E-車載自組網(wǎng)(VANET 續(xù))

VANET信息廣播在移動自組網(wǎng)(mobileadhocnetworks,簡稱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到點的單播及點到多點的組播協(xié)議.但是,由于VANET

應(yīng)用的特殊性,信息接收節(jié)點一般以組為單位,具有隨機性和不確定性.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,各國學(xué)者對MANET的信息廣播模型與方法進行了廣泛研究,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)點運動規(guī)律等都可以通過一定方法和途徑獲得,這些因素對設(shè)計實時性強、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;但另一方面,VANET網(wǎng)絡(luò)拓撲的大規(guī)模、高動態(tài)變化以及無線自組網(wǎng)固有的隱藏/暴露節(jié)點問題又為設(shè)計具有較強可擴展性和魯棒性的廣播協(xié)議帶來巨大的困難和嚴峻的挑戰(zhàn).2在MANET

中,信息最簡單的分發(fā)方式是泛洪廣播(floodingbroadcasting).任何節(jié)點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)點轉(zhuǎn)發(fā),同時丟棄已經(jīng)接收過的廣播信息.雖然該方式可盡力保證廣播信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點,但仍然存在如下問題:第一,由于無線傳播是全方向的,大量地理位置同時被多個節(jié)點的信號覆蓋,使得節(jié)點可能收到多個內(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)點間轉(zhuǎn)發(fā)廣播信息的時間選擇高度相關(guān),存在嚴重的信道爭搶和碰撞;第三,大量隱藏/暴露節(jié)點的存在,很難保證廣播信息的可靠分發(fā).4MANET廣播研究因此,如何抑制過多冗余廣播信息,協(xié)調(diào)節(jié)點間有序競爭,是設(shè)計有效廣播模型的基本要求.針對這些要求,諸多文獻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)點信息的優(yōu)化泛洪廣播、基于概率預(yù)測的優(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)點信息的優(yōu)化泛洪廣播可以提高信息傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性,但每個節(jié)點均需獲得至少一跳鄰居節(jié)點信息,因此協(xié)議的開銷較大,并且收斂速度慢,不適宜于高動態(tài)變化網(wǎng)絡(luò).基于概率預(yù)測的優(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)點對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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)送時間或者節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)概率),因此,如何適應(yīng)動態(tài)變化網(wǎng)絡(luò)拓撲也是這兩類廣播需要解決的關(guān)鍵問題.6雖然車用自組網(wǎng)和移動自組網(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)的拓撲結(jié)構(gòu)與道路布局、節(jié)點運動規(guī)律、天氣狀況等因素密切相關(guān),節(jié)點及駕乘人員對信息的需求與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作為特殊的移動自組網(wǎng),節(jié)點高速移動導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓撲頻繁、大規(guī)模變化,網(wǎng)絡(luò)拓撲呈現(xiàn)典型的非均勻分布.同時,無線鏈路是開放的有損介質(zhì),存在多徑衰落、陰影效應(yīng),對無線信道質(zhì)量造成了嚴重影響.8在研究VANET廣播協(xié)議時,一般都假設(shè)節(jié)點通過配備的GPS獲得有效位置信息.但在實際的車用自組網(wǎng)中,GPS是一個逐漸普及的過程,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警告等實時性強的應(yīng)用,還包括交通誘導(dǎo)等其他信息的廣播,這些信息對QoS(實時性、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)議需要具有較強的可擴展性、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)點的高速移動;(2)保證信息分發(fā)的實時性、可靠性和可達性;(3)具有較高的資源利用率;(4)適應(yīng)無線網(wǎng)絡(luò)惡劣信道環(huán)境;(5)具有較強的可擴展性和魯棒性;(6)為多種應(yīng)用信息提供資源公平共享機會.