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ABC：VANET中基于避免车辆后端碰撞的自适应信标控制
Feng Lyu1 , Hongzi Zhu1 , Nan Cheng2 , Yanmin Zhu1 , Haibo Zhou3 , Wenchao Xu2 , Guangtao Xue1 , Minglu Li1
1上海交通大学，中国上海
2加拿大安大略省滑铁卢大学
3 南京大学，中国南京
fenglv@sjtu.edu.cn, {hongzi, yzhu, xue-gt, li-ml}@cs.sjtu.edu.cn, {n5cheng, w74xu}@uwaterloo.ca, haibozhouuw@gmail.com
摘要 - 车载自组织网络（VANET）已广泛应用并且被认为是有希望提高驾驶安全性的解决方案，它可以让车辆充分了解附近环境频繁的信标消息交换。由于动态交通运输，特别是在那些车辆密度高的场景，简单的信标方案比如车辆以固定频率发送信标消息来传输功率将会导致严重的信道拥塞。在这篇文章中，我们研究了后端碰撞模型的风险定义危险系数rho;来表征处于追尾碰撞中车辆的威胁。然后我们提议一种完全分布的信标拥塞控制方案，简称作为ABC，它保证每辆车都会占用尽可能小的信标率，并基于个人对rho;的估计以避免追尾事故。从本质上讲，ABC采用基于TDMA的MAC协议与贪婪启发式算法并且解决了NP-hard优化问题和分布式信标率适应（DBRA）问题，其中具有较高rho;的车辆将在保持总数不变的同时被分配更高的信标率,并且保证信标需求低于信道容量。我们进行广泛的模拟，以证明ABC能在不同的交通密度和各种各样的基础道路模型中运行。
关键词 - 车载自组织网络; 自适应信标控制; 信标拥塞控制;追尾防撞
- 介绍
由于每年大量的交通事故问题，驾驶安全问题变得紧迫，交通事故不仅造成了相当大的经济损失还会危害人们的生命。 据美国电信部报道，2015年估计分别有22,144和2180000名乘客在机动车交通事故中死亡和受伤[1]。 司机没有办法及时做出反应是造成这种情况的主要原因，因此人们迫切要求建立有源驾驶安全应用。在这个问题上，车载Ad-Hoc网络（VANET）显示出巨大的希望，它通过实现信息交流如车辆到车辆（V2V）和车辆到基础设施（V2I）通信（或一般的V2X通信）[2] - [5]来提高驾驶安全性。定期广播安全信息（或信标），包含位置，速度，行进方向和每辆车的制动状态，这是道路安全应用的一大进步。有了这些信息，司机可以及时采取行动以避免潜在的危险。
由于三个原因，使得在VANET中设计安全感知信标方案非常具有挑战性。首先，如何在保证每辆车安全的情况下，给出合理使用V2X通信的有限可用带宽的方案，这对于密集的交通场景，并非无足轻重。一方面，如果采用侵略性的信标率，很有可能导致一些车辆占用了带宽来发送他们无用的状态信息。另一方面，如果使用适中的频率，相邻车辆的状态可能已经发生变化，造成延迟反应，无法避免潜在的威胁。另外，每个道路上的车辆可能有不同的安全威胁，要求不同的信标率。其次，VANETs中缺乏全球一致的单位使得最佳的信标方案很难实现。在VANET中，车辆必须遵守以基于相邻车辆交换的信息并以完全分布的方式实时分配可用带宽的规则。第三，由于车辆的高机动性，V2X通信的持续时间非常短。最小化通信开销在分布式信标方案中是非常重要的。而且，作为环境（例如，频道效用和相关车辆的数量）变化非常快，这种分布式信标方案应该也快速反应，以保持一致。
在参考文献中，VANET中有几个信标控制研究，可分为两类，即，发射功率控制（TPC）和发射速率控制（TRC）。其中基于TPC的方案[6] - [8]是主动解决方案，它严重依赖于空间分布来预测邻近车辆并调整传输功率，因此，每个车辆需要相适应以防止未来会发生通道拥塞。这些方案对估计误差很敏感，因此不可靠[9]，[10]。相反，基于TRC的方案，考虑到有限的可用性，考虑最大最小公平性带宽。例如，LIMERIC [11]和PULSAR [12]旨在实现本地公平，使所有车辆在内载波侦听范围的信道拥塞应该采取相同的信标速率控制。这样的最大最小或相等的公平性信标方案不能满足不同车辆的安全要求，两个最近基于TRC的方案[13]，[14]模型信标速率控制问题作为网络效用最大化问题也没有得到解决，其中每个车辆的目标是最大化公用事业的总和。但是，定义了这样的效用函数基于聚合信息，例如相对的总和单跳通信邻近车辆的距离和速度，无法准确捕捉安全要求个别车辆。另外，两种方案都依赖于时隙p-持续广播MAC [15]，如果没有精心控制，可能导致在不确定的延误和广播风暴问题。因此，据我们所知，在VANETs中没有成功的安全感知信标控制方案。
