基于车载自组织网络的消息发送时机研究

基金项目：国家自然科学基金项目(60502028、60762005

    车载自组织网络(VANET)是运行于道路上的新型移动无线自组织网络，可以实现车辆间，车辆与路边节点间的多跳通信。它在道路上构建一个自组织、部署方便、费用低廉、结构开放的车辆间通信网络。VANET技术可以实现事故告警、辅助驾驶、道路交通信息查询、乘客间通信和Internet信息服务等应用[1]。
VANET的网络结构图如图1所示。由于路边无线访问点的覆盖范围有限，路上运动的车辆并没有被完全覆盖，因此车辆间可组成自组织网络，在无线访问点覆盖范围内的车辆可与其进行无线通信，无线访问点覆盖范围外的节点可通过多跳方式与其通信。

关于VANET，国内外开展了很多的研究[2-10]。大部分工作主要针对其网络拓扑变化大的特点进行研究，例如媒体访问控制(MAC)协议的研究、路由协议的研究等。

1 仿真场景

1.1 仿真平台的搭建
    本文采用SUMO和ONE仿真软件对车辆运行情况进行仿真。首先根据仿真汽车的运行设定，运用仿真软件SUMO得到汽车的跟踪轨迹文件，记录汽车行进过程中的详细地理位置和时间。然后根据仿真软件ONE的输入文件的需要，转化跟踪轨迹文件的格式，形成ONE外部运动模式所要求的格式，设定ONE的配置文件，形成节点相遇和消息交互的事件，进行仿真对比实验。

    为了满足仿真的要求，实际中，SUMO交通灯的设置通过手动设置，相应地，要对ONE的源码进行修改，得到丢包的输出和提高时间精度。

1.2 仿真场景设定
    (1)SUMO中的设定
    道路：单向行驶的4车道，限速25 m/s。道路长9 000 m，前1 000 m为发车预设车道(单车道)。在8 000m处，设一交通灯。

    节点：同方向行驶的两类加速能力和最大速度不同的汽车，以便模拟公路行驶过程中的超车现象。车长为5 m，驾驶员的驾驶参数设定为0.5(0-1)。并使用SUMO中的流(Flow)形成匀速发车的两组汽车流。具体的速度设定根据不同的实验组而定。

    交通灯：配置交通灯，延长交通灯的时间，使所发的所有车辆(无论发车前后)同时拥堵在交通灯一侧。模拟堵车状态下的网络。

    (2)ONE的设定
    仿真时间：根据SUMO的输出(483～1 200 s)。开始时刻483 s，是所有的汽车均发车完毕的时间；结束时间1 200 s，为所有汽车均拥堵在交通灯处的时间。总时间长为700 s。

    路由模式：为研究出消息的传递时机与诸多网络特性的关系，修改路由，延迟消息的发送时机。
节点：运动模式为外部运用。根据道路车道情况，为保证并行车辆的同时通信，设定为60 m。
消息：大小为5 kb～10 kb。在参与仿真的节点中，随机地选择发送节点和目的节点。在仿真的全部时间长度内，消息均匀产生。

2 仿真结果

2.1 分析对象
    汽车道路行驶，从正常行驶到遭遇交通灯，网络的密度实际上是动态变化的，更确切的讲是一个由疏变密的过程。动态密度变化的网络中，根据动态密度的变化，控制节点发送消息的时机，可以对可达率及延迟产生影响。在合适的时机发送消息，不仅能提高消息的可达率，对于节约功耗也有深远的意义。

    合理的发送时机应该是一个窗口值。进一步做实验，可以得出窗口值是随网络中参数的变化而变的，具体的网络参数如下：

• 消息的生存期。不同的生存期，对消息的传递策略至关重要。
• 发送消息的个数。决定了网络负荷，权衡节点的通信能力，对拥塞的研究很有意义。
• 节点的数目。可以影响网络的密度，以便研究不同网络密度的通信状况。
• 节点的运动速度。在网络场景中，节点的运动速度对于节点相遇的几率有很大影响，决定了节点的相遇时刻和相遇时间长度，进而影响消息的传递。
• 节点缓存区。影响节点对消息的携带。

2.2 结果分析
    根据5种仿真参数的不同，设置不同的5组实验。每组实验设定0～800 s不同的9组消息发送时刻。在发送时刻前，消息只产生不发送，而在发送时刻后开始消息的发送。5组参数，分别研究5种不同网络参数对可达率或是延迟的影响。

    基本的参数为：消息的生存期为1 min，产生消息的个数为350个(即仿真的全部时间内约每2 s产生一个消息)。节点个数为50。运动的速度，一组加速度为1.0 m/s2，最大速度为8 m/s；另一组加速度为0.8 m/s2，最大速度为12 m/s。缓存区设定为无限大。

    以下的几组实验，均以基本参数为标准，改变其中的一个参数，可得到该参数对网络的影响。

    (1)改变消息的个数
    图2所示为消息个数对可达率的影响。图3所示为消息的个数对延迟的影响。在图2、图3中，横轴代表消息的发送时机；纵轴表示在横轴所在的时刻开始允许消息发送，进行仿真实验计算出的可达率和延迟。

    随着消息负荷的增大，可达率下降，增大的趋势变平缓，最后出现下降的趋势。延迟的曲线基本一致。
随着发送时刻的变化，消息的可达率随负荷的增大，呈现出窗口状。最为明显即为1 400个消息的情况，在400～600 s之间，消息的可达率发生变化，500 s时出现了峰值，即500 s是消息发送的最好时机(在要求可达率较高的情况下)。

