当前位置：首页 > news >正文

利用车联网中的 V2V 通信技术传播公平的紧急信息

news 来源：原创 2025/4/26 4:08:19

与移动自组织网络 (MANET) 相比，车载自组织网络 (VANET) 的节点移动速度更快。网络连接的节点可以在自身内部或其他基础设施之间交换安全或非安全消息，例如车对车 (V2V) 或车对万物 (V2X)。在车载通信中，紧急消息对于安全至关重要，必须分发给所有节点，以提醒它们注意潜在问题。作为广播风暴缓解策略 (BSM) 的一部分，各种广播方法（例如单跳、多跳和泛洪）都用于传播这些消息。由于参与通信的节点拥挤，在城市场景中传播安全消息具有挑战性。主要问题是数据包广播风暴、数据包冲突和端到端延迟 (E2ED)。当多个节点重新广播同一条消息时，会出现数据包冗余，这会影响网络的性能和稳定性，尤其是在城市地区。本研究提出了一种安全消息传播 (SMD) 方法来应对这些广播风暴。该方法可以在单个传输范围内选择一个中继节点。选择离开时间最长、密度高且信号强度合适的节点作为中继节点。该方法确保将安全消息公平地传播到所有节点。此外，还使用城市移动仿真 (SUMO) 流量生成器生成了真实场景。此外，还分析了所提方法的性能，并与现有的标准算法（例如快速广播和有效的紧急消息传播方案 (EEMDS) 方法）进行了比较。结果表明，SMD 在 E2ED、丢包率 (PLR) 和数据包投递率 (PDR) 方面均优于所有标准算法。在不同仿真时间下，对于 20 个和 60 个节点，SMD 使 EED 提高了 0.54%，PLR 提高了 4%，PDR 提高了 17.5%。随着节点数量和仿真时间的增加，E2ED 和 PLR 成比例增加，而 PDR 则下降。

1. 简介

车载自组织网络 (VANET) 是一种不受中央控制器或基站控制的自组织网络 [ 1-3 []](https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1155/sec/8882649#bib-0003) 。它以车辆和通信基础设施为节点，实现车对车 (V2V) 和车对万物 (V2X) 通信。VANET 也是一种无线移动网络，其新特点是移动节点列表速度快、方向明确、链路频繁断开、网络连接不稳定、通信场景复杂、外部设备众多。智能交通系统 (ITS) 已成为车载网络通信的主导技术 [ 1 ]，控制着 VANET 的信息交换。当今时代，现代车辆都配备了嵌入式设备，使其能够连接到互联网并在自身或周围环境中交换消息。这些能够共享信息的现代车辆旨在改善交通系统。智能车辆正变得越来越自动化，无需人工干预，从而减少人为错误和人工投入。它们还能通过与万物交换信息来满足任何需求。智能汽车在车载通信技术方面的快速发展，源于避免道路危险的需求，从而挽救生命并保护基础设施免受损坏。此外，智能汽车还旨在增强信息娱乐的共享。

这种极具吸引力的车辆通信技术是通过车对车 (V2V)、车对基础设施 (V2I)、车对网络 (V2N)、车对基座 (V2P)、车对一切 (V2X) 和蜂窝车对一切 (C-V2X) 实现的。V2V 技术是当前的通信技术，它允许车辆之间传播消息，以告知道路周围的确切情况。它允许车辆之间发送和接收数据。为了在节点之间建立连接，已经使用了用于 V2V 的专用短距离通信 (DSRC) 或用于 V2X 通信技术的 C-V2X。这些技术专门用于 VANET 协议的物理层和 MAC 层。DSRC 技术嵌入在车载单元 (OBU) 和路侧单元 (RSU) 中，以提供完整的车辆通信功能。它允许通过 PC5 接口进行 V2V 通信。 PC5接口分为物理侧链路共享信道（PSSC）和物理侧链路控制信道（PSCC）。该单信道在逻辑上被划分为两个子信道，用于共享和控制共享信息。与C-V2X通信相比，DSRC更安全可靠，但覆盖范围较小。它提供事故预警、车道变换预警、十字路口预警、交通管理和车辆间信息娱乐传播等服务。然而，它容易受到非视距（NLOS）基础设施和隐藏节点的影响。第二种技术是C-V2X通信，它利用蜂窝网络在车辆之间连接和交换信息，例如V2V或V2X [ 2 ]。该技术由第三代合作伙伴计划（3GPP）提出，并发布了14和15版本，以满足5G技术的标准。C-V2X通信技术有两种模式：模式3，允许车辆通过UU接口与基站进行通信；模式4，允许车辆直接通过PC5接口进行通信。为了解决这些问题，提出了与 C-V2X 通信技术兼容的 5G-NR 技术 [ 3 ]。

