CN102892088A - 基于车路协同的高速公路无线网络消息传输方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于车路协同的高速公路无线网络消息传输方法及其装置，该方法有源节点和目的节点两种工作模式，在事件发生地由内及外形成具有一定层次规律的消息分布网络，随时间的推移和不断转发更替事件的消息优先级逐渐降低，过程中还进行同优先级别消息的不断融合。该装置包括车载设备、路侧设备和人工服务中心，车载设备为紧急事件进行定级和融合，并随时间和距离的推移控制优先级级别的降低，保证距离事发地较近的节点及时收到优先级别高的数据包，距离事发地较远的节点以较低的优先级别收到数据包。本发明可以有效提高无线网络利用效率，降低无线网络中的冗余信息量，缓解海量数据和无线网络承载能力不足共同引发的无线网络恶化问题。

Description

基于车路协同的高速公路无线网络消息传输方法及其装置

技术领域

本发明涉及计算机无线通信领域，应用于具有无线网络覆盖的高速公路路网车车、车路通信中，具体是一种基于车路协同的高速公路无线网络消息传输方法及其装置。

背景技术

随着汽车保有量的不断增加，各级道路产生的交通问题也越来越多，城市主干路伴随着早晚上下班高峰，时常出现交通拥堵现象，高速公路时有发生连环追尾等重大交通事故。近年来，交通问题得到了更多研究人员的关注，在国家政策的大力支持下，智能交通经过数十年来的发展有望解决或缓解目前交通中面临的难题以及未来发展中可能出现的问题。

近几年来，应用无线通信技术建立车车、车路之间的通信链路，并围绕车辆信息化网络开展信息融合，车辆控制等研究，已成为世界各地交通研究关注的焦点内容，信息网络化交通也成为当前最主流的发展方向之一。基于此，整个交通系统产生的交通数据也堪称庞大，根据预测，未来5年移动节点之间的数据通信将带动网络流量爆发性增长，无线网络设备产生的数据流量将会增加上百倍，无线网络承载能力将面临巨大挑战，目前无线网络带宽不足等问题已逐渐显露，而对于如何有效利用无线信道的研究还未得到完全重视。

发明内容

本发明针对高速公路无线网络承载压力加剧、无线网络带宽不足等问题，提出一种基于车路协同的高速公路无线网络消息发布装置与其方法。

一种基于车路协同的高速公路无线网络消息传输方法，包括以下步骤：

车辆在正常行驶过程中默认为处于监听状态，车载设备通过地图显示模块实时显示车辆行驶位置，当路网中发生紧急事件时，事发车辆将由监听状态进入源节点工作模式，传输紧急事件的数据包给其他车辆，其他车辆收到事发车辆传输的数据包进入目的节点工作模式，随着时间推移所有车辆将兼顾源节点和目的节点两种工作模式。每个发送数据包的车辆都是一个源节点，每个接收数据包的车辆都是一个目的节点。

标记当前车辆为A，车辆A的源节点工作模式的实现具有如下步骤：

步骤1.1，车辆A的事件检测模块实时检测制动踏板和方向盘转角瞬间的变化率，当车辆出现异常情况，驾驶员存在非常规性驾驶时，变化率超过设定的门限值，此时事件检测模块生成一个紧急事件消息并发送给车辆A的分级融合模块；

步骤1.2，分级融合模块收到事件监测模块生成的紧急事件消息后，把该紧急事件消息定级为优先级最高的1级，并发送给车辆A的主控单元；分级融合模块将从事件检测模块收到的紧急事件消息的消息优先级定为1级，消息优先级从高到低依次用1级，2级……n级表示，n为消息优先级分级数目。

步骤1.3，主控单元为分级融合模块发送来的紧急事件消息附加上车辆位置、方向角和号码表征，生成与该紧急事件消息唯一对应的数据包，然后将该数据包与车辆A接收的其他车辆与路侧设备的数据包都传送给分级融合模块；号码表征由消息生成车辆的车牌号和数据包生成时间组成。

步骤1.4，分级融合模块将相同消息优先级的数据包进行融合处理，融合后的数据包格式为{消息优先级、车辆位置、方向角、号码表征；消息优先级、车辆位置、方向角、号码表征；……}；分级融合模块将融合处理后的所有数据包发送给主控单元。

步骤1.5，主控单元通过车辆A的车载无线通信收发模块，在时间T内，将数据包按照如下递归数列的顺序进行传输：

递归数列：H₁=1;H_n=H_n-1,n,H_n-1（n=1,2,…）

递归数列的元素的值对应数据包的消息优先级，按照元素在递归数列H_n中的顺序，将不同消息优先级的数据包传输出去，时间T=∑H_n×(t+f)，其中t为数据包发送时间，f为发送数据包之间的时间间隔。

步骤1.6，在时间T内数据包传输时，对于某个数据包，若连续两次所有目的节点的返回指令均为“数据包已被目的节点丢弃”，则车辆A停止传输该数据包，直到在数列H_n中与该数据包的消息优先级相同元素最后一次出现时，进行本次时间T内最后一次传输；否则继续按照递归数列H_n的顺序进行传输。

