CN103095592A - 车辆自组织网络的区域多播路由系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆自组网络的区域多播路由系统及方法，该方法包括如下步骤：车辆相遇时，每个车辆通过无线通信互相分享各自的未来行使路径；每个车辆在收集到的车辆行驶路径基础上建立车辆路径覆盖图，包括所有收集到的车辆行驶路径及相应的被覆盖的城市道路；当携带数据的车辆遇到其他车辆要决定是否要转发数据时，计算相遇车辆对目标区域的覆盖能力，如果相遇车辆具有较高的覆盖能力则进行转发；以及当数据到达目标区域后，遇到目标区域中所有的车辆都进行转发，通过本发明，可以实现高效的数据区域多播路由。

Description

车辆自组织网络的区域多播路由系统及方法

技术领域

本发明关于一种车辆自组织网络的区域多播路由系统及方法，特别是涉及一种基于车辆覆盖能力估计的车辆自组网络的区域多播路由系统及方法。

背景技术

车辆自组网技术是一项十分有前景的技术，是由移动车辆作为网络节点所组成的新型无线网络，可以支持多种实际应用。比如安全驾驶，交通信息传播，环境监测等等。车辆自组网中的车辆节点通过短距离无线电进行通信，例如专用短程通信(DSRC)技术，通信范围从几十到几百米不等。每个车辆节点地位相当，都可以成为数据源节点、数据接收节点，或者路由节点为其他车辆转发数据。

车辆自组网络区别于传统的移动传感器自组网络，具有以下几个特点。首先，车辆节点稀疏不均地分散在城市道路网络中，节点密度较低且不均，无法形成全联通的车辆网络。因此节点之间无法建立固定的传输路径。其次，由于车辆节点分布稀疏，车辆之间相遇而通信的机会十分有限且随机，有些节点之间甚至永远不会相遇，因此路由协议必须高效地利用网络中十分稀有的相遇机会。最后，车辆网络是由车辆组成的，而车辆移动速度快，变化频繁，活动范围广，因而具有很大的不确定性。

车辆自组网络的数据传播依赖高效的路由协议，世界各国的众多研究者已经提出了很多适用于传统传感器自组网络的区域多播路由方法。但是，正是由于之前提到的车辆网络区别于传统移动传感网络的特点，在给这样的网络设计区域多播路由协议时，需要考虑到网络的动态性和稀有的网络传输机会，提高数据传播效率。现有的区域多播路由方法大多建立在网络节点密集、连通性强的基础上，一类方法是根据目标区域的位置信息，采用贪心的原则选择邻居节点中离目标区域最近的转发节点转发数据。基于这种思路的方法无法适应新型车辆网络的动态性和稀疏性。另一类方法是根据城市中不同道路的不同车流量选择一条最佳传输路径连接数据源和目标地理区域，包含那些车流量较大的道路。此类方法需要所有的车辆都获得实时的车流量信息，同时也依赖于车辆的密集性才能确保事先规划的传输路径不发生断路和丢包的情况。否则，路由维护和重建代价会很高。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明之目的在于提供一种车辆自组网络的区域多播路由系统及方法，其基于车辆的GPS导航系统，利用车辆的行驶路径来估计车辆对目标区域的覆盖能力，并将此作为转发指标，为车辆自组网络区域多播路由的转发决策提供依据。

为达上述及其它目的，本发明提供了一种车辆自组网络的区域多播路由系统，至少包括：

路径分享模组，用于车辆相遇时，每个车辆通过其自身携带的无线通信装置互相分享各自的未来行使路径；

车辆路径覆盖图建立模组，用于在收集到的车辆行驶路径基础上建立车辆路径覆盖图，该车辆路径覆盖图包括所有收集到的车辆行驶路径以及相应的被覆盖的城市道路；

覆盖能力计算模组，用于当携带数据的车辆遇到其他车辆要决定是否要转发数据时，计算相遇车辆对目标区域的覆盖能力，如果相遇车辆具有较高的覆盖能力则进行转发数据；以及

区域多播模组，用于当数据到达目标区域后，遇到目标区域中所有的车辆都进行转发。

进一步地，该车辆路径覆盖图包含车辆自身的行使路径所覆盖的城市道路及拓展的基于数据转发的其他车辆行驶路径所覆盖的城市道路。

进一步地，覆盖能力拓展的概率由与其他车辆相遇的概率决定。

进一步地，该车辆路径覆盖模组通过计算两车到达相遇地点的行驶时间的随机变量的差距来计算相遇概率。

进一步地，该覆盖能力计算模组首先在该车辆路径覆盖图中沿着被覆盖的城市道路搜索到达目标区域的传输路径，记录所有传输路径以及每条传输路径上的多跳数据转发点，然后计算每条传输路径上的数据传输概率，最后综合所有传输路径上的传输概率来衡量车辆对目标区域的覆盖能力。