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)拓撲高動態(tài)變化特征對廣播性能的影響.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)點提供各種緊急交通信息,以提醒鄰居車輛應(yīng)對可能的危險狀況;多跳廣播可以為駕乘人員提供各種交通誘導(dǎo)信息,實現(xiàn)危險預(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單跳廣播通過單跳廣播就可能為危險區(qū)域內(nèi)的車輛提供危險警告、協(xié)同駕駛等優(yōu)先級高、實時性強的交通信息,提醒司機緊急避險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是為鄰居節(jié)點提供實時性好、可靠性高的信息,要求能夠合理配置稀缺的無線資源.但是,由于節(jié)點的高速移動性,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,很難保證司機獲得實時、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、實時性以及資源利用效率問題.根據(jù)單跳廣播的發(fā)布機制,將單跳廣播分為重復(fù)性廣播、基于時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)議主要針對進入某一危險區(qū)域內(nèi)的車輛發(fā)布警告信息,通過連續(xù)不斷的信息廣播,提高各個鄰居節(jié)點成功接收信息的概率.針對交通信息時效特征,提出一種單跳車輛碰撞警告協(xié)議(vehicularcollisionwarningcommunication,簡稱VCWC).15其基本思想是:在初始階段,危險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,以迅速減少廣播信息量.該協(xié)議可以提高鄰居節(jié)點接收廣播信息的成功率,但當危險區(qū)域內(nèi)有多個節(jié)點同時需要廣播警告信息時,會導(dǎo)致大量的競爭和碰撞,同時網(wǎng)絡(luò)資源利用率較差.16另一種可靠性高、能夠為不同交通信息提供優(yōu)先級服務(wù)的單跳廣播協(xié)議.每個需要廣播信息的節(jié)點通過對最近一段時間接收到的廣播信息序列號進行分析,粗略估計出網(wǎng)絡(luò)負載條件以及鄰居節(jié)點數(shù),從而動態(tài)調(diào)整不同優(yōu)先級廣播信息的競爭窗口、傳輸速率和傳輸功率.當統(tǒng)計出接收的廣播信息丟失率大于某一個門限值r時,則判斷網(wǎng)絡(luò)處于擁塞狀態(tài),此時發(fā)送的廣播信息可靠性將會降低,因此增大競爭窗口以延遲發(fā)送.當檢測出網(wǎng)絡(luò)負載較輕時,則減小競爭窗口,在保證傳輸可靠性的同時減小優(yōu)先級廣播信息等待時間.該協(xié)議的優(yōu)點是提高了廣播信息可靠性和資源利用率,同時能夠保證緊急交通信息的實時性傳輸;但在不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點密度下選擇合適的門限值r以調(diào)節(jié)競爭窗口,是該類廣播協(xié)議需要解決的關(guān)鍵問題.17基于時隙分配廣播針對VANET分布式導(dǎo)致節(jié)點間無序競爭問題,提出一種信道預(yù)約式的同步MAC協(xié)議(reliablereservationALOHA,簡稱RR-ALOHA),每個節(jié)點通過周期性廣播幀信息(frameinformation,簡稱FI)協(xié)調(diào)鄰居節(jié)點競爭信道.當有節(jié)點加入時,先偵聽FI,然后選擇一個空閑時隙發(fā)送一個分組來預(yù)約這個時隙.如果鄰居節(jié)點正確接收到該分組,則在相應(yīng)的FI中標示出來.當新加入的節(jié)點在一個完整的FI內(nèi)收到所有鄰居節(jié)點的確認分組時,即認為預(yù)約成功,新節(jié)點就將該時隙作為它的基本信道(basechanne1,簡稱BC),直到節(jié)點離開網(wǎng)絡(luò).在這期間,其他節(jié)點不能訪問該時隙.其中,BC用于發(fā)送FI、其他信令信息和應(yīng)用信息.18針對高速公路上危險區(qū)域的方向性(即道路上的危險警告等信息僅對其后面一定區(qū)域內(nèi)的車輛帶來潛在威脅,只需將這類信息定向廣播就能為危險區(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,簡稱DMAC).該協(xié)議不但可以提高信息分發(fā)的可靠性,同時資源利用率較高.但是,該協(xié)議沒有解決隱藏/暴露節(jié)點對廣播節(jié)點的影響.