CN104394007B - 一种城市VANETs的多跳警告广播方法 - Google Patents

Abstract

一种城市VANETs的多跳警告广播方法，本发明涉及多跳警告广播方法。本发明是要解决多跳广播导致信息冗余和信息包碰撞、MANET广播风暴的解决方案不完全适合应用于VANET、目前抑制广播风暴的方法限制了转发信息的中继节点数量、基于位置机制有相对较低的广播冗余和延迟的问题而提出一种城市VANETs的多跳警告广播方法。该方法是通过1、确定转发节点和转发节点的方向；2、确定邻居节点转发概率Pi；3、建立指数公式；4、确定为中继节点；5、警告广播信息被重播等步骤实现的。本发明应用于城市VANETs的多跳警告广播领域。

Description

一种城市VANETs的多跳警告广播方法

技术领域

本发明涉及多跳警告广播方法，特别涉及一种城市VANETs的多跳警告广播方法。

背景技术

多跳广播技术为车载网络(VANETs)提供了多种信息共享服务包括紧急告警和交通信息服务。为了最大化紧急信息沿着公路传播和在相关区域传播，多跳广播变成了车载网络中提供这种服务的核心技术。不过，多跳广播经常受到竞争和干扰的影响，如果中继节点选择不合适多跳广播，那么重播跳数和次数会增加，所以会导致信息冗余和信息包碰撞。当访问MAC层的时候竞争就会出现，广播风暴就会出现。在现有中有几个减轻广播风暴问题的方案。不过，这样的方案不完全适合解决VANETs中广播风暴的问题。由于VANETs中汽车只能沿着公路高速行驶，它会导致VANETs拓扑结构变化快和拓扑结构受道路限制。因此MANET广播风暴的解决方案不完全适合应用于VANET。针对VANETs应用环境特点，它需要特殊的方法减轻广播风暴。

有几种抑制广播风暴的方法比如基于概率的广播、基于计数的广播、基于距离的广播、邻居知识广播和基于位置的广播。但这几种方法限制了转发信息的中继节点数量，所以信息的转发跳数会减少，信息冗余会减少，广播风暴被抑制。

在基于位置的机制中,距离广播节点最远的邻居节点被选择作为转发节点.每一跳的转发节点的选择是确定的和唯一的。基于位置机制不同于其他的广播机制，可能会导致多个中继节点同时广播，因此基于位置的机制有相对较低的广播冗余和延迟，目前基于位置的城市VANET广播假设车辆在直行的公路上行驶，但是，实际的城市场景不仅有交叉口而且包括交通灯和建筑物，交通密度是变化的。

发明内容

本发明的目的是为了解决多跳广播导致信息冗余和信息包碰撞、MANET广播风暴的解决方案不完全适合应用于VANET、目前抑制广播风暴的方法限制了转发信息的中继节点数量、基于位置机制有相对较低的广播冗余和延迟的问题而提出一种城市VANETs的多跳警告广播方法。

上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：

步骤一、在邻居列表中，按照汽车所在方向确定转发节点和转发节点的方向、广播通讯区域；其中，在道路上汽车所在方向为相对方向；在十字路口上汽车所在方向为十字路口的四个方向；MBW-TWO采用邻居列表选择中继节点，或当紧急事故发生时MBW-ONE临时创建邻居列表并选择中继节点，邻居列表包括邻居车辆的ID号、经纬度坐标、汽车行驶速度和行驶方向；

步骤二、采用MBW-ONE或MBW-TWO方法在邻居列表中根据转发节点和转发节点的邻居节点之间的距离确定邻居节点转发概率P_i；其中，MBW-ONE为MBW1，MBW-TWO为MBW2；MBW为多种交通密度的基于位置的多跳警告广播协议；

步骤三、采用P_i建立指数公式，利用指数公式来计算路上转发节点和转发节点的邻居节点WT值；其中，若转发节点的邻居节点在十字路口上则WT值设置为0；转发节点计算WT的公式用(10)式综合表示：

其中，WT_max表示WT值的最大值；

步骤四、根据转发节点和转发节点的邻居节点中WT值的最小值WT_min对应的转发节点确定为中继节点；若n≥2个转发节点的邻居节点在十字路口上，则选择十字路口中ID号最小的汽车作为中继节点；

步骤五、如果WT_min的时间结束，在广播通讯区域内警告广播信息被中继节点重播，若中继节点在路上中继节点将警告广播信息对转发节点的邻居节点进行双向传输；若中继节点在十字路口，中继节点将警告广播信息在路上十字路口的四个路口方向传输给转发节点的邻居节点；即完成了一种城市VANETs的多跳警告广播方法。

