作者：郑晓敏
1 引言
近些年来，VANET（车辆自组织网络）中的紧急消息传输在智能交通系统(intelligent transportation system，ITS)里引起了重要关注。车辆自组织网络主要通过广播的方式传播紧急消息。这样的广播方式主要依赖于被许可的专用短程通信，如IEEE 802.llp和IEEE P1609.4标准。然而，由于车辆自组织网络节点的高速移动、节点密度频繁变化、网络拓扑结构不稳定以及信道资源有限等特点，使得快速可靠地广播紧急消息成为极大的挑战。而近期的研究表明，最初的IEEE 802.llp的MAC子层标准并不适用于VANET中对紧急消息的及时广播。
目前在VANET中广播协议方面的研究主要有以下几种。
·参考文献[4]提出RTB/CTB握手方案，解决隐藏终端问题。然而，其性能分析结果显示，它具有较高的通信时延。
·参考文献[5]针对参考文献[4]存在的问题，提出了智能广播(SB)协议，该协议具有较短的通信时延，然而它对网络变化的适应性较差。
·参考文献[6]提出了机会广播(OB-VAN)协议，目的是满足安全应用所需的严格时间约束和较高的投递率。然而当多个节点选取同一个退避值时，会发生严重的冲突。
·参考文献[7]提出了BPAB (binary partition assistedbroadcast)协议，目的是减少并稳定广播时延。从性能分析结果中看出，BPAB协议相比于其他协议，如SB协议，在平均消息传播速度方面具有更好的性能表现。但是在协议初始阶段，该机制并未赋予紧急消息最高优先级，从而在协议初始阶段消耗更多时间。
本文针对参考文献[7]的不足，提出了一种改进的二元分割广播协议（MBPAB协议），该协议能够更大地降低广播时延，提高消息传播速度。
2 系统模型
系统模型如图1所示，这场景为高速公路。在该场景中，假设没有路边单元等基础设施用于通信支持。
图1中，车辆在高速公路中移动，它们之间通过IEEE802.llp网络通信接口直接通信。在这个模型中，来自所有方向的车辆都可以加入紧急消息的传播。有效地利用反向交通，能够在传播方向上有效地延伸传播距离。这种通信一般用于节点对等网络。
3协议描述
本文针对BPAB协议，提出了一些改进方法，主要是在紧急消息接人信道前加入mini_DIFSm来减小竞争时间。mini-DIFS能够为紧急消息提供快速的信道接人。二元分割主要减小竞争抖动以及在每一跳中选择合适的转发节点（离消息源节点最远的节点）。因此它实现了较快的平均传播速度。此外，类似于IEEE 802.llp标准下的请求广播／清除广播(RTB/CTB)握手机制也被运用到协议中，用来解决多跳无线网络中的隐藏终端的问题。最后，在冲突解决和数据传输阶段，发生碰撞的消息被重新发送。改进的二元分割的全部过程如图2所示。每个阶段细节如下所示。
(1)本协议使用mini．DIFS．其基本思想是将DIFS划分为多个时隙，有紧急消息的节点随机选择几个时隙（而不需要再等待整个DIFS），判断信道是否闲忙。DIFS的时隙划分如图3所示，这里DIFS的时隙划分为w个。图4表示用于判断信道状态等待的一个随机时间。
微时隙的长度1以及微时隙的数量w的计算式如下：
其中，6是在传输范围R内的最大信道传播时延。T曲是收发器在发送和接收模式之间的转换所需要的时间。Tuss和Tsws分别对应于DIFS和SIFS的标准持续时间。一旦通信信道进入闲置状态，为赋予紧急消息优先权，尝试广播紧急消息的车辆将从（0，w]中随机选取第i个微时隙。等待时间T最终被计算成：
mini-DIFS阶段结束后，发送端发送一个RTB数据分组，等待来自下一跳转发节点响应的CTB数据分组。利用RTB/CTB机制解决隐藏终端和广播风暴问题。在发送节点传输范围内，接收到RTB消息的所有车辆同时广播出一个黑脉冲消息BA，即干扰信号。一旦发送端接收到BA，便判断出消息传播方向区域内至少有一个候选转发节点。这种情况下，将进入二元分割进程。否则，发送节点会判定，传播方向内没有候选转发节点。那么发送节点会等待一定时间，然后重新开始mini-DIFS过程。
