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车联网中可靠快速信息分发技术研究

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  摘 要: 提出了一种可靠快速的信息分发(RRMD)协议,该协议采用面向发信者的方案,即由发信者选择下一跳转发者.考虑了车辆的分布特性、信道特征、链路可用性、信号冲突概率、传输时延和排队时延等因素对信息传输的影响,设计了一个端到端时延计算公式,并将其定义为优先级函数,用于下一跳节点的选择.理论分析和仿真结果证明了该协议的优越性.
  关键词: 信息分发协议; 信号衰减和冲突; 面向发信者方案; 最小时延
  中图分类號: TN 929.52文献标志码: A文章编号: 1000-5137(2019)01-0075-06
  Abstract: In this paper,a reliable and rapid message dissemination (RRMD) protocol was proposed.The improved protocol adopted a sender-oriented scheme in which a source dominated the selection of forwarders.The factors that might have an impact on the transmission of messages such as vehicle distribution characteristics,channel characteristics,link availability,signal collision probability,accessing delay and queuing delay were taken into account.Thus,an end-to-end delay calculation scheme was designed and used as a priority function to select the next forwarder.Theoretical analysis and simulation results demonstrated the superiority of the proposed protocol.
  Key words: vehicular ad hoc networks (VANETs); signal attenuation and collision; sender-oriented scheme; minimum time delay
  0 引 言
  车联网是物联网和智能交通系统的有机结合,也是物联网技术在高速动态场景中的重要应用.但车联网的应用面临着许多挑战,主要集中在两个方面:一方面在网络中,车辆频繁接入和离开网络,使得通信链路可用性较差;另一方面,在通信中,由于通信环境的多样性,需设计合适的信息分发协议,以满足信息传输的高可靠性和低时延的要求[1].
  为解决上述问题,本文作者提出了一种可靠快速的信息分发(RRMD)协议.该协议在网络接入方面,基于车辆分布特性,提出了一种考虑链路可用性、信号冲突、传输时延和排队时延等因素的计算公式;在信道环境方面,该协议考虑信道衰减对数据包有效接收的影响,并采用面向发信者方案,以期保证在一定成功接收率的前提下,实现端到端的最小时延.
  1 可靠快速的信息分发(RRMD)协议
  1.1 系统模型
  考虑高速公路场景中,车辆配备了GPS、数字地图和计算设备,周期性地广播信标消息,将车辆的状态信息告知邻居车辆.在RRMD协议中,车辆通过接收信标,收集邻居车辆的信息,并生成邻居列表.如果在一定时间内,没有接收到某个邻居车辆更新信标的消息,则在邻居列表中将该邻居车辆信息删除.邻居列表中的每个成员由以下信息组成:车辆ID、车辆速度、车辆移动方向、车辆优先级的值、车辆横坐标、邻居车辆数.
  2 仿真结果
  2.1 仿真设置
  为评估RRMD协议的性能,对RRMD协议进行仿真,仿真场景为双向高速公路.其中,道路总长为4 km,60~130辆车在高速公路上移动,MAC层采用802.11p协议EDCA机制,信道衰落形状因子m=1.5,发射功率为20 mW,接收灵敏度为-90 dBm,数据包和信标消息的大小分别为256 B与70 B,信道带宽为4 Mbit·s-1,数据包和信标消息发送的时间间隔分别为0.05 s和1.00 s,车辆速度变化范围为10~30 m·s-1,车辆间的平均距离取30,50,70 m.
  2.2 仿真性能指标
  为评估Slotted 1-p,MCDS-alter以及RRMD协议的性能,探讨如下3种性能指标:
  1) 成功接收率(PDR),表示目的车辆成功接收到的数据包数与信源发送的数据包数的比值,体现信息分发协议的可靠性.
  2) 端到端时延(EED),表示数据包从信源到目的车辆所花费的时延,体现信息分发协议的及时性.
  3) 单跳时延(OD),表示信息分发协议中一跳转发的平均时延.
  2.3 仿真结果与分析
  图1给出了车辆密度为0.02车·m-1下,不同端到端距离下,3种算法的成功接收率、端到端时延以及单跳时延.
  图1(a)中,Slotted 1-p,MCDS-alter,RRMD协议的PDR都能达到80%以上.当部分车辆分布在一个较小的范围内时,在Slotted 1-p 协议中,多辆车可能会选择相同的通信时隙,而面向发信者方案的MCDS-alter和RRMD协议,由发信者设定每个邻居车辆的等待时间,减少了Slotted 1-p协议中产生的冲突.相对于MCDS-alter协议,RRMD协议增加了对可能出现的数据包冲突和链路可用性的考量,所以成功接收率最高.   图1(b)中,RRMD协议实现了最小的端到端时延.图1(c)中,每个协议的单跳时延几乎固定.其中Slotted 1-p协议总是选择距离最远的邻居车辆,实现了最小转发跳数,但是其单跳时延较大,且数据包在中继过程中,每一跳即使选择优先级最高的节点,也会存在等待时间,导致Slotted 1-p协议的端到端时延性能较差.然而,在MCDS-alter和RRMD协议中,具有最高优先级的车辆被分配的等待时间可以设置为0,使中继节点更快地转发数据包.RRMD协议遍历所有的邻居车辆,得到端到端时延,并选择最小时延的邻居车辆作为下一个转发者,因此时延性能最好.
  图2中,讨论在信源到目的车辆的距离为2000 m下,不同车辆密度下的成功接收率和端到端时延,车辆密度变化范围为0.330~0.014车·m-1.
  3 结 论
  为实现高速公路场景下快速传输信息的可靠性,本文作者提出了一种用于信息分发的RRMD协议.在该协议中,设计了一个端到端时延计算公式,作为优先级函数给邻居车辆设置优先级,并以此作为依据选择转发者.该公式依据车辆分布特点,综合考虑与链路可靠性有关的信道特征、链路可用性、信号冲突概率、排队时延和排队时延等因素,以满足网络拓扑结构变化的要求.通过仿真实验证实,对比Slotted 1-p及MCDS-alter协议,RRMD协议在信息传输过程中,能实现最小的端到端时延和最高的成功接收率.
  参考文献:
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  (責任编辑:冯珍珍,包震宇)
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