面向平安出行的异构网络环境中安全消息广播方法

摘要

本发明涉及一种面向平安出行的异构网络环境中安全消息广播方法，该方法在LTE系统的eMBMS中，将服务信息按服务优先级从高到低划分为一级交通告警、二级交通告警、交通信息服务和eMBMS本身业务，根据eNodeB与事故发生地点的远近广播相应的服务信息。与现有技术相比，本发明为需要及时802.11p信息交互的车辆预留信道资源、增大包专递成功率；在紧急消息发生的小区内防止802.11p信道拥塞、广播风暴等问题。

说明书

技术领域

本发明涉及蜂窝网络、车辆自组织网络等通信领域，尤其是涉及一种面向平 安出行的异构网络环境中安全消息广播方法。

背景技术

在第三代移动通信领域，MBMS(Multimedia Broadcast Multicast Service，多 媒体广播多播业务)是手机电视业务的技术及基石。MBMS提供点对多点的传送 多媒体的发送机制，资源消耗与用户数的增长无关，从而为节省3G网络非常紧张 的空口资源、规避移动网络容量劣势寻找到了根本途径。用户数越多，MBMS在 容量和成本方面的优势发挥就越明显。

4G高带宽、低时延的特性将促进视频业务的发展，为人们用视频沟通、分享、 获取信息提供了更大的空间，市场发展潜力巨大。基于4G LTE的eMBMS(增强 型MBMS)技术，具备一对多的传输优势，使得电信运营商可以更高效地利用现 有频谱和移动网络，向用户传送更高质量、更及时的内容，为车辆网络交通安全广 播提供了新的参考方向。

针对无线接入技术应用于车辆通信网络，IEEE结合政府、车厂及各个电信厂 商，成立了802.11p工作组以制定IEEE802.11在车辆环境下无线接入(Wireless  Access in the Vehicular Environment，WAVE)的版本，并以IEEE1609系列协议作为 上层协议，从而形成DSRC(Dedicated Short Range Communications，专用短程通 信技术)的基本协议构架。802.11p网络即时性好，具有一定的带宽，但是信道资 源有限，特别是与安全消息相关的CCH信道只有10M带宽，车流密度加大时容易 产生退避时间增大、信道拥塞等问题。

如何将蜂窝网络与802.11p车辆自组织网络两种异构网络的优势相结合，解决 802.11p网络自身的拥塞问题，是本发明专注解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种面向平安出 行的异构网络环境中安全消息广播方法，根据突发的交通状况自适应地调整广播频 率，保证一定LTE广播即时性的条件下，为需要及时802.11p信息交互的车辆预留 信道资源、增大包专递成功率、防止信道拥塞。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种面向平安出行的异构网络环境中安全消息广播方法，该方法在LTE系统 的eMBMS中，将服务信息按服务优先级从高到低划分为一级交通告警、二级交通 告警、交通信息服务和eMBMS本身业务，根据eNodeB与事故发生地点的远近广 播相应的服务信息，具体包括以下步骤：

1)事故车辆或周围车辆通过LTE上行链路以一定上报频率将事故信息上报给 事故发生小区的eNodeB，所述的上报频率根据以下公式自适应变化：

f_LTE-UL＝C+h·V_danger

其中，C为常数，V_danger为事故车辆的移动速度，h为速度系数，f_LTE-UL为事故 车辆或周围车辆的上报频率；

2)eNodeB收到事故信息后向本小区内的车辆广播一级交通告警，并通过EPC 或有限网络将事故信息发送给相邻小区，所述的一级交通告警的广播频率根据以下 公式自适应变化：

$f_{\mathrm{LTE}-\mathrm{BC}}=N·R·{\Sigma }_{i=1}^n{f}_{\mathrm{LTE}-\mathrm{ULi}}$

其中，N为eNodeB本身的负载因子，R为本小区所覆盖的公路信息，f_LTE-ULi为第i个车辆的上报频率，n为单位时间内通过LTE上行链路上报事故信息的车辆 数目，f_LTE-BC为eNodeB的一级交通告警广播频率；

3)相邻小区根据接收到的事故信息选择在自身覆盖范围内广播二级交通告警 或交通服务信息；

4)事故车辆的后续车辆若接收到一级交通告警，则降低车速，并根据以下公 式自适应调整802.11p Beacon帧发送频率：

f_beacon′＝(1-θ)·f_beacon+θ·k·V_self·Pri/f_LTE-BC

其中，θ为权重系数，f_beacon为上一时刻的Beacon帧发送速率，其初始值为 f_beacon-ini，f_beacon′为下一时刻的Beacon帧发送速率，V_self为后续车辆自身的行驶速度， k为代表速度系数的常量，Pri是Beacon优先级系数，不同类型的车辆有不同的优 先级系数；

