一种基于rsu协作的车联网安全消息广播方法
技术领域
1.本发明涉及车联网广播技术领域，尤其涉及一种基于rsu协作的车联网安全消息广播方法。
背景技术：2.随着信息时代的发展和物联网应用的快速推广，车载应用产生的数据量日益增加，需要海量计算能力和存储资源。智慧车辆在行驶过程中会产生大量的数据，各类终端需要实现数据通信，才能共享和利用上述数据信息。作为智慧交通系统(intelligenttransportation system，its)中传递消息的关键载体，车联网(internet of vehicle,iov) 是在车辆节点和基础设施之间建立的无线通信网络，利用车-车通信(vehicle-to-vehicle, v2v)或车-设施通信(vehicle-to-infrastructure,v2i)传输车辆状况、交通安全等信息，实现车辆网络化、智能化。
3.在带来出行便利的同时，汽车也带来了很多交通安全隐患，因此行驶安全也成为社会关心的重要问题。交通事故除了直接危害人身安全和财产安全，作为次生灾害的道路拥塞还会大量浪费化石燃料。
4.造成交通事故的一个重要因素是交通类消息传递受限，驾驶员对前方道路状况存在视距限制，仅能观察一定范围内的情况，无法提前得知前方路况，做出正确的决策。协同车辆安全系统(cooperative vehicle safety system，cvss)是车联网中的重要应用，可以有效解决上述问题。车辆在行驶过程中周期性广播(periodic broadcast,pbc)含有车辆方向、加速度、地理位置等状态信息的数据分组，实现车辆之间的驾驶信息共享。驾驶员根据收到广播消息，追踪邻居车辆的方向、车速及位置，探测交通危险和拥塞消息并及时预警，提醒驾驶员调整策略，避免交通事故的发生。
5.然而，由于车辆通信范围有限，不同车辆在道路中行驶速度不同，导致网络拓扑不稳定，在数据通信时容易出现消息不可达的情况。同时，车辆之间通过周期性广播传输安全消息，存在多个节点对一个安全事件进行重复广播的情况。网络中产生大量冗余消息，车辆节点互相竞争信道资源，严重时导致广播风暴问题，造成安全预警消息发送过程中丢包显著，传输时延过大，影响安全预警服务质量。
6.不仅如此，车辆节点的计算资源有限，无法满足大量安全消息处理的计算需求。虽然云计算技术能够解决车辆节点计算资源不足的问题，但由于云端服务器距离车辆节点较远，安全消息传输至远端服务器的延时较大，不利于安全消息的传输和处理。
技术实现要素：7.本发明的目的在于提供一种基于rsu协作的车联网安全消息广播方法，传统周期性广播在车辆密度高时分组数量过多，容易导致广播风暴问题，造成安全预警消息的延迟或丢失，严重影响交通预警效果；针对上述问题，本发明提出一个基于rsu协作的车联网安全消息广播方法；首先设计了一个包含“事件等级”和“地理位置”的新型广播分组结构；其
次，引入车载边缘计算技术，利用计算存储资源丰富的路边单元rsu过滤冗余安全消息，再由rsu协助发布广播消息，降低车辆源节点的发送速率，缓解信道竞争；最终提高广播分组投递性能并降低平均传输时延。
8.本发明的目的在于提供一种基于rsu协作的车联网安全消息广播方法，在提出改进广播方法之前，首先对网络分组投递率进行数学建模，并在此基础上分析性能优化思路，以提升网络投递性能。
9.csma/ca机制是ieee 802.11p中mac层基本工作方式，为了避免数据在信道传输中发生的冲突，采用二进制指数退避方法进行消息退避和重传，以下是根据其原理，分析车辆节点信道竞争过程。
10.图9给出两个车辆节点在csma/ca机制下竞争信道以传输数据的过程，其中difs为分布式帧间时隙，sifs为短帧间间隔，slottime表示一个时隙；当车辆a需要给无线ap发送数据时，首先侦听信道，当信道空闲时间达到一个difs时间，判断此时信道空闲，开始进行数据发送， ap成功接收数据时，在一个sifs时间后发送ack确认帧，表示本次消息的成功传输，随着车辆密度增加，节点互相竞争信道发送数据，容易出现信道繁忙的情况，当车辆a和车辆b在同一时间进行数据发送，因车辆a占用信道发送数据，车辆b侦听信道时出现信道繁忙情况，为避免数据冲突，车辆b在侦听信道的difs时间后，增加一个退避过程，车辆b根据竞争窗口大小，随机生成一个退避时间backofftime作为回退计数值，同时继续监听信道，侦听信道连续空闲时间达到一个时隙，则回退计数值减1；若监听过程中信道繁忙，冻结回退计数值，当回退计数值减少为0时，车辆b占用信道发送数据；
11.根据退避时间backofftime定义，可表示为：
12.backofftime＝random()
·
cw
·
slottime
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
13.其中random()取值为0～1的随机数，cw为节点当前竞争窗口大小，slottime表示一个时隙大小，backofftime根据以上公式计算后取整，设cw
min
为车辆节点最小竞争窗口值，cw
max