在本文中，我们展示了一种新颖的信标速率控制方案，称为ABC，根据每辆车的追尾碰撞威胁自适应地调整信标速率，在相邻车辆中。我们首先考虑两者的运动学状态来研究rearend碰撞模型车道中的相邻车辆并定义危险系数rho;，每辆车都可以根据该车辆的信标带宽要求来描述后端碰撞的威胁和特征。然后，我们根据所有带宽要求和总数制定分布式信标速率适配（DBRA）问题可用的信道容量。鉴于已证实的NP-硬度在DBRA问题中，我们设计了一种启发式贪婪算法，rho;估计值较高的车辆将被分配更高的信标率，其他车辆可以立即采取行动以避免这种碰撞，同时保持所需的信标总需求低于信道容量。在ABC，每辆车都会估计自己的危险系数rho;并收集邻近rho;的信息车辆通过灯塔交换。当车辆识别时一个信道拥塞事件，它将采用贪心算法在本地解决DBRA问题并广播信标对邻居的速率抑制结果。当车辆收到时来自邻近车辆的多个不一致的信标控制结果，它将采用最低的信标率。我们在不同的交通密度和道路上进行广泛的模拟实施ABC方案用于评估ABC性能的拓扑结构。相比有两个候选信标方案，即802.11p [16]和LIMERIC [11]，仿真结果证明了这一点ABC设计的效率。
我们重点介绍了我们在本文中做出的主要贡献
如下：
bull;我们是第一个调查信标率和后端碰撞威胁之间关系的人，即危险系数rho;，通过捕获每辆车的后端碰撞威胁来描述每辆车所需的信标带宽。
bull;我们在上下文中基于TDMA的广播MAC制定DBRA问题并证明其NP硬度。我们还设计了一种启发式贪婪算法解决DBRA问题。此外，我们提出一个信标控制方案，称为ABC，以完全动态地调整每个车辆的信标速率分布式的方式
bull;我们对拟议的内容进行了大量的模拟计划和结果表明，ABC战胜了802.11p标准和最先进的方案称为LIMERIC。
本文的其余部分安排如下。系统模型在第II节中给出。我们研究崩溃避免第三节中的信标拥塞控制。第四节阐述ABC协议设计。第五节中我们进行广泛的模拟评估ABC的表现。在第六节和第七节中，我们回顾一下结论和展望未来。
- 系统模型
正在进行的VANET包含一组RSU和移动车辆，他们通过DSRC无线电进行通信。我们将在基于TDMA的背景下考虑信标活动广播MAC。
A.专用短程通信（DSRC）
网络中的所有实体都配备了DSRC通讯电台。在DSRC标准中，有一个CCH和多个SCH，两个可选带宽为10 MHz和20 MHz [17] [18]。 CCH是必不可少的传输高优先级短消息（如周期性或短消息）事件驱动的安全信息）和控制信息（如SCHs使用的谈判）。同时，SCH用于传输非安全信息。在本文中，我们只调查定期安全信息的传播，即CCH上的信标，与驾驶安全最相关。我们认为所有无线电都具有相同的通信能力和相同的通信范围R.因此，网络可以用无向图G（V，E）表示，
其中V = {1,2，...，n}表示车辆节点的集合E是ntimes;n矩阵，表示任何之间的链接条件两个节点。在矩阵E中，对于两个不同的节点i和j，如果它们之间的距离在通信范围内，即dijle;R，Eij = 1，否则Eij = 0.我们表示集合节点i的邻居由Ncch（i）= {jisin;V| j̸= i，dijle;R}。对于系统中的每个车辆，其信标应该很好被所有邻近车辆接收，否则可能导致潜在的危险驾驶情况。
B.基于TDMA的广播MAC我们应用基于TDMA的广播MAC [19] - [21]，这是最近提出的可靠广播，用于检查信标拥塞控制。我们采用基于TDMA的方式并选择广播MAC而不是802.11p MAC由于两个主要的原因。第一，802.11p的基本MAC方法是基于竞争的（每个节点必须在使用之前感知通道是免费的），这可能导致可能的无限制延迟不能满足安全应用的实时要求，在VANETs。第二，在802.11p协议的广播模式中，删除RTS / CTS数据包以促进实时响应，这使得隐
图1：基于TDMA的广播MAC的图示
