、事故救援、交管部門宏觀調(diào)控等應(yīng)用.1112單跳廣播通過(guò)單跳廣播就可能為危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的車輛提供危險(xiǎn)警告、協(xié)同駕駛等優(yōu)先級(jí)高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的交通信息,提醒司機(jī)緊急避險(xiǎn)或采取合適的駕駛行為,以最大限度地避免追尾和連環(huán)碰撞事故的發(fā)生.13雖然單跳廣播的主要目標(biāo)是為鄰居節(jié)點(diǎn)提供實(shí)時(shí)性好、可靠性高的信息,要求能夠合理配置稀缺的無(wú)線資源.但是,由于節(jié)點(diǎn)的高速移動(dòng)性,網(wǎng)絡(luò)分布式以及IEEE802.11的MAC層在信息廣播分發(fā)方面存在的固有缺陷,很難保證司機(jī)獲得實(shí)時(shí)、可靠的交通信息.因此,單跳廣播模型需要解決交通信息分發(fā)的可靠性、實(shí)時(shí)性以及資源利用效率問(wèn)題.根據(jù)單跳廣播的發(fā)布機(jī)制,將單跳廣播分為重復(fù)性廣播、基于時(shí)隙分配廣播和定向廣播.14為提高單跳廣播的可靠性,保證鄰居節(jié)點(diǎn)都能夠正確接收到廣播信息,提出了重復(fù)廣播協(xié)議.該協(xié)議主要針對(duì)進(jìn)入某一危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的車輛發(fā)布警告信息,通過(guò)連續(xù)不斷的信息廣播,提高各個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)成功接收信息的概率.針對(duì)交通信息時(shí)效特征,提出一種單跳車輛碰撞警告協(xié)議(vehicularcollisionwarningcommunication,簡(jiǎn)稱VCWC).15其基本思想是:在初始階段,危險(xiǎn)警告信息以較高頻率不斷重復(fù)廣播;之后,廣播頻率乘性降低,以迅速減少?gòu)V播信息量.該協(xié)議可以提高鄰居節(jié)點(diǎn)接收廣播信息的成功率,但當(dāng)危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)需要廣播警告信息時(shí),會(huì)導(dǎo)致大量的競(jìng)爭(zhēng)和碰撞,同時(shí)網(wǎng)絡(luò)資源利用率較差.16另一種可靠性高、能夠?yàn)椴煌煌ㄐ畔⑻峁﹥?yōu)先級(jí)服務(wù)的單跳廣播協(xié)議.每個(gè)需要廣播信息的節(jié)點(diǎn)通過(guò)對(duì)最近一段時(shí)間接收到的廣播信息序列號(hào)進(jìn)行分析,粗略估計(jì)出網(wǎng)絡(luò)負(fù)載條件以及鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù),從而動(dòng)態(tài)調(diào)整不同優(yōu)先級(jí)廣播信息的競(jìng)爭(zhēng)窗口、傳輸速率和傳輸功率.當(dāng)統(tǒng)計(jì)出接收的廣播信息丟失率大于某一個(gè)門限值r時(shí),則判斷網(wǎng)絡(luò)處于擁塞狀態(tài),此時(shí)發(fā)送的廣播信息可靠性將會(huì)降低,因此增大競(jìng)爭(zhēng)窗口以延遲發(fā)送.當(dāng)檢測(cè)出網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時(shí),則減小競(jìng)爭(zhēng)窗口,在保證傳輸可靠性的同時(shí)減小優(yōu)先級(jí)廣播信息等待時(shí)間.