CN102256333B

CN102256333B - 车辆自组织网络中的一种数据中继传输方法

Info

Publication number: CN102256333B
Application number: CN 201110235570
Authority: CN
Inventors: 沈连丰; 杨琼; 夏玮玮; 胡静; 宋铁成
Original assignee: NANJING DONGDA MOBILE INTERCONNECTION TECHNOLOGY Co Ltd; Southeast University
Current assignee: NANJING DONGDA MOBILE INTERCONNECTION TECHNOLOGY Co Ltd; Southeast University
Priority date: 2011-08-17
Filing date: 2011-08-17
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2031-08-17
Also published as: CN102256333A

Abstract

本发明所述的一种数据中继传输方法应用于车辆自组织网络系统旨对车辆自组织网络提出一种低延时、高可靠性的数据中继传输方法，该方法为：收到源节点广播数据的车辆节点首先根据自身的状态信息和源节点的状态信息计算转发概率，决定自己是否成为候选中继节点，候选中继节点再根据各自的转发概率计算接入信道的退避时间，完成退避过程的候选中继节点最终成为中继节点，实现数据的中继转发。此方法既避免了大量收到数据的节点都转发数据造成的广播风暴问题，降低了数据传输的延时；又避免了只有单个中继节点转发数据，一旦转发失败，数据传输就终止的问题，提高了数据传输的可靠性，为车辆自组织网络中的应用提供低延时、可靠的数据传输。

Description

车辆自组织网络中的一种数据中继传输方法

技术领域

本发明涉及车辆自组织网络中的一种数据中继传输方法，该方法用于数据在车辆自组织网络中的中继传输，属于通信技术中的移动通信领域。

背景技术

随着汽车工业的蓬勃发展，全球汽车保有量持续增长。给日常生活带来便利的同时，不断增长的汽车数量也给道路交通带来了挑战，城市交通拥堵、道路交通事故以及恶劣天气下道路交通安全成为了亟待解决的问题。作为智能交通系统重要组成的车辆自组织网络就是在此背景下提出的，成为保障行车安全和提高交通效率的关键技术。车辆自组织网络是将无线通信技术应用于车辆间通信的自组织网络，它除了解决车辆行进间的通信外，对于交通安全及车辆的智能化、便利化亦极为重要，为乘客提供更加安全舒适的出行环境。

车辆自组织网络中各种典型应用（如安全预警、协助驾驶、交通信息发布等）都需要通过车辆间的数据传输来实现，而根据这些典型应用的特点，数据传输又是在一定的发射功率下通过多跳广播的方式实现的。因此，数据的中继传输方法是实现车辆自组织网络中车辆间通信的关键技术之一。

先前应用于无线局域网和无线传感器网络中的点对点的数据中继传输技术以及泛洪广播技术在车辆自组织网络中并不适用。首先，车辆自组织网络中的绝大多数数据都要求被发送给每个车辆节点，因此点对点的数据传输模式是不适用的；在一定的发射功率下，数据的传输范围有限，而通过无限制地增大发射功率来实现覆盖要求区域内的所有车辆节点是不可行的；传统的泛洪广播技术在节点密度大的情况下产生的广播风暴问题将会使整个网络陷入瘫痪，造成巨大的网络延时，不能在对延时敏感的车辆自组织网络中应用。

因此，根据车辆自组织网络中车辆节点移动速度快、网络拓扑结构变化快、有丰富的外部辅助信息（GPS、GIS）等特点，很有必要提出一种新的数据中继传输方法来实现低延时、可靠的数据传输。

发明内容

技术问题：本发明所述的车辆自组织网络中的数据中继传输方法，旨在解决在一定发射功率下将数据传输给某区域内所有车辆节点的问题，为车辆自组织网络提供低延时、可靠的数据传输。

技术方案：本发明的车辆自组织网络中的数据中继传输方法中，收到源节点广播数据的车辆节点首先通过本车状态和发送该数据的节点状态中的位置信息、节点密度和发射功率计算出转发概率，如果该转发概率大于门限值，则该节点成为候选中继节点，候选中继节点再根据各自的转发概率结合无线局域网标准IEEE 802.11中的退避机制计算接入信道的退避时间，完成退避过程的候选中继节点最终成为中继节点，实现数据的中继转发。

