CN101394353B

CN101394353B - 用于车载Ad hoc网络中的数据包竞争转发的方法

Info

Publication number: CN101394353B
Application number: CN2008102244039A
Authority: CN
Inventors: 廖建新; 王晶; 王纯; 李炜; 李元振; 李彤红; 朱晓民; 张磊; 徐童; 张乐剑; 沈奇威; 樊利民; 程莉
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2008-10-13
Filing date: 2008-10-13
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2028-10-13
Also published as: CN101394353A

Abstract

一种适应于城市环境的车载Ad hoc网络中数据包竞争转发的方法，包括下列操作步骤：(1)把城市的道路环境建模为具有权重值的无向图，(2)对数据包转发路径中的岔路口进行动态选择和更新，(3)目的节点更新其位置消息，(4)基于竞争转发策略对数据包进行转发，(5)数据包转发过程中最后一跳完成确认收到的处理操作。该方法充分利用车载Ad Hoc网络节点的特性，在数据包的递交率、时延、平均跳数、物理层发送的总数据量等指标上都优于目前使用的其他算法，且操作步骤简单、易行，计算工作的复杂度低，能够满足实时传输的要求。

Description

用于车载Ad hoc网络中的数据包竞争转发的方法

技术领域

本发明涉及一种新型网络架构中的数据传输方法，确切地说，涉及一种用于城市道路环境的车载Ad hoc网络中数据包竞争转发的方法，属于移动通信中移动自组织网络应用的技术领域。

背景技术

车载Ad Hoc网络(VANET，vehicle ad hoc networks)是一种特殊的自组织移动Ad Hoc网络，该网络的节点是由装备无线收发装置的机动车辆所组成。近年来，由于城市车辆的迅速增加造成交通堵塞的现象日趋严重，甚至交通事故频频发生。因此，使用车载网络进行车辆之间或控制台与各个车辆之间的通信，以疏通交通流量或提高物流企业的功效而对该车载Ad Hoc网络开展研究和应用已经逐渐成为一个研究热点。由于车辆的高速移动以及街道障碍物阻挡等多种原因，车载Ad hoc网络具有不同于普通Ad hoc网络的显著特点，其中之一是网络分割现象特别严重，在一个高速移动、且各个节点的趋向不确定的环境中，要想随时随地维持网络结构的拓扑信息势必导致网络负载显著增加，使得路由问题更加复杂。

但是，由于车载通信设备可以通过其发动机获得电力支持，能源供应比较充足，而且车辆的承载空间可以确保天线的尺寸和装载其他额外的通信设备不会受到限制，这样就能够确保车载Ad Hoc网络的节点具有强大的信息处理和海量存储等多种功能。再者，由于在城市环境中，车辆必须沿着既定的道路前进或后退，这就使得其运动轨迹具有一定的规律性和可预测性，即人们能够预测车载AdHoc网络节点的下一时刻位置。再者，发展迅速的全球定位服务GPS(globalpositioning system)系统能够为车载Ad Hoc网络节点提供精确定位和精准的时钟信息，有利于获取车载Ad Hoc网络各节点获取自身的位置信息和实现时钟同步。

目前，如何结合车载Ad Hoc网络的上述特点，找到一种适应于城市环境的车载Ad hoc网络中数据包转发的方法是一个需要解决的重要的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种适应于城市环境的车载Ad hoc网络中数据包竞争转发的方法，该方法充分利用车载Ad Hoc网络节点的特性，在数据包的递交率、时延、平均跳数、物理层发送的总数据量等指标上都优于目前使用的其他算法，且操作步骤简单、易行，计算工作复杂度低，能够满足实时传输的要求。

为了达到上述目的，本发明提供了一种适应于城市环境的车载Ad hoc网络中数据包竞争转发的方法，其特征在于，包括下列操作步骤：

(1)把城市的道路环境建模为具有权重值的无向图：在该无向图中，端点集是道路的岔路口的集合，边集是两个岔路口之间的街道的集合；车辆在该无向图中的移动是沿着边从一个端点移动到另一个端点，街道的权重值取决于街道交通流量信息和街道的物理长度；

(2)对数据包转发路径中的岔路口进行动态选择和更新：根据目的节点的位置信息和道路环境的实时建模信息，对数据包转发路径中的岔路口进行动态选择和更新，持有数据包的节点在岔路口区域更新数据包中的岔路口序列；

