本发明涉及车辆安全系统中广播传输公平性控制算法技术领域，尤其涉及一种协同车辆安全系统广播传输公平性控制算法。
背景技术：
协同车辆安全性系统(cvss,cooperativevehiclesafetysystem)通过周期性广播含有车辆速度、加速度、位置等基本状态信息的单跳数据分组，以此追踪邻居车辆的位置，探测潜在的交通危险，及时告警避免车辆之间的碰撞。因此，cvss在车联网安全应用中发挥着重要作用。
广播分组的发送周期设置，直接影响cvss的性能。一方面，如果发送周期设置过大(发送速率过小)，安全提示的更新跟不上车辆行驶情况的动态变化，则安全告警机制起不到预设的作用。另一方面，如果发送周期设置过小(发送速率过大)，数据分组间的碰撞将会增加，从而导致数据分组的接受率下降。由于车辆追踪依赖于周期性广播的数据分组，信道拥塞会严重影响cvss的追踪性能，最终造成安全告警机制失效。
为了解决上述问题，需要研究如何合理调节车辆的广播分组的发送速率，既防止信道空闲造成的浪费，又避免信道拥塞造成的发送失败。为了优化车联网信道资源，有研究方案考虑给不同安全需求的车辆设置不同的广播发送速率，优化了信道资源配置，合理提高了信道的利用率。
但目前的研究主要集中在车联网广播系统的整体性能上，例如广播分组的整网递送到达率与整网消息产生率，没有考虑车联网中各节点在配置不同的广播发送速率后，具体的性能差异。换言之，当车联网中的节点各自以不同的速率广播消息时，各速率节点是否互相影响，又影响到何种程度，接收方能否以发送方设置的速率，接收源节点的数据，这些问题的研究尚不充分。
技术实现要素：
本发明的目的在于，提出了一种协同车辆安全系统中的广播传输公平性控制算法，可以改善弱势节点的分组投递率。针对车联网协同车辆安全系统的广播公平性问题，网内可能存在传输异常的弱势节点；设计了一个包含“发送速率域”与“弱势地址域”的新广播分组结构，提出一个基于反馈控制的弱势节点发现、通告及传输改进算法，最后通过实验，验证了新算法可有效消除弱势节点，提高了车联网各节点的传输公平性。协同车辆安全系统广播传输公平性控制算法
本发明是通过如下措施实现的：一种协同车辆安全系统广播传输公平性控制算法，其中，所述控制算法包括以下步骤：
s1：弱势节点的发现：由于传输冲突造成分组丢失，其发送的部分分组，未被正确接收，最终导致弱势节点的出现，既然车联网中可能存在传输弱势节点，那么，首先要解决如何发现弱势节点问题，本发明在广播分组结构中，分别增加一个“发送速率域”(1字节)、一个“弱势地址域”(4字节)，如图3所示；
结合广播分组中增加的两个数值域，弱势节点的发现步骤如下：
(1)发送节点i在发送广播分组前，在分组的“发送速率域”中填入当前的发送速率ri_ref；
(2)接收节点j收到节点i的广播后，读取“发送速率域”中源端i设置的发送速率，同时，定期统计来自节点i的分组实际接收率ri_sta；
(3)如果ri_sta/ri_ref的结果大于设定的阈值th，则可判定节点i为弱势节点；
s2：弱势节点的通告：
一旦接收方j判定节点i为弱势节点，具体过程步骤如下：
(1)接收节点j在自身广播消息中的“弱势地址域”中填写节点i的ip地址，并发送广播；
(2)发送节点i收到j的广播后，如果“弱势地址域”中存在自己的ip地址，则可确认自身为弱势节点，自己的广播传输出现了问题；
s3：弱势节点的传输改进：
弱势节点之所以传输异常，是由于其发送的分组，多次与其他节点发送的分组碰撞所致，由于无线信号互相叠加干扰，接收方无法正确收到数据，根据上述步骤s1和步骤s2的五个步骤，如果发送节点i确认自身为弱势节点，则需要采取措施，尽量减少传输中碰撞发生的次数；