具体实现包括以下步骤并按所述顺序进行：

步骤1) 每个车辆节点通过车辆上安装的全球定位系统GPS接收机获取本车的位置信息，通过车辆上安装的传感器获取本车的速度、方向、加速度的行驶信息，车辆采集的位置信息和各种行驶信息统称为状态信息；每个车辆节点将不断更新的车辆状态信息进行周期性广播，同时存储并更新接收到的邻居节点的状态信息，并计算出数据发送范围内的节点密度β；

步骤2) 当某个车辆节点产生数据需要传输给规定范围内的所有其他车辆节点时，记该节点为源节点S，源节点首先将包含源节点信息的数据消息进行广播；

步骤3) 接收到广播数据的所有节点判断自己是否处于要求覆盖的区域内，如果不在该区域内则丢弃该数据，如果在该区域内则通过步骤1）中本车信息和数据中包含的源节点信息判断是否需要继续广播转发该数据，如果数据需要转发则进入步骤4），如果不需要转发则结束该过程；

步骤4) 需要转发数据的车辆节点通过本车状态和发送该数据的节点状态中的位置信息、节点密度和发射功率，计算出转发概率P，如果转发概率大于门限值P _th，则将该节点作为候选中继节点，否则跳至步骤7）；

步骤5) 步骤4）中的候选中继节点根据转发概率P计算出接入信道的之前的退避时间T _w，并进入退避过程，在退避过程中，如果收到其他候选中继节点转发的数据则退出退避过程并跳至步骤7）；

步骤6) 候选中继节点的退避计时器计时结束，候选中继节点广播转发该数据；

步骤7) 一次数据中继转发结束，如果在设定的时间内源节点S没有收到自己发送的数据则认为数据发送失败，回到步骤2）重新发送该数据；

步骤8) 一次数据中继转发结束后，将转发该数据的中继节点当作“源节点”，重复上述步骤2）~步骤7），直至通过多次中继传输，使所要求的区域内所有车辆节点都收到该数据。

所述的通过本车状态和发送该数据的节点状态中的位置信息、节点密度和发射功率计算出转发概率，某节点的转发概率与该节点到源节点的距离d成正比；节点的转发概率与源节点周围节点密度β成反比，节点密度通过源节点中存储的邻居节点的信息计算得到；某节点的转发概率与该节点能成功接收数据的先验概率P _pr成正比；转发概率可以由

计算得到，其中

和

分别为归一化的距离和节点密度。

所述根据转发概率计算退避时间，结合无线局域网标准IEEE 802.11中的退避机制，退避时间可以由

计算得到，其中

为设置的最大退避时间，为下取整函数。

有益效果：本发明提出了车辆自组织网络中的数据中继传输方法。优点是充分利用网络中车辆节点位置信息等状态信息选择候选中继节点，再将是否转发数据和接入信道的退避机制相结合，既避免了大量收到数据的节点都转发数据造成的广播风暴问题，降低了数据传输的延时；同时，存在多个候选中继节点又避免了单个中继节点转发数据，一旦转发失败，数据传输就终止的问题，提高了数据传输的可靠性，为车辆自组织网络中的应用提供低延时、可靠的数据传输。

附图说明

图1 车辆自组织网络结构图，

图2 数据中继传输示意图，

图3 数据传输流程图，

图4 数据中继转发流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提出的车辆自组织网络中数据中继传输方法的具体实施进行详细说明。

如附图1所示，车辆自组织网络由车辆节点、路边节点和控制中心组成。车辆节点中的定位模块采用GPS接收机通过卫星获取车辆的位置信息；车辆行驶信息采集模块通过车辆上安装的各种传感器实时采集车辆的各种行驶信息，如速度、方向、加速度等，车辆采集的位置信息和各种行驶信息统称为状态信息；车路通信模块负责与路边节点的通信，路边节点将覆盖区域内的行驶状况报告给控制中心；车间通信模块负责车辆与车辆之间的通信，本发明所述的数据传输就是车辆间的通信。

