CN102917372A - 一种面向多场景数据交换的车联网层次化模型设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向多场景数据交换的车联网层次化模型设计方法，属于无线网络通信技术领域。本发明方法以数据传输目的为依据将应用分为安全性应用和非安全性应用，以网络传输特性为依据将网络分为主干子网和移动子网，以节点密度为依据将路由协议分为稀疏模式下和密集模式下的路由协议。根据上层应用传输数据的优先级别、车辆节点同路边节点的分布密度及数据通信所在网络的等级，将车联网系统层次化为多个有区分的数据交换场景，根据不同的场景及应用选择相应的传输协议进行数据进行有区分的转发。该系统实现了安全相关数据高效的、优先的、低延迟的转发，非安全相关数据尽最大努力的交付。

Description

一种面向多场景数据交换的车联网层次化模型设计方法

技术领域

本发明涉及一种面向多场景数据交换的车联网层次化模型设计方法，属于无线网络通信技术领域。

背景技术

车联网是由互联网和物联网衍生而来的一种网络形式，是装载在车辆的电子传感装置使用无线识别等信息技术，通过车辆之间（Vehicle-Vehicle，V-V）、车辆与路边基础设施（Vehicle-Infrastructure，V-I）之间的相互通信实现在信息网络平台上对所有车辆的属性信息和静、动态信息进行收集、处理和共享，并根据不同的功能需求对所有车辆的运行状态进行有效监管和提供综合服务，最大限度地降低交通拥堵、交通事故等带来的损失，提升通行效率，从而实现更智能、更安全的驾驶和行车过程中的信息化服务。车联网将成为未来智慧国家、智慧城市、智慧社会的重要标志，可明显提高道路利用率、降低汽车能耗和有效减少交通事故。车联网环境下的数据交换主要通过点到点路由和多路径路由、单跳和多跳广播等方式来实现，相关的理论与技术研究将改善车联网的数据交换能力，具有现实的理论意义和应用价值。但因车联网独特的技术要求和制约因素，使得这一问题的研究面临不小的挑战。

目前已有的车联网模型如图1所示，车联网需要提供针对安全信息（如刹车、碰撞、道路拥塞等）和非安全信息（如Internet接入、多媒体娱乐、商业广告等）不同需求的数据交换和交互服务。非安全应用采用传统互联网通信模式，安全信息采用车辆环境中的无线接入通信体系（Wireless Access in VehicularEnvironments，WAVE），这种通信机制能够根据节点传输数据的优先级使用高效协议优先传输紧急消息，但这种通信模型的缺点是：①没有考虑到车载移动节点在道路上的分布密度问题，缺乏根据车载移动节点密度自适应的选择路由协议的机制；②车联网现有机制存在高密度网络拓扑下的广播风暴、低密度网络和网络分割下的间歇连接、及短暂的连接存活时间等问题，严重限制了安全相关紧急信息和有意义的大数据的交换与传输，偏离了车联网存在的主要目的；③对于用户需要的其他服务（娱乐，多媒体等），也不能提供有效的链路来尽最大的努力交付用户数据。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有车联网模型存在的不足，提出一种面向多场景数据交换的车联网层次化模型设计方法。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种面向多场景数据交换的车联网层次化模型，其包括：应用层、骨干子网、移动子网、传输层（TCP/UDP层）、网络层（IP层）、媒体接入控制层（MAC层）和物理层。其中，应用层的应用包括安全相关应用和非安全相关应用。

媒体接入控制层分为采用LTE（Long Term Evolution，长期演进技术或第四代移动通信技术）、WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access，全球微波互联接入）、3G（3rd-generation，第三代移动通讯技术）标准的MAC层、采用IEEE 802.11p标准的MAC层和采用IEEE802.11b/g/n标准的MAC层。

骨干子网、移动子网、采用LTE、WiMAX、3G的MAC层和采用IEEE802.11p标准的MAC层以及对应物理层组成车载网络体系。

传输层、网络层、采用IEEE802.11b/g/n标准的MAC层以及对应物理层组成传统互联网体系。

安全相关应用通过骨干子网和/或移动子网进行传输，骨干子网同采用LTE、WiMAX、3G标准的MAC层连接。移动子网均同采用IEEE802.11p标准的MAC层连接，MAC层的底层为物理层。

非安全相关应用通过移动子网和/或传统互联网的传输层进行传输，传输层衔接网络层，网络层衔接采用IEEE802.11b/g/n标准的MAC层，MAC层的底层为物理层。

