CN103763785A - 基于距离的车联网广播信息的方法 - Google Patents

Abstract

基于距离的车联网广播信息的方法，涉及通信领域。它是为了解决车联网在车辆密集情况下的车辆与车辆之间的信息传输，很多节点参与信息的广播，造成的广播信息延迟，广播信息冗余的问题。本发明的核心思想是基于距离等因素设置一个等待时间来对信息进行转发，即在车辆密集环境下，当中继节点广播数据时，每个节点在收到广播信息后根据公式计算自己的等待时间；在此时间内，若收到相同的广播信息，则停止转发信息；否则，在等待时间到来时，立即广播该信息。本发明适用于车联网系统中的汽车之间的通信领域。

Description

基于距离的车联网广播信息的方法

技术领域

本发明涉及通信领域。

背景技术

当前，车联网（Vehicular Ad Hoc Network，VANET）是移动互联网研究领域中相当热的一个方向。车联网是针对未来智能汽车提出来的。由于在实际的道路交通环境中，汽车节点运动速度很快而且变化也很快，所以车流量变化相当大，有时候会过于密集，但是有时候又会过于稀疏。关于车辆过于稀疏情况下的信息传输的问题，我们曾经提出了最小时间算法（Minimum Time Prediction Algorithm，MTPA）和最大速度算法（Maximum Speed PredictionAlgorithm，MSPA）用于解决该问题。但是对于车辆过密的情况下的信息如何进行快速、广泛、可靠、有效的传输问题却没有做出讨论。

按照现有移动自组网的网络广播协议，如果使用传统的基站进行信息的传输，那么信息传输的实时性问题将会是个很大的问题。因为，车辆与车辆（Vehicle-to-Vehicle，V2V）通信的速度要比车辆与基站（Vehicle-to-Infrastructure，V2I）通信的速度要快得多。因此，研究车车通信之间的广播协议对于有实时性要求的信息传输是十分有意义的。

使用一个中继节点广播信息是传统网络广播协议的做法，但此时信息传输的实时性、广泛性问题是个很大的问题。因为，在道路上，一个节点传输信息的能力和范围是极其有限的，它只能使周围的节点快速地获取信息，但是距离该节点较远的节点则不会很快地获取信息，甚至有可能接收不到信息。简单泛洪协议（Simple Flooding）是移动自组网中相当经典的协议，它的做法是每个节点在接收到新的数据包后立即转发给其周围的节点。简单泛洪协议在节点比较稀疏的情况下能够取得较好的效果，但是在节点密集的情况下，由于很多节点参与信息的广播，所以信息碰撞、信息冗余、广播风暴等问题都极有可能出现。因此，已有的传统网络广播协议不能有效地解决城市车辆密集情况下的车辆与车辆之间的信息传输问题。此问题的关键在于采取某一种手段选取合适数量的节点来广播信息以减小“广播风暴”。

发明内容

本发明是为了解决车联网在车辆密集情况下的车辆与车辆之间的信息传输，很多节点参与信息的广播，造成的广播信息延迟，广播信息冗余的问题，进而提供了一种基于距离的车联网广播信息的方法。

基于距离的车联网广播信息的方法，其具体过程为：

该过程是基于车联网实现的，所述车联网中包括多个汽车节点和中继节点，中继节点是发起通信的汽车节点，当有中继节点发送数据包时，启动车联网广播过程，在所述广播过程中，每个汽车节点接收到的信息的处理过程为：

