车载自组网中安全消息的多跳传播路由

王继营

(黄淮学院，河南 463000)

0 引 言

作为智能交通系统ITS(Intelligent Transportation System)的最有前景技术，车载网络VANETs(Vehicular Ad Hoc Networks)受到广泛关注。VANETs通过实时交互关于路状、交通事故等信息，提高了交通安全[1]。在VANETs中，一旦车辆发现异常情况，包括交通事故、道路有障碍物等紧急情况，车辆就向周围传递安全紧急消息[2-3]，简称为安全消息，至此提醒周围车辆，注意避险。

然而，与移动自组织网络不同，VANETs存在鲜明的特性。首先，车辆的快速移动，加剧了网络拓扑变化；其次，VANETs采用基于IEEE 802.p 无线通信技术[4]。车辆通信距离小，导致车间连通时间非常短。而VANETs安全应用对传输时延和数据包传输均有很高的要求。例如，安全回收通知(Safety Recall Notice)消息，允许最长传输时延只限定于5 s，最大传输距离为400 m。而紧急车辆信号消息(Emergency Vehicle signal preemption)允许最长传输时延不超过1 s，并且最大传输距离为1000 m，其中，最大传输距离是指安全消息需传输的距离。

目前，对VANET的通信研究是局限于基于IEEE 802.11p协议。IEEE 802.11p提供了6Mb/s至27Mb/s的数据率范围，传输距离较短，约300 m。因此，在大型区域内分发安全消息需要采用多跳广播机制。

广播技术被认为是最适合于分发VANETs消息的技术，特别是安全消息。车辆可通过单跳广播或多跳广播传递安全消息。而周期性单跳广播主要用于邻居车辆交互节点信息，如beacon包、HELLO包[5]。这些包通常包含了发送节点的基本信息，如位置坐标、移动速度以及节点ID和数据包ID[6-7]。

而由于车辆通信距离较短，车辆分布较稀疏，通常需采用多跳传输，才能将消息至目的区域。图1描述了多跳广播传输示意图。由车辆A、F、J、M、R、U构成了一条多跳转发传输路径，直至消息传输覆盖目标区域。

图1 多跳传输示意图

利用多跳广播策略分发消息的关键在于如何选择转发节点，进而控制消息冗余以及传输时延问题。文献[8-9]提出了基于p-persistence广播策略的改进算法，它将离消息源节点距离远的车辆作为转发节点。文献[10]提出了基于机会转发和发送节点定向广播协议。上述的这些协议，在选择转发节点时，只考虑了距离因素，而并没有考虑到链路质量。在选择转发节点时，若忽略链路质量因素，可能会增加安全消息丢失率。

为此，本文提出新的选择转发节点的策略，记为ORNS策略。ORNS策略融合了链路质量和距离因子，进而提高了安全消息传输的成功率，并降低了传输时延。

1 ORNS策略

提出的ORNS策略先通过HELLO消息的交互，建立一跳活动邻居节点集，然后再估计链路质量。同时，由距离信息构建候选转发节点集。最后，计算每个候选节点的广播权限等级，即转发优先级。ORNS协议的框图如图2所示。

图2 ORNS协议框架图

1.1 HELLO包的交互

在VANETs中，车辆周期地广播HELLO包，其包括HELLO包的ID、位置坐标以及能直接通信的节点集(Active Communication Nodes List, ACNL)。其中HELLO包的ID是由发送节点的MAC地址表示，而发送节点的位置坐标由GPS系统提供，由经度和纬度表示，而ACNL表示与发送节点能够直接通信的一跳邻居节点。例如，图3所示，图3表示了HELLO包的格式。

图3 HELLO包的格式

每辆车周期地广播一跳邻居集，其包括当前位置。因此，每个辆车建立局部的ACNL集。例如，假定节点A、B。当节点B收到来自节点A发送的HELLO消息后，节点B就从HELLO包中提取节点A的ID，并将节点A的信息加入到自己的ACNL。类似地，节点B也基于从节点A所接收的HELLO包更新自己的ACNL。当然，也可能因传输链路问题，导致节点B无法接收到节点A的HELLO包。