为最大竞争窗口大小，cw初始取值为cw
min
，当车辆节点出现数据发送失败的情况，则认为此时网络数据流量较大，车辆节点将cw竞争窗口值乘以2，即
[0014][0015]
其中，m表示数据重传次数，当cw值达到cw
max
时，保持cw值不变；当该节点成功发送数据，设置cw值为cw
min
；
[0016]
考虑某个rsu通信范围内有n个车辆节点的情况，假定任意车辆节点在一个随机时隙发送数据的概率为τ，则该数据与其他节点数据碰撞的概率为η，在节点数n值一定时，η始终保持恒定且独立，可得到如下关系式：
[0017]
η＝1-(1-τ)
n-1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0018]
根据数据碰撞概率，车辆节点的消息投递率p可表示为：
[0019]
p＝1-η
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0020]
由公式(3)化简可得，
[0021][0022]
根据马尔科夫链的建模，令w＝cw
min
，可推出τ和η之间的关系：
[0023][0024]
联立公式(5)、公式(6)可求出非线性方程的数值解，最大重传次数m和节点数n保持不变时，竞争窗口值w的取值影响数据碰撞概率η和消息投递率p，设最大重传次数m值为7，节点数n为50，竞争窗口值w和数据碰撞概率η关系如图3所示，竞争窗口值w和消息投递率联系如图4所示。
[0025]
由图3、图4可得，在网络负载大的情况下，选取较大的w可以提高预警消息分组网络投递率，由于网络中存在大量车辆节点，优化车辆节点的投递性能能够有效提高整网投递率。因此，在降低网络负载过程中，增大车辆源节点的最小竞争窗口值，降低消息碰撞，保证其通信范围内的更多的车辆节点接收到安全消息，其次建立网络平均时延模型，分析性能优化思路。
[0026]
传输时延是消息在网络中发送到接收的时间，在车联网中，不同消息对时延需求不同，其中事件预警服务作为典型的时延敏感应用，对消息传输时间要求苛刻，由于车联网采用广播方式进行数据通信，无需ack确认机制，一个广播帧发送时间t可以表示为：
[0027]
t＝t
difs
+t
bo
+t
data
+t
sifs
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0028]
其中t
difs
为发送数据之前需等待的分布式帧间间隙时间，t
bo
为等待信道空闲的退避时间，若发送数据时检测到信道空闲，则不存在退避时间，取值为0，t
data
为广播数据帧发送时间，是广播时延中的关键部分。t
sifs
为短帧间间隙时间，用来分隔开属于一次对话的各帧。
[0029]
在数据传输过程中检测信道繁忙时，节点根据当前竞争窗口值随机选择一个回退计数值用于计算退避时间，避免产生消息碰撞；当网络中存在大量广播消息时，回退计数值一般取则，
[0030][0031]
其中，slot表示一个时隙大小，将其带入公式(7)中：
[0032][0033]
根据t
data
的定义，t
data
可表示为：
[0034][0035]
其中l为广播分组长度，单位为字节；r为节点发送速率，单位mb/s。
[0036]
将公式(10)带入公式(9)中，可得到化简后的平均时延公式：
[0037][0038]
由于t
difs
、slot、t
sifs
均为mac层固定参数，在数据传输过程中均不发生改变。因此，广播帧发送时间t仅与竞争窗口值、广播分组长度和节点发送速率有关。
[0039]
所以对安全消息广播业务，在广播分组长度不变的情况下，选取较小的w和较高的
r可以降低安全预警消息的平均传输时延。在通信性能方面，rsu远优于车辆节点。利用rsu高带宽的特点，降低其最小竞争窗口值，保证在更短时间发送安全预警消息，提高驾驶安全性。
[0040]
针对不同等级的安全预警消息，rsu广播机制设置不同的最小竞争窗口值，将特急消息的最小竞争窗口值设置为初值的1/8，紧急消息的最小竞争窗口值设置为初值的1/4，一般消息的最小竞争窗口值设置为初值的1/2，优先确保高等级消息的传输性能。
[0041]
为了实现上述发明目的，本发明采用技术方案具体为：一种基于rsu协作的车联网安全消息广播方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0042]
步骤一，相同事件过滤，rsu接收到车辆源节点发送的安全预警消息时，读取分组中事件的等级和地理位置信息，对其紧急安全类型进行判断，过滤对相同交通事件的重复广播。
[0043]
步骤二，事件统一预警，rsu过滤相同事件后，根据事件紧急类型自适应提高消息发送速率并降低最小竞争窗口值，在其通信范围内进行安全预警。在本区域传输时，邻居车辆节点接收到车辆源节点和rsu的预警广播后，不进行分组转发，确保rsu在整网的广播性能。传输至后方区域时，安全消息通过光纤等有线技术发送给后方rsu，让其在通信范围内进行广播，确保后方车辆节点提前收到预警信息。
[0044]
