車載自組織網(wǎng)絡(luò)中，主要通過(guò)廣播的方式傳送信息。然而，由于車載自組織網(wǎng)絡(luò)的高速移動(dòng)性和不利的無(wú)線環(huán)境，要有效地把信息廣播給其他的車輛是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。首先，因?yàn)樵贛AC(Medium Access Control)層沒(méi)有確認(rèn)機(jī)制應(yīng)用于廣播信息，所以由分組碰撞和不利的信道條件導(dǎo)致的信息丟失不容易被檢測(cè)到。由于大多數(shù)的信息是至關(guān)重要的，應(yīng)被盡可能快地傳送給其他車輛,然而,傳統(tǒng)的廣播機(jī)制沒(méi)有確認(rèn)機(jī)制從而不適用于車間信息傳送。其次,在網(wǎng)絡(luò)里無(wú)有效的廣播控制，多跳冗余信息就會(huì)在節(jié)點(diǎn)之間相互傳送,這就導(dǎo)致了廣播風(fēng)暴,顯著降低網(wǎng)絡(luò)資源利用率。

    參考文獻(xiàn)[1]提出了將節(jié)點(diǎn)通信范圍進(jìn)行分區(qū)的方法，源節(jié)點(diǎn)通過(guò)判斷自己通信范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送占用信息時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)確定各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置，解決了中繼節(jié)點(diǎn)的選擇問(wèn)題，但是并沒(méi)有解決延時(shí)和并行碰撞的問(wèn)題。參考文獻(xiàn)[2]針對(duì)參考文獻(xiàn)[1]的缺陷進(jìn)行了改進(jìn)，該方法通過(guò)分區(qū)的方式找到距離源節(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)的相同區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，為相同區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同的退避窗口值以減少并行碰撞，降低延時(shí)。參考文獻(xiàn)[3]提出為數(shù)據(jù)包設(shè)置不同優(yōu)先級(jí)的方法，緊急信息擁有較高優(yōu)先級(jí)，而服務(wù)信息擁有較低優(yōu)先級(jí)；DIFS(Distributed Inter-Frame Space)被分為很多微時(shí)隙，當(dāng)緊急信息與服務(wù)信息退避窗口值一樣時(shí)，緊急信息監(jiān)聽(tīng)一個(gè)微時(shí)隙，而服務(wù)信息監(jiān)聽(tīng)一個(gè)DIFS, 這樣就保證了緊急信息能夠優(yōu)先接入信道，減少碰撞。然而，當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到緊急信息以后就會(huì)抑制其他信息的發(fā)送，倘若緊急信息由于系統(tǒng)的一些固有缺陷一直發(fā)送不出去，那么節(jié)點(diǎn)的緩存隊(duì)列長(zhǎng)度就會(huì)一直增加，當(dāng)隊(duì)列長(zhǎng)度大于節(jié)點(diǎn)緩存器的最大值時(shí)，某些數(shù)據(jù)包就會(huì)被丟掉，若數(shù)據(jù)包的等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，就容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的生命周期超時(shí)，也會(huì)引起數(shù)據(jù)包的丟失，進(jìn)而降低整個(gè)系統(tǒng)的接收率和吞吐量，還會(huì)引起系統(tǒng)延時(shí)過(guò)大。
    本文針對(duì)參考文獻(xiàn)[3]的問(wèn)題，結(jié)合微時(shí)隙減少碰撞的機(jī)制，提出了一種基于緩存隊(duì)列長(zhǎng)度BQLP(Buffer Queue Length Protocol)的廣播協(xié)議。與參考文獻(xiàn)[3]的面向接收者ROBP(Receiver-oriented Broadcast Protocol)的廣播協(xié)議相比，該協(xié)議能夠較好地提高數(shù)據(jù)包接收率并降低延時(shí)和丟包率。
1 系統(tǒng)模型
    通過(guò)許多假設(shè)來(lái)建立一個(gè)合理的易于處理的模型來(lái)描述方案的性能。假定建筑在高速路上的基于802.11的無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)廣播被簡(jiǎn)化為一維的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，它包含了一系列在一條線上的隨機(jī)的相同的移動(dòng)站。一維網(wǎng)絡(luò)模型是高速路上自組織網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)很好的近似。
    車載自組織網(wǎng)絡(luò)在以下場(chǎng)景中工作：
　    (1)在網(wǎng)絡(luò)密度為π的環(huán)境下，節(jié)點(diǎn)依據(jù)泊松過(guò)程排在一條線上，即在一條長(zhǎng)為l的道路上節(jié)點(diǎn)被發(fā)現(xiàn)的概率P(i,l)由式(1)給出:
  