图4描述了建立ACNL的过程。节点A、C、D、F各自建立的ACNL集。由于节点E产生的HELLO包不能到达B，所以节点B中的ACNL中并不包括节点E。同样，节点E的ACNL中也不包含节点B。各个节点交互各自的ACNL，致使每个节点建立完备的ACNL集。

图4 建立ACNL的示例过程

从上述过程可知，建立ACNL的过程与交互HELLO包的间隔Th密切相关。在每个Th结束后，车辆就广播HELLO包以及更新ACNL。

1.2 链路质量估计

对于任何一对通信节点，每个节点都有两条通信链路，分别称为正向链路和反向链路[11]。正向链路表示节点向其他节点传输数据的链路，如传输HELLO包，而反向链路表示节点从其节点接收数据的链路。对于正向链路，节点在一段时间内成功接收到的HELLO包的个数反映了正向链路的质量。

文献[12-13]已证实了HELLO包的接收率能够反映链路质量。为此，本文也利用HELLO包的接收率作为估计链路质量的因子之一。每个节点计算在固定时间THello内所接收的HELLO包数NHello。换而言之，每个节点每隔THello就计算一次NHello。即THello成为更新NHello值的周期。

为了能够准确地估计链路质量，THello时长的选择必须谨慎。如果THello过长，就降低了链路质量估计的时效性，反之，计算链路质量估计值就无效。因为在短时间内，可能链路质量并没有发生变化。本文选择THello=5 s，这与文献[12]的选择相似。

此外，在典型的车载网络场景中，源节点无法知道其他邻居节点是否接收到自己的发送的HELLO包，除非邻居节点发送确认包。然而，明确的确认包ACK容易导致广播风暴问题[14]。为此，本文引用隐晦确认机制，既不产生风暴，又实现了让源节点掌握邻居节点是否已接收了自己发送的HELLO包。

所谓的隐晦确认机制就是节点将自己的ACNL集嵌入到HELLO包，再广播HELLO包。一旦接收了来自邻居节点的HELLO包，就查阅HELLO包的ACNL的信息，若ACNL集内包含自己的ID号，说明该邻居节点成功接收了自己发送的HELLO包。

如图5所示，假定节点B成功接收了由节点A发送HELLO包，而节点C因其他原因未能正确接收到来自节点A发送的HELLO包。因此，节点B所建立的ACNL中包含节点A的ID，而节点C所建立的ACNL未包含节点A的ID。同时，节点B、C分别将自己的ACNL集信息嵌入到HELLO包，再传输。当节点A分别接收了来自B、C的HELLO包后，再查阅它们的ACNL集。发现节点C的ACNL集中并没有自己，说明节点C没有接收到自己的发送的HELLO包。类似地，节点A明确了节点B已成功接收了自己发送的HELLO包，说明双方已建立双向通信(Bi-directional Communication, BDC)。通过这种方式，节点A就能掌握邻居节点是否已正确接收了自己发送的HELLO包。

图5 隐晦的确认机制示例

对于源节点(假定节点A)，已建立BDC的节点越多，周围链路质量好。为此，引用变量CBDC记录已建立的BDC节点数。每建立一条BDC通道，CBDC就加一。

最终，估算链路质量(Link Quality, LQ)，其等于CBDC值与应该接收到的HELLO包数之比，如式(1)所示：

(1)

1.3 候选转发节点集

所谓候选转发节点集就是指这些节点才可能转发消息。本文利用欧式距离产生候选转发节点集。假定源节点离n个一跳邻居节点的距离分别为d1、d2、…、dn。为此，先计算平均距离：

(2)

1.4 广播优先级

本小节，计算候选转发节点集ψF内每个节点的广播优先级，即ψF内节点转播安全消息的顺序。节点i的广播优先级Pi。先计算广播优先权重Wi:

Wi=LQi×di

(3)

