CN102883274B - 一种交通安全信息的多跳广播方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种交通安全信息的多跳广播方法。首先检测到交通安全事件的车辆作为源节点广播交通安全信息TSM;接收到TSM的节点通过与源节点的距离作为权重因子,计算本节点所在路段的基准等待时隙Tn,并以链路质量SINR估计值动态调整附加转发等待时间δn,进而计算得到所述节点发送消息的等待时间tn;在等待时间tn退避为零时,立即广播RTF,上一转发节点收到RTF后,将确定唯一的中继节点来转发数据包,所述节点收到RTF后将立即转发所收到的交通安全信息。该方法结合链路质量信息,在充分保障数据转发可靠性的同时,进一步减小了同一路段多节点间的转发碰撞问题,基于RTF/ATF的转发确认机制也有效地减小了MAC层的链路负载及数据冗余。
Description
技术领域
本发明涉及网络通信技术领域,尤其涉及一种交通安全信息的多跳广播方法。
背景技术
目前,车辆自组织网(Vehicular Ad-Hoc Network,VANET)系统是智能交通系统的基础信息承载平台,它结合全球定位系统(GPS)、传感器和无线通信等技术,通过车辆节点间以及路边单元(Road Side Unit,RSU)之间信息的交互,可为人们的出行提供更安全、快捷和舒适的驾驶环境。VANET在碰撞预警、辅助驾驶、道路交通信息查询、多媒体娱乐和Internet信息服务等方面具有良好的应用前景,尤其在防碰撞预警方面的应用得到了广泛关注。它具有传统电子防撞系统无法比拟的优点,通过车辆间的无线通信技术,将紧急预警等交通安全信息采用广播的方式快速分发给周边车辆,提醒驾驶者及时有效地采取相应的回避措施,从而有效避免交通事故的发生。
泛洪广播作为最简单的广播算法,其基本思想是任何节点在收到新的广播信息后均将其向传输范围内的节点转发,同时丢弃已接收过的广播信息,这种方式虽然可以尽力保证广播的覆盖范围,但也会导致大量重复信息产生的冗余、竞争和碰撞,从而形成广播风暴。在泛洪广播的基础上,大多研究拟通过减少转发节点的数目来抑制广播风暴。按照转发节点选择方式的不同,可以分为基于概率的广播、基于距离的广播和基于计数的广播等。这些方法大多是基于固定门限值,即通过将网络节点的某个属性与预先设定好的门限值进行比较,由此来决定是否转发,这虽然能在一定程度上减少转发节点数,但固定的门限值使得这些技术并不适用于快速动态变化的车载网络环境。
以基于概率的广播算法为例,其主要分为加权p-坚持、时隙1坚持和时隙p-坚持协议。在加权p-坚持算法中,节点转发概率与其距离源节点的距离成正比,当节点收到广播信息后,立即或等待一定时隙后以概率p转发信息,以概率1-p丢弃该信息。由于算法中转发概率仅与取决于距离,与节点的局部密集程度无关,故在密集网络中仍然存在严重相邻节点间的竞争问题,以及稀疏网络中信息丢失的问题。基于时隙1坚持的算法则以与广播节点的距离为权重因子,将一跳传输范围划分成不同的路段,为各路段设置不同的等待时隙,距离源节点越远,等待时隙数越小,当等待时间减为零时,节点将以概率1转发广播信息。但是,由于同一路段中所有节点的等待时间相同,故在密集交通流状态下,该算法会导致同一路段中的多节点间会存在严重的竞争问题,故又提出了基于时隙p坚持的算法以进一步减小碰撞概率。但是,由于同一路段的节点距离相近,故转发概率p的差异性较小,不能保证同一时间内存在唯一转发节点,同时概率的随机性使得非最远节点可能会提前转发广播信息,不能保证最远节点优先转发,增加VANET中紧急消息的传输时延,因此,基于随机概率的抑制广播风暴的方案存在明显的缺陷。
上述现有技术中广播算法的核心思想都是优先选取一跳范围内的最远节点进行转发,这虽然可以在一定程度上减小转发跳数,降低传输时延,但由于多径衰落、阴影效应,高速移动节点的多普勒效应以及建筑物的遮挡等对无线信道质量产生了严重影响,加之VANET选用开放频段,使得无线网络的信息误码率较高,很难保证交通安全信息的广播传输的可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种交通安全信息的多跳广播方法,该方法同时兼顾了交通安全信息广播的有效性和可靠性,在充分保障数据转发可靠性的同时,进一步减小了同一路段多节点间的转发碰撞问题,且无需依靠中心节点控制以及邻居节点间交互信息,有效减小了系统开销和实现复杂度,并减小了MAC层的链路负载和广播时延,提高了VANET系统交通安全信息广播的可靠性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的,一种交通安全信息的多跳广播方法,包括:
