CN103475580A - 车联网中基于功率控制技术的最优中继选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车联网中基于发射功率控制技术的最优中继选择方法，包括以下步骤：（1）移动车辆通过获取所有邻居车辆当前的GPS位置向量信息，计算与邻居节点的相对距离；（2）基于物理信道衰减模型，分别计算向每个邻居节点可靠传输对应所需的发射功率；（3）根据802.11p协议，计算每种发射功率下引发的MAC层传输延迟；（4）综合数据传输的可靠性和延迟两项指标，计算每个邻居被选为中继的优先级，并选择其中优先级最高的邻居作为最优当前信息传输的中继。该方法利用车载通信设备发射功率可调范围广的特点，并综合考虑了物理信道衰减、MAC层消息碰撞、重传延迟等多种因素选择最优中继，实现了车联网中的消息被实时可靠地大范围传输，应用前景十分广阔。

Description

车联网中基于功率控制技术的最优中继选择方法

技术领域

本发明属于车联网中无线传输与数据分发技术领域，具体涉及一种基于发射功率控制技术的最优中继选择方法。源节点从相邻车辆中选择中继时兼顾了无线信号衰减和MAC层的传输延迟两种因素，实现了在车联网中可靠高效分发信息的目的。

背景技术

在车联网（Vehicular Ad-hoc Network,VANET）中，高速移动车辆通过无线自组织网络的形式实时共享交通道路信息达到提高交通安全的目的。车辆之间传输的信息通常分为两种：周期性Beacons和事故触发性Warning消息。其中Beacons消息主要包括当前车辆的速度、加速度、GPS位置向量等信息，由每个车辆周期性向周围邻居广播，不需要多跳传输；而Warning消息由遭遇危险（碰撞）的车辆触发，需要多跳中继长距离传输，达到及时警告后续所有跟随车辆前方的潜在危险的目的。

为了实现车联网中Warning消息实时可靠的大范围传输，需要设计适用于车联网的高效的多跳广播协议。当前常见的一种方案是修改传统移动自组织网络中的路由协议并将其移植应用到车联网中，但是车联网中节点高速移动、网络连通性和拓扑结构快速变化以及车辆运动轨迹受限于道路固定结构等特点，使得这类方案在数据分发过程中可靠性低、端到端延迟较大；另一类思路如文献[H.Lu,etc,“Balancing broadcast reliability and transmission rangein VANETs”,IEEE Vehicular Networking Conference,pp247-254,USA,December2010]所述，根据车辆密度实时的调节无线发射功率提高移动车辆的网络连通性，通过增大发射功率可以提高信号强度，增加信息被较远的邻居节点成功接收的概率。但是较大的通信半径也加剧了MAC层数据传输碰撞的概率和多次重传，加剧了单跳MAC传输延迟。

为了避免上述现有方案的缺点和不足，本方法综合信息传输的可靠性和MAC层传输延迟两项指标，从当前所有的邻居车辆中选择局部最优的中继发转信息，并根据选择的最优中继调整自身的发射功率。该方案实现了车联网中Warning消息传输的可靠性和实时性的统一。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于移动车辆无线发射功率控制技术的最优中继选择方法，充分考虑了物理信号衰减、MAC层的数据碰撞和消息重传等多种因素。实现紧急消息（warning messages）在车联网中快速可靠的大范围传输，达到及时预警危险车辆和提高交通安全的目的。该方法创新度高，实用范围更广。

为了解决现有技术中的诸多问题，本发明提供的技术方案是：

本发明提供了一种车联网中基于发射功率控制技术的最优中继选择方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：（1）移动车辆通过获取所有邻居车辆当前的GPS位置向量信息，计算与邻居节点的相对距离；（2）基于物理信道衰减模型，分别计算向每个邻居节点可靠传输对应所需的发射功率；（3）根据IEEE 802.11p协议，计算每种发射功率下引发的MAC层传输延迟；（4）综合数据传输的可靠性和延迟两项指标，计算每个邻居被选为中继的优先级，并选择其中优先级最高的邻居作为最优当前信息传输的中继。该方法创新度高，利用车载通信设备发射功率可调范围广的特点，并综合考虑了物理信道衰减、MAC层消息碰撞、重传延迟等多种因素选择最优中继，实现了车联网中的消息被实时可靠地大范围传输，应用前景十分广阔。