进一步地，该未来行使路径可由车辆自身携带的GPS导航系统获得。

为达到上述及其他目的，本发明还提供一种车辆自组网络的区域多播路由方法，包括如下步骤：

步骤一，车辆相遇时，每个车辆通过无线通信互相分享各自的未来行使路径；

步骤二，每个车辆在收集到的车辆行驶路径基础上建立车辆路径覆盖图，包括所有收集到的车辆行驶路径及相应的被覆盖的城市道路；

步骤三，当携带数据的车辆遇到其他车辆要决定是否要转发数据时，计算相遇车辆对目标区域的覆盖能力，如果相遇车辆具有较高的覆盖能力则进行转发；以及

步骤四，当数据到达目标区域后，遇到目标区域中所有的车辆都进行转发。

进一步地，在步骤二中，还包括如下步骤：

首先标出车辆本身行驶路径所覆盖的城市道路；

其次，车辆通过和其他车辆的相遇和数据转发拓展车辆对城市道路的覆盖范围。

进一步地，覆盖能力拓展的概率由与其他车辆相遇的概率决定，通过计算两车到达相遇地点的行驶时间的随机变量的差距来计算相遇概率。

进一步地，于步骤三中，还包括如下步骤：

在车辆路径覆盖图中沿着被覆盖的城市道路搜索到达目标区域的传输路径，记录所有传输路径以及每条传输路径上的多跳数据转发点；

计算每条传输路径上的数据传输概率，通过将所有转发点上的相遇概率做乘积来获得；

综合所有传输路径上的传输概率来衡量车辆对目标区域的覆盖能力。

与现有技术相比，本发明一种车辆自组网络的区域多播路由系统及方法通过利用车辆的行驶路径来估计车辆对目标区域的覆盖能力，并将此作为转发指标，实现为车辆自组网络区域多播路由的转发决策提供依据。

附图说明

图1为本发明一种车辆自组网络的区域多播路由系统的系统架构图；

图2为本发明一种车辆自组网络的区域多播路由方法的步骤流程图；

图3为本发明较佳实施例的区域多播路由示意图；

图4给出了本发明较佳实施例的一个简单道路网络和三条车辆行驶路径的示意图；

图5为图4中车辆行驶路径的道路覆盖图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种车辆自组网络的区域多播路由系统的系统架构图。如图1所示，本发明一种车辆自组网络的区域多播路由系统，该车辆自组网络的车辆均安装了GPS导航系统，该区域多播路由系统至少包括：路径分享模组10、车辆路径覆盖图建立模组11、覆盖能力计算模组12以及区域多播模组13。

其中路径分享模组10用于车辆相遇时，每个车辆通过其自身携带的无线通信装置互相分享各自的未来行使路径，车辆的未来行使路径可由车辆自身携带的GPS导航系统获得。车辆路径覆盖图建立模组11用于在在收集到的车辆行驶路径基础上建立车辆路径覆盖图，包含所有收集到的车辆行驶路径以及相应的被覆盖的城市道路。具体来说，为了找到被车辆行驶路径覆盖的城市道路，车辆路径覆盖图建立模组11首先可以标出车辆本身行驶路径所覆盖的城市道路，其次，车辆通过和其他车辆的相遇和数据转发可以拓展车辆对城市道路的覆盖范围，但是，被拓展的覆盖范围是有概率的，因为只有当车辆相遇之后发生信息交互才能将数据转发到其他车辆的行驶路径上，因此覆盖能力拓展的概率是由与其他车辆相遇的概率决定的。在本发明较佳实施例中，车辆相遇概率估计是基于对车辆行驶到相遇地点的行驶时间建模来实现的。根据前人的研究结论和一些数据统计，本发明把车辆的行驶时间建模为符合伽马分布的随机变量，本发明通过计算两车到达相遇地点的行驶时间的随机变量的差距来计算相遇概率。

覆盖能力计算模组12用于当携带数据的车辆遇到其他车辆要决定是否要转发数据时，计算相遇车辆对目标区域的覆盖能力，如果相遇车辆具有较高的覆盖能力则进行转发数据。在本发明较佳实施例中，当衡量车辆对某个地理区域的覆盖能力时，覆盖能力计算模组12首先在车辆路径覆盖图中沿着被覆盖的城市道路搜索到达目标区域的传输路径，记录所有传输路径以及每条传输路径上的多跳数据转发点，然后计算每条传输路径上的数据传输概率，通过将所有转发点上的相遇概率做乘积来获得，最后综合所有传输路径上的传输概率来衡量车辆对目标区域的覆盖能力。

