CN101883330B - 应用于车载自组网的基于网络编码的多播路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明结合车载自组网的特点提出一种应用于车载自组网的基于网络编码的多播路由方法，首先发包节点收集其两跳邻居节点信息形成两跳邻居信息表；根据两跳邻居信息表记录邻居节点数目与每千米存在节点数阈值大小关系选择路由模式，如果前者大于后者，进入网络编码模式，否则进入机会路由模式。网络编码模式下，首先确定前向节点集；然后确定当前节点发送数据速率k以及局部拓扑最大流最小割值n；结合最大距离可分码计算最小有限域，选取域中非零元构造满足k列线性无关关系的全局编码矩阵；节点以编码矩阵为依据下发编码规则，下游节点严格按照规则编码。重复以上过程直至消息到达目标节点。本路由方法是一种可扩展、效率高、适应性强的路由方法。

Description

应用于车载自组网的基于网络编码的多播路由方法

技术领域

本发明属于车载自组网路由领域，涉及一种应用于车载自组网的基于网络编码的多播路由方法，用于车载自组网交通预警信息、流媒体数据的有效传输。

技术背景

随着无线通信、电子和车辆技术的发展，车载自组网逐渐受到各国的重视。通过车载节点之间、车载与道路基础设施的交互，可以为车辆提供交通预警信息，辅助驾驶，减小事故发生概率；为车载人员提供实时的因特网信息，满足人们对信息的需求；另一方面，为车载提供流媒体数据，丰富车载生活。因此，车载自组网是一种具有广泛应用前景的新型网络形式。

在车载自组网的路由设计中，结合地理位置信息，可以进行数据传输路径和转发节点的优化选择，降低传统按需路由中冗余的控制分组，提供绿色可靠的路由信息。网络编码作为一种新型的路由方式，可以极大的提高数据传输效率，达到网络流量极限值，此外，网络编码对数据压缩、安全方面支持性良好。

传统的路由方式都是简单的复制转发，网络编码准许中间节点参与编码，通过多播路径和解码，达到数据传输的高效性，为各种环境下数据传播的实时性和可靠性提供了保障。

继美国率先制定VANET上层标准之后，日本和欧洲纷纷涉足VANET。欧洲的CarTALK2000项目组正试图建立一个包括车与车之间(IVC)和车与路之间(RVC)的完整交通无线网络体系，并与传统网络(如Internet、移动通信网络)互联互通融为一体。但VANET网络组成节点移动性强，链路寿命短暂，拓扑变化频繁，都给数据的传输带来了不小的挑战。

发明内容

本发明的目的是提出一种应用于车载自组网的基于网络编码的多播路由方法，本应用于车载自组网的基于网络编码的多播路由方法实施简单、成功收包率高。

本发明的技术解决方案如下：

一种应用于车载自组网的基于网络编码的多播路由方法，包括以下步骤：

步骤1：节点广播HELLO消息，由此收集两跳邻居信息，并创建两跳邻居节点信息表；所述的节点信息包括节点ID，所处位置，运动速度，行进方向；(HELLO消息是一种消息类型，没有中文名字)

步骤2：根据两跳邻居节点信息表，判断表内节点数目是否大于每千米存在节点数阈值，如果大于转到步骤4，否则进入步骤3；这个常量不是固定的，是在程序中设定的，专业术语中可以这样定义。

步骤3：进行机会路由，到此进入步骤10；所述的机会路由是指根据邻居车辆的行驶方向、速度信息，预判邻居车辆所处位置，据此决定下跳节点；

步骤4：根据两跳邻居节点信息表，按照地理位置贪婪方法，选取距离目标节点最近的邻居节点为前向节点集基准节点，并以此建立前向节点集；

步骤5：根据前向节点集包含节点数目n和节点同时收到信息个数m，计算节点发送信息速率k，计算公式为k＝min(n，m)；(k是当前节点转发数据速率，即下游节点将k个信息数据融合成一个数据包。k表示的是一个节点计算和决定转发速率的过程。)