步骤1.7，在时间T内最后一次数据包传输时，对于某个数据包，若所有目的节点的返回指令均为“数据包已被目的节点丢弃”，则在下一个时间T内，该数据包的消息优先级降低1级；若接收到“数据包已被目的节点接收”的返回指令，则在下一个时间T内，保持该数据包的消息优先级不变。

步骤1.8，在数据包优先级大于n时，停止传输该数据包；否则，主控单元将该数据包传输给分级融合模块，转步骤1.4执行。

车辆A的目的节点工作模式的实现具有如下步骤：

步骤2.1，车辆A的车载无线通信收发模块进行事件消息的数据包的接收，并传给车辆A的主控单元。

步骤2.2，对于接收到的每个数据包，都进行如下处理：设从车辆B接收到一个数据包，首先车辆A的主控单元提取该数据包中唯一的号码表征，并判断是否是第一次收到该数据包，若是，提取该数据包中的方向角，判断生成该数据包的车辆与车辆A的行驶方向是否一致，若一致，则接收该数据包，并返回指令“数据包已被目的节点接收”给车辆B，否则丢弃该数据包，并返回指令“数据包已被目的节点丢弃”给车辆B；若数据包不是第一次收到，则丢弃该数据包，并返回指令“数据包已被目的节点丢弃”给车辆B。

步骤2.3，对于接收的数据包，车辆A根据数据包中的车辆位置和消息优先级在地图显示模块显示数据包内容，同时语音报警模块开启警示音提醒驾驶员。

步骤2.4，若车辆A当前处于监听状态，则车辆A的分级融合模块将从车辆A的车载无线通信收发模块接收的数据包进行相同消息优先级的融合处理，并通过车载无线通信收发模块进行数据包的转发，在转发的时间T内，将各数据包的消息优先级降低1级，然后执行源节点工作模式的步骤1.5；若车辆A当前已处于某个发送或转发状态的时间T内，在分级融合模块将数据包融合处理后，等待H_n中与数据包的消息优先级相同的元素下一次出现前，由主控单元控制数据包加入已存在的消息序列，然后执行源节点工作模式的步骤1.6。

一种基于车路协同的高速公路无线网络消息发布装置，包括车载设备、路侧设备和人工服务中心。其中车载设备与车载设备之间，车载设备与路侧设备之间，路侧设备与人工服务中心之间均通过无线网络通信。

车载设备包括事件检测模块、分级融合模块、车载无线通信收发模块、方向信息采集模块、位置信息采集模块、主控单元、地图显示模块、以及语音报警模块。

事件检测模块实时检测制动踏板和方向盘转角瞬间的变化率，当变化率超过设定的门限值时生成一个紧急事件消息，并将该紧急事件消息传递到分级融合模块。分级融合模块对事件检测模块发送来的紧急事件消息进行定级，并将该消息发送给主控单元，接收主控单元发送来的数据包，对数据包进行相同消息优先级的融合处理，并将该信息与主控单元传送来的消息进行融合，并将融合后的消息传输给主控单元。方向信息采集模块将实时获取的车辆的方向角传输给主控单元。位置信息采集模块将实时获取的车辆位置传输给主控单元。车载无线通信收发模块用于与路侧设备和其他车辆之间进行数据包的传输。

主控单元给分级融合模块发送来的紧急事件消息附加上车辆位置、方向角以及号码表征生成唯一对应的数据包，数据包格式为{消息优先级、车辆位置、方向角、号码表征}，其中号码表征由车牌号和数据包生成时间组成，每一个号码表征与一个紧急事件对应，每一个数据包中至少含有一个号码表征，且不大于区域内发生的紧急事件总和。主控单元将该数据包与接收的其他车辆发送的数据包都发送给分级融合模块，在经过分级融合模块融合处理后，将数据包通过车载无线通信收发模块按照传输规律广播出去，所述的传输规律为：在时间T内，将数据包按照递归数列H_n的顺序进行传输，递归数列为：H₁=1;H_n=H_n-1，n,H_n-1（n=1,2,…），递归数列中的元素对应数据包的消息优先级，按照元素在递归数列中的顺序，将对应的消息优先级的数据包传输出去；时间T为：T=∑H_n×(t+f)，其中t表示数据包发送时间，f表示发送数据包之间的时间间隔。

主控单元根据接收的数据包的内容，控制地图显示模块显示数据包中紧急时间发生的位置和消息优先级，并控制语音报警模块开始报警，提醒驾驶员对危险状况做出及时反应。

路侧设备包括路侧主控单元和路侧无线通信收发模块。路侧主控单元通过路侧无线通信收发模块进行无线网络通信，唯一接收人工服务中心控制指令，控制路侧无线通信收发模块进行数据包传输。路侧主控单元从人工服务中心接收路况信息、天气情况、新闻资讯等服务信息发布给车辆，同时可以接收车载设备传输的紧急事件消息，并返回给人工服务中心处理。服务信息的数据包的格式为{消息优先级、事件}，消息优先级和事件内容均由人工服务中心对现场情况判断后设定。

