CN102595547B - 一种动态自适应的车辆网络路由方法 - Google Patents

Abstract

一种动态自适应的车辆网络路由方法，在不同的路况下选择不同的路由协议来转发数据包，包括如下步骤：首先，车辆以及路边节点利用历史数据来初始化整个系统，该历史信息包括车辆到达率、平均速度、穿过道路所需时间；然后，车辆产生数据包并通过GPS以及路边节点获取其他车辆的轨迹信息、位置信息和当前道路的实时道路信息；随后，车辆分别计算按道路来路由的路由策略和不考虑道路的路由策略在当前情况下的传输成功率期望以及传输时延期望；再后，选择其中一种路由策略进行传输数据包，并在需要的情况下对所选路由策略做出调整。本发明提高了路由协议的传输成功率以及数据包的传输时延，更能适用于真实环境的车辆网络路由。

Description

一种动态自适应的车辆网络路由方法

技术领域

本发明涉及一种车辆网络的路由方法，特别涉及一种在不同的道路状况下选择不同路由协议来传递数据包的动态自适应的车辆网络路由方法。

背景技术

车辆网络作为一种新兴的网络，在最近几年中受到人们的广泛关注，用于车辆通讯的频段和标准也在不断地改进完善中。车载自组织网络是由车辆作为移动节点所组成的新型无线网络，可以实现车辆间、车辆与路边基础设施间的多跳无线通信。每辆车通过车上安装的无线通讯设备进行收发数据，一般单跳的通信范围在几百米之内，而车辆自组网络作为一种无线自组网，每辆车都是整个网络的路由节点，因此可以实现城市场景的车辆网络连接。车辆网络有以下特点：(1)范围广。以上海为例，整个上海市区都可以看作一个车辆网络，每辆车都是一个节点。(2)连接的不稳定性。同样由于节点的位置、运动形式、轨迹的高速变化，相比ad hoc以及MANET来说，VANET的网络更加的不稳定。(3)节点的移动速度快。车辆网络的节点移动速度高，城市场景下，车辆速度能达到80km/h，在高速公路网络场景下，120km/h的速度让网络的稳定性变得极差。(4)网络拓扑结构变化快。(5)节点移动受限制。与MANET的节点在2D场景自由移动的情况不同，车辆网络的节点运动轨迹受到城市道路的限制，因此，我们称之为1.5D的移动场景。(6)GPS等设备的应用广泛。

车辆网络的路由协议在近年受到众多研究人员的关注，正如之前提到过的，车辆网络有其自身的特点：高动态性，网络拓扑变化快，持续稳定的连接很难找到。由于这些特性，传统的移动自足网络路由协议在车辆网络中很难获得理想的性能，特别是一些偏远地区的车辆网络，密度低，车辆少，之前提到的MANET的路由协议更是表现很糟糕。在车辆网络中，为了增加数据转发的成功率，carry-and-wait的方式被广泛采用，于是自然而然的就形成了一个DTN网络。

VANET中的路由协议大致上分为两种类型，一种是类似于MANET中的路由协议，其完全不关心道路的分布情况，数据包传递也不考虑道路的走向、轨迹等等因素；而另一种则是在设计路由协议中，利用道路的信息，通过建模能够最终得到一条从发送节点到接收节点的类似路由路径的物理区域或者道路序列，数据包传递就是沿着这些序列进行的。当前的单一的路由协议无法根据道路状况实时地改变自己传输数据包的方法，本发明是一种动态自适应的路由方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种动态自适应的车辆网络路由方法，通过对不同道路状况下两类路由协议期望表现的分析，实现在路况动态变化的车辆网络中动态地选择不同的路由策略，以提高数据包的传输成功率以及降低数据包的传输延迟，达到优化车辆网络路由协议表现的目的。