    (2)改变生存时间(TTL)的大小
    图4所示为消息的生存期对可达率的影响。图5所示为消息的生存期对延迟的影响。

    在图4、图5中，TTL设定为1 min～3 min，共3组，图4中，TTL的单位为分众，图5中系列1表示TTL=1 min、系列2表示TTL=2 min、系列3表示TTL=3 min。当TTL增大时，消息的可达率升高，能够带到的最大值也会增大；曲线的形状会有下降的情况。

    存在600 s下降现象。到了600 s的时候，不论消息还有多少的生存期，都只有接近100 s的时间可以用来传递消息，故TTL=2和TTL=3时的完全相同，只有TTL=1较低。

    TTL越大在500 s时会有更大的传输机会(开始增长的位置前移)。积累消息使可达率增高。
TTL增大，消息的延迟增大。

    (3)改变缓冲区的大小
    图6所示为缓冲区大小对可达率的影响。图7所示为缓冲区大小对延迟的影响。缓冲区大小越小，则曲线越平缓，增大网络密度，对可达率的提高作用减弱。在图6、图7中，从缓冲区=100 kb到缓冲区=50 kb，不会因为在300 s以后网络的密度变大而增高。从具体的消息丢失也可以看出因为缓冲区不够的原因丢包的概率增大。

    (4)改变节点的个数
    图8所示为节点速度对可达率的影响。图9所示为节点个数对可达率的影响。

    在图8、图9中，增加节点的个数(车辆数)就可以使可达率得到提高。

    随着发送时刻的增大，曲线的最低点下降的幅度呈现先增后减的趋势。虽可达率随节点个数增大，但当个数达到一定程度，增大的幅度会降低。

    改变节点的个数对延迟的影响较小。但节点少，则延迟较小。

    (5)改变节点速度
    图10所示为节点速度对可到率的影响。设定6组不同的速度分别对应图10中的速度1到速度6。
速度的大小影响可达率开始增高的位置。速度越大，开始增大的位置越靠前。速度越大，网络密度增大得越快，达到密度最大的时间提前。

    速度的大小同样影响到最低点下降的幅度。速度小的曲线，最低点值小。速度小的网络用较长的时间达到一定密度，相应地网络中没有发送的消息增多，导致冲突增大，可达率下降的更多。

2.3 结论
    在VANET中，网络的动态密度随车流的行进呈现出明显的“手风琴”现象，正常运行到红绿灯处再到正常行驶，网络的密度呈现出疏密相间的情况。在这种网络中，控制消息的发送时机，可以对消息的可达率和延迟产生影响。

    由仿真可以看出，消息的发送时机实际上是一个窗口值。窗口的大小随着具体的网络参数变化。一般而言，网络的负荷越重(车辆的个数多、消息的个数多)，资源(缓冲区越小)越有限，窗口出现的时机越早。在网络密度较低的时候就会出现对应的窗口大小降低。

3 参考文献
[1] Internet ITS consortium [EB/OL]. [2009-04-20]. http://www.internetits.org.
[2] FleetNet project:Inter-vehicle communication [EB/OL]. [2004-09-04]. http://www.et2.tu-harburg.de/fleetnet/english/about.hLtml.
[3] CAR 2 CAR Communication Consortium [EB/OL]. [2010-09-08]. http://www.car-2-car.org/.
[4] CAR 2 CAR Communication Consortium Manifesto, version 1.1 [EB/OL]. [2007-08-04]. http://www.car-to-car.org/index.php?id=570.
[5] NoW: Network on wheels [EB/OL]. [2006-07-31]. http://www.network-on-wheels.de.
[6] IP PReVENT finalreport [R/OL]. [2010-06-04]. http://www.prevent-ip.org/en/home.htm.
[7] DAIMLER A G, MAKINEN T, IRION J, et al. Preventive and active safety applications integrated project IP_D15: Final repor [R/OL]. [2008-10-06]. http://www.prevent-ip.org/download/deliverables/IP_Level/PR-04000-IPD-080222-v15_PReVENT_Final_Report_Amendments%206%20May%202008.pdf 2008.
[8] PReVENT: WILLWARN [EB/OL]. [2010-09-04]. http://www.prevent-ip.org/en/prevent_subprojects/safe_speed_and_safe_following/willwarn/,2007.
[9] ZANG Yunpeng, STIBOR L, REUMERMAN H J, et al. Wireless local danger warning using inter-vehicle communications in highway scenarios [C]//Proceedings of the 14th European Wireless Conference (EW’08),Jun 22-28, 2008,?Prague, Czech. Piscataway, NJ,USA:IEEE, 2008:7p.
[10] HILLER A, HINSBERGER A, STRASSBERGER M, et al. Results from the WILLWARN Project [C]//Proceedings of the 6th European Congress and Exhibition on Intelligent Transportation Systems and Services, Jun 18-20,2007, Aalborg, Denmark. 2007.

收稿日期：2011-03-18

[摘要] 车载自组织网络(VANET)是一种节点迅速移动的无线自组织网络，网络的动态密度变化具有明显的特征，呈现出疏密相间的“手风琴”现象。利用汽车之间相遇的机会进行通信需要考虑到网络动态变化对传输的影响。文章利用仿真软件SUMO生成的跟踪轨迹文件，在仿真软件ONE下做网络参数的对比实验。通过模拟道路交通的网络动态密度变化，文章得到结论：最佳发送时机随网络参数不同而变化。

[关键词] 车载自组织网络；消息发送时机；网络密度

[Abstract] VANETs have fast-moving wireless nodes. The changing network density shows a concertina effect. The dynamic topology of VANET needs to be taken in to account when two vehicles meet by chance and communicate with the network. In this paper, we use SUMO and ONE to simulate the changing density of VANET and carry out some experiments using different parameters. We also analyze the effect of network density on sending time.

[Keywords] vehicular Ad Hoc network; message sending time; network density system