CN102883402A

CN102883402A - 一种基于位置和拓扑特性的车辆自组网数据传输方法

Info

Publication number: CN102883402A
Application number: CN2012103340400A
Authority: CN
Inventors: 张丽丽; 王慧斌; 郑莹; 陈浩; 徐淑芳
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2013-01-16

Abstract

本发明公开了一种基于位置和拓扑特性的车辆自组网数据传输方法，包括如下步骤：将车辆自组网内不同的岔路口标记为J₀、J₁、…、J_N，岔路口J_i与岔路口J_j连接的道路用R_ij表示，获得车辆自组网内各条道路的物理长度L_R_ij和各条道路的车辆密度Den_R_ij；选择发送数据的道路：定义道路R_ij的权值weight_ij为：取weight_ij最小的道路R_ij作为发送数据的道路；将发送数据的道路中位于岔路口的节点作为数据发送的目的节点，数据在岔路口之间传输给距离下一个岔路口节点最近的相邻节点。本发明达到了较好的数据包投递率以及较低的数据传输延时。

Description

一种基于位置和拓扑特性的车辆自组网数据传输方法

技术领域

本发明属于车辆自组网技术领域，特别涉及一种基于位置和拓扑特性的车辆自组网数据传输方法。

背景技术

车辆自组网(Vehicular Ad hoc Network，VANET)是一类特殊的移动自组网，是随着移动自组织网络技术以及无线通信技术发展而形成的一种新兴应用型无线网络，是智能交通系统的重要组成部分，对于车辆环境下的交通信息预警、车辆行驶信息帮助、车辆之间通信及车辆Internet访问等方面具有良好应用背景。但是，车辆自组网中节点的快速移动对车辆间的数据传输提出了更高的要求。为了提高车辆自组网中数据传输的效率，需要根据车辆自组网自身特性设计适用于车辆自组网的高效路由方法。基于拓扑的路由协议维护路由信息需要花费较大的网络开销，甚至网络变化频繁会使得路由表始终处于不收敛的状态，基于簇的路由协议中簇首节点在网络拓扑结构频繁变化的环境下缺乏稳定性，从而无法保证数据传输效率。而基于位置信息的路由协议则既不需要像基于拓扑的路由协议需要维护路由信息，也不需要维护稳定的簇群，且随着科技发展，车辆导航系统、以及GPS在汽车中广泛使用，使得获得节点的位置信息及电子地图等信息变得容易，这使得基于位置信息的路由协议在车辆自组网中更具优势。

在基于位置信息的路由协议中，节点依据目的节点的位置以及一跳的邻节点的位置信息做出数据发送的决定。目的节点的位置信息存在源节点的数据包头文件，而一跳的邻节点的位置信息则由随机发送的信标信息(Becon)获得。基于位置信息的路由协议，只依靠本地的局部信息就做出转发决定，这样既减小了路由开销，又不会增加传输延时。随着GPS以及导航等工具的广泛使用，使得汽车的位置信息的获得比以往更为方便和容易，而且基于位置的路由协议不需要像基于拓扑的路由协议那样维持一条完整的路径信息，所以更为适合拓扑变化频繁的车辆自组网。因此，近年许多路由协议的提出都是基于地理位置信息的路由协议，例如经典的基于位置的路由协议GPSR(Greedy Perimeter Stateless Routing)、GSR(Graphic Source Routing)。已有的基于位置信息的路由协议主要基于位置距离设计数据转发策略，没有考虑道路上车辆密度、分布状况，没有考虑网络拓扑特性对网络性能的影响，没有讨论网络的连通状态，所以在实际应用时可能存在数据无法传输的情况。以物理层面的最短距离作为数据转发的主要策略，是已有基于位置信息的路由协议的核心，这也注定了方法的局限性。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明将网络拓扑特性的分析融入路由方法之中，提出基于位置和拓扑特性的车辆自组网数据传输方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种基于位置和拓扑特性的车辆自组网数据传输方法，包括如下步骤：

(1)将车辆自组网内不同的岔路口标记为J₀、J₁、…、J_N，岔路口J_i与岔路口J_j连接的道路用R_ij表示，其中，i≤N，j≤N，获得车辆自组网内各条道路的物理长度L_R_ij和各条道路的车辆密度Den_R_ij；

(2)选择发送数据的道路：定义道路R_ij的权值weight_ij为：

{weight}_{ij} = \frac{{L_R}_{ij}^{a}}{{Den_R}_{ij}^{b}}

其中，a和b是调整性参数，取weight_ij最小的道路R_ij作为发送数据的道路；

(3)将发送数据的道路中位于岔路口的节点作为数据发送的目的节点，数据在岔路口之间传输给距离下一个岔路口节点最近的相邻节点。

优选地，在所述步骤(1)中，各条道路的车辆密度都设置一个阈值D_threshold：

其中，r表示无线通信的传输半径，若Den_R_ij＜D_threshold，则该条道路不计算权值。

优选地，a＝1，b＝1。

优选地，选择数据传输的下一跳节点时，不仅考虑邻节点与下一个岔路口节点之间的距离，还考虑邻节点的移动方向和移动速度：首先判断所有邻节点的移动方向是否与当前节点的移动方向一致，若存在邻节点与当前节点的移动方向一致，则用下式判断邻节点m的权值