步骤6：判断k是否等于1，如果等于1，进入步骤7，否则转到步骤8；

步骤7：节点无需参与编码，只需将收到的数据包转发至下游节点，转到步骤10；

步骤8：计算最小有限域；

根据最大距离可分码(MDS码)[n，k]的相关理论，假设节点每单位时间发送的数据量为k，最小有限域阶数为q，信源到达接收节点路径数为n，则：

推论(1)：当n-k＝1时，q＝2；

当n为偶数且k＝3或k＝n-3时，q为大于等于n-2的最小素数或素数的幂次；

当其他情况下，q为大于等于n的最小素数或素数的幂次。

根据最小有限域阶数以及文献《Pⁿ阶有限域的存在性与构造方法》相关内容计算最小有限域。

步骤9：采用网络编码模式进行路由，选择最小有限域的非零系数作为编码规则下发至下游节点，下游节点严格按照编码规则编码，进入步骤10；

步骤10：判断数据是否已达到目标节点，如果是，停止转发，路由结束，否则将编码规则传递给下一个下游节点，并将该下游节点作为当前节点，返回步骤1。

前向节点集是先从两跳邻居信息表中选取距离目标最近的节点，假设此节点为M，逐个查询M的邻居，如果存在邻居节点且邻居节点与当前节点互为邻居，则将此节点纳入前向节点集；同时还需保证，同一前向节点集内部节点彼此互为邻居关系。

节点发送的数据包中携带前向节点集成员ID，当前向节点集成员接收到数据后，首先检查前一跳节点的前向节点集成员ID与自己的前向节点集成员ID是否存在相同项，若有，则将其从前向节点集中去除。每个节点如果需要转发信息便会收集邻居信息，并从中确定自己的前向节点集。前向节点集只包含邻居中与目标距离最近的节点，以及与该节点和当前节点满足彼此互为邻居关系的节点。这样可以有效避免“隐藏终端”问题。

步骤9中的网络编码模式为：利用最大距离可分码，根据前向节点集确定的数据发送速率和局部网络流量极限值(根据MDS理论以及网络编码理论，当前节点可以指导下游节点成功编码，即实现了当前节点与下游节点形成的局部网络流量最大化。此极值为当前节点转发数据速率k)，其中数据发送速率大小等于前向节点集包含节点数目，并计算最小有限域。

最小有限域的计算方法为：根据最大距离可分码(MDS码)[n，k]的相关理论，假设节点每单位时间发送的数据量为k，最小有限域阶数为q，信源到达接收节点路径数为n，则：

推论(1)：当n-k＝1时，q＝2；

当n为偶数且k＝3或k＝n-3时，q为大于等于n-2的最小素数或素数的幂次；

当其他情况下，q为大于等于n的最小素数或素数的幂次。

根据最小有限域阶数以及文献《Pⁿ阶有限域的存在性与构造方法》相关内容计算最小有限域，

选取最小有限域中不同非零元素，这里的非零元素是k个，按照各非零元幂次逐次加1上升的次序构成全局编码矩阵的各列向量，该列向量作为下游节点的编码规则用基础系数和节点发送速率来表示。

基础系数即从最小有限域中选取的非零元，而列向量为各非零元按照幂次以1递增的方式形成，具体为

其中α_k为最小有限域中的非零元，节点发送速率与列向量维数一致，均为k。

利用MDS码已有成果，根据前向节点集确定的数据发送速率和局部网络流量极限值，计算最小有限域。最小有限域减小节点计算量，同时编码规则实际就是编码系数和节点发送速率，无需将所有有限域值传输下去，降低通信冗余量。

本发明的工作原理是：针对现有技术的缺陷，研究车载自组网的特点，分析信号在车载环境下传播的特殊性，设计合理的路由策略。根据节点的两跳邻居信息表中记录的地理位置和邻居关系，选择前向节点集，根据节点集包含节点个数，确定数据发送速率和局部网络最大流值，结合MDS码，计算最小有限域，根据最小有限域中不同非零元幂次逐次加1的次序构建编码矩阵，并将各列向量基准系数和节点发送速率作为编码规则下发至下游节点。该过程无需传输有限域所有域值，极大的降低了通信冗余量。同时根据MDS码相关理论，节点构建的编码矩阵满足任意K(在数量上与节点发送速率相等)列线性无关关系，确保接收节点解码成功率。因此基于网络编码的多播车载路由方法NCMR(Network-Coding and MulticastRouting)，进行最短多播路径选择和数据的编码转发。NCMR路由方法在实现机制上比较简单，对于保证车载自组网络的可扩展性和数据传输的高效性等方面具有较大优势。

