CN102118822A - 一种基于车辆协作的车载网络大数据转发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于车辆协作的车载网络大数据转发方法，用于在路口处进行数据转发，到达路口前，发送方车辆将待转发数据进行分片并编码，得到N个码片，最前方车辆保留所有码片，从中任意选取一个主码片，将剩余的N-1个码片复制给后方车辆，依次类推；进入路口区域，发送方车辆优先转发持有的主码片，接受方车辆回复ACK确认；驶出路口区域，发送方车辆统计收到的ACK数目，接收方车辆统计接收到的码片，判断出是否转发成功。本发明通过利用同向行驶车辆协作的方法实现了大数据转发，能在不带入太多额外开销的前提下有效提高真实公路交通环境下沿不同向行驶车辆间的数据转发成功率，并降低端到端的数据传输延时。

Description

一种基于车辆协作的车载网络大数据转发方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及一种车载网络数据转发方法，尤其涉及一种基于车辆协作的车载网络大数据转发方法，

背景技术

车载网络(VANET)利用部署在车辆上的无线通信设备组网，利用车辆间相遇产生的通信机会通信，在车辆行驶过程中进行数据传输，提供一系列与交通安全、娱乐、商业等相关的信息收集与发布服务。

围绕车载网络，国内外已有大量的研究成果，涉及到网络优化、路由转发、网络安全等诸多方面，也已有多个能成功运行的实际系统。路由转发是整个网络运行的核心，也是最为热门的研究话题，但是由于车载网络中存在太多不确定的因素，现有的路由算法往往对于节点能力或通信环境做出过多假设，从而在实际系统中仍然难以取得理想的性能表现。

在车载网络中，存在很大一类应用将车辆作为信息的载体，将车载网络作为一种与互联网通信的廉价手段，如利用车辆收集城市环境感知数据并上传、通过其他车辆向Internet查询网页等。大量的来自于行人或信息采集设备数据都将通过少量的位于城市中某个固定位置的网络接入点上传至Internet。在这类应用中，如何在保证一定传输成功率的前提下尽量缩短消息传输延时，是网络设计者们所关心的核心问题。

由于城市环境下车辆的运动受道路限制，车载网络中的消息传播轨迹必然由多个路口与连接这些路口的路段组成。现有的路由机制大多假设车辆间的通信带宽不受限制，但是在真实环境下，车辆间有限的相遇时间与恶劣的通信环境会使得在关键路口处难以实现大量数据的成功转发，部分数据包的传输不得不偏离其本来的转发路径，这将导致网络的总体传输延时增加，网络性能也因此而下降。

在早期针对车载网络路由转发机制的研究工作中，主要将车载网络看成是MANET的一种特例，并通过修改经典的MANET路由(如GPSR)使其适用。这些路由机制大都利用车辆节点的位置信息，结合路面交通信息选择合适的转发路径，以“贪婪”的方式使数据包不断逼近目标节点，典型的例子有GSR错误！未找到引用源。、SAR、GPCR、STAR路由等，这些研究工作大都围绕如何使MANET路由在经常性断开的网络拓扑中运行而展开，如GSR、SAR重点解决了当“拓扑空洞”出现时的路由恢复问题。然而，当网络拓扑变化速度较快时，路由恢复机制的频繁启用将给消息转发过程带来大量的不确定因素，严重降低消息传输的可靠性；另一方面，若车辆密度较低，发送端与接收端之间甚至可能根本不存在一条实时连通的传输路径，多次发起新的寻路过程，会使数据包的累积跳数迅速上升，从而提前丢失。相应的解决方案是当消息无法向前传输时，则将其缓存在节点本地一段时间，以等待新的通信机会。这种做法的关键在于当通信机会出现时如何选择合适的下一跳节点。MOVE路由选择预测运动方向更接近目标位置的节点为下一跳节点；MV和MaxProp路由则以节点与目标节点近期的相遇频率作为选择依据；VADD和MDDV则将行驶的路段相比现有路段有更小的期望传输延时的车辆选作为下一跳节点，类似的还有TBD和GeOpps，所不同的是他们对车辆的运行轨迹做了更加精确的预测。