5)后续车辆记录未收到一级交通告警的持续时间，并判断该时间是否大于T_thre， 若是，则将Beacon帧发送速率恢复至f_beacon-ini，若否，则保持Beacon帧发送速率 不变，T_thre为Beacon帧发送速率回升的临界参数。

所述的根据eNodeB与事故发生地点的远近广播相应的服务信息具体为：

根据发生突发或重大交通事故的小区所处的位置，在本小区内广播一级交通告 警，一级交通告警包括车辆紧急消息、突发交通事故或重大交通事故；

相邻小区在自身覆盖范围内用低于一级交通告警广播频率的频率广播二级交 通告警，二级交通告警包括行驶安全消息或驾驶建议；

相邻小区外围的相邻小区通过Internet获悉交通信息以后，在本小区用低于二 级交通告警广播频率的频率广播交通信息服务，交通信息服务包括前方道路交通状 况、车流密度或路线建议；

其他的小区进行正常的eMBMS本身业务广播，eMBMS本身业务包括娱乐、 新闻资讯或体育赛事服务。

所述的事故信息包括事故车辆或事故地点GPS信息、事故类型和事故发展信 息。

该方法还包括紧急消息广播步骤，具体为：

当车流量密度较大，前方车辆需要广播紧急消息时，前方车辆广播802.11p紧 急消息的同时，将紧急消息上报给eNodeB，eNodeB在其覆盖范围内进行一级交 通告警广播，后续车辆收到802.11p紧急消息以后，降低车速。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、LTE网络带宽大、延迟较小。采用LTE广播的方式，保证了搭载LTE终端 例如驾驶员手机、Telematics终端的车辆可以收到较为及时的安全信息。即使车辆 未装有802.11p终端，也可以根据收到的安全信息采取预防措施。

2、后续车辆收到LTE的一级广播告警信息以后，根据接收频率与自身车速， 动态自适应地调整802.11p Beacon帧发送频率，为前方需要802.11p及时信息交互 的车辆预留更多的信道资源，减少退避时间与可能的数据包碰撞机率。

3、单纯的802.11p网络在车辆节点较多的时候可能会产生信道拥塞，eNodeB 功率大，覆盖范围广。用户数越多，MBMS在容量和成本方面的优势发挥就越明 显。LTE中的eMBMS支持高品质的流媒体和及时性广播服务，将紧急情况交于 eNodeB协助广播，车辆节点之间减少或不转发802.11p广播数据包，极大地遏制 了车辆密度较大时单纯802.11p网络广播可能造成的信道拥塞问题。

4、蜂窝网络基础完善，运营模式清晰，国内目前已经完成了4G牌照的发放， 方案可行性较强。

附图说明

图1为本发明LTE eMBMS安全消息广播优先级划分示意图；

图2为本发明LTE eMBMS安全消息广播的总体架构图；

图3为车辆驶入eMBMS安全消息广播小区的数据交互流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种面向平安出行的异构网络环境中安全消息广播方法，该方法在LTE系统 的eMBMS中，将服务信息按服务优先级从高到低划分为一级交通告警(优先级3)、 二级交通告警(优先级2)、交通信息服务(优先级1)和eMBMS本身业务(优先 级0)，如图1所示，根据eNodeB(基站)与事故发生地点的远近广播相应的服务 信息。一级交通告警频率由一级告警等级和单位时间内的危险上报车辆数量和频率 决定。一级交通告警的内容包括车辆紧急消息、突发交通事故、重大交通事故等， 频率最高，更新最及时。二级交通告警频率由二级告警等级决定，频率固定，低于 一级告警频率，主要广播行驶安全消息，例如前方冰雪路面、前方雾霾、给驾驶员 的驾驶建议等。交通信息服务频率最低，频率固定，主要广播前方道路交通状况、 车流密度，给驾驶员的路线建议等，广播优先级较低。eMBMS收费业务，提供多 媒体广播多播业务，例如体育赛事转播、新闻转播、Telematics在线娱乐等。

如图2所示，根据发生突发或重大交通事故的小区所处的位置，在本小区内广 播一级告警信息。LTE蜂窝郊区覆盖半径在1－2km，发生事故的小区通过EPC和 有线网络，通知相邻小区事故状况，相邻小区在自身覆盖范围内用低于一级交通告 警广播频率的频率广播二级告警信息，提醒后方车辆驾驶员前方发生交通事故，谨 慎驾驶。相邻小区外围的相邻小区通过Internet获悉交通信息以后，在本小区用低 于一级交通告警广播频率的频率(节省资源)发送交通状况信息，收到该信息的驾 驶员可以提前选择绕行等方案，节省因为交通事故浪费的时间，提高交通效率。其 他的小区进行正常的eMBMS广播，提供娱乐、新闻资讯、体育赛事等服务。

