使用前向誤差校正碼的車輛網絡中的適應性證書分配機制的製作方法

2023-12-11 16:59:27 4

專利名稱：使用前向誤差校正碼的車輛網絡中的適應性證書分配機制的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及用於在車對車網絡中分配數字證書的方法，且更具體地涉及用於在車對車網絡中分配數字證書的方法，其使用前向誤差校正碼來將證書編碼成多個節段且將所述節段附加到多個消息。
背景技術：
無線車對車(V2V)通信作為駕駛員輔助機制日益普遍。V2V通信可以用於給駕駛員提供關於周圍環境中的交通狀態的重要建議和報警的系統。安全是V2V通信的重要部分，由於基於來自於受損害節點的信息顯示給駕駛員的偽造建議或報警將導致使用V2V系統的置信度的喪失。因而，重要的是，在V2V網絡中的節點(車輛)之間交換的消息是安全的，防止操縱系統或破壞服務的惡意實體意圖。V2V網絡中的安全性可以通過基於公共密鑰密碼學(PKC)使用數字籤名來提供。 基於PKC的安全協議的重要要求是通過安全和可信任的信道交換公共密鑰。數字證書提供了建立用以在傳輸節點和接收節點之間交換公共密鑰的安全信道所需的手段。除了其它參數之外，數字證書通常包含獨特證書標識符，連同公共密鑰一起，這對於消息驗證是需要的。由於無線V2V網絡的帶寬非常珍貴，因而消息大小必須保持為最小。由於該原因，在 V2V網絡中使用的常見策略是不與每個消息一起傳輸數字證書。相反，證書可以僅以某一間隔(例如，每5個消息)附加到消息，其中，第一、第六和第十一個消息包括完全證書，而第二至第五以及第七至第十個消息包括證書摘要，等等。然後，當接收包含完全證書的下一個消息時，接收節點可以驗證具有證書摘要的先前消息實際上是真的。由於證書摘要顯著小於證書，因而該策略實現減少消息大小的目的。然而，V2V網絡由快速變化的拓撲表徵，信號強度有時微小，且節點密度可能高。因而，可能丟失一些傳輸消息。即，一些消息未被應當接收所述消息的節點成功接收。如果丟失的消息恰好是包含完全數字證書的一個，那麼接收節點積累不能驗證的消息積壓。因而， 將損害實時消息系統的性能，且一些關鍵信息可能永久性丟失。需要最小化消息大小而同時最小化丟失消息的可能負面影響的證書分配機制。

發明內容
根據本發明的教導，公開了用於改進車對車(V2V)網絡的可靠性和性能的方法，其中，數字證書對於消息驗證是必要的且一些消息可能在傳輸時丟失。所述方法使用前向誤差校正(FEC)碼來將數字證書編碼為多個節段，且將一個或多個節段附加到所傳輸的每個消息。只要接收消息的節點成功地接收最小數量的傳輸消息，其就重構證書，其中，最小數量小於所傳輸消息的總數量。這允許消息驗證不中斷地繼續，甚至在一些消息在傳輸時丟失的網絡環境中也是如此。描述了兩種不同類型的FEC碼，且包括適應性方案以基於諸如節點密度的網絡狀況來優化消息吞吐量。方案1. 一種用於在車對車網絡中分配數字證書的方法，所述方法包括在車對車網絡中的兩個車輛之間建立無線通信，其中，第一車輛傳輸消息，第二車輛接收消息；
由第一車輛採用數字證書，其中，數字證書包括能夠用於驗證由第一車輛經過車對車網絡發送的消息的真實性的信息；
由第一車輛將數字證書分成一組源數據節段；
由第一車輛將該組源數據節段編碼成一組更大的傳輸數據節段，其中，編碼使用前向誤差校正碼；
由第一車輛經過車對車網絡傳輸消息數據包，其中，消息數據包包含傳輸數據節段和消息數據；
由第二車輛接收消息數據包，將消息數據包分成接收數據節段和消息數據，且存儲接收數據節段和與接收數據節段有關的消息數據；
在接收充分數量的消息數據包時，由第二車輛將接收數據節段解碼成一組重構數據節
段；
由第二車輛使用重構數據節段產生重構數字證書； 由第二車輛使用重構數字證書來驗證消息數據包的真實性；以及由第二車輛在應用中使用消息數據。方案2.根據方案1所述的方法，還包括根據網絡和配置參數來測量車對車網絡的性能，其中，所述網絡和配置參數被允許在其許可範圍內變化。方案3.根據方案2所述的方法，其中，所述網絡和配置參數包括網絡中的車輛的數量、網絡中的車輛的空間和移動模式、帶寬飽和度、源數據節段的數量、以及傳輸數據節段的數量。方案4.根據方案2所述的方法，其中，由第一車輛將該組源數據節段編碼成一組更大的傳輸數據節段使用erasure碼。方案5.根據方案4所述的方法，其中，該組源數據節段和該組傳輸數據節段被適應性地定大小以優化車對車網絡的性能。方案6.根據方案2所述的方法，其中，由第一車輛將該組源數據節段編碼成一組更大的傳輸數據節段使用fountain碼。方案7.根據方案6所述的方法，其中，該組源數據節段被適應性地定大小以優化車對車網絡的性能。方案8.根據方案2所述的方法，其中，消息數據包各包含一個或多個傳輸數據節段。方案9.根據方案8所述的方法，其中，每個消息數據包中包括的傳輸數據節段的數量被適應性地定大小以優化車對車網絡的性能。方案10. —種用於在車對車網絡中分配數字證書的方法，所述方法包括