在利用移动节点相遇进行数据转发的路由协议中，大都假设车辆间的传输带宽无限，数据的转发能瞬间完成，然而在实际系统里，这种假设往往并不成立。已有研究证明，即使是对于行驶的车辆与路旁静止的开放式AP，其平均相遇时间小于15秒，有效通信时间不足10秒，链路的丢包率维持在20％左右，车辆在有限的相遇时间内能传输的数据量极其有限。为解决这一问题，Eriksson等人提出通过缩短连接建立过程延长有效通信时间(参考：Eriksson J，Balakrishnan H，and Madden S.Cabernet：Vehicular content delivery using WiFi.In Proc.of ACM MOBICOM’08.ACM Press 2008.199-210)，Zhao Jing等人则提出利用车辆间的多跳转发扩展AP接入的覆盖范围(参考：Zhao Jing，Arnold T，Zhang Yang et al.Extending drive-thru data access by vehicle-to-vehicle relay.In：Proc.of VANET’08.ACMPress 2008.66-75)。但是，这些工作均针对车辆节点向固定目标节点的最后一跳传输进行扩展，而针对车载网络数据转发的中间过程的增强却至今尚未见报道。

发明内容

本发明针对的是车载网络中的大数据转发，提出一种基于同向行驶稳定车流中车辆协作的大数据转发增强机制，通过提高关键交叉路口处大数据的转发成功率，降低数据在车载网络中的端到端传输延时。

本发明的技术方案是：

一种基于车辆协作的车载网络大数据转发方法，用于在路口处进行数据转发，具体包括以下步骤：

1)进入一个路段，发送方车辆将待转发的M字节数据包向前发送至当前路段中最前方车辆；

2)最前方车辆将待转发的M字节数据按照码片大小b进行分片并编码，得到N个码片，按照如下规则分发码片：

最前方车辆保留所有码片，从中任意选取一个做为主码片，其余N-1个码片复制给后方车辆；依次类推，最后方的车辆保存得到的所有码片；

3)进入路口区域，发送方车辆优先转发主码片，接受方车辆回复ACK确认，听到确认消息的其他车辆不对收到的相同码片作重复确认；

4)驶出路口区域的发送方车辆统计收到的ACK数，接收方车辆统计接收到的码片数，

若发送方车辆收到的ACK数小于M/b，则转发不成功，发送方车辆继续持有数据等待下次转发，接收方车辆删除接收到的码片；

若发送方车辆收到的ACK数大于等于M/b，则转发成功，发送方车辆删除持有数据，而接收方车辆解码出原有数据，并进入下一次的转发流程。

所述步骤1)发送方车辆将待转发数据通过多跳无线链路向前发送至当前路段中最前方的车辆。

所述步骤2)采用擦除编码机制进行编码，码片数N＝(M×(1+r))/b，r为冗余率，b为编码得到的码片大小。

码片大小b的取值，b＝β×(1-P_loss)×T_I×D_send，其中：

T_I：车辆位于路口区域的时间；

D_send：路口处车辆的实际数据发送速率；

P_loss：传输丢包率；

β：概率因子。

所述车辆位于路口区域的时间由路口区域半径计算得出 $T_I\≈\frac{2R_I}{{\mathrm{\υ}}_i}$ ，其中R_I为路口区域半径，v₁：发送方车辆行驶平均速度。

所述路口处车辆的实际发送速率 $D_{\mathrm{send}}=\min (\frac{C}{N_i},W),$ N_i为发送方车辆的数目，C：无线通信信道容量上界，W：车载无线通信模块的理想传输带宽。

所述概率因子β为发送方车辆在路口区域的时间内至少遇到一个接收方车辆的概率：

$\mathrm{\β}=P(N_j\left(T_I\right)\≥1)=1-e^{-{\mathrm{\λ}}_j\frac{{2R}_I}{V_j}}.$

P_loss为在路口处进行消息发送的数据丢包率，根据线下测量统计得到。

所述步骤3)若发送方车辆处于停止状态，则停止在最前方的车辆发送本地持有的所有码片。

所述步骤3)若接收方车辆处于停止状态，则由停止的最前方车辆接收码片的接收并确认。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明针对车载网络数据传输应用设计大数据转发方法，着重解决车载网络中由于非同向行驶车辆间相遇时间短而带来的数据转发不完全问题。通过利用同向行驶车辆协作的实现大数据转发，能在不带入太多额外开销的前提下有效提高真实公路交通环境下沿不同向行驶车辆间的数据转发成功率，并降低端到端的数据传输延时，对推进车载网络数据传输应用实用化具有重要意义。