发明效果

由于交叉口建筑物的影响，传统的定向广播协议不能有效地、可靠地为城市车载网络提供数据分发。为了提高朝所有方向的信息分发和降低以前研究工作中汽车分类错类导致的重传，本发明提出面向城市车载网络(VANETs)多种交通密度的基于位置的多跳警告广播协议(MBW)。该协议按照汽车所在道路的方向把汽车分为四组，交叉口中继节点根据当前转发节点和它四个方向的邻居节点之间的距离决定，如果有多个节点在交叉口则采用节点ID号最小的汽车作为中继节点。另外，交叉口的中继节点优先广播信息不等待。在路上，中继节点根据WT数学公式选择，WT公式决定转发节点的转发概率，如果WT计算的时间结束，信息被重播，而且信息在路上双向传输。正是由于中继节点的选择策略，MBW限制了最小的中继节点集合，限制了事故周围信息重传次数。仿真结果表明MBW协议和现存的VANETs广播协议相比具有较好的覆盖率(覆盖率达到(75％～100％))、延迟(0-0.5s)、转发率达到10％左右和较低的网络开销即车辆密度低-高，200～1000个数据包。

因为MBW协议是一个轻量级的广播协议。它的主要目标是在事故周围尽可能大的区内以低延迟、低网络开销、高可靠性和低转发节点率在多种交通流密度环境中分发信息。因为避免冗余重传，MBW实现了上述四个特性。在MBW中通过选择小的汽车子集实现这样的任务和确定信息什么时候被重播。MBW的主要目的是在每一重传中最大化接收警告信息的汽车数量。因此，选择中继节点的机制是很重要的。本发明分别给出了在交叉口和在道路上两个不同的方法。为了采用这两种不同的方法,我们首先把汽车分类。根据发送者和接收者之间的角度邻居汽车被分类，并且根据汽车行驶的道路的方向分为四组如图1所示。

为了改善面向感兴趣区域信息分发和降低网络开销，本发明提出了多跳警告广播(Multi-hop Broadcast for Warning,MBW)协议，面向事故周围的更大的区域分发信息。这个协议充分考虑了实际城市场景中交叉口处的的交通信号和建筑物阻挡。本发明提出广播协议的目标是通知从所有方向即将到来的汽车调整行车路线避免碰撞。本发明的主要贡献有以下几点：我们按照汽车行驶的道路方向把汽车分成四类，道路的方向分为东、南、西和北四个方向。对于交叉口和公路,选择中继节点和信息分发机制是不同的。在交叉口，为了能够迅速向所有方向传播信息，节点在三个或三个以上方向道路上都有邻居节点，和邻居的距离大于路宽并且节点ID号最小才能被选作中继节点，而且，交叉口处中继节点优先重播信息不等待任何时间。与交叉口的选择方法不同，在公路上，我们根据WT函数选择中继节点，这个函数由接收节点的转发概率因子决定，如果WT结束了，中继节点重播信息，具有最大转发概率的节点被选作中继节点。另外，数据信息沿着公路双向转发。

为了实现确定该机制应该怎样操作，一跳邻居信息定位机制被使用这一目标，本发明使用电子地图信息确定汽车是否在交叉口并且如果该协议在抑制机制下执行，那么计算重播信息等待时间WT(Waiting Time)。

附图说明

图1为具体实施方式一提出的汽车的行驶方向示意图，其中，圆心的节点是发送者，半径为300米组成的汽车广播通讯区域；按照顺时针的方向把圆平均分成四份，每一份角度为我们假定发送者向上行驶，因此我们规定道路的方向是北，相应地，角度写成45°到135°，因此汽车在这个范围内行驶为道路的北方；相对的方向为南方，角度的范围从到即225°到315°，汽车在这个范围内行驶的方向为道路的南方；汽车在即135°到225°范围内行驶为道路的西方；从315°到45°这个范围为道路的东方；总之，在道路上行驶的汽车根据上述的规定的方向分为四组为在十字路口四个方向的汽车；

图2为具体实施方式六提出的指数和线性的WT曲线图；

图3为具体实施方式一提出的MBW-ONE流程图；

图4为具体实施方式一提出的MBW-TWO流程图；

图5为实施例提出的多种交通流密度下所有协议的覆盖率示意图；

图6为实施例提出的BSM和MBW时延对比示意图；

图7为实施例提出的转发节点转发率与交通流量示意图；

图8为实施例提出的车载网络的网络负载与交通流量示意图。.