(3)目的节点更新其位置消息：当目的节点移动到新的街道上后，广播发送其位置更新消息；中间节点缓存该位置更新消息或用该位置更新消息更新原有记录后，转发该位置更新消息；当需要时，中间节点利用目的节点的最新位置信息和城市道路环境的实时建模信息进行岔路口的动态选择和数据包的转发；

(4)基于竞争转发策略对数据包进行转发：在转发数据包过程中，上一跳节点把数据包广播给它的邻居节点后，基于竞争转发策略，邻居节点中的地理位置最优的节点竞争成功，负责完成该数据包的本次转发；上述操作逐跳重复进行，直到目的节点接收到该数据包；

所述邻居节点是指当两个节点之间相互都在对方的通信范围之内，且没有被建筑物阻挡时，则称该两个节点具有邻居关系，或者说其中一个节点是另一个节点的邻居节点；

所述基于竞争转发策略转发数据包的具体方法是：

(41)转发数据包过程中，上一跳节点广播给它的邻居节点的数据包头部设有该上一跳节点的位置信息、当前岔路口CJ的位置信息和数据包标识；这些邻居节点中地理位置更靠近当前岔路口CJ的多个节点成为竞争节点，每个竞争节点都接收并缓存该数据包，并为该数据包设置一个计时器，该计时器的超时值是由每个竞争节点根据本节点、上一跳节点、当前岔路口CJ和前一岔路口PJ的位置信息和设定的计算方法，分别计算得到的；其中计时器最先超时的竞争节点把该数据包以广播方式转发给其邻居节点，完成该数据包的又一次转发；上述操作逐跳重复进行，直到目的节点接收到该数据包；

(42)所述计时器的超时值大小和竞争节点在地理位置上的优越程度成反比，即地理位置越优越，也就是越靠近当前岔路口，其计时器的超时值越小；对于某个竞争节点，暂存于其本地缓存中的数据包所对应的定时器未超时之前，又重复收到同一数据包时，该竞争节点需要判断：再次给自己发送数据包的节点位置是否比自己的位置更优越，如果是，则说明其竞争失败，则该竞争节点删除缓存于本地的相应数据包；如果不是，则该竞争节点继续等待定时器超时；

(43)对于上一跳节点，当接收到竞争节点广播的自己刚刚转发的数据包，则说明该数据包已被成功转发，就把本地缓存中的数据包删除；如果在设定的时间周期内，上一跳节点没有接收到自己刚刚转发的数据包，则说明本轮竞争转发失败，这时如果竞争转发的重复次数小于设定值，则上一跳节点要重新对该数据包进行竞争转发，即延迟一段特定的时间后返回执行步骤(41)的操作；否则，丢弃该数据包；

(5)数据包转发过程中最后一跳完成确认收到的处理操作：当目的节点是上一跳节点的邻居节点时，目的节点接收到上一跳节点广播的数据包后，立即返回确认消息；上一跳节点和其他竞争节点收到该确认消息后，都进行数据包转发过程中最后一跳的确认处理操作。

所述步骤(1)的无向图中，分别采用length(m，n)和traffic(m，n)表示岔路口m和n之间的街道距离长度及其交通流量信息，并用作城市道路环境的两个实时建模信息；后者的量纲是单位时间内经过该街道的车辆数量；设置岔路口m和n之间的街道权值为weight(m，n)＝length^α(m，n)/traffic^β(m，n)，式中，两个调整系数α和β都大于或等于零，该两个数值分别决定街道的物理长度和交通流量信息在选择转发节点时所考虑的因素的份量大小，α＝0时表示街道的权值只取决于交通流量信息，β＝0时表示街道的权值仅取决于街道的物理长度。

所述步骤(2)中，由源节点到目的节点的转发数据包过程中，所经历的多个岔路口组成一个岔路口序列；且为了适应城市道路环境的实时建模信息，对转发数据包路径中的每个岔路口都要逐个计算和动态选择；每个数据包的包头中含有两个岔路口标识：当前岔路口CJ和前一岔路口PJ，前者是数据包正在走向的岔路口标识，后者为该数据包刚刚离开的岔路口标识。

所述对数据包转发路径中的岔路口进行动态选择和更新的方法是：当产生数据包的源节点或持有数据包的中间节点走进某个岔路口区域时，要根据目的节点的位置信息，按照图论中的最小花费算法动态选择下一个岔路口作为其前进方向，即优先选择的原则是距离短和车辆流量密度大的街道；完成计算选择后，持有数据包的节点要更新其岔路口序列：把刚刚选择的岔路口更新为当前岔路口CJ，而把该数据包刚经过的岔路口更新为前一岔路口PJ。