区域多播模组13用于当数据到达目标区域后进行多播，即遇到目标区域中所有的车辆都进行转发，以达到区域多播的目的。

图2为本发明一种车辆自组网络的区域多播路由方法的步骤流程图。如图2所示，本发明一种车辆自组网络的区域多播路由方法，用于车辆均安装了GPS导航系统的车辆自组网络，包括如下步骤：

步骤201，车辆相遇时，每个车辆通过无线通信互相分享各自的未来行使路径。例如，当网络中的车辆a和车辆b相遇时，两者分别共享自己收集到的其他车辆的行驶路径信息。对于a车辆来说，除了可以收集到b车辆自身的行驶路径之外，b车辆之前收集到的其他车辆的行驶路径也可以分享给a，只要b收集到的路径信息比a所掌握的信息更新更全，a就可以进行分享和更新。在本发明较佳实施例中，路径由排序的路段组成，每个最小单位的路段是两个十字路口之间的道路。最小单位的路段附带一些信息，比如路段的基本信息，车辆行驶的方向，车辆进出该路段的时间点估计，路段两端十字路口信息，等等。

步骤202，每个车辆在收集到的车辆行驶路径基础上建立车辆路径覆盖图，包括所有收集到的车辆行驶路径及相应的被覆盖的城市道路。这里的车辆路径覆盖图首先包含了车辆自身的行驶路径所覆盖的城市道路，同时，通过转发数据给其他车辆，数据可以沿着其他车辆的行驶路径进行传播，因此车辆构建的路径覆盖图还包含了基于数据转发的其他车辆行驶路径所覆盖的城市道路。但是，被拓展的覆盖范围是有概率的，因为只有当车辆相遇之后发生信息交互才能将数据转发到其他车辆的行驶路径上。因此覆盖能力拓展的概率是由与其他车辆相遇的概率决定的。

这里，通过数据转发拓展车辆的道路覆盖能力需要基于相遇概率的计算。因为数据转发是建立在两车相遇的基础之上的。而判断两车是否相遇仅仅因为他们的行驶路径相交或者包含相同的城市道路是不够的，还和他们到达路径交叉点或者相同道路的时间点有关系，只有当两车到达这些地点的时间点足够接近才可判定两车相遇。本发明采用了对车辆行驶时间进行建模的方法来估计两车相遇的概率。相遇概率用于描述车辆的道路覆盖能力被拓展的概率，也记录在车辆路径覆盖图中。

步骤203，当携带数据的车辆遇到其他车辆要决定是否要转发数据时，计算相遇车辆对目标区域的覆盖能力，如果相遇车辆具有较高的覆盖能力则进行转发。

当衡量车辆对某个地理区域的覆盖能力时，首先在车辆路径覆盖图中沿着被覆盖的城市道路搜索到达目标区域的传输路径，记录所有传输路径以及每条传输路径上的多跳数据转发点；然后计算每条传输路径上的数据传输概率，通过将所有转发点上的相遇概率做乘积来获得；最后综合所有传输路径上的传输概率来衡量车辆对目标区域的覆盖能力。

步骤204，当数据到达目标区域后，则进行多播，即遇到目标区域中所有的车辆都进行转发，以达到区域多播的目的。

图3为本发明较佳实施例的区域多播路由示意图，图4给出了本发明较佳实施例的一个简单道路网络和三条车辆行驶路径的示意图，图5为图4中车辆行驶路径的道路覆盖图。以下将配合图3、图4及图5通过一具体实施例进一步说明本发明。图3形象地展示了区域多播的情况，虚线框内是源节点v的数据传输的目标区域。从车辆v通过多跳转发有三条传输路径可以到达目标区域。

图4给出了一个简单的道路网络，包含了7段最小单位的路段，另外给出了三条行驶路径。相应的路径覆盖图显示在图5中。每个圆圈表示行驶路径的一个路段单位，实线箭头表示车辆经过的路段的前后顺序，同时表示数据可以被车辆传递的范围。不同行驶路径之间的虚线箭头表示一次数据转发机会，附带转发概率即估计的相遇概率。

相遇概率的计算如下，当车辆a和b的行驶路径存在交叉点L，则a和b在L处的相遇概率是基于对a和b到达L的行驶时间的随机变量，用T_a(L)和T_b(L)表示。如果这两个随机变量的概率密度函数分别为

和则相遇概率可如此计算：

$P_r(\mathrm{\&Delta;}(T_a\left(L\right),T_b\left(L\right))<\mathrm{\&delta;})$

$={\&Integral;}_0^{\&infin;}{\&Integral;}_{t-\mathrm{\&delta;}}^{t+\mathrm{\&delta;}}{f}_{T_a\left(L\right)}\left(t\right)\&times;f_{T_b\left(L\right)}\left(t^{\&prime;}\right){\mathrm{dt}}^{\&prime;}\mathrm{dt}$