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种城市VANETs的多跳警告广播方法，具体是按照以下步骤制备的：

步骤一、在邻居列表中，按照汽车所在方向确定转发节点和转发节点的方向、广播通讯区域；其中，在道路上汽车分为两组汽车所在方向为相对方向；在十字路口上汽车分为四组方向汽车所在方向为十字路口的四个方向组成的广播通讯区域如图1；邻居列表为采用MBW-ONE和MBW-TWO两种方法分别实现MBW广播协议；MBW-TWO采用邻居列表选择中继节点，或当紧急事故发生时MBW-ONE临时创建邻居列表(邻居列表的内容是自定的)并选择中继节点，MBW-ONE和MBW-TWO这两个策略可以被使用来同时转发不同的信息；MBW广播协议通过选择最小的中继节点的集合限制了信息重传的次数；因此它能减少信息冗余和竞争，这也降低了广播风暴；邻居列表包括邻居车辆的ID号、经纬度坐标、汽车行驶速度和行驶方向；

步骤二、采用MBW-ONE如图3或MBW-TWO如图4方法在邻居列表中根据当前转发节点和转发节点的邻居节点之间的距离确定邻居节点转发概率P_i；其中，当前转发节点为之前确定的中继节点；MBW-ONE为MBW1，MBW-TWO为MBW2；MBW(Multi-hop Broadcast forWarning,MBW)为多种交通密度的基于位置的多跳警告广播协议；

步骤三、采用P_i建立指数公式(8)，利用指数公式(8)来计算路上当前转发节点和转发节点的邻居节点WT(wait-time)值；其中，若转发节点的邻居节点在十字路口上则WT值设置为0；即规定在交叉口的中继节点直接转发信息不等待，即交叉口的中继节点一旦收到信息则立即重播，其它在交叉口的邻居节点，收到副本的时候不转发；转发节点计算WT的公式用(10)式综合表示：

其中，WT_max表示WT值的最大值；

步骤四、根据当前转发节点和转发节点的邻居节点中WT(wait-time)值的最小值WT_min对应的转发节点确定为中继节点；若n≥2个转发节点的邻居节点在十字路口上，则选择十字路口中ID号最小的汽车作为中继节点；因为转发节点的邻居节点在十字路口上则WT值设置为0；

步骤五、如果WT_min的时间结束，在广播通讯区域内警告广播信息被中继节点重播，若中继节点在路上即未在十字路口中继节点将警告广播信息对转发节点的邻居节点进行双向(相对的两个方向)传输；若中继节点在十字路口，中继节点将警告广播信息在路上十字路口的四个路口方向传输给转发节点的邻居节点；即完成了一种城市VANETs的多跳警告广播方法。

本实施方式效果：

由于交叉口建筑物的影响，传统的定向广播协议不能有效地、可靠地为城市车载网络提供数据分发。为了提高朝所有方向的信息分发和降低以前研究工作中汽车分类错类导致的重传，本实施方式提出面向城市车载网络(VANETs)多种交通密度的基于位置的多跳警告广播协议(MBW)。该协议按照汽车所在道路的方向把汽车分为四组，交叉口中继节点根据当前转发节点和它四个方向的邻居节点之间的距离决定，如果有多个节点在交叉口则采用节点ID号最小的汽车作为中继节点。另外，交叉口的中继节点优先广播信息不等待。在路上，中继节点根据WT数学公式选择，WT公式决定转发节点的转发概率，如果WT计算的时间结束，信息被重播，而且信息在路上双向传输。正是由于中继节点的选择策略，MBW限制了最小的中继节点集合，限制了事故周围信息重传次数。仿真结果表明MBW协议和现存的VANETs广播协议相比具有较好的覆盖率(覆盖率达到(75％～100％))、延迟(0-0.5s)、转发率达到10％左右和较低的网络开销即车辆密度低-高，200～1000个数据包。

因为MBW协议是一个轻量级的广播协议。它的主要目标是在事故周围尽可能大的区内以低延迟、低网络开销、高可靠性和低转发节点率在多种交通流密度环境中分发信息。因为避免冗余重传，MBW实现了上述四个特性。在MBW中通过选择小的汽车子集实现这样的任务和确定信息什么时候被重播。MBW的主要目的是在每一重传中最大化接收警告信息的汽车数量。因此，选择中继节点的机制是很重要的。本实施方式分别给出了在交叉口和在道路上两个不同的方法。为了采用这两种不同的方法,我们首先把汽车分类。根据发送者和接收者之间的角度邻居汽车被分类，并且根据汽车行驶的道路的方向分为四组如图1所示。

