基于IEEE1609网络的路况信息广播方法研究

陈锦花

（南通大学 现代教育技术中心，南通 226019）

0 引言

利用信息与通信技术(ICT)来达成智能运输系统(ITS)已经是近年来重要的研究方向，包含车辆驾驶安全应用和电子收付费系统(ETC)等，为了满足上述需求，车载专用短距离通讯(WAVE/DSRC)联盟已经形成，并采用IEEE1609作为网络层[1]。

IEEE1609/IEEE802.11p通信协议架构定义了无线通信设备在车辆上(OBU)，与道路旁(RSU)，其工作频带在5855至5925MHz，协议分成七个频道，每个频道为10MHz；第四个频道是控制频道，编号178，其他六个频道是服务频道，编号分别为172、174、176、180、182和184。在时间轴方面，协议规范的控制频道与服务频道每隔50毫秒相互切换，但时间参数可按照实际情形进行调整[2]。

1 路况信息广播算法

IEEE1609网络中实时路况信息广播的两个重要问题。

第一个问题是RSU在自己控制周期的控制频道内广播WSA，但OBU却在服务周期的服务频道内，这就使得OBU无法接收RSU广播的实时路况信息指引，导致RSU与OBU在传输距离无法沟通，我们称之为周期不匹配问题。

第二个问题是两个OBUs在某一个服务频道内交互过长时间，超过多个服务/控制周期，但没有切换至控制频道，因此，在此期间，两个OBUs便无法接收RSU广播的实时路况信息引指，我们称之为交易驱使消失问题。

我们提出动态频道切换协议来初步解决上述两个问题；广播后退计时器机制来进一步提升动态频切换协议的效率。

1.1 动态频道切换协议

因为IEEE1609规范了一个控制频道与六个服务频道[3]。我们用C表示控制频道，S1、S2、S3、S4、S5和S6表示服务频道，因此共可产生12种频道切换模式，前六种频道切换模式从控制频道开始，分别为 (C,S1)、(C,S2)、(C,S3)、(C,S4)、(C,S5)、(C,S6)，接下来六种频道切换模式从服务频道开始，分别为 (S1,C)、(S2,C)、(S3,C)、(S4,C)、(S5,C)、(S6,C)，因为周期不匹配问题的存在，后六种频道切换模式在时间轴上与前六种正好相反，如图1所示。

另外，RSU的频道切换模式只是上述12种模式其中一种，如果OBU按照和RSU相同的频道切换模式，则在控制周期内，采用控制频道C听取RSU的指引切换到服务周期后，采用服务频道S1来听取RSU广播的路况信息。但是因为OBU可能和其它OBU交互过久，或OBU的频道切换模式与RSU不同，导致根本无法有效广播路况信息，这就是RSU与OBU的周期不匹配问题与交易驱使消失问题。

因此，在一区域内，RSU欲广播路况信息时，它会在WSA封包内，选择一种频道切换模式，以广播其路况信息。任何一OBU在此区域内，收到该WSA封包后，采用RSU的频道切换模式，再接收其路况信息，当知悉后，再选择另一种不同于RSU的频道切换模式，帮助该路况信息广播，直到该路况信息的时限到期，或是超过该规定区域。下面，我们正式定义所提出的动态频道切换协议。

1）当一个RSU要广播路况信息时，它会选择上述12种频道切换模式的一种，在控制周期内广播WSA与在服务周期内广播WSM；在WSA封包内，会指示该RSU频道切换模式，并告知周围OBU，未来的服务周期内，采用哪种频道，提供哪种路况信息。

2）当一个OBUx接收到RSU广播的WSA封包后，首先它会按照WSA的指示，选择与RSU相同的频道切换模式，并在连续的控制/服务周期内，接收完所有的路况信息；接着OBUx回到控制频道C等待。

3）每一个OBU也要选定一个频道切换模式去广播路况信息时；首先OBUx在广播后退计时器(在1.2讨论如何改善广播后退计时器机制)未到期前，OBUx会尽可能接收周围OBUs所选择的频道切换模式，并在广播后退计时器到后，在控制频道C发出WSA封包，选择某一尚未选取的频道切换模式去广播路况信息，如果12种频道切换模式都被选完，就保持安静。

4）每一个OBU重复步骤(2)与(3)，直到该路况信息时限到期或是OBU行驶超过该路况信息服务范围。

图1 12种频道切换模式

用一个例子来说明动态频道切换协议，如图2所示，道路上有一个RSU和四个OBU，分别为OBU1、OBU2、OBU3和OBU4。我们假设RSU有路况信息要广播并选择频道切换模式(C,S1)，在控制频道C上广播WSA封包与服务频道S1上广播WSM封包，此时，OBU1、OBU3都与RSU在相同的频道切换模式(C,S1)，故经过两次控制/服务周期切换，OBU1、OBU3都可接收RSU的路况信息，而OBU2因为采用频道切换模式(S3,C)，故无法接收RSU的路况信息广播；另外，OBU4一直采用服务频道S2与另一OBU相互沟通，也无法接收RSU的路况信息，因此当OBU1、OBU3接收完路况信息后，也知道RSU已采用频道切换模式(C,S1)，故OBU1、OBU3选择其他频道切换模式以帮助路况信息的广播，故OBU1选择(S3,C)，让OBU2也得知该路况信息，这样就可以消除周期不匹配的问题；而OBU3选择(C,S2)，让OBU4也可得知该路况信息，这就消除了交易驱使消失的问题。