优选的，所述方法具体按照如下步骤进行：

1）移动车辆解析来自邻居车辆的Beacons消息，获取周围环境中所有邻居车辆节点编号和GPS位置向量，动态维护候选中继车辆集合S＝{V₁,V₂,...,V_n}，并结合自身的GPS位置坐标，分别计算出到所有邻居车辆V_i的距离d_i；

2）根据无线传输信号衰减模型，分别计算消息被所有候选中继车辆V_i以P_th的概率成功接收所需要的发射功率w_i；其中P_th表示无线信号能够被候选中继V_i成功接收的概率阈值；

3）针对每一个候选中继车辆V_i，基于IEEE 802.11p协议计算发射车辆以对应发射功率w_i工作时引发的MAC层传输延迟T_res,i；

4）根据消息传输的可靠性和MAC层传输延迟T_res，为每个候选中继车辆计算被选为中继的优先级p_i；

5）从候选中继车辆集合S中选择对应优先级p_i最高的车辆V_r作为下一跳消息传输的最优中继节点；然后作为中继节点的当前车辆将发射功率调整到对应发射功率w_r向车辆V_r广播消息；

6）车辆V_r接收到消息以后，重复步骤1）-5）继续基于它的邻居集合寻找新的下一跳新中继，直到被传输消息到达了目的区域停止传输；其中i为大于等于1，小于等于n的自然数。

优选的，所述方法步骤5）中对应优先级p_i最高的车辆V_r作为下一跳消息传输的最优中继节点被选定后，其他没有被选为最优中继的车辆，当接收到来自当前车辆的信息时，直接忽略不做转发。

优选的，所述方法步骤2）中根据对传输可靠性的需求调整无线信号能够被候选中继V_i成功接收的概率阈值P_th。

优选的，所述方法中发射功率w_i按照如下步骤计算：

i）采用无线信号传输空间衰减Rayleigh模型，计算与发射车辆相距d_i的候选中继V_i接受到的信号强度期望E(w_i)；如果源节点以w_i功率发射消息，对应的候选中继车辆V_i收到的信号强度期望为

其中G_trs和G_rev分别表示无线发射和接收天线增益，λ_c表示无线信号的波长；

ii）根据车辆之间相对高速运动引起的信号波动效应计算使候选中继V_i以P_th的概率成功接收发射车辆的信息所需的最低发射功率w_i；其中车辆之间的高速相对运动引起V_i接收到的信号强度波动并服从密度函数为 $f\left(w_i\right)=\frac{1}{E\left(w_i\right)}\exp (-\frac{w_i}{E\left(w_i\right)})$ 的概率分布。

优选的，所述方法步骤3）中MAC层传输延迟T_res,i的计算由消息在MAC发生信号碰撞的概率和消息重传决定。

优选的，所述方法步骤4）中被选为中继车辆V_r的优先级p_r综合了传输可靠性和实时性两种因素，通过引入α和β两个调和因子调节上述两种因素的比重，其中α+β=1，0≤α，β≤1。

其中向每个邻居车辆可靠传输对应所需的发射功率为消息被所有候选中继车辆V_i以P_th的概率成功接收所需要的发射功率w_i。所述方法步骤1）中邻居车辆的Beacons消息解析出来的GPS位置向量数据被用于计算源节点到各候选中继车辆V_i的相对距离d_i。本发明中源节点需要选择中继多跳传输消息的发射车辆，源节点按照计算出来的发射功率w_i广播消息可以保证其对应的邻居V_i以不低于P_th的概率成功接收。

一种车联网中基于车辆无线发射功率控制技术的最优中级选择方法，所述选择标准综合了无线信号传输的物理衰减、MAC层的数据碰撞和消息重传等多种因素，其特征在于所述方法包括以下步骤：

（1）每个移动车辆通过解析来自周围邻居的Beacons消息，获取周围环境中所有邻居节点编号和对应的GPS位置向量，各自动态维护其候选中继车辆集合S＝{V₁,V₂,...,V_n}，并结合自身的GPS位置坐标，分别计算出到所有候选中继车辆V_i的距离d_i;

（2）根据无线信号传输空间衰减Rayleigh模型，计算与发射车辆相距d_i的候选中继V_i接受到的信号强度期望E(w_i)。由于车辆相对运动造成候选中继V_i接受到的信号强度在一定范围波动，并服从特定概率分布，为了使候选中继V_i以P_th的概率成功接收发射车辆的信息，计算出对应所需的最低发射功率w_i；