附图说明

图1为路口处转发示意图；

图2为本发明方法转发流程图；

图2a为发送方消息转发流程图；

图2b为接收方消息接收流程图。

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详细描述：

本发明的大数据转发方法在路口处的转发如图1所示，待转发的数据包P被划分为4个分片P-1、P-2、P-3和P-4，分别在t1、t2、t3、t4时刻由不同的车辆依次转发，图中实线箭头表示正在发生的通信，虚线箭头则表示已经发生或尚未发生的通信。

本发明方法的核心在于道路交叉处的消息转发，下文将简称为路口转发，为提高消息转发的成功率，本发明的转发方法在路口转发过程中使用了擦除编码机制。

在基于擦除编码机制的消息转发过程中，源节点(即发送方车辆)对待转发的共M字节的数据包进行处理，按冗余率r将其编码为N＝(M×(1+r))/b个码片。而目标节点(即接收方车辆)只需要能成功接收到其中任意M/b个码片即能成功解码出原有所有的数据包。

路口转发包括三个主要步骤，分别为消息分片、消息转发与消息重组，每一次的路口转发均需重复这三个过程。消息分片发生在持有消息的车辆到达转发路口之前，该车辆需要将待转发的数据进行编码，而后将分片分散至后续车辆上；消息转发发生在车辆进入转发路口之后，持有数据码片的车辆依次的将消息发送给沿目标方向行驶的车流；消息重组发生在车辆驶出转发路口范围之后，发送方需要判断消息是否转发成功，从而决定是否删除缓存中消息的拷贝，而接收方则需要对收到的码片进行重组，试图恢复出接收到的数据包。

消息分片过程

消息分片过程的目的在于将消息按照一定的冗余度分配给当前车流中的其他车辆，以确保路口处的可靠传输。本发明使用了擦除编码机制，其涉及参数如下：

M：待转发的数据量，以字节(byte)为单位；

b：编码得到的码片大小，以字节为单位；

r：冗余率，r大于0；

N：编码得到的码片数目。

上述几个参数之间的关系为N＝(M×(1+r))/b。

在消息分片机制的设计中，假设车辆知道自己在下一路口处的行驶方向(可根据导航设备或是当前行驶车道得出)，当前车流头部车辆将消息编码并按如下规则分发给后续车辆：头部车辆即车辆1根据道路交通情况计算得到码片大小b的取值，对待转发的消息进行编码，得到N个码片。车辆1保留所有码片，从中任意选取一个主码片，将剩余的N-1个码片复制给后方车辆2；车辆i保存收到的N-i+1个码片，从中选取一个主码片，将剩余的N-i个码片复制给车辆i+1；最后方的车辆保存得到的的所有码片，留待继续分配给可能新出现的后方车辆，或负责转发所有剩余码片。

在擦除编码机制的多个相关参数中，码片大小b可根据需要而调整，是决定转发效率的重要因素；体积过大的码片会在有限的相遇时间内无法完全传输，体积过小的码片则需要更多的车辆参与转发，一方面加强了对车流稳定拓扑的要求，另一方面浪费了可用带宽，从而带来更大的转发延时。本部分将以路段i向路段j的转发为例，计算实际情况下擦除编码所应该采用的码片大小。本部分约定采用如下参数表示：

T_I：车辆位于路口区域的时间，即相遇时间；

R_I：路口区域半径，即通信模块的有效通信距离；

W：车载无线通信模块的理想传输带宽；

D_send：路口处车辆的实际数据发送速率；

C：无线通信信道容量上界；

P_loss：传输丢包率；

N_i/N_j：路口处发送方/接收方的车辆数目；

d_th：车辆行驶安全间距；

υ_k：路段k(k＝i，j)上的车辆行驶平均速度；

ρ_k：路段k上的车辆密度；

λ_k：路段k上的车辆到达速率。

码片大小的选择需要考虑发送车辆在路口区域的停留时间、车辆间的实际通信带宽、与目标车辆的相遇概率以及传输丢包率等多个因素，其计算方法表示如下：

b＝β×(1-P_loss)×T_I×D_send                (1)