为了改善面向感兴趣区域信息分发和降低网络开销，本实施方式提出了多跳警告广播(Multi-hop Broadcast for Warning,MBW)协议，面向事故周围的更大的区域分发信息。这个协议充分考虑了实际城市场景中交叉口处的的交通信号和建筑物阻挡。本实施方式提出广播协议的目标是通知从所有方向即将到来的汽车调整行车路线避免碰撞。本实施方式的主要贡献有以下几点：我们按照汽车行驶的道路方向把汽车分成四类，道路的方向分为东、南、西和北四个方向。对于交叉口和公路,选择中继节点和信息分发机制是不同的。在交叉口，为了能够迅速向所有方向传播信息，节点在三个或三个以上方向道路上都有邻居节点，和邻居的距离大于路宽并且节点ID号最小才能被选作中继节点，而且，交叉口处中继节点优先重播信息不等待任何时间。与交叉口的选择方法不同，在公路上，我们根据WT函数选择中继节点，这个函数由接收节点的转发概率因子决定，如果WT结束了，中继节点重播信息，具有最大转发概率的节点被选作中继节点。另外，数据信息沿着公路双向转发。

为了实现确定该机制应该怎样操作，一跳邻居信息定位机制被使用这一目标，本实施方式使用电子地图信息确定汽车是否在交叉口并且如果该协议在抑制机制下执行，那么计算重播信息等待时间WT(Waiting Time)。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中采用MBW-ONE或MBW-TWO方法在邻居列表中根据当前转发节点和转发节点的邻居节点之间的距离确定邻居节点转发概率P_i具体过程：

为了限制重播一个信息的汽车数量，计算转发信息的WT机制在以前的研究工作中也被做过，在基于位置广播协议中，典型的WT计算方法是采用一些相关因素设计等待时间函数，比如广播汽车的无限通信半径R，发送者和接收者之间的距离，邻居汽车的数量和车速等；等待时间T_defer被称作延迟计算函数通过下式(1)被给出，

在上述公式中，R_i和R_j是两个节点的传输范围，d_ij是节点i和j之间的距离；Trand随机延迟；λ为调节因子；这样在WT和距离之间的关系并不明显，类似的WT函数设计；BSM广播协议提出Wt计算表达式如下，

dsr是发送者和接收这之间的距离，nn是邻居汽车的数量，很明显这样的表达式不是线性函数，HyDiAck广播协议提出WT计算表达式(4)，

从上面等式中我们能看出等待时间是Di_j的线性函数,D_ij是发送者和接收者之间的距离，N_S是为每两个区间可提供的时隙数，t为最长等待时间；UV-CAST协议给出了等待时间函数为表达式(6)，

上述等式是τ_i和d_i,j的线性函数,τ_i为等待时间，d_i,j是发送节点和中继节点之间的距离；我们能够总结出一个思想，那就是距离发送者较远的汽车有更大的转发信息的概率，据此得出邻居节点转发概率P_i表达式如下式：

P_i为邻居节点转发概率；d_i为接收者距发送者之间的距离，r是无线通信半径。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中MBW-ONE和MBW-TWO都采用hello包维护邻居列表，hello包里面包含Hello域、Position域、Direction域、Hop域、SID域、MID域和VID域；其中，Hello域代表hello包，Position域标志汽车的位置，Direction域的值为相对于当前转发节点的方向(十字路口的四个方向)，Hop意味着hello包的跳数，SID域代表源节点ID号，MID域是源节点信息ID号，VID域记录汽车ID号；当一个节点收到hello包并且Hop域为0时则成对儿保存MID和SID；hello包每0.1～2s广播一次。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中MBW-ONE转发信息的策略：

(1)在广播通讯区域内，事故发生的节点即源节点广播hello包，其Hop域为0，收到hello包的节点广播hello包并且0.1～2s内只广播一次，设置其Hop域为1，收到hello包的节点1s～2s内发送一次应答包，限制hello包和应答包的次数能够降低网络开销，

(2)在广播通讯区域内，收到应答包的节点计算自己和邻居节点的距离，如果三个或四个方向的距离大于路宽度，则标记自己在交叉口即十字路口，并记录VID域最小值即汽车最小ID号，否则不做任何事情；其中，应答包里包含应答域即Respond域和Position域；