藏的终端问题得不到解决[16]。在基于TDMA的广播MAC中，时间被划分为由恒定数量的等长时间组成的帧插槽和节点之间的同步。每个节点都已分配具有不同的插槽并且一旦节点成功获得插槽，它可以在所有后续帧中使用相同的插槽，直到a检测到传输冲突。在时隙频道中，通过保证每个节点至少每帧一次访问该通道，应用程序需要保证严格的安全时间。附近的车辆车辆的通信范围构成一跳设置（OHS）该车辆，如果两个OHS与每个OHS重叠另外，这两个OHS的联合被称为两跳设置（THS），其中每辆车可以到达任何其他车辆在最多两个跃点。图1说明了一个例子，车辆A在车辆B与车辆C之间，车辆B和车辆C各自的OHS形成一个THS。显然，车辆在相同的OHS中应该选择不同的时隙来避免传输碰撞。而且，车辆在同一THS为了克服隐藏的终端问题还应该选择不同的时隙进行通信。然而在没有RTS / CTS机制的广播模式下，两辆车在THS中可能出现隐藏终端的问题，即两辆车分别位于两个OHS中的每一个，听不到彼此并决定并行播放。如图所示在上面的例子中，车辆B想要广播并且在同时车辆C也想播出。作为车辆B.不在车辆C的通信范围内，虽然车辆C已经开始传输，但B感知信道是空闲的于是也开始传输。结果可能就会导致与车辆A发生碰撞。为了避免这种情况，相同THS中的所有车辆必须被分配不同的时间段。插槽占用如图所示是一个典型的例子，其中同一THS的车辆选择用于不同时隙来传输。
灯塔饥饿问题。通道上的帧S表示在这种情况下，信标的大小约为500字节[22]，DSRC无线电采用6 Mbps的中等传输速率数据传输需要大约0.67毫秒。作为DSRC标准要求每100毫秒播放一次信标（每帧的持续时间），S的大小不超过150英寸每一帧。如城市V2V的实证研究所示沟通[17]，DSRC的沟通可以在城市中约300米处可靠，这意味着，1200米以内（THS内）的车辆必须争夺150个插槽。但是，在双向等密集场景中8车道高速公路或城市交叉口，车辆密度将大量提高，因此，时间段的数量S远远不足以支持高密度车辆1。我们将此定义为灯塔挨饿问题导致渠道拥挤，也是写这篇论文的主要目的。
- 防碰撞信标拥堵控制
在本节中，我们将后端碰撞模型作为一个用于调查信标率如何影响碰撞的实例,基于此我们可以在本文的其他部分设计拥塞控制方案的风险X。我们研究追尾碰撞模型是因为它是最常见的机动车碰撞类型，而其他类型的碰撞，例如侧面碰撞，可以再通过增加框架来实现。
A.危险系数rho;
图2（a）显示了正常的车辆跟随情况，其中车辆A跟随在车辆B之后行驶并且它们具有各自的速度Vf和Vp，并且两辆车之间的距离为d。 B的DSRC电台每隔T beacon秒继续向A报告其运动状态并基于该车辆A.决定加速或减速。图2（b）说明了一个由于B的突然减速导致的追尾碰撞风险相应的加速度为ap m / s2。通过接收来自车辆B的信标，车辆A可以感知到紧急情况并在延迟T后对情况作出反应，即T = T beacon Treaction，其中T reaction是司机反应时间，根据运动关系，为避免潜在的追尾碰撞必须制动一辆或完全制动两辆车。定义1 :(危险系数）考虑两辆车A和B在同一车道中移动，如果B是前车，A是危险车辆，则车辆B减速知道后，突然以最大加速度情况。如上例所示，A的最大加速度是af，运动关系应该满足
图3：通过rho;捕获危险威胁。
然后达到危险系数rho;，即
B.捕捉危险威胁
根据每辆车的追尾碰撞威胁自发调整信标速率，在相邻车辆中。我们首先考虑两者的运动学状态来研究碰撞车道模型中的相邻车辆并定义危险系数rho;，每辆车都可以根据后端碰撞的威胁和特征来改变该车辆的信标带宽要求。然后，我们可以给rho;估计值较高的车辆将被分配更高的信标率，司机收到信息后可以立即采取行动来使这些车辆避免碰撞，同时保持所需的信标总需求低于信道容量。通过信道交换，，每辆车都会估计自己的危险系数rho;并收集邻近车辆的信息。当车辆识别时一个信道拥塞事件，它将采用贪心算法广播信标对邻近车辆的速率抑制结果。当车辆收到时来自邻近车辆的多个不一致的信标控制结果，它将采用最低的信标率。为了进一步了解在现实的驾驶场景中rho;的行为方式，我们在SUMO中计算其值[23]，SUMO已被广泛应用于产生模拟车辆并且在性能中呈现了细节模拟设置评估部分。图3（b）显示了rho;在不同车道中的功能（CDF）中的累积分布，每个车道具有各自
资料编号：[5829]
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