（3）针对每一个候选中继V_i，基于802.11p协议分析发射车辆以对应发射功率w_i工作时引发的MAC层数据包碰撞、消息重传等因素，计算出对应的MAC层数据包传输延迟T_res,i；

（4）综合消息传输的可靠性和MAC层引发的数据传输延迟T_res两项指标，为每个候选中继V_i计算被选为最优中继的优先级p_i；

（5）从候选中级集合S中选择对应优先级p_i最高的车辆V_r作为当前消息传输的中继节点。当前车辆并将发射功率调整到w_r向V_r广播消息；

（6）V_r接收到来自发射车辆的广播消息以后重复步骤（1）-（5），基于V_r的邻居集合继续寻找新的下一跳新中继，直到被传输消息到达了目的区域停止传输。对于没有被选为最优中继的车辆，当接收到来自发射车辆的广播信息时，不做转发。

优选的，所述方法步骤（1）中发射车辆V从接受到Beacons消息中解析出所有邻居车辆的ID编号和对应的GPS位置向量。由于本方法用于将预警消息向后续车辆快速分发的场景，因此选择位于发射车辆后方的邻居车辆建立候选中继集合S＝{V₁,V₂,...,V_n}。发射车辆V通过d_i＝|X-X_i|计算到各候选中继V_i的距离,其中X和X_i分别表示当前发射车辆V和其候选中继V_i的GPS位置向量。

优选的，所述方法步骤（2）中发射车辆按照计算出来的最低发射功率w_i广播消息可以保证其对应的候选中继V_i以不低于P_th的概率成功接收。计算w_i时充分考虑了无线信号在源节点和邻居车辆之间传输的信号强度衰减因素和车辆之间相对高速运动引起的信号波动效应。无线信号传输空间衰减采用Rayleigh模型，如果发射车辆以w_i功率发射消息，与其相距d_i的候选中继V_i接受到的信号强度期望大小为

其中G_trs和G_rev分别表示发射和接收天线的增益，λ_c表示无线传输采用波段对应的波长。

优选的，所述方法步骤（2）中由于车辆高速相对运动造成候选中继V_i接受到的信号强度在一定范围波动，并服从密度函数为

的概率分布。无线传输中当接受天线接受到的信号强度高于其灵敏度w_min时，即认为传输成功，因此为了使候选中继V_i以P_th的概率成功接收发射车辆的信息，只需要满足候选中继V_i接受到的信号强度w_i大于接收灵敏度w_min的概率大于等于P_th即可。

优选的，所述方法步骤（3）中MAC层引发的数据传输延迟T_res,i的计算基于车辆网中802.11p MAC协议。传输延迟主要由消息在MAC发生信号碰撞的概率和消息重传次数决定。

优选的，所述方法步骤（4）中候选中继车辆的优先级p_i综合了传输可靠性和实时性两种因素，通过引入α和β两个调和因子调节上述两种因素的比重，其中α+β=1，0≤α，β≤1。

优选的，所述方法步骤（4）中方法步骤（6）中只有被选为中继的车辆有权利继续寻找下一跳传输的新中继，其余车辆接收到来自源节点的消息不再进行转发。

本发明利用车联网中周围车辆的实时运动状态信息和位置信息（Beacons）,发射车辆（源节点）动态维护候选中继集合。采用无线信号空间传输衰减模型计算为使候选中继成功接收消息所需的最低发射功率，并分析对应功率下MAC层引发的数据传输延迟。综合数据传输的可靠性和实时性两项指标选择最优中继车辆大范围分发预警消息，达到提高交通安全的目的。该方法具体可以按照如下步骤进行：

步骤一：车联网中移动车辆周期性的向周围的车辆广播Beacons消息，车辆V从接受到Beacons消息中解析出所有邻居车辆的ID编号和对应的GPS位置向量。基于预警消息向后续车辆快速分发的场景，故选择位于发射车辆V后方的邻居车辆建立有效的候选中继集合S＝{V₁,V₂,...,V_n}；