步骤三，降低网络负载，车辆源节点接收到rsu广播的安全预警消息时，读取分组地理位置信息判断事件，若判断为本车此前广播的安全消息，则根据事件紧急类型，自适应降低消息发送速率，并提高最小竞争窗口值，继续在其通信范围内广播。
[0045]
进一步地，所述步骤一中相同事件过滤具体包括以下步骤：
[0046]
(1)检测到事故或拥塞等异常交通事件的车辆源节点vi、vj各自生成安全预警消息pi和pj；
[0047]
(2)源节点vi、vj将安全预警消息pi和pj广播给通信范围内的路边单元rsu1和邻居车辆vk；
[0048]
(3)在采样时间t内，rsu1接收到安全预警消息pi和pj后(假设先收到pi消息)，分别读取消息分组中的“地理位置”字段值pi_address和pj_address，过滤对相同事件的重复消息；
[0049]
step1：rsu1设置相同事件距离判断阈值d；
[0050]
step2：rsu1将pi_address和pj_address相减，计算事件之间的距离d；
[0051]
step3：若d≤d，则判定pi和pj消息的内容是相同交通事件，rsu1将最先收到的安全预警消息pi加入发送缓冲区队列q
inte
，丢弃其他安全预警消息pj；
[0052]
step4：若d＞d，则判定pi和pj消息的内容是不同交通事件，rsu1将这两个安全预警消息pi和pj加入发送缓冲区队列q
inte
。
[0053]
进一步地，所述步骤二中事件统一预警具体包括以下步骤：
[0054]
(1)邻居车辆节点接收到安全预警消息pi和pj，不进行广播转发；
[0055]
(2)rsu1在广播发送缓冲区队列q
inte
中的安全预警消息p
inte
时，读取消息分组中的“事件等级”字段值p
inte_level
，可知安全预警消息p
inte
的紧急程度。设rsu的无线mac层最小竞争窗口初值为w
r0
；
[0056]
step1：对于特急事件，rsu1设置mac层最小竞争窗口cw
min
＝a1*w
r0
，其中a1＝1/8；
[0057]
step2：对于紧急事件，rsu1设置mac层最小竞争窗口cw
min
＝a2*w
r0
，其中a2＝1/4；
[0058]
step3：对于一般事件，rsu1设置mac层最小竞争窗口cw
min
＝a3*w
r0
，其中a3＝1/2；
[0059]
(3)根据消息等级重新设置的mac层最小竞争窗口值后，rsu监测车辆节点的pbc发送速率r
v0
，设置自身的pbc发送速率为2*r
v0
，在其通信范围内发送安全预警消息；
[0060]
step1：在本区域预警时，rsu1通过广播方式向其通信范围内的车辆节点发送安全预警消息p
inte
；
[0061]
step2：在后方区域预警时，rsu1通过光纤有线通信方式将预警消息发送给后方rsu2，再由rsu2将安全消息p
inte
广播给其范围内的车辆。
[0062]
进一步地，所述步骤三中降低网络负载具体包括以下步骤：
[0063]
(1)源节点vi、vj收到rsu1广播预警消息p
inte
，若判定为本车此前广播的安全消息，则降低发送速率并提高最小竞争窗口值，继续在其通信范围内广播，设车辆源节点的无线 mac层最小竞争窗口初值为w
v0
，消息发送速率初值为r
v0
；
[0064]
step1：对于特急事件，车辆节点设置mac层最小竞争窗口cw
min
＝b1*w
v0
，其中b1＝2，设置发送速率r
send
＝(1-c1)*r
v0
，其中c1＝0.3；
[0065]
step2：对于紧急事件，车辆节点设置mac层最小竞争窗口cw
min
＝b2*w
v0
，其中b2＝4，设置发送速率r
send
＝(1-c2)*r
v0
，其中c2＝0.5；
[0066]
step3：对于一般事件，车辆节点设置mac层最小竞争窗口cw
min
＝b3*w
v0
，其中b3＝8，设置发送速率r
send
＝(1-c3)*r
v0
，其中c3＝0.8；
[0067]
(2)设置完mac层最小竞争窗口值和发送速率后，源节点vi、vj继续在其通信范围内广播。
[0068]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0069]
(1)本发明车载边缘计算(vehicular edge computing，vec)利用靠近车联网的边缘基础设施，就近提供计算、存储及传输等服务，较好地解决了车载设备对时延敏感应用的业务需求，路边单元(road side units，rsu)作为典型的基础设施，具有丰富的计算资源和更广的传输范围，协助车辆实现应用需求，提高任务执行效率；同时，光纤互联的rsu 能够作为有线转发节点，扩大网络连通区域，稳定链路质量，保证预警消息成功传输。
[0070]
