基于VANET的高速公路事故消息快速广播机制

马佳荣，赵祥模，马峻岩，王润民，孟 强

（长安大学信息工程学院，西安710064）

基于VANET的高速公路事故消息快速广播机制

马佳荣，赵祥模，马峻岩，王润民，孟 强

（长安大学信息工程学院，西安710064）

针对现有的高速公路事故消息发布方法存在时延大、传输速度慢等问题，结合车载环境无线接入方案，提出一种定向单跳车辆事故消息广播机制（DSHVB）。车辆节点通过建立与自身行驶方向相反的车辆节点列表，确定是否成为转发节点从而完成事故消息的定向转发。研究高速移动情况下车辆节点间事故消息的可靠转发条件，利用Veins仿真平台对DSHVB进行性能评估。实验结果表明，与泛洪广播机制相比，DSHVB的丢包率和网络负载更低、消息可靠性更高，能够满足高速公路事故消息快速广播的需求。

高速公路；事故消息发布；车载自组网；广播机制；无线接入

1 概述

高速公路中的突发事故是造成道路拥堵和引发二次事故的重要原因，这主要是由于现有的事故消息发布方式［1］（电子情报板以及调频广播）具有较大的延迟，事故消息传输速度慢，无法实现事故后方车辆的快速疏散。因此，建立一种高效的事故信息发布机制［2］显得尤为重要。

随着对车载自组网［3］（Vehicular Ad-hoc Network， VANET）研究的深入，利用VANET对各类交通消息进行广播［4］以提升交通效率［5］成为研究热点之一。车载自组网中通信［6］的一个典型特点是：针对不同的应用，各层协议可以变化很大，而且通常会考虑跨层以及简化层次。目前，较权威的协议架构［7］是基于IEEE Standard 802.11［8］协议提出的车载环境无线接入［9］（Wireless Access in Vehicular Environments，WAVE）方案，通过周期性广播短程载波消息，车辆节点与邻居车辆节点或路侧设备实现信息交互，并通过处理该信息得到交通现状并做出相应调整。考虑到WAVE协议信道切换子层严格规定的50 ms的切换间隔，能够保证安全消息的及时传输，同时网络和传输层上的单跳广播机制可以保证消息传递的可靠性，能够满足安全信息发布服务水平［10］的要求。本文以WAVE协议为基础，在应用层对事故消息的转发机制进行研究。

泛洪广播［11］是WAVE中使用较为广泛的一种广播机制，然而，考虑到事故只对道路中与事故车辆行驶方向相同且处于事故车辆后方的车辆行驶造成影响，采用泛洪广播对事故消息进行传播存在较大冗余［12］。基于此，本文提出一种面向高速公路的事故消息快速广播机制——定向单跳车辆事故消息广播机制（Directional Single-hop Vehicular Broadcast，DSHVB）。车辆节点通过建立转发节点列表，完成事故消息的定向转发，以降低消息冗余度，并减少网络负载。同时，对事故消息可靠转发的条件进行讨论，并利用Veins［13］仿真平台对DSHVB的性能进行评估。

2 定向单跳车辆事故消息广播机制

为改善事故消息以泛洪的方式进行广播时存在的较大冗余，本文提出一种面向高速公路的定向单跳车辆事故消息广播机制。

如图1所示，为了加快事故消息向处于事故车辆后方车辆传播的速度，考虑借助于事故车辆反向行驶的车流对事故消息进行广播。根据事故发生时车辆节点的不同位置，首先定义多种车辆节点：事故车辆定义为事故节点，事故车辆所在道路中处于事故车辆后方的车辆定义为目的节点，与事故车辆反向行驶的车辆为转发节点。在事故发生时，事故节点向处于事故节点覆盖范围内所有的车辆节点广播事故消息，接收到事故消息后转发节点向处于事故后方的目的节点定向转发事故消息，处于事故节点后方的目的节点不进行二次转发，事故消息随着转发节点的移动实现远距离传播。

图1 事故消息转发策略

为实现事故消息以交叉式定点推送的方式进行广播，要求车辆具有存储/删除数据包的能力以建立和更新邻居车辆节点列表。同时，引入2个参数，分别是事故消息标识Alevel和节点行驶方向标识Dnode。

车辆节点接收到消息进行数据解析时，首先根据Alevel判定该消息是否为beacon消息，若是beacon消息，则根据Dnode判断是否需要对存储的节点列表进行更新，从而保证节点建立的节点列表的实时性；若非beacon消息，则判断为事故消息，此时根据Dnode判断是否需要对事故消息进行转发。消息包中包含的内容如表1所示，只包含5项内容的消息包可加快消息解析速度，从而保证消息在高速公路场景中传播的高效性。