下面将分析影响弱势节点分组碰撞次数的因素，从而有针对性的提出传输改进策略。
具体实现过程如下：
首先考虑节点i成功发送一个广播分组的情况，由于广播应用没有ack确认帧机制，则发送一个广播帧的时间t可写为：
t＝tdifs tbo tdata tsifs(1)
其中，tdata为发送一帧的时间，tbo为backoff退避时间，tdifs为分布式帧间间隙时间，tifs为短帧间间隙时间。上述时间的单位均为秒。
根据tdata的定义，有
其中，r为发送速率，单位为mb/s；l为广播分组长度，单位字节(b)。
将公式(2)带入公式(1)，有
tbo仅与竞争窗口值相关，一般取
考虑时间[0,t]内碰撞发生的次数m(t)，假定m(t)服从速率为λ的泊松分布，对m(t)取数学期望，
e[m(t)]＝λt
根据泊松分布性质，有
其中，n是网络中的节点个数，η为碰撞概率，t为发送一个广播帧的时间(单位：秒)，l为广播分组的长度(单位：字节b)；
根据公式(5)，时间[0,t]内碰撞发生的次数m(t)的数学期望可写为
对公式(6)右侧表达式的分子分母同时除以l，有
其中，碰撞概率η只与节点数n、初始竞争窗口cwmin及最大重传次数m有关，当以上三个物理量确定时，可认为碰撞概率η为常数。
由式(7)可见，当其他物理量不变时，广播分组的长度l越小，单位时间内碰撞的次数就越小。据此，对特定的传输弱势节点，减小其广播分组的长度，以尽量减少该节点发送分组时与其他节点碰撞的机会。
但广播分组的长度l也不是越小越好，首先，安全广播分组中包含了车速、加速度、位置等基本状态信息，不可能任意压缩分组长度，其次，应用层上的广播分组会在网络层、mac层逐层封装，不可避免地添加各层的包头信息，考虑网络层ip报头长度为20字节，802.11无线局域网mac层帧头长度为30b，报头和帧头的传输都会占用信道资源，如果作为应用载荷的广播内容过短，每个广播消息在mac层上封装后，其有效信息将很少，只会浪费传输资源，使得该节点的传输效率变低。
因此，假设广播分组的一般长度为l，则传输弱势节点的广播分组可设为k*l。k为比例系数，一般取0.8-0.6。
广播传输公平性控制算法的核心流程如下：
公平性问题的提出
实验环境：车联网中设置100个车辆节点。为了避免干扰，设置1个不发送广播的监听节点，其他节点均为广播节点。定义发送速率为12个/s的节点为高速节点，发送速率为4个/s的节点为低速节点。设置相应的发射功率，保证每辆车都在彼此的传输范围之内。实验时长均为10秒。广播分组长度l均为500b。
实验1分三种情况：
情况a：99个高速节点 1个监听节点
情况b：20个低速度 79个高速节点 1个监听节点
情况c：99个低速度 1个监听节点
三种情况的整网广播分组的分组投递情况，如图1所示。
如图1，车联网内全都是高速广播节点时，信道竞争激烈，分组投递率仅约为85％。当部分节点根据自身安全需要降低发送速率时，投递率提升至91％。如果全部节点采用低速率发送，则投递率可达98％。可见，根据不同车辆的交通安全需求，给不同的车辆节点设置不同的广播速率，可以合理配置信道容量资源，有效提高信道的利用率。
但是对情况b而言，图1只统计了整网的广播性能情况，并没有研究每个节点的情况。下面具体统计情况b下代表节点的分组投递情况，如图2所示。
由图2可见，当同一网络中存在多种速率节点时，传输时可能出现不公平性问题。从整体上看，差异化的节点发送速率保证了信道资源的合理分配，系统投递成功率比较高，但个别节点(如节点9)却存在传输瓶颈现象，其分组投递的成功率仅70％左右。