所述岔路口区域是指车载Ad Hoc网络中的节点到达某个岔路口的距离长度小于设定数值的地域范围。

所述目的节点广播的位置更新消息包括：消息标识ID，目的节点的IP地址、当前速度、位置信息及其运动方向，即该目的节点刚离开的岔路口标识ID和正在走向的岔路口标识ID。

所述竞争节点的计时器的超时值计算方法包括有下述供选择其中之一的三种不同方法：

A、当上一跳节点phop位于两个岔路口之间，且上一跳节点phop的通信范围没有覆盖当前岔路口CJ区域时，竞争节点i的计时器超时值t的计算公式为：t＝τ(1-dist(i，phop)/p_max)；

B、当上一跳节点phop位于两个岔路口之间，且上一跳节点phop的通信范围覆盖当前岔路口CJ区域时，则竞争节点必定位于下述两个区域：区域1是phop所处的街道上，区域2则是phop所处的街道的延长线上；

区域1：当竞争节点i位于phop所处的街道上时，其计时器超时值t的计算公式为：t＝τ(1-dist(i，phop)/p_max)；

区域2：当竞争节点i位于phop所处的街道的延长线上时，其计时器超时值t的计算公式为：t＝τ(1+dist(i，CJ)/p_max)；

C、当上一跳节点phop位于前一岔路口PJ区域时，竞争节点i的计时器超时值t的计算公式为：t＝τ(1-(dist(phop，CJ)-dist(i，CJ))/p_max)；

上述各式中，p_max是车载Ad Hoc网络中节点无线信号的最大通信距离，dist(i，phop)表示竞争节点i与上一跳节点phop之间的欧氏距离，dist(i，CJ)是竞争节点i与当前岔路口CJ之间的欧氏距离，dist(phop，CJ)表示上一跳节点phop与当前岔路口CJ之间的欧氏距离，τ是一个设置的正值常数。

所述步骤(5)中的确认收到消息包括该数据包源节点的IP地址、目的节点的IP地址和该数据包的序号；收到该确认收到消息的上一跳节点以及其他竞争节点都在本地缓存中查找和匹配上述信息的数据包，如果找到，就把该数据包从缓存中清除。

本发明的优点和效果是：采用仿真工具NS2对本发明方法进行的大量仿真实施试验结果表明，本发明方法在递交率、时延、平均跳数、物理层发送的总数据量等指标上都优于目前使用的其他算法，且操作步骤简单、易行，计算工作复杂度低，能够满足实时传输的要求。

附图说明

图1是本发明适应于城市环境的车载Ad hoc网络中数据包竞争转发的方法操作步骤流程图。

图2是上一跳节点phop位于两个岔路口之间，且该上一跳节点phop的通信范围没有覆盖当前岔路口CJ区域时的示意图。

图3是上一跳节点phop位于两个岔路口之间，且该上一跳节点phop的通信范围覆盖当前岔路口CJ区域时的示意图。

图4是上一跳节点phop位于前一岔路口PJ区域时的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本发明是一种适应于城市环境的车载Ad hoc网络对数据包采用竞争转发的路由实现方法，该方法包括下列操作步骤：

步骤1、把城市的道路环境建模为具有权重值的无向图：在该无向图中，端点集是道路的岔路口的集合，边集是两个岔路口之间的街道的集合。车辆在该无向图中的移动是沿着边从一个端点移动到另一个端点，街道的权重值取决于街道交通流量信息和街道的物理长度。

在该无向图中，分别采用length(m，n)和traffic(m，n)表示岔路口m和n之间的街道距离长度及其交通流量信息，前者的量纲是米和千米，后者的量纲是单位时间内经过该街道的车辆数量；再设置岔路口m和n之间的街道权值为weight(m，n)＝length^α(m，n)/traffic^β(m，n)，式中，两个调整系数α和β都大于或等于零，该两个数值分别决定街道的物理长度和交通流量信息在进行转发节点选择时所考虑的因素的份量大小，α＝0时表示街道的权值只取决于交通流量信息，β＝0时表示街道的权值仅取决于街道的物理长度。

步骤2、对数据包转发路径中的岔路口进行动态选择和更新：根据目的节点的位置信息和城市道路环境的实时建模信息，对数据包转发路径中的岔路口进行动态选择和更新，持有数据包的节点在岔路口区域更新数据包中的岔路口序列。