步骤二：发射车辆V通过d_i＝|X-X_i|计算到各候选中继V_i的距离,其中X和X_i分别表示当前发射车辆V和其候选中继V_i的GPS位置向量；

步骤三：按照无线信号传输空间衰减的Rayleigh模型，假设发射车辆以w_i功率发射消息，与其相距d_i的候选中继V_i接受到的信号强度期望大小则为

其中G_trs和G_rev分别表示发射和接收天线的增益，λ_c表示无线传输采用波段对应的波长；

步骤四：由于车辆高速相对运动造成候选中继V_i接受到的信号强度在一定范围波动，并服从密度函数为

的概率分布。无线传输中当接受天线接受到的信号强度高于其灵敏度w_min时，即认为传输成功，因此，候选中继V_i成功接收到无线传输的概率可以表示为：

$P\{w_i>w_{\min }|l=d_i\}$

$=1-P\{w_i\≤w_{\min }|l=d_i\}$

$=1-{\∫}_0^{w_{\min }}\frac{1}{E\left(w_i\right)}\exp (-\frac{w_i}{E\left(w_i\right)})d\left(w_i\right).$

$=\exp [-\frac{w_{\min }}{E\left(w_i\right)}]$

为了使候选中继V_i以P_th的概率成功接收发射车辆的信息，只需要满足候选中继V_i接受到的信号强度w_i大于接收灵敏度w_min的概率大于等于P_th即可：

因此，使候选中继V_i以P_th的概率成功接收发射车辆信息所需的最低发射功率为

步骤五：基于802.11p协议，针对每一个候选中继V_i，计算当发射车辆以对应所需的最低发射功率w_i工作时引发的MAC层数据传输延迟T_res,i。T_res,i具体由MAC层数据包碰撞、消息重传两方面因素决定。具体的计算步骤包括如下三个过程：

i）确定MAC层数据传输的竞争者数目N_c＝n(1+Δ)τ+1；

当发射车辆V向周围邻居广播消息时，MAC层的竞争者包括V已经知道的候选中继集合中的车辆和隐性终端两部分。其中候选中继集合S＝{V₁,V₂,...,V_n}大小为n是确定，但是由于发射车辆的发射功率w_i对于不同的候选中继V_i是动态可变的，所以隐性终端的数目也是变化的。本方法引入一个动态干扰因子Δ＝d_i/d_max表示这一变化，其中d_max表示发射车辆V与候选中继节点之间最大距离，τ是一个介于0和1之间的实数，表示每个车辆有消息要发的概率。

ii）计算消息碰撞概率P_col和期望重传次数E(N)；

当MAC层竞争者数目为n(1+Δ)τ+1时，车辆V发送消息发生碰撞的概率P_col表示为：

$P_{\mathrm{col}}=\frac{2W_{\min }\·[n(1+\mathrm{\Δ})\mathrm{\τ}+1]}{{(W_{\min }+1)}^2+2W_{\min }\·[n(1+\mathrm{\Δ})\mathrm{\τ}+1]};$

其中W_min表示最小的MAC竞争窗口大小，本方法采用32。如果用l_re表示802.11p中允许的最大重传次数，则消息发生重传的期望值E(N)表示如下：

$E\left(N\right)=\underset{N=1}{\overset{l_{\mathrm{re}}}{\mathrm{\Σ}}}N{P}_{\mathrm{col}}^{N-1}(1-P_{\mathrm{col}}).$

iii）计算由于数据碰撞和重传引发的MAC层数据传输延迟T_res,i。

由于802.11P协议中采用窗口指数式增长的回避机制，在竞争窗口达到最大值之前，每当MAC层发生消息碰撞，下次的竞争窗口大小将会翻倍。因此由于数据碰撞和重传引发的MAC层数据传输延迟T_res,i可以表示为：

$T_{\mathrm{res},i}=\left\{\begin{array}{ccc}(2^{E\left(N\right)}-1)\·W_{\min }\·\mathrm{\η}& \mathrm{if}& E\left(N\right)\≤m\\ [(2^m-1)+2^m\·(E\left(N\right)-m)]\·W_{\min }\·\mathrm{\η}& \mathrm{else}& E\left(N\right)>m\end{array}\right.;$

其中η表示单位回避窗口的时隙长度，m表示竞争窗口的最大值。

步骤六：综合消息传输的可靠性和MAC层引发的数据传输延迟T_res两项指标，为每个候选中继V_i计算被选为最优中继的优先级p_i：

p_i＝α·P_Th+β·D_i,α,β∈[0,1],α+β＝1；

其中P_Th表示无线信号能够被候选中继V_i成功接收的概率阈值，可以根据对传输可靠性的需求调整大小。D_i表示选择V_i作为最优中继时的传输延迟因子，T_max表示车联网系统中允许的最大单挑传输延迟，D_i的计算方式如下：