(2)本发明是针对协同车辆安全系统中安全预警消息的业务需求，首先，本发明设计的一种新型广播分组结构，在广播消息中添加事件等级和地理位置字段，记录交通安全事件的具体信息；其次，提出一种基于rsu协作的车联网安全消息广播方法，在相同事件过滤阶段，raib方法利用计算存储资源丰富的rsu设备，对网络中同一事件的冗余消息进行筛选过滤，减少因冗余消息碰撞对传输性能的影响，在事件统一预警阶段，邻居车辆接收到车辆源节点发送的安全消息后不进行广播转发，由rsu设备过滤相同事件后统一广播预警，充分发挥rsu通信性能优势，在降低网络负载阶段，raib方法通过降低车辆节点的发送速率并提高最小竞争窗口值，使其以较低的速率在通信范围内广播预警，降低信道资源开销及整网广播负载；最后通过实验表明，该方法既可以能够增加广播预警的范围，提高消息投递率，也降低了传输时延，满足安全预警的业务需求。
附图说明
[0071]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实
施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
[0072]
图1为本发明中基于rsu协作的车联网安全消息广播方法的整体流程示意图。
[0073]
图2为本发明中设计的广播分组结构示意图。
[0074]
图3为本发明中固定最大重传次数和节点数时，竞争窗口值w和数据碰撞概率η关系图。
[0075]
图4为本发明中固定最大重传次数和节点数时，竞争窗口值w和消息投递率p关系图。
[0076]
图5为本发明实施例中实验1采用raib方法前后的最大通知车辆数性能对比示意图。
[0077]
图6为本发明实施例中实验2采用raib方法前后的网络投递率性能对比示意图。
[0078]
图7为本发明实施例中实验3采用raib方法前后的传输平均时延性能对比示意图。
[0079]
图8为本发明中cvss系统中车辆发送广播的拓扑图。
[0080]
图9为本发明中采用的csma/ca机制抢占信道传输数据示意图。
具体实施方式
[0081]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0082]
实施例1
[0083]
参见图1至图9，本发明提供其技术方案为，一种基于rsu协作的车联网安全消息广播方法，首先建立网络投递率模型，分析性能优化思路；
[0084]
csma/ca机制是ieee 802.11p中mac层基本的工作方式，为避免数据在信道传输中发生的冲突，采用二进制指数退避方法进行消息退避和重传，下文根据其原理，分析车辆节点信道竞争过程。
[0085]
图9给出两个车辆节点在csma/ca机制下竞争信道以传输数据的过程，其中difs为分布式帧间时隙，sifs为短帧间间隔，slottime表示一个时隙，当车辆a需要给无线ap发送数据时，首先侦听信道。当信道空闲时间达到一个difs时间，判断此时信道空闲，开始进行数据发送。 ap成功接收数据时，在一个sifs时间后发送ack确认帧，表示本次消息的成功传输。随着车辆密度增加，节点互相竞争信道发送数据，容易出现信道繁忙的情况。当车辆a和车辆b在同一时间进行数据发送，因车辆a占用信道发送数据，车辆b侦听信道时出现信道繁忙情况。为避免数据冲突，车辆b在侦听信道的difs时间后，增加一个退避过程。车辆b根据竞争窗口大小，随机生成一个退避时间backofftime作为回退计数值，同时继续监听信道，侦听信道连续空闲时间达到到一个时隙，则回退计数值减1；若监听过程中信道繁忙，冻结回退计数值。当回退计数值减少为0时，车辆b占用信道发送数据。
[0086]
根据退避时间backofftime定义，可表示为：
[0087]
backofftime＝random()
·
cw
·
slottime
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0088]
其中random()取值为0～1的随机数，cw为节点当前竞争窗口大小，slottime表示一个时隙大小，backofftime根据以上公式计算后取整。设cw
min
为车辆节点最小竞争窗口值，cw
max
为最大竞争窗口大小，cw初始取值为cw
min
。当车辆节点出现数据发送失败的情况，
则认为此时网络数据流量较大，车辆节点将cw竞争窗口值乘以2，即
[0089][0090]
其中，m表示数据重传次数。当cw值达到cw
max
时，保持cw值不变。当该节点成功发送数据，设置cw值为cw
min
。
[0091]
考虑某个rsu通信范围内有n个车辆节点的情况，假定任意车辆节点在一个随机时隙发送数据的概率为τ，则该数据与其他节点数据碰撞的概率为η，在节点数n值一定时，η始终保持恒定且独立，可得到如下关系式：
[0092]
η＝1-(1-τ)
n-1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0093]
根据数据碰撞概率，车辆节点的消息投递率p可表示为：
[0094]
p＝1-η
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0095]
由公式(3)化简可得，
[0096][0097]
根据马尔科夫链的建模，令w＝cw
min