    (2)所有的節(jié)點(diǎn)都有相同的傳送范圍/接收范圍，范圍用R表示。因此，在源節(jié)點(diǎn)傳輸范圍內(nèi)同一條線上的節(jié)點(diǎn)的平均數(shù)是Ntr=2?茁R。
    (3)所有節(jié)點(diǎn)有相同的載波監(jiān)聽(tīng)范圍Lcs， R≤Lcs≤2R,且假設(shè)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的距離大于R時(shí)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳送不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)接收其他的廣播信息。因此，將源節(jié)點(diǎn)放在原點(diǎn)，如圖1所示，倘若源節(jié)點(diǎn)在它的監(jiān)聽(tīng)范圍內(nèi){x|x∈[-Lcs,Lcs]}監(jiān)聽(tīng)到來(lái)自任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳播，源節(jié)點(diǎn)在此刻就不會(huì)發(fā)送任何信息。
    (4)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處，信息包的到達(dá)率滿足參數(shù)為λ的泊松分布。
　(5)在這個(gè)模型中不考慮節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性對(duì)性能的影響。事實(shí)上，在參考文獻(xiàn)[4]和[5]中已經(jīng)證明車輛的高速移動(dòng)性對(duì)具有高數(shù)據(jù)傳輸率(≥12 Mb/s)的廣播網(wǎng)絡(luò)的性能影響很小。
2 協(xié)議描述
2.1基于緩存隊(duì)列長(zhǎng)度的廣播協(xié)議
    在車載自組織網(wǎng)絡(luò)中,為了減少數(shù)據(jù)包的碰撞概率，提高數(shù)據(jù)包的接收率，常常將數(shù)據(jù)包分為緊急數(shù)據(jù)包和服務(wù)數(shù)據(jù)包,為緊急數(shù)據(jù)包分配較小的退避窗口值，確保緊急數(shù)據(jù)包優(yōu)先發(fā)送。當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到緊急數(shù)據(jù)包以后就會(huì)抑制其他數(shù)據(jù)包的發(fā)送，只有當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到的緊急數(shù)據(jù)包發(fā)送出去以后，其他數(shù)據(jù)包才有可能被發(fā)送出去。然而當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度較大時(shí)，大量的數(shù)據(jù)包就會(huì)積壓在節(jié)點(diǎn)的緩存器中，這就導(dǎo)致了緩存器中隊(duì)列長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，從而增加了時(shí)延和丟包率。
    針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種基于緩存隊(duì)列長(zhǎng)度的廣播協(xié)議。該協(xié)議的思想是：緩存隊(duì)列的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，發(fā)送信息的優(yōu)先級(jí)就越高；緩存隊(duì)列的長(zhǎng)度越短，發(fā)送信息的優(yōu)先級(jí)就越低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到緊急信息以后，該協(xié)議會(huì)判斷節(jié)點(diǎn)緩存器中數(shù)據(jù)包隊(duì)列長(zhǎng)度是否大于緩存器的最大值，若是，則會(huì)提高該節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先將信息發(fā)送出去。
    假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的緩存器長(zhǎng)度最大值都為Kmax,節(jié)點(diǎn)的實(shí)際緩存隊(duì)列長(zhǎng)度為K，則基于緩存隊(duì)列長(zhǎng)度的優(yōu)先級(jí)表達(dá)式為:
  