本发明的优点和积极效果在于：本发明的方法和装置可以在紧急事件发生地由内及外形成具有一定层次规律的消息分布网络，保证了优先级越高的消息出现的频率越高，优先级越低的消息出现的频率越低，而优先级高的消息随着时间的推移和不断的转发不断更替为优先级更低的消息，并且，这个过程还夹杂着同优先级别消息的不断融合，所以优先级越高的数据包信息量更小，优先级越低的数据包信息量更大，距离源节点较近的节点，可以及时收到优先级别高的数据包，并能保证距离源节点较远的节点，以较低的优先级别收到该数据包，与以往的广播方法相比较在保证信息量不减少的同时，可以有效地提高无线网络利用效率，降低无线网络中的冗余信息量，缓解海量数据和无线网络承载能力不足共同引发的网络恶化问题，减少了无线设备不断增加，无线数据海量存在，无线信道竞争严重等一系列问题对无线网络质量下降造成的影响。

附图说明

图1为本发明高速公路无线网络消息发布装置的结构示意图；

图2为本发明高速公路无线网络消息传输方法源节点工作模式的步骤流程图；

图3为本发明高速公路无线网络消息传输方法目的节点工作模式的步骤流程图；

图4为本发明高速公路无线网络消息传输方法数据包传输模式的步骤流程图；

图5为本发明高速公路无线网络消息传输方法一般情况车辆间数据包传输示意图；

图6为本发明高速公路无线网络消息传输方法特殊情况车辆间数据包传输示意图；

图7为本发明高速公路无线网络消息传输方法车路间数据包传输示意图；

图8为本发明高速公路无线网络消息发布系统的车载设备示意图。

图中：

1-车载设备； 101-主控单元； 102-事件检测模块； 103-分级融合模块；

104-车载无线通信收发模块； 105-方向信息采集模块； 106-位置信息采集模块；

107-地图显示模块； 108-语音报警模块； 2-路侧设备； 201-路侧主控单元；

202-路侧无线通信收发模块； 3-无线网络； 4-人工服务中心。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。

本发明提供的一种基于车路协同的高速公路无线网络消息发布装置及其方法，可以快速觉察路网中发生的交通事故，同时有效降低无线网络冗余信息量。

如图1所示为本发明的无线网络消息发布装置的结构示意图，图2-4所示为本发明的消息传输方法的工作流程图。

应当理解的是，本发明中所述应用场景，并不仅仅局限于高速公路，城市道路、快速路等一般道路均可适用；本发明中所述消息收发节点，并不仅仅局限于车辆，应包括各种移动的乘载工具；本发明中所述无线网络，应能适应车辆网络拓扑结构多变，以及高速情况中，多普勒效应对信道的影响，保证通信质量，如基于802.11p的WAVE技术；本发明中所述消息，不仅仅局限于紧急事件产生和路侧设备发布的资讯，还包括各种可以用于车路协同的交互信息，将这些数据合理分级后，即可加入传输序列中。

如图1所示，本发明的无线网络消息发布装置包括车载设备1、路侧设备2和人工服务中心4。车载设备1包括主控单元101、事件检测模块102、分级融合模块103、车载无线通信收发模块104、方向信息采集模块105、位置信息采集模块106、地图显示模块107、语音报警模块108。车载设备1装备在移动设备上。

车载设备1可以产生紧急事件消息，作为源节点传输数据包，也可以作为目的节点接收其它节点传输的紧急事件消息，并可以对接收到的紧急事件消息进行转发。在无线覆盖范围内多个车辆的车载设备1，可通过无线网络进行信息交互。当驾驶员出现异常操作时，会引发重大交通事件或存在隐患，事件检测模块102通过检测车辆引发重大交通事件或隐患的紧急性制动、转向等操作，生成一个紧急事件消息，具体事件检测模块102实时检测制动踏板和方向盘转角瞬间的变化率，并将检测到的变化率与设定的门限值比较，若超过门限值则生成一个消息，并将该消息传输到分级融合模块103。分级融合模块103用于对消息进行定级以及进行消息的融合。分级融合模块103将从事件检测模块102接收到的消息的优先级定为1级，并将该消息发送给主控单元101生成相应的数据包，从主控单元101接收数据包，并对同一个消息优先级的数据包进行融合处理。最后分级融合模块103将融合后的数据包传输给主控单元101。方向信息采集模块105实时获取车辆的方向角数据，将方向角数据传输给主控单元101，作为判别车辆行驶方向是否一致的依据。位置信息采集模块106实时获得车辆位置数据，并将车辆位置数据传输给主控单元101，作为定位车辆的重要依据。车载无线通信收发模块104用于与路侧设备2和其他车辆之间进行数据包的传输。主控单元101对车载无线通信收发模块104接收到的各数据包依次进行如下两个判断来决定是否接收该数据包：（1）是否是第一次收到该数据包，若是，进行下一个判断，否则丢弃该数据包；（2）发送该数据包的车辆的行驶方向是否与自身的行驶方向相同，若是，接收该数据包，否则丢弃该数据包。主控单元101通过方向信息采集模块105获取方向角，通过位置信息采集模块106获取车辆位置，为从分级融合模块103发送来的定级的紧急时间消息附加车辆位置、方向角和号码表征，生成对应的数据包。事件消息的数据包格式为{消息优先级(i)、车辆位置(x,y)、方向角(θ)、号码表征}，号码表征由车牌号码和当前时间组成。i表示优先级，为一正整数，（x,y）表示当前车辆位置的坐标，θ表示当前车辆行驶的方向角。主控单元101将生成的事件消息的数据包通过车载无线通信收发模块104以一定的传输规律发送出去，传输规律为：在时间T内，将数据包按照递归数列H_n的顺序进行传输，递归数列为：H₁=1;H_n=H_n-1,n,H_n-1（n=1,2,…），递归数列中的元素值对应数据包的消息优先级，按照元素在递归数列中的顺序，将对应的消息优先级的数据包传输出去；时间T为：T=∑H_n×(t+f)，其中t表示数据包发送时间，f表示发送数据包之间的时间间隔。主控单元101还根据接收到的数据包的内容，控制地图显示模块107显示对应事件的发生位置和优先级，控制语音报警模块108发出报警提醒。