(3)Hop域为0的节点广播hello包并等待t毫秒之后，在广播通讯区域内，警告广播数据包；t∈(10ms，20ms)；

(4)如果交叉口即十字路口的节点收到了数据包，在广播通讯区域内十字路口的节点广播Hop域为0的hello包；

(5)在广播通讯区域内，接收hello包的节点广播hello包并标记Hop域为1；

(6)在广播通讯区域内，收到hello包的节点广播应答包，将广播应答包中的带有VID域最小的邻居节点立即转发警告广播数据包，因此VID域最小的邻居节点被选作中继节点；(1)～(6)这个过程持续10ms～20ms；

(7)如果路上所有的节点收到Hop域为0的hello包；收到警告广播数据包的邻居节点等待的时间为WT；

(8)如果WT没有结束，在广播通讯区域内，邻居节点收到来自其它邻居节点Hop域为0的hello包，邻居节点不广播Hop域为0的hello包；

(9)在广播通讯区域内，如果邻居节点i已经发送了Hop域为0的hello包之后收到邻居节点j，Hop域为0的hello包，邻居节点i将比较发送的Hop域为0的hello包中的SID和MID两个域值与收到邻居节点jHop域为0的hello包中的SID和MID两个域值；

(10)如果邻居节点i发送的Hop域为0的hello包的SID和MID两个域值与收到邻居节点jHop域为0的hello包中的SID和MID两个域值不同，那么在广播通讯区域内，发送了Hop域为0的hello包的邻居节点i没有收到过警告广播数据包，发送了Hop域为0的hello包的邻居节点i在0.1～2s内广播一次Hop域值为1的hello包；

(11)在广播通讯区域内，收到Hop域值为1的hello包的邻居节点0.1～2s内只发一次应答包；其中，应答包为Hop域值为1的hello包；

(12)在广播通讯区域内，收到应答包的节点更新交叉口标记；如果邻居节点i收到了一个hello包里的SID和MID域和邻居节点i保存的一样，邻居节点i比较保存的VID和收到的hello包里的VID，如果hello包的VID域值比邻居节点i保存的大并且Direction域值是相同的，邻居节点i将取消转发警告广播数据包；否则，它将转发警告广播数据包；因此当前转发节点被定义为路上的中继节点；

(13)如果事故发生的节点即源节点在广播通讯区域内广播警告数据包之后，MID域值加1。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中MBW-TWO转发信息的策略：

(1)当节点收到Hop域值为0的hello包则每0.1～2s更新一次邻居列表，节点i计算自己和节点j的距离；

(2)如果节点有三个或四个方向的节点和自己的距离大于路宽则标记节点在交叉口；

(3)如果节点的VID域比节点收到的hello包里的VID小则标记节点的VID最小域值；否则不做任何事情；

(4)如果事故发生的节点即源节点在广播通讯区域内立即广播警告数据包；

(5)如果交叉口的节点收到信息，采用节点ID号最小的汽车在广播通讯区域内广播信息，ID号最小的汽车被选作中继节点；数据包包含Data域、Position域、Direction域、TS域、SID域、MID域和Message；其中，Data域的值代表数据包，Position代表节点的位置，Direction域则是相对于上一个节点的十字路口的四个路口方向，TS域的值为发送数据包的时间，SID域代表源节点的ID号，MID的域为信息的ID号，Message域值为告警信息；

(6)当路上的节点收到数据包，则计算WT并等待；

a、如果WT没有结束，节点i收到了来节点j的广播警告数据包并且节点i和节点j方向Direction域值相同，那么节点i取消对节点j广播警告数据包，因此与事故发生的节点即源节点不同方向的邻居节点在广播通讯区域内广播警告数据包；

b、当WT截止时，路上的节点i在广播通讯区域内向邻居节点转发广播警告数据包，因此，广播警告数据包的节点i被选作中继节点；

(7)当事故发生的节点即源节点在广播通讯区域内广播数据包之后，MID域值加1。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤三中采用P_i建立指数公式(8)的具体为：

一个汽车有较高的概率值，那么在转发信息之前等待的时间越短；因此在本发明中，采用P_i概率因子来分别建立指数公式(8)和线性公式(9)计算WT如下：

WT＝WT_max×(1-exp(-(1-P_i))) (8)

WT＝WT_max×(1-P_i) (9)

在本发明中WTmax为100ms，如果WTmax太高，时延将会增加；如果太低，许多汽车在它们收到副本之前会重播信息；图2给出了公式(8)和(9)的比较，我们能够清楚地看出指数公式比线性公式更适合计算WT，因此，本文中我们利用指数公式(8)来计算WT。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例一种城市VANETs的多跳警告广播方法，具体是按照以下步骤制备的：