1.2 广播后退计时器机制

动态频道切换协议会遭受到两个OBU采用相同的广播后退计时器，而导致频道竞争与封包碰撞的问题，我们提出一种广播后退计时器机制来缓解这个问题。

1）动态频道切换协议假设每个OBU都具有相同的优先权去执行路况信息广播；但是某些路况信息由特定的车辆广播会是比较好的方式，如警车、救护车等。例如，有火灾时，救护车的OBU具有较高的优先权去广播实时路况信息，可以采用较短的广播后退计时器，告知周围车辆让道，让紧急车辆可以优先通过救灾；因此，按照不同类型的车辆，给予不同优先权去产生较短的广播后退计时器，对于路况信息广播有正面效果。

2）我们考虑行驶车辆的位置、方向与相对速度。当某一OBU广播路况信息时，把车辆本身的位置、方向、速度放入WSA与WSM封包内，让接收端OBU得知自己是否需要再转送该路况信息。第一步，当接收端OBU接收路况信息时，先计算本身位置与行驶方向，如是朝向发送端行驶，则保持静止，不参与路况信息广播，如果是远离发送端，则需参与路况信息广播；第二步，需要参与路况信息广播的OBU，经由本身速度与发送端速度，计算出彼此相对速度，当其相对速度大于某一门限值，则具有较高优先权去传送路况信息，因此选择较小的广播后退计时器；当其相对速度小于某一门限值，则具较低优先权，而选择较大的广播后退计时器。

3）在协同式行车安全应用上，每辆车被要求定期发送信息，告知当前车辆位置、方向、速度、车道与历史路径给周围行驶车辆，以减少车祸和碰撞的发生。因此，如果每辆OBU可以在行车安全信息上，增加一个指引，告知发送端，本身是否已经知道该路况信息，如此，发送端可以清楚知道哪些OBU尚未收到路况信息，可以大幅降低不必要广播与转送。

4）在连续地发送协同式行车安全信息间，每个OBU也会数到周围车辆的行车安全信息，此时，经由计算安全信息个数，进而知道该OBU周围的行车密度；因此，我们再定义一个广播后退计时器与行车密度的相关对应表，当周围行车密度较大时，OBU会选择较大的广播后退计时器，当周围行车密度较小时，选择较小的广播后退计时器，以降低频竞争与封包碰撞。

图2 动态频道切换协议例子

2 效率分析

在本节中，我们的模拟环境为一个长2400m、宽1600m的区域，具有9条横向与13条纵向道路，双向车道，一个RSU在模拟区域中央；RSU为路况信息广播的源点，车辆都由道路的进口产生，紧急车辆出现机率约为3%，车辆只限制在本身车道行驶，速度为高斯机率模型，分布约在10m/sec～20m/sec，在每个十字路口，车辆左转、右转、直行的机率各占1/3；所有RSU与OBU都只有一个天线。此外，假设IEEE802.11p的传输半径约250m，OBU的传输速率约3Mbps，采用一个控制频道与六个服务频道，控制周期和服务周期各占50msec，组合形成一个super frame。

2.1 广播涵盖率分析

图3显示了路况信息广播算法在不同行车速度的涵盖率的模拟结果；传统方法、按照车辆类型广播算法、按照相对速度广播算法、按照行车密度

广播算法分别命名为TMD、DM-AT、DM-RS、DM-TD。从图3中，在较高的行车密度时(15 vehicles/km)，我们所提的方法DM-AT、DMRS、DM-TD只需要24sec就可以有90%的涵盖率，但无法达成100%的涵盖率，主要原因是有部分车辆只出现一次，就驶离路况信息广播范围，但这点不影响信息广播效果。然而在较低的行车密度下(3 vehicles/km)，40sec大约只能达成60%路况信息的涵盖率，可见行车密度对于路况信息的广播有些许程度的影响。另一方面，传统方法TDM，不管在较高或较低的行车密度时，都比我们的方法差，主要原因为TDM的OBU没有采用动态频道切换协议，导致没有收到任何实时路况信息，进而影响广播的涵盖率。

2.2 传输碰撞率分析

图4显示了路况信息广播算法，在不同行车密度的传输碰撞的模拟结果。封包碰撞机率会随着行车密度增加而逐渐升高，但是似乎传统方式TDM比我们所提的方法好，这是因为所有TDM参与模拟的车辆有一半是周期不匹配的问题，因此参与路况信息广播的OBU个数，只有其他路况信息广播算法的OBU个数的一半，故会有碰撞机率比较低的现象；另外，按照相对速度广播算法DM-RS、按照行车密度广播算法DM-TD都有较小的封包碰撞机率，这是因为DM-RS、DM-TD的OBU都会根据目前所行驶的环境，调整广播后退计时器，而DM-AT只是按照车辆类型的调整广播后退计时器，因此会有比较高的封包碰撞机率。

图3 广播覆盖率比较图

图4 传播碰撞率比较图

3 结束语

在本文中，我们解决了在IEEE 1609网络中，两个重要的路况信息广播问题，第一个是周期不匹配的问题，第二个是交易驱使消失的问题。在1.1中，提出了动态频道切换协议来克服这两个问题；在1.2中，利用行车环境特征，提出广播后退计时器机制来提升动态频道切换协议的效率。从模拟结果得知，我们的动态频道切换协议搭配按照行车特征的广播后退计时器机制，具有最优的路况信息广播涵盖率与较少的封包碰撞率。

[1] 储珊.IEEE802.16e系统中的空时编码OFDM技术研究[D].浙江大学, 2006

[2] 陈穗光.宽带无线接入系统中的信道估计技术[D].西安电子科技大学, 2007

[3] IEEE Std.1609.12-2010, “IEEE Draft Standard for Wireless Access in Vehicular Environment (WAVE)–Identif i er Allocations,” 2011