车载设备1通过主控单元101提供消息的优先级设定、优先级选择性调节、间隔时间调节、车辆行驶方向是否一致等判别功能，由驾驶员根据自身和道路实际情况调节无线网络传输频率、选择性进行消息收发。主控单元101控制数据包在时间T内进行传输时，对于某个数据包，若连续两次都被所有的目的节点丢弃了，则停止传输该数据包，直到递归数列H_n中与该数据包的消息优先级相同的元素最后一次出现时，在本次时间T内进行最后一次传输，若在最后一次传输中，该数据包被所有目的节点丢弃，则在下一个时间T内，将该数据包的消息优先级降低1级，否则，保持该数据包的消息优先级不变。在某个数据包的消息优先级大于消息优先级分级数目n时，停止传输该数据包。

车载设备1处于监听状态时，由位置信息采集模块106提供位置信息，实时通过地图显示模块107显示行车状态。

路侧设备2包括路侧主控单元201、路侧无线通信收发模块202，由人工服务中心4管理、控制，发布路况信息、天气情况、新闻资讯等服务信息，同时可以接收车载设备1传输的消息，返回人工服务中心处理4。

路侧主控单元201唯一接收人工服务中心4控制指令，控制路侧无线通信收发模块202进行数据包传输，服务信息数据包格式{消息优先级(i)、事件}，消息优先级和事件内容均由人工服务中心4对现场情况判断后设定。

图5为一般情况车辆间数据包传输示意图，所述一般情况是指无线网络覆盖区域内，仅有一辆车发生紧急事件，其它车辆均正常行驶，瞬时处于监听状态。

车辆N₁发生紧急事件，进入源节点工作模式，具体描述源节点在消息传输序列总时间T内，发送1级数据包的过程，如图2所示：

步骤1.1，N₁事件检测模块102发觉异常情况，生成异常信号。车辆N₁的事件检测模块102根据安装在制动踏板和方向盘侧的传感器发觉异常情况，根据传感器获得的数据实时检测制动踏板和方向盘转角瞬间的变化率，当变化率超过设定的门限值时生成一个紧急事件消息。

步骤1.2，N₁分级融合模块103收到异常信号后，把该紧急事件消息定级为优先级最高的1级事件，并将该紧急事件消息发送给车辆A的主控单元。

步骤1.3，N₁主控单元101接收分级融合模块103传输来的紧急事件消息，附加上车辆位置、方向角、号码表征生成与该紧急事件消息唯一对应的数据包，并将该数据包与车辆N₁接收到的其他车辆的数据包都传送给分级融合模块103。号码表征由消息生成车辆的车牌号和数据包生成时间组成。

步骤1.4，N₁分级融合模块103将相同消息优先级的数据包进行融合处理，融合后的数据包格式为{消息优先级、车辆位置、方向角、号码表征；消息优先级、车辆位置、方向角、号码表征；……}；分级融合模块103将融合处理后的所有数据包发送给N₁的主控单元101。例如，存在多个消息优先级为1级的数据包，则融合后的数据包为{消息优先级(1)、车辆位置(x1,y1)、方向角(θ1)、号码表征(P1)；消息优先级(1)、车辆位置(x2,y2)、方向角(θ2)、号码表征(P2)；……}，P1、P2、……为不同车辆N₁、N₂、……的号码表征。

