基于心跳消息的VANET安全應用性能分析

呂虎猛，葉雪梅，安 利，王 淵

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

車載自組織網絡(Vehicle Ad hoc Network，VANET)因其具有提升道路安全、減少道路擁堵等優點，越來越引起人們的關注。將VANET應用于智能交通系統中(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來提高道路交通的安全和效率。之前大部分系統是集中式的，包括以路邊單元或基礎設施為依托的車輛與道路基礎設施通信系統［1－2］。近來年越來越多的公眾開始關注VANET，把它作為智能交通系統的補充或獨立部分。大量的研究項目已經集中于車輛間的通信，車輛通信與互聯網的互通，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的發展。

VANET面臨著巨大的挑戰［6］，針對VANET在通信方面的挑戰進行了詳細描述。盡管該領域的很多問題都還不確定，但根據之前的研究可以將VANET的主要應用分為兩類:輔助駕駛應用和安全應用。輔助駕駛應用的目標是給駕駛者提供舒適、高效的駕駛環境，如交通信息系統、導航系統、道路電子收費系統、地圖下載、視頻下載、道路游戲、互聯網訪問等，這些應用在未來將快速發展。安全應用的目標是通過車輛間安全相關信息的交換，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，或者用于安全系統的輸入，進行安全性能分析。該方面的應用有:前方車輛事故報警、左右轉彎輔助提示、車道變更警告、緊急剎車預警、道路狀況提示等。由于該類應用對數據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送機制，主要用于通知車輛狀態信息(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。從事故發生的時效性來看，通過HSM的發送可以在近距離事故發生前避免，而EASM是在交通事故發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，因此其關鍵是在數據傳輸方面有著更高的優先級。HSM和EASM相互協同，共同提升道路的安全性，文中對HSM及其發送頻率進行探討，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

假設當車輛及時、正確地接收到安全消息后，駕駛員或者安全應用系統能夠采取正確措施避免事故的發生，從而達到安全的目的。從安全應用的角度考慮，應當關注的是系統的安全水平(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據傳輸率進行了分析，但并沒有探討數據傳輸率和心跳消息發送頻率對安全水平的影響，文中對兩者的影響進行分析。

在實際應用中，安全應用的QoS要求和通信層面的QoS有一定區別，下面從宏觀的角度將對安全性能和數據傳輸率之間的關系進行討論。EASM和HSM的傳輸對安全的影響不一樣，因為丟失一個EASM可能會導致事故，但對HSM來說，它是對先前車輛狀態信息的更新，即使丟失一個，仍然可以根據上次的狀態信息推測出下一時刻的車輛大致的狀態情況。只要能接收到新的HSM，即使丟失一些之前的狀態信息也不會影響安全性能。另外，接收方可以根據以前的狀態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 個參數之間的關系: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目;車輛密度k代表單位距離上的車輛數目;車速v是車輛單位時間內通過的距離。通常情況下，交通流不統一，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系由以下基礎交通流關系表示［12］

圖1反應了典型的流量密度關系，從圖中可以看出當道路上沒有車時車流量為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常快。這種狀態一直持續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，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，共享的介質訪問方式和避免沖突方面則需要更好的技術來解決。文中只考慮Free－flow階段，即圖1中的左側線段表示的階段。

2.2 模型假設

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，提出了相應的連通性維持策略，假設在其研究的基礎上，考慮在整個移動過程中車輛密度足以滿足維持節點之間的連通性。為便于計算，假設車輛速度恒定不變。值得強調的是雖然假設車速恒定不變，但也不能避免交通事故的發生，因此安全消息的傳輸在此類背景下也有著重要的意義。網絡中的節點可以通過一定的手段偵測到網絡的負載情況，各個節點正確接收數據包是相互獨立的。在該場景中整個網絡的負載假設是不會超過門限值造成網絡擁塞的情況，在車輛密度稀疏的情況下，采用偵聽網絡負載和功率控制策略是可以實現這種狀態的［14］)。數據傳輸率可以采用式(2)進行求解，即一個周期內接收數據包的數目與發送數據包數目之比

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

根據上述假設各個數據包丟失的概率是相互獨立的，得出數據包全部丟失的概率

將式(4)代入式(3)得

因此在安全周期t，心跳安全消息發送頻率f下的安全水平可以表示為

表1 模型參數

2.3 仿真分析

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

圖2 安全水平分析

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

(2)在不超過網絡負載造成網絡擁塞的情況下，Free－flow階段可以盡可能地提高心跳消息的發送頻率。根據假設，在t不變的情況下，相同數據傳輸率下，較大的f可以獲得更高安全概率。

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

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

3 結束語

對基于心跳消息的安全應用性能進行了分析，考慮了單跳數據傳輸率和心跳消息發送頻率兩方面因素，建立數學模型并給出了仿真分析。仿真中的參數值僅用于理論分析，具體的安全周期和頻率值的設定將用真實的道路場景和VANET相應通信協議來驗證。文中只考慮了 Free－low階段的情況，今后將結合Congestion Traffic場景進行分析，即根據道路交通狀況，動態調節心跳消息的發送頻率，以更好的提高安全水平。

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