为了达到这个目的，本发明是通过以下技术方案来解决其技术问题的：

一种动态自适应的车辆网络路由方法，包括以下步骤：

(1)系统初始化，车辆以及路边节点利用历史信息数据来初始化网络的系统，该历史信息数据包括：单个路段的平均速度、单个路段的车辆到达率和穿过单个路段的行驶时间，同时车辆将自身的轨迹信息、位置信息传递给路边节点；

(2)车辆通过GPS以及路边节点获取其他车辆的轨迹信息、位置信息和当前道路的实时道路信息，其中实时道路信息包括：单个路段的平均速度、单个路段的车辆到达率、穿过单个路段的行驶时间；

(3)车辆产生数据包，该数据包包含以下信息：车辆的源节点、目的节点、时间戳、路由方法和路段序列信息；

(4)车辆分别计算按道路来路由的路由策略和不考虑道路的路由策略在当前情况下的传输成功率期望以及传输时延期望；

(5)将步骤(4)所得的两种路由策略的传输成功率期望以及传输延迟期望合成判定指标M，通过该判定指标M来选择其中一种路由策略进行传输数据包，并将控制信息写入该数据包；

(6)传递过程中，如果出现数据包在预计的时间内不能传递成功或者网络拓扑发生未预测到的变动时，重复上述的步骤(4)和(5)，直到数据包到达目的车辆为止。

本发明所述的动态自适应的车辆网络路由方法，其判定指标

M＝aE[j]_nor+E[t]，其中，α为惩罚系数，E[j]_nor为传输延迟期望，E[t]为传输成功率期望。

本发明的优点在于：

(1)本发明所述的路由方法，可以适应车辆网络路况的变化，不同的路况选择不同的路由策略，以改善路由的表现，是一种动态自适应的路由方法。

(2)本发明是分布式的路由方法，而不是由控制中心进行控制的路由方法，车辆只需与路边节点以及GPS系统进行少量的通信就可以进行路由，而不需要车辆与车辆之间维护路由表等其他开支。

(3)本发明提高了路由协议的传输成功率以及数据包的传输时延。

本发明更能适用于真实环境的车辆网络路由，通过真实数据的模拟证明了本发明的正确性与可靠性。

附图说明

图1是本发明的框图。

图2是车辆相遇的三种模型。

具体实施方式

本发明是一种用于车辆网络的路由方法。我们将常规车辆网络的路由协议分为两类：一类是按道路来传递数据包，另一类是不考虑道路来传递数据包，本方法是要在不同的路况下，选择不同的路由协议来转发数据包。

下面结合附图对本发明各个步骤做进一步的详细说明。

如附图1，本发明所述动态自适应的车辆网络路由方法包括以下步骤：

(1)系统初始化，车辆以及路边节点利用历史信息数据来初始化网络的系统，该历史信息数据包括：单个路段的平均速度、单个路段的车辆到达率和穿过单个路段的行驶时间(路段上数据包直接传输的距离)，我们将这些信息叫做外部信息；同时车辆将自身的轨迹信息、位置信息传递给路边节点。

(2)车辆通过GPS以及路边节点获取其他车辆的轨迹信息、位置信息和当前道路的实时道路信息，其中实时道路信息包括：单个路段的平均速度、单个路段的车辆到达率、穿过单个路段的行驶时间。

(3)车辆产生数据包，该数据包包含以下信息：车辆的源节点、目的节点、时间戳、路由方法和路段序列信息，后两者为控制信息，将在后续步骤中通过计算得到并补充进去。

(4)利用上述步骤得到的信息，车辆计算按道路来路由的路由策略在当前情况下的传输成功率期望以及传输时延期望，同样，车辆计算不考虑道路的路由策略在当前情况下的传输成功率期望以及传输时延期望。

(5)将步骤(4)所得的两种路由策略的传输成功率期望以及传输延迟期望合成判定指标M，通过该判定指标M来选择其中一种合适的路由策略进行传输数据包，并将控制信息写入该数据包。

