基于心跳消息的VANET安全應(yīng)用性能分析

呂虎猛，葉雪梅，安 利，王 淵

(1.第二炮兵工程學(xué)院401教研室，陜西西安 710025;2.空軍工程大學(xué)理學(xué)院，陜西西安 710025)

車載自組織網(wǎng)絡(luò)(Vehicle Ad hoc Network，VANET)因其具有提升道路安全、減少道路擁堵等優(yōu)點，越來越引起人們的關(guān)注。將VANET應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)中(Intelligent Transport System，ITS)可以更好地幫助駕駛員提高行駛安全性。ITS在歐洲、日本和北美已進行了多年的廣泛研究，主要目的是探索新技術(shù)來提高道路交通的安全和效率。之前大部分系統(tǒng)是集中式的，包括以路邊單元或基礎(chǔ)設(shè)施為依托的車輛與道路基礎(chǔ)設(shè)施通信系統(tǒng)［1－2］。近來年越來越多的公眾開始關(guān)注VANET，把它作為智能交通系統(tǒng)的補充或獨立部分。大量的研究項目已經(jīng)集中于車輛間的通信，車輛通信與互聯(lián)網(wǎng)的互通，例如歐洲的PReVENT［3］，日本的 InternetITS［4］，德國的 Network on Wheels［5］等，這些項目極大地推動了VANET的發(fā)展。

VANET面臨著巨大的挑戰(zhàn)［6］，針對VANET在通信方面的挑戰(zhàn)進行了詳細描述。盡管該領(lǐng)域的很多問題都還不確定，但根據(jù)之前的研究可以將VANET的主要應(yīng)用分為兩類:輔助駕駛應(yīng)用和安全應(yīng)用。輔助駕駛應(yīng)用的目標是給駕駛者提供舒適、高效的駕駛環(huán)境，如交通信息系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、道路電子收費系統(tǒng)、地圖下載、視頻下載、道路游戲、互聯(lián)網(wǎng)訪問等，這些應(yīng)用在未來將快速發(fā)展。安全應(yīng)用的目標是通過車輛間安全相關(guān)信息的交換，提高駕駛者的安全水平。安全信息以文字或聲音的方式提供給駕駛者，或者用于安全系統(tǒng)的輸入，進行安全性能分析。該方面的應(yīng)用有:前方車輛事故報警、左右轉(zhuǎn)彎輔助提示、車道變更警告、緊急剎車預(yù)警、道路狀況提示等。由于該類應(yīng)用對數(shù)據(jù)的時延敏感度要求較高，因此要求車輛與車輛間要采用直接進行通信的模式。

1 問題描述

1.1 安全信息分類

任何一種安全應(yīng)用都要求車輛間信息的交互。將這些消息分為兩類:心跳安全消息(Heartbeat Safety Message，HSM)和緊急報警安全消息(Emergency Alarm Safety Message，EASM)。這兩類消息對提升道路安全方面起著不同的作用，因此它們所采用的消息分發(fā)機制也不同。HSM從其名字中可以看出采用的是一種周期性消息發(fā)送機制，主要用于通知車輛狀態(tài)信息(Vehicle Status Information，VSI)，如車輛位置、行駛速度、行駛方向、加速度等，可以避免近距離的車輛車道變更、緊急剎車、錯誤的左右轉(zhuǎn)彎等帶來的危險，同時HSM也用輔助路由尋徑。緊急報警安全消息則用于已發(fā)生緊急事件的通報如:道路上特定路段上的交通事故、冰面、道路塌方等。從事故發(fā)生的時效性來看，通過HSM的發(fā)送可以在近距離事故發(fā)生前避免，而EASM是在交通事故發(fā)生后通知更多的其他車輛來避免事故的進一步惡化和擴大。EASM是對已有事故的反應(yīng)，因此其關(guān)鍵是在數(shù)據(jù)傳輸方面有著更高的優(yōu)先級。HSM和EASM相互協(xié)同，共同提升道路的安全性，文中對HSM及其發(fā)送頻率進行探討，為表述簡單，文中所指的安全消息均指心跳安全消息。