，可推出τ和η之间的关系：
[0098][0099]
联立公式(5)、公式(6)可求出非线性方程的数值解。最大重传次数m和节点数n保持不变时，竞争窗口值w的取值影响数据碰撞概率η和消息投递率p。设最大重传次数m值为7，节点数n为50，竞争窗口值w和数据碰撞概率η关系如图3所示，竞争窗口值w和消息投递率p关系如图4所示。
[0100]
由图3、图4可得，在网络负载大的情况下，选取较大的w可以提高预警消息分组网络投递率。由于网络中存在大量车辆节点，优化车辆节点的投递性能能够有效提高整网投递率。因此，在降低网络负载过程中，增大车辆源节点的最小竞争窗口值，降低消息碰撞，保证其通信范围内的更多的车辆节点接收到安全消息。
[0101]
其次建立网络平均时延模型，分析性能优化思路。
[0102]
传输时延是消息在网络中发送到接收的时间。在车联网中，不同消息对时延需求不同，其中事件预警服务作为典型的时延敏感应用，对消息传输时间要求苛刻。由于车联网采用广播方式进行数据通信，无需ack确认机制，一个广播帧发送时间t可以表示为：
[0103]
t＝t
difs
+t
bo
+t
data
+t
sifs
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0104]
其中t
difs
为发送数据之前需等待的分布式帧间间隙时间。t
bo
为等待信道空闲的退避时间，若发送数据时检测到信道空闲，则不存在退避时间，取值为0。t
data
为广播数据帧发送时间，是广播时延中的关键部分。t
sifs
为短帧间间隙时间，用来分隔开属于一次对话的各帧。
[0105]
在数据传输过程中检测信道繁忙时，节点根据当前竞争窗口值随机选择一个回退计数值用于计算退避时间，避免产生消息碰撞。当网络中存在大量广播消息时，回退计数值一般取则
[0106][0107]
其中，slot表示一个时隙大小，将其带入公式(7)中：
[0108][0109]
根据t
data
的定义，t
data
可表示为：
[0110][0111]
其中l为广播分组长度，单位为字节；r为节点发送速率，单位mb/s。
[0112]
将公式(10)带入公式(9)中，可得到化简后的平均时延公式：
[0113][0114]
由于t
difs
、slot、t
sifs
均为mac层固定参数，在数据传输过程中均不发生改变。因此，广播帧发送时间t仅与竞争窗口值、广播分组长度和节点发送速率有关。
[0115]
所以对安全消息广播业务，在广播分组长度不变的情况下，选取较小的w和较高的r可以降低安全预警消息的平均传输时延。在通信性能方面，rsu远优于车辆节点。利用rsu高带宽的特点，降低其最小竞争窗口值，保证在更短时间发送安全预警消息，提高驾驶安全性。
[0116]
针对不同等级的安全预警消息，rsu广播机制设置不同的最小竞争窗口值，将特急消息的最小竞争窗口值设置为初值的1/8，紧急消息的最小竞争窗口值设置为初值的1/4，一般消息的最小竞争窗口值设置为初值的1/2，优先确保高等级消息的传输性能。
[0117]
本发明是通过如下措施实现的：一种基于rsu协作的车联网安全消息广播方法，包括以下步骤：
[0118]
步骤一，相同事件过滤，rsu接收到车辆源节点发送的安全预警消息时，读取分组中事件的等级和地理位置信息，对其紧急安全类型进行判断，过滤对相同交通事件的重复广播。
[0119]
步骤二，事件统一预警，rsu过滤相同事件后，根据事件紧急类型自适应提高消息发送速率并降低最小竞争窗口值，在其通信范围内进行安全预警。在本区域传输时，邻居车辆节点接收到车辆源节点和rsu的预警广播后，不进行分组转发，确保rsu在整网的广播性能。传输至后方区域时，安全消息通过光纤等有线技术发送给后方rsu，让其在通信范围内进行广播，确保后方车辆节点提前收到预警信息。
[0120]
步骤三，降低网络负载，车辆源节点接收到rsu广播的安全预警消息时，读取分组地理位置信息判断事件，若判断为本车此前广播的安全消息，则根据事件紧急类型，自适应降低消息发送速率，并提高最小竞争窗口值，继续在其通信范围内广播。
[0121]
进一步地，所述步骤一中相同事件过滤具体内容为：
[0122]
交通行驶过程中存在大量紧急事件，不同类型事件造成不同程度交通危害。根据事件安全系数，可将这些信息分为三个级别：特急事件、紧急事件和一般事件。特急事件包括交通事故等严重危害人身安全的事件，紧急事件包括恶劣天气环境等造成出行危险的事件，一般事件包括交通拥塞等影响驾驶体验的事件。
[0123]
车联网提供的安全预警服务可在整网对交通安全事件进行通报，车辆节点根据接收到的安全预警消息提前了解路况，调整驾驶策略。因此，本发明针重新设计广播分组结构，在原来的数据载荷区(load)内，增加“事件等级”(1字节)和“地理位置”(4字节)字段，置于“pbc头部”之后，设计的分组结构如图2所示。其中“事件等级”记录事件紧急程度，包括特急、紧急和一般三个级别；“地理位置”是根据车辆中的gps系统确定，由于高速公路车辆行驶速度快，车道距离对车辆之间距离影响较小，这里仅记录源节点检测交通事件时的一维坐标信息。
