CN101937613A - 一种基于公交车网络的数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于公交车网络的数据传输方法，包括步骤：1)构建公交车网络图G＝<V，E>，其中V表示所有公交车路线构成的集合，E表示路线之间的边；2)当路线i产生数据m，在图G中求得一条到达目的路线j的传输路径p(m)，并将该路径信息保存到数据m中；3)当携带m的属于公交路线i的公交车A与属于路线j的公交车B相遇时，当且仅当j是传输路线p(m)上路线i的下一跳时，A将m转发给B；4)若发生数据转发，则公交车B判断自身是否属于m的目的路线，若属于则表示数据传输过程完成；否则，公交车B按照步骤4)继续转发过程。本发明的方法以公交车线路上行驶的多辆公交车为整体考虑，相比已有的方法能够节省数据转发的延迟，提高数据传输成功率。

Description

一种基于公交车网络的数据传输方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及一种基于公交车路线之间相遇频率的数据传输方法，尤其涉及一种基于公交车路线之间相遇频率的公交车网络数据传输方法。

背景技术

公交车网络(BusNET)利用公交车上安装的无线通信设备，如802.11无线网卡，组成具有高移动性、覆盖面广的网络结构，利用公交车移动相互靠近形成的短暂的通信机会完成数据转发。近年来各研究机构研发了一系列有代表性的公交车网络原型系统，例如DieselNet(Xiaolan Zhang，Jim Kurose，Brian Neil Levine，Don Towsley，and Honggang Zhang.Study of a bus-based disruption-tolerant network：mobility modeling and impact on routing.In MobiCom，2007.)在UMass校园公交车上安装无线通信设备，利用公交车进行数据传输；Daknet(Alex(Sandy)Pentland，Richard Fletcher，and Amir Hasson.Daknet：Rethinking connectivity in developing nations.Computer，2004)利用公交车上安装的无线通信设备辅助边远无有线网络部署地区完成收发Email等服务。这些应用原型系统表明公交车网络有重要的应用前景。

公交车网络属于移动容迟网络(Delay Tolerant Network，DTN)的一种特例，针对DTN已有较多的研究。Zhang et al.(Xiaolan Zhang，Jim Kurose，Brian Neil Levine，Don Towsley，and Honggang Zhang.Study of a bus-based disruption-tolerant network：mobility modeling and impact on routing.In MobiCom，2007.)研究了校园公交车网络中，一条路线内部多辆公交车之间的相遇模型。Liu et al.(Cong Liu and Jie Wu.Routing in a cyclic mobispace.In MobiHoc’08.ACM，2008.)和Hay et al.(David Hay and Paolo Giaccone.Optimal routing and scheduling for deterministic delay tolerant networks.In In Proc.WONS，2009.)利用随机图理论将公交车网络建模为一种具有周期规律的网络。而实际上，公交车受到交通环境的影响而不会严格以固定周期行驶，因此上述工作在实际中效率低下。Sede et al.(Michel Sede，Xu Li，Da Li，Min-You Wu，Minglu Li，and Wei Shu.Routing in large-scale buses ad hoc networks.In WCNC，2008.)针对城市大规模公交车网络设计了用于数据传输的协议BLER，在该协议中，将一条公交车线路上运行的多辆公交车看作一个整体，利用路线之间的相遇统计信息进行数据转发决策，然而，由于BLER没有考虑数据传输路径上的延迟，往往导致传输延迟超过给定的时限而造成分组失效。

近来，车载网络(Vehicular Ad Hoc Networks，VANET)数据传输研究引起的学者的广泛关注。通常车辆行驶的速度较快，且行驶轨迹不固定，因此，这些研究工作主要集中在如何准确预测车辆的移动规律。其中Lebrun et al.(J.Lebrun，Chen-Nee  Chuah，D.Ghosal，and Michael Zhang.Knowledge-based opportunistic forwarding in vehicular wireless ad hoc networks.In VTC，2005.)利用历史信息预测车辆的前进路线；而Jeong et al.(Jaehoon Jeong，Shuo Guo，Yu Gu，Tian He，and David Du.TBD：Trajectory-based data forwarding for light-tra「c vehicular networks.ICDCS 2009)则利用车载导航系统获得车辆的路径规划。这些工作与公交车网络的数据传输方法有着显著的区别。