1.2 安全水平分析

假設(shè)當車輛及時、正確地接收到安全消息后，駕駛員或者安全應(yīng)用系統(tǒng)能夠采取正確措施避免事故的發(fā)生，從而達到安全的目的。從安全應(yīng)用的角度考慮，應(yīng)當關(guān)注的是系統(tǒng)的安全水平(Safety Performance Level，SPL)，即能否通過獲得安全消息避免事故的可能性。之前很多文章中對都單跳周期性信息的傳輸可靠性問題進行了探究［9－11］，從多方面不同的場景中對數(shù)據(jù)傳輸率進行了分析，但并沒有探討數(shù)據(jù)傳輸率和心跳消息發(fā)送頻率對安全水平的影響，文中對兩者的影響進行分析。

在實際應(yīng)用中，安全應(yīng)用的QoS要求和通信層面的QoS有一定區(qū)別，下面從宏觀的角度將對安全性能和數(shù)據(jù)傳輸率之間的關(guān)系進行討論。EASM和HSM的傳輸對安全的影響不一樣，因為丟失一個EASM可能會導(dǎo)致事故，但對HSM來說，它是對先前車輛狀態(tài)信息的更新，即使丟失一個，仍然可以根據(jù)上次的狀態(tài)信息推測出下一時刻的車輛大致的狀態(tài)情況。只要能接收到新的HSM，即使丟失一些之前的狀態(tài)信息也不會影響安全性能。另外，接收方可以根據(jù)以前的狀態(tài)信息建立模型來推測當前信息，作為信息丟失的一種補償。在進行理論分析后，下面將以交通理論模型中的Free－low階段中車輛行駛時基于心跳消息的安全應(yīng)用性能進行分析。

2 模型分析

2.1 場景描述

為說明研究場景，首先引入交通流理論(Traffic Flow Theories，TFT)［12－13］。其主要探討 3 個參數(shù)之間的關(guān)系:車輛密度(Vehicle Density)、流量(Flow)和車速(Speed)。流量f代表單位時間通過觀測者的車輛數(shù)目;車輛密度k代表單位距離上的車輛數(shù)目;車速v是車輛單位時間內(nèi)通過的距離。通常情況下，交通流不統(tǒng)一，會隨著時間和空間的變化而變化，因此討論的只是平均值或者隨機變量的樣本值［13］。3個變量平均值之間的關(guān)系由以下基礎(chǔ)交通流關(guān)系表示［12］

圖1反應(yīng)了典型的流量密度關(guān)系，從圖中可以看出當?shù)缆飞蠜]有車時車流量為0，達到最大車輛密度時即造成交通擁堵，車輛停止前進，當車輛密度超過一定界限時，交通開始擁堵。

圖1 交通理論流量密度關(guān)系

研究高速公路車輛行駛情況時，路上車輛交通可分為兩個不同階段，當車輛密度低時，車輛行駛速度可以非?？臁＿@種狀態(tài)一直持續(xù)到車輛密度增加到一定程度，也就是所謂的臨界交通密度k'。這一階段叫做自由行駛交通階段(Free－flow Traffic)，如圖1左側(cè)線段所示階段。當車輛密度超過k'后，一些車輛就要控制它們的車速來確保安全行駛距離。這一階段被稱為強制車流(也被稱為交通擁擠階段，Congested Traffic)，如圖1右側(cè)線段所示。此時，如果車輛密度再增加，交通就會陷入阻塞狀態(tài)，在最糟糕的情況下車輛會完全的停止。在交通理論中每個階段都有不同的處理方式。從通信的角度看，在自由行駛階段，維持連通性和多跳路徑確立方面是具有挑戰(zhàn)性的［8］。然而，在車輛密度大的強制車流的情況下，共享的介質(zhì)訪問方式和避免沖突方面則需要更好的技術(shù)來解決。文中只考慮Free－flow階段，即圖1中的左側(cè)線段表示的階段。

2.2 模型假設(shè)