检测到交通安全事件的车辆作为源节点立即广播交通安全信息TSM;
接收到该交通安全信息的节点判断是否收到过相同信息标识MID的数据包,若已收到,则丢弃该交通安全信息;否则,所述该节点根据已知的训练序列估算自身的链路信噪比SINR,并将该自身的链路信噪比SINR与预设的链路信噪比下限进行比较;
若该自身的链路信噪比SINR大于预设的信噪比下限,则所述节点结合自身GPS位置信息,计算其与所述源节点间的距离,以及在所述节点行驶方向上与所述节点相距最近的交叉路口中心的距离;
所述节点从接收到的交通安全信息中提取转发模式标识位,若所述源节点设定的转发模式标识位显示为直路场景,则所述节点根据公式:
tn=Tn+max(0,δn)
来计算基准等待时间Tn和附加转发等待时间δn,并进一步得到发送消息的等待时间tn;其中,上述公式中R为源节点的广播覆盖范围,dn为节点n与源节点间的距离,Ns为一跳范围内划分的路段数,Ts为基准时隙间隔,SINRul和SINRdl分别为预设的链路信噪比的上限和下限值;
若所述源节点设定的转发模式标识位显示为交叉路口场景,则根据公式:
来计算发送消息的等待时间tn;其中,上述公式中(Xn,Yn)为所述节点的位置,(X0,Y0)为所述节点行驶方向上与其相距最近的交叉路口中心节点的位置,则为所述节点的位置(Xn,Yn)与其最近交叉路口中心节点的位置(X0,Y0)之间的距离;
所述节点启动定时器,按照所得到的等待时间tn进行退避,并监听周边节点传输的信息,若所述节点的等待时间tn退避为零,则转发所收到的交通安全信息。
在所述转发所收到的交通安全信息之前,所述方法还包括:
所述节点广播请求转发信息RTF包,向源节点请求转发该交通安全信息,且若所述节点在等待时间tn退避过程中,收到其他邻居节点广播的RTF包,则冻结该节点的等待时间。
所述方法还包括:当所述源节点收到请求转发信息RTF包后,读取RTF包中所包含的信息标识MID和道路标识RID,若所述源节点未收到过相同MID的RTF包,则所述源节点将发送该RTF包的节点标识ID封入准许转发信息ATF包,并广播该ATF包以准许该节点作为唯一的转发节点;若所述源节点已收到过相同MID的RTF包,则进一步判断道路标识RID是否相同,若不同,则广播ATF包,否则不处理该RTF包;
所有收到ATF包的节点提取准许转发节点的节点标识ID,并判断该节点标识是否与自身的标识ID相匹配,若匹配,则匹配的节点转发所收到的交通安全信息;若不匹配,则将所收到的交通安全信息丢弃。
所述方法还包括:若所述节点已广播了请求转发信息RTF包,且在指定的时间内未收到准许转发信息ATF包,则立即转发该交通安全信息,以防止该交通安全信息丢失。
所述方法还包括:当接收到交通安全信息的节点自身的链路信噪比SINR小于预设的信噪比下限时,所述节点主动放弃转发交通安全信息。
由上述本发明提供的技术方案可以看出,首先检测到交通安全事件的车辆作为源节点广播交通安全信息TSM;接收到该交通安全信息的节点判断是否收到过相同信息标识MID的数据包,若已收到,则丢弃该交通安全信息;否则,所述该节点根据已知的训练序列估算自身的链路信噪比SINR,并将该自身的链路信噪比SINR与预设的链路信噪比下限进行比较;若该自身的链路信噪比SINR大于预设的信噪比下限,则所述节点结合自身GPS位置信息,计算其与所述源节点间的距离,以及在所述节点行驶方向上与所述节点相距最近的交叉路口中心的距离;所述节点从接收到的交通安全信息中提取转发模式标识位,并通过与上一转发节点的距离作为权重因子,计算本节点所在路段的基准等待时隙Tn,并以链路质量SINR估计值动态调整附加转发等待时间δn,进而计算得到所述节点发送请求转发数据包RTF的退避等待时间tn;所述节点启动定时器,按照所得到的等待时间tn进行退避,并监听周边节点传输的信息,若所述节点的等待时间tn退避为零,则立即广播RTF包,向上一转发节点请求转发该数据包,上一转发节点收到RTF后,将确定唯一的中继节点转发数据包,所述节点收到RTF后将立即转发所收到的交通安全信息。