(2)收到发送节点的RTB分组后，所有潜在的转发节点同时广播黑脉冲BA，告知发送节点存在潜在转发节点。下一步就是选取离发送节点最远的可能的转发节点，再以每跳最大通信范围向下一跳转发紧急消息，这可以通过二元分割机制实现。
(3)碰撞处理机制：最后一轮二元分割过程结束后，可能发生CTB碰撞。这种情况下，所选区域内，退避时间未结束的车辆将继续进行倒计时，因此，它们最终也会成为一个转发节点。
超时阶段(由最大竞争窗口时间Cw和广播CTB数据分组的时间(
)组成）结束后，若发送节点未能收到CTB，它将仅需图2(b)所示的一半的时隙通过广播黑脉冲来重启该进程。一旦探测到半个时隙的黑脉冲，在所选区域的候选节点通过选择新的Cw值相互重新竞争。该进程在设定的阈值内重复执行，直到CTB被成功发送。否则，若重新竞争次数超出预先设定的阈值，候选节点竞争进程将被终止。
4协议性能参数
4.1 单跳时延T
单跳时延指的是紧急消息被收到至转发给中继节点的时间。如图2(a)所示，即：
其中，T表示初始化时间，TP表示分割时间，Tc表示竞争时间，TB表示消息传播时间。
(1)初始时间T1
初始时间是指紧急消息被收到至RTB数据分组成功传播的时间。因此，它由mini-DIFS时间T以及RTB数据分组广播时间TRrB组成，如下：
在mini-DIFS进程的竞争阶段时间内．会经历下面3种情况之一。
·空闲：没有车辆广播RTB，并且信道在整个mini-DIFS时隙中都处于空闲状态。
·成功：只有一个车辆广播RTB，广播成功。
·碰撞：同时有多辆车广播RTB，发生碰撞。
3种情况下的平均初始时间的持续时间分别为：
其中，T讪。是信道处于空闲状态的时间。T_s是成功传播RTB时间。Td表示平均碰撞时间，由Tlrn3和mini-DIFS阶段间的平均竞争时间T。组成。
设w为mini-DIFS的时隙数。因此，一个节点在给定时隙内初始化一次广播的概率为p。=l/w。因为紧急消息事件发生概率非常小，并且独立于其他事件，无记忆进程和数据分组之间的独立模型适用于这种情况。因此，假设紧急消息的是以到达率为A。（本文默认为5紧急分组／s）的泊松随机过程到达的。根据泊松随机过程，空闲、成功以及碰撞情况下的概率如下：
每种情况独立发生，在成功发送RTB前发送失败的次数是以期望值为f的几何分布，期望值计算如下：
假设在一个mini-DIFS阶段，空闲和碰撞情况都表示通信失败。因此，失败的mini-DJFS时隙的持续时间期望值
为：
因此，在mini-DIFS阶段所需的平均时间T为：
将式(14)代入式(5)，可得初始时间为：
(2)分割时间%
分割时间是在分割机制中消耗的时间：
其中，n是任何多进制分割机制的基础值，本文n值取2；Ⅳ是分割迭代次数。TSln,nw是时隙的持续时间。
(3)竞争时间Tc
假定单位区域内的车辆数是一个随机的变量，该变量服从均值为A的泊松分布。因此在任意具有Ⅳ次迭代的n元分割机制的每个区域的车辆数将是一个均值为u=A /n,N的泊松随机变量。
与mini-DIFS阶段相似，竞争阶段也会经历下面3种情况之一。
·空闲：没有车辆广播CTB．信道在整个时隙里保持空闲。
·成功：只有一个车辆广播CTB，CTB传播成功。
·碰撞：同时有多个车辆广播CTB，发生碰撞。
每种情况下消耗的时间分别为：
将式(15)、式(16)、式(23)以及式(26)代人式(4)中，单跳时延可计算为：
4.2平均单跳广播进展口
平均单跳广播进展指每一跳信息广播的平均距离。协议将通信范围划分为2“个区域。若假设，最终的中继节点在相应区域中的某处，那么在第i（i=1，2，…，2“）个区域消息进度（用M表示）可表示为：
当某路段存在节点且比这个路段更远的路段为空白的，那么这个路段即被选定。则空白和非空白区域的概率分别为：