在車對車網絡中的兩個車輛之間建立無線通信，其中，第一車輛傳輸消息，第二車輛接收消息；
由第一車輛採用數字證書，其中，數字證書包括能夠用於驗證由第一車輛經過車對車網絡發送的消息的真實性的信息；
由第一車輛將數字證書分成一組源數據節段；由第一車輛將該組源數據節段編碼成一組更大的傳輸數據節段，其中，編碼使用前向誤差校正碼；
由第一車輛經過車對車網絡傳輸消息數據包，其中，消息數據包包含傳輸數據節段和消息數據；
由第二車輛接收消息數據包，將消息數據包分成接收數據節段和消息數據，且存儲接收數據節段和與接收數據節段有關的消息數據；
在接收充分數量的消息數據包時，由第二車輛將接收數據節段解碼成一組重構數據節
段；
由第二車輛使用重構數據節段產生重構數字證書； 由第二車輛使用重構數字證書來驗證消息數據包的真實性； 由第二車輛在應用中使用消息數據；
根據網絡和配置參數來測量車對車網絡的性能，其中，所述網絡和配置參數被允許在其許可範圍內變化；以及
適應性地控制所述配置參數以優化車對車網絡的性能。方案11.根據方案10所述的方法，其中，所述網絡和配置參數包括網絡中的車輛的數量、網絡中的車輛的空間和移動模式、帶寬飽和度、源數據節段的數量、以及傳輸數據節段的數量。方案12.根據方案10所述的方法，其中，由第一車輛將該組源數據節段編碼成一組更大的傳輸數據節段使用erasure碼。方案13.根據方案10所述的方法，其中，由第一車輛將該組源數據節段編碼成一組更大的傳輸數據節段使用fountain碼。方案14.根據方案10所述的方法，其中，消息數據包各包含一個或多個傳輸數據節段。方案15. —種用於在車對車網絡中分配數字證書的分配系統，所述分配系統包括
在車對車網絡中的第一車輛；
在第一車輛中的第一應用系統，其中，所述第一應用系統包含關於第一車輛的信息，以便以消息數據的形式提供給其它附近車輛；
在第一車輛中的第一通信系統，其中，所述第一通信系統包括編碼模塊和傳輸器，所述編碼模塊配置成使用前向誤差校正碼來將數字證書編碼成多個傳輸數據節段，所述傳輸器用於傳輸包含傳輸數據節段和消息數據的消息數據包； 在車對車網絡中的第二車輛；
在第二車輛中的第二通信系統，其中，所述第二通信系統包括接收器和解碼模塊，所述接收器用於接收消息數據包且將消息數據包分成接收數據節段和消息數據，所述解碼模塊配置成使用前向誤差校正碼來將接收數據節段解碼成重構數字證書；和
在第二車輛中的第二應用系統，其中，所述第二應用系統在驗證重構數字證書之後處理消息數據。方案16.根據方案15所述的分配系統，其中，第一通信系統中的編碼模塊和第二通信系統中的解碼模塊使用erasure碼。
方案17.根據方案15所述的分配系統，其中，第一通信系統中的編碼模塊和第二通信系統中的解碼模塊使用fountain碼。方案18.根據方案15所述的分配系統，其中，第一通信系統中的編碼模塊和第二通信系統中的解碼模塊適應性地配置前向誤差校正碼中所使用的參數，以便優化車對車網絡的性能。方案19.根據方案15所述的分配系統，其中，如果需要優化車對車網絡的性能， 那麼所述傳輸器在每個消息數據包中包括一個以上的傳輸數據節段。方案20.根據方案15所述的分配系統，其中，第一應用系統和第二應用系統是碰撞避免系統。本發明的附加特徵將從以下說明和所附權利要求書結合附圖顯而易見。


圖1是無線車對車通信網絡的簡圖，示出了在兩個車輛之間交換的數字證書和證書摘要；
圖2是使用可變證書間更新周期來分配數字證書的過程的流程圖； 圖3是示出了 Erasure碼如何用於編碼和解碼數據的方案的簡圖； 圖4是無線車對車通信網絡的簡圖，示出了 Erasure碼可以如何用於在兩個車輛之間傳輸數字證書；