該協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是提高了廣播信息可靠性和資源利用率,同時(shí)能夠保證緊急交通信息的實(shí)時(shí)性傳輸;但在不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度下選擇合適的門限值r以調(diào)節(jié)競(jìng)爭(zhēng)窗口,是該類廣播協(xié)議需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題.17基于時(shí)隙分配廣播針對(duì)VANET分布式導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題,提出一種信道預(yù)約式的同步MAC協(xié)議(reliablereservationALOHA,簡(jiǎn)稱RR-ALOHA),每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)周期性廣播幀信息(frameinformation,簡(jiǎn)稱FI)協(xié)調(diào)鄰居節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道.當(dāng)有節(jié)點(diǎn)加入時(shí),先偵聽(tīng)FI,然后選擇一個(gè)空閑時(shí)隙發(fā)送一個(gè)分組來(lái)預(yù)約這個(gè)時(shí)隙.如果鄰居節(jié)點(diǎn)正確接收到該分組,則在相應(yīng)的FI中標(biāo)示出來(lái).當(dāng)新加入的節(jié)點(diǎn)在一個(gè)完整的FI內(nèi)收到所有鄰居節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)分組時(shí),即認(rèn)為預(yù)約成功,新節(jié)點(diǎn)就將該時(shí)隙作為它的基本信道(basechanne1,簡(jiǎn)稱BC),直到節(jié)點(diǎn)離開(kāi)網(wǎng)絡(luò).在這期間,其他節(jié)點(diǎn)不能訪問(wèn)該時(shí)隙.其中,BC用于發(fā)送FI、其他信令信息和應(yīng)用信息.18針對(duì)高速公路上危險(xiǎn)區(qū)域的方向性(即道路上的危險(xiǎn)警告等信息僅對(duì)其后面一定區(qū)域內(nèi)的車輛帶來(lái)潛在威脅,只需將這類信息定向廣播就能為危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的車輛提供警告服務(wù)),提出定向與全向相結(jié)合的廣播協(xié)議(directionalMACprotocol,簡(jiǎn)稱DMAC).該協(xié)議不但可以提高信息分發(fā)的可靠性,同時(shí)資源利用率較高.但是,該協(xié)議沒(méi)有解決隱藏/暴露節(jié)點(diǎn)對(duì)廣播節(jié)點(diǎn)的影響.19多跳廣播車用自組網(wǎng)單跳廣播雖然能夠?qū)⒕o急交通信息在一定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行分發(fā),但還不能滿足駕乘人員對(duì)各種交通信息的需求.VANET多跳廣播通過(guò)廣播信息中繼可為更大范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)提供交通信息,但多跳廣播不僅需要處理單跳廣播面臨的可靠性、實(shí)時(shí)性問(wèn)題,更需要解決資源優(yōu)化和協(xié)議的可擴(kuò)展性和魯棒性問(wèn)題.20基于概率的多跳廣播當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到廣播信息時(shí),立即或等待一定時(shí)隙后以概率p轉(zhuǎn)發(fā)廣播信息,以概率1?p丟棄廣播信息.簡(jiǎn)單泛洪中,節(jié)點(diǎn)總是以概率1轉(zhuǎn)發(fā)或丟棄廣播信息,因此,基于概率的廣播屬于簡(jiǎn)單泛洪的改進(jìn).21加權(quán)p-堅(jiān)持概率廣播協(xié)議,如圖所示.每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)周期性“Hello”報(bào)文獲得兩跳鄰居信息,以估計(jì)局部路段上的節(jié)點(diǎn)密度,從而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)發(fā)廣播信息概率.

