0 引言

随着专用短程通信DSRC(Dedicated Short-Range Communications)标准的成熟，车载自组织网络VANETs(Vehicle Ad hoc Networks)成为研究的焦点。VANETs网络通过车间通信V2V(Vehicle-to-Vehicle)实现消息的传递。车辆间传递的消息分为两类：紧急消息(Emergency Message)和非紧急消息。当前方车辆发现交通事故、路面有障碍物等紧急情况，需向周围车辆发布这一情况，即紧急消息，提醒周围车辆采取必要的措施^[1-3]。

由于紧急消息对时间相当敏感，必须快速、可靠地传输，否则就失去意义。目前，常采用广播机制传递紧急消息，如城市多跳广播^[3]，是一个有效传递紧急消息的方案。当出现紧急情况，源节点(第一个发现该紧急情况的车辆)向邻居节点广播消息，接收节点再重播，直到所有相关的节点均收到此消息。然而，这种简单的广播策略，会引发信道拥挤，导致广播风暴。

为此，研究者提出基于地理信息的广播算法^[4-9]。G.Korkmaz^[4]提出基于城市多跳广播协议UMB(Urban Multi-Hop Broadcast Protocol)。利用GPS信息和请求广播RTB(Request to Broadcast)数据包机制，将传输范围分几段，每段的节点知道自己所在的段区域，位于最远段的节点具有成为转发清除广播CTB(Clear to Broadcast)数据包的优先权。然而，当最远段内的节点数不止一个时，就出现碰撞。为了避免碰撞，发送者需通过近的段再将广播RTB数据包。接收节点利用RTB内的信息，产生一个干扰信号Jamming Signal去占用信道。当信道内无其他节点的Jamming Signal就发送CTB数据包。此过程一直进行，直到成功选举转发节点。可见，UWB协议中的碰撞避免机制是一个重复迭代过程，效率低，并且VANETs的动态拓扑致使吞吐量下降。为了改进UWB协议，文献[7]采用智能广播SB(Smart Broadcast)以消除复杂的碰撞避免机制，极大地提高了时延性能。然而，智能广播仍采用了RTB/CTB交互和ACK机制，未能避免因RTB/CTB交互和ACK (Acknowledgements)所引用的开销。除了基于地理位置信息的广播算法外，利用节点的信噪比SNR(Signal to Noise Ratio)去选择转发节点^[10-13]也是可行方案之一。

为此，本文提出一种广播紧急消息的新型算法。该算法以缩短紧急消息传播时延、提高传输速度为目的，利用信噪比SNR和节点的位置信息计算最大竞争窗口，并从中选择转发紧急消息时隙，摒弃了RTB/CTB握手机制，降低了ACK的使用频率。

1 基于SNR/GPS的伴随ACK decoupling的广播

提出的广播算法避免了广播前的握手过程。源发送节点Sender(紧急消息的初始传播者，假定是节点j)利用标准的802.11 CSMA/CA技术接入媒介，并广播紧急消息Mes。发送节点j的邻居节点N_j计算相应的SNR值，以及欧式距离D。接收节点(假定为节点i，i∈N_j)利用这些值计算最大竞争窗口尺寸CW_max：

其中D_max为节点传输的最大范围，D_ij为节点i与节点j间的欧式距离。CW_base为竞争窗口值，可通过CW_base优化网络密度。SNR_i为节点i的SNR值，单位为dB。SNR_thresh表示为了保证可靠传输而设置的最小SNR门限值。k为常数，以确保式(1)为正整数(Positive Integers)^[14-15]。

每个节点计算CW_max，并在[0，CW_max]区间内随机选择一个时隙，再等待该时隙到来，并准备重播紧急消息Mes。时隙最先到来的节点将成来转发节点，并重播该紧急消息Mes。一旦接收到已重播的紧急消息RE_Mes，其他节点就终止重播紧急消息的活动。

注意到，离节点j越远的节点具有更低的CW_max，相应地，从统计上看，节点具有短的等待时间，因此，这些节点被选为转发节点的概率更大。此外，来自转发节点Forwarder的Re_Mes作为回复节点j的确认消息ACK。

本文提出的广播算法的两个关键点：摒弃RTB/CTB环节缩短信道接入时延、消除ACK环节提高消息传播效率。紧急消息能够在各时域内随机分布，发生碰撞的概率较小。一旦发生了碰撞，可再从CW_max中随机选择时隙，直到不发生碰撞。