圖5是示出了 Rnmtain碼如何用於編碼數據的方案的簡圖；和圖6是使用前向誤差校正碼來分配數字證書以編碼證書以便傳輸的過程的流程圖。
具體實施例方式涉及在車輛網絡中使用前向誤差校正碼的數字證書分配機制的本發明實施例的以下闡述本質上僅僅是示例性的且絕不旨在限制本發明或其應用或使用。無線車對車(V2V)通信網絡在機動車中已經日益普遍。V2V通信的最普遍用途中的一種是在車輛系統中，例如碰撞報警系統。例如，車輛可以報告其位置、速度以及加速或制動狀態，使得附近的其它車輛能夠經由V2V通信接收該信息且在適當時給駕駛員提供警告或報警。在這些應用中，通信安全性是關鍵的，因為具有不準確信息(不管是有意的或者其它)的消息可能導致事故。公共密鑰密碼學(PKC)通常用於V2V網絡中的消息驗證。在公共密鑰密碼學中， 每個用戶具有一對密碼密鑰一公共密鑰和私人密鑰。私人密鑰保密，而公共密鑰可能被大範圍分配。密鑰數學相關，但是私人密鑰不能從公共密鑰合理地獲得。在公共密鑰密碼學中，數字證書是電子文檔，其使用數字籤名來將公共密鑰與標識符(在V2V網絡的情況下是車輛或個人的標識符)或與所述實體獨特相關的任何其它屬性綁定在一起。使用數字籤名， 用發送器私人密鑰籤名的消息可以通過使用發送器公共密鑰的任何人驗證，從而證明發送器可以使用私人密鑰，且消息未被偽造。基於PKC的安全協議的重要要求是將屬於某實體的公共密鑰通過安全而真實的信道傳輸到接收器，從而防止另一個實體主張被傳輸的公共密鑰的所有權。數字證書用作允許真正傳輸公共密鑰的安全信道的機制。因而，數字證書是V2V網絡中所需的安全性的重要授權器。然而，證書在V2V系統
7中在通信帶寬和存儲兩方面產生開銷。期望通過不將完全數字證書附加到所傳輸的每一個消息而使得該開銷最小化。用於證書分配的當前V2V標準需要證書基於證書間更新周期L 定期地附加到所傳輸消息。例如，如果證書間更新周期L設定為5，那麼證書附加到每第5 個傳輸消息，同時每個序列中的中間四個消息附有證書摘要。證書摘要是證書的256位散列函數。密碼學散列函數是確定過程，其採用任意數據段且返回固定大小的位串(密碼學散列值)，使得數據的偶然或有意變化將改變散列值。在這種情況下，要編碼的數據是數字證書，散列值是證書摘要(CD)。IEEE 1609. 2標準推薦使用32位元組散列輸出的較低8位元組， 這被認為是證書的有效摘要。因而，證書摘要的大小僅8位元組，同時完全數字證書的大小大約118位元組。該方法對於大多數消息發送CD而不是完全證書，設計成減少通常與將數據包與附加到消息的證書一起傳輸有關的帶寬和存儲開銷。圖1是在根據當前標準的V2V環境中通信的兩個車輛的網絡30的簡圖。在網絡 30中，車輛10傳輸信息，車輛12接收。為了說明和清楚目的，網絡30中的通信描述為單向的，即，從車輛10到車輛12。實際上，參與車對車網絡的每個車輛將既傳輸又接收信息，使用用於傳輸和接收消息數據包的車載收發器以及用於處理消息數據且將其用於應用的車載控制器或處理器。V2V應用需要車輛運動信息的頻繁通信，以10個消息每秒的量級。因而，在給定網絡拓撲中，恆定的消息流由車輛交換。在V2V術語中，通信數據包包括消息載荷(在圖1中由M表示)連同其附有的證書(C)或證書摘要(⑶)。消息載荷包括有用應用數據，連同含有關於該消息的信息(例如，安全類型和傳輸數據速率，如IEEE 1609. 2標準規定的)的多個數據區一起。在該情況下，證書間更新周期L設定為5。車輛10發送數據包14，數據包14包含消息載荷和完全數字證書兩者。如果車輛12接收數據包14，那麼車輛12可以經由證書驗證數據包14的真實性。車輛12然後可以在其應用軟體中使用消息載荷中的應用數據，在該情況下是車輛10的運動數據。此外，在成功接收數字證書和驗證之後，車輛12在由推薦私人設置或證書到期時間確定的時間間隔內將證書存儲在其高速緩存中。與在該時間間隔內接收的該數字證書相對應的所有消息不再需要等待接收另一個數字證書。相反，這些數據包的數字摘要通過簡單操作來驗證，包括計算存儲數字證書的散列以及將所計算的散列的最後8位元組與所接收的證書摘要進行比較。在時間間隔到期之後，證書被清洗且整個過程重複。如果數據包14未由車輛12接收，那麼存在不僅用於數據包14而且用於隨後數據包的結果，如圖所示。車輛10然後繼續發送數據包16、18、20和22，其中每個都包含消息和證書摘要。車輛12可接收所有數據包16-22。