步骤1.5，N₁的主控单元101在时间T内通过车载无线通信收发模块104进行数据包的传输，数据包按照递归数列：H₁=1;H_n=H_n-1,n,H_n-1（n=1,2,…）的顺序进行传递。

n为消息优先级分级数目，它的选择与数据包需要传输的距离有着密切关系，设定的值越大则无线覆盖的区域面积越大。H_n包含的元素个数为2ⁿ-1个。

递归数列的元素值对应数据包的消息优先级，元素由1，2，…，n组成，元素值就是消息优先级的值。按照元素在递归数列H_n中的顺序，将不同消息优先级的数据包传输出去，时间T=∑H_n×(t+f)，其中t为数据包发送时间，f为发送数据包之间的时间间隔。可以通过增加消息优先级的分级数目n，将紧急事件消息传输到更远处，增加必要的信息覆盖范围；通过设定优先级选择性调节的门限值，限定接收数据包的优先级门限；通过设定消息间隔时间f，控制数据包发送的频率。

本发明实施例中设定优先级的分级数目n=5，消息间隔时间f＝1s，忽略数据包发送时间t，则确定的N₁的数据包传输顺序为H₅=[1,2,1,3,1,2,1,4,1,2,1,3,1,2,1,5,1,2,1,3,1,2,1,4,1,2,1,3,1,2,1]，步骤1.4融合后的整个消息优先级为1级的数据包就根据H₅中元素1的出现在序列中的位置传输，由于H₅中元素1间隔出现，所以1级数据包的传输间隔为2s左右，消息序列传输总时间T为31秒左右。

步骤1.6，在时间T内进行数据包传输时，对于某个数据包，若连续两次所有目的节点的返回指令均为“数据包已被目的节点丢弃”，则车辆A停止传输该数据包，直到在递归数列H_n中与该数据包的消息优先级相同的元素最后一次出现时，进行本次时间T内最后一次传输；否则继续按照递归数列H_n的顺序进行传输。

步骤1.7，在时间T内最后一次数据包传输时，对于某个数据包，若所有目的节点的返回指令均为“数据包已被目的节点丢弃”，则在下一个时间T内，该数据包的消息优先级降低1级，若返回指令中有“数据包已被目的节点接收”的条目，则在下一个时间T内，该数据包仍保持原级。例如数据包S的当前消息优先级为i级，当收到的返回指令均为“数据包已被目的节点丢弃”，则在下一个时间T内将数据包S的消息优先级更替为i+1级；当收到“数据包已被目的节点接收”的返回指令，则在下一个时间T内保持数据包S的消息优先级保持i级不变。

步骤1.8，在数据包优先级i>n时，停止传输该数据包；否则，主控单元将该数据包传输给分级融合模块，转步骤1.4执行。

如图5所示，车辆N₂-N₉在车辆N₁未发出数据时均处于监听状态，当车辆N₁开始发送紧急事件消息进入源节点工作模式时，N₂-N₉进入目的节点工作模式接收源节点数据包。

如图3所示，以车辆N₂为例说明只有一个紧急事件发生时，车辆的目的节点工作模式，包括如下步骤：

步骤2.1，车辆N₂的车载无线通信收发模块104进行事件消息的数据包的接收，并传给自身的主控单元101。

步骤2.2，车辆N₂对于接收到的每个数据包，都进行如下处理。本发明实施例中N₂收到车辆N₁的数据包，该数据包仅包含车辆N₁产生的紧急事件消息。首先车辆N₂的主控单元101提取该数据包中唯一的号码表征，并判断是否是第一次收到该数据包，若是，提取该数据包中的方向角，判断生成该数据包的车辆N₁与本车辆的行驶方向是否一致，若一致，则接收该数据包，并返回指令“数据包已被目的节点接收”给发送该数据包的车辆N₁，否则丢弃该数据包，并返回指令“数据包已被目的节点丢弃”给发送该数据包的车辆N₁；若数据包不是第一次收到，则丢弃该数据包，并返回指令“数据包已被目的节点丢弃”给发送该数据包的车辆N₁。

步骤2.3，对于接收的数据包，车辆N₂根据数据包中的车辆位置和消息优先级在地图显示模块显示数据包内容，同时语音报警模块开启警示音提醒驾驶员。主控单元101控制地图显示模块107显示数据包内容，语音报警模块108开启警示音提醒驾驶员，如图8所示，在地图显示模块107显示自身车辆的位置，以及事发节点的车辆位置和紧急消息的优先级级别，并以红色标明发送事故的车辆位置。

步骤2.4，若车辆N₂当前处于监听状态，则车辆N₂的分级融合模块103将从车辆N₂的车载无线通信收发模块104接收的数据包进行相同消息优先级的融合处理，并通过N₂车载无线通信收发模块104进行数据包的转发，在转发的时间T内，将各数据包的消息优先级降低1级，然后车辆N₂执行源节点工作模式的步骤1.5。若车辆N₂当前已处于某个发送或转发状态的时间T内，在分级融合模块将数据包融合处理后，等待H_n中与数据包的消息优先级相同的元素下一次出现前，由主控单元控制数据包加入已存在的消息序列，然后车辆N₂执行源节点工作模式的步骤1.6。