由于车辆的运动，在节点之间公平地传播消息具有挑战性。它们的拓扑结构会在几微秒内发生变化，这使得管理网络区域内的连接属性变得困难。车联网的拓扑连接和断开是车辆通信的主要挑战，会导致网络不稳定和频繁的链路故障。由于节点高速移动，它们以毫秒而不是秒为单位建立和断开连接。一点延迟都是危险的，因为时间是车联网的一个关键属性，尤其对于安全消息传播 (SMD) 而言。要在车联网中明智地共享信息，需要一种能够无延迟地传播数据的方法。因此，现有文献中最适合的方法和推荐的方法是广播方法，而不是单播、任播或多播。所以，在车辆通信中，广播方法是公平、及时地共享信息的最佳技术，尤其是因为它被推荐用于安全消息传播 (SMD) [ 4 , 5 ]。在这方面，当许多节点相互转发信息时，可能会带来严重的流量拥塞、信道负载、广播风暴、碰撞以及节点的高计算负担。

由于每个节点都难以跟上处理大量消息的速度，这些消息可能会使通信通道不堪重负。当这种情况发生时，网络性能会严重下降。因此，在不忽略克服广播问题此类影响的推荐方法的情况下，最小化重播次数是一项令人兴奋的研究挑战，以便从邻居列表中选择性能最佳的转发器。因此，不同的作者采用了各种方法来解决由大量重播引起的道路上的 SMD。[ 4 ] 中的作者提出了一种方法，通过选择可以减少重播节点数量的转发节点来最大限度地减少道路上的数据包广播风暴和开销。许多其他作者[ 5-13 []](https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1155/sec/8882649#bib-0005)提出了一种算法，通过选择可以减少重播量的转发节点来将安全消息传播到所有节点，该算法将碰撞、广播风暴和延迟最小化，重播量是上述问题的输入。随着人口和车辆数量的成比例增长，交通控制系统、数据传播和事故控制变得更具挑战性。当许多节点在同一传输范围内重新广播相同的信息时，显然会发生广播风暴和数据包冲突。关键在于如何在节点之间公平地传播消息，避免或减少数据包冲突。尽管许多研究人员已经考虑过这个问题，但仍然需要在同一传输范围内选择关键节点来防止广播风暴。许多研究人员尝试解决高速公路场景，而我们的案例则考虑了城市场景。因此，我们提出的解决方案侧重于防止城市场景（特别是在交叉路口）中由于许多节点重新广播消息而产生的广播风暴。

所提出的 SMD 算法结合基于优先级的消息转发和自适应广播技术，解决了城市车联网中的数据包碰撞和广播风暴问题。SMD 算法通过为安全关键消息分配更高的优先级并采用动态广播抑制机制，有效减少了冗余传输。该算法根据当前网络状况控制广播时间。这种优先级排序确保了重要的安全消息能够及时传播。同时，这种自适应方法降低了数据包碰撞的风险，最大限度地降低了发生广播风暴的可能性，从而提高了车联网的整体通信可靠性和效率。为了实现所提出的方法，我们采用了 SUMO 流量生成器和 NS2 网络仿真来最大限度地减少广播风暴的数量。

