一种车联网中的安全消息单跳协作广播方法与流程

本发明属于车载无线通信领域，尤其是涉及一种车联网中的安全消息单跳协作广播方法。

背景技术：

随着经济和社会的发展，车辆已经成为人们生活密不可分的一个重要组成部分。但是，车辆在带给人们便利的同时，也带来了交通事故、道路拥堵、能源浪费和环境污染等顽疾。据不完全统计，全世界每年大约有120万人死于交通事故，超过2000万人受伤，造成的直接经济损失超过5万亿美元。为了解决上述问题，车联网便应运而生了。车联网通过无线通信技术实现车与车、车与道路设施、车与人等交通参与实体之间的相互通信和信息共享，达到减少交通事故、缓解道路拥堵和减轻环境污染等目的，已经成为国内外各高校、研究机构和车辆制造商共同关注的研究热点之一。

车联网可以支持多种不同种类的业务。总体而言，这些业务可以分为以下三类：安全相关的应用(如：变道辅助、碰撞预警和盲区警报等)、交通管理相关的应用(如：自动收费、交通状况采集和十字路口管理等)和娱乐相关的应用(如：游戏、Email和Internet接入等)。其中，与安全相关的应用通过安全消息的采集、传播与共享，到达预知和规避危险，提高行车安全的目的，是车联网中最重要也是最具特色的一类应用，是发展车联网的初衷所在。与其它消息不同，安全消息具有很强的突发性，并且对传输的时延和可靠性均有着严格的要求。另外，大部分的安全消息都是依靠广播的方式传递到目标区域中的各个车辆节点。因此，可靠而及时的安全消息广播方法是车联网的关键技术之一。

Q.Xu,T.Mak,J.Ko,R.Sengupta等人在文献“Vehicle-to-Vehicle Safety Messaging in DSRC”中，提出了一种基于重传的安全消息广播方法。该方法将消息的生命周期分成n个时隙，源节点以固定或者随机的方式从中挑选出k个时隙重复广播。这将增加目的节点接收数据包的机会，从而提高了接收成功率。但是，如果相邻的两个节点在同一时刻进行广播，就会造成碰撞，并且这种模式仍然存在着冗余广播，影响了协议的性能。为了减少碰撞的发生，H.Alshaer,E.Horlait等人在文献“An optimized adaptive broadcast scheme for inter-vehiclecommunication”中，提出了一种自适应的重广播算法，节点可以根据它周围两跳邻居的数量决定执行重广播的概率。另外K.Tang,M.Gerla等人在文献“MAC Reliable Broadcast in Ad Hoc Networks”中，将广播传输分解成多个单播传输。对每一个单播传输，源节点都使用RTS/CTS/DATA/ACK模式进行处理，以保证目的节点成功接收该数据包。但是，这种方法大大增加了协议的信令开销和冗余数据传输。为了克服这些弱点，M.T.Sun,L.Huang,A.Arora,T.H.Lai等人在文献“Reliable MAC Layer Multicast in IEEE 802.11Wireless Networks”中提出了一种多播协议。首先，源节点用RTS/CTS和每一个目的节点联系；然后，发送一次数据包；最后，再用RAK(Request for ACK)包从每个目的节点收集ACK包。综上所述，现有的基于重传或者回传确认机制的广播方法都是通过源节点自身多次重广播数据包的方法来提高接收成功率，这些方法无法很好地对抗由于无线信道衰落引起的接收失败。因此，研究一种可以对抗无线信道衰落的单跳广播方法成为车联网中安全消息可靠传输的当务之急。

技术实现要素：

本发明旨在针对现有技术无法对抗无线信道衰落的不足，提供在保证安全消息时延的前提下提高消息的接收成功率的车联网中的安全消息单跳协作广播方法。

本发明包括以下步骤：

1)建立邻居信道质量表

在步骤1)中，所述建立邻居信道质量表的具体方法可为：

(1)在多车道的道路上，每辆车都被分配给唯一的ID，每辆车都有相同的通信半径R_T，如果两辆车之间的距离小于R_T，那么它们之间可以直接通信，互相称为一跳邻居节点或者邻居节点；

(2)每辆车都装有GPS信号接收器，在GPS时钟信号的协助下，每辆车的系统时钟都可以实现同步，信道被划分为连续的时间帧，每个时间帧都包含有F(1,2,3…,F)个等长的时隙，每辆车在每帧中都被分配给固定的时隙，并在自己的时隙上接入信道；