为了实现数据信息分发，我们使用信息贴标签技术。当一个信息被发送时，它被贴上了源节点的ID号、信息的ID号和汽车ID号，在本研究中，信息分发采用MBW-ONE和MBW-TWO实现，信息分发的过程严格遵循以下两个流程图图3和图4。

在这部分我们给出了模拟参数以及比较结果。

一、模拟场景和参数的设置：

为了评价MBW广播协议的性能，我们采用NS2模拟器进行一系列的模拟。我们把MBW广播协议和BSM广播协议比较。所有的协议都是在低、中、高交通密度条件下评价的，汽车的密度范围从800辆/小时到4000辆/小时，速度从0到60公里/小时变化。我们采用1500平方米网格道路拓扑结构实现MBW广播协议的模拟，每条道路有3车道双向交通流。汽车行驶遵循交叉口的交通灯信号。交通信号包括红灯、绿灯和黄灯，在模拟过程中，直行绿灯和红灯分别为30s和70s，黄灯3s；左转绿灯为20s，左转红灯80s，左转黄灯为3s；整个交通信号周期为103s。我们设置了交叉口障碍物。为了模拟真实的汽车移动，我们使用VISSIM模拟器定义的移动性模型。在某一条道路的中间位置的汽车负责产生警告信息，这个信息会在这个区域周围被扩散。IEEE802.11p标准里Veins 2.0网络模型已经定义了链路层和物理层，我们为广播协议设置了3Mbps的位速率,我们设置信息包的大小为512字节，hello信标包的大小25字节并且每1秒被发送，应答包为9个字节，模拟时间为500s。下面四个特性被使用来评价MBW的可靠性、高效性和可扩展性。覆盖率，是在模拟区域内收到数据包汽车数量的百分数。如果覆盖率为100％，意味着模拟场景里所有的汽车都收到了数据包。高覆盖率意味着MBW广播协议选择中继节点可靠并且协议对于不同的交通密度具有高容忍性。时延，它意味着一个数据包从源节点到目的节点所用的时间。这个特性测量数据传输的高效性。网络开销，它等于模拟期间每个汽车接收到的数据包的数量。这个特性被使用测量网络的可扩展性。转发节点率，它是网络中重播来自源节点的汽车的比例。所有协议性能比较被给出。

二、模拟结果

图5给出了多种交通流密度下所有协议的覆盖率，我们清楚地看出MBW和BSM的覆盖率随着交通密度的增加而增加。这是合理的，因为随着交通密度的增加网络连接性较好，因此，数据包的接收率将会增加。图5表明MBW在不同的交通密度条件下比BSM完成的好。特别是，当交通流密度大约1200辆/小时的时候，覆盖率达到了100％，这是因为MBW广播协议在交叉口不等待立即朝所有方向分发以及路上的双向传输机制。不过，BSM不一定能选择到最远的节点作为中继节点，这从公式(3)可以看得出来。它的覆盖率只有在密集型交通流密条件下高，BSM的覆盖率没有达到100％。

图6给出了BSM和MBW时延比较。正如我们看到的一样，当节点密度增加的时候时延变短，MBW-TWO时延在他们当中是最短的，这是因为在模拟期间它总维护邻居列表，所以它使用了最短的时间发现交叉口的中继节点并且迅速把信息传播到了其它节点。MBW-ONE在事故发生时维护邻居列表，因此它选择中继节点时浪费一些时间，BSM广播协议在他们中间，因为它在模拟期间一直维护邻居列表，另外由于它的时延函数选择邻居汽车的数量多的节点作为中继节点，不一定能够选择到最远的中继节点，所以时延稍大，不过当交通流变密时，时延变短。

图7给出了转发节点率。正如上面讨论的，如果转发节点数量少，则信息冗余和竞争减少。因此广播风暴相应地降低。一个有趣的事实是MBW-ONE具有最低的转发节点率并且曲线平滑。MBW-ONE的转发节点率大约12％左右。BSM位于MBW-ONE和MBW-TWO之间。BSM的转发节点率大约15％。MBW-ONE的转发节点率比BSM低3％。MBW-TWO的转发节点率轻微地增加。当交通密度大约2800辆/小时和4000辆/小时，BSM的转发节点率突然增加到30％，理由是当交通密度高的时候，BSM选择的中继节点不一定是最远的节点，结果导致转发节点数增加。