以附图2所示场景为例，车辆V₂要向后方一定区域内的车辆发出告警消息，这是车辆自组织网络中安全预警的典型应用。由于发射功率有限，在车辆V₂传输范围之外的车辆不能直接收到此告警消息，需要通过多跳广播由其他车辆进行中继转发。当车辆V₂广播数据后，在其传输距离内的车辆节点将有可能接收到此数据，而V₂前方的车辆（如车辆V₁）由于不需要此数据，将会直接丢弃该数据；V₂后方的车辆中，接收到该数据的车辆节点通过计算各自的转发概率并与门限概率比较后，V₃、V₄、V₅、V₆成为候选中继节点；候选中继节点再根据转发概率计算接入信道的退避时间，在接入信道之前开始进入退避过程；车辆V₅计时器首先结束，于是V₅成为中继节点，将收到的数据再进行广播，其他候选中继节点V₃、V₄和V₆在收到V₅广播的数据后，将会终止退避过程，不再转发该数据；如果一次中继转发不能使一定区域的车辆都收到此数据，就将车辆V₅当作“源节点”，重复上述过程，车辆V₇、V₈、V₉成为第二次转发的候选中继节点，V₈成为中继节点再次转发此数据；通过不断地中继转发，使得在一定的发射功率下，能够使V₂后方一定区域内的车辆都收到告警消息。

如附图3和附图4所示，附图4是附图3中的中继转发过程的流程图，对应于下述步骤3）至步骤6），该方法的具体实现包括以下步骤并按所述顺序进行：

1) 每个车辆节点通过车辆上安装的全球定位系统GPS接收机获取本车的位

置信息，通过车辆上安装的传感器获取本车的速度、方向、加速度等行驶信息，车辆采集的位置信息和各种行驶信息统称为状态信息。在一定的发射功率下，每个车辆节点将不断更新的车辆状态信息进行周期性广播，同时存储并更新接收到的邻居节点的状态信息，并计算出数据发送范围内的节点密度β；

2) 当某个车辆节点产生数据需要传输给一定范围内的所有其他车辆节点时，

记该节点为源节点S，源节点首先将包含源节点信息的数据消息进行广播；

3) 接收到广播数据的所有节点判断自己是否处于要求覆盖的区域内，如果不

在该区域内则丢弃该数据，如果在该区域内则通过步骤1中本车信息和数据中包含的源节点信息判断是否需要继续广播转发该数据，如果数据需要转发则进入步骤4，如果不需要转发则结束该过程；

4) 需要转发数据的车辆节点通过本车状态和发送该数据的节点状态中的位

置信息、节点密度、发射功率等计算出转发概率P，如果转发概率大于门限值P _th，则将该节点作为候选中继节点，否则跳至步骤7）；

5) 步骤4中的候选中继节点根据转发概率P计算出接入信道的之前的退避时

间T _w，并进入退避过程，在退避过程中，如果收到其他候选中继节点转发的数据则退出退避过程并跳至步骤7）；

6) 候选中继节点的退避计时器计时结束，候选中继节点广播转发该数据；

7) 一次数据中继转发结束，如果在设定的时间内源节点S没有收到自己发送

的数据则认为数据发送失败，回到步骤2）重新发送该数据。

8) 一次数据中继转发结束后，将转发该数据的中继节点当作“源节点”，重

复上述步骤2）～7），直至通过多次中继传输，使所要求的区域内所有车辆节点都收到该数据。

上述步骤4）中的转发概率的计算是挑选候选中继节点的主要依据。考虑到选择距离源节点较远的节点作为中继节点可以减少中继转发的次数，减少时延，因此某节点的转发概率与该节点到源节点的距离d成正比；考虑到当源节点周围的节点密度较低时，能够接收到源节点广播数据的节点数较少，为了避免出现没有车辆被选为候选中继节点的问题，节点的转发概率与源节点周围节点密度β成反比，而节点密度是通过源节点中存储的邻居节点的信息计算得到；又考虑到距离源节点较远的的节点成功接收数据的概率较低，为保证数据传输的可靠性，某节点的转发概率与该节点能成功接收数据的先验概率P _pr成正比。介于以上考虑，转发概率可以由