本发明的应用于车载自组网的基于网络编码的多播高效路由方法，网络中节点根据邻居表中记录节点数目与每千米存在节点数阈值Min_n(Min_n＝12*[1000/2*Rc]，其中Rc为节点通信半径)大小关系切换路由模式；包括网络编码模式和机会路由模式；车载自组网动态变化明显，网络负载不稳定，可能出现节点密度较小的情况，此时作为网络编码模式基础的多播路径的建立存在困难，路由模式切换为机会路由，增强该方法的普适性。网络编码模式特征在于，通过节点收集的局部拓扑信息，确定当前节点的数据发送速率和局部网络流量极限值，结合MDS码，计算最小有限域，构造编码矩阵，并将编码向量作为编码规则下发至下游节点，下游节点严格按照编码规则编码，可以确保解码成功率，无需线性关系验证。机会路由模式特征在于，充分利用车载GPS系统提供的邻居节点的行驶速率、方向信息，预判邻居将处位置，如果该位置对于数据路由有利，则可将此邻居作为下一跳节点。机会路由正是利用了车载节点的“随机”行驶特性，解决网络节点密度过小时网络编码无法正常实行的路由问题。作为改进，网络编码模式时，当前节点根据收集的两跳邻居信息表，即局部拓扑信息，按照地理位置贪婪选择距离目标最近的邻居作为选取前向节点集的基准节点，再根据基准节点和当前节点的邻居关系，最终确定前向节点集。根据前向节点集包含节点个数决定当前节点送法数据速率和局部网络流量极限值(最大流最小割值)，结合MDS码确定最小有限域和编码矩阵，并下发编码规则。

有益效果：

本发明结合车载自组网的特点，提出一种基于网络编码的车载自组网多播路由方法。首先发包节点收集其两跳邻居节点信息，并形成两跳邻居信息表；根据两跳邻居信息表记录邻居节点数目a与每千米存在节点数阈值b大小关系选择路由模式，如果a＞b，进入网络编码模式，否则进入机会路由模式。网络编码模式下，当前节点根据目标节点的位置，从表中选出与目标节点距离最小的邻居作为基准节点，并根据此基准节点和当前节点的邻居关系确定前向节点集；根据前向节点集包含节点个数确定当前节点发送数据速率k以及局部拓扑最大流最小割值n，其中k和n相等；结合最大距离可分码(MDS码)计算最小有限域，选取域中非零元构造满足k列线性无关关系的全局编码矩阵；节点以编码矩阵为依据下发编码规则，下游节点严格按照规则编码。重复以上过程直至消息到达目标节点。本路由方法充分考虑了车载自组网的特殊性，根据节点密度进行路由模式切换。在网络编码模式中，以局部拓扑为路由依据，基于网络编码，融入地理位置路由，是一种可扩展、效率高、适应性强的路由方法。

本发明具有以下优点：

(1)减少数据传输时延

本路由方法加入网络编码机制，可以有效应对网络负载繁重时，车载链路资源不足的情况，中间节点将多个数据压缩融合，减少了通信资源争用和等待几率，数据实时性得到保证。同时，网络编码可以减少节点通信次数，降低通信干扰，进一步提高了网络通信质量。

本方法还涉及最小有限域，在保证成功解码的同时，降低节点计算量，抓住编码向量关键信息(基础系数和发送速率)，使通信冗余量最低，减少数据传输时延。最小有限域的出现克服了随机网络编码算法的通信冗余和解码成功率之间的矛盾。

(2)成功收包率高

基于网络编码的路由，可以将网络流量最大化，同时，在网络负载较重时，可以更加突出高效性；NCMR还结合了地理位置路由的灵活性，将每一次数据传输过程效益最大化。本方法编码过程较以往的线性编码方法省去节点间的线性协商过程，当前节点以局部拓扑信息为基础，构造满足线性无关关系的编码矩阵，并将矩阵系数作为编码规则下发至下游节点。因此，本路由方法能具有较高的成功收包率。