其中，C是指節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息的優(yōu)先級(jí)，C越大表明節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息的優(yōu)先級(jí)就越高，信息就優(yōu)先發(fā)送出去。盡管接收到緊急信息的節(jié)點(diǎn)會(huì)抑制其他信息的發(fā)送，但是，該機(jī)制根據(jù)實(shí)際緩存隊(duì)列的長(zhǎng)度調(diào)整節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)，減少了因?qū)嶋H緩存隊(duì)列長(zhǎng)度大于緩存隊(duì)列長(zhǎng)度最大值而造成的丟包，同時(shí)也減少了因數(shù)據(jù)包生命周期超時(shí)而造成的丟包，進(jìn)而降低了系統(tǒng)的丟包率，提高了數(shù)據(jù)包的接收率和節(jié)點(diǎn)接收率。通過(guò)調(diào)整節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)，降低了數(shù)據(jù)包的隊(duì)列延時(shí)和接入延時(shí)，數(shù)據(jù)包的傳播延時(shí)是固定的，由此可知，數(shù)據(jù)包傳送的總延時(shí)就降低了。
2.2 利用微時(shí)隙減少碰撞的機(jī)制
    基于緩存隊(duì)列長(zhǎng)度的廣播協(xié)議有效地降低了數(shù)據(jù)包的丟包率，減小了數(shù)據(jù)包接收延時(shí)。為了進(jìn)一步提高協(xié)議的可靠性，本文還采用了利用微時(shí)隙減少碰撞的機(jī)制。該機(jī)制沒(méi)有采用參考文獻(xiàn)[6]和參考文獻(xiàn)[7]利用不同的退避窗口尺寸減少碰撞的方法，而是采用了一種新的優(yōu)先權(quán)設(shè)置機(jī)制來(lái)區(qū)分不同信息的級(jí)別，并結(jié)合微時(shí)隙來(lái)減少并行傳輸導(dǎo)致的碰撞。該優(yōu)先權(quán)設(shè)置機(jī)制將非零退避窗口值分配給服務(wù)信息，零退避窗口值分配給緊急信息。若節(jié)點(diǎn)密度較大，則緊急信息和服務(wù)信息由于有相同的零退避計(jì)數(shù)值會(huì)導(dǎo)致碰撞。為了給攜帶緊急信息的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先分配信道，將DIFS分成許多長(zhǎng)度為lm的微時(shí)隙，分配一個(gè)短暫的等待時(shí)間tm(lm≤tm≤DIFS)給攜帶緊急信息的節(jié)點(diǎn)。然而，攜帶服務(wù)信息的節(jié)點(diǎn)在發(fā)送之前必須等待一個(gè)DIFS時(shí)隙，這樣就保證緊急信息一旦準(zhǔn)備發(fā)送就能立即得到信道。采用DIFS微時(shí)隙機(jī)制減少了由于并行傳輸導(dǎo)致碰撞的可能，有效地保證了緊急信息能夠優(yōu)先地發(fā)送出去。應(yīng)用參考文獻(xiàn)[8]微時(shí)隙的概念，微時(shí)隙的長(zhǎng)度lm和個(gè)數(shù)wm由式(3)和式(4)計(jì)算出來(lái)：
    

  的影響，數(shù)據(jù)包的接收率會(huì)隨之降低，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)大于220時(shí)，BQLP協(xié)議的數(shù)據(jù)包接收率明顯優(yōu)于ROBP協(xié)議的數(shù)據(jù)包接收率。