发明内容

针对已有工作的不足，本发明提供了一种基于公交车路线之间相遇频率的公交车网络数据转发方法。

在详细说明本发明之前，首先说明本发明所采用的公交车网络模型。

公交车网络模型中，把整条公交车路线看作一个整体，一条公交车线路可包含多辆公交车，多条公交车线路则构成了公交车网络。在公交车网络中，假定每辆公交车都安装了短距离无线通信设备，如802.11网卡，在两辆公交车相互靠近时产生短暂的通信机会，如图1所示，图中公交车c与d以及b与e之间可以利用短期存在的通信链路进行数据转发。其中，公交车c、d、e和f属于同一公交路线，而a和b属于同一条公交路线，与c、d、e、f分属于不同的公交路线，且两组公交车分别所属的路线具有公共的区域；公交车c与d之间的数据转发属于线路内转发，公交车b与e之间的数据转发属于线路间的转发。

在上述模型场景下，假设数据由公交车网络中的公交路线i产生而需要转发到公交路线j，这里，数据由公交路线i产生是指数据由路线i中的任意一辆公交车产生(例如，公交车收集到的城市环境信息、交通信息等)，而转发到公交线路j是指只要线路j内任意一辆公交车接收到该数据即可，这种数据传输可应用于多种实用场景，如城市环境监测、智能交通等。本发明主要针对这些应用场景，在这些场景下，公交车产生的数据量一般较少，而短距离通信设备的传输带宽较大，如802.11g能达到54Mbps，因此，当两辆公交车相遇发生数据转发时，不考虑带宽的限制，即可以转发任意多的数据。

根据前面的论述，可将一条路线看作一个包含多辆公交车的整体，因此，公交车网络可形式化描述为一个图G＝<V，E>，其中V表示所有公交车路线构成的集合，而E表示路线之间的边。对于路线i，j∈V，存在边{i，j}当且仅当路线i与路线j能够发生相遇，即任意属于路线i的公交车能够与任意属于j的公交车相遇。直观上，若两条公交路线之间存在一条边，则数据可能从一条路线转发到另一条路线，这两条公交路线称为相邻的路线，而如果不存在一条边则数据不可能从一条路线转发到另一条路线。

为了实现本发明的目的，采用的技术方案概述如下：

一种基于公交车网络的数据传输方法，包括以下步骤：

1)构建公交车网络图G＝<V，E>，其中V表示所有公交车路线构成的集合，E表示路线之间的边，对于路线i，j∈V，当且仅当路线i与路线j能够发生相遇时存在边{i，j}；

2)当路线i产生数据m，在图G中求得一条到达目的路线j的传输路径p(m)，并将该路径信息保存到数据m中，随数据m一同转发；

3)当携带m的属于公交路线i的公交车A与属于路线j的公交车B相遇时，当且仅当j是传输路线p(m)上路线i的下一跳时，A将m转发给B，否则A携带消息继续行驶等待下一次相遇；

4)若步骤4)中发生数据转发，则公交车B判断自身是否属于m的目的路线，若属于则表示数据传输过程完成；否则，公交车B按照步骤4)继续转发过程。

所述步骤2)求出到达路线j的最短路径作为传输路径。

所述最短路径为相邻路线之间相遇频率较高的传输路径，通过权值c(i，j)进行计算：

所述c(i，j)表示单位时间内路线i和路线j相遇的平均时间间隔；a，b为时间参数，且b＞a，其中f_k(i，j)表示路线i与路线j之间在时槽k中的相遇频率。

所述f_k(i，j)通过收集设定时间段内所有公交车之间的相遇信息，将收集的相遇信息划分到时槽k内统计得出。

所述相遇信息包括相遇时间以及相遇的两辆公交车分别属于的公交路线。

所述时槽k的长度为1小时，取值范围为6到20。

所述a和b满足6＜a＜b＜20

与现有技术相比，本发明方法具有的有益技术效果有：

本发明提出了一种适用于公交车组成的数据收集网络中进行数据传输的方法，这种方法以公交车线路上行驶的多辆公交车为整体考虑，基于不同公交线路之间的相遇频率规划数据传输的路径，相比已有的方法能够节省数据转发的延迟，提高数据传输成功率。