如图5所示，车辆N₁发布紧急事件消息后，车辆N₂、N₃、N₄分别通过自身的车载无线通信收发模块104进行数据包接收，并传给自身的主控单元101，首先进行判定，若该1级数据包为第一次出现且行驶方向一致则接收，接收后开始数据包转发，优先级降低1级更替为2级，随后N₅收到了N₂、N₃、N₄中任一节点传来的2级数据包，判定该数据包为第一次出现且行驶方向一致则接收，接收后开始数据包转发，优先级降低1级更替为3级，N₉收到该2级数据包后，判定该数据包为第一次收到，但行驶方向不一致拒绝接收该数据包，随后N₆、N₇、N₈收到了N₅传来的3级数据包，判定该数据包为第一次出现且行驶方向一致则接收，接收后开始数据包转发，优先级降低1级更替为4级。

源节点与目的节点之间进行数据包传输的步骤，如图4所示，具体如下。

步骤4.1，源节点通过车载设备传输不同消息优先级的数据包，在某个时间T内，正在传输优先级i级的数据包；

步骤4.2，目的节点通过车载设备接收数据包，根据步骤2.2判断是否接收该数据包，若接收该数据包，则返回指令“数据包已被目的节点接收”，若未接收，则返回指令“数据包已被目的节点丢弃”。

步骤4.3，源节点通过目的节点的返回指令决定，在下一个时间T内，数据包优先级i是否变更。具体数据包的消息优先级是否变更根据步骤1.7中的方法进行。

图6为特殊情况车辆间数据包传输示意图，所属特殊情况是指无线网络覆盖区域内，多辆车连续发生紧急事件，并同时处于源节点和目的节点兼顾状态。

车辆N₁、N₂、N₃、N₄同时发生紧急交通事件，进入源节点工作模式，在此之前路网中未存在其他数据包的传输，车辆N₁、N₂、N₃和N₄的紧急交通事件分别对应的号码表征为P1、P2、P3和P4。图6中其它未标明车辆均处于监听状态，与图5一般情况中的车辆相同。

步骤5.1，N₁、N₂、N₃、N₄各自的事件检测模块102发觉异常情况，生成紧急事件消息；

步骤5.2，N₁、N₂、N₃、N₄各自的分级融合模块103收到自身的紧急事件消息后，把该紧急事件消息定级为优先级最高的1级事件；

步骤5.3，N₁、N₂、N₃、N₄主控单元101接收分级融合模块103传输来的紧急事件消息，附加位置、方向角、号码表征生成与该紧急事件消息唯一对应的数据包，通过各自的车载无线通信收发模块104进行传输，此时该路网区域中存在4个1级数据包，数据包经过多次转发后，最多含有4个号码表征；

步骤5.4，车辆N₁、N₂、N₃和N₄在时间T内，均生成了自己的传输序列，此时收到其它节点传来的1级事件后，由自身的分级融合模块103进行消息融合处理。如图6所示，以N₂、N₃节点为例说明多个紧急事件同时发生，车辆的目的节点、源节点工作模式与只有一个紧急事件发生时的不同之处：

在时间T内，传输序列中1级消息第一次传输时，N₂第一次收到通信范围内N₁、N₃的数据包后，经过N₂分级融合模块103融合后的数据包为{消息优先级(1)、车辆位置(x2,y2)、方向角(θ2)、号码表征(P2)；消息优先级(1)、车辆位置(x1,y1)、方向角(θ1)、号码表征(P1)；消息优先级(1)、车辆位置(x3,y3)、方向角(θ3)、号码表征(P3)}，同理N₃收到通信范围内N₂和N₄的数据包后，融合后的数据包为{消息优先级(1)、车辆位置(x3,y3)、方向角(θ3)、号码表征(P3)；消息优先级(1)、车辆位置(x2,y2)、方向角(θ2)、号码表征(P2)；消息优先级(1)、车辆位置(x4,y4)、方向角(θ4)、号码表征(P4)}；则在下一次1级消息传输时，N₂、N₃收到对方的数据包，此时N₂、N₃分级融合模块103比对接收到数据包中的所有号码表征，提取第一次出现的号码表征对应的数据后，与已有数据融合为一个新数据包。N₂、N₃经过各自的分级融合模块103融合后的数据包均为{消息优先级(1)、车辆位置(x1,y1)、方向角(θ1)、号码表征(P1)；消息优先级(1)、车辆位置(x2,y2)、方向角(θ2)、号码表征(P2)；消息优先级(1)、车辆位置(x3,y3)、方向角(θ3)、号码表征(P3)；消息优先级(1)、车辆位置(x4,y4)、方向角(θ4)、号码表征(P4)}。N₂接收了N₃发送的号码表征P4的数据包后，返回指令“数据包已被目的节点接收”给发送该数据包的源节点N₃，源节点N₃依照步骤1.6中的标准，确定下一次传输中号码表征P4的数据包是否传输，通过主控单元101控制分级融合模块103是否融合该数据包；车辆N₂、N₃主控单元101控制融合后的数据包加入当前T内的传输序列，在下一次消息优先级为1级出现时通过车载无线通信收发模块104进行传递。