：

其中，表示邻节点m的移动速度，

表示道路对汽车行驶的最高限速；若所有邻节点均与当前节点的移动方向不一致，则用下式判断邻节点m的权值：

其中，D_m表示邻节点m与下一岔路口节点之间的距离。

有益效果：本发明不同于已有的路由方法，它不仅以物理距离作为数据转发的策略，同时考虑网络的连通性及车辆移动方向等。最后的仿真结果显示，该路由方法达到了较好的数据包投递率以及较低的数据传输延时。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2(a)为通信半径和连通分支数的关系示意图，图2(b)为通信半径和最大连通分支包含的车占所有车的比例关系示意图；

图3为记录车辆密度的数据帧格式；

图4为发送数据的节点S发送数据到目的节点D的选择锚点过程图；

图5为VanetMobiSim仿真过程节点运动图；

图6为本发明的数据包投递率与现有方法的比较示意图；

图7为本发明的平均数据传输延时与现有方法的比较示意图；

图8为本发明的平均吞吐量与现有方法的比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明提出基于位置及网络拓扑特性的数据传输方法，它采用源路由技术，根据道路物理长度及道路上车辆自组网的连通性选择数据转发必经的岔路口；然后，采用源路由技术将选择出的岔路口序列放在数据包头文件中；最后，岔路口之间采用扩展的高级贪心算法进行数据的转发，该方法的过程如图1所示。

该方法具体主要包括以下三个部分：

(1)采用车辆密度估计算法获得每条道路(街道)上的车辆密度，根据车辆密度以及通信半径判断网络连通性程度；

(2)锚点序列选择：根据目的节点的位置，根据每条道路的物理长度以及网络连通性计算数据转发必经的岔路口，记录下岔路口序列；

(3)岔路口之间数据的转发采用贪心算法，将处于岔路口位置的节点也就是所谓的锚点作为贪心转发的目的节点，数据在岔路口之间的传输总是传给离岔路口最近的节点；优选地，数据传输给下一跳节点时不仅仅考虑邻节点同岔路口之间的距离，还应同时考虑邻节点移动速度和方向。

下面详述本发明的具体实现过程：

(1)车辆密度估计算法

选取上海市市中心及市近郊3km*3km区域对车辆自组网的拓扑进行分析，表1中将不同车辆密度与通信半径下得到的连通分支数列于表中，其中车辆密度的单位是辆/km²可以看出车辆密度和通信半径对网络中连通分支的个数都存在影响：当通信半径不变时，车辆密度对网络连通分支数影响很大，当车辆密度不变时，通信半径也对网络连通分支数有影响，可以定量地从网络连通分支数估计网络连通性。

表1 不同车辆密度及通信半径下的连通分支个数

图2表示不同时间点通信半径对连通分支的影响，而不同时间点表示的车辆密度也不一样，其中图2中14点、8点和20点这三个时间点的车辆密度分别是101、206和155。随着通信半径从25米逐渐增加到300米，连通分支数从上百个减小到几个，而且其变化规律可以用指数函数拟合，如图2(a)所示，这说明不论车辆密度大小，连通分支数随通信半径的变化是有规律可循的。图2(b)显示了最大连通分支包含的车辆占所有车辆的比例，当通信半径较小时，这个比例较小且不稳定，当通信半径增大时，这个比例值趋近于1，即表示网络中大部分节点都在一个连通的子网中。

连通性是一个定性的标准，可以从定量的连通分支个数去得到网络连通性，从上述的分析结果中可知连通分支数越少，那么大部分节点就将会聚集在一个连通的子网中，而车辆密度越大，通信半径越大，则可以得到越少的连通分支个数。由于连通性很难定量描述，因此，在本发明中将通过车辆密度和通信半径判断网络连通性，并将此作为数据传输的标准之一。根据图2和表1的结果，可直接将通信半径设置为200米，本发明则基于此通信半径与车辆密度来估计连通性。下面介绍车辆密度估计算法的具体过程。

每个不在岔路口的节点广播自身邻节点的ID号，因此，一个节点可以根据在路上遇到的不同的节点个数来估计这条道路的车辆密度信息。位于岔路口的节点不广播ID号信息，它们仅仅广播车辆密度信息。因此，每个位于岔路口的节点维护一张车辆密度信息表，车辆密度信息表中的每条信息即为与该岔路口相连的各条道路上的车辆密度信息，图3表示了一条车辆密度的数据记录格式。