$D_i=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{if}{T}_{\mathrm{trs},i}>T_{\max }\\ 1-\frac{T_{\mathrm{trs},i}}{T_{\max }}& \mathrm{else}\end{array}\right..$

步骤七：发射车辆V从候选中继集合S中选择对应优先级p_i最高的车辆V_r作为当前消息传输的中继节点，并将其发射功率调整到w_r向V_r广播消息。

步骤八：被选为最优中继的车辆V_r接收到来自发射车辆的广播消息以后重复步骤（1）-（7），V_r基于其邻居集合继续寻找新的下一跳最优中继，直到被传输消息到达了目的区域停止传输。对于没有被选为最优中继的车辆，当接收到来自发射车辆的广播信息时，不做转发。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

本发明技术方案消息传输可靠性高：由于在选择最优中继时，针对不同的候选节点V_i，发射车辆（源节点）根据无线信号空间传输衰减模型计算被候选节点可靠接收所需的最低发射功率w_i。在最优中继选定后，源节点将发射功率调整到对应的最低发射功率w_i广播消息。

本发明技术方案的消息传输实时性强：调整发射功率可以保证消息被可靠接收，本方法同时结合IEEE 802.11p协议评估了因传输半径增大带来的MAC层传输延迟。本最优中继的选择过程中取得了车联网中消息多跳长距离传输可靠性和实时性的统一。

本发明技术方案简单高效，实用性强：本方法中继选择不需要全局路由信息，只有源节点或者被选为最优中继的车辆根据自己的局部信息有效的执行中继选择算法，简单高效，在车联网的长距离数据传输过程中具有明显的实用价值。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明车联网中基于功率控制技术的最优中继选择方法的流程图；

图2为本发明中候选中继集合规模等于3的原理示意图；

图3为本发明实施例仿真实验的消息传输可靠性效果。

图4为本发明实施例仿真实验的消息传输实时性效果。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例

本实施例的场景为高速路交通模型下多个车辆相继朝同一方向行驶。每辆车周期性的向周围邻居节点广播Beacons消息，其中主要包括各自最新的速度v,加速度a,运动方向以及GPS（Global Positioning System，全球定位系统）位置向量等信息。当其中某一车辆触发了（或接收到）紧急消息时，需要向后续车辆及时地大范围传播达到提前预警的目的。为了在车联网中可靠实时地长距离传输紧急消息，本实施例给出了一种基于车辆功率控制技术的最优中继选择方法，为了便于理解和阐述，本实施例中考虑如图2所示的简单场景，某时刻车辆V要传输紧急消息，需要从其邻居V₁,V₂,V₃中选择一个最优中继。

具体的预测方法过程如下：

步骤一：移动车辆周期性的向周围的车辆广播Beacons消息，车辆V从接受到Beacons消息中解析出所有邻居车辆的ID编号和对应的GPS位置向量。选择位于发射车辆V后方的邻居车辆建立有效的候选中继集合S＝{V₁,V₂,V₃}；

步骤二：发射车辆V通过d_i＝|X-X_i|计算到各候选中继V_i的距离d₁,d₂,d₃,其中X和X_i分别表示当前发射车辆V和其候选中继V_i的GPS位置向量；

步骤三：按照无线信号传输空间衰减的Rayleigh模型，并考虑由于车辆高速相对运动造成候选中继V_i接受到的信号强度波动影响，针对候选中继V₁,V₂,V₃，分别计算为了使它们可靠接收到发射车辆V的无线信号，V所需要对应的最低发射功率w₁,w₂,w₃。具体的计算方法按照如下公式进行：

$w_i=\frac{-16{\mathrm{\π}}^2{d_i}^2{w}_{\min }}{G_{\mathrm{trs}}{G}_{\mathrm{rev}}{\mathrm{\λ}}_c^2\ln P_{\mathrm{Th}}}$

${\mathrm{\λ}}_c=\frac{c}{f}$

其中d_i表示发射车辆V到候选中继的距离，w_min表示无线信号被成功接受所需的灵敏度，G_trs和G_rev分别表示发射和接收天线的增益，λ_c表示无线传输采用波段对应的波长。上述参数的含义和采用的具体值如下表1所示：