文中考慮在車輛密度較小的情況下，即Free－flow階段。文獻［15～17］對稀疏場景下車輛通信連通性的問題進行了探討，提出了相應(yīng)的連通性維持策略，假設(shè)在其研究的基礎(chǔ)上，考慮在整個移動過程中車輛密度足以滿足維持節(jié)點之間的連通性。為便于計算，假設(shè)車輛速度恒定不變。值得強調(diào)的是雖然假設(shè)車速恒定不變，但也不能避免交通事故的發(fā)生，因此安全消息的傳輸在此類背景下也有著重要的意義。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點可以通過一定的手段偵測到網(wǎng)絡(luò)的負載情況，各個節(jié)點正確接收數(shù)據(jù)包是相互獨立的。在該場景中整個網(wǎng)絡(luò)的負載假設(shè)是不會超過門限值造成網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況，在車輛密度稀疏的情況下，采用偵聽網(wǎng)絡(luò)負載和功率控制策略是可以實現(xiàn)這種狀態(tài)的［14］)。數(shù)據(jù)傳輸率可以采用式(2)進行求解，即一個周期內(nèi)接收數(shù)據(jù)包的數(shù)目與發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)目之比

根據(jù)上述安全水平分析，安全水平可以用一個安全周期t內(nèi)至少接收到一個心跳消息的概率來表示

根據(jù)上述假設(shè)各個數(shù)據(jù)包丟失的概率是相互獨立的，得出數(shù)據(jù)包全部丟失的概率

將式(4)代入式(3)得

因此在安全周期t，心跳安全消息發(fā)送頻率f下的安全水平可以表示為

表1 模型參數(shù)

2.3 仿真分析

從式中可以看出，在假設(shè)數(shù)據(jù)傳輸率不變的情況下，安全水平隨著tf的增大而增大，在確定的安全應(yīng)用中安全周期是固定的，因此可以考慮的參數(shù)只有心跳消息頻率f。為便于仿真，將tf作為整體的參數(shù)值進行設(shè)置考慮。仿真綜合考慮了Psafety和Ptransmission相等的特殊情況，然后再進行3組可能的數(shù)值下的仿真，即tf分別為1，2，3，4。仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 安全水平分析

(1)安全水平高于數(shù)據(jù)傳輸率。從曲線中可以看出，在給定數(shù)據(jù)傳輸率的情況下，安全概率均高于數(shù)據(jù)傳輸率。驗證了基于心跳安全消息的應(yīng)用中，只要在一個周期內(nèi)至少成功接收到一個心跳消息即可保證安全性。

(2)在不超過網(wǎng)絡(luò)負載造成網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況下，F(xiàn)ree－flow階段可以盡可能地提高心跳消息的發(fā)送頻率。根據(jù)假設(shè)，在t不變的情況下，相同數(shù)據(jù)傳輸率下，較大的f可以獲得更高安全概率。

(3)高數(shù)據(jù)傳輸率可以提供更好的安全性保證。仿真結(jié)果顯示，安全概率是數(shù)據(jù)傳輸率的單調(diào)增函數(shù)。從這個層面可以反映出，基于VANET的安全應(yīng)用的重點集中在如何提高數(shù)據(jù)的傳輸率上。

在實際應(yīng)用中，對式(6)需要給出特定的t和f兩個參數(shù)，以確定具體的安全性能，為確保道路上整體上的安全性能，應(yīng)給出安全性能的下限，Pthreshold，使所有車輛都滿足Psafety≥Pthreshold。

3 結(jié)束語

對基于心跳消息的安全應(yīng)用性能進行了分析，考慮了單跳數(shù)據(jù)傳輸率和心跳消息發(fā)送頻率兩方面因素，建立數(shù)學(xué)模型并給出了仿真分析。仿真中的參數(shù)值僅用于理論分析，具體的安全周期和頻率值的設(shè)定將用真實的道路場景和VANET相應(yīng)通信協(xié)議來驗證。文中只考慮了 Free－low階段的情況，今后將結(jié)合Congestion Traffic場景進行分析，即根據(jù)道路交通狀況，動態(tài)調(diào)節(jié)心跳消息的發(fā)送頻率，以更好的提高安全水平。

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