然而，如果數據包14未被成功接收且在高速緩存中沒有數字證書可用，那麼車輛12直到其接收另一個完全數字證書才能驗證數據包 16-22的真實性，這將允許其驗證附加到數據包16-22的⑶。在高速緩存中沒有有效證書可用的情況下，如果緩衝區空間可用，車輛12必須在緩衝區中存儲數據包16-22，以供隨後使用。如果沒有充分的緩衝區空間可用，那麼數據包16-22中的一些或全部可能被丟棄，從而導致有用信息的丟失。車輛10然後發送數據包對，數據包M包括數據消息和完全數字證書。如果車輛 12接收數據包M，且如果數據包16-22仍存儲在緩衝區中，那麼車輛12能夠驗證存儲的數據包16-22的真實性，且於是能夠在其應用軟體中使用來自於數據包16-24中的消息的數據。然而，如果車輛12未接收數據包對，那麼車輛12不能驗證數據包16-22，因而不能在其應用軟體中使用來自於數據包16-22中的消息的數據。在該情況下，車輛12僅僅能夠保持存儲數據包16-22，直到車輛接收可以用於驗證其的完全證書。但是車輛10對於5個以上的消息不發送另一個完全數字證書。如果在10個數據包每秒的傳輸頻率時丟失甚至一個證書承載數據包，那麼可以看出，一些數據消息可以在應用軟體中延遲使用幾乎1整秒。 這對於碰撞報警系統來說是長的時間。如果下一個證書承載數據包恰好也丟失，那麼數據的時間延遲變得更糟，一些數據包可能必須從接收器緩衝區丟棄，且應用性能將繼續惡化。在真實V2V通信網絡，數據包丟失是無可爭辯的事實。存在傳輸數據包可能不被網絡中的一些節點接收的許多原因。車輛網絡的基本特性之一是節點相對於彼此的移動性，從而導致網絡拓撲中的高變化速率。因而，節點移動性導致節點移動進出相鄰節點的通信範圍，從而增加傳輸時數據包丟失的可能性。數據包衝突，其中，兩個或更多節點試圖同時將數據包發送經過網絡，也導致數據包丟失的問題。此外，接收節點的緩衝區溢流也可以導致數據包丟失。鑑於V2V網絡的這些現實情況，一些消息和一些數字證書必然要丟失，從而導致上文詳細描述的數據延遲或數據丟失狀況。為了避免該問題，提出了用於數字證書分配的兩種不同適應性方法。在第一實施例中，證書間更新周期L變化以適合當前V2V網絡狀況。再次參考圖 1，要平衡的兩個目標是最小化安全性相關的通信開銷，同時最大化V2V消息吞吐量。從開銷最小化角度來說期望增加L值；S卩，使用相對更多的證書摘要和更少的證書。然而，該策略確保更多消息在其應用軟體中使用之前將必須通過接收節點緩存，且其增加了丟棄證書承載數據包的潛在負面影響一可能導致有用消息的丟失。另一方面，減少L值增加了由於基於每個消息的安全性相關的數據引起的開銷量，且可能增加任何具體消息在擁堵網絡中丟失的機會。許多因素可以在任何具體時間影響V2V網絡的性能。這些因素包括參與節點(車輛)的數量、節點的空間和移動模式、帶寬飽和度、對車輛中使用的應用軟體的延遲的容忍度、物理信道的特性等。由於這些因素及其影響可以如此大範圍地變化，因而不可能選擇將在所有狀況下提供最佳結果的證書間更新周期L的單個值。因而，提出了一種適應性策略， 其中，L值可以基於當前網絡狀況上下變化。在該方法中，控制器將被編程以定期地監測上述V2V網絡因素，例如參與節點的數量和帶寬飽和度。基於網絡的監測狀況、以及根據各種因素而變的網絡性能經驗數據，控制器將選擇在某一時間間隔內使用的最佳L值。監測網絡狀況以及選擇最佳L值將定期地重複，以便將網絡吞吐量保持在其峰值處或附近。還可以期望使得時間間隔(在此期間L值固定)是可變量。即，監測和重新產生L值在一些網絡狀況中可以比在其它網絡狀況中更頻繁地進行。實際網絡性能，由有用消息數據被接收節點處理的速率測量，還可以被測量且用於產生證書間更新周期L的最佳值。圖2是使用可變證書間更新周期L來分配數字證書的過程的流程圖100。在框 102，在車對車網絡中的兩個或更多車輛之間建立無線通信。為了該說明的目的，將參考圖 1的車輛10和12，其中，車輛10傳輸消息，車輛12接收消息。在框104，車輛10採用數字證書，其在啟動V2V操作之前在車載處理器中預安裝。在框106，車輛10根據數字證書的散列函數產生證書摘要。在框108，車輛10限定證書間更新周期L的值。如上所述，L值可以基於測量網絡狀況產生，例如節點密度和帶寬飽和度。替代地，L值可以基於實際網絡性