骨干子网由基站节点组成，并可以通过基站节点接入到互联网以及移动子网。骨干子网中的基站节点采用的通信技术包括：WiMAX、3G、LTE。

移动子网由车载移动节点组成，移动子网内部的节点随车辆运动进行频繁重组，移动子网同骨干子网之间随车辆运动不定时连接或间断。移动子网同骨干子网之间、移动子网内部节点之间通信采用的通信技术包括：IEEE802.11p标准、IEEE802.11b/g/n标准。

对于安全相关应用，骨干子网采用有向广播的方式进行数据传输；移动子网则首先根据当前移动子网密度判断当前移动子网处于密集模式还是稀疏模式，如果是处于密集模式，则采用有向广播的方式进行数据传输；如果是处于稀疏模式，则采用多跳转发的路由机制进行数据传输。

所述根据当前移动子网密度判断当前移动子网处于密集模式还是稀疏模式的具体方法是：首先，将以发送数据的车载移动节点为圆心，以R为半径的区域设定为当前移动子网，30m≤R≤50m（米）；然后，计算当前移动子网密度（用当前移动子网内的车辆数除以当前移动子网的面积所得到的数值即为移动子网密度），如果当前移动子网密度大于某一人为设定阈值，则认为当前移动子网处于密集模式；否则，认为其处于稀疏模式。

对于非安全相关应用，优先采用传统互联网络进行点到点转发；当传统互联网络不可达时，通过移动子网采用多跳路由机制进行数据转发。

有益效果

本发明提出的面向多场景数据交换的车联网层次化模型设计方法与已有车联网模型相比较，具有如下优点：

①本模型考虑到车载移动节点在道路上的分布密度问题，能够根据车载移动节点密度自适应的选择路由协议进行数据转发。

②本模型根据上层应用所传输数据的优先级别将应用分成安全性应用与非安全性应用，安全性应用传输数据的优先级高，数据传输延迟小，数据吞吐率高，能够在紧急情况下快速传输安全信息到目的节点；非安全信息传输的优先级比较低，延迟相对较大，最大限度的满足基本的通信需求。

③对于用户需要的其他服务（娱乐，多媒体等），能够优先利用传统互联网的满足用户需求，在不影响安全协议的条件下，尽最大努力提供有效的链路来交付用户数据。

附图说明

图1为已有的车联网模型示意图；

图2为本发明具体实施例中面向多场景数据交换的车联网层次化模型；

图3为车联网实际道路通信示意图；

其中：1-互联网；2-路由器；3、4、5、6、7-基站节点；8-车载移动节点；9、10、11-移动子网。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的技术方案，下面结合附图，通过1个实施例，对本发明做进一步说明。

一种面向多场景数据交换的车联网层次化模型，如图2所示，其包括：应用层、骨干子网、移动子网、传输层（TCP/UDP层）、网络层（IP层）、媒体接入控制层（MAC层）和物理层。其中，应用层的应用包括安全相关应用和非安全相关应用。

媒体接入控制层分为采用LTE、WiMAX、3G标准的MAC层、采用IEEE802.11p标准的MAC层和采用IEEE802.11b/g/n标准的MAC层。

骨干子网、移动子网、采用LTE、WiMAX、3G的MAC层和采用IEEE802.11p标准的MAC层以及对应物理层组成车载网络体系。

传输层、网络层、采用IEEE802.11b/g/n标准的MAC层以及对应物理层组成传统互联网体系。

安全相关应用通过骨干子网和/或移动子网进行传输，骨干子网同采用LTE、WiMAX、3G标准的MAC层连接。移动子网均同采用IEEE802.11p标准的MAC层连接，MAC层的底层为物理层。安全相关应用传输数据的优先级高，传输延迟小，吞吐率高，例如：事故信息、紧急刹车信息和道路交通状况等，这些信息必须快速传输到目的节点。

非安全相关应用通过移动子网和/或传统互联网的传输层进行传输，传输层衔接网络层，网络层衔接采用IEEE802.11b/g/n标准的MAC层，MAC层的底层为物理层。非安全信息传输优先级比较低，延迟相对较大，例如：多媒体信息、位置信息服务和商业广告等，节点基本的通信需求尽最大努力的被满足。