每条道路的车辆密度用Den_R_ij表示，J_i和J_j表示一条道路的两个岔路口，而有这两个岔路口连接的道路用R_ij表示。当节点从J_i岔路口进入道路时，每接收到一个邻节点的广播信息时，Den_R_ij就会加1，当接收到相同的ID号信息时，直接将此信息丢弃；节点到达J_j时，Den_R_ij的值不再改变，并给时间戳TS一个时间T，在此时间T内，此条信息是有效的，超过了时间T，这条车辆密度信息将不再可用。

每条道路的车辆密度都设置一个阈值，

L_R_ij表示道路的物理长度，r表示无线通信的传输半径，在本实施例中，无线通信的传输半径设为200米。当Den_R_ij的值小于D_threshold时，则这条道路不进行权值计算，因为没有足够的车辆是无法实现数据传输的。

(2)锚点序列选择

首先，根据街道拓扑结构信息，将不同的岔路口标记为J₀、J₁、…、J_N，岔路口之间的道路标记R_ij表示岔路口J_i与岔路口J_j连接的那段道路，同道路标记相对应，道路物理长度记作L_R_ij。由于实际应用中通信半径是固定的，所以本实施例中将通信半径设置为固定值，从而网络连通性主要从车辆密度考虑，道路上的车辆密度用Den_R_ij表示。本发明通过道路的物理长度以及道路的车辆密度为锚点选择建立一个计算权值的公式，并且选择权值最小的道路，数据将通过该道路进行转发。每条道路的权值weight_ij定义为：

{weight}_{ij} = \frac{{L_R}_{ij}^{a}}{{Den_R}_{ij}^{b}}

其中a，b是调整性参数，a和b都只能取值为0或1。当a=0且b=1时，意味着锚点的选择只依赖道路的车辆密度；当b=0且a=1时，意味着锚点的选择只依赖道路的物理长度；当a=1且b=1时,意味着锚点的选择同时考虑道路的物理长度和道路的车辆密度。因此a和b的不同取值对应不同的锚点选择，仿真分析部分将说明参数a和b的有效取值。

当车辆之间需要传输数据时，需要发送数据的节点利用GPS以及导航系统可以获得自己的位置信息以及街道的拓扑结构等信息，而目的节点的位置信息可以通过位置服务系统获得。发送数据的节点，首先根据地图信息，获得到达目的节点的岔路口序列，然后将每条道路标识为R_ij，根据权值公式，计算每条道路的权值，选择权值最小的道路作为必经道路，将必经道路作为路径信息存储在数据包头文件中，每当数据发送到一个岔路口时，就会根据包头文件中的路径信息选择下一个岔路口，将数据沿此条街道上的车辆进行转发。

如图4所示，当发送数据的节点S需要发送数据到达目的节点D时，首先根据已知的街道拓扑信息，识别每个岔路口节点，如果根据最小距离来发送数据的话，S节点会选择道路R₁₃来发送数据，但是由于这条道路上没有足够的车辆来传输数据，所以不能选择往这条道路上发送数据，所以根据权值公式计算得到的道路信息应该是R₁₂，R₂₄，R₄₆，最后到达目的节点D。所以，最后存储在数据包头文件中的信息应该是R₁₂，R₂₄，R₄₆这三个信息。

(3)改进的高级贪心转发

一般的贪心转发仅仅考虑当前节点同目的节点之间的距离进行数据转发，而高级贪心转发是将锚点作为贪心转发的目的节点，而本实施例采用改进的高级贪心转发，将节点的移动速度和移动方向考虑进方法之中。数据传输给下一跳节点时不仅仅考虑邻节点同岔路口节点之间的距离，还同时考虑了邻节点的移动方向和移动速度。

在本实施例中，同时考虑节点同岔路口间的距离以及节点移动速度和方向这两方面问题，为了平衡距离同方向对路由策略的影响，首先判断邻节点的运动方向是否同数据传输方向(即当前节点的运动方向)一致，再计算每个邻节点的权值，选择权值最大的邻节点作为下一跳节点，邻节点m的权值

可以根据下列公式计算获得：

D_m表示邻节点m距离下一岔路口的距离，Dfr_i表示邻节点的运动方向是否同数据传输方向一致，当

时表示方向一致，反之即方向不一致，

表示邻节点运动速度的大小，表示道路上对汽车限制的最大速度。

权值

是用来选择下一跳节点的，先根据方向的优先权，若存在Dfr_i>0的邻节点则不考虑Dfr_i<0的邻节点的权值，再选择Dfr_i>0的邻节点中权值最大的邻节点作为下一跳节点。若所有邻节点的