将图1与图2的对比说明，网络整体的分组投递率，无法代表全部节点的广播收发情况。车联网各终端在按不同的发送速率广播分组时，存在一些弱势节点，其投递率远低于平均值，这给依赖cvss的行车安全带来一定程度的安全隐患。因此，需要研究车联网协同车辆安全性系统广播公平性问题。
改进算法的实验验证：
实验环境同上：
实验2、20个低速度 79个高速节点 1个监听节点：
根据实验1情况b的结果，9号低速节点传输异常。因此，根据反馈控制机制，算法自动将9号传输弱势节点的广播分组长度设为初始值的80％，即l(t)＝500*0.8＝400b，其他实验条件不变。改进前后的实验节点性能如图4所示，具体的传输分组数量增长情况见图5。
实验3、10个低速度 89个高速节点 1个监听节点：
根据实验3的结果，6、9及16号低速节点传输异常。可以发现，随着网络负载的增加，信道竞争与冲突加剧，弱势节点数量也开始增加。因此，根据反馈控制机制，算法自动将上述3个弱势节点的广播分组长度设为初始值的80％，即l(t)＝500*0.8＝400b，其他实验条件不变。改进前后的实验节点性能如图6所示。本发明的有益效果为：本发明通过实验发现车联网协同车辆安全系统的广播公平性问题，网内可能存在传输异常的弱势节点；其次，设计了一个包含“发送速率域”与“弱势地址域”的新广播分组结构，据此提出一个基于反馈控制的弱势节点发现、通告及传输改进算法，最后通过实验，验证了新算法可有效消除弱势节点，提高车联网各节点的传输公平性。
附图说明
图1为本发明的实验1的三种情况下整网广播分组投递率对比的示意图。
图2为本发明实验1的情况b中各节点分组投递率比较的示意图。
图3为本发明的广播分组结构示意图。
图4为本发明实验2采用传输改进算法前后的投递率对比示意图。
图5为本发明实验2改进前后的9号节点接受分组数量对比示意图。
图6为本发明实验3采用传输改进算法前后的投递率对比对比示意图。
具体实施方式
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。
参见图1至图6，本发明提供其技术方案为，一种协同车辆安全系统广播传输公平性控制算法，其特征在于，所述控制算法包括以下步骤：
s1：弱势节点的发现：由于传输冲突造成分组丢失，其发送的部分分组，未被正确接收，最终导致弱势节点的出现，既然车联网中可能存在传输弱势节点，那么，首先要解决如何发现弱势节点问题，本发明在广播分组结构中，分别增加一个“发送速率域”(1字节)、一个“弱势地址域”(4字节)，如图3所示；
结合广播中增加的两个数值域，弱势节点的发现步骤如下：
(1)发送节点i在发送广播分组前，在分组的“发送速率域”中填入当前的发送速率ri_ref；
(2)接收节点j收到节点i的广播后，读取“发送速率域”中源端i设置的发送速率，同时，定期统计来自节点i的分组实际接收率ri_sta；
(3)如果ri_sta/ri_ref的结果大于设定的阈值th，则可判定节点i为弱势节点；
s2：弱势节点的通告：
一旦接收方j判定节点i为弱势节点，具体过程步骤如下：
(1)接收节点j在自身广播消息中的“弱势地址域”中填写节点i的ip地址，并发送广播；
(2)发送节点i收到j的广播后，如果“弱势地址域”中存在自己的ip地址，则可确认自身为弱势节点，自己的广播传输出现了问题；
s3：弱势节点的传输改进：
弱势节点之所以传输异常，是由于其发送的分组，多次与其他节点发送的分组碰撞所致，由于无线信号互相叠加干扰，接收方无法正确收到数据，根据上述步骤s1和步骤s2的五个步骤，如果发送节点i确认自身为弱势节点，则需要采取措施，尽量减少传输中碰撞发生的次数；
