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车辆公共安全系统设计与实现
摘要:为提高交通安全和高效运输，设计并实施了车辆公共安全系统，用于避碰和紧急预警。所提出的系统架构将车载单元开发与公共可用的车辆间无线通信系统以及定位设备相结合。提出了一种基于多跳广播方案的通信路由方案，该方案具有传播模型和抑制技术。车载单元原型的现场测试和提出的通信路由方案的仿真模型证明了系统在低延迟，更宽覆盖范围和避免碰撞方面提高交通安全性的能力。
关键词:车载自组织网络（VANET）,专用短程通信（DSRC),多跳广播
1.介绍
由于近年来道路车辆数量的增加，事故造成的问题也变得更加复杂。每年都有成千上万的人死亡，更多人遭受持久伤害，因为延迟紧急救援人员不知道发生车祸的位置和时间。因此，实时车辆安全.避免冲突附近车辆之间的碰撞避免和紧急警告需要系统。
车辆到车辆（V2 V）通信是获取有助于警告驾驶员即将发生危险的信息的方法之一。配备车载DSRC设备的车辆可以在车辆之间传输信息，包括车速，位置，航向，方向和其他信息到固定基础设施和周围车辆，作为自组织无线电通信的车载Ad-hoc网络（VANET）将车辆视为高速节点，为了形成V2V通信模式，车辆配备有车载单元（OBU），通过DSRC无线标准互连。车辆到基础设施（V2I）是车辆和路侧单元（RSU）之间的通信网络。OBU和RSU也可以由移动网络运营商（MNO）互连。GPS卫星系统提供车辆坐标的精确定位。测量传感器，按钮和摄像机收集安全系统的信息。通过光信令，互联网，DSRC消息或短消息（SMS）向用户呈现信息。传输的安全消息需要严格的延迟要求，因为延迟信息可能导致生命损失。车辆密度可以根据无线电覆盖区域中的交通密度和道路类型而变化。为了满足这些具有挑战性的要求，车辆安全系统必须具有强大，可扩展，高吞吐量和低延迟的智能功能.
本文开发了避碰和应急响应公共安全系统。设计并实现了一种板载单元，并提出了一种冲突避免多跳广播算法（CAMB）。该系统减少了不同车辆密度的冗余广播，并为安全应用和消息冲突避免提供了可接受的延迟。本文的结构如下：部分2，描述了拟议的公共安全系统。在节中3，提出了用于安全应用的车辆到车辆通信路由方案4 描述了该方案的仿真模型。车载单元测试和模拟结果见章节5.论文结论见本节4.
2 拟议的公共安全系统
2.1 系统架构
所提出的系统被开发用于在低于几百毫秒的等待时间向车辆和车辆之间提供实时公共安全信息。本文中确定的车辆安全应用分为两类：V2 V通信和V2I。所提出的系统依赖于新兴的车辆间通信系统与公共可用的无线通信系统和定位设备（GPS）的集成。使用该通信环境，所提出的系统是反应性的，使得它具有在前面的（DSRC域）距离处发生的紧急事件检测能力和广播警告消息，并且在崩溃的情况下，紧急请求被广播用于紧急请求。该系统还使用基于计数器的多跳广播协议增加了对周围车辆的消息可达性。为了减少网络层处的消息冲突，使用加权p持久性方案，其中将重新广播以更高的概率分配给最远的车辆，而在数据链路层的转发是基于缓解干扰和冲突问题的争用。建议的系统还可以与路边单元（RSU）通信，以将这些消息发送到互联网或基础设施。如果没有RSU退出，系统可以通过基于GPRS的现成GSM基础设施与互联网通信。有关事故或紧急情况下车辆的信息可通过互联网发送到具有地图应用程序（例如谷歌地图）的服务器，以查找事故位置。此外，可以通过该服务器的URL将流量信息提供给OBU。本文重点介绍系统架构的开发，如图1所示。1.安装在车辆上的OBU具有嵌入式无线设备，DSRC，GPS和GSM，以实现V2 V和V2I通信。DSRC通过安装在车辆中的单个收发器支持两类V2 V通信。GPS提供车辆的准确定位。如果不存在路侧单元（RSU），GSM模块支持V2I通信。OBU是网络，有线和无线的，具有多个应用单元（AU）。AU执行单个或一组应用程序（例如，Breaks传感器，Air Bag传感器）并使用OBU的无线电功能发送其状态。在AU超过阈值参数的情况下，OBU转发从同一车辆或代表相同覆盖区域中的其他OBU提取的数据。
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图2.1公共安全系统架构
2.2 车载单元设计与实现