9能產生且連續地更新，實際網絡性能可以限定為有用消息數據在接收節點應用中處理的速率。在框110，車輛10經過車對車網絡傳輸消息數據包。傳輸以10個消息每秒繼續，或者任何頻率由使用的應用指定。每個消息數據包包含有用消息數據和其它數據區，連同數字證書或者證書摘要(由證書間更新周期指定)一起。在框112，車輛12接收傳輸消息數據包。在決策菱形塊114，車輛12檢查以察看接收數據包是包含完全證書還是證書摘要。如果接收完全證書，那麼車輛12在框116計算證書摘要。在框118，車輛12檢查先前接收的證書摘要的證書摘要儲備。在決策菱形塊 120，車輛12檢查以察看是否存在與針對剛接收證書在框116計算的摘要匹配的摘要。如果是，這意味著消息先前已經從相同傳輸車輛10接收，且與匹配存儲證書摘要相關的公共密鑰可以用於在框122驗證接收消息。在框124，來自於接收消息的有用消息數據可以由車輛12在應用中使用。如果在決策菱形塊120沒有找到匹配證書摘要，那麼在框1 數字證書必須由車輛12驗證，使用本領域技術人員已知的類型的證書驗證算法。在決策菱形塊128，車輛12 檢查以察看在框1 證書驗證是否成功。如果是，那麼接收消息在框130可以用相應公共密鑰驗證。在框132，車輛12計算接收證書摘要且將其保存在證書摘要儲備中，以供未來使用。在框134，來自於接收消息的有用消息數據可以由車輛12在應用中使用。如果在決策菱形塊1 驗證未成功，那麼車輛12在框136將丟棄所接收消息。根據決策菱形塊114，如果接收消息包含證書摘要，那麼車輛12在框138檢查證書摘要儲備。如果在決策菱形塊140找到匹配證書摘要，那麼車輛12在框142驗證消息且在框144使用消息數據，如前文針對框122和IM所述。如果在決策菱形塊140沒有找到匹配證書摘要，那麼所接收消息當前不能驗證和使用，從而車輛12僅可以在框146存儲所述消息，或者如果沒有充分的緩存空間可用，則丟棄所述消息。框112至146的步驟在當今的典型V2V操作中使用，且在本文詳細描述以顯示在接收完全數字證書時不經歷長時間延遲的重要性。在簡圖100的過程的任何通道，車輛10可以在框108基於測量網絡狀況的變化或者實際網絡性能的變化來限定證書間更新周期L的新值。車輛10不需要將L值傳送到網絡中的其它車輛。車輛10可以簡單地使用被確定以提供最佳網絡性能的L值，且相應地發送數字證書和⑶。改變證書間更新周期L的適應性策略具有多個益處。首先，採用可變L的方法可以在網絡中與使用常規固定L方法的節點一起使用，不需要來自於任何節點的硬體或軟體的變化。使用常規固定L方法的節點可以繼續按正常操作，但是其將看到其從在其傳輸的消息中使用可變L方法的節點接收的消息的改進通信吞吐量的益處。第二，使用可變L方法的節點不需要將L值傳送到接收節點。接收節點可以如同他們在固定L環境中那樣接收和處理數據包，從而在每次接收完全證書時驗證先前CD的真實性。最後，與常規固定L方法相比，可變L方法沒有產生附加開銷，這是V2V網絡中的重要標準。在第二實施例中，可以使用前向誤差校正技術，其中，證書在多個數據包之間劃分，且證書可以重構，即使接收器丟失一些數據包也是如此。前向誤差校正(FEC)碼可以用作在丟失環境中恢復數據的手段。藉助於過採樣輸入數據，FEC碼產生比輸入更大的數據， 使得在傳輸時少量數據節段的丟失將不會防止接收器完全重構初始數據。應用於V2V網絡中證書傳輸的問題，FEC碼提供了接收節點可靠地恢復證書的機制，從而減少應用層的信息擁堵且減少再次傳輸數據的需要。提出了兩種不同類型的FEC碼一 erasure碼和fountain 碼。圖3是示出了 erasure碼如何用於編碼和解碼數據的方案60的簡圖。erasure碼是FEC碼的形式，其可以用於重構初始源數據，儘管在傳輸期間丟失一定數量的數據包。源數據40包括多個節段k。在數字證書的情況下，118位元組的證書數據可以分成任何合適數量的節段k。在方案60中，k顯示為等於8，但是k值可以大於或小於8。編碼模塊42將源數據40的k個節段編碼成傳輸數據44的η個節段，其中，n>k。在傳輸期間，一些數據節段 46可能丟失。因而，接收數據48可包含一定數量k』的數據節段，其中，k』<n。只要在接收數據48中數據節段的數量k』大於或等於k，解碼模塊50就能夠將接收數據48解碼成重構數據52，重構數據52與源數據40相同，包括k個節段。接收數據48的k』個節段可以包括傳輸數據44的η個節段中的任何節段。即，對必須恢復的任何具體節段沒有要求，也可以丟失兩個相鄰節段。