(3)对于道路上的任意一个车辆节点a，当它所占用的时隙S_a到来时，如果有信息要发送，那么在该时隙中接入信道，将自己的信息发送出去；如果没有信息要发送，那么也要在自己的时隙上发送一个空数据包，以便自己的邻居节点侦听到自己的存在，并测量它们之间的信道状况，信道域用来发送自己与邻居节点之间的信道质量信息，协作域用来发送与协作重广播相关的信息，包括对安全消息接收结果的ACK(Acknowledge)信息、协作请求信息、协作应答信息和协作确认信息；

(4)道路上的任意车辆节点a都维护一个邻居节点信道质量表T_a，该表中记录了节点a与周围邻居节点的信道质量情况，当节点a接收到节点b发送过来的一个数据包后，a立即测量该数据包的接收功率，并在表T_a中更新对应项；等到自己的时隙S_a到来时，它便将T_a中的数据放在数据包的信道域中发送出去，由于所有的节点在每一帧内都会接入一次信道，发送自己的数据包，因此表T_a中的所有项目在每一帧内都会进行一次更新，以保证数据的实时性，则道路上的每个节点都知道自己与邻居节点之间的实时信道状况。

2)初始化广播，具体方法如下：

(1)对于道路上的任意车辆a，若它在道路上行驶遇到紧急或者危险等情况时，车上相应的安全应用立即产生出一条安全消息

(2)等到a所占用的时隙S_a到来时，它便将在该时隙中发送出去。

3)选择协作节点；

在步骤3)中，所述选择协作节点的具体方法可为：

(1)当发送出去后，a的邻居节点中有的节点成功接收了该消息，有的节点则由于噪声或者信道衰落等原因没有接收成功，没有接收成功的节点称为协作的目标节点，而已经接收成功的节点则称为备选协作节点；

(2)对于a的任意一个邻居节点b而言，如果它成功接收了数据包那么在自己的下一个数据包的协作域中增加一条对于接收成功的ACK消息，并在自己的时隙S_b到来时，将数据包发送出去；

(3)在a的所有邻居节点中，所有成功接收了数据包的节点，都在自己的下一个数据包中添加了对的ACK消息，当a的下一个时隙到来之前，a便知道了所有邻居节点的接收情况；

(4)在时隙中，节点a将协作请求和协作目标节点们的ID(d₁,d₂,…d_n)、自己到协作目标节点的接收功率发送出去；

(5)对于任意的备选协作节点c，当它接收到节点a的协作请求和a到协作目标的接收功率后，立即计算自己参与协作后，所有协作目标节点的预期接收功率如果c参与协作可以使得所有协作目标节点的预期接收功率都大于接收门限值P_th，那么c立即计算自己参与协作的总体功率增益

(6)当c的下一个时隙到来时，不立即发送数据包，而是先开启一个定时器，定时器的到期时间和总体功率增益成反比，表示为：

其中，P^MAX是本系统中节点可接收到的最大功率，T^MIN是最短延迟时间，T^MAX是最长延迟时间；

(7)当定时器到期以后，备选协作节点立即发送自己的数据包，并在其中包含有协作应答信息，根据式(1)，备选协作节点的总体功率增益越大，发送延迟越短；当连续F-1个时隙之后，源节点就可以接收到所有备选协作者的包含协作应答信息的数据包，然后，从中选出时延最小的节点作为协作节点；

4)协作重广播，具体方法如下：

(1)当源节点下一个时隙再次到来时，源节点不立即发送数据包，而是首先发送协作确认消息，该消息包括选中的节点ID和开始重传的时间；

(2)当备选节点收到协作确认消息之后，被选中的节点按照该消息中指明的时间执行协作重传，而未被选中的节点则不做任何动作。

本发明首先对每辆车建立起自己的邻居信道质量表，实时记录自己和每个邻居节点的信道情况；其次，进行初始化广播，当车辆遇到紧急情况时，便在自己的时隙中将安全消息广播出去；然后，进行协作节点选择，源节点根据各备选协作节点发送协作应答消息的快慢选择最优的协作节点；最后，进行协作重传，被选中的协作节点和源节点一起在源节点的时隙内重传数据包。

附图说明

图1为本发明实施例的道路场景。

图2为本发明实施例的帧结构。

图3为本发明实施例的包结构。

图4为本发明实施例的竞争协作节点。

图5为本发明实施例的协作重广播。

图6为本发明实施例的网络结构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将通过以下实施例对本发明作进一步的详细说明。

