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1、一种协作碰撞警告的车对车通信协议Xue Yang University of Illinois at Urbana-Champaign xueyanguiuc.eduJie Liu Microsoft Research Feng Zhao Microsoft Research Nitin H. Vaidya University of Illinois at Urbana-Champaign nhvuiuc.edu摘要 .21.引言 .22.应用挑战 .32.1 挑战 1:紧急情况后的严格的延迟要求 .32.2 挑战 2：长时间多个 AVs 并存情况的支持 .42.3 挑战 3：紧急事件的分化
2、和赘余 EWMs 的消除 .43.相关研究 .54. 车辆碰撞警报通信协议 .64.1 假设 .64.2 EWMs 的速率降低算法 .74.3 AVs 的状态转换 .105.绩效评估 .125.1 EWM 传送延迟 .125.2 冗余 EWMs 的消除 .146.结论 .15参考文献 .15摘要：本文提出了一种协作碰撞警报的车对车通信协议。像专用短程通信（DSRC）这样的车对车（V2V）和车对路（V2R）新兴的无线技术，通过提供早期预警对大量减少致命道路事故的数量很有效。在各种路况下实现紧急警告的低延时传送是本文解决的一个重要技术难题。基于对应用要求的仔细分析,我们设计一个有效的协议, 包括拥
3、塞控制方针、服务分化机制和紧急警报传播方法。仿真结果证明，本文提出的协议实现了紧急警报的低延时传送和在道路情况紧张时带宽的有效利用。1.引言交通事故每年夺取了成千上万人的性命,超过任何致命的疾病或自然灾害。研究表明，如果车辆驾驶者在事故发生前0.5秒以上得到警报，60%的路面事故都可以避免。驾驶人员在路面发生紧急情况时都会受到反应时间影响，导致紧急警报的发出有很大延迟，就像下面的简单例子所说明的一样。在图1中，A、B、C三辆车行驶在同一车道中。当A突然紧急刹车，B和C两辆车都面临危险，并且由于下面的两个原因，C与A离得更远并没有使得C比B更安全：刹车灯的视线局限性：一般的，司机只能看见直接前面
4、车辆的刹车灯，所以司机C很有可能要等到司机B刹车亮灯时才知道A发生了事故。严重的紧急事件处理延迟：司机反应时间,也就是从司机B看到A的刹车灯到踩下刹车的时间,通常在0.7秒到1.5秒的范围, 这将导致紧急警报传播的严重延误。新兴的无线通信技术对显著降低紧急警报的延迟很有效，专用短程通讯（DSCR）财团正在定义支持车对车（V2V）通信环境的短中程通信服务。在我们前面的例子中，使用V2V通信，一旦发生紧急情况车辆A可以立即发出警报信号。如果车辆B和C能够几乎没有延迟地收到这些信号，司机们会立即受到提醒。在这种情况下，C有很大的机会通过及时反映避免事故，而B在可见度很低或者司机对周围的环境没有引起足
5、够的注意的时候将会受益于警报信号。因此，车对车通信实现了车辆A、B、C之间的协作碰撞警报。本文讨论了一种车辆碰撞警告通信（VCWC）协议，这篇论文的主要贡献包括：车辆协作碰撞警报的识别应用要求。实现了对基于应用要求的紧急警报信息的阻塞控制。本文的其余部分安排如下，第 2 节讨论应用挑战，第 3 节介绍了相关研究，第 4 节描述了提出的车载碰撞警报通信（VCWC）协议，第 5 节展示了使用 ns- 2 仿真器的绩效评估，最后在第 6 节得出结论。2.应用挑战当车辆在道路上异常行驶，比如超过一定减速阈值，行驶方向剧烈变化，重大机械故障等，它就成了一部异常车辆（AV） 。异常车辆使用 V2V 通信主