下面将分析影响弱势节点分组碰撞次数的因素，从而有针对性的提出传输改进策略。
具体实现过程如下：
首先考虑节点i成功发送一个广播分组的情况，由于广播应用没有ack确认帧机制，则发送一个广播帧的时间t可写为：
t＝tdifs tbo tdata tsifs(1)
其中，tdata为发送一帧的时间，tbo为backoff退避时间，tdifs为分布式帧间间隙时间，tifs为短帧间间隙时间。上述时间的单位均为秒。
根据tdata的定义，有
其中，r为发送速率，单位为mb/s；l为广播分组长度，单位字节(b)。
将公式(2)带入公式(1)，有
tbo仅与竞争窗口值相关，一般取
考虑时间[0,t]内碰撞发生的次数m(t)，假定m(t)服从速率为λ的泊松分布，对m(t)取数学期望，
e[m(t)]＝λt
根据泊松分布性质，有
其中，n是网络中的节点个数，η为碰撞概率，t为发送一个广播帧的时间(单位：秒)，l为广播分组的长度(单位：字节b)；
根据公式(5)，时间[0,t]内碰撞发生的次数m(t)的数学期望可写为
对公式(6)右侧表达式的分子分母同时除以l，有
其中，碰撞概率η只与节点数n、初始竞争窗口cwmin及最大重传次数m有关，当以上三个物理量确定时，可认为碰撞概率η为常数。
由式(7)可见，当其他物理量不变时，广播分组的长度l越小，单位时间内碰撞的次数就越小。据此，对特定的传输弱势节点，减小其广播分组的长度，以尽量减少该节点发送分组时与其他节点碰撞的机会。
但广播分组的长度l也不是越小越好，首先，安全广播分组中包含了车速、加速度、位置等基本状态信息，不可能任意压缩分组长度，其次，应用层上的广播分组会在网络层、mac层逐层封装，不可避免地添加各层的包头信息，考虑网络层ip报头长度为20字节，802.11无线局域网mac层帧头长度为30b，报头和帧头的传输都会占用信道资源，如果作为应用载荷的广播内容过短，每个广播消息在mac层上封装后，其有效信息将很少，只会浪费传输资源，使得该节点的传输效率变低。
因此，假设广播分组的一般长度为l，则传输弱势节点的广播分组可设为k*l。k为比例系数，一般取0.8-0.6。
广播传输公平性控制算法的核心流程如下：
公平性问题的提出
实验环境：车联网中设置100个车辆节点。为了避免干扰，设置1个不发送广播的监听节点，其他节点均为广播节点，定义发送速率为12个/s的节点为高速节点，发送速率为4个/s的节点为低速节点，设置相应的发射功率，保证每辆车都在彼此的传输范围之内，实验时长均为10秒，广播分组长度l均为500b。
实验1分三种情况。
情况a：99个高速节点 1个监听节点
情况b：20个低速度 79个高速节点 1个监听节点
情况c：99个低速度 1个监听节点
三种情况的整网广播分组的分组投递情况，如图1所示。
如图1，车联网内全都是高速广播节点时，信道竞争激烈，分组投递率仅约为85％。当部分节点根据自身安全需要降低发送速率时，投递率提升至91％，如果全部节点采用低速率发送，则投递率可达98％，可见，根据不同车辆的交通安全需求，给不同的车辆节点设置不同的广播速率，可以合理配置信道容量资源，有效提高信道的利用率。
但是对情况b而言，图1只统计了整网的广播性能情况，并没有研究每个节点的情况。下面具体统计情况b下代表节点的分组投递情况，如图2所示。
由图2可见，当同一网络中存在多种速率节点时，传输时可能出现不公平性问题，从整体上看，差异化的节点发送速率保证了信道资源的合理分配，系统投递成功率比较高，但个别节点(如节点9)却存在传输瓶颈现象，其分组投递的成功率仅70％左右。