僅需要數量k』個獨特節段包含在接收數據中，其中，k』 ^k0erasure碼的基本構思在於存在編碼函數f (X)，其作用於k維輸入矢量X且產生 η維輸出矢量Z。編碼函數具有屬性f (X)+f (Y) =f(X+Y)，且可以由矩陣A表示。因此，編碼簡單地為得到矩陣Z的矩陣矢量乘法。erasure碼對於數值方法領域的技術人員來說是已知的，且不需要更詳細描述。圖4是在V2V環境中的兩個車輛的網絡80的簡圖，示出了 erasure碼可以如何應用於傳輸數字證書。在網絡80中，車輛62傳輸信息，車輛64接收，不使用證書摘要，且證書使用erasure碼編碼成多個數據包。為了在該示例中說明erasure碼的使用，源數據 (數字證書)分成5個節段。S卩，k = 5。5個源數據節段編碼成6個傳輸數據節段。SP，n =6。車輛62傳輸第一數據包66，包含消息載荷M和第一 erasure碼節段El。車輛64接收並存儲第一數據包66。車輛62繼續發送數據包68、70和72，其中每個都由車輛64接收並存儲。此時，車輛64已經從車輛62接收4個數據包，因而接收四個erasure碼節段。車輛64還不能解碼證書，因為其還沒有接收足夠的數據節段。車輛62然後發送數據包74，包含第五erasure碼節段E5。然而，數據包74在傳輸時丟失，且未由車輛64接收。車輛62 然後發送數據包76，包含第六erasure碼節段E6。數據包76由車輛64接收。這表示由車輛64接收的第五erasure碼節段，這允許車輛64解碼證書，驗證消息66-72和76，且在其應用中使用所有消息數據。車輛62在η = 6個數據包之後重複傳輸序列。要注意的是，藉助於本文所述的erasure碼方法，單個丟失數據包不會使得接收器不能使用整個數據包序列，這在圖1所示的常規方法中在丟失證書承載數據包時如此。前向誤差校正碼的另一種形式稱為fountain碼。fountain碼在對於一組給定輸入節段能夠產生一組無限輸出節段的一類FEC碼，從而初始輸入節段能夠從大小等於或僅稍大於輸入源節段的數量的編碼輸出節段的任何子組恢復或重構。輸出節段的數量也可以是有限的。fountain碼理論也是數值方法領域技術人員已知的，且存在用於實際使用 fountain碼的有效編碼和解碼算法。圖5是示出了 fountain碼如何用於編碼數據的方案90的簡圖。如同erasure碼的情況那樣，源數據需要分成數量k個輸入節段92。在fountain碼時，沒有有限數量η個編碼數據節段。相反，數量k個輸入節段92編碼成無限數量的輸出節段94。當編碼輸出節段94在消息中傳輸經過網絡時，在接收數量k』個節段使得k』 =(1+ε )k時，接收節點可以解碼初始輸入節段92。根據fountain碼理論，數量k』僅需要稍大於k ；S卩ε 1。例如，如果源數據分成5個輸入節段92 (k = 5)，那麼在接收6個輸出節段94時解碼應當是可能的。於是，將fountain碼應用於在V2V網絡中傳輸數字證書的問題變得簡單。源數據是數字證書，必須選擇k的值。證書分成k個輸入節段92，fountain碼用於產生輸出節段 94的持續流。每個輸出節段94附加到通信數據包中的消息載荷，所述通信數據包傳輸經過 V2V網絡。接收節點接收並存儲接收數據包，直到接收最小k』個編碼節段。接收節點然後解碼源數據且恢復數字證書以驗證所接收消息。此時，消息載荷中的數據可以在接收器應用(例如，碰撞報警系統)中處理。要注意的是，fountain碼方法非常容忍丟失數據包。接收節點可以繼續緩存接收數據包，直到接收k』個編碼節段，甚至在期間丟失多個數據包時也是如此。同樣，藉助於fountain碼，單個丟失數據包不會使得接收器不能使用整個數據包序列，這在圖1所示的常規方法中在丟失證書承載數據包時如此。傳輸節點也可以採用 fountain碼方法的變型。例如，傳輸節點可以在經過一定量的時間或者在已經發送一定數量的數據包之後重新啟動fountain碼序列，且傳輸節點將在證書到期時間或私人問題規定需要使用新數字證書的任何時間重新啟動序列。圖6是使用前向誤差校正碼來分配數字證書以編碼要傳輸證書的過程的流程圖 200。在框202，在車對車網絡中的兩個或更多車輛之間建立無線通信。為了該說明的目的， 將參考圖4的車輛62和64，其中，車輛62傳輸消息，車輛64接收消息。在框204，車輛62 採用數字證書，其已經在其車載處理器中預安裝。