，则在这些邻节点中选择权值最大的邻节点作为下一跳节点。

以下通过仿真实验对本实施例的技术效果做详细描述：

为了验证本实施例的技术效果，利用交通流仿真器VanetMobiSim以及网络仿真器NS-2对本实施例提出的方法进行仿真实现，仿真平台是PC机，操作系统是Ubuntu10.09，应用C++、OTcl进行程序设计。本发明中的方法在a=1，b=1情况下性能最好，所以本仿真中将本实施例的参数设置为a=1，b=1，本仿真对比的路由方法有GPSR(Greedy Perimeter Stateless Routing，贪婪周边无状态路由)以及GSR(Graphic Source Routing，基于图的源路由)，在评估路由方法性能时采用数据包投递率、平均传输延时以及吞吐量这三个指标。数据包投递率是反映数据接受性能好坏的一个重要指标。传输延时越小表明数据传输越快。吞吐量是表现网络状况的一个重要指标。应用VanetMobiSim仿真器获得汽车移动轨迹，表2是其仿真参数设置。应用NS-2实现对路由方法的仿真实验，表3是NS-2仿真参数的设置。每组仿真均做10次，最后结果取其平均值。

表2 VanetMobiSim的仿真参数设置

参数	设置的值
		仿真区域	2km*2km
节点个数	50，80，110，140，170，200
		节点运动速度	10m/s-25m/s
模拟时间	180秒

表3 NS-2的仿真参数设置

参数	设置的值
		仿真区域	2000×2000m²
仿真持续时间	180秒
		节点个数	50，80，110，140，170，200
分组大小	512Bytes
		数据流发生器	CBR(恒定比特率)
传输半径	200米
		传播模型	TwoRayGround(双径地面反射模型)
天线类型	OmniAntenna(全向天线)
		发包间隔	1Mbps
连接数	10

仿真过程：

首先，利用VanetMobiSim得到车辆移动轨迹的数据，按照表2进行参数设置，仿真过程如图5所示。

其次，在NS-2中写OTcl的脚本文件，该文件中设置网络参数，包括天线类型，无线信道类型，MAC协议，路由层协议，数据传输速率以及仿真时间与范围，同时将由VanetMobiSim得到的车辆轨迹文件加载进OTcl文件中。

最后，在Ubuntu10.09系统中的终端命令中运行编写好的OTcl文件，OTcl文件如下：

仿真结果：

本仿真利用数据包投递率、传输延时以及吞吐量来评估路由方法的效率，结果显示了本方法在不增加传输延时的同时提高了数据传输的分组投递率，实现了提高数据传输效率的目标。

(1)数据包投递率

数据包投递率(Packet delivery)通常指在特定时间段内被成功接收分组占总的传输分组的比例。数据包投递率是反映网络质量的一个重要参数，在网络传输数据的过程中，若投递率低，就会使得接收者无法获得完整的信息。图6中表明本实施例有最好的数据包投递率。当节点个数到达200个时，本实施例的分组成功接收率达到了90%，而其他两种方法仅仅达到了70%和60%。

(2)传输延时

传输延时是评价一个路由协议好坏的重要指标，因为延时越小说明数据传输的越快。如图7所示，当节点密度增大时，本实施例的延时明显减少，这与方法设计中充分利用道路上车辆的有效信息相关。

(3)吞吐量

网络的吞吐量(Throughput)是网络性能的一个重要参数，是指在不丢包的情况下单位时间内节点可以接收的数据量，端到端的吞吐量与网络状况有很大关系。如图8所示，随着节点密度的增加，本实施例的吞吐量远远领先于方法GPSR与GSR。

Claims

1.一种基于位置和拓扑特性的车辆自组网数据传输方法，包括如下步骤：

(2)选择发送数据的道路：定义道路R_ij的权值weight_ij为：

{weight}_{ij} = \frac{{L_R}_{ij}^{a}}{{Den_R}_{ij}^{b}}

2.根据权利要求1所述基于位置和拓扑特性的车辆自组网数据传输方法，其特征在于：在所述步骤(1)中，各条道路的车辆密度都设置一个阈值D_threshold：

3.根据权利要求1基于位置和拓扑特性的车辆自组网数据传输方法，其特征在于：a=1，b＝1。

4.根据权利要求1所述基于位置和拓扑特性的车辆自组网数据传输方法，其特征在于：选择数据传输的下一跳节点时，不仅考虑邻节点与下一个岔路口节点之间的距离，还考虑邻节点的移动方向和移动速度：首先判断所有邻节点的移动方向是否与当前节点的移动方向一致，若存在邻节点与当前节点的移动方向一致，则用下式判断邻节点m的权值

：

其中，

表示邻节点m的移动速度，

表示道路对汽车行驶的最高限速；若所有邻节点均与当前节点的移动方向不一致，则用下式判断邻节点m的权值

：

其中，D_m表示邻节点m与下一岔路口节点之间的距离。