CN103491186A

CN103491186A - 一种基于动态时槽的车联网协助下载方法

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Publication number: CN103491186A
Application number: CN201310457743.7A
Authority: CN
Inventors: 刘建航; 葛雨明; 顾朝志; 李世宝; 崔学荣; 舒若
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2014-01-01

Abstract

本发明的目的是为了能够克服车联网协助下载过程中传输冲突率过高所导致的数据下载量低的问题，提出了一种基于动态时槽的车联网协助下载方法。其方法是根据高速公路环境下车速变化率较低，车辆或是对向行驶，或是同向行驶的特点。提出车载用户在AP通信区内通过Wi-Fi方式接入互联网下载数据，在AP通信区以外，AP根据目标车行驶速度等因素选取一组能够在盲区的不同时间和地点与目标车相遇的协助车携带目标车所需数据，在与其相遇过程中转发给目标车，从而有效的减少传输冲突率，提高用户下载的数据量。

Description

一种基于动态时槽的车联网协助下载方法

技术领域

本发明涉及车联网通信技术领域，适用于高速公路环境中，行驶的车辆通过路边基础设施和周边其他行驶车辆接入网络下载数据的一种方法。

背景技术

随着信息技术和互联网的发展，网络终端开始由桌面电脑泛化为移动设备、手持设备甚至普通物体。随时随地的互联网接入成为新的网络发展趋势，同时也在影响着各个传统行业。在汽车和交通领域，车辆的信息化和网络化也逐渐成为产业界和学术界的研究热点。

在城市环境下，3G网络覆盖范围广，技术成熟，理论上可以为低速移动用户提供理论上几兆，甚至十几兆的网络接入速度。然而在高速公路环境下，3G基站分布稀疏（城区间隔约400m，高速公路间隔约2.5km），为高速移动节点提供的服务质量较差，这成为了影响用户体验的重要因素之一。随着近些年Wi-Fi节点的大规模部署，Wi-Fi接入的高带宽，低成本的优点使得研究者更多的考虑使用IEEE 802.11标准将汽车联入路边基础设施，从而实现与互联网的信息交互。然而，Wi-Fi接入方式存在接入点覆盖范围有限、接入点分布不均匀的问题。尤其在AP分布稀疏的高速公路环境下（其接入点一般被设置在相距十多公里远的加油站或者服务区），AP覆盖率不到10%，因此在该环境中通过Wi-Fi接入所获取的数据量非常低，其由间歇性连接所导致的延迟也是让人难以接受的。

在AP覆盖范围以外的区域（以下称盲区），通过车辆间的协助下载来延伸用户下载区域从而提高车载用户获取的数据量是解决AP覆盖率低的有效方法之一。

现有的研究成果虽然可以满足诸如网页浏览、图片和歌曲下载等小数据量的内容下载方面的要求，但仍然无法提供足够的吞吐量来满足下载数据量较大应用（如在线观看热点视频）的需求，其主要原因是现有的研究方法中，并没有根据目标车的速度和位置信息对盲区进行规划，使得协助车携带的数据或者由于频繁的通信域叠加导致较高的传输冲突率，或者限制协助车的选车条件导致协助车利用率降低。

发明内容

本发明的目的是为了能够克服车联网协助下载过程中传输冲突率过高所导致的数据下载量低的问题，提出了一种基于动态时槽的车联网协助下载方法。

本发明一种基于动态时槽的车联网协助下载方法，是根据高速公路环境下车速变化率较低，车辆或是对向行驶，或是同向行驶的特点。提出车载用户在AP通信区内通过Wi-Fi方式接入互联网下载数据，在AP通信区以外，AP根据目标车行驶速度等因素选取一组能够在盲区的不同时间和地点与目标车相遇的协助车携带目标车所需数据，在与其相遇过程中转发给目标车，从而有效的减少传输冲突率，提高用户下载的数据量。

一种基于动态时槽的车联网协助下载方法，它包括以下步骤：

步骤A：目标车进入AP通信区后，提出下载请求，AP节点通过网络获取数据，并根据目标车速计算出目标车在其通信区内行驶的时间，将部分数据下载给目标车用户。

步骤B: 当目标车在离开AP 通信区是未能完成所有的数据下载，AP根据其通信范围内行驶车辆的车速，选取一组与目标车同向行驶的车辆作为协助车携带目标车所需数据，在盲区中的不同时间和地点将数据传递给用户。

步骤C: AP通过网络告知目标车驶向的下个AP节点提供下载服务。

步骤D: 下一个AP根据已知的目标车车速和其通信范围内的注册的车辆选取一组与目标车对向行驶的车辆作为协助车携带目标车所需数据，在盲区中的不同时间和地点将数据传递给用户。

步骤E: 通过上述步骤B和步骤D对盲区时空资源的动态规划，目标车将在盲区中的不同时间和地点与各个协助车相遇，当目标车进入协助车通信范围内，在不与其他通信过程发生冲突的前提下，协助车将所携带的数据传递给目标车。