本文的创新贡献在于，通过最小化道路交叉口的转发节点数量，在车辆通信中公平地传播紧急消息。随着洪水的临近，数据包广播风暴将会发生，导致严重的拥堵问题（尤其是在交通密集的区域），并且在消息传播过程中发生数据包冲突的概率很高。此外，增加每个节点的计算任务会耗费时间，并可能导致延迟失败。为了克服这些挑战，不同的作者采用了不同的技术，但我们的主要贡献概括如下：

•

车辆通信中公平传播紧急消息：
所提出的 SMD 算法确保了在使用 V2V 技术的车辆通信中紧急消息的公平传播。该方法注重向所有节点传递及时准确的信息，从而提高道路安全性和网络可靠性。
•

单个中继节点的选择：
所提出的 SMD 方案基于节点密度、平均接收信号强度 (avr_rss) 和节点生存时间 (nodes_ttl)（在城市场景下）来选择单个中继节点。这些选择标准有助于保持高效通信并最大限度地减少冗余。
•

处理数据包冲突和广播风暴：
所提出的 SMD 解决了数据包碰撞和广播风暴问题，从而实现了公平的消息传播。该方法确保紧急消息能够有效分发，且不会造成网络过载，从而提升了性能和稳定性。
•

绩效评估：
所提出的SMD的性能通过端到端延迟（E2ED）、数据包投递率（PDR）和数据包丢失率（PLR）等指标进行评估。结果表明，所提出的算法有效地解决了及时性、可靠性和稳健性问题，而这些对于在车载网络中成功传播紧急消息至关重要。

2.相关工作

车辆连接可通过 DSRC 或 C-V2X 通信技术实现。DSRC 使用 PC5 接口实现直接 V2V 通信，而 C-V2X 通过空中接口支持车辆与蜂窝网络之间的数据交换 [ 11 ]。两种通信方式均支持 V2X 技术，其中 DSRC 采用 IEEE 802.11p 标准作为物理层和 MAC 层，而 C-V2X 则依赖于 3GPP 提出的长期演进 (LTE) 技术 [ 12 ]。V2X 通信支持车辆、基础设施和其他路侧元素之间的数据交换，从而增强了车载网络的整体可达性和连接性 [ 4,13 []](https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1155/sec/8882649#bib-0013)。

[ 4 ]中的作者提出了一种通过选择转发节点来传播紧急消息的算法。他们使用车道 ID、距离和节点方向来选择节点作为转发器。该算法适用于单跳数据传播，并且紧急情况恰好发生在指定的车道上。当节点的车道 ID 与发送者的车道 ID 相同时，将选择转发节点。间接地，随着车道 ID 数量的增加，转发节点的数量也会成比例增加。当转发节点数量增加时，它们具有相同的消息重播机会，这将增加数据包碰撞和广播风暴。

[ 5 ]中的作者提出了轨迹传播 (TBD) 方法，该方法根据车辆从源到感兴趣区域 (ROI) 的密度，通过网络传输数据。该方法利用蜂窝网络将数据传播到 ROI。TBD 根据到达目的地的中继来传播消息。它计算中继节点之间传输消息所需的时间和长度。时间已到时，将根据计划进行检查并取消。

此外，在通信开始之前，应该确定ROI（感兴趣区域），因为区域外的消息会比较稀缺。指定用于转发消息的节点是通过使用Dijkstra算法计算最短路径来选择的。他们使用了定向传输方法来避免碰撞和不必要的传输，如下图所示。然而，它允许选择圆锥形状内的节点作为中继节点。许多节点被选为中继节点，由于它们需要重新传输消息，因此存在发生数据包碰撞和广播风暴的风险。

在[ 6 ]中，提出了基于转发器的数据传播方法，该方法利用距离、密度和离开传输范围的时间等参数来选择转发器。这些转发器分别与源节点保持较远的距离，这有利于覆盖；高密度节点易于向所有其他节点广播；以及先于其他节点离开通信范围的节点，以便将紧急消息发送到后续的通信范围。在所提出的系统中，单跳收集邻居节点的信息，并根据指定的参数分配最佳转发器。选定的转发器会重新广播消息，直到所有感兴趣的区域都接收到该消息。这是一种基于发送者的多跳传播方法。由于源节点需要计算并选择转发器节点，因此在高复杂性下，源节点可能会失败。该方法还允许同时满足长距离和高节点密度标准的节点。此时，将选择多个节点作为中继节点，以便稍后重新广播消息。