步骤一、汽车节点接收数据包；

步骤二、汽车节点判断是否已经接收过数据包，如果是则执行步骤三，如果否则执行步骤四；

步骤三、汽车节点丢弃数据包并不再广播此数据包，结束对数据包的处理；

步骤四、汽车节点判断运动方向与信息中继方向是否相同，如果是则执行步骤五，如果否则执行步骤六；

步骤五、汽车节点判断接收数据包的位置是否在车头的位置，如果是则执行步骤十，如果否则执行步骤七；

步骤六、汽车节点判断接收数据包的位置是否在车头的位置，如果是则执行步骤七，如果否则执行步骤十；

步骤七、设置并计算等待时间；

步骤八、汽车节点判断在等待时间内是否接收到相同信息的数据包，如果是则执行步骤十，如果否则执行步骤九；

步骤九、广播得到的数据包；

步骤十、汽车节点将从步骤五、步骤六、步骤八或步骤九得到的数据包进行处理，并不再广播得到的数据包，结束对数据包接收。

本发明的有益效果是：本发明能够有效地解决车联网在车辆密集情况下的车辆与车辆之间的通信广播问题，降低了广播信息的延迟，同比降低了10%至15%，减小冗余的广播信息，同比减小了15%至20%，可靠性同比提高了20%。

附图说明

图1为本发明的流程框图；

图2为NS2进行网络模拟的流程示意图；

图3为仿真过程的原理图；

图4为节点覆盖率仿真结果示意图；

图5为端到端延迟仿真结果示意图；

图6为网络抖动率仿真结果示意图；

图7为网络负载仿真结果示意图；

图8为网络冗余率仿真结果示意图；

图9为网络重复区域比率仿真结果示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于距离的车联网广播信息的方法，其具体过程为：

该过程是基于车联网实现的，所述车联网中包括多个汽车节点和中继节点，中继节点是发起通信的汽车节点，当有中继节点发送数据包时，启动车联网广播过程，在所述广播过程中，每个汽车节点接收到的信息的处理过程为：

步骤一、汽车节点接收数据包；

步骤二、汽车节点判断是否已经接收过数据包，如果是则执行步骤三，如果否则执行步骤四；

步骤三、汽车节点丢弃数据包并不再广播此数据包，结束对数据包的处理；

步骤四、汽车节点判断运动方向与信息中继方向是否相同，如果是则执行步骤五，如果否则执行步骤六；

步骤五、汽车节点判断接收数据包的位置是否在车头的位置，如果是则执行步骤十，如果否则执行步骤七；

步骤六、汽车节点判断接收数据包的位置是否在车头的位置，如果是则执行步骤七，如果否则执行步骤十；

步骤七、设置并计算等待时间；

步骤八、汽车节点判断在等待时间内是否接收到相同信息的数据包，如果是则执行步骤十，如果否则执行步骤九；

步骤九、广播得到的数据包；

步骤十、汽车节点将从步骤五、步骤六、步骤八或步骤九得到的数据包进行处理，并不再广播得到的数据包，结束对数据包接收。

具体实施方式二：本实施方式对具体实施方式一所述的基于距离的车联网广播信息的方法作进一步限定，本实施方式中，步骤七中计算等待时间的具体过程为：

根据公式计算等待时间WT为：

$\mathrm{WT}=K1*(1-\frac{D_{\mathrm{sd}}}{R})+\frac{K2}{|V_d\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{sd}}-V_s|+1}+\frac{K3}{n}---(4-1)$

$D_{\mathrm{sd}}=\sqrt{{(X_s-X_d)}^2+{(Y_s-Y_d)}^2}---(4-2)$

$\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{sd}}=\frac{{\stackrel{\→}{V}}_d\·{\stackrel{\→}{V}}_s}{\left|{\stackrel{\→}{V}}_d\right|\left|{\stackrel{\→}{V}}_s\right|}=\frac{\mathrm{\Δ}{X}_d\·\mathrm{\Δ}{X}_s+\mathrm{\Δ}{Y}_d\·\mathrm{\Δ}{Y}_s}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{X}_d^2+{\mathrm{\ΔY}}_d^2}\·\sqrt{\mathrm{\Δ}{X}_s^2+\mathrm{\Δ}{Y}_s^2}}---(4-3)$