表1 消息包中包含的内容

车辆节点接收消息后进行转发判定的流程如图2所示，在接收到事故消息和beacon消息时车辆节点将进行不同的转发策略。

图2 车辆节点接收消息后的转发判定流程

在图1中事故节点A在事故发生时，生成事故消息并向节点覆盖范围内所有的车辆节点发送消息，此时，接收到事故消息的节点对事故消息进行解析。首先判定事故发生与否，由于此时Alevel为1，判定事故消息源节点发生事故。其次对行驶方向进行判定，对图1中车辆节点G、车辆节点H、车辆节点I、车辆节点J而言，由于DG=DH=DI=DJ=DA=0即车辆节点行驶方向与事故节点A相同，则这4个车辆节点不进行转发，只需对事故发生位置进行进一步解析。对于车辆节点B、车辆节点C和车辆节点D而言，由于DA=0而DB=DC=DD=1，判定自身为转发节点，将事故消息向存储在节点列表中的车辆节点进行转发。最后在经过一定时间的消息转发后，转发节点对是否继续进行转发做出判断，若当前时间与接收到事故消息时间间隔小于texit，仍不断对事故消息进行转发，否则将事故消息以与beacon消息相同的周期进行转发，从而达到减少消息冗余度、保证远距离的事故消息传输的目标。

若场景内不存在事故，则车辆接收到的只有周期性发送的beacon消息（Alevel=0），车辆节点据此建立和更新节点列表。当节点接收到一个beacon消息时，仍对消息源节点的行驶方向进行判定，若与该节点行驶方向相同，则丢弃该消息，否则对列表进行更新，保存消息源节点ID并更新消息接收时间。另外，在对列表进行扫描时，若某一节点消息的最终接收时间与当前时间之差大于texit，则删除该节点信息，减少不必要的存储开销。

3 高速移动条件下事故消息的可靠转发

本文所述场景为高速公路，车辆节点移动速度（100 km/h）较高，同时，行驶方向相反的车辆节点间相对速度增加一倍，保证逆向行驶的车辆节点建立可靠连接并完成消息的发送与接收是DSHVB正常工作的前提之一。如图3所示，假设车辆节点速度为v，逆向行驶车辆节点间的垂直间距为dverdis，车辆节点通信范围为R，则逆向行驶的车辆节点B在行驶过程中处于车辆节点A覆盖范围内的时间texit为：

图3 车速、覆盖范围和垂直车辆间距示意图

假设beacon消息的发送频率为fbeacon，事故消息的发送频率为faccident。为了保证事故消息的可靠传输，事故消息的发送频率faccident应高于beacon消息的发送频率fbeacon。同时，当texit一定时，为保证车辆节点能够通过消息的交互建立连接，要求消息的最低发送频率应保证至少存在一个消息成功发送至目的节点，因此，对beacon消息发送频率fbeacon的最小值进行计算。

本文设定丢包率为Plost，且该丢包率仅保证只有一个beacon消息发送至目标节点，此时需要发送的beacon消息数目Msgp-num为：

其中，texit时间内以频率fbeacon发送beacon消息的消息数目Msgr-num为：

若texit时间内发送的消息总数M sgr-num大于可保证至少一个beacon消息发送至目标节点的消息发送数目Msgp-num，即：

因此，认为在当前场景下可以建立节点间的可靠连接，并完成数据的定向发送。

4 实验验证与结果分析

本文仿真选用Veins仿真平台从丢包率和网络负载两方面对DSHVB进行性能评估。Veins通过对网络模拟器OMNeT++［14］（Objective Modular Network Testbed in C++）和微观交通模拟器SUMO［15］（Simulation of Urban Mobility）各自的专用通信模块进行扩展，实现了OMNeT++和SUMO的双向耦合，广泛应用于车载自组网领域。

4.1 仿真场景设置

本文采用如图4所示的仿真场景，仿真场景为10 km双向六车道高速公路，车辆密度为10辆/km。

图4 SUMO中高速公路仿真场景

考虑到实际要求，仿真中车辆节点速度v= 100 km/h，车辆间距为100 m，行车道间宽度为3.75 m，六车道高速公路中行驶方向相反的车辆节点间的垂直间距dverdis取最远距离和最近距离的均值11.25 m。

仿真中车辆节点的通信范围R=100 m，丢包率Plost=90%。根据式（1）可得，车辆节点处于某一节点的覆盖范围内的时间texit=3.55 s，根据式（2）可得，beacon消息发送频率最小值fbeacon=2.82 Hz，设置beacon消息的发送频率fbeacon=2.82 Hz，事故消息的发送频率faccident=2.82 Hz。

图5为仿真进行时OMNeT++中事故发生时的图形用户界面（Graphical User Interface，GUI），其中，已发送事故消息的事故节点、与事故车辆反向行驶的车流中接收到事故消息并已进行转发操作的转发节点及接收消息的目的节点已在图中进行说明。