[ 7 ]中的作者提出了基于信噪比 (SNR) 的重播方法，以最大限度地减少预警信息传播过程中的碰撞和广播风暴。该方法主要关注接收节点的距离，并根据 SNR 分配重播消息的节点。如果节点位于环外，它将重播。该研究独立于邻居信息，无需信标交换以及中心站、基站或路侧单元 (RSU)。它仅根据 SNR 确定下一跳。重播的概率主要取决于源节点和转发节点之间的距离，因此优先考虑较远的距离。在选择转发节点时，他们还考虑了较大的抑制范围。

在 [ 8 ] 中，作者提出了一种适用于城市场景的有效紧急消息传播方案 (EEMDS)，以最大限度地减少广播风暴、冲突和开销。他们考虑了链路稳定性，除了簇头之外，还选择了将转发紧急消息的中继节点。他们设置了一个精选簇头来控制簇成员并管理紧急消息的传播。源节点将向簇头进行广播，簇头将根据链路质量选择转发器以扩大覆盖范围。由于延迟会导致故障，该方法更适用于信息娱乐传播，而不适用于紧急情况。簇头还承担多项任务，例如管理簇成员、选择中继节点以及将从源节点接收的消息广播到选定的转发器。在相同的通信范围内，至少有两个节点（簇头和网关）将重新广播消息，从而增加数据包冲突、广播风暴和数据包开销。

[ 9 ]中的作者提出了一种算法，用于减少车载网络中广播风暴的数量，以便与目标区域进行选择性、可靠的通信。该算法将车辆分类为一组连通车辆 (CSV)，这些车辆将根据阈值和时间戳传播消息，并消除一组车辆 (ESV)，这些车辆将分别根据距离和阈值停止消息传播。但它们的可靠性均被认为属于 CSV 或 ESV。此外，基于阈值和时间戳值，他们将车辆聚类为簇头和簇成员，以将消息分发到感兴趣的区域。车联网是经常改变其拓扑连接的自组织网络 [ 10 ]。因此，许多作者提出了许多技术来在指定时间内公平地向所有节点传播任何消息。最重要的是在节点之间公平地传播消息，避免或减少数据包冲突、广播风暴、开销和冗余。基本上，为了在车辆作者的信念中传播公平的安全信息，需要尽量减少稍后重播的节点数量[ 12,13 ]。为此，所有车辆中的簇头、转发节点或网关节点的选择基于不同的参数。尽管各位作者已尽最大努力，但仍需处理这个问题。

[ 14 ]中的作者提出了一种通过动态簇头选择方法传播紧急消息。作者旨在根据最佳路径选择最佳转发器，以便无延迟地到达目的地。他们还采用了一种混合方法，将车辆通信与车辆和基础设施相结合。根据车辆的位置、方向和速度，选择车辆作为领导簇头、普通簇头、多点中继和簇成员。每辆车根据其通信范围与 eNodeB 通信。但是，将安全消息从源传播到目的地的聚类方法很耗时，因为消息从成员传输到簇头，然后到 RSU。每辆车都被归类到不同的簇下。当它们广播消息时，很有可能发生数据包冲突、广播风暴和开销。

[ 15 ]中的作者提出了一种有效的广播消息传播方法，以克服由于洪泛而带来的挑战，其算法源横向交叉线 (LCL) 根据车辆的位置选择中继节点。这些作者将数据传播技术描述为基于概率或机会主义、基于计时器/延迟、基于跨层、基于数字地图和基于网络拓扑的 [ 16 ]。车辆设置重播时间表，如果存在重复消息，则它们将取消重播。它还根据来自紧急情况发生位置所选择的北、西、东、南中继的方向来选择中继节点。节点将根据退避计时器进行自我分配。此时，单个节点有可能从两个不同的中继节点接收消息。因此，它增加了数据包冲突和广播风暴 [ 15 ]。

在 [