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摘 要 每年，超过23%的交通事故是由机动车追尾碰撞造成的。这里提供了一种可以降低追尾事故发生几率的机动车之间（V2V）的无线通讯协议。本文提出并研究了一种能够为在高速公路上行使的机动车之间传播警告信息的基于MAC协议的802.11标准。设计此标准的目的是能够确保在低延时的情况下接收到警告消息，从而使驾驶员可以有足够的时间采取相应措施来避免追尾事故的发生。
关键词 V2V；追尾防撞系统；无线通讯协
中图分类号：TN911 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）042-027-01
一起追尾交通事故的发生是由前面机动车的减速和后面机动车驾驶员的反应并做出应对措施的时间不足造成的。
在本文中，我们讨论了MAC层和网络层的技术，并确定为车辆追尾防撞报警系统的应用需求。这种新颖的使用V2V无线通信协议追尾防撞效果的仿真评估。
1 基于V2V无线网络协议的追尾防撞系统的应用层的技术
虽然很相似，V2V无线通讯协议与已经研究过的几种无线点对点通讯的系统，特别是与MAC和路由选择相关的部分。
1）无法获取接收端地址的问题：在V2V无线网络中，高速公路上的机动车的地址彼此间是未知的。即便每辆机动车通过定期向外广播可以使附近的机动车获取自己的地址，但是由于变更车道，超车，上下高速公路和其他机动车间的相对运动，造成地址表将不可避免的处于一种不稳定的状态，即经常发生变化。此外，在大多数安全应用系统中，决定紧急信息的相关性并做出适当的行动的责任在于接收方。因此，广播和多播是为避免交通事故的适当通讯方式。
2）多跳转发：在没有任何路边基础设施的情况下，多跳转发传播的紧急信息需要能够沿线向外传播。这种点对点的V2V网络与传统的点对点的网络是不同的：首先，没有路由设置前转发执行；其次，紧急信息预警信息被发送，而不是一个单播传输的广播。
3）严格的延迟要求：发生追尾碰撞时，实际可用制动时间小于需要的制动时间。需要的制动时间主要是由驾驶员的感知相应时间决定的，这是由许多种因素决定的，因此很难改变。为了防止追尾事故的发生，机动车必须接受紧急信息预警，以提供更多的可用制动时间。追尾条件表示为：
其中表示第i辆机动车接收到紧急消息预警的时刻，和是第i个机动车所要的制动时间和车头时距。*代表第i-1辆机动车。假设相同的所需制动时间和紧急消息预警传播延迟相同，第i-1辆机动车必须满足：
这里的条件包含两方面。首先，一个更加严格的延迟要求来确保一个没有保证一定车距的驾驶员的安全。其次，在最糟糕的情况下，即驾驶员根据前一辆机动车的尾车灯进行判断，这时候的延迟为最大值。谨慎小心的驾驶员总是能够保持一定的车距，即可用制动时间查过，除非前面的机动车与高速公路边的基础设想相撞，否则这类驾驶员是不会发生交通事故的。尽管紧急消息预警在清晰的无线环境中传播只需要不到1毫秒，但是在有一定干扰的情况下，延迟有所增加。由于存在多个机动车道、反平行和只能交通系统，V2V无线通讯协议更加适合在密集的无线网络环境下使用。
4）冗余的紧急消息预警：广播数据包是不能被识别的。因此，使用定期的广播的方式来提高紧急消息预警的传递成功概率。然后，这就出现了两个问题。首先，一辆已经成功将紧急消息转发出去的机动车，仍然会占用无线网络环境。其次，多余的定期广播消息会浪费带宽和抑制其他数据的传播。通过使用一个ACK信号消息从而来达到消除消息冗余的目的，在某机动车接收到一个ACK之后立刻停止关于此事件的任何紧急消息。
2 追尾防撞通讯协议
2.1 MAC层改进
MAC层是基于IEEE 802.11 DCF标准的。为了满足紧急消息的低延迟传播，提出以下改进办法：每当一条紧急消息产生时，将它插入到队列的头部。在分布式协调功能中，为了减少碰撞的概率，每个传输的故障会导致双倍的竞争窗口。然而，成功渠道访问的速率迅速减小而退避阶段增加。这可能会导致紧急消息传播中出现不可接受的延迟。为了能够提供一个更高效率的通道访问，需要拥有一个固定的竞争窗口即二进制指数回退被禁用。一条紧急消息没有重传限制。我们发现IEEE802.11e增强分布式信道接入还依靠使用不同的参数通过了对于不同交通类的服务质量的支持。
2.2 多跳广播
由于无法获取接收端地址的问题，紧急消息以广播形式发送。只有当一辆机动车从它前面的同一车道的机动车收到紧急消息，且消息中事故标识是新的，并且该消息没有超出其寿命后，该机动车会立刻通知驾驶员并广播一条新的紧急消息。由于自组通信没有分布式协调功能，发送端需要定期向外广播直到接收到反馈的ACK。反馈的ACK是一条由后面的同车道机动车发送出的具有相同事故标识的一条紧急消息。这种机制大大减少了消息广播的冗余。此消息的超出寿命期之后，自动停止继续广播。
3 总结
本文中，我们对基于V2V无线通讯协议的安全系统的重要性和需要的条件进行了研究。严格的消息广播延迟是本协议设计的关键指标。集成的追尾防撞协议是基于802.11 MAC和多跳广播的。单车道和多车道的模拟结果均表明，通过使用该协议，紧急消息的传播延迟满足严格的延迟要求。
参考文献
[1]Fata Analysis Reporting System （FARS） http：//www-fars.nhtsa.dot.gov.Accessed on Nov. 10， 2007.