[0124]
(1)检测到事故或拥塞等异常交通事件的车辆源节点vi、vj各自分别生成安全预警消息pi和pj；
[0125]
(2)源节点vi、vj将安全预警消息pi和pj广播给通信范围内的路边单元rsu1和邻居车辆vk；
[0126]
(3)在采样时间t内，rsu1接收到安全预警消息pi和pj后(假设先收到pi消息)，分别读取消息分组中的“地理位置”字段值pi_address和pj_address，过滤对相同事件的重复消息；
[0127]
step1：rsu1设置相同事件距离判断阈值d；
[0128]
step2：rsu1将pi_address和pj_address相减，计算事件之间的距离d；
[0129]
step3：若d≤d，则判定pi和pj消息的内容是相同交通事件，rsu1将最先收到的安全预警消息pi加入发送缓冲区队列q
inte
，丢弃其他安全预警消息pj；
[0130]
step4：若d＞d，则判定pi和pj消息的内容是不同交通事件，rsu1将这两个安全预警消息pi和pj加入发送缓冲区队列q
inte
。
[0131]
进一步地，所述步骤二中事件统一预警具体内容为：
[0132]
传统周期性广播方式广播性能低下，很大程度上是由于网络中存在大量冗余数据，车辆节点互相竞争信道资源，导致消息分组丢失。在过滤相同安全预警消息后，事件统一预警阶段通过减少车辆节点处的消息转发，由rsu进行统一广播预警，降低网络中大量冗余数据，缓解信道激烈竞争，提高分组投递率。
[0133]
车联网中多跳协助传输虽然能够提高消息传输范围，但中间车辆的多次转发产生大量冗余数据，基于rsu协作的车联网安全消息广播方法为避免车辆转发产生的大量冗余数据，在安全预警时采用通信范围广的rsu协助转发，中间车辆不进行消息转发，由于减少网络中大量数据分组，新方法在保证消息可靠性的同时提高通信资源利用率。
[0134]
虽然rsu的通信范围远远大于车辆节点，但rsu的通信范围仍有限，对于后面远距离的预警消息，可借助rsu之间高速的有线通信传输。
[0135]
(1)邻居车辆节点接收到安全预警消息pi和pj，不进行广播转发；
[0136]
(2)rsu1在广播发送缓冲区队列q
inte
中的安全预警消息p
inte
时，读取消息分组中的“事件等级”字段值p
inte_level
，可知安全预警消息p
inte
的紧急程度。设rsu的无线mac层最小竞争窗口初值为w
r0
；
[0137]
step1：对于特急事件，rsu1设置mac层最小竞争窗口cw
min
＝a1*w
r0
，其中a1＝1/8；
[0138]
step2：对于紧急事件，rsu1设置mac层最小竞争窗口cw
min
＝a2*w
r0
，其中a2＝1/4；
[0139]
step3：对于一般事件，rsu1设置mac层最小竞争窗口cw
min
＝a3*w
r0
，其中a3＝1/2；
[0140]
(3)根据消息等级重新设置的mac层最小竞争窗口值后，rsu监测车辆节点的pbc发
送速率r
v0
，设置自身的pbc发送速率为2*r
v0
，在其通信范围内发送安全预警消息；
[0141]
step1：在本区域预警时，rsu1通过广播方式向其通信范围内的车辆节点发送安全预警消息p
inte
；
[0142]
step2：在后方区域预警时，rsu1通过光纤有线通信方式将预警消息发送给后方rsu2，再由rsu2将安全消息p
inte
广播给其范围内的车辆。
[0143]
进一步地，所述步骤三中降低网络负载具体内容为：
[0144]
事件统一预警阶段主要针对传输过程中安全预警消息进行优化，降低网络负载阶段则是针对源节点处的安全预警消息进行优化。源节点在监测到安全事件后，在其通信范围内周期性广播预警，由于事件统一预警阶段中rsu已经协助广播预警，可降低源节点的发送速率并提高最小竞争窗口值，预留出信道通信资源，保障rsu的广播性能。
[0145]
(1)源节点vi、vj收到rsu1广播预警消息p
inte
，若判定为本车此前广播的安全消息，则降低发送速率并提高最小竞争窗口值，继续在其通信范围内广播，设车辆源节点的无线 mac层最小竞争窗口初值为w
v0
，消息发送速率初值为r
v0
；
[0146]
step1：对于特急事件，车辆节点设置mac层最小竞争窗口cw
min
＝b1*w
v0
，其中b1＝2，设置发送速率r
send
＝(1-c1)*r
v0
，其中c1＝0.3；
[0147]
step2：对于紧急事件，车辆节点设置mac层最小竞争窗口cw
min
＝b2*w
v0
，其中b2＝4，设置发送速率r
send
＝(1-c2)*r
v0
，其中c2＝0.5；
[0148]
step3：对于一般事件，车辆节点设置mac层最小竞争窗口cw
min
＝b3*w
v0
，其中b3＝8，设置发送速率r
send
＝(1-c3)*r
v0
，其中c3＝0.8；
[0149]
(2)设置完mac层最小竞争窗口值和发送速率后，源节点vi、vj继续在其通信范围内广播。
[0150]