步骤F: 当目标车进入下一个AP通信区时，仍未完成下载，重复步骤A~步骤F，直到目标车完成下载。

进一步地所述，步骤B选取的原则是所选取的协助车在与目标车相遇并转发数据过程中，不会与其他协助下载过程发生冲突。

进一步地所述，步骤D选取的原则是所选取的协助车在与目标车相遇并转发数据过程中，不会与其他协助下载过程发生冲突。

附图说明

图1为后向同向协助下载；

图2为前向同向协助下载；

图3为对向协助下载；

图4为基于动态时槽的协助下载。

具体实施方式

步骤B: 当目标车在离开AP 通信区是未能完成所有的数据下载，AP根据其通信范围内行驶车辆的车速，选取一组与目标车同向行驶的车辆作为协助车携带目标车所需数据，在盲区中的不同时间和地点将数据传递给用户；

选取的原则是所选取的协助车在与目标车相遇并转发数据过程中，不会与其他协助下载过程发生冲突。

步骤D: 下一个AP根据已知的目标车车速和其通信范围内的注册的车辆选取一组与目标车对向行驶的车辆作为协助车携带目标车所需数据，在盲区中的不同时间和地点将数据传递给用户；

下面结合附图1-4所示的多模协作通信的业务流分发系统进行详细描述，本发明的一种基于动态时槽的车联网协助下载方法。

如图1所示，根据运行方向，协助车可分为与目标车同向行驶的车辆集合{}与目标车对向行驶的车辆集合{}。当目标车离开AP通信范围区后，当前AP选择注册列表中能够在毗连的盲区中赶上目标车并完成协助下载服务的汽车作为协助车，在协助车超越目标车过程中完成下载。这种同向协助下载过程称为后向同向协助下载（B-SDCD，Backward-Same Direction Cooperative Downloading）。

如图2所示，同向协助下载过程的另一种情况是当目标车在进入AP通信区之前，AP已经收到目标车的下载请求，则AP可以选取一组车速慢于目标车的车辆作为协助车提前下载目标车所需数据。当目标车离开AP通信区后，在赶超协助车的过程中获取所需数据，这种同向协助下载过程称为前向同向协助下载（F-SDCD，Forward-Same Direction Cooperative Downloading）。

如图3所示，无论B-SDCD还是F-SDCD过程，都受车辆车速变化的影响。因为一旦目标车和协助车的车速发生变化，预期的相遇可能无法发生，导致协助车携带数据无法传递给目标车。相比之下，高速公路上相邻两个AP间对向行驶的车辆一定会相遇，只是相遇发生地点和通信持续时间有所不同。当目标车驶向的下一个AP收到协助下载请求，在其通信范围内选取一组协助车携带目标车所需数据，在相遇时转发给目标车。这种对向车辆协助下载过程称为对向协助下载（ODCD，Opposite Direction Cooperative Downloading）。

如图4展示了使用该方法协助下载的一个实例，图中灰色区域表示AP通信区，两个AP通信区之间的白色区域表示盲区（Dark Area）。黑车表示目标车，灰车表示其它车辆，其中c ₁ ~c _n表示与目标车对向行驶的车辆，b ₁ ~b _n表示与目标车同向行驶的车辆。图中b ₁ ，c ₁ ，c ₄ ，c ₈为AP选定的协助车。盲区中的灰色区域为协助下载发生的区域，AP通过网络互连。从上至下五幅图按时间发生顺序分别表示使用该方法协助下载的五个阶段。

为了使决策者能够在选择协助车之前掌握车辆运行信息，每辆车进入AP区后都要注册其ID、平均速度v _n以及进入此AP的时间t _n，v _n的值由公式

Figure 2013104577437100002DEST_PATH_IMAGE001

计算取得。

系统为每个AP维护一个所在通信范围内所有汽车的速度和注册时间信息列表List={(id ₀,v ₀,t ₀)…(id _n,v _n,t _n)}。列表中的记录随着车辆进入或是离开AP通信区而不断更新，AP之间每隔30秒相互交换自己的信息列表。如果一个AP发现其注册的车辆出现在相邻的AP的列表中，并且其注册时间比在自己的列表中的注册时间还要新，说明该汽车已经驶入另一个AP的通信范围内了，随即删除当前记录。

当目标车需要下载数据并且刚好在AP的通信范围内时（t ₀时刻），其向AP1提出下载请求，AP1接入Internet，查找资源并下载给该目标车。如果AP1根据目标车车速计算出无法在目标车离开AP通信区前完成全部数据下载，则通知AP2准备协助下载。

AP2收到协助下载请求后，计算其List列表中每一辆车与目标车的相遇时间，按与目标车相遇的时间顺序从中选取一组车辆作为协助车放入集合M=｛(id ₀, v ₀, t ₀, B ₀, E ₀, T ₀),… (id _n, v _n, t _n, B _n, E _n, T _n)｝。(id _n, v _n, t _n, B _n, E _n, T _n)分别代表车辆ID、平均速度、注册时间、与目标车通信开始时间、完成通信的时间和选车时间。根据协助车与目标车相遇时所能传输的数据量，AP将剩余的数据下载到协助车上，直至完成下载任务或目标车进入其通信区。下一个AP在选择协助车时不一定都是ODCD过程，也可能是F-SDCD过程。如果AP内有符合条件的与目标车对向行驶的车辆，则AP选择ODCD过程；否则AP可以选择一组目标车在下一个盲区中可能会追上的车辆作为协助车，即F-SDCD过程。