该方法同时兼顾了交通安全信息广播的有效性和可靠性,有效地减小了同一路段多个中继节点间的转发碰撞问题,以及MAC层的链路负载及数据冗余,无需依靠中心节点控制以及邻居节点间交互信息,有效减小了系统开销和实现复杂度,提高了VANET系统交通安全信息广播的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域的普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的交通安全信息的多跳广播方法的流程示意图;
图2为本发明实施例所述直路场景示意图;
图3为本发明实施例所述交叉路口场景示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种紧急预警等交通安全信息的快速可靠的多跳广播发送机制,包括基于链路质量估计的广播风暴抑制算法和基于RTF/ATF的转发确认机制。下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述,如图1所示为本发明实施例提供的交通安全信息发送方法的流程示意图,所述方法包括:
步骤11:检测到交通安全事件的车辆作为源节点广播交通安全信息TSM;
步骤12:接收到该交通安全信息的节点判断是否收到过相同信息标识MID的数据包;
步骤13:若没有收到,则所述该节点根据已知的训练序列估算自身的链路信噪比SINRn,并将该自身的链路信噪比SINR与预设的信噪比下限SINRdl进行比较;
且若节点已收到,则丢弃该交通安全信息。
步骤14:若该自身的链路信噪比SINR大于预设的信噪比下限,则所述节点结合自身GPS位置信息,计算其与所述源节点间的距离dn,以及在所述节点行驶方向上与所述节点相距最近的交叉路口中心的距离
在该步骤中,当接收到该交通安全信息的节点自身的链路信噪比SINR小于预设的信噪比下限时,所述节点的通信链路质量将无法保证所述节点转发数据的可靠性,故主动放弃转发交通安全信息。
步骤15:所述节点从接收到的交通安全信息中提取转发模式标识位,并计算等待时间tn。
在该步骤中,具体将实际道路情况分为直路和交叉路口两种不同的场景,并根据不同场景源节点有不同的设定,具体来说:
如图2所示为本发明实施例所述直路场景示意图,在直路场景下,当车辆发生了交通事故或检测到道路危险事件后,将作为源节点立即广播危险预警等交通安全信息(TSM)。该源节点将结合车流量密度和发射功率等信息,将其一跳传输范围R划分为Ns个距离相等的路段,以与源节点的距离为权重因子,为各路段设置不同的基准等待时隙Tn,距离越远,等待时隙数越小,转发优先级越高;并以链路信噪比SINR作为减小广播风暴和提高转发可靠性的参考度量,动态调整同一路段内所有节点的等待时间,SINR值越大,等待时间越小。
如图3所示为本发明实施例所述交叉路口场景示意图,在交叉路口场景下,为有效提高路口不同方向路段的覆盖范围,可以优先选取距离路口中心较近且链路质量较优的节点转发数据包。如图3所示,以路口中心为圆心定义了Macro-IR和Micro-IR两种路口区域,为保证一跳传输范围R内至少有一节点处于路口区域,图3中将Macro-IR的半径定为0.5R;为提高路口中心节点广播的覆盖范围,图3中将Micro-IR的半径定义为aR(0<a<0.5)。
以图3为例,取a=0.1,将Marco-IR分为5个不同的圆环区域,并根据待转发节点与路口中心的距离关系,为待转发节点设置了两种不同的转发模式,如下述公式所示:
由上述公式可知,当Mode=0时,待转发节点位于Micro-IR内,为减小系统开销,该节点将作为次优转发节点,并按照与上述直路场景下相同的方式转发数据;当Mode=1时,待转发节点位于Macro-IR和Micro-IR之间,节点将在转发数据后继续寻求更优的节点广播数据包。