为了分析和评价基于rsu协作的车联网安全消息广播方法的有效性，将其与周期性广播方法进行对比，从最大通知车辆数、广播投递率和平均时延三个指标进行性能比较。
[0151]
实验1：最大通知车辆数性能比较
[0152]
实验环境：设置二车道的交通环境，每个车道放置250台车辆节点。通过改变车辆节点之间的距离模拟不同的车辆密度情况，分别设置车辆节点之间的距离为10m、15m、20m、 30m及40m。
[0153]
周期性广播方法和raib方法最大通知车辆数量对比如图5所示，随着车辆密度的降低，车辆之间的平均距离增加，通信范围内平均车辆数目减少，周期性广播方法和raib方法一次广播能够通知的最大车辆数也逐渐减少。对比raib方法和周期性广播方法在不同车辆密度下的具体数据，在车辆之间距离10m时，raib方法一次广播最多通知402辆车，而周期性广播方法仅能通知119辆车。车辆之间距离35m时，raib方法一次广播最多通知116辆车，而周期性广播方法仅能通知33辆车。证明raib方法消息预警范围更大，通知车辆数更多。
[0154]
实验2：广播投递率性能比较
[0155]
实验环境：构建四车道均匀放置76辆车的交通场景，即每个车道19辆车，车辆之间距离为15m。通过改变车辆节点每秒发包数量来设定不同程度的通信压力，每秒发送包数量越多，网络中数据量越大，则通信压力越大。
[0156]
周期性广播方法和raib方法投递率性能对比如图6所示。
[0157]
使用传统周期性广播预警时，当车辆节点每秒发送15个包时，网络中投递率为
88.68％。随着车辆节点发送数量增加，网络负载增加。当车辆节点每秒发送20个包时，网络投递率降为66.40％。大量预警消息在传输过程中丢失，无法准确预警紧急事件，威胁交通安全。
[0158]
使用raib方法广播预警时，rsu监测车辆节点的pbc发送速率r
v0
，设置自身的pbc发送速率为2*r
v0
，即当车辆节点每秒发送10个包时，rsu每秒发送20个包。raib方法通过 rsu判断重复广播的预警事件，过滤网络链路中的冗余包，在保证消息传输的基础上提升广播效率。当车辆节点每秒发送15个包时，网络中预警消息投递率为97.52％。当车辆节点每秒发送20个包时，投递率仅降为92.06％。与传统周期性广播方法相比，在车辆节点每秒发送15和20个包时，投递性能分别优化8.84％和25.66％。说明raib方法广播的紧急预警消息具有更高的消息接收率，通信范围内有更多车辆可根据消息预警规避风险，交通出行更加安全。
[0159]
实验3：广播平均时延性能比较
[0160]
实验环境：构建四车道均匀放置76辆车的交通场景，即每个车道19辆车，车辆之间距离为15m。
[0161]
交通预警消息的通知速度在安全驾驶中尤为重要，驾驶员越早收到消息预警，就有更多时间调整驾驶策略。raib方法中rsu根据事件紧急程度自适应调节自身和车辆节点的发送速率和竞争窗口值，以此减少预警消息的传输时延。周期性广播方法和raib方法时延对比如图7所示。
[0162]
使用传统周期性广播预警时，当车辆节点每秒发送15个包时，车辆节点发送消息的平均时延为7.905ms。随着车辆节点发送数量增加，网络负载增加。当车辆节点每秒发送20 个包时，车辆节点发送消息的平均时延为10.905ms。
[0163]
使用raib方法广播预警时，在车辆节点每秒发送15个包时，车辆节点的平均时延为 6.671ms。随着车辆节点发送数量增加，网络负载增加。当车辆节点每秒发送20个包时，车辆节点的平均时延为7.255ms。与传统周期性广播方法中车辆节点相比，raib方法在车辆节点每秒发送15和20个包时，平均时延性能分别优化15.6％和33.47％。使用raib方法广播预警时，在车辆节点每秒发送15个包时，rsu设备的平均时延为5.767ms。随着车辆节点发送数量增加，网络负载增加。当车辆节点每秒发送20个包时，rsu设备的平均时延为6.021ms。与传统周期性广播方法中车辆节点相比，raib方法在车辆节点每秒发送15和 20个包时，平均时延性能分别优化27.05％和44.79％。由此可知，raib方法在rsu设备和车辆节点广播的传输时延均得到优化。其中rsu设备时延优化更为明显，保证预警消息在更短的时间内成功传输。
[0164]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种基于rsu协作的车联网安全消息广播方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，相同事件过滤，rsu接收到车辆源节点发送的安全预警消息时，读取分组中事件的等级和地理位置信息，对其紧急安全类型进行判断，过滤对相同交通事件的重复广播；步骤二，事件统一预警，rsu过滤相同事件后，根据事件紧急类型自适应提高消息发送速率并降低最小竞争窗口值，在其通信范围内进行安全预警，在本区域传输时，邻居车辆节点接收到车辆源节点和rsu的预警广播后，不进行分组转发，确保rsu在整网的广播性能，传输至后方区域时，安全消息通过光纤有线技术发送给后方rsu，让其在通信范围内进行广播，确保后方车辆节点提前收到预警信息；步骤三，降低网络负载，车辆源节点接收到rsu广播的安全预警消息时，读取分组地理位置信息判断事件，若判断为本车此前广播的安全消息，则根据事件紧急类型，自适应降低消息发送速率，并提高最小竞争窗口值，继续在其通信范围内广播。2.根据权利要求1所述的基于rsu协作的车联网安全消息广播方法，其特征在于，所述步骤一中相同事件过滤具体包括以下步骤：(1)检测到事故或拥塞异常交通事件的车辆源节点v