[2]The National Highway Traffic Safety Administration （NHTSA）.http：//www.nhtsa.dot.gov/ Accessed on Nov.10，2007.
[3]2005 Annual State Highway Collision Data Summary.Washington State Department of Transportation （WSDOT）.http：//www.wsdot.wa.gov/mapsdata/tdo/accidentannual.htm Accessed on Oct.10，2007.
[4]Lerner， Neil D.， ” Brake Perception-Reaction Times of Older and Younger Drivers，” in Proc. of Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting Proceedings， pp. 206-210（5）， 1993.
[5]Final Report of Automotive Collision Avoidance Systems （ACAS） Program， The National Highway Traffic Safety Administration （NHTSA） www-nrd.nhtsa.dot.gov/pdf/nrd-12/acas/ACAS-FinalReport-2000-08.pdf Accessed on Aug.，2000.
[6]Standard Specification for Telecommunications and Information Exchange Between Roadside and Vehicle Systems-5GHz Band Dedicated Short Range Communications （DSRC） Medium Access Control （MAC） and Physical Layer （PHY） Specifications， ASTM E2213-03，2003.
关键词 V2V；追尾防撞系统；无线通讯协
中图分类号：TN911 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）042-027-01
一起追尾交通事故的发生是由前面机动车的减速和后面机动车驾驶员的反应并做出应对措施的时间不足造成的。
在本文中，我们讨论了MAC层和网络层的技术，并确定为车辆追尾防撞报警系统的应用需求。这种新颖的使用V2V无线通信协议追尾防撞效果的仿真评估。
1 基于V2V无线网络协议的追尾防撞系统的应用层的技术
虽然很相似，V2V无线通讯协议与已经研究过的几种无线点对点通讯的系统，特别是与MAC和路由选择相关的部分。
1）无法获取接收端地址的问题：在V2V无线网络中，高速公路上的机动车的地址彼此间是未知的。即便每辆机动车通过定期向外广播可以使附近的机动车获取自己的地址，但是由于变更车道，超车，上下高速公路和其他机动车间的相对运动，造成地址表将不可避免的处于一种不稳定的状态，即经常发生变化。此外，在大多数安全应用系统中，决定紧急信息的相关性并做出适当的行动的责任在于接收方。因此，广播和多播是为避免交通事故的适当通讯方式。
2）多跳转发：在没有任何路边基础设施的情况下，多跳转发传播的紧急信息需要能够沿线向外传播。这种点对点的V2V网络与传统的点对点的网络是不同的：首先，没有路由设置前转发执行；其次，紧急信息预警信息被发送，而不是一个单播传输的广播。
3）严格的延迟要求：发生追尾碰撞时，实际可用制动时间小于需要的制动时间。需要的制动时间主要是由驾驶员的感知相应时间决定的，这是由许多种因素决定的，因此很难改变。为了防止追尾事故的发生，机动车必须接受紧急信息预警，以提供更多的可用制动时间。追尾条件表示为：
其中表示第i辆机动车接收到紧急消息预警的时刻，和是第i个机动车所要的制动时间和车头时距。*代表第i-1辆机动车。假设相同的所需制动时间和紧急消息预警传播延迟相同，第i-1辆机动车必须满足：
这里的条件包含两方面。首先，一个更加严格的延迟要求来确保一个没有保证一定车距的驾驶员的安全。其次，在最糟糕的情况下，即驾驶员根据前一辆机动车的尾车灯进行判断，这时候的延迟为最大值。谨慎小心的驾驶员总是能够保持一定的车距，即可用制动时间查过，除非前面的机动车与高速公路边的基础设想相撞，否则这类驾驶员是不会发生交通事故的。尽管紧急消息预警在清晰的无线环境中传播只需要不到1毫秒，但是在有一定干扰的情况下，延迟有所增加。由于存在多个机动车道、反平行和只能交通系统，V2V无线通讯协议更加适合在密集的无线网络环境下使用。