在由源节点到目的节点的转发过程中，数据包要经历许多个岔路口；这些岔路口组成一个岔路口序列。而且，为了适应城市道路交通的实时建模信息，本发明对数据包转发路径中的每个岔路口都是逐个计算和动态选择的。被转发的每个数据包的包头中含有两个岔路口标识：一个是数据包正在走向的岔路口的标识，称为当前岔路口CJ；另一个是数据包刚刚离开的岔路口的标识，称为前一岔路口PJ。

本发明的数据包在转发路径中对岔路口进行动态选择和更新的方法是：当产生数据包的源节点或持有数据包的中间节点走进某个岔路口区域(即车载Ad Hoc网络中的节点到达某个岔路口的距离长度小于设定数值的地域范围)时，要根据目的节点的位置信息，按照图论中的Dijkstra最小花费算法动态选择下一个岔路口作为其前进方向；优先选择的原则是距离短和车辆流量密度大的街道。完成选择后，持有数据包的节点要在岔路口区域要更新数据包中的岔路口序列：把刚刚选择的岔路口更新为当前岔路口CJ，而把该数据包刚经过的岔路口更新为前一岔路口PJ。

步骤3、目的节点更新其位置消息：当目的节点移动到新的街道上后，马上广播其位置更新消息(该位置更新消息包括：消息标识ID，目的节点的IP地址、当前速度、位置信息及其运动方向，即该目的节点刚离开的岔路口标识ID和正在走向的岔路口标识ID)；当中间节点接收到该位置更新消息后，先缓存该位置更新消息或用该位置更新消息更新原有记录，然后，转发该位置更新消息。当以后需要时，中间节点就利用目的节点的最新位置信息和城市道路环境的实时建模信息进行岔路口的动态选择和数据包的转发。

步骤4、基于竞争转发策略对数据包进行转发：在转发数据包过程中，上一跳节点把数据包广播给它的邻居节点(所谓邻居节点是指当两个节点之间相互都在对方的通信范围之内，且没有被建筑物阻挡时，该两个节点被称为有邻居关系，或者说其中一个节点是另一个节点的邻居节点)后，基于竞争转发策略，邻居节点中的地理位置最优的节点竞争成功，负责完成对该数据包的本次转发；上述操作逐跳重复进行，直到目的节点接收到该数据包。

本发明基于竞争转发策略转发数据包的具体方法是：

(41)转发数据包过程中，上一跳节点广播给它的邻居节点的数据包头部设有该上一跳节点的位置信息、当前岔路口CJ的位置信息和数据包标识；这些邻居节点中地理位置更靠近当前岔路口CJ的多个节点成为竞争节点，每个竞争节点都接收并缓存该数据包，并为该数据包设置一个计时器后，该计时器的超时值由每个竞争节点都根据本节点、上一跳节点、当前岔路口CJ和前一岔路口PJ的位置信息和设定的计算方法，分别计算得到；其中计时器最先超时的竞争节点把该数据包以广播方式转发给其邻居节点，完成该数据包的又一次转发；上述操作逐跳重复进行，直到目的节点接收到该数据包；

(42)计时器的超时值大小和竞争节点在地理位置上的优越程度成反比，即地理位置越优越：越靠近当前岔路口CJ，其计时器的超时值越小；对于某个竞争节点，暂存于其本地缓存中的数据包所对应的定时器未超时之前，又重复收到同一数据包时，该竞争节点需要判断：再次给自己发送数据包的节点位置是否比自己的位置更优越，如果是，则说明其竞争失败，则该竞争节点删除缓存于本地的相应数据包；如果不是，则该竞争节点继续等待定时器超时；

(43)对于上一跳节点，当接收到竞争节点广播的自己刚刚转发的数据包，则说明该数据包已被成功转发，就把本地缓存中的数据包删除；如果在设定的时间周期内，上一跳节点没有接收到自己刚刚转发的数据包，则说明本轮竞争转发失败，这时如果竞争转发的重复次数小于设定值，则上一跳节点要重新对该数据包进行竞争转发，即延迟一段特定的时间后返回执行步骤(41)的操作；否则，丢弃该数据包。