i
、v
j
各自生成安全预警消息p
i
和p
j
；(2)源节点v
i
、v
j
将安全预警消息p
i
和p
j
广播给通信范围内的路边单元rsu1和邻居车辆v
k
；(3)在采样时间t内，rsu1接收到安全预警消息p
i
和p
j
后，假设先收到p
i
消息，分别读取消息分组中的“地理位置”字段值p
i
_address和p
j
_address，过滤对相同事件的重复消息；step1：rsu1设置相同事件距离判断阈值d；step2：rsu1将p
i
_address和p
j
_address相减，计算事件之间的距离d；step3：若d≤d，则判定p
i
和p
j
消息的内容是相同交通事件，rsu1将最先收到的安全预警消息p
i
加入发送缓冲区队列q
inte
，丢弃其他安全预警消息p
j
；step4：若d＞d，则判定p
i
和p
j
消息的内容是不同交通事件，rsu1将这两个安全预警消息p
i
和p
j
加入发送缓冲区队列q
inte
。3.根据权利要求1所述的基于rsu协作的车联网安全消息广播方法，其特征在于，所述步骤二中事件统一预警包括以下步骤：(1)邻居车辆节点接收到安全预警消息p
i
和p
j
，不进行广播转发；(2)rsu1在广播发送缓冲区队列q
inte
中的安全预警消息p
inte
时，读取消息分组中的“事件等级”字段值p
inte_level
，可知安全预警消息p
inte
的紧急程度，设rsu的无线mac层最小竞争窗口初值为w
r0
；step1：对于特急事件，rsu1设置mac层最小竞争窗口cw
min
＝a1*w
r0
，其中a1＝1/8；step2：对于紧急事件，rsu1设置mac层最小竞争窗口cw
min
＝a2*w
r0
，其中a2＝1/4；step3：对于一般事件，rsu1设置mac层最小竞争窗口cw
min
＝a3*w
r0
，其中a3＝1/2；(3)根据消息等级重新设置的mac层最小竞争窗口值后，rsu监测车辆节点的pbc发送速率r
v0
，设置自身的pbc发送速率为2*r
v0
，在其通信范围内发送安全预警消息；step1：在本区域预警时，rsu1通过广播方式向其通信范围内的车辆节点发送安全预警消息p
inte
；step2：在后方区域预警时，rsu1通过光纤有线通信方式将预警消息发送给后方rsu2，再由rsu2将安全消息p
inte
广播给其范围内的车辆。
4.根据权利要求1所述的基于rsu协作的车联网安全消息广播方法，其特征在于，所述步骤三中降低网络负载包括以下步骤：(1)源节点v
i
、v
j
收到rsu1广播预警消息p
inte
，若判定为本车此前广播的安全消息，则降低发送速率并提高最小竞争窗口值，继续在其通信范围内广播，设车辆源节点的无线mac层最小竞争窗口初值为w
v0
，消息发送速率初值为r
v0
；step1：对于特急事件，车辆节点设置mac层最小竞争窗口cw
min
＝b1*w
v0
，其中b1＝2，设置发送速率r
send
＝(1-c1)*r
v0
，其中c1＝0.3；step2：对于紧急事件，车辆节点设置mac层最小竞争窗口cw
min
＝b2*w
v0
，其中b2＝4，设置发送速率r
send
＝(1-c2)*r
v0
，其中c2＝0.5；step3：对于一般事件，车辆节点设置mac层最小竞争窗口cw
min
＝b3*w
v0
，其中b3＝8，设置发送速率r
send
＝(1-c3)*r
v0
，其中c3＝0.8；(2)设置完mac层最小竞争窗口值和发送速率后，源节点v
i
、v
j
继续在其通信范围内广播。
技术总结本发明提供了一种基于RSU协作的车联网安全消息广播方法，属于车联网广播技术领域。解决了车辆以传统周期性广播发送安全消息时出现的低投递率、高时延的问题。其技术方案为：包括相同事件过滤、事件统一预警和降低网络负载三个步骤。本发明的有益效果为：本发明为保证安全消息的投递性能，首先，设计了一个包含“事件等级”和“地理位置”字段的新型广播分组结构；其次，利用计算及存储资源丰富的路边单元RSU过滤冗余安全消息，由RSU协助发布广播消息，降低车辆源节点的广播发送速率，缓解信道竞争；最后通过实验，验证了新方法能够增大广播预警的覆盖范围，提高消息投递率，降低传输时延，满足了安全预警的性能需求。满足了安全预警的性能需求。满足了安全预警的性能需求。
技术研发人员：陈天翔 计逸辰 金绍威 陈亮
受保护的技术使用者：南通大学
技术研发日：2022.07.12
技术公布日：2022/11/1