(3)实施简单

车载配备的GPS为本方法提供地理位置信息，通过车载节点通信模块，局部拓扑信息的收集以及最小有限域的计算与编码规则的下发，过程简单。最小有限域的计算使节点计算量降到最低。同时，本路由方法具备根据网络节点数目切换路由模式的功能，具有自适应性，保证路由方法的普适性。

附图说明

图1是前向节点集选取过程示意图；

图2是机会路由过程示意图；

图3是当前节点下发编码规则过程示意图；

图4是实施例1中路由方法的流程图。

具体实施方式

以下将结合图和具体实施过程对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

本路由方法以事件为驱动，当节点需要转发数据，首先广播HELLO消息，收集两跳邻居信息。信息包括节点ID、位置、速度、行驶方向，并将此信息成表。判断邻居数目与每千米存在节点数阈值的大小，调整路由模式。如果是网络编码模式，根据表中记录节点位置，计算距离目标节点最近的邻居作为前向节点集选取基准节点。逐个查询基准节点的邻居，如果存在邻居节点且邻居节点与当前节点互为邻居，则将此节点纳入前向节点集；同时还需要保证，同一节点集内部节点彼此之间互为邻居。计算前向节点集包含节点数目，以此确定数据发送速率k和局部网络最大流量值n，结合MDS码，计算最小有限域，并从域中选取非零值构建全局编码矩阵，此矩阵可确保任意k列线性无关。节点将编码向量作为编码规则下发至下游节点，下游节点严格按照编码规则进行编码。当多个数据汇集到一个节点时，即多个节点同时选择同一节点作为其前向节点集成员，该节点会根据自己的前向节点集成员数目n与接收数据个数m确定当前节点数据发送速率k，k＝min(n，m)，再根据MDS码计算最小有限域，构建编码矩阵并下发编码规则，当k＝1时，节点直接转发数据包。当节点检测到每千米存在节点数目小于阈值时，转换为机会路由。机会路由是指利用节点的随机移动特性，将需要传输的数据通过节点的存储和转发最终到达目标节点的路由机制。它能有效应对节点移动、节点稀疏、射频关闭或障碍物造成信号衰减等多种原因而造成的网络分割或连通性较差的情况。

NCMR方法中，前向节点集的基准节点通过与接收节点距离贪婪算取，确保数据包的每一跳前进幅度最大化，减少数据编码、转发次数，降低方法复杂度；同时，节点通信次数的下降也有助于减少通信干扰，增加数据包传输的有效性；基于地理位置的距离贪婪能有效应对车载网络中链路寿命短的特性；信源根据局部拓扑信息的改变，调整数据发送速率，并下发保证线性无关关系的编码规则，跳过中间节点进行编码向量协商的过程，减少节点计算时间；网络编码支持数据压缩(即将多个信息分量包含在一个数据包内)，通过多播方式达到接收节点，接收节点可以在同一时间解码出数据包中包含的多个信息分量，有效提高网络资源利用率；多播过程在网络负载均衡上也有一定优势。

NCMR方法是根据车载网节点缺乏足够的网络拓扑信息的实际情况出发，依据局部拓扑，构建满足线性无关特性的编码矩阵，即使无法达到全局网络最大流最小割的极限理论值，但在一定程度上接近该值。较传统的复制转发路由方法，NCMR可以在较大程度上提高网络利用率。

网络编码基于多播，需要依靠多路径方式得到单位时间内数据传输的高效率。在车载网络中，多播能提高节点收包成功率，均衡网络负载。因此，本文提出基于网络编码的多播车载网路由方法NCMR。NCMR方法通过确定前向节点集的方式，将当前节点和多个下游节点组成链路，形成从信源到接收节点的多播状态。前向节点集的形成过程分为两个阶段：两跳范围邻居信息收集和前向节点集确定。

