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(diǎn)，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(jìn)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(bǔ)充或獨(dú)立部分。大量的研究項(xiàng)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(guó)的 Network on Wheels［5］等，這些項(xiàng)目極大地推動(dòng)了VANET的發(fā)展。

VANET面臨著巨大的挑戰(zhàn)［6］，針對(duì)VANET在通信方面的挑戰(zhàn)進(jìn)行了詳細(xì)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(biāo)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(fèi)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(biāo)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(jìn)行安全性能分析。該方面的應(yīng)用有:前方車輛事故報(bào)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(duì)數(shù)據(jù)的時(shí)延敏感度要求較高，因此要求車輛與車輛間要采用直接進(jìn)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(bào)警安全消息(Emergency Alarm Safety Message，EASM)。這兩類消息對(duì)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(jī)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(jī)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(cuò)誤的左右轉(zhuǎn)彎等帶來的危險(xiǎn)，同時(shí)HSM也用輔助路由尋徑。緊急報(bào)警安全消息則用于已發(fā)生緊急事件的通報(bào)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(shí)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(jìn)一步惡化和擴(kuò)大。EASM是對(duì)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(jí)。HSM和EASM相互協(xié)同，共同提升道路的安全性，文中對(duì)HSM及其發(fā)送頻率進(jìn)行探討，為表述簡(jiǎn)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(dāng)車輛及時(shí)、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(dá)到安全的目的。從安全應(yīng)用的角度考慮，應(yīng)當(dāng)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(duì)都單跳周期性信息的傳輸可靠性問題進(jìn)行了探究［9－11］，從多方面不同的場(chǎng)景中對(duì)數(shù)據(jù)傳輸率進(jìn)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(duì)安全水平的影響，文中對(duì)兩者的影響進(jìn)行分析。

在實(shí)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(duì)安全性能和數(shù)據(jù)傳輸率之間的關(guān)系進(jìn)行討論。EASM和HSM的傳輸對(duì)安全的影響不一樣，因?yàn)閬G失一個(gè)EASM可能會(huì)導(dǎo)致事故，但對(duì)HSM來說，它是對(duì)先前車輛狀態(tài)信息的更新，即使丟失一個(gè)，仍然可以根據(jù)上次的狀態(tài)信息推測(cè)出下一時(shí)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(huì)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(cè)當(dāng)前信息，作為信息丟失的一種補(bǔ)償。在進(jìn)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(shí)基于心跳消息的安全應(yīng)用性能進(jìn)行分析。

2 模型分析

2.1 場(chǎng)景描述

為說明研究場(chǎng)景，首先引入交通流理論(Traffic Flow Theories，TFT)［12－13］。其主要探討 3 個(gè)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(shí)間通過觀測(cè)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(shí)間內(nèi)通過的距離。通常情況下，交通流不統(tǒng)一，會(huì)隨著時(shí)間和空間的變化而變化，因此討論的只是平均值或者隨機(jī)變量的樣本值［13］。3個(gè)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(dāng)?shù)缆飞蠜]有車時(shí)車流量為0，達(dá)到最大車輛密度時(shí)即造成交通擁堵，車輛停止前進(jìn)，當(dāng)車輛密度超過一定界限時(shí)，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(shí)，路上車輛交通可分為兩個(gè)不同階段，當(dāng)車輛密度低時(shí)，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(dāng)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(qiáng)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(shí)，如果車輛密度再增加，交通就會(huì)陷入阻塞狀態(tài)，在最糟糕的情況下車輛會(huì)完全的停止。在交通理論中每個(gè)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(qiáng)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(xiàn)［15～17］對(duì)稀疏場(chǎng)景下車輛通信連通性的問題進(jìn)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(gè)移動(dòng)過程中車輛密度足以滿足維持節(jié)點(diǎn)之間的連通性。為便于計(jì)算，假設(shè)車輛速度恒定不變。值得強(qiáng)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(diǎn)可以通過一定的手段偵測(cè)到網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況，各個(gè)節(jié)點(diǎn)正確接收數(shù)據(jù)包是相互獨(dú)立的。在該場(chǎng)景中整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載假設(shè)是不會(huì)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(fù)載和功率控制策略是可以實(shí)現(xiàn)這種狀態(tài)的［14］)。數(shù)據(jù)傳輸率可以采用式(2)進(jìn)行求解，即一個(gè)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(gè)安全周期t內(nèi)至少接收到一個(gè)心跳消息的概率來表示

根據(jù)上述假設(shè)各個(gè)數(shù)據(jù)包丟失的概率是相互獨(dú)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(jìn)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(jìn)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(yàn)證了基于心跳安全消息的應(yīng)用中，只要在一個(gè)周期內(nèi)至少成功接收到一個(gè)心跳消息即可保證安全性。

(2)在不超過網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(gè)層面可以反映出，基于VANET的安全應(yīng)用的重點(diǎn)集中在如何提高數(shù)據(jù)的傳輸率上。

在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)式(6)需要給出特定的t和f兩個(gè)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(yǔ)

對(duì)基于心跳消息的安全應(yīng)用性能進(jìn)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(shí)的道路場(chǎng)景和VANET相應(yīng)通信協(xié)議來驗(yàn)證。文中只考慮了 Free－low階段的情況，今后將結(jié)合Congestion Traffic場(chǎng)景進(jìn)行分析，即根據(jù)道路交通狀況，動(dòng)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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