图8给出交通密度变化下的所有协议的平均网络开销，尽管不同的交通密度，MBW的网络开销比BSM的低。因此MBW展示了较好的网络开销性能。MBW-ONE的网络开销比MBW-TWO的网络开销平均低5％，比BSM的网络开销平均低20％。MBW-TWO的网络开销比BSM平均低10％。因此MBW的可扩展性在高的交通密度下比BSM的好，这样的结果是因为MBW有效地限制了中继节点的数量，因此，当交通密度变高的时候，重播的副本数量被抑制了。

三、结论

本发明提出了新的基于位置的MBW广播协议，一个多种交通流密度下面向城市场景的警告信息分发协议。该协议根据汽车所在的道路的东、南、西、北方向不同把汽车分类限制中继节点的选择。节点根据道路的三个或三个以上方向的邻居节点和自己的距离判断自己是否在交叉口，并且交叉口的节点赋予了优先转发的权限。在路上支持数据双向分发。该协议也展示了较高的覆盖率，它能用较短的时间延迟分发信息给所有的节点。

MBW广播协议最小化了中继节点集合，有效地减少了信息冗余和竞争，因此，它能够提高在密集型网络的条件下的数据分发的可靠性。该协议实现了网络开销比BSM小是因为选择最远的中继节点转发信息，所以转发节点率相应地降低。总之，MBW广播协议适合解决多种交通流密度环境下的安全应用广播并且具有低网络开销、低延迟和高覆盖率。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种城市VANETs的多跳警告广播方法，其特征在于一种城市VANETs的多跳警告广播方法具体包括如下步骤：

步骤一、在邻居列表中，按照汽车所在方向确定转发节点和转发节点的方向、广播通讯区域；其中，在道路上汽车所在方向为相对方向；在十字路口上汽车所在方向为十字路口的四个方向；MBW-TWO采用邻居列表选择中继节点，或当紧急事故发生时MBW-ONE临时创建邻居列表并选择中继节点，邻居列表包括邻居车辆的ID号、经纬度坐标、汽车行驶速度和行驶方向；

步骤二、采用MBW-ONE或MBW-TWO方法在邻居列表中根据转发节点和转发节点的邻居节点之间的距离确定邻居节点转发概率P_i；其中，MBW-ONE为MBW1，MBW-TWO为MBW2；MBW为多种交通密度的基于位置的多跳警告广播协议；MBW-ONE和MBW-TWO是实现多跳警告广播协议的两种方法，二者选择中继节点的方法不同，MBW-TWO是采用维护邻居列表方法选择中继节点，而MBW-ONE则是采用紧急事故发生时创建邻居列表的方法选择中继节点；

步骤三、采用P_i建立指数公式，利用指数公式来计算路上转发节点和转发节点的邻居节点WT值；其中，WT表示重播信息等待时间，若转发节点的邻居节点在十字路口上则WT值设置为0；转发节点计算WT的公式用(10)式综合表示：

其中，WT_max表示WT值的最大值；

步骤四、根据转发节点和转发节点的邻居节点中WT值的最小值WT_min对应的转发节点确定为中继节点；若n≥2个转发节点的邻居节点在十字路口上，则选择十字路口中ID号最小的汽车作为中继节点；

步骤五、如果WT_min的时间结束，在广播通讯区域内警告广播信息被中继节点重播，若中继节点在路上中继节点将警告广播信息对转发节点的邻居节点进行双向传输；若中继节点在十字路口，中继节点将警告广播信息在路上十字路口的四个路口方向传输给转发节点的邻居节点；即完成了一种城市VANETs的多跳警告广播方法。

2.根据权利要求1所述一种城市VANETs的多跳警告广播方法，其特征在于：步骤二中采用MBW-ONE或MBW-TWO方法在邻居列表中根据转发节点和转发节点的邻居节点之间的距离确定邻居节点转发概率P_i表达式如下式：

P_i为邻居节点转发概率；d_i为接收者距发送者之间的距离，r是无线通信半径。

3.根据权利要求1所述一种城市VANETs的多跳警告广播方法，其特征在于：步骤二中MBW-ONE和MBW-TWO都采用hello包维护邻居列表，hello包里面包含Hello域、Position域、Direction域、Hop域、SID域、MID域和VID域；其中，Hello域代表hello包，Position域标志汽车的位置，Direction域的值为相对于转发节点的方向，Hop意味着hello包的跳数，SID域代表源节点ID号，MID域是源节点信息ID号，VID域记录汽车ID号；当一个节点收到hello包并且Hop域为0时则保存MID和SID；hello包每0.1～2s广播一次。