两跳范围邻居信息收集如图1所示，节点B首先发送HELLO消息，收到该消息的节点会将自己及其一跳邻居的信息返回给节点B，节点由此形成两跳范围内邻居信息表。

前向节点集的确定：根据两跳邻居信息表确定前向节点集。先从表中选取距离目标最近的节点，假设此节点为M，逐个查询M的邻居，如果存在邻居节点且邻居节点与当前节点互为邻居，则将此节点纳入前向节点集；同时还需要保证，同一节点集内部节点彼此之间互为邻居。

节点发送的数据包中携带节点集成员ID，当节点集成员接收到数据后，首先检查前一跳节点的前向节点集成员ID与自己的前向节点集成员ID是否存在相同项，若有，则将其从前向节点集中去除。这样可以有效避免“隐藏终端”问题。

图2是机会路由过程在本方法中的应用。车载节点S需要将数据发送至D，由于S的邻居无法与节点D通信；S所处街区的AR1(AR1，AR2均为设置于道路中的基础设施通信节点，具有位置固定，通信范围广，数据处理能力强的特点，可为车载节点提供INTERNET、路由中转服务)正处于拥塞状态，无法帮助路由。此时路由方法切换为随机路由模式，通过GPS提供的位置和行驶方向等数据，对邻居节点的位置进行预测，发现节点A将会处于A’位置。A’位置恰能实现路由向前，于是将邻居A作为下一跳，节点A接收并保存数据，直至遇到更靠近目标的节点便将数据转发出去。

如图3所示，第一代前向节点集包含节点数量为3，则S发送速率k为3，根据当前节点数据发送速率公式，当k＝1时，节点直接转发数据包，节点1、2、3均符合。在第二代前向节点集当中，节点6的k值不为1，计算最小有限域并向节点a、b分别下发编码规则b1、b2和b3、b4，其他节点均直接转发数据包。经过第三代节点集的转发，接收节点R能成功解码。此时，若a节点失效，b节点按照b3、b4进行编码，再传输给R，R同样能解码成功。图中的8和9号节点均可传输信息，但8，9号节点并不满足网络编码条件，即不能满足多路径到达目标节点，故在此不考虑8，9两节点。

图4是NCMR路由的执行流程图。当节点需要发送数据时，首先广播HELLO消息收集两跳邻居信息，形成邻居信息表，当表中节点数目超过每千米存在节点数阈值，进入网络编码路由模式。确定前向节点集，并决定节点数据发送速率和局部网络流量最大值，计算最小有限域，下发编码规则，完成编码；当表中节点数目没有达到门限值，进入机会路由模式，通过车载节点装备的GPS提供的地理位置、移动速度、方向以及道路情况的数据，预判邻居节点所处位置。如果该位置能起到路由向前的作用，则将其作为下一跳。利用车辆类似随机运动的特点帮助路由。

具体步骤如下：

(1)节点广播HELLO消息，由此收集两跳邻居信息(包括节点ID，所处位置，运动速度，行进方向)，并创建两跳邻居节点信息表。到此进入步骤2；

(2)根据两跳邻居节点信息表，判断表内节点数目是否大于每千米存在节点数阈值。如果大于进入步骤4，否则进入步骤3；

(3)机会路由，根据邻居车辆的行驶方向、速度等信息，预判所处位置，据此决定下跳节点。到此进入步骤10；

(4)根据两跳邻居信息表，按照地理位置贪婪，选取距离目标节点最近的邻居为前向节点集基准节点，并以此建立前向节点集。到此进入步骤5；

(5)根据前向节点集包含节点数目n和节点同时收到信息个数m，根据公式k＝min(n，m)，计算节点发送信息速率k。由此进入步骤6；

(6)判断k是否等于1。如果等于，进入步骤7。否则进入步骤8；

(7)直接将收到的数据包转发至下游节点。并将下一节点作为当前节点，至此返回步骤10；

(8)根据推论1，计算最小有限域。至此进入步骤9；

(9)选择最小有限域的非零系数作为编码规则下发至下游节点，下游节点严格按照编码规则编码。至此进入步骤10。

(10)判断数据是否已达到目标节点，如果是，停止转发，否则将下游节点作为当前节点，返回步骤1。

NCMR路由充分考虑了车载网络拓扑变化频繁、链路寿命短暂的特点，是一种可扩展的自适应多播路由协议，非常适合应用在车载网下的车载流媒体数据通信。MDS码(最大距离可分码)说明：