按照上述的不同场景设定,具体实现过程中,节点从接收到的交通安全信息中提取转发模式标识位,若设定的转发模式标识位显示为直路场景,则所述节点根据公式(1):
tn=Tn+max(0,δn)
来计算基准等待时间Tn和附加转发等待时间δn,并进一步得到等待时间tn;其中,上述公式中R为源节点的覆盖范围,dn为节点n与源节点间的距离,Ns为一跳范围内划分的路段数,Ts为基准时隙间隔,将其设定为估计的RTF包一跳时延,包括接入时延、传输时延和传播时延等,SINRul和SINRdl分别为预置的链路质量的上限和下限值,可通过实际交通环境下的测量值或一定传播模型下的仿真统计结果得到。
若所述源节点设定的转发模式标识位显示为交叉路口场景,则根据公式(2):
来计算等待时间tn;其中,上述公式中(Xn,Yn)为所述节点的位置,(X0,Y0)为所述节点行驶方向上与其相距最近的交叉路口中心节点的位置,则为所述节点的位置(Xn,Yn)与其最近交叉路口中心节点的位置(X0,Y0)之间的距离,其他参数的物理意义同上。
步骤16:所述节点启动定时器,按照上述步骤15所得到的等待时间tn开始退避,并监听周边节点传输的信息,若所述节点的等待时间tn退避为零,则转发所收到的交通安全信息。
在具体实现过程中,在所述节点转发所收到的交通安全信息之前,需通过基于RTF/ATF的转发确认机制来进一步确定唯一的转发节点,具体来说:
所述节点广播请求转发信息RTF包,向源节点请求转发该交通安全信息,且若所述节点在等待时间tn退避过程中,收到其他邻居节点广播的RTF包,则冻结该节点的等待时间。
进一步的,当所述源节点收到请求转发信息RTF包后,读取RTF包中所包含的信息标识MID和道路标识RID,若所述源节点未收到过相同MID的RTF包,则所述源节点将发送该RTF包的节点标识ID封入准许转发信息ATF包,并广播该ATF包以准许该节点作为唯一的转发节点;若所述源节点已收到过相同MID的RTF包,则进一步判断道路标识RID是否相同,若不同,则广播ATF包,否则不处理该RTF包;
而所有收到ATF包的节点将提取准许转发节点的节点标识ID,并判断该节点标识是否与自身的标识ID相匹配,若匹配,则匹配的节点将转发所收到的交通安全信息;若不匹配,则将所收到的交通安全信息丢弃。
另外,若所述节点已广播了请求转发信息RTF包,但在指定的t′n=(Ns+1)Ts-tn时间内未收到准许转发信息ATF包,则立即转发该交通安全信息,以防止该交通安全信息的丢失。
下面以具体的实例来对本发明所述方法进行详细说明,在本该实施中,定义了三种数据包:
1、交通安全信息(TSM)
指承载实际交通安全信息的数据实体,由包头和数据区组成。包头主要包括消息ID(MID)、源节点ID(SID)、本地节点ID(LID)和位置、广播覆盖范围R、拟划分的路段数、时隙间隔、转发模式位(Mode)、训练序列以及链路信噪比SINR的上下限值等数据封入包头。
2、请求转发信息(RTF)
当节点的等待时间退避为0时,将立即广播RTF,以向源节点请求转发TSM。RTF中主要包括MID、SID、LID、路段ID(RID)和上一转发节点ID(LFID)等。
3、准许转发信息(ATF)
当上一转发节点收到RTF后,将读取RTF中所包含的MID和RID,并据此判断是否准许该节点转发数据,若允许,则将其LID封入ATF包头,并立即广播ATF给周边节点,以准许该节点作为唯一的转发节点。
以图2和3的两种场景为例,当发生交通事故后,图2中的车辆A将作为源节点立即广播TSM,其转发模式Mode=0,即直路场景,且拟划分的路段总数为4,在其一跳广播范围内接收到TSM的节点将根据公式(1)计算等待时间,由于节点B处于最远的路段,且其SINR值最大,故其等待时间最小,将获得最高的转发优先权。
同样地,图3中的节点C也将作为下一跳的转发节点,但是由于节点C处于交叉路口的Macro-IR内,其转发模式位Mode=1,即交叉路口场景,则节点C将广播RTF请求更优的节点转发数据包,收到RTF包的节点将根据公式(2)计算等待时间。由于节点D位于距离路口中心最近的Micro-IR内,且SINR性能最优,故节点D将在路口中心再次广播TSM消息,以进一步保障交叉路口等复杂道路场景下数据广播的可靠性。