附图说明

图1公交车之间的数据转发示意图；

图2公交车网络示意图；

图3数据传输路径规划示意图；

图4数据转发流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细介绍。

如图2所示，本实施例中构建的公交网络图中包含5条公交车路线，分别为r1、r2、r3、r4、r5，在城市环境收集以及智能交通等应用场景下，数据产生后往往需要传输到某条公交车路线，然后再通过路边部署的基站转发到Internet上的服务器，这样的公交车路线称为目的路线。在图2中，r5为目的路线，由阴影线表示，其它路线上产生的数据都将传输到r5作为目的地，如图中箭头所示。

为完成上述数据传输过程，首先为公交车网络中的每条边赋予一组标签，如图2中所示，对于位于r1与r2之间的边，其标签组为F(1，2)，不失一般性，对于任意边{i，j}，其对应的标签组为F(i，j)。对于标签组F(i，j)，其含义可由表达式(1)表示：

F(i，j)＝{f_k(i，j)|k∈[6，20]}                (1)

其中f_k(i，j)表示路线i与路线j之间在时槽k中的相遇频率，为简化设计，一个时槽设定为1小时，由于大多数公交车路线都在早6:00点至晚20:00之间运营，因此k∈[6，20]，针对不同的公交车系统k的取值也可以进行调整。以图2为例，若f₆(1，2)＝3表示公交车路线r1与r2之间，在6:00-7:00时槽内相遇平均次数为3次。由于公交车的行驶往往统一由公交公司调度，因此，在不同的天内，公交车路线之间的相遇频率变化通常较小，因此，上述f_k(i，j)可以通过收集一段时间内(如一周)所有公交路线之间的相遇情况统计得出。根据上述定义，两条公交车路线之间相遇频率可以由它们之间的边的标签组来表示，该标签组将用于数据传输的设计。

下面说明数据传输过程的设计。当路线i产生一个新的数据，首先需要进行传输路径规划，例如对于数据m，首先需要规划一条传输路径p(m)＝{r₁，...，r_n}，其中r₁表示m所在的当前公交路线，而r_n表示m需要到达的目的路线。在图2中，从路径r1到目的路径r5之间存在三条可选传输路径，即{r₁，r₅}、{r₁，r₂，r₅}和{r₁，r₃，r₄，r₅}，而路径规划则是需要从中选择一条作为数据传输路径。考虑数据传输的时效性，路径规划需要选择一条传输延迟较小的路径，传输延迟是指从数据产生到数据传输至目的路线之间消耗的时间。直观上，如果两条公交路线之间相遇频率较高，则数据能够较快从一条路线转发至另一条路线，因此，在进行路径规划时，优先选择那些相邻路线之间相遇频率高的传输路径。

为进行路径规划，为如图2所示的公交车网络图G中的每条边赋予一个权值，对于任意i，j∈V，若存在{i，j}∈E，那么设定其权值为c(i，j)，该权值由以下表示：

$c(i,j)=\frac{b-a+1}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{k=a}^b{f}_k(i,j)}---\left(2\right)$

其中a和b为系统参数，满足6＜a＜b＜20，而由它们描述的一段时间区间[a，b]则表示在计算权值时考虑的时间范围，设置不同的a和b的取值代表不同的含义。例如，若a＝6，b＝20则公式(2)计算的权值表示以一天作为单位的路线i与路线j的相遇平均间隔时间；而如果设定a＝t，b＝t+m则c(i，j)表示从时槽t开始的m+1个时槽内路线i与路线j相遇的平均时间间隔。根据上面的讨论，设定不同的a和b的取值可以表示不同的时间段内公交车路线之间的相遇间隔，a与b相隔越小则表示权值计算的时间敏感度越高，反之则时间敏感度越低，例如如果a＝b，那么公式(2)计算结果为c(i，j)＝1/f_a(i，j)，表示在时槽a内相遇的平均时间，若f_a(i，j)＝0.5则表示路线i与j平均2个小时才能够相遇一次。系统参数a和b的设定可根据实际系统进行调整，一般情况下，设定a＝6，b＝20则能够取得较好的效果，因此，本发明中默认设定a＝6，b＝20。