其中LQi表示源节点离节点i间正向链路的链路质量。权重Wi越大，广播优先级Pi越高。Pi=0，表明节点i的优先级最高。

定义延时等待基值σ。每个ψF内节点依据其优先级设置广播延时值Wi=Pi×σ。换而言之，优先级最高的节点广播延时值为0，即无需等待立即广播消息。

图6描述了A与节点B、C、D、E、F、G的链路质量、距离以及优先级。从图6可知，节点E的广播优先权重WE最高，其无需延时，立即广播消息。

图6 广播优先级示意图

3 性能分析

3.1 仿真平台

利用NS2.35网络仿真器[15]建立仿真平台，并采用IEEE 802.11p标准。考虑长为4 km、4车道的高速公路，每条车道宽度为3.7 m。所有车辆沿着同方向行驶，行驶速度范围在80～120 km/h，车辆从速度范围内取随机速度行驶。此外，Th=0.1 s、THello=5 s、σ=10 ms。车辆数从100～800变化。仿真时间为130 s。每次实验独立重复100次，取平均值作为最终的实验数据。

为了更好地分析ORNS协议性能，选择同类的FD[5]、EPD[12]协议进行比较。同时选择数据包传递率、端到端传输时延以及节省的重播数据包作为性能指标。

3.2 仿真结果

3.2.1 端到端传输时延

首先，考查车辆数对端到端传输时延的影响，同时分别假定10%、100%的车辆广播消息，仿真数据分别7(a)、(b)所示。

从图7可知，提出的ORNS方案在车辆数变化的整个区间内，具有最低的端到端传输时延。随着车辆数的增加，端到端传输时延具有增加趋势。相比之下，EPD协议的端到端传输时延高于ORNS协议，并且它的时延随车辆数增加而上升更为明显。原因在于：EPD协议在选择转发节点时，过重考虑了节点的吞吐量，这导致倾向于选择离源节点更近的节点转发消息，增加传输跳数，必然会引起端到端传输时延的增加。

图7 端到端传输时延

此外，从图中可知，FD协议的端到端传输时延最高。原因在于FD协议采用基于延时转发策略，增加了传输时延。同时，观察图(a)和(b)可知，增加广播消息的车辆数，对FD和ORNS的传输时延的影响并不大，相反，对EPD协议的传输时延影响较大，广播消息的车辆数的增加提高了EPD协议的端到端传输时延。

3.2.2 数据包传递率

本次实验考查离源节点不同距离处的数据包传递率，车辆数为800。实验数据如表1、2所示。

表1 10%车辆广播消息

表2 100%车辆广播消息

结合表1、2可知，相比于EPD协议，提出的ORNS协议的数据包传递率得到有效地提高。原因于ORNS协议在选择转发节点时，尽量选择离源节点远的节点作为转发节点，减少了传输跳数，而EPD协议选择近的节点作为转发节点，增加了传输跳数。随着车辆数的增加，ORNS协议在数据包传递率方面的优势更为明显。

而FD协议的数据包传递率最低，并且随之距离的增加，传递率迅速下降。相比于EPD和ORNS协议，FD协议在长距离传输时，它的数据包传递率性能较差。原因在于：当距离增加时，网络分割严重，甚至导致部分车间通信无法连通，这降低了数据包传递率。

3.2.3 节省的重播消息率

本次实验考查车辆数对节省的重播消息率，也考虑10%、100%车辆广播消息数两种情况。实验数据分别图8(a)、(b)所示。

图8 节省的重播消息率

从图8可知，FD协议所节省的重播消息率最高，原因在于它具有最低的传输跳数。尽管FD在控制重播消息率方面具有显著的优势，但是它在端到端传输时延、数据包传递率方面的性能较差。相比于FD协议，提出的ORNS协议和EPD协议所节省的重播消息数较低。原因在于，EPD协议利用多的传输跳数将消息传递至目的节点。

4 结 语

针对车载自组网的多跳安全消息传播，对基于链路质量感知的多跳安全消息的广播研究，提出了ORNS策略选择安全消息转发节点。ORNS策略通过HELLO消息，估计链路质量，并利用隐晦确认机制，进而提高估计链路质量的有效性。实验数据表明，提出的基于ORNS的多跳广播协议的性能能够有效地降低端到端传输时延，并提高了数据包传递率。

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