4.根据权利要求3所述一种城市VANETs的多跳警告广播方法，其特征在于：步骤二中MBW-ONE转发信息的策略：

(1)在广播通讯区域内，事故发生的节点即源节点广播hello包，其Hop域为0，收到hello包的节点广播hello包并且0.1～2s内只广播一次，设置其Hop域为1，收到hello包的节点1s～2s内发送一次应答包；

(2)在广播通讯区域内，收到应答包的节点计算自己和邻居节点的距离，如果三个或四个方向的距离大于路宽度，则标记自己在交叉口即十字路口，并记录VID域最小值即汽车最小ID号；其中，应答包里包含应答域即Respond域和Position域；

(3)Hop域为0的节点广播hello包并等待t毫秒之后，在广播通讯区域内，警告广播数据包；t∈(10ms，20ms)；

(4)如果交叉口即十字路口的节点收到了数据包，在广播通讯区域内十字路口的节点广播Hop域为0的hello包；

(5)在广播通讯区域内，接收hello包的节点广播hello包并标记Hop域为1；

(6)在广播通讯区域内，收到hello包的节点广播应答包，将广播应答包中的带有VID域最小的邻居节点立即转发警告广播数据包，因此VID域最小的邻居节点被选作中继节点；(1)～(6)这个过程持续10ms～20ms；

(7)如果路上所有的节点收到Hop域为0的hello包；收到警告广播数据包的邻居节点等待的时间为WT；

(8)如果WT没有结束，在广播通讯区域内，邻居节点收到来自其它邻居节点Hop域为0的hello包；

(9)在广播通讯区域内，如果邻居节点i已经发送了Hop域为0的hello包之后收到邻居节点j，Hop域为0的hello包，邻居节点i将比较发送的Hop域为0的hello包中的SID和MID两个域值与收到邻居节点jHop域为0的hello包中的SID和MID两个域值；

(10)如果邻居节点i发送的Hop域为0的hello包的SID和MID两个域值与收到邻居节点jHop域为0的hello包中的SID和MID两个域值不同，那么在广播通讯区域内，发送了Hop域为0的hello包的邻居节点i没有收到过警告广播数据包，发送了Hop域为0的hello包的邻居节点i在0.1～2s内广播一次Hop域值为1的hello包；

(11)在广播通讯区域内，收到Hop域值为1的hello包的邻居节点0.1～2s内只发一次应答包；其中，应答包为Hop域值为1的hello包；

(12)在广播通讯区域内，收到应答包的节点更新交叉口标记；如果邻居节点i收到了一个hello包里的SID和MID域和邻居节点i保存的一样，邻居节点i比较保存的VID和收到的hello包里的VID，如果hello包的VID域值比邻居节点i保存的大并且Direction域值是相同的，邻居节点i将取消转发警告广播数据包；否则，它将转发警告广播数据包；因此转发节点被定义为路上的中继节点；

(13)如果事故发生的节点即源节点在广播通讯区域内广播警告数据包之后，MID域值加1。

5.根据权利要求4所述一种城市VANETs的多跳警告广播方法，其特征在于：步骤二中MBW-TWO转发信息的策略：

(1)当节点收到Hop域值为0的hello包则每0.1～2s更新一次邻居列表，节点i计算自己和节点j的距离；

(2)如果节点有三个或四个方向的节点和自己的距离大于路宽则标记节点在交叉口；

(3)如果节点的VID域比节点收到的hello包里的VID小则标记节点的VID最小域值；

(4)如果事故发生的节点即源节点在广播通讯区域内立即广播警告数据包；

(5)如果交叉口的节点收到信息，采用节点ID号最小的汽车在广播通讯区域内广播信息，ID号最小的汽车被选作中继节点；数据包包含Data域、Position域、Direction域、TS域、SID域、MID域和Message；其中，Data域的值代表数据包，Position代表节点的位置，Direction域则是相对于上一个节点的十字路口的四个路口方向，TS域的值为发送数据包的时间，SID域代表源节点的ID号，MID的域为信息的ID号，Message域值为告警信息；

(6)当路上的节点收到数据包，则计算WT并等待；

a、如果WT没有结束，节点i收到了节点j的广播警告数据包并且节点i和节点j方向Direction域值相同，那么节点i取消对节点j广播警告数据包，因此与事故发生的节点即源节点不同方向的邻居节点在广播通讯区域内广播警告数据包；

b、当WT截止时，路上的节点i在广播通讯区域内向邻居节点转发广播警告数据包，因此，广播警告数据包的节点i被选作中继节点；

(7)当事故发生的节点即源节点在广播通讯区域内广播数据包之后，MID域值加1。