骨干子网由基站节点组成，并可以通过基站节点接入到互联网以及移动子网。骨干子网中的基站节点采用的通信技术包括：WiMAX、3G、LTE。

移动子网由车载移动节点组成，移动子网内部的节点随车辆运动进行频繁重组，移动子网同骨干子网之间随车辆运动不定时连接或间断。移动子网同骨干子网之间、移动子网内部节点之间通信采用的通信技术包括：IEEE802.11p标准、IEEE802.11b/g/n标准。

对于安全相关应用，骨干子网采用有向广播的方式进行数据传输；移动子网则首先根据当前移动子网密度判断当前移动子网处于密集模式还是稀疏模式，如果是处于密集模式，则采用有向广播的方式进行数据传输；如果是处于稀疏模式，则采用多跳转发的路由机制进行数据传输。

所述根据当前移动子网密度判断当前移动子网处于密集模式还是稀疏模式的具体方法是：首先，将以发送数据的车载移动节点为圆心，以30米为半径的区域设定为当前移动子网；然后，计算当前移动子网密度（用当前移动子网内的车辆数除以当前移动子网的面积所得到的数值即为移动子网密度），如果当前移动子网密度大于0.01，则认为当前移动子网处于密集模式；否则，认为其处于稀疏模式。

对于非安全相关应用，优先采用传统互联网络进行点到点转发；当传统互联网络不可达时，通过移动子网采用多跳路由机制进行数据转发。

在图3中，区域1为互联网；2是互联网中的路由器；区域9、10、11内的车载移动节点分别组成了移动子网，8为区域9中的一车载移动节点；基站节点3-7组成了骨干子网；骨干子网内的基站节点通过可靠链路进行连接，数据交换量大，并且时延低；移动子网9、10和11的拓扑频繁变化，连接速度快、代价低，数据转发有方向性，能够平衡不同节点的资源利用率。

Claims (1)

1.一种面向多场景数据交换的车联网层次化模型，其特征在于：其包括：应用层、骨干子网、移动子网、传输层、网络层、媒体接入控制层和物理层；其中，应用层的应用包括安全相关应用和非安全相关应用；

媒体接入控制层分为采用LTE、WiMAX、3G标准的MAC层、采用IEEE802.11p标准的MAC层和采用IEEE802.11b/g/n标准的MAC层；

骨干子网、移动子网、采用LTE、WiMAX、3G的MAC层和采用IEEE802.11p标准的MAC层以及对应物理层组成车载网络体系；

传输层、网络层、采用IEEE802.11b/g/n标准的MAC层以及对应物理层组成传统互联网体系；

安全相关应用通过骨干子网和/或移动子网进行传输，骨干子网同采用LTE、WiMAX、3G标准的MAC层连接；移动子网均同采用IEEE802.11p标准的MAC层连接，MAC层的底层为物理层；

非安全相关应用通过移动子网和/或传统互联网的传输层进行传输，传输层衔接网络层，网络层衔接采用IEEE802.11b/g/n标准的MAC层，MAC层的底层为物理层；

骨干子网由基站节点组成，并可以通过基站节点接入到互联网以及移动子网；骨干子网中的基站节点采用的通信技术包括：WiMAX、3G、LTE；

移动子网由车载移动节点组成，移动子网内部的节点随车辆运动进行频繁重组，移动子网同骨干子网之间随车辆运动不定时连接或间断；移动子网同骨干子网之间、移动子网内部节点之间通信采用的通信技术包括：IEEE802.11p标准、IEEE802.11b/g/n标准；

对于安全相关应用，骨干子网采用有向广播的方式进行数据传输；移动子网则首先根据当前移动子网密度判断当前移动子网处于密集模式还是稀疏模式，如果是处于密集模式，则采用有向广播的方式进行数据传输；如果是处于稀疏模式，则采用多跳转发的路由机制进行数据传输；

所述根据当前移动子网密度判断当前移动子网处于密集模式还是稀疏模式的具体方法是：首先，将以发送数据的车载移动节点为圆心，以R为半径的区域设定为当前移动子网，30m≤R≤50m；然后，计算当前移动子网密度，用当前移动子网内的车辆数除以当前移动子网的面积所得到的数值即为移动子网密度即可得到当前移动子网密度，如果当前移动子网密度大于某一人为设定阈值，则认为当前移动子网处于密集模式；否则，认为其处于稀疏模式；

对于非安全相关应用，优先采用传统互联网络进行点到点转发；当传统互联网络不可达时，通过移动子网采用多跳路由机制进行数据转发。

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