其中T_I为发送方车辆处于路口区域的时间，取 $T_I\≈\frac{2R_I}{{\mathrm{\υ}}_i}$ (2)

D_send为车辆的实际传输速率，由无线通信设备理想传输带宽、路口处同时发送消息的车辆数目以及无线通信容量上界共同决定。

假设路口处发送方车辆的数目分别为N_i，则路口处车辆的实际发送速率 $D_{\mathrm{send}}=\min (\frac{C}{N_i},W)$ (3)

为计算路口处同时发送消息的车辆数目，需要考虑两种情况。第一种情况是当路面车辆较为稀疏时，我们认为车辆的移动相互独立，此时我们假设路段k(k＝i，j)上车辆的到达过程为参数为λ_k的泊松过程；第二种情况是当路面车辆较为密集时，车辆的移动会相互影响。我们将车辆行驶安全距离d_th作为判断路面车辆分布疏密的标准，当车辆平均间距大于安全行驶距离时，认为车辆独立行驶，反之则认为车辆行驶相互影响。具体的路口处车辆到达率计算方式如下：

(4)

其中，第一种情况是车辆平均间距大于安全行驶距离时；第二种情况是车辆平均间距小于等于安全行驶距离时。

当车辆密度改变时，N_i有不同取值，具体计算如下：

(5)

其中，第一种情况为车辆平均间距等于安全行驶距离时；第二种情况为车辆平均间距大于安全行驶距离且有多个发送车辆时；第三种情况为路口处只有一个发送车辆时。

由公式(2)～(5)带入公式(1)中，可以计算得到需要划分的码片大小。

在上式中，β作为一个概率因子，用来表示车辆间的机会性相遇给转发机制的设计带来的影响，我们将其近似表示为发送方车辆在处于路口区域的时间内至少遇到一个接收方车辆的概率：

$\mathrm{\β}=P(N_j\left(T_I\right)\≥1)=1-e^{-{\mathrm{\λ}}_j\frac{{2R}_I}{V_j}}.$

P_loss为在路口处进行消息发送的数据丢包率，可以根据线下测量统计得到。

消息转发过程

由于使用了擦除编码机制，因此消息是否转发成功的判断成为路口转发机制设计的难点。消息转发过程需要在不造成消息丢失的前提下保障双方车流能准确获取消息是否成功转发的信息。消息转发过程包括源车流的消息发送机制以及目标车流的消息确认机制。

a)消息发送机制

若发送方车辆处于运动状态，则该车辆在进入路口区域后即开始广播自己持有的分片，优先广播本节点的主码片；若发送方车辆处于停止状态，则停止在最前方的车辆会尝试发送本地持有的所有码片。

b)消息确认机制

若接收方车辆处于运动状态，则其所属车流中的任意车辆都会在成功接收一码片之后向发送方车流回复ACK作为该码片的接收确认，所有听到这条确认消息的其他车辆均不会对收到的相同码片作重复确认；若接收方车辆处于停止状态，则由停止的头部车辆负责消息码片的接收与确认。

消息重组过程

对于源车流上的车辆，当其驶出起始处路口范围以后，统计收到的ACK数目N_ack，若N_ack＜M/b，则在头部车辆上保留码片拷贝，在剩余车辆上删除码片拷贝，等待下一次的转发机会；若N_ack≥M/b，则删除所有本地存有码片的拷贝。

消息重组过程

对于目标车流上的车辆，当其驶出路口范围后，即尝试将收到的码片向前转发，直至遇到持有第一个码片的头部车辆，在其上完成消息重组，若收到的码片数量不足以恢复出原有消息，则在本地缓存中删除所有收到的码片。

在真实环境下的路面交通中，可能存在这样一种情况，即运行中的车流被红绿灯截断成为前后两个部分，此时若采用本发明的消息重组机制，虽然可能会由于消息码片接收情况的误判造成路口转发的失败，但是却不会因此带来数据包的丢失。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明了，以下结合具体实例，以及转发流程图，对本发明进一步详细说明。