上述面向平安出行的异构网络环境中安全消息广播方法具体包括以下步骤：

1)事故车辆或周围车辆通过LTE上行链路以一定上报频率将事故信息上报给 事故发生小区的eNodeB，所述的事故信息包括事故车辆或事故地点GPS信息、事 故类型和事故发展信息等，所述的上报频率根据以下公式自适应变化：

f_LTE-UL＝C+h·V_danger    (1)

其中，C为常数，V_danger为事故车辆的移动速度，h为速度系数，f_LTE-UL为事故 车辆或周围车辆的上报频率；

2)eNodeB收到事故信息后向本小区内的车辆广播一级交通告警，并通过EPC 或有限网络将事故信息发送给相邻小区，所述的一级交通告警的广播频率根据以下 公式自适应变化：

$f_{\mathrm{LTE}-\mathrm{BC}}=N·R·{\Sigma }_{i=1}^n{f}_{\mathrm{LTE}-\mathrm{ULi}}---\left(2\right)$

其中，N为eNodeB本身的负载因子，R为本小区所覆盖的公路信息，f_LTE-ULi为第i个车辆的上报频率，n为单位时间内通过LTE上行链路上报事故信息的车辆 数目，f_LTE-BC为eNodeB的一级交通告警广播频率；

3)相邻小区根据接收到的事故信息选择在自身覆盖范围内广播二级交通告警 或交通服务信息；

4)事故车辆的后续车辆若接收到一级交通告警，则降低车速，并根据以下公 式自适应调整802.11p Beacon帧发送频率：

f_beacon′＝(1-θ)·f_beacon+θ·k·V_self·Pri/f_LTE-BC    (3)

其中，θ为权重系数，f_beacon为上一时刻的Beacon帧发送速率，其初始值为 f_beacon-ini，f_beacon′为下一时刻的Beacon帧发送速率，V_self为后续车辆自身的行驶速度， k为代表速度系数的常量，Pri是Beacon优先级系数，不同类型的车辆有不同的优 先级系数；

5)后续车辆记录未收到一级交通告警的持续时间，并判断该时间是否大于T_thre， 若是，则将Beacon帧发送速率恢复至f_beacon-ini，若否，则保持Beacon帧发送速率 不变，T_thre为Beacon帧发送速率回升的临界参数。

当在eNodeB所覆盖的小区发生交通事故时，事故车辆通过802.11p开始广播 自身车辆状况和交通疏导信息，并通过LTE上行链路，将事故状况通报eNodeB， 上报频率根据事故等级和发展状况自适应调整。

所在小区的eNodeB根据上报的事故信息的频率和上报车辆数目，结合自身的 当前业务的繁忙程度和所覆盖的主要道路的基本信息，在本小区内进行LTE一级 交通告警广播，更新频率主要取决于事故车辆事故信息上报的更新频率。此时，本 小区的eNodeB根据通过LTE的核心网EPC通知附近或更远处的基站，附近或更 远处的基站以固定的频率进行二级交通告警信息或交通信息服务的广播。收到广播 消息后，附近小区的车辆的驾驶员可以做好充分的准备，减速进入事故周边地带。 对于事故可能造成道路拥堵的状况，更远处小区的车辆驾驶员可以根据交通信息服 务广播选择绕行方案，减少因为可能遭受的道路拥堵浪费的时间，进而提高交通效 率。

当车辆进入发生交通事故的小区内时，接收到本小区eNodeB发送的一级交通 安全广播，结合自身的速度，降低802.11p Beacon帧的发送速率，越靠近事故车辆， 行驶速度越慢，Beacon帧的发送速率越低，为可能的其他802.11p数据包的收发腾 出更多的信道资源，减小了802.11p数据包碰撞机率。车辆进入事故地段，完成 802.11p CCH安全数据交互。当未收到一级交通告警的持续时间超过阈值后，车辆 节点按一定规律恢复802.11p Beacon帧初始发送速率。车辆驶入eMBMS安全消息 广播小区的数据交互流程如图3所示。

实施例2

当小区内车辆节点密度较大，小区内某一车辆需要广播CCH紧急消息，该车 辆进行802.11p数据广播以保证近距离范围内的广播及时性的同时，将紧急消息上 报eNodeB，eNodeB根据紧急消息的类型以一定的频率在本小区范围内广播一级 交通告警信息，但周围小区并不参与eMBMS交通安全广播，正常eMBMS业务不 受影响。100～300米范围内收到802.11p紧急消息的车辆可以结合自身车速以较低 的频率将紧急消息广播转发，收到广播转发的更外围的车辆以更低的频率转发紧急 消息或选择不广播转发。最外围的车辆只接受本小区eNodeB的紧急广播。这样可 以避免纯粹802.11p网络以固定的广播速率转发广播带来的信道拥塞、广播风暴等 问题，又保证了紧急消息发送车辆附近的信息交互即时性需要。同时在两种网络上 的紧急消息广播提高了广播的可靠性。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本 发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在 此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不 限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和 修改都应该在本发明的保护范围之内。