图5 事故发生后SUMO中的仿真GUI

4.2 实验分析

在上述仿真场景中，从事故消息传播过程中丢包率和网络负载两方面对DSHVB消息广播机制进行性能评估，并与泛洪广播机制的广播性能进行对比。

4.2.1 丢包率

本文对不同广播机制下的丢包率进行测试，设定测试时间为325 s～494.4 s，测试时间停止点为事故消息到达事故发生时边界处目的节点的时间。经测试分析，分别采用DSHVB广播机制与泛洪广播机制对消息进行广播时的丢包率如图6所示。

图6 事故消息传播丢包率统计

从图6可以看出，2种广播机制的丢包率趋势均为先增长后降低，这是因为事故初始接收到事故消息的车辆数目较少，从而转发节点的数量较少，网络竞争小。末端节点丢包率较小是因为该节点出现时仿真过程接近结束，末端节点发送的消息包数目较少，因而丢包率较低。

同时，泛洪广播的丢包率普遍高于DSHVB广播方式。这是由于泛洪广播中的转发节点数量比DSHVB广播方式中的转发节点数量多一倍，发送的事故消息过多从而造成网络拥堵，丢包率上升。

DSHVB广播的丢包率最大值为81.5%，低于预期的90%。这表明，DSHVB在当前的事故消息发送频率下可以保证事故消息的可靠传输，且占用网络资源少，丢包率低。

4.2.2 网络负载

本文通过统计事故消息到达一定距离时发送事故消息的转发节点数目，衡量不同广播协议下的网络负载。显然，转发节点数目越少，网络负载越小。图7给出了不同广播协议下的网络负载。可以看出，泛洪广播机制下的转发比率呈现大幅增长，远高于DSHVB广播机制下的转发比率，这是因为DSHVB广播机制下转发节点的数目增长速率只与车辆节点移动速度有关，所以呈现较为稳定的增长，转发比率小，网络负载小。定向单跳车辆事故消息广播机制大大减少了事故消息传播过程中的转发节点数目，事故消息转发过程中的网络负载远小于泛洪广播，不仅能够减少事故消息传播过程中的信道竞争，从而保证较低的丢包率及网络负载，为事故消息的可靠传播建立更良好的网络环境。

图7 不同广播机制下的网络负载

5 结束语

本文考虑到现有广播协议应用于高速公路场景时通常会造成事故消息延误且冗余较大，提出一种面向高速公路事故消息可靠发布的广播协议DSHVB。通过引入2个参数：车辆节点行驶方向Dnode和事故等级Alevel，完成邻居节点列表的建立和更新，同时据此对车辆节点转发角色进行判定，实现事故消息的定向单跳转发。实验结果表明，与泛洪广播机制相比，DSHVB在保证事故消息快速传播的前提下具有更低的丢包率和网络负载。为建立更完善的车联网系统，同时进一步提高事故消息的传播速度，需要引入路侧节点实现事故消息的全网发布。因此，如何优化路侧节点与车辆节点间的消息交互策略以保证消息传输过程中的低冗余和可靠性是下一步研究的主要内容。

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编辑 陆燕菲

Fast Broadcast Mechanism of Accident Message on Highway Based on VANET

MA Jiarong，ZHAO Xiangmo，MA Junyan，WANG Runm in，MENG Qiang
（College of Information Engineering，Chang' an University，Xi'an 710064，China）

Aiming at the problem of long time delay and slow transmission speed of accident message publication method on highway，this paper proposes a Directional Single-hop Vehicular Broadcast（DSHVB）mechanism combining the application with Wireless Access scheme Vehicular Environments（WAVE）.Each car node builds a car node list to record other cars driving in opposite direction，then accomplishes the directional accident message rebroadcast.It discusses the requirements to achieve reliable accident message forwarding and evaluates the performance of DSHVB using Veins. Experimental result shows that DSHVB has lower packet lost rate，higher quality of reliability and lower network load compared with flooding broadcast mechanism，and it meets the requirement of the fast broadcast of the accident message in highway scenario.

highway；accident message publication；Vehicular Ad-hoc Network（VANET）；broadcast mechanism；wireless access

马佳荣，赵祥模，马峻岩，等.基于VANET的高速公路事故消息快速广播机制［J］.计算机工程，2015，41（11）：8-12.

英文引用格式：Ma Jiarong，Zhao Xiangmo，Ma Junyan，et al.Fast Broadcast Mechanism of Accident Message on Highway Based on VANET［J］.Computing Engineering，2015，41（11）：8-12.

1000-3428（2015）11-0008-05

A

TP391.9

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.11.002

国家自然科学基金资助项目（61402050）；国家物联网重大示范工程科研基金资助项目（2012-364-812-105）。

马佳荣（1991-），女，硕士研究生，主研方向：交通信息工程及控制；赵祥模，教授、博士生导师；马峻岩，讲师、博士；王润民，硕士；孟 强，硕士研究生。

2015-06-15

2015-07-14 E-m ail：727752748@qq.com