表一.最低发射功率计算所用参数列表

步骤五：基于国际电工电子工程学会IEEE 802.11p协议，针对候选中继V₁,V₂,V₃，计算当发射车辆以对应所需的最低发射功率w_i工作时引发的MAC层数据传输延迟T_res,i。T_res,i的具体计算步骤包括如下三个过程：

i）确定数据传输时MAC层（Media Access Control，媒体介入控制层）的竞争者数目N_c＝n(1+Δ)τ+1。

当发射车辆V向周围邻居广播消息时，MAC层的竞争者包括V已经知道的候选中继集合中的车辆和隐性终端两部分。其中候选中继集合S＝{V₁,V₂,V₃}大小为3是确定的，但是隐性终端的数目随发射车辆V的发射功率w_i变化而动态可变。此处通过引入一个动态干扰因子Δ＝d_id_max反映这一变化过程，其中d_max表示d₁,d₂,d₃中的最大值，τ是一个介于0和1之间的实数，表示每个车辆有消息要传输的概率。

ii）计算消息碰撞概率P_col和期望重传次数E(N)

当MAC层竞争者数目为3·(1+Δ)τ+1时，车辆V发送消息发生碰撞的概率P_col表示为：

$P_{\mathrm{col}}=\frac{2W_{\min }\·[3\·(1+\mathrm{\Δ})\mathrm{\τ}+1]}{{(W_{\min }+1)}^2+2W_{\min }\·[3\·(1+\mathrm{\Δ})\mathrm{\τ}+1]};$

其中W_min表示最小的MAC竞争窗口大小，本实施例中采用32。l_re表示802.11p中允许的最大重传次数，消息发生重传的期望值E(N)表示为：

$E\left(N\right)=\underset{N=1}{\overset{l_{\mathrm{re}}}{\mathrm{\Σ}}}N{P}_{\mathrm{col}}^{N-1}(1-P_{\mathrm{col}}).$

iii）计算由于数据碰撞和重传引发的MAC层数据传输延迟T_res,i

由于802.11P协议中采用窗口指数式增长的回避机制，因此数据碰撞和重传引发的MAC层数据传输延迟T_res,i可以表示为：

$T_{\mathrm{res},i}=\left\{\begin{array}{ccc}(2^{E\left(N\right)}-1)\·W_{\min }\·\mathrm{\η}& \mathrm{if}& E\left(N\right)\≤m\\ [(2^m-1)+2^m\·(E\left(N\right)-m)]\·W_{\min }\·\mathrm{\η}& \mathrm{else}& E\left(N\right)>m\end{array}\right.;$

其中η表示单位回避窗口的时隙长度，大小为20μs，m表示竞争窗口的最大值，大小为1024。

步骤六：综合消息传输的可靠性和MAC层引发的数据传输延迟T_res两项指标，为候选中继V₁,V₂,V₃分别计算被选为最优中继的优先级p₁,p₂,p₃,，其中p_i的计算方法如下：

p_i＝α·P_Th+β·D_i,α,β∈[0,1],α+β＝1；

$D_i=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{if}{T}_{\mathrm{trs},i}>T_{\max }\\ 1-\frac{T_{\mathrm{trs},i}}{T_{\max }}& \mathrm{else}\end{array}\right.;$

其中P_Th无线信号能够被候选中继V_i成功接收的概率阈值，本测试例中采用0.96。D_i表示选择V_i作为最优中继时的传输延迟因子，T_max表示车联网系统中允许的最大单挑传输延迟，此处采用100ms。

步骤七：发射车辆V从候选中继V₁,V₂,V₃中选择对应优先级p_i最高的车辆V_i作为当前消息传输的中继节点，并将其发射功率调整到w_i向V_i广播消息。

步骤八：被选为最优中继的车辆V_i接收到来自发射车辆V的广播消息以后重复步骤（1）-（7），基于其邻居集合继续寻找新的下一跳最优中继，直到被传输消息到达了目的区域停止传输。对于没有被选为最优中继的车辆，当接收到来自发射车辆的广播信息时，不做转发。