步骤5.5，车辆N₁、N₂、N₃和N₄在收到其他三个节点的消息后，由自身的主控单元101控制地图显示模块107显示数据包内容，语音报警模块108开启警示音提醒驾驶员，此时地图中信息应包含其它三辆始发节点车辆的位置和对应的紧急消息优先级别。

路侧设备工作模式包括如下步骤：

步骤3.1，人工服务中心4通过路侧设备2定期的发布，路况信息、天气情况、新闻资讯等服务信息，其数据包应为最低优先级。

步骤3.2，路网内出现交通事故时，路侧设备2会收到带有唯一号码表征的数据包，当出现重大交通事故时，会收到多个带有唯一号码表征的数据包，这些数据包会传输给人工服务中心4，用于后续的救援，以及紧急信息发布。

如图7为车路间数据传输示意图，路侧主控单元201接收人工服务中心4的唯一控制指令，通过路侧无线通信收发模块202传输数据包，对路网实施必要的信息覆盖。路侧设备2接收路网区域中车辆的数据包，通过路侧无线通信收发模块202接收后，传输给人工服务中心4。

Claims (5)

1.一种基于车路协同的高速公路无线网络消息传输方法，其特征在于，车辆在正常行驶过程中默认为处于监听状态，车载设备通过地图显示模块实时显示车辆行驶位置，当路网中发生紧急事件时，事发车辆将由监听状态进入源节点工作模式，传输紧急事件的数据包给其他车辆，其他车辆收到事发车辆传输的数据包进入目的节点工作模式，随着时间推移所有车辆将兼顾源节点和目的节点两种工作模式；每个发送数据包的车辆都是一个源节点，每个接收数据包的车辆都是一个目的节点；

车辆A的源节点工作模式包括如下步骤：

步骤1.1，车辆A的事件检测模块实时检测制动踏板和方向盘转角瞬间的变化率，当变化率超过设定的门限值时生成一个紧急事件消息并发送给车辆A的分级融合模块；

步骤1.2，分级融合模块将从事件检测模块收到的紧急事件消息的消息优先级定为1级，并发送给车辆A的主控单元；消息优先级从高到低依次用1级，2级……n级表示，n为消息优先级分级数目；

步骤1.3，主控单元为分级融合模块发送来的紧急事件消息附加上车辆位置、方向角和号码表征，生成与该紧急事件消息唯一对应的数据包，然后将该数据包与车辆A接收的其他车辆和路测设备的数据包都传送给分级融合模块；号码表征由消息生成车辆的车牌号和数据包生成时间组成；

步骤1.4，分级融合模块将相同消息优先级的数据包进行融合处理，融合后的数据包格式为{消息优先级、车辆位置、方向角、号码表征；消息优先级、车辆位置、方向角、号码表征；……}；分级融合模块将融合处理后的所有数据包发送给主控单元；

步骤1.5，主控单元通过车辆A的车载无线通信收发模块，在时间T内，将数据包按照如下递归数列的顺序进行传输：

递归数列：H₁=1;H_n=H_n-1,n,H_n-1（n=1,2,…）

递归数列的元素值对应数据包的消息优先级，按照元素在递归数列H_n中的顺序，将不同消息优先级的数据包传输出去，时间T=∑H_n×(t+f)，其中t为数据包发送时间，f为发送数据包之间的时间间隔；

步骤1.6，在时间T内进行数据包传输时，对于某个数据包，若连续两次所有目的节点的返回指令均为“数据包已被目的节点丢弃”，则车辆A停止传输该数据包，直到在递归数列H_n中与该数据包的消息优先级相同的元素最后一次出现时，进行本次时间T内最后一次传输；否则继续按照递归数列H_n的顺序进行传输；

步骤1.7，在时间T内最后一次数据包传输时，对于某个数据包，若所有目的节点的返回指令均为“数据包已被目的节点丢弃”，则在下一个时间T内，该数据包的消息优先级降低1级；若接收到“数据包已被目的节点接收”的返回指令，则在下一个时间T内，保持该数据包的消息优先级不变；

步骤1.8，在数据包的消息优先级大于n时，停止传输该数据包；否则，主控单元将该数据包传输给分级融合模块，转步骤1.4执行；

车辆A的目的节点工作模式包括如下步骤：

步骤2.1，车辆A的车载无线通信收发模块进行数据包接收，并传给车辆A的主控单元；

步骤2.2，对于接收到的每个数据包，都进行如下处理：设该数据包从车辆B接收到，首先主控单元提取该数据包中的号码表征，并判断是否是第一次收到该数据包，若是，提取该数据包中的方向角，判断车辆B与车辆A的行驶方向是否一致，若是，接收该数据包，并返回指令“数据包已被目的节点接收”给车辆B，否则丢弃该数据包，并返回指令“数据包已被目的节点丢弃”给车辆B；若数据包不是第一次收到，丢弃该数据包，返回指令“数据包已被目的节点丢弃”给车辆B；