消息转发流程以进入新的路段为开始，以驶出路口范围为结束，图2是消息转发流程图，其中图2a是发送方消息转发流程图，图2b是接收方消息转发流程图，具体的转发步骤如下：

1、发送方的车辆将持有数据通过多跳无线链路向前发送至当前方向车流中最前方的车辆；

2、最前方的车辆将接收到消息进行分类，将需要在下一路口处沿相同方向转发的消息共M字节的数据包进行处理，按冗余率r将其编码为N＝(M×(1+r))/b个码片；

3、头部车辆保留所有码片，从中任意选取一个主码片，将剩余的N-1个码片复制给后方车辆；后方车辆保存收到的N-1个码片，从中选取一个主码片，将剩余的N-2个码片复制给下一车辆；最后方的车辆保存得到的的所有码片，留待继续分配给可能新出现的后方车辆，或负责转发所有剩余码片；

4、进入路口区域后，发送方车辆开始串行的数据转发，接收方车辆回复ACK。车辆首先广播当前持有的主分片，而其他参与转发的车辆则侦听当前发送行为以及ACK状态，决策自己的发送内容以避免重复发送；

5、驶出路口区域的发送方车辆统计收到的ACK数目，接收方车辆统计接收到的码片，以判断转发是否成功。若收到的ACK数目N_ack，且N_ack＜M/b，则转发不成功，发送方车辆继续持有数据等待下次转发，接收方车辆删除接收到的码片；若N_ack≥M/b，则转发成功，发送方车辆删除持有数据，而接收方车辆则解码出原有数据，并进入下一次的转发流程。

Claims (9)

1.一种基于车辆协作的车载网络大数据转发方法，用于在路口处进行数据转发，具体包括以下步骤：

1)进入一个路段，发送方车辆将待转发的M字节数据包向前发送至当前路段中最前方车辆；

2)最前方车辆将待转发的M字节数据按照码片大小b进行分片并编码，得到N个码片，按照如下规则分发码片：

最前方车辆保留所有码片，从中任意选取一个做为主码片，其余N-1个码片复制给后方车辆；依次类推，最后方的车辆保存得到的所有码片；

3)进入路口区域，发送方车辆优先转发主码片，接受方车辆回复ACK确认，听到确认消息的其他车辆不对收到的相同码片作重复确认；

4)驶出路口区域的发送方车辆统计收到的ACK数，接收方车辆统计接收到的码片数，

若发送方车辆收到的ACK数小于M/b，则转发不成功，发送方车辆继续持有数据等待下次转发，接收方车辆删除接收到的码片；

若发送方车辆收到的ACK数大于等于M/b，则转发成功，发送方车辆删除持有数据，而接收方车辆解码出原有数据，并进入下一次的转发流程。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)发送方车辆将待转发数据通过多跳无线链路向前发送至当前路段中最前方的车辆。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)采用擦除编码机制进行编码，码片数N＝(M×(1+r))/b，r为冗余率，b为编码得到的码片大小。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，码片大小b的取值，b＝β×(1-P_loss)×T_I×D_send，其中：

T_I：车辆位于路口区域的时间；

D_send：路口处车辆的实际数据发送速率；

P_loss：传输丢包率；

β：概率因子。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述车辆位于路口区域的时间由路口区域半径计算得出 $T_I\≈\frac{{2R}_I}{{\mathrm{\υ}}_i},$ 其中R_I为路口区域半径，v_i：发送方车辆行驶平均速度。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述路口处车辆的实际发送速率 $D_{\mathrm{send}}=\min (\frac{C}{N_i},W),$ N_i为发送方车辆的数目，C：无线通信信道容量上界，W：车载无线通信模块的理想传输带宽

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述概率因子β为发送方车辆在路口区域的时间内至少遇到一个接收方车辆的概率： $\mathrm{\β}=P(N_j\left(T_I\right)\≥1)=1-e^{-{\mathrm{\λ}}_j\frac{{2R}_I}{V_j}},$

P_loss为在路口处进行消息发送的数据丢包率，根据线下测量统计得到。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)若发送方车辆处于停止状态，则停止在最前方的车辆发送本地持有的所有码片。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)若接收方车辆处于停止状态，则由停止的最前方车辆接收码片的接收并确认。

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