    圖4比較了ROBP協(xié)議和BQLP協(xié)議的節(jié)點(diǎn)接收率。從圖中可以看出，BQLP協(xié)議的節(jié)點(diǎn)接收率高于ROBP協(xié)議的節(jié)點(diǎn)接收率。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，節(jié)點(diǎn)接收率會(huì)有所降低，BQLP協(xié)議的節(jié)點(diǎn)接收率變化較平穩(wěn)，而ROBP協(xié)議的節(jié)點(diǎn)接收率在節(jié)點(diǎn)數(shù)大于200時(shí)有惡化趨勢(shì)。節(jié)點(diǎn)密度較大時(shí)，大量數(shù)據(jù)包將積聚在節(jié)點(diǎn)緩存器中容易導(dǎo)致隊(duì)列長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng),增加丟包率,進(jìn)而降低節(jié)點(diǎn)接收率。

    圖5比較了ROBP協(xié)議和BQLP協(xié)議的服務(wù)信息傳輸時(shí)延。從圖中可以看出，BQLP協(xié)議的傳輸時(shí)延低于ROBP協(xié)議的傳輸時(shí)延。這是因?yàn)锽QLP協(xié)議根據(jù)緩存隊(duì)列長(zhǎng)度調(diào)整節(jié)點(diǎn)發(fā)送優(yōu)先級(jí)，減小了數(shù)據(jù)包排隊(duì)延時(shí)。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，傳輸延時(shí)有所上升，然而平均延時(shí)（<1 ms）仍然很小，對(duì)服務(wù)信息來(lái)說(shuō)這個(gè)時(shí)延大小在可以接受的范圍內(nèi)。

    ROBP協(xié)議將信息分為緊急信息和服務(wù)信息，保證了緊急信息的各個(gè)參數(shù)指標(biāo)的優(yōu)越性。本文在此基礎(chǔ)之上提出一種基于緩存隊(duì)列長(zhǎng)度優(yōu)先發(fā)送的廣播協(xié)議，本協(xié)議在保證緊急信息發(fā)送性能優(yōu)越的基礎(chǔ)之上，提升了服務(wù)數(shù)據(jù)包的接收率，降低了服務(wù)數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)延。在未來(lái)的工作中，將致力于把協(xié)議應(yīng)用于更復(fù)雜的移動(dòng)場(chǎng)景(如二維場(chǎng)景)。
參考文獻(xiàn)
[1] KORKMAZ G, EKICI E, ZGER F, et al. Urban multi-hop broadcast protocol for inter-vehicle communication systems[C]. in Proc. ACM Int&rsquo;l Workshop on Vehicular Ad Hoc Networks. (VANET), Philadelphia, PA, Sep.2004:76-85.
[2] FASOLO E, ZANELLA A, ZORZI  M. An effective broadcast scheme for alert message propagation in vehicular ad  hoc networks[C]. in Proc. IEEE Int&rsquo;l Conf. on Comm.(ICC), Istanbul, Turkey, Jun. 2006:3960-3965.
[3] MA X, ZHANG J, YIN X, et al. Design and analysis of a robust broadcast scheme for vanet safety-related services[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology,2012,61(1):46-61.
[4] MORENO M T, CORROY S, HARTENSTEIN H. IEEE 802.11-based one hop broadcast communications: Understanding transmission success and failure under different  radio propagation environments[C]. in Proc. ACM Int.MSWiM, Torremo linos, Spain, 2004:68-77.
[5] MA X, CHEN X. Delay and broadcast reception rates of highway safety applications in vehicular ad hoc networks[C]. in Proc. IEEE INFOCOM Workshop Mobile Netw. Veh.Environ. Anchorage, AK, May 6-12,2007:85-90.
[6] Standard specification for telecommunications and information exchange roadside and vehicle[C].Systems-5 GHz Band  Dedicated Short Range Communications (DSRC) Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, Apr. 2009.
[7] BARRADI M, HAFID A S, GALLARDO J R. Establishing strict priorities in IEEE 802.11p WAVE vehicular networks[C]. in Proc. IEEE Globecom, Miami, FL, Dec.6-10,2010:1-6.
[8] SHAN H, ZHUANG W, WANG Z. Distributed cooperative MAC for multi-hop wireless networks[J]. IEEE Commun.Mag., 2009,47(2):126-133.