图2.2图中显示了建议的车载单元框图，它有四个主要单元：控制器，通信单元，基板和输入/输出接口单元。和图2.3 展示了已实现的机载单元，该单元经过全面设计，开发和测试。控制器单元：控制器部分是建议的通信安全系统的大脑。该PCB配有PSoC微控制器和所需的存储芯片。微控制器托管V2 V和V2I应用程序和通信的固件。通信单元：通信部分主存V2 V通信（DSRC），GPS和GSM模块。使用的专用短程通信收发器是ESP8266。它是一款低功耗5.9 GHz RF收发器。它支持802.11 b / g / n / p，UART，I2C和SPI接口。它可以在不到2毫秒的时间内唤醒和传输数据包，它可以覆盖大约479米的距离。对于V2I通信，本文使用SIM900 GSM / GPRS模块。SIM900是一款完整的四频GSM / GPRS解决方案。可以使用GPS模块确定车辆的准确位置。如果车辆处于卫星区域的弱覆盖，如在隧道中，我们切换处理以基于GSM信号确定车辆位置。基板：基板构成OBU的主干。控制器板和通信模块（DSRC，GPS和GSM）连接到该PCB。基板通过通信接口连接到应用单元（例如轴承传感器），组件（例如电源）和其他芯片。I / O接口：如SOS紧急呼叫按钮或自由手咪。让受伤的人与系统互动。
图2.2车载单元框图
图2.3车载单元实现
2.3 车载单位操作
图2.4 演示了车载单元操作的流程图。有关每辆车的信息存储在OBU本地存储器中。这些信息包括V2 V和V2I通信中所需的唯一ID车辆识别，车辆位置（纬度和经度），速度，序列号（指示跳数），方向和其他信息。主控制器：通过AT命令与GSM / GPRS通信。GSM / GPRS模块被配置为定义移动服务提供商接入点，连接选择（TCP / IP）以及服务器IP地址和端口。OBU有一个独特的ID是GSM / GPRS模块IMEI（国际移动设备识别码）。建立与服务器的连接后，由车载单元发送ID。V2 V通信的实现：通过来自GPS模块的UART信道每秒获得车辆位置，数据由处理器处理和格式化，并通过SPI接口发送到DSRC设备。V2I通信的实现：车辆与基础设施（互联网）之间的数据通信使用TCP / IP套件，该套件在GPRS移动运营商网络上运行，并且还可以像我们在纸张中使用的那样使用更高技术作为UMTS [11].
图2.4车载单元操作流程图
3 建议的V2 V通信路由方案
3.1 防碰撞多跳广播（CAMB）算法
本文采用基于概率广播模式和基于计数器的多跳广播机制。多跳广播机制通过洪泛在网络中传输分组。如果源车辆广播包，a来源覆盖范围内的车辆数量将成为下一个发送方车辆。该包能够使用几个跳跃或中继车辆从源传播到目的地车辆。本文中的中继节点数不超过五个节点，第一个中继节点必须与源节点定义距离，以保证目的节点不在传输范围内。距离被分成段，每个段具有不同的概率，用于发送具有较高优先级的最远段的安全消息。一旦网络层中的分组数量减少，以下步骤就是基于竞争方案避免数据链路层中的冲突。OBU在感测到通道后发送帧以查看它是否被占用。节点在等待一段时间后开始广播，即分布式帧间空间（DIFS），在此期间媒体处于空闲状态。对于繁忙的介质，节点检测DIFS并等待标准定义的最小和最大大小的争用窗口（在15和1023个时隙之间）。在本文中，每个插槽的固定持续时间为16mu;s，与802.11p相同。OBU节点在争用窗口内随机选择多个时隙（n个时隙），以避免两个站同时开始发送导致碰撞。OBU节点在退避定时器倒计时并且到达到零之后发送。
3.2 传播模式
在本文中，传播/传播模型是相同的和相反的方向模型。在该模型中，遇到危险情况的车辆在单个分组中广播安全信息消息，它是事件驱动/主动方法。广播的信息只能通过同一方向的移动车辆进行重新发送以进行警告和避免碰撞的目的，也用于紧急响应（警察或救护车），并且仅用于应急响应。因此，如果从其后面的另一车辆接收并且在相同方向上接收到的分组丢失。例如，当在展示危险事件之后从车辆Vs 广播的分组;车辆Vi 将接受该数据包，如果它在Vs 的传输范围内并且取决于安全消息类型。如果消息是冲突避免（CA），则遵循以下传播模型：如果消息是从前向节点发送的，则在同一方向上，当前节点接受该消息并且如果是第一次接收，则将其转发到后向节点。如果消息是从后向节点发送的，则当前节点将拒绝它。如果是紧急请求（ER），请执行以下操作将遵循传播模型：如果消息是从前向或后向节点发送的则是相同的方向或在相反的方向上，当前节点接受该消息并将其转发到传输范围内的所有节点，并且如果是第一次接收则也转发给移动运营商。图2.5 显示了提出的CAMB算法
图2.5碰撞避免多跳广播（CAMB）算法
3.3 抑制技术