(6)传递过程中，如果出现数据包在预计的时间内不能传递成功或者网络拓扑发生未预测到的变动时，重复上述的步骤(4)和(5)，直到数据包到达目的车辆为止。

其中，在步骤(4)中，计算方法如下：

(1)通过现有的历史数据得到车辆到达路口的概率分布函数，我们将车辆相遇情况分为下面三种，如附图2所示，并通过下面公式得到两辆车相遇的情况：

$P_{i,j}=\underset{0}{\overset{\mathrm{TTL}}{\∫}}f\left(t\right)\underset{t-T}{\overset{t+T}{\∫}}g\left(v\right)\mathrm{dvdt},$ $P_{i,j}=\underset{0}{\overset{\mathrm{TTL}}{\∫}}f\left(t\right)\underset{t-\mathrm{Tn}-T}{\overset{t+\mathrm{Tn}+T}{\∫}}g\left(v\right)\mathrm{dvdt}$

然后计算数据包从s成功传递的概率：

接着就可以计算出不考虑道路情况下的传输成功率期望：

传输延迟期望：

(2)按照道路来传递数据包的路由方法，可以通过下面的方式来计算传输成功率与传输时延的期望：

首先计算单个路段传输延迟期望方差：

$E_p=\frac{l-R-E\left[l\right]}{v}b+(\frac{1}{l}+\frac{l-R}{v})(1-b)$

${\mathrm{Var}}_p=E\left[d^2\right]-{\left(E\right[d\left]\right)}^2$

$=\frac{{(l-R)}^2-2(l-R)E\left[l_f\right]+E\left[l_f^2\right]}{v^2}b+{(\frac{1}{l}+\frac{l-R}{v})}^2(1-b)-{(\frac{l-R-E\left[l_f\right]}{v}b+(\frac{1}{l}+\frac{l-R}{v})(1-b))}^2$

根据Gamma分布的独立可加性，我们可以计算在一条路径上的数据包传递的延迟如下：

$E\left[d\right]=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{p_i}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_i,$ 而传递的成功率则可用以下公式来计算：

在(5)中，最终指标的计算方法如下：

(1)传输延时归一化。利用TTL来将这两个变量归一化。于是我们就得到了属于0到1之间的归一化传输时延E[j]_nor。

(2)整合。我们用下面的方法来整合这两个变量，是成为一个统一的指标：M＝aE[j]_nor+E[t]，这里，a是一个惩罚系数，来平衡两个期望，E[j]_nor为传输延迟期望，E[t]为传输成功率期望。

Claims (1)

1.一种动态自适应的车辆网络路由方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）系统初始化，车辆以及路边节点利用历史信息数据来初始化网络的系统，该历史信息数据包括：单个路段的平均速度、单个路段的车辆到达率和穿过单个路段的行驶时间，同时车辆将自身的轨迹信息、位置信息传递给路边节点；

（2）车辆通过GPS以及路边节点获取其他车辆的轨迹信息、位置信息和当前道路的实时道路信息，其中实时道路信息包括：单个路段的平均速度、单个路段的车辆到达率、穿过单个路段的行驶时间；

（3）车辆产生数据包，该数据包包含以下信息：车辆的源节点、目的节点、时间戳、路由方法和路段序列信息；

（4）车辆分别计算按道路来路由的路由策略和不考虑道路的路由策略在当前情况下的传输成功率期望以及传输时延期望；

（5）将步骤（4）所得的两种路由策略的传输成功率期望以及传输延迟期望合成判定指标M，通过该判定指标M来选择其中一种路由策略进行传输数据包，并将控制信息写入该数据包；其中判断指标M的计算方法如下：M=aE[j]_nor+E[t]，其中，α为惩罚系数，E[j]_nor为步骤（4）计算得出的传输延迟期望，E[t]为按照步骤（4）计算得出的传输成功率期望；

（6）传递过程中，如果出现数据包在预计的时间内不能传递成功或者网络拓扑发生未预测到的变动时，重复上述的步骤（4）和（5），直到数据包到达目的车辆为止。

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