即a和b到达L的到达时间变量的差距小于一个设定值δ的概率。这个概率由变量的概率密度函数决定，概率密度函数的参数可以通过统计车辆行驶的历史数据得到。而δ的值是根据车辆通信半径以及a和b的相对速度设定的。

综上所述，本发明一种车辆自组网络的区域多播路由系统及方法通过利用车辆的行驶路径来估计车辆对目标区域的覆盖能力，并将此作为转发指标，实现为车辆自组网络区域多播路由的转发决策提供依据。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明提出了新颖的路由思路，不需要事先建立传输拓扑，不需要维护和重建传输拓扑，也不需要提供实时的道路车流信息。

2.本发明是分布式的区域多播路由方法，不需要全局设施来收集车辆行驶路径或控制数据发送。

3.本发明对车辆的覆盖能力的估计大大提高了对区域多播数据转发的针对性和效益，在保证传输成功率的基础上能够大大降低传输代价和带宽。

因此，本发明适用于真实环境的城市车辆自组网络，可以大大降低区域多播数据传输的转发代价和成功率。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种车辆自组网络的区域多播路由系统，至少包括：

路径分享模组，用于车辆相遇时，每个车辆通过其自身携带的无线通信装置互相分享各自的未来行使路径；

车辆路径覆盖图建立模组，用于在收集到的车辆行驶路径基础上建立车辆路径覆盖图，该车辆路径覆盖图包括所有收集到的车辆行驶路径以及相应的被覆盖的城市道路；

覆盖能力计算模组，用于当携带数据的车辆遇到其他车辆要决定是否要转发数据时，计算相遇车辆对目标区域的覆盖能力，如果相遇车辆具有较高的覆盖能力则进行转发数据；以及

区域多播模组，用于当数据到达目标区域后，遇到目标区域中所有的车辆都进行转发。

2.如权利要求1所述的一种车辆自组网络的区域多播路由系统，其特征在于：该车辆路径覆盖图包含车辆自身的行使路径所覆盖的城市道路及拓展的基于数据转发的其他车辆行驶路径所覆盖的城市道路。

3.如权利要求2所述的一种车辆自组网络的区域多播路由系统，其特征在于：覆盖能力拓展的概率由与其他车辆相遇的概率决定。

4.如权利要求3所述的一种车辆自组网络的区域多播路由系统，其特征在于：该车辆路径覆盖模组通过计算两车到达相遇地点的行驶时间的随机变量的差距来计算相遇概率。

5.如权利要求1所述的一种车辆自组网络的区域多播路由系统，其特征在于：该覆盖能力计算模组首先在该车辆路径覆盖图中沿着被覆盖的城市道路搜索到达目标区域的传输路径，记录所有传输路径以及每条传输路径上的多跳数据转发点，然后计算每条传输路径上的数据传输概率，最后综合所有传输路径上的传输概率来衡量车辆对目标区域的覆盖能力。

6.如权利要求1所述的一种车辆自组网络的区域多播路由系统，其特征在于：该未来行使路径可由车辆自身携带的GPS导航系统获得。

7.一种车辆自组网络的区域多播路由方法，包括如下步骤：

步骤一，车辆相遇时，每个车辆通过无线通信互相分享各自的未来行使路径；

步骤二，每个车辆在收集到的车辆行驶路径基础上建立车辆路径覆盖图，包括所有收集到的车辆行驶路径及相应的被覆盖的城市道路；

步骤三，当携带数据的车辆遇到其他车辆要决定是否要转发数据时，计算相遇车辆对目标区域的覆盖能力，如果相遇车辆具有较高的覆盖能力则进行转发；以及

步骤四，当数据到达目标区域后，遇到目标区域中所有的车辆都进行转发。

8.如权利要求7所述的一种车辆自组网络的区域多播路由方法，其特征在于，在步骤二中，还包括如下步骤：

首先标出车辆本身行驶路径所覆盖的城市道路；

其次，车辆通过和其他车辆的相遇和数据转发拓展车辆对城市道路的覆盖范围。

9.如权利要求8所述的一种车辆自组网络的区域多播路由方法，其特征在于：覆盖能力拓展的概率由与其他车辆相遇的概率决定，通过计算两车到达相遇地点的行驶时间的随机变量的差距来计算相遇概率。

10.如权利要求7所述的一种车辆自组网络的区域多播路由方法，其特征在于，于步骤三中，还包括如下步骤：

在车辆路径覆盖图中沿着被覆盖的城市道路搜索到达目标区域的传输路径，记录所有传输路径以及每条传输路径上的多跳数据转发点；

计算每条传输路径上的数据传输概率，通过将所有转发点上的相遇概率做乘积来获得；

综合所有传输路径上的传输概率来衡量车辆对目标区域的覆盖能力。

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