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)進行分發(fā),但還不能滿足駕乘人員對各種交通信息的需求.VANET多跳廣播通過廣播信息中繼可為更大范圍內(nèi)的節(jié)點提供交通信息,但多跳廣播不僅需要處理單跳廣播面臨的可靠性、實時性問題,更需要解決資源優(yōu)化和協(xié)議的可擴展性和魯棒性問題.20基于概率的多跳廣播當節(jié)點收到廣播信息時,立即或等待一定時隙后以概率p轉(zhuǎn)發(fā)廣播信息,以概率1?p丟棄廣播信息.簡單泛洪中,節(jié)點總是以概率1轉(zhuǎn)發(fā)或丟棄廣播信息,因此,基于概率的廣播屬于簡單泛洪的改進.21加權(quán)p-堅持概率廣播協(xié)議,如圖所示.每個節(jié)點通過周期性“Hello”報文獲得兩跳鄰居信息,以估計局部路段上的節(jié)點密度,從而動態(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)點密度的動態(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率,但沒有解決隱藏/暴露節(jié)點對信息可靠性的影響.并且,節(jié)點需要維護兩跳鄰居節(jié)點信息,在高動態(tài)變化網(wǎng)絡(luò)中開銷較大.22基于距離的多跳廣播通過選擇距離廣播節(jié)點更遠的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)廣播信息,減少廣播傳輸過程中的跳數(shù),降低廣播信息的傳輸時延,減少冗余廣播信息,提高資源利用率.接收節(jié)點首先通過信號強度或者GPS計算自己與廣播節(jié)點間的距離,然后利用公式計算等待轉(zhuǎn)發(fā)時間d(t).當?shù)却龝r間結(jié)束時,如果還沒有收到相同的廣播信息,節(jié)點就立即轉(zhuǎn)發(fā)該信息.其中,WT表示節(jié)點的最大等待時間,R表示節(jié)點信號的有效范圍,Dsd表示信息發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點間的距離,k為調(diào)節(jié)因子.23雖然基于距離的廣播協(xié)議比較簡單,不需要對標準協(xié)議進行修改,可自適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的密度,優(yōu)化資源配置,但無論是采用定向廣播還是區(qū)域廣播,都沒有改善相鄰節(jié)點間的無序競爭,也沒有解決隱藏/暴露節(jié)點對信道的干擾問題,可靠性較差.針對該問題,提出了基于距離的定向重復(fù)廣播協(xié)議.當一個節(jié)點接收到廣播信息之后,基于距離設(shè)置一個等待時間d(t),并開始偵聽其他節(jié)點傳輸?shù)男畔?當?shù)却龝r間結(jié)束時,該節(jié)點立即向廣播節(jié)點發(fā)送ACK,其他接收到ACK的鄰居節(jié)點保持沉默,等待該節(jié)點廣播信息.24這種機制可減小隱藏/暴露節(jié)點對廣播信道的干擾,當廣播節(jié)點在WT內(nèi)沒有收到鄰居節(jié)點的ACK信息或者相同的廣播信息時,則認為廣播傳輸失敗或者周圍沒有鄰居節(jié)點(網(wǎng)絡(luò)處于分割或者稀疏模式狀態(tài)).因此,廣播節(jié)點每隔10WT就重復(fù)廣播該信息,直到收到其他節(jié)點的ACK信息.該協(xié)議通過重復(fù)廣播以提高可靠性,通過ACK減少競爭碰撞和隱藏節(jié)點的干擾,但這種重復(fù)廣播以過多的資源消耗為代價,可擴展性需要進一步提高.25基于分層的多跳廣播近年來,基于網(wǎng)絡(luò)拓撲分層的多跳廣播成為VANET新的研究方向.首先,通過網(wǎng)絡(luò)拓撲分層協(xié)議將VANET劃分為各個相對獨立的子網(wǎng)(也稱簇),利用簇頭(clusterhead,簡稱CH)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(gatewaynode,簡稱GN)構(gòu)造虛擬主干網(wǎng)(virtualbackbonenetwork,簡稱VBN),將高動態(tài)變化的物理拓撲結(jié)構(gòu)映射為穩(wěn)定的邏輯拓撲結(jié)構(gòu).然后,廣播信息就可在VBN中傳輸,從而將點對多點的廣播轉(zhuǎn)化成為點對點的單播,剔除了廣播中繼節(jié)點的選擇過程,同時消除了隱藏/暴露節(jié)點對廣播可靠性的影響.但如何針對網(wǎng)絡(luò)拓撲高動態(tài)變化的VANET提出一種開銷小、穩(wěn)定性強的分層協(xié)議,是這類廣播協(xié)議需要解決的關(guān)鍵問題.26針對VANET中節(jié)點組運動狀態(tài)的關(guān)聯(lián)性,首先提出基于權(quán)重的網(wǎng)絡(luò)拓撲分層協(xié)議(weightedutilityfunction,簡稱WUF),然后提出基于分層的廣播協(xié)議(distributedcluster-basedscheme,簡稱DCBS).通過創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)拓撲的分層結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)CH和GN負責轉(zhuǎn)發(fā)收到的廣播信息,其他節(jié)點僅作為廣播信息的接收者.該協(xié)議的優(yōu)點是:(1)