公交车网络图G中每条边都赋予权值后，传输路径规划实质上是在G上求一条从任意路线i到目的路线j的权值最短路径，如在图3中，假设所有边的权值如图3所示：

则从路线r1到路线r5的权值最短路径为{r₁，r₂，r₅}，其路径累积权值为25，而其余两条路径的权值则分别为60和29。一般的，在所有边权值为非负的情况下，可以利用Dijkstra算法求取图中任意两点之间的权值最短路径。

对于数据m，若其经过路径规划后求得的最佳路径为p(m)＝{r₁，r₂，...，r_n}，而当前m所在的公交路线为r_i，1≤i＜n，即m在属于公交路线r_i的公交车上，那么当前仅当该公交车遇到另一辆属于公交路线r_i+1的公交车时，数据m有公交路线r_i转发到公交路线r_i+1，依次m经过多次路径间的数据转发最终传输到目的路线r_n。上述完整过程为一次数据传输的过程。

如图4所示为本发明方法的流程：

1)收集约一周左右时间内，所有公交车之间的相遇信息，包括相遇时间以及相遇的两辆公交车分别属于的公交路线。按照1小时为单位将上述收集的相遇信息划分到不同的时槽内，针对任意两条公交车路线i和j，统计它们在各个时槽内的相遇平均次数f_k(i，j)，k∈[6，20]。

2)根据步骤1中得到的结果构建公交车网络图G，并为G中每条边{i，j}根据公式(2)求得边的权值c(i，j)。

3)当公交路线i产生数据m，根据传输路径规划在图G中求得一条权值最短路径p(m)，并将该路径信息保存到数据m中，随数据一同转发。

4)当携带m的属于公交路线i的公交车a与属于路线j的公交车b相遇时(这里i与j可能相等)，当且仅当j是路线p(m)上路线i的下一跳时，a将m转发给b，否则a携带消息继续行驶等待下一次相遇。

5)若步骤4中发生数据转发，则公交车b判断自身是否属于m的目的路线，若属于则表示数据传输过程完成；否则，公交车按照步骤4继续转发过程。

Claims (7)

1.一种基于公交车网络的数据传输方法，包括以下步骤：

1)构建公交车网络图G＝<V，E>，其中V表示所有公交车路线构成的集合，E表示路线之间的边，对于路线i，j∈V，当且仅当路线i与路线j能够发生相遇时存在边{i，j}；

2)当路线i产生数据m，在图G中求得一条到达目的路线j的传输路径p(m)，并将该路径信息保存到数据m中，随数据m一同转发；

3)当携带m的属于公交路线i的公交车A与属于路线j的公交车B相遇时，当且仅当j是传输路线p(m)上路线i的下一跳时，A将m转发给B，否则A携带消息继续行驶等待下一次相遇；

4)若步骤4)中发生数据转发，则公交车B判断自身是否属于m的目的路线，若属于则表示数据传输过程完成；否则，公交车B按照步骤4)继续转发过程。

2.如权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，所述步骤2)求出到达路线j的最短路径作为传输路径。

3.如权利要求2所述的数据传输方法，其特征在于，所述最短路径为相邻路线之间相遇频率较高的传输路径，通过权值c(i，j)进行计算：

所述c(i，j)表示单位时间内路线i和路线j相遇的平均时间间隔；a，b为时间参数，且b＞a，其中f_k(i，j)表示路线i与路线j之间在时槽k中的相遇频率。

4.如权利要求3所述的数据传输方法，其特征在于，所述f_k(i，j)通过收集设定时间段内所有公交车之间的相遇信息，将收集的相遇信息划分到时槽k内统计得出。

5.如权利要求4所述的数据传输方法，其特征在于，所述相遇信息包括相遇时间以及相遇的两辆公交车分别属于的公交路线。

6.如权利要求4所述的数据传输方法，其特征在于，所述时槽k的长度为1小时，取值范围为6到20。

7.如权利要求3所述的数据传输方法，其特征在于，所述a和b满足6＜a＜b＜20。

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