6、动生成紧急警报消息（EWMs） ，其中包括地理位置，速度，加速度和异常车辆的移动方向，以警告其他周围车辆。然后警报信号的接收者可以根据自身和异常车辆的相对运动来确定和该紧急情况的相关程度。2.1 挑战 1:紧急情况后的严格的延迟要求在紧急情况发生后的短时间内，警报越早传送到濒危车辆，就越有可能避免事故发生。我们把从一个异常车辆到另一车辆的EWM传送延迟定义为，从A发生紧急情况到V接收到第一个相应的EWM所持续的时间。因为一辆以80英里时形式的车在30ms内能够移动一米以上，每个受影响的车辆的EWM传送延迟应该在毫秒数量级。然而，由于多径衰减、屏蔽以及因车辆的高移动性引起的多普勒频移，V2V通信
7、的连接质量可能会非常糟糕。在15中，对不同车辆交通和流动情况下的无线局域网的性能作了评估，结果表明信号质量恶化程度随着使用802.11b的车辆的相对平均速度增加。除了不可靠的无线连接，有MAC层数引起的数据包冲突也会增加EWMs的损失。此外，在非正常情况下，所有靠近AV的车辆都会受到潜在的威胁，所以他们也应该收到紧急情况警报。但是由于车辆的高流动性，面临危险的车辆群组很快会改变。例如，在图2中，当车辆A发生紧急情况时，附近的车辆N1、N2、N3、N4、和N5都被置于潜在的危险当中。很快，车辆N1和N5会超过A而不再与紧急警报相关。与此同时，车辆N6、N7、和N8离A越来越近而需要被告知有异常情
8、况。无线通信的不可靠性和快速变化的相关车辆群组创建，它们都将挑战对协作碰撞警报严格的EWM传送延迟限制的满足。2.2 挑战 2：长时间多个 AVs 并存情况的支持紧急情况发生后，AV会长时间处于异常状态。例如，如果一辆车由于机械故障停在了公路中间，它对任何靠近的车辆都有危险，因此，将保持异常状态直到被从路上拖走。更进一步，道路紧急情况往往会有连锁效应。当领头的车辆采取紧急刹车时，它后面的车辆很有可能也会做出突然减速的反应。我们将并存AVs定义为在存在时间上重叠的AVs和会相互影响传输的AVs。由于一个AV可以存在一段比较长的时期的事实以及紧急事件的连锁效应，可以存在很多并存AVs。所以，在紧急
9、事件发生时除了要满足严格的EWMs传送延迟要求，VCWC协议还必须能够支持在更长时间内大量并存的AVs。2.3 挑战 3：紧急事件的分化和赘余 EWMs 的消除行驶在不同车道上的AVs发生的紧急事件通常会对周围车辆造成不同的影响，所以对不同情况应加以区别。如图3中的例子所示，失控车辆A的运动轨迹跨越多个车道。在这个异常情形下，N1和N3可能都会紧急刹车，因此N1和N3很有必要分别对尾随它们的车辆发出警报。同时，因为车辆A的轨迹不准寻任何既定的车道而且将来有可能威害到N5，所以车辆A也需要发出它自己的紧急警报。在这个特例中，三辆运动中的车辆联系着三个紧急事件。另一方面，多个AVs可能会对同一紧急
10、事件产生反应并对驶近的车辆造成相似的危险。例如在图2中，车辆A突然停在路中间。作为对A突然停止的反应，N3也会突然刹车停在A后面。从车辆A的视角来看，N3挡住了后面所有的车辆。在这种情况下，紧急情况过后一段时间A没有必要继续发送多余的EWMs，原因如下：第一，信道带宽会被不必要的警报信息消耗；第二，由于更多的发送端争抢同一个信道，有用警报信息的延迟很可能会增加。在现实生活中，司机们会产生各种反应。在图2的例子中，只要N3停留在A后面并且发送EWMs，A发出的EWMs就是多余的。接下来，N3的司机可能会更换车道离开。当这种情况发生的时候，如果A继续停在路中间，它发出的EWMs又会变得有必要。所以，碰撞预警通信协议的设计不仅需要利用交通模式，还必须能够应对复杂的路面情况