4）冗余的紧急消息预警：广播数据包是不能被识别的。因此，使用定期的广播的方式来提高紧急消息预警的传递成功概率。然后，这就出现了两个问题。首先，一辆已经成功将紧急消息转发出去的机动车，仍然会占用无线网络环境。其次，多余的定期广播消息会浪费带宽和抑制其他数据的传播。通过使用一个ACK信号消息从而来达到消除消息冗余的目的，在某机动车接收到一个ACK之后立刻停止关于此事件的任何紧急消息。
2 追尾防撞通讯协议
2.1 MAC层改进
MAC层是基于IEEE 802.11 DCF标准的。为了满足紧急消息的低延迟传播，提出以下改进办法：每当一条紧急消息产生时，将它插入到队列的头部。在分布式协调功能中，为了减少碰撞的概率，每个传输的故障会导致双倍的竞争窗口。然而，成功渠道访问的速率迅速减小而退避阶段增加。这可能会导致紧急消息传播中出现不可接受的延迟。为了能够提供一个更高效率的通道访问，需要拥有一个固定的竞争窗口即二进制指数回退被禁用。一条紧急消息没有重传限制。我们发现IEEE802.11e增强分布式信道接入还依靠使用不同的参数通过了对于不同交通类的服务质量的支持。
2.2 多跳广播
由于无法获取接收端地址的问题，紧急消息以广播形式发送。只有当一辆机动车从它前面的同一车道的机动车收到紧急消息，且消息中事故标识是新的，并且该消息没有超出其寿命后，该机动车会立刻通知驾驶员并广播一条新的紧急消息。由于自组通信没有分布式协调功能，发送端需要定期向外广播直到接收到反馈的ACK。反馈的ACK是一条由后面的同车道机动车发送出的具有相同事故标识的一条紧急消息。这种机制大大减少了消息广播的冗余。此消息的超出寿命期之后，自动停止继续广播。
3 总结
本文中，我们对基于V2V无线通讯协议的安全系统的重要性和需要的条件进行了研究。严格的消息广播延迟是本协议设计的关键指标。集成的追尾防撞协议是基于802.11 MAC和多跳广播的。单车道和多车道的模拟结果均表明，通过使用该协议，紧急消息的传播延迟满足严格的延迟要求。
参考文献
[1]Fata Analysis Reporting System （FARS） http：//www-fars.nhtsa.dot.gov.Accessed on Nov. 10， 2007.
[2]The National Highway Traffic Safety Administration （NHTSA）.http：//www.nhtsa.dot.gov/ Accessed on Nov.10，2007.
[3]2005 Annual State Highway Collision Data Summary.Washington State Department of Transportation （WSDOT）.http：//www.wsdot.wa.gov/mapsdata/tdo/accidentannual.htm Accessed on Oct.10，2007.
[4]Lerner， Neil D.， ” Brake Perception-Reaction Times of Older and Younger Drivers，” in Proc. of Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting Proceedings， pp. 206-210（5）， 1993.
[5]Final Report of Automotive Collision Avoidance Systems （ACAS） Program， The National Highway Traffic Safety Administration （NHTSA） www-nrd.nhtsa.dot.gov/pdf/nrd-12/acas/ACAS-FinalReport-2000-08.pdf Accessed on Aug.，2000.
[6]Standard Specification for Telecommunications and Information Exchange Between Roadside and Vehicle Systems-5GHz Band Dedicated Short Range Communications （DSRC） Medium Access Control （MAC） and Physical Layer （PHY） Specifications， ASTM E2213-03，2003.