上述竞争节点的计时器的超时值的计算方法有下述三种不同方法，可供选择其中之一：

A(参见图2)、当上一跳节点phop位于两个岔路口之间，且上一跳节点phop的通信范围没有覆盖当前岔路口CJ区域时，竞争节点i的计时器超时值t的计算公式为：t＝τ(1-dist(i，phop)/p_max)；

B(参见图3)、当上一跳节点phop位于两个岔路口之间，且上一跳节点phop的通信范围覆盖当前岔路口CJ区域时，则竞争节点必定位于下述两个区域：区域1是phop所处的街道上，区域2则是phop所处的街道的延长线上；

区域1：当竞争节点i位于phop所处的街道上时，其计时器超时值t的计算公式为：，t＝τ(1-dist(i，phop)/p_max)；

C(参见图4)、当上一跳节点phop位于前一岔路口PJ区域时，竞争节点i的计时器超时值t的计算公式为：t＝τ(1-(dist(phop，CJ)-dist(i，CJ))/p_max)；

上述各式中，p_max是车载Ad Hoc网络中节点无线信号的最大通信距离，dist(i，phop)是竞争节点i与上一跳节点phop之间的欧氏距离，dist(i，CJ)是竞争节点i与当前岔路口CJ之间的欧氏距离，dist(phop，CJ)是上一跳节点phop与当前岔路口CJ之间的欧氏距离，τ是一个设定的正值常数。

步骤5、数据包转发过程中最后一跳完成确认收到的处理操作：如果目的节点是上一跳节点的邻居节点时，目的节点在接收到上一跳节点广播的数据包后，立即返回一个确认收到消息ACK。该确认收到消息包括该数据包源节点的IP地址、目的节点的IP地址和该数据包的序号。收到该确认收到消息的上一跳节点以及其他竞争节点都在本地缓存中查找匹配上述信息的数据包，如果找到就把该数据包从缓存中清除；全部操作流程结束。

申请人对本发明方法进行了仿真实施试验，通过理论分析和仿真实施例的实验论证，证明本发明的方法是有效的，能够实现发明目的。

Claims

1.一种适应于城市环境的车载Ad hoc网络中数据包竞争转发的方法，其特征在于，包括下列操作步骤：

所述基于竞争转发策略转发数据包的具体方法是：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)的无向图中，分别采用length(m，n)和traffic(m，n)表示岔路口m和n之间的街道距离长度及其交通流量信息，并用作城市道路环境的两个实时建模信息；后者的量纲是单位时间内经过该街道的车辆数量；设置岔路口m和n之间的街道权值为weight(m，n)＝length^α(m，n)/traffic^β(m，n)，式中，两个调整系数α和β都大于或等于零，该两个数值分别决定街道的物理长度和交通流量信息在选择转发节点时所考虑的因素的份量大小，α＝0时表示街道的权值只取决于交通流量信息，β＝0时表示街道的权值仅取决于街道的物理长度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，由源节点到目的节点的转发数据包过程中，所经历的多个岔路口组成一个岔路口序列；且为了适应城市道路环境的实时建模信息，对转发数据包路径中的每个岔路口都要逐个计算和动态选择；每个数据包的包头中含有两个岔路口标识：当前岔路口CJ和前一岔路口PJ，前者是数据包正在走向的岔路口标识，后者为该数据包刚刚离开的岔路口标识。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述对数据包转发路径中的岔路口进行动态选择和更新的方法是：当产生数据包的源节点或持有数据包的中间节点走进某个岔路口区域时，要根据目的节点的位置信息，按照图论中的最小花费算法动态选择下一个岔路口作为其前进方向，即优先选择的原则是距离短和车辆流量密度大的街道；完成计算选择后，持有数据包的节点要更新其岔路口序列：把刚刚选择的岔路口更新为当前岔路口CJ，而把该数据包刚经过的岔路口更新为前一岔路口PJ。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述岔路口区域是指车载Ad Hoc网络中的节点到达某个岔路口的距离长度小于设定数值的地域范围。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述目的节点广播的位置更新消息包括：消息标识ID，目的节点的IP地址、当前速度、位置信息及其运动方向，即该目的节点刚离开的岔路口标识ID和正在走向的岔路口标识ID。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述竞争节点的计时器的超时值计算方法包括有下述供选择其中之一的三种不同方法：

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(5)中的确认收到消息包括该数据包源节点的IP地址、目的节点的IP地址和该数据包的序号；收到该确认收到消息的上一跳节点以及其他竞争节点都在本地缓存中查找和匹配上述信息的数据包，如果找到，就把该数据包从缓存中清除。