理論分析和仿真結(jié)果均表明,基于節(jié)點(diǎn)密度的動(dòng)態(tài)概率協(xié)議能夠在稀疏和稠密模式下提供較好的信息可達(dá)率,但沒(méi)有解決隱藏/暴露節(jié)點(diǎn)對(duì)信息可靠性的影響.并且,節(jié)點(diǎn)需要維護(hù)兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)信息,在高動(dòng)態(tài)變化網(wǎng)絡(luò)中開(kāi)銷較大.22基于距離的多跳廣播通過(guò)選擇距離廣播節(jié)點(diǎn)更遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)廣播信息,減少?gòu)V播傳輸過(guò)程中的跳數(shù),降低廣播信息的傳輸時(shí)延,減少冗余廣播信息,提高資源利用率.接收節(jié)點(diǎn)首先通過(guò)信號(hào)強(qiáng)度或者GPS計(jì)算自己與廣播節(jié)點(diǎn)間的距離,然后利用公式計(jì)算等待轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間d(t).當(dāng)?shù)却龝r(shí)間結(jié)束時(shí),如果還沒(méi)有收到相同的廣播信息,節(jié)點(diǎn)就立即轉(zhuǎn)發(fā)該信息.其中,WT表示節(jié)點(diǎn)的最大等待時(shí)間,R表示節(jié)點(diǎn)信號(hào)的有效范圍,Dsd表示信息發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)間的距離,k為調(diào)節(jié)因子.23雖然基于距離的廣播協(xié)議比較簡(jiǎn)單,不需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行修改,可自適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的密度,優(yōu)化資源配置,但無(wú)論是采用定向廣播還是區(qū)域廣播,都沒(méi)有改善相鄰節(jié)點(diǎn)間的無(wú)序競(jìng)爭(zhēng),也沒(méi)有解決隱藏/暴露節(jié)點(diǎn)對(duì)信道的干擾問(wèn)題,可靠性較差.針對(duì)該問(wèn)題,提出了基于距離的定向重復(fù)廣播協(xié)議.當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到廣播信息之后,基于距離設(shè)置一個(gè)等待時(shí)間d(t),并開(kāi)始偵聽(tīng)其他節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)男畔?當(dāng)?shù)却龝r(shí)間結(jié)束時(shí),該節(jié)點(diǎn)立即向廣播節(jié)點(diǎn)發(fā)送ACK,其他接收到ACK的鄰居節(jié)點(diǎn)保持沉默,等待該節(jié)點(diǎn)廣播信息.24這種機(jī)制可減小隱藏/暴露節(jié)點(diǎn)對(duì)廣播信道的干擾,當(dāng)廣播節(jié)點(diǎn)在WT內(nèi)沒(méi)有收到鄰居節(jié)點(diǎn)的ACK信息或者相同的廣播信息時(shí),則認(rèn)為廣播傳輸失敗或者周圍沒(méi)有鄰居節(jié)點(diǎn)(網(wǎng)絡(luò)處于分割或者稀疏模式狀態(tài)).因此,廣播節(jié)點(diǎn)每隔10WT就重復(fù)廣播該信息,直到收到其他節(jié)點(diǎn)的ACK信息.該協(xié)議通過(guò)重復(fù)廣播以提高可靠性,通過(guò)ACK減少競(jìng)爭(zhēng)碰撞和隱藏節(jié)點(diǎn)的干擾,但這種重復(fù)廣播以過(guò)多的資源消耗為代價(jià),可擴(kuò)展性需要進(jìn)一步提高.25基于分層的多跳廣播近年來(lái),基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞謱拥亩嗵鴱V播成為VANET新的研究方向.首先,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞謱訁f(xié)議將VANET劃分為各個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子網(wǎng)(也稱簇),利用簇頭(clusterhead,簡(jiǎn)稱CH)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(gatewaynode,簡(jiǎn)稱GN)構(gòu)造虛擬主干網(wǎng)(virtualbackbonenetwork,簡(jiǎn)稱VBN),將高動(dòng)態(tài)變化的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)映射為穩(wěn)定的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).然后,廣播信息就可在VBN中傳輸,從而將點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的廣播轉(zhuǎn)化成為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單播,剔除了廣播中繼節(jié)點(diǎn)的選擇過(guò)程,同時(shí)消除了隱藏/暴露節(jié)點(diǎn)對(duì)廣播可靠性的影響.但如何針對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓邉?dòng)態(tài)變化的VANET提出一種開(kāi)銷小、穩(wěn)定性強(qiáng)的分層協(xié)議,是這類廣播協(xié)議需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題.26針對(duì)VANET中節(jié)點(diǎn)組運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)聯(lián)性,首先提出基于權(quán)重的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞謱訁f(xié)議(weightedutilityfunction,簡(jiǎn)稱WUF),然后提出基于分層的廣播協(xié)議(distributedcluster-basedscheme,簡(jiǎn)稱DCBS).通過(guò)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆謱咏Y(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)CH和GN負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)收到的廣播信息,其他節(jié)點(diǎn)僅作為廣播信息的接收者.該協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是:(1)