本文中使用的广播抑制技术过程如下：在接收分组的车辆中，计数器c测量接收分组的次数。在本文中，如果cgt; 1，则不允许重新传播数据包。如果Vs 收到重播的安全消息，序列号（SMSN）大于E，则消息被丢弃。在本文中，多跳重播安全消息序列号不超过5，Ele;5。如果Vi 第一次接收到数据包（检查之前是否收到消息），那么转发数据包的概率等于Pij ）。如果车辆Vi在此之前收到了数据包，它将被丢弃。这样Pij = Dij/ R，Fir其中Dij表示车辆Vs 和Vd 之间的距离，并且被分段为250m和400m。R表示DSRC传输范围（对于我们的模块：R = 500 m）。
4 模拟模型
仿真场景设计如下：源节点（OBU）是遇到危险情况的车辆。该节点生成安全信息消息，以便向传输范围内的所有相邻车辆广播。中继节点传播消息以到达不在中继节点的传播区域附近的目的节点。每个中继节点检查消息序列号，如果消息超过五个跳数，则停止传播消息。交通流量的密度是在给定时刻出现在道路长度单位上的车辆数量。交通模式根据车辆通过的道路类型而不同。道路上的最大密度在每车道每公里100左右波动[12].模拟使用直线道路情景，每个方向有两个车道和不同的交通密度。车辆是静态的并且被配置为发送事件驱动的消息，设置在表1中描述.使用OPNET仿真工具模拟节点（OBU），如图2.6所示，数据包由MAC队列广播，它从数据包生成器（如果是OBU源节点）或物理层（如果它是OBU中继节点）接收数据包。
表1 OPNET仿真的一般参数
使用两个用于接收和发送的无线天线。用于MAC层的修改的码分多址冲突避免（CSMA / CA）是用于MAC层的方法，因为不需要应用请求发送或清除发送信号。车辆将使用基本安全信息（BSM）频繁地广播其状态信息。图2.7所示在本文中，实现了事件驱动模型，并且使用的消息集是关于紧急或避免碰撞的消息。接收车辆跟踪其发送节点，使用每个轨迹计算发送器和接收器之间的距离，比较移动方向和消息优先级CA或ER，并决定重新发送或丢弃消息。在模拟中使用J2735 BSM的一些数据元素/参数。
图2.6 OBU节点模拟
图2.7 MAC队列的过程模型
5 结果分析
船上单元测试使用埃及的不同GSM服务提供商（Orange，Vodafone和Etisalat）成功测试了On Board Unit原型。已经建立了现场测试场景来测试所提出的集成安全系统。测试场景使用三辆车中的三个车载单元进行。车辆在一个车道中移动，使得每两辆车之间的距离约为400米。在这种情况下，第二车辆在第一和第三车辆的覆盖区域内，但是第三车辆不在第一车辆域中。当第一车辆产生事件（例如突然停止）时，第二车辆立即接收事件信息并重新广播，其到达第三和第一车辆。源车辆检查事件并停止重播，而第三辆车重新广播它，第二辆车接收消息并按原先的方式丢弃它。这种情况表明现场测试是成功的。
5.1 碰撞避免多跳广播（CAMB）算法结果分析
使用OPNET网络模拟器进行模拟。在评估所提出的技术时满足以下要求：
1) 可扩展性：为了确保防撞系统的正确运行，根据交通密度和道路类型，在不同的情况下进行模拟。在模拟模型中考虑三种情景，第一种情况是在一公里距离内每车道40车辆的交通密度，第二种情况是80辆车，第三种情况是100辆车。
2) 有效性：使用所提出的技术，我们成功地最大化了距离源到目的地大约2 km的距离，并且还确保目标节点接收广播的防撞包。应用三种方案，覆盖面积为500米。表2 显示不同3种情况（40,80和100辆车）的一至五跳后广播的最大距离（以米为单位）。这些结果是五个跳数，我们可以通过增加跳数来增加这个距离超过2.5公里。3) 效率：在网络层和竞争窗口中使用基于计数器的加权p持久算法
表2 源节点和目标节点之间的最大距离（米）
在链路层中的算法中，冲突避免多跳广播协议消除了消息冗余，从而优化了带宽并确保了目的节点处的消息接收。数字6 显示不同Pij（0,0.5和0.8）的碰撞次数。如这些图所示，碰撞次数很多。在Pij = 0的场景3中达到70多次冲突后，在网络层应用基于计数器的加权p持续多跳广播算法后，Pij = 0.8时，碰撞次数减少到约50％，但仍然碰撞次数高如图1所示。
图2.8使用加权p方案的碰撞次数每车道40辆，每车道80辆，每车道100辆车。
图2.8使用CAMB算法的碰撞次数每车道40辆，每车道80辆，每车道100辆车。
图2.9 使用CAMB算法的碰撞次数 每车道40辆，每车道80辆， 每车道100辆车
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