若在区域j(，>i)不存在转发节点，那么区域i将成为选中的区域。因此：
那么，平均单跳广播进展B可表示为：
4.3消息传播速度v
消息传播速度定义为每秒广播紧急消息的平均距离，即单跳广播进展除以通信时延的值。
5仿真分析
本文采用单跳时延、单跳消息进展和消息传播速度3个性能指标来评估协议的性能。仿真条件假设如下：
·车辆在高速公路上是随机分布的，所有车辆都相对运动，具有固定的网络拓扑结构；
·Cw为竞争窗口大小，本文选取其值为4，Ⅳ为其迭代次数，本文取值为3；
·单位区域内的车辆数是一个均值为A的泊松分布的随机变量：
·通信范围近似为单位区域的长方形；
·忽略车辆节点的移动性对广播性能的影响：
·源节点发送的紧急消息能被其通信范围内的所有节点接收。
本文考虑一个1500 m长的高速公路环境，车辆位置的分布服从泊松过程，每辆车上都安装了无线通信设备，具体参数值见表1。
MBPAB协议和BPAB协议以及SB协议的单跳时延随车辆密度变化的曲线如图5所示。从图5中可以看出，SB协议在车辆密度较低的情况下，单跳时延较低，但是当车辆密度大于25辆／单位区域时，其单跳时延快速增长，并不适用于车辆密度较高时紧急消息的传播。当车辆密度从5增大到40的过程中．BPAB和MBPAB的单跳时延见表2。
从表2可看出，当车辆密不断增加时，BPAB和MBPAB协议的单跳时延缓慢增加，同时，MBPAB协议的时延比BPAB协议的时延低14.7 pcs，MBPAB协议引入了mm-DIFS，使紧急消息拥有最高优先级接入信道，从而为消息的传播争取更多有效时间，使紧急消息能够有效地广播出去。
图6比较了3种协议的单跳广播进展随着车辆密度的变化曲线。从图6中可以看出，SB协议随着车辆密度的增大，单跳广播进展在车辆密度达到15辆／单位区域后，呈下降趋势，说明该协议在车辆网络发生异常情况下（如交通事故场景中），容易导致网络拥塞，不能将消息可靠地广播出去。MBPAB协议与原BPAB协议的单跳广播进展曲线是一致的，随着车辆密度的上升，其单跳广播进展缓慢增长，并且当车辆密度增大时，单跳广播进展能达到最大传播范围的94%，说明MBPAB协议能保证消息传播的可靠性。
图7比较了3种协议的消息传播速度随车辆密度变化的性能曲线。从图7中可以看出，车辆密度低于15辆／单位区域时．SB协议消息传播速度高于2 000 m/s，其性能优于MBPAB协议：当车辆密度高于15辆／单位区域时，SB协议消息传播速度呈逐渐下降趋势，说明该协议适用于车辆密度稀疏的网络，而在高车辆密度网络下，协议性能变差。从MBPAB和BPAB协议的消息传播速度曲线比较中，发现MBPAB协议由于采用了mini-DIFS，平均传输速度相较于原协议提升了大概75 m/s。这种提升是因为mini-DIFS机制赋予紧急消息较高的优先权，降低了接人时延，提高了消息传播速度，从而改善协议的性能。
6 结束语
本文提出了一种改进的二元分割广播协议，赋予紧急消息最高的优先级接入信道，通过分析推导获得单跳时延、平均单跳广播进程以及消息传播速度的计算式。仿真结果表明，MBPAB协议与BPAB、SB协议相比，降低了单跳广播时延并且提高了消息传播速度，增强了广播协议的有效性和可靠性。
7摘要：
针对车辆自组织网络(vehicular Ad Hoc network．VANET)中紧急消息的传输，提出一个改进的二元分割广播(MBPAB)协议。协议将通信范围迭代划分成小的区域，寻找离发送节点最远区域内的车辆，对紧急消息执行转发，通过减少转发跳数，提高消息传播速度。通过引入MAC( medium access control)子层的微型分布式帧间间隔( mini-DIFS)，赋予对紧急消息以更高的优先级接入通信信道。仿真结果表明，在VANET中，MBPAB协议与现有的广播协议相比，在通信时延和消息传播速度方面有更好的性能表现。