计算得到，其中

和

分别为归一化的距离和节点密度。

上述步骤5）中的退避时间也是根据转发概率来计算的。根据上述转发概率的计算分析，一般而言由转发概率较大的节点来转发数据，能够在数据传输时达到更少的延时和更高的可靠性。所以，设计转发概率较大的候选中继节点退避时间较小，这样转发概率大的候选中继节点能够最先完成退避，成为中继节点，而其他候选中继节点收到中继节点的转发数据后不再转发数据，避免了多个节点转发数据造成的广播风暴问题。同时，如果中继节点转发失败，其他候选中继节点完成退避后，可以重新成为中继节点，保证了数据传输的可靠性。结合无线局域网标准IEEE 802.11中的退避机制，退避时间可以由计算得到，其中

为设置的最大退避时间，

为下取整函数。

Claims

1.一种车辆自组织网络中的数据中继传输方法，其特征在于收到源节点广播数据的车辆节点首先通过本车状态和发送该数据的节点状态中的位置信息、节点密度和发射功率计算出转发概率，如果该转发概率大于门限值，则该节点成为候选中继节点，候选中继节点再根据各自的转发概率结合无线局域网标准IEEE802.11中的退避机制计算接入信道的退避时间，完成退避过程的候选中继节点最终成为中继节点，实现数据的中继转发；

所述的通过本车状态和发送该数据的节点状态中的位置信息、节点密度和发射功率计算出转发概率，某节点的转发概率与该节点到源节点的距离d成正比；节点的转发概率与源节点周围节点密度β成反比，节点密度通过源节点中存储的邻居节点的信息计算得到；某节点的转发概率与该节点能成功接收数据的先验概率P_pr成正比；转发概率由

计算得到，其中

和

分别为归一化的距离和节点密度；

所述根据转发概率计算退避时间，结合无线局域网标准IEEE802.11中的退避机制，退避时间由

计算得到，其中T_max为设置的最大退避时间，为下取整函数。

2.如权利要求1所述的车辆自组织网络中的数据中继传输方法，其特征在于该方法的具体实现包括以下步骤并按顺序进行：

步骤1)每个车辆节点通过车辆上安装的全球定位系统GPS接收机获取本车的位置信息，通过车辆上安装的传感器获取本车的速度、方向、加速度的行驶信息，车辆采集的位置信息和各种行驶信息统称为状态信息；每个车辆节点将不断更新的车辆状态信息进行周期性广播，同时存储并更新接收到的邻居节点的状态信息，并计算出数据发送范围内的节点密度β；

步骤2)当某个车辆节点产生数据需要传输给规定范围内的所有其他车辆节点时，记该节点为源节点S，源节点首先将包含源节点信息的数据消息进行广播；

步骤3)接收到广播数据的所有节点判断自己是否处于要求覆盖的区域内，如果不在该区域内则丢弃该数据，如果在该区域内则通过步骤1）中本车信息和数据中包含的源节点信息判断是否需要继续广播转发该数据，如果数据需要转发则进入步骤4），如果不需要转发则结束该过程；

步骤4)需要转发数据的车辆节点通过本车状态和发送该数据的节点状态中的位置信息、节点密度和发射功率，计算出转发概率P，如果转发概率大于门限值P_th，则将该节点作为候选中继节点，否则跳至步骤7）；

步骤5)步骤4）中的候选中继节点根据转发概率P计算出接入信道的之前的退避时间T_w，并进入退避过程，在退避过程中，如果收到其他候选中继节点转发的数据则退出退避过程并跳至步骤7）；

步骤6)候选中继节点的退避计时器计时结束，候选中继节点广播转发该数据；

步骤7)一次数据中继转发结束，如果在设定的时间内源节点S没有收到自己发送的数据则认为数据发送失败，回到步骤2）重新发送该数据；

步骤8)一次数据中继转发结束后，将转发该数据的中继节点当作“源节点”，重复上述步骤2）～步骤7），直至通过多次中继传输，使所要求的区域内所有车辆节点都收到该数据。