步骤1)建立邻居信道质量表

1.1如图1所示，在多车道的道路上面，每辆车都被分配给唯一的ID，每辆车都有相同的通信半径R_T。如果两辆车之间的距离小于R_T，那么，它们之间可以直接通信，互相称为一跳邻居节点或者邻居节点。

1.2每辆车都装有GPS信号接收器，在GPS时钟信号的协助下，每辆车的系统时钟都可以实现同步。如图2所示，信道被划分为连续的时间帧，每个时间帧都包含有F(1,2,3…,F)个等长的时隙，每辆车在每帧中都被分配给固定的时隙，并在自己的时隙上接入信道。

1.3对于道路上的任意一个车辆节点a，当它所占用的时隙S_a到来时，如果有信息要发送，它便在该时隙中接入信道，将自己的信息发送出去；如果没有信息要发送，它也要在自己的时隙上发送一个空数据包，以便自己的邻居节点侦听到自己的存在，并测量它们之间的信道状况。数据包的格式如图3所示，其中，信道域用来发送自己与邻居节点之间的信道质量信息，协作域用来发送与协作重广播相关的信息，包括对安全消息接收结果的ACK(Acknowledge)信息、协作请求信息、协作应答信息和协作确认信息。

1.4道路上的任意车辆节点a都维护一个邻居节点信道质量表T_a，该表中记录了节点a与周围邻居节点的信道质量情况。当节点a接收到节点b发送过来的一个数据包后，a立即测量该数据包的接收功率，并在表T_a中更新对应项。等到自己的时隙S_a到来时，它便将T_a中的数据放在数据包的信道域中发送出去。由于所有的节点在每一帧内，都会接入一次信道，发送自己的数据包，因此，表T_a中的所有项目在每一帧内都会进行一次更新，以保证数据的实时性。这样一来，道路上的每个节点都知道自己与邻居节点之间的实时信道状况。

步骤2初始化广播

2.1对于道路上的任意车辆a，若它在道路上行驶时，遇到紧急或者危险等情况时，车上相应的安全应用立即产生出一条安全消息

2.2等到a所占用的时隙S_a到来时，它便将在该时隙中发送出去。

步骤3选择协作节点

3.1当发送出去后，a的邻居节点中有的节点成功接收了该消息，有的节点则由于噪声或者信道衰落等原因没有接收成功。没有接收成功的节点称为协作的目标节点，而已经接收成功的节点则称为备选协作节点。

3.2对于a的任意一个邻居节点b而言，如果它成功接收了数据包它便在自己的下一个数据包的协作域中增加一条对于接收成功的ACK消息，并在自己的时隙S_b到来时，将数据包发送出去。

3.3在a的所有邻居节点中，所有成功接收了数据包的节点，都在自己的下一个数据包中添加了对的ACK消息。因此，当a的下一个时隙到来之前，a便知道了所有邻居节点的接收情况。

3.4在时隙中，节点a将协作请求和协作目标节点们的ID(d₁,d₂,…d_n)、自己到协作目标节点的接收功率发送出去。

3.5对于任意的备选协作节点c，当它接收到节点a的协作请求和a到协作目标的接收功率后，立即计算自己参与协作后，所有协作目标节点的预期接收功率如果c参与协作可以使得所有协作目标节点的预期接收功率都大于接收门限值P_th，那么c立即计算自己参与协作的总体功率增益

3.6当c的下一个时隙到来时，它不立即发送数据包，而是先开启一个定时器，定时器的到期时间和总体功率增益成反比，表示为：

其中，P^MAX是本系统中节点可接收到的最大功率，T^MIN是最短延迟时间，T^MAX是最长延迟时间。

3.7如图4所示，当定时器到期以后，备选协作节点立即发送自己的数据包，并在其中包含有协作应答信息。根据(1)，备选协作节点的总体功率增益越大，发送延迟越短。当连续F-1个时隙之后，源节点就可以接收到所有备选协作者的包含协作应答信息的数据包，然后，它从中选出时延最小的节点作为协作节点。