在框206，車輛62將數字證書分成一組源數據節段。該組源數據節段的大小為k，如前文所述。在框208，車輛62將該組源數據節段編碼成一組更大的傳輸數據節段。對於erasure碼，該組傳輸數據節段的大小為η ；對於 fountain碼，該組傳輸數據節段的大小可以是無限大。在框210，車輛62經過V2V網絡傳輸消息數據包。消息數據包包含編碼傳輸數據節段和有用消息數據。在框212，車輛62接收消息數據包且將數據節段和消息數據存儲在緩衝區中。在框214，車輛64將所接收數據節段解碼成一組重構數據節段。這僅僅可以在已經接收充分數量的數據節段時完成，如前文所述。對於erasure碼，接收數據節段的數量必須大於或等於源數據節段的數量。即，k』彡k。對於fountain碼，接收數據節段的數量必須稍大於源數據節段的數量。即，k』 =(1+ε )k，其中ε<<1。在任一情況下，erasure碼或fountain 碼，接收車輛64可以重構源數據，即使傳輸時丟失一些消息數據包也是如此。在框216，車輛64使用重構數據節段來重新產生由車輛62發送的數字證書。在框218，車輛64使用數字證書來驗證其接收的消息數據包的真實性。在框220，車輛64在其應用中處理其接收的有用消息數據。可以採用其它策略來改進V2V網絡通信的可靠性和性能，其中，數字證書使用FEC 碼分配。可以使用的一種策略是響應於網絡狀況適應性地改變編碼參數k和n，其中，參數 k應用於erasure碼和fountain碼兩者，η值僅應用於erasure碼。例如，一些網絡狀況可要求k和η值兩者均更大，而其它網絡狀況可在k和η兩者均較小時產生更好的性能。同樣，對於給定k值，經歷非常少丟失數據包的網絡可通過設定η = k+1而提供最佳結果。但是在非常容易丟失的網絡環境中，η值可需要顯著高於k。雖然適應性地改變η和k的值可
12以是用於處理可變網絡狀況的有效策略，但是要注意的是，針對某些η和k值產生的證書節段與針對不同η和/或k值產生的證書節段是不相容的。可以用於優化V2V網絡性能的另一種策略是在某些網絡狀況下將一個以上的FEC 編碼節段附加到每個傳輸數據包。即，甚至在編碼參數k和η被選擇且保持不變時，也可能且可以將一個以上的編碼節段附加到每個數據包，以便使得消息數據被接收、驗證和在接收節點應用中處理的速率最大化。因而，如果k = 5且η = 6且兩個節段附加到每個數據包，那麼在接收三個數據包之後，接收節點將具有足夠的節段來解碼證書。將一個以上的編碼節段附加到每個消息數據包的策略適用於erasure碼和fountain碼兩者。鑑於V2V網絡拓撲中的大範圍變化(包括網絡中節點的數量、車輛-車輛距離、帶寬飽和度等)，不可能選擇在所有網絡狀況下都產生最佳結果的編碼參數k和η值以及每個數據包的節段的數量。例如，在erasure碼模型中，將η值設定比k高很多將導致每個編碼節段更大，這增加了網絡的交通。但是將η值設定得過低可能導致丟失數據包的容忍度更小。類似地，增加每個數據包的節段的比值允許接收節點在接收更少數據包之後解碼證書， 但是也增加由於數據包大小增加引起的丟棄數據包的可能性。這些折衷是已知的和理解的，且網絡性能可以針對不同參數組合在大範圍網絡狀況內經驗地測量。這種經驗研究將允許採用適應性策略，其定期地更新編碼參數值和每個數據包的節段的比值，使用在當前網絡狀況下將產生最大數據吞吐量的組合。前述討論僅僅公開和描述了本發明的示例性實施例。本領域技術人員從這種討論和附圖以及權利要求將容易認識到可以對本文進行各種變化、修改和變型，而不偏離由所附權利要求限定的本發明的精神和範圍。
權利要求
1.一種用於在車對車網絡中分配數字證書的方法，所述方法包括在車對車網絡中的兩個車輛之間建立無線通信，其中，第一車輛傳輸消息，第二車輛接收消息；由第一車輛採用數字證書，其中，數字證書包括能夠用於驗證由第一車輛經過車對車網絡發送的消息的真實性的信息；由第一車輛將數字證書分成一組源數據節段；由第一車輛將該組源數據節段編碼成一組更大的傳輸數據節段，其中，編碼使用前向誤差校正碼；由第一車輛經過車對車網絡傳輸消息數據包，其中，消息數據包包含傳輸數據節段和消息數據；由第二車輛接收消息數據包，將消息數據包分成接收數據節段和消息數據，且存儲接收數據節段和與接收數據節段有關的消息數據；在接收充分數量的消息數據包時，由第二車輛將接收數據節段解碼成一組重構數據節段；由第二車輛使用重構數據節段產生重構數字證書； 由第二車輛使用重構數字證書來驗證消息數據包的真實性；以及由第二車輛在應用中使用消息數據。