算法流程如图1所示。从图1可知，提出的广播算法降低了对ACK依赖。若Sender能够收到Forwarder重播的消息Re_Mes，便可将其作为ACK消息，降低了ACK的使用，称为ACK decoupling；反之，就需要节点向Sender发送ACK，称为ACK recovery。接下来，从ACK decoupling、ACK recovery方面分析提出的广播性能，并与SB进行比较。

在提出的算法中，通过结合SNR和GPS坐标，降低ACK依赖性。收到数据包的节点依据式(1)计算CW_max，并从中随机地选择时隙。当时隙到来时，候选转发节点试着重播消息。若在传递重播消息时发生碰撞，提出的方案与SB的处理方式不同，并且选取转发节点所用的方案也不一样，目的在于降低ACK dependency。在SB中，节点随机选择时隙，并竞争成为转发节点Forwarder，然后，Forwarder向发送节点回复ACK。如果不能成功传递ACK，就重复该过程。与SB不同，提出的方案使用SNR和GPS信息，致使发送者一直实时地监听来自转发节点的广播消息，消除了ACK过程。

2 系统仿真及数据分析

2.1 仿真参数

采用N3-3仿真软件进行仿真，并考虑瑞利衰落模型。考虑4车道(双向)道路，长为4 km。节点通信范围为300 m、时隙Time Slot为20 μs、SIFS为10 μs，每次实验运行时间为100 s，具体的仿真参数如表1所示。

2.2 仿真数值分析

(1)对提出的算法的平均每跳时延的影响

图2描绘了在不同的CW_base环境下，提出的算法每跳平均时延随节点密度的变化曲线。因为节点密度越低，位于300 m通信范围内的节点数目越小，相应地，发送者Sender可能需等待最长时限(大于CW_base)后，才能重播紧急消息。然而，当节点密度大于40 nodes/km，时延略有增加。这主要是因为，当节点密度增加一定程度，更多的节点参与了竞争重播消息，提高了碰撞概率，增加了时延。

图2 提出算法的平均每跳时延随节点密度的变化情况

此外，低的CW_base(如CW_base=2)具有更低的平均时延。原因很简单，低的CW_base导致CW_max更低，这就意味着转发节点Forwarders只需等待较短的时间，便可重播消息。

下面将提出的算法与SB算法从每跳的平均时延、吞吐量方面进行对比分析。

(2)节点密度对每跳平均时延的影响

由图3可知，与SB相比，提出的算法的平均每跳时延降低了约SB算法在整个节点密度区间，平均时延约1.75 ms，而提出的算法的平均每跳时延约为0.6 ms。两个主要的原因：首先，SB算法严重依赖于RTB/CTB握手机制，需等待较长干扰信号(Jamming Signal)才重播消息，而提出的算法在重播消息前，没有RTB/CTB环节。其次，SB算法利用ACK解决碰撞问题，而提出的算法是采用SNR和坐标信息去处理，摒弃了ACK环节。

(3)数据包大小对吞吐量的影响

图4描绘了吞吐量随数据包大小的变化曲线。从图4可知，提出的算法的吞吐量是SB算法的两倍。在SB协议中，大量的网络资源被消耗于RTB/CTB/ACK数据包的交互环节，而提出的算法避开了这些环节，从而大幅度地提高了吞吐量。

由图4可知，随着数据包尺寸的增加，吞吐量呈增加趋势。这个数据结果反映一个事实：竞争节点在重播前所耗的时间与数据包大小没有关系，而对于大的数据包而言，每次传输的数据量大，进而提升了吞吐量。

3 总结

在VANET环境下，针对紧急消息的传播问题展开分析，提出一个新型的广播算法。源节点广播紧急消息Mes，接收节点利用信噪比SNR和GPS坐标信息计算最大竞争窗口CW_max，并从[0，CW_max]区间内随机选择一个时隙用于转发消息Mes。当时隙到来并没有收到其他节点广播的消息Re_Mes，则成为转发节点，并重播紧急消息。若源节点收到消息Re_Mes，表明紧急消息已成功传递到下一个节点，源节点无需再广播。通过这种方式摒弃了RTB/CTB握手机制，也免去ACK的过程，提高消息的传输速度，降低了时延。若出现传输碰撞，节点再从[0，CW_max]随机选择时隙，重复上述过程。由于CW_max反映了节点的实时信息，发生碰撞的概率极小。仿真结果表明，与SB相比，提出的算法的平均时延降低了约，吞吐量提高了两倍。

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