步骤2.3，对于接收的数据包，车辆A根据数据包中的车辆位置和消息优先级在地图显示模块显示，同时语音报警模块开启警示音提醒驾驶员；

步骤2.4，若车辆A当前处于监听状态，则车辆A的分级融合模块将接收的数据包进行相同消息优先级的融合处理，在转发的时间T内，将各数据包的消息优先级降低1级，然后执行源节点工作模式的步骤1.5；若车辆A当前已处于某个发送或转发的时间T内，在分级融合模块将数据包融合处理后，等待递归数列H_n中与数据包的消息优先级相同的元素下一次出现前，由主控单元控制数据包加入已存在的消息序列中，执行源节点工作模式的步骤1.6。

2.根据权利要求1所述的高速公路无线网络消息传输方法，其特征在于，该传输方法中还包括路侧设备的工作模式，具体步骤是：

步骤3.1，人工服务中心通过路侧设备定期的发布服务信息，包括路况信息、天气情况以及新闻资讯，服务信息的数据包的消息优先级定为最低优先级；服务信息的数据包为{消息优先级、事件}；

步骤3.2，当路网内出现交通事故时，路侧设备会收到带有唯一号码表征的数据包，当出现重大交通事故时，会收到多个带有唯一号码表征的数据包，这些数据包会传输给人工服务中心，用于后续的救援，以及紧急信息发布。

3.一种基于车路协同的高速公路无线网络消息发布装置，其特征在于，包括车载设备、路侧设备和人工服务中心；

所述车载设备包括主控单元、事件检测模块、分级融合模块、车载无线通信收发模块、方向信息采集模块、位置信息采集模块、地图显示模块和语音报警模块；

事件检测模块实时检测制动踏板和方向盘转角瞬间的变化率，当变化率超过设定的门限值时生成一个紧急事件消息，并将该事件检测模块实时检测制动踏板和方向盘转角瞬间的变化率，当变化率超过设定的门限值时生成一个紧急事件消息，并将该消息传递到分级融合模块；分级融合模块对事件检测模块发送来的紧急事件消息进行定级，并将该消息发送给主控单元，接收主控单元发送来的数据包，并对数据包进行相同消息优先级的融合处理，将融合处理后的数据包传输给主控单元；方向信息采集模块将实时获取的车辆的方向角传输给主控单元；位置信息采集模块将实时获得的车辆位置传输给主控单元；车载无线通信收发模块用于与路侧设备和其他车辆之间进行数据包的传输；主控单元对车载无线通信收发模块接收到的各数据包依次进行如下两个判断：（1）是否是第一次收到该数据包，若是，进行下一个判断，否则丢弃该数据包；（2）发送该数据包的车辆的行驶方向是否与自身的行驶方向相同，若是，接收该数据包，否则丢弃该数据包；

主控单元给分级融合模块发送来的紧急事件消息，附加上车辆位置、方向角和号码表征，生成对应的数据包，数据包格式为{消息优先级、车辆位置、方向角、号码表征}，号码表征由车牌号和数据包生成时间组成，主控单元将该数据包与从接收的其他车辆发送的数据包都发送给分级融合模块，在经过分级融合模块融合处理后，将数据包通过车载无线通信收发模块按照传输规律广播出去，所述的传输规律为：在时间T内，将数据包按照递归数列H_n的顺序进行传输，递归数列为：H₁=1;H_n=H_n-1，n,H_n-1（n=1,2,…），n为消息优先级分级数目，1级为最高级，递归数列中的元素值对应数据包的消息优先级，按照元素在递归数列中的顺序，将对应的消息优先级的数据包传输出去；时间T为：T=∑H_n×(t+f)，其中t表示数据包发送时间，f表示发送数据包之间的时间间隔；

主控单元根据接收的数据包的内容，控制地图显示模块显示数据包中紧急时间发生的位置和消息优先级，并控制语音报警模块开始报警，提醒驾驶员对危险状况做出及时反应；

所述路侧设备包括路侧主控单元和路侧无线通信收发模块；路侧主控单元通过路侧无线通信收发模块进行无线网络通信，唯一接收人工服务中心控制指令，发布服务信息给车辆，接收车载设备传输的紧急事件消息，并返回给人工服务中心处理。

4.根据权利要求3所述的高速公路无线网络消息发布装置，其特征在于，所述的主控单元，控制数据包在时间T内进行传输时，对于某个数据包，若连续两次都被所有的目的节点丢弃了，则停止传输该数据包，直到递归数列H_n中与该数据包的消息优先级相同的元素最后一次出现时，在本次时间T内进行最后一次传输，若在最后一次传输中，该数据包被所有目的节点丢弃，则在下一个时间T内，将该数据包的消息优先级降低1级，否则，保持该数据包的消息优先级不变。

5.根据权利要求3或4所述的高速公路无线网络消息发布装置，其特征在于，所述的主控单元，在某个数据包的消息优先级大于消息优先级分级数目n时，停止传输该数据包。

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