将图1与图2的对比说明，网络整体的分组投递率，无法代表全部节点的广播收发情况。车联网各终端在按不同的发送速率广播分组时，存在一些弱势节点，其投递率远低于平均值，这给依赖cvss的行车安全带来一定程度的安全隐患。
改进算法的实验验证：
实验环境同上所示。
实验2、20个低速度 79个高速节点 1个监听节点：
根据实验1情况b的结果，9号低速节点传输异常。因此，根据反馈控制机制，算法自动将9号传输弱势节点的广播分组长度设为初始值的80％，即l(t)＝500*0.8＝400b，其他实验条件不变。改进前后的实验节点性能如图4所示，具体的传输分组数量增长情况见图5。
实验3、10个低速度 89个高速节点 1个监听节点：
根据实验3的结果，6、9及16号低速节点传输异常。可以发现，随着网络负载的增加，信道竞争与冲突加剧，弱势节点数量也开始增加。因此，根据反馈控制机制，算法自动将上述3个弱势节点的广播分组长度设为初始值的80％，即l(t)＝500*0.8＝400b，其他实验条件不变。改进前后的实验节点性能如图6所示。
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。
1.一种协同车辆安全系统广播传输公平性控制算法，其特征在于，所述控制算法包括以下步骤：
s1：弱势节点的发现：
(1)发送节点i在发送广播分组前，在分组的“发送速率域”中填入当前的发送速率ri_ref；
(2)接收节点j收到节点i的广播后，读取“发送速率域”中源端i设置的发送速率，同时，定期统计来自节点i的分组实际接收率ri_sta；
(3)如果ri_sta/ri_ref的结果大于设定的阈值th，则可判定节点i为弱势节点；
s2：弱势节点的通告：
(1)接收节点j在自身广播消息中的“弱势地址域”中填写节点i的ip地址，并发送广播；
(2)发送节点i收到j的广播后，如果“弱势地址域”中存在自己的ip地址，则可确认自身为弱势节点，自己的广播传输出现了问题；
s3：弱势节点的传输改进：
弱势节点之所以传输异常，是由于其发送的分组，多次与其他节点发送的分组碰撞所致，由于无线信号互相叠加干扰，接收方无法正确收到数据，根据上述步骤s1和步骤s2的五个步骤，如果发送节点i确认自身为弱势节点，则需要采取措施，尽量减少传输中碰撞发生的次数；
具体实现过程如下：
首先考虑节点i成功发送一个广播分组的情况，由于广播应用没有ack确认帧机制，则发送一个广播帧的时间t可写为：
t＝tdifs tbo tdata tsifs(1)
其中，tdata为发送一帧的时间，tbo为backoff退避时间，tdifs为分布式帧间间隙时间，tifs为短帧间间隙时间，上述时间的单位均为秒；
根据tdata的定义，有
其中，r为发送速率，单位mb/s；l为广播分组长度，单位字节(b)；
将公式(2)带入公式(1)，有
tbo仅与竞争窗口值相关，一般取
考虑时间[0,t]内碰撞发生的次数m(t)，假定m(t)服从速率为λ的泊松分布，对m(t)取数学期望，
e[m(t)]＝λt
根据泊松分布性质，有
其中，n是网络中的节点个数，η为碰撞概率，t为发送一个广播帧的时间，l为广播分组的长度；
根据公式(5)，时间[0,t]内碰撞发生的次数m(t)的数学期望可写为
对公式(6)右侧表达式的分子分母同时除以l，有
其中，碰撞概率η只与节点数n、初始竞争窗口cwmin及最大重传次数m有关，当以上三个物理量确定时，可认为碰撞概率η为常数。
技术总结