虽然选车行为是由与盲区相连的两个AP来决定的，但是对于盲区的管理是统一的，任何选车行为都要查看盲区的协助下载占用情况后才能进行，因此选车决策是无冲突（Collision Free）的，发生通信域叠加是由车速变化引起的。

如果知道车辆的注册时间以及速度信息，那么协助车与目标车通信的开始时间B _n和完成时间E _n可以通过公式（1）和（2）计算获得。从结果可以看出选车时间T _n与B _n、E _n无关。

(1)

Figure 2013104577437100002DEST_PATH_IMAGE003

(2)

由于车辆进入AP区，每一辆车都要注册速度等信息，AP通过速度v和时间t来确定在当前时刻T哪一辆车可以作为协助车。选择的协助车必须满足以下两个约束条件：

1) 为了最大限度的利用DA传输数据，选定的协助车在AP区内所下载的数据量应该能够满足该车和目标车相遇过程中传递的数据量，备选车辆 (v _n ,t _n) 应该满足公式（3），其中T _n为当前时间。

Figure 2013104577437100002DEST_PATH_IMAGE004

(3)

2) 为了避免传输冲突，两车在DA中与目标车通信区域不能重合。即选择的协助车与目标车相遇的时刻应该在目标车与前一个协助车通信完毕后或是通信发生之前。为了有效利用DA盲区，选车的原则是选择最先与目标车相遇且满足上述要求的车辆。对于任意已选协助车(id _f, v _f, t _f, B _f, E _f, T _f)，新的协助车(id _x, v _x, t _x, B _x, E _x, T _x)应该满足公式(4)。

(4)

在AP的列表中不应该存在这样一辆车(v _y ,t _y)，其满足公式(3)和(4)，且|v _y|>|v _x|。这就保证了所选择的协助车(v _x ,t _x)是最先遇到目标车的。根据上述的两个约束条件，在DA中目标车数据下载总量Z为

Figure 2013104577437100002DEST_PATH_IMAGE006

(5)

通过以上选车方法，在t ₁时刻，目标车离开AP1通信区后遇到第一辆同向行驶的协助车b ₁，b ₁将携带的数据转发给目标车。显然，b ₁后于目标车离开AP通信区，且车速高于目标车车速才有条件成为协助车。在t ₂时刻，目标车第一次与对向行驶的协助车c ₁相遇，c ₁将携带的数据转发给目标车。c ₁是在目标车离开AP1之后才离开的AP2通信区的车辆。由于对向行驶，无论c ₁车速快慢，都一定与目标车相遇。

通过本方案提出的方法对盲区的规划和协助车的选取，从t ₁时刻目标车离开AP1通信区，到t ₄时刻目标车进入到AP2的通信范围之前，只要目标车遇到协助车，就可以获取其所需数据。实际上，根据目标车和每辆协助车的通信时间，本发明提出的方法把位于AP1和AP2之间的盲区划分为不同大小的通信时槽，目标车在时槽中下载各协助车携带的数据，从而减少传输碰撞率，提高了数据下载量。

Claims

1.一种基于动态时槽的车联网协助下载方法，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤A：目标车进入AP通信区后，提出下载请求，AP节点通过网络获取数据，并根据目标车速计算出目标车在其通信区内行驶的时间，将部分数据下载给目标车用户;

步骤B: 当目标车在离开AP 通信区是未能完成所有的数据下载，AP根据其通信范围内行驶车辆的车速，选取一组与目标车同向行驶的车辆作为协助车携带目标车所需数据，在盲区中的不同时间和地点将数据传递给用户;

步骤C: AP通过网络告知目标车驶向的下个AP节点提供下载服务;

步骤D: 下一个AP根据已知的目标车车速和其通信范围内的注册的车辆选取一组与目标车对向行驶的车辆作为协助车携带目标车所需数据，在盲区中的不同时间和地点将数据传递给用户;

步骤E: 通过上述步骤B和步骤D对盲区时空资源的动态规划，目标车将在盲区中的不同时间和地点与各个协助车相遇，当目标车进入协助车通信范围内，在不与其他通信过程发生冲突的前提下，协助车将所携带的数据传递给目标车;

2.根据权利要求1所述的一种基于动态时槽的车联网协助下载方法，其特征在于，所述步骤B选取的原则是所选取的协助车在与目标车相遇并转发数据过程中，不会与其他协助下载过程发生冲突。

3.一种基于动态时槽的车联网协助下载方法，其特征在于，所述步骤D选取的原则是所选取的协助车在与目标车相遇并转发数据过程中，不会与其他协助下载过程发生冲突。