为验证本发明在车联网的消息长距离传输过程中的可靠性和实时性，本发明使用NS-2网络仿真器与传统的Flooding、slotted 1-persistence(S1P)路由协议进行性能对比实验。首先使用VanetMobiSim模拟工具构造一个1000X300矩形区域的单向4车道高速路场景，并通过改变车辆的数目生成不同交通负载的trace文件，然后将trace文件导入到NS-2网络模拟器，并在NS-2中实现本发明的最优中继选择方法（RSPC）和传统的Flooding、slotted 1-persistence(S1P)路由协议。最后通过统计相同实验配置下三种方法的消息传输成功率和延迟分析本发明的性能。仿真实验中用到的参数如表2所示：

表二.仿真实验参数列表

实验结果如图3和4所示，实验结果表明，本发明基于车辆功率控制技术的最优中继选择方法可以实现车联网中可靠实时的长距离消息传输。由于其实现了消息传输的可靠性和实时性的统一，且简单高效，对于保证车联网中紧急消息的及时可靠传输具有重大现实意义。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种车联网中基于发射功率控制技术的最优中继选择方法，所述车联网中每一个移动车辆均具备无线发射和接受信息的能力，其特征在于所述方法包括以下步骤：

（1）移动车辆获取所有邻居车辆当前的GPS位置向量信息，计算与所有邻居车辆的相对距离；

（2）基于物理信道衰减模型，分别计算向每个邻居车辆可靠传输对应所需的发射功率；

（3）根据IEEE 802.11p协议，计算每一个候选中继车辆在每种发射功率下引发的MAC层传输延迟；

（4）综合数据传输的可靠性和延迟两项指标，计算每个候选中继车辆被选为中继的优先级，并选择其中优先级最高的邻居作为最优当前信息传输的中继。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法具体按照如下步骤进行：

1）移动车辆解析来自邻居车辆的Beacons消息，获取周围环境中所有邻居车辆节点编号和GPS位置向量，动态维护候选中继车辆集合S＝{V₁,V₂,...,V_n}，并结合自身的GPS位置坐标，分别计算出到所有邻居车辆V_i的距离d_i；

2）根据无线传输信号衰减模型，分别计算消息被所有候选中继车辆V_i以P_th的概率成功接收所需要的发射功率w_i；其中P_th表示无线信号能够被候选中继V_i成功接收的概率阈值；

3）针对每一个候选中继车辆V_i，基于IEEE 802.11p协议计算发射车辆以对应发射功率w_i工作时引发的MAC层传输延迟T_res,i；

4）根据消息传输的可靠性和MAC层传输延迟T_res，为每个候选中继车辆计算被选为中继的优先级p_i；

5）从候选中继车辆集合S中选择对应优先级p_i最高的车辆V_r作为下一跳消息传输的最优中继节点；然后作为中继节点的当前车辆将发射功率调整到对应发射功率w_r向车辆V_r广播消息；

6）车辆V_r接收到消息以后，重复步骤1）-5）继续基于它的邻居集合寻找新的下一跳新中继，直到被传输消息到达了目的区域停止传输；

其中i为大于等于1，小于等于n的自然数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述方法步骤5）中对应优先级p_i最高的车辆V_r作为下一跳消息传输的最优中继节点被选定后，其他没有被选为最优中继的车辆，当接收到来自当前车辆的信息时，直接忽略不做转发。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述方法步骤2）中根据对传输可靠性的需求调整无线信号能够被候选中继V_i成功接收的概率阈值P_th。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述方法步骤2）中发射功率w_i按照如下步骤计算：

i）采用无线信号传输空间衰减Rayleigh模型，计算与发射车辆相距d_i的候选中继V_i接受到的信号强度期望E(w_i)；如果源节点以w_i功率发射消息，对应的候选中继车辆V_i收到的信号强度期望为

其中G_trs和G_rev分别表示无线发射和接收天线增益，λ_c表示无线信号的波长；

ii）根据车辆之间相对高速运动引起的信号波动效应计算使候选中继V_i以P_th的概率成功接收发射车辆的信息所需的最低发射功率w_i；其中车辆之间的高速相对运动引起V_i接收到的信号强度波动并服从密度函数为 $f\left(w_i\right)=\frac{1}{E\left(w_i\right)}\exp (-\frac{w_i}{E\left(w_i\right)})$ 的概率分布。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述方法步骤3）中MAC层传输延迟T_res,i的计算由消息在MAC发生信号碰撞的概率和消息重传决定。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述方法步骤4）中被选为中继车辆V_r的优先级p_r综合了传输可靠性和实时性两种因素，通过引入α和β两个调和因子调节上述两种因素的比重，其中α+β=1，0≤α，β≤1。

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