2.根據權利要求1所述的方法，還包括根據網絡和配置參數來測量車對車網絡的性能，其中，所述網絡和配置參數被允許在其許可範圍內變化。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，所述網絡和配置參數包括網絡中的車輛的數量、 網絡中的車輛的空間和移動模式、帶寬飽和度、源數據節段的數量、以及傳輸數據節段的數量。
4.根據權利要求2所述的方法，其中，由第一車輛將該組源數據節段編碼成一組更大的傳輸數據節段使用erasure碼。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，該組源數據節段和該組傳輸數據節段被適應性地定大小以優化車對車網絡的性能。
6.根據權利要求2所述的方法，其中，由第一車輛將該組源數據節段編碼成一組更大的傳輸數據節段使用fountain碼。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，該組源數據節段被適應性地定大小以優化車對車網絡的性能。
8.根據權利要求2所述的方法，其中，消息數據包各包含一個或多個傳輸數據節段。
9.一種用於在車對車網絡中分配數字證書的方法，所述方法包括在車對車網絡中的兩個車輛之間建立無線通信，其中，第一車輛傳輸消息，第二車輛接收消息；由第一車輛採用數字證書，其中，數字證書包括能夠用於驗證由第一車輛經過車對車網絡發送的消息的真實性的信息；由第一車輛將數字證書分成一組源數據節段；由第一車輛將該組源數據節段編碼成一組更大的傳輸數據節段，其中，編碼使用前向誤差校正碼；由第一車輛經過車對車網絡傳輸消息數據包，其中，消息數據包包含傳輸數據節段和消息數據；由第二車輛接收消息數據包，將消息數據包分成接收數據節段和消息數據，且存儲接收數據節段和與接收數據節段有關的消息數據；在接收充分數量的消息數據包時，由第二車輛將接收數據節段解碼成一組重構數據節段；由第二車輛使用重構數據節段產生重構數字證書； 由第二車輛使用重構數字證書來驗證消息數據包的真實性； 由第二車輛在應用中使用消息數據；根據網絡和配置參數來測量車對車網絡的性能，其中，所述網絡和配置參數被允許在其許可範圍內變化；以及適應性地控制所述配置參數以優化車對車網絡的性能。
10. 一種用於在車對車網絡中分配數字證書的分配系統，所述分配系統包括在車對車網絡中的第一車輛；在第一車輛中的第一應用系統，其中，所述第一應用系統包含關於第一車輛的信息，以便以消息數據的形式提供給其它附近車輛；在第一車輛中的第一通信系統，其中，所述第一通信系統包括編碼模塊和傳輸器，所述編碼模塊配置成使用前向誤差校正碼來將數字證書編碼成多個傳輸數據節段，所述傳輸器用於傳輸包含傳輸數據節段和消息數據的消息數據包； 在車對車網絡中的第二車輛；在第二車輛中的第二通信系統，其中，所述第二通信系統包括接收器和解碼模塊，所述接收器用於接收消息數據包且將消息數據包分成接收數據節段和消息數據，所述解碼模塊配置成使用前向誤差校正碼來將接收數據節段解碼成重構數字證書；和在第二車輛中的第二應用系統，其中，所述第二應用系統在驗證重構數字證書之後處理消息數據。
全文摘要
本發明涉及使用前向誤差校正碼的車輛網絡中的適應性證書分配機制。用於改進車對車(V2V)網絡的可靠性和性能的方法，其中，數字證書對於消息驗證是必要的且一些消息可能在傳輸時丟失。所述方法使用前向誤差校正(FEC)碼來將數字證書編碼為多個節段，且將一個或多個節段附加到所傳輸的每個消息。只要接收消息的節點成功地接收最小數量的傳輸消息，其就重構證書，其中，最小數量小於所傳輸消息的總數量。這允許消息驗證不中斷地繼續，甚至在一些消息在傳輸時丟失的網絡環境中也是如此。描述了兩種不同類型的FEC碼，且包括適應性方案以基於諸如節點密度的網絡狀況來優化消息吞吐量。
文檔編號H04L9/08GK102201916SQ20111007191
公開日2011年9月28日 申請日期2011年3月24日 優先權日2010年3月24日
發明者A. 赫拉尼 A., 巴塔查裡亞 D., N. 穆泰亞 S. 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司