综上所述,本发明实施例针对现有多跳广播算法的缺点,综合考虑直路和交叉路口等不同的道路场景,设计了一种快速可靠的交通安全信息的分布式广播机制,与现有的多跳广播算法相比,本发明实施例同时兼顾了交通安全信息广播的有效性和可靠性,采用基于链路质量信息的转发中继选择机制,在充分保障数据转发可靠性的同时,进一步减小了同一路段多节点间的转发碰撞问题,且无需依靠中心节点控制以及邻居节点间交互信息,有效减小了系统开销和实现复杂度;同时,通过RTF/ATF低负荷的控制包,来确定链路质量最优的唯一转发节点,有效地减小了MAC层的链路负载及数据冗余。该广播方法对于VANET中的连环防撞等交通安全信息的快速可靠分发具有良好的应用前景。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种交通安全信息的多跳广播方法,其特征在于,
检测到交通安全事件的车辆作为源节点立即广播交通安全信息TSM;
接收到该交通安全信息的节点判断是否收到过相同信息标识MID的数据包,若已收到,则丢弃该交通安全信息;否则,所述节点根据已知的训练序列估算自身的链路信噪比SINR,并将该自身的链路信噪比SINR与预设的链路信噪比下限进行比较;
若该自身的链路信噪比SINR大于预设的信噪比下限,则所述节点结合自身GPS位置信息,计算其与所述源节点间的距离,以及在所述节点行驶方向上与所述节点相距最近的交叉路口中心的距离;
所述节点从接收到的交通安全信息中提取转发模式标识位,若所述源节点设定的转发模式标识位显示为直路场景,则所述节点根据公式:
tn=Tn+max(0,δn)
来计算基准等待时间Tn和附加转发等待时间δn,并进一步得到发送消息的等待时间tn;其中,上述公式中R为源节点的广播覆盖范围,dn为节点n与源节点间的距离,Ns为一跳范围内划分的路段数,Ts为基准时隙间隔,SINRul和SINRdl分别为预设的链路信噪比的上限和下限值;
若所述源节点设定的转发模式标识位显示为交叉路口场景,则根据公式:
来计算发送消息的等待时间tn;其中,上述公式中(Xn,Yn)为所述节点的位置,(X0,Y0)为所述节点行驶方向上与其相距最近的交叉路口中心节点的位置,则为所述节点的位置(Xn,Yn)与其最近交叉路口中心节点的位置(X0,Y0)之间的距离;
所述节点启动定时器,按照所得到的等待时间tn进行退避,并监听周边节点传输的信息,若所述节点的等待时间tn退避为零,则转发所收到的交通安全信息。
2.如权利要求1所述的交通安全信息的多跳广播方法,其特征在于,在所述转发所收到的交通安全信息之前,所述方法还包括:
所述节点广播请求转发信息RTF包,向源节点请求转发该交通安全信息,且若所述节点在等待时间tn退避过程中,收到其他邻居节点广播的RTF包,则冻结该节点的等待时间。
3.如权利要求2所述的交通安全信息的多跳广播方法,其特征在于,所述方法还包括:
当所述源节点收到请求转发信息RTF包后,读取RTF包中所包含的信息标识MID和道路标识RID,若所述源节点未收到过相同MID的RTF包,则所述源节点将发送该RTF包的节点标识ID封入准许转发信息ATF包,并广播该ATF包以准许该节点作为唯一的转发节点;若所述源节点已收到过相同MID的RTF包,则进一步判断道路标识RID是否相同,若不同,则广播ATF包,否则不处理该RTF包;
所有收到ATF包的节点提取准许转发节点的节点标识ID,并判断该节点标识是否与自身的标识ID相匹配,若匹配,则匹配的节点转发所收到的交通安全信息;若不匹配,则将所收到的交通安全信息丢弃。
4.如权利要求2所述的交通安全信息的多跳广播方法,其特征在于,所述方法还包括:
若所述节点已广播了请求转发信息RTF包,且在指定的时间内未收到准许转发信息ATF包,则立即转发该交通安全信息,以防止该交通安全信息丢失。
5.如权利要求1所述的交通安全信息的多跳广播方法,其特征在于,所述方法还包括:
当接收到交通安全信息的节点自身的链路信噪比SINR小于预设的信噪比下限时,所述节点主动放弃转发交通安全信息。
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