步骤4协作重广播

4.1如图5所示，当源节点下一个时隙再次到来时，源节点并不立即发送数据包，而是首先发送协作确认消息，该消息包括以下内容：选中的节点ID和开始重传的时间。

4.2当备选节点收到协作确认消息之后，被选中的节点按照该消息中指明的时间执行协作重传，而未被选中的节点则不做任何动作。

以下给出具体实施例：

步骤1建立邻居信道质量表

1.1如图6所示，本实施例中一共有7个车辆节点，这7个车辆节点都有唯一的ID(1,2,…,7)，分布在一条有3个车道的道路上面。所有车辆都有相同的通信半径500m，如果两辆车之间的距离小于500m，那么它们互相成为一跳邻居节点，彼此之间用直线相连。

1.2道路上的7个车辆节点都安装了GPS接收器，并在GPS时钟信号的帮助下实现了时钟同步。信道被划分为长度为10ms的连续的时间帧，每个帧又被划分为100个等长的时隙，每个时隙的长度为0.1ms。

1.3 ID为1～7的7辆车分别占有每一帧的第11、13、19、22、24、33和35号时隙。当它们对应的时隙到来时，如果有信息要发送，便在该时隙中接入信道，将自己的信息发送出去；如果没有信息要发送，也要在自己的时隙上发送一个空数据包，以便自己的邻居节点侦听到自己的存在，并测量它们之间的信道状况。

1.4道路上的7个车辆节点各自维护一张自己的邻居节点信道质量表。我们以节点5为例进行说明。如图6所示，节点5的邻居节点有2、3、4和6，因此，节点5的表T₅中一共有8个项目，分别是(5,2,25dbm)、(5,3,26dbm)、(5,4,30dbm)、(5,6,10dbm)、(2,5,26dbm)、(3,5,25dbm)、(4,5,28dbm)和(6,5,11dbm)，分别记录了节点5到邻居节点和邻居节点到节点5之间的信息状况。其更新流程如下：在每一帧的第13个时隙上，如果节点5接收到来自节点2的数据包，并立即测量该数据包的接收功率23dbm，那么，节点5立即更新表中的对应项为(2,5,23dbm)，同时，节点2数据包的信道域中记录了节点5到2的接收功率为24dbm，那么，更新表中对应项为(5,2,24dbm)；如果节点5没有接收到来自节点2的数据包，说明此时信道质量较差，因此更新表中对应项为(2,5,0dbm)。依次类推，节点5在时隙19、22和33到来后，分别更新表中与节点3、4和6有关的项。

步骤2初始化广播

车辆5突然抛锚在了路上，此时负责紧急停车的应用立即产生一条安全消息等到5所占用的第24号时隙(第10帧)到来时，它便将该消息发送出去。

步骤3选择协作节点

3.1当发送出去后，节点5的邻居节点2、3和4成功接收了该消息，而节点6由于信道质量较差，没有接收成功。于是，节点2、3和4成为了协作重广播的备选协作节点，节点6成为了协作目标节点。

3.2对于节点5的邻居节点2、3和4而言，由于它们接收了数据包它们便分别在自己的下一个时隙到来时，发送一个包含对确认的ACK消息的数据包；而节点6由于没有接收到数据包没有在自己的数据包中加入ACK消息。

3.3当第11帧的24号时隙到来之前，节点5便知道了节点2、3和4已经成功接收了数据包而节点6没有接收到数据包

3.4在第11帧的24号时隙上，节点5将协作请求、协作目标节点ID(6)和自己到协作目标节点的接收功率ID(10dbm)加入到数据包的协作域上发送出去。

3.5对于备选协作节点2、3和4来所，当它们接收到数据包后，立即计算自己参与协作后，目标节点的预期接收功率，分别为：18dbm、25dbm和30dbm。由于所获得的预期增益小于接收门限值20dbm，节点2放弃参与协作竞争，剩下的节点3和4则决定参与协作竞争。

3.6当第12帧的19号时隙到来时，节点3不立即发送数据包，而是先开通一个定时器，定时器的到期时间为

当第12帧的22号时隙到来时，节点4计算出自己的定时器到期时间为16.7μs。

3.7当节点3和4的定时器到期后，节点3和4在保护间隔后，立即发送自己的数据包，并在其中包含对数据包的协作应答信息。源节点根据节点3和4的发送时延大小，选择出节点4作为协作节点。

步骤4协作重广播

4.1当第12帧的24号时隙到来时，源节点5并不立即发送数据包，而是首先发送协作确认消息，该消息包括以下内容：选中的协作节点4和开始重传的时间50μs。

4.2当节点4接收到协作确认消息后，按照消息的要求，延迟50μs后，和源节点5一起重新发送广播包而其它节点不做任何动作。