由k和n可以得出满足网络多播传输的最小有限域GF(q)(k为数据发送速率，n为前向节点集包含成员数目，q为最小有限域的阶)

当n-k＝1时，q＝2；

当n为偶数且k＝3或k＝n-3时，q为大于等于n-2的最小素数或素数的幂次；

其他情况下，q为大于等于n-1的最小素数或素数的幂次。

由于我们设定k＝n(k为数据发送速率，n为前向节点集包含成员数目)，故q(q为最小有限域的阶)为大于等于n-1的最小素数或素数的幂次。

由此我们可以算出最小有限域的阶，并根据阶值算出最小有限域中域值。选取最小有限域中不同非零域值，按如下矩阵构建全局编码矩阵。

的任意k列向量线性无关，其中a₁，…a_q为最小有限域中不同非零域值。

有关本方法的具体实现，参见以下文献：Shen Qifeng，etc.AES中有限域运算的优化及算法高速实现；

Wangjing，etc.k冗余多播网络中网络编码算法设计与分析[J].Journal of Electronics& Information Technology，31(10)，2009.。

Claims (4)

1.一种应用于车载自组网的基于网络编码的多播路由方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：节点广播HELLO消息，由此收集两跳邻居信息，并创建两跳邻居节点信息表；节点信息包括节点ID，所处位置，运动速度，行进方向；

步骤2：根据两跳邻居节点信息表，判断表内节点数目是否大于每千米存在节点数阈值，如果大于转到步骤4，否则进入步骤3；

步骤3：进行机会路由，到此进入步骤10；所述的机会路由是指根据邻居车辆的行驶方向、速度信息，预判邻居车辆所处位置，据此决定下跳节点；

步骤4：根据两跳邻居节点信息表，按照地理位置贪婪方法，选取距离目标节点最近的邻居节点为前向节点集基准节点，并以此建立前向节点集；

步骤5：根据前向节点集包含节点数目n和节点同时收到信息个数m，计算节点发送信息速率k，计算公式为k＝min(n，m)；

步骤6：判断k是否等于1，如果等于1，进入步骤7，否则转到步骤8；

步骤7：节点无需参与编码，只需将收到的数据包转发至下游节点，转到步骤10；

步骤8：计算最小有限域；

步骤9：采用网络编码模式进行路由，选择最小有限域的非零系数作为编码规则下发至下游节点，下游节点严格按照编码规则编码，进入步骤10；

步骤10：判断数据是否已达到目标节点，如果是，停止转发，路由结束，否则将编码规则传递给下一个下游节点，并将该下游节点作为当前节点，返回步骤1。

2.根据权利要求1所述的应用于车载自组网的基于网络编码的多播路由方法，其特征在于，前向节点集是先从两跳邻居信息表中选取距离目标最近的节点，假设此节点为M，逐个查询M的邻居，如果存在邻居节点且邻居节点与当前节点互为邻居，则将此节点纳入前向节点集；同时还需保证，同一前向节点集内部节点彼此互为邻居关系。

3.根据权利要求2所述的应用于车载自组网的基于网络编码的多播路由方法，其特征在于，节点发送的数据包中携带前向节点集成员ID，当前向节点集成员接收到数据后，首先检查前一跳节点的前向节点集成员ID与自己的前向节点集成员ID是否存在相同项，若有，则将其从前向节点集中去除。

4.根据权利要求1～2任一项所述的应用于车载自组网的基于网络编码的多播路由方法，其特征在于，步骤9中的网络编码模式为：利用最大距离可分码，根据前向节点集确定的数据发送速率和局部网络流量极限值，其中数据发送速率大小等于前向节点集包含节点数目，并计算最小有限域，选取最小有限域中不同非零元素，按照各非零元素幂次逐次加1上升的次序构成全局编码矩阵的各列向量，该列向量作为下游节点的编码规则用基础系数和节点发送速率来表示。

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