其中，D_sd表示汽车节点与中继节点之间的距离；

X_s表示中继节点的横坐标；

X_d表示汽车节点的横坐标；

Y_s表示中继节点的纵坐标；

Y_d表示汽车节点的纵坐标；

R表示中继节点的信息发射半径；

V_d表示汽车节点的速度；

V_s表示中继节点的速度；

表示汽车节点的速度矢量；

表示中继节点的速度矢量；

N表示中继节点的邻接度；

θ_sd表示汽车节点与中继节点的速度之间的夹角，该夹角小于等于180度；

K1，K2，K3分别为三个常量。

本实施方式中，公式（4-1）中右边关于速度项的分母加1是为了防止出现分母为0而引入的。

从上面的等待时间计算公式可以看出，该公式是以汽车节点为中心的，主要考虑了汽车节点与中继节点之间的距离D_sd、节点的邻接度n、节点的速度

以及节点的运行方向θ_sd等。此外，从公式还可以得出，如果汽车节点与中继节点之间的距离D_sd越大，节点的邻接度n越大，节点的速度V_d越大且越远离中继节点，那么汽车节点的等待时间越短。

具体实施方式三：本实施方式对具体实施方式一述的基于距离的车联网广播信息的方法作进一步限定，本实施方式所述为具体实施方式一所述过程的仿真，采用NS2仿真软件。仿真过程如图2所示。由图可知，整个模拟过程主要分为三个部分：一是修改源代码，二是编写Tcl模拟脚本，三是分析结果。

此外，NS2只是网络模拟工具，要想进行一个完整的网络模拟仿真分析，还必须要有其他的一些工具。首先，必须要有原始的节点数据信息（主要是各节点初始的位置和速度），在仿真过程中这部分是由作者编写的一个Java随机程序生成的。其次，由NS2记录的网络数据必须要对其进行分析，在仿真过程中这部分是由awk程序完成的。最后，awk程序提取的数据应该用图形的形式来呈现出来以方便观察网络的实际情况，在仿真过程中这部分是由gnuplot绘图工具完成的。总结起来，仿真过程的整体流程可以用图3来呈现。

仿真结果与分析如下：仿真参数与场景设置参数表格如表1所示。

表1仿真及场景设置主要参数

仿真实验编号	1（单向直行道路）	2（双向直行道路）
			仿真的协议	DBBP+Simple Flooding	DBBP+Simple Flooding
等待时间计算常数K1	10-4	10-4
			等待时间计算常数K2	10-4	10-4
等待时间计算常数K3	10-3	10-3
			场景大小	3000m*3.5m	3000m*7.2m
汽车节点数	400	800
			汽车节点速度	8m/s	8m/s
汽车位置分布	每7m分布一个节点	每7m分布一个节点
			原中继节点位置	（5.0，1.7)	（5.0，1.7)
突发事件位置	（2.0，1.7)	（2.0，1.7)
			信道频段	5.9GHz	5.9GHz
节点无线传输距离	300m	300m
			包大小	1000B	1000B
应用层广播	PBC	PBC
			路由协议	AODV	AODV
Mac协议	802.11Ext	802.11Ext
			物理层协议	WirelessPhyExt	WirelessPhyExt
传播模型	TwoRayGround	TwoRayGround
			队列容纳最大分组数	50	50
仿真时间	20s	20s

一、仿真结果说明

1.节点覆盖率：节点覆盖率指的是在实际的仿真过程中，接收到信息包的节点个数与节点总数的比值。因此，节点覆盖率的计算公式是：

节点覆盖率=接收到信息包的节点个数/节点总数*100%  （8-1）

它可以用来衡量算法的有效性。在节点总数一定的情况下，算法的节点覆盖率越大，协议的性能越好。

2.端到端延迟：端到端延迟指的是从中继节点产生信息包的时刻到非中继节点接收信息包的时刻的时间差。因此，节点端到端延迟的计算公式是：

节点端到端延迟=节点接收信息包时刻–信息包发送时刻  （8-2）

由于中继节点是通过广播的方式发送信息包的，所以可能会有多个非中继节点接收到信息包，此时可以取所有接收到信息包的非中继节点的接收时刻的平均值作为此次端到端延迟。因此，端到端延迟的计算公式是：

端到端延迟=（Σ接收信息包时刻/接收节点个数）–信息包发送时刻  （8-3）

公式（8-2）是以节点为中心来考虑的，而公式（8-3）是以某次广播事件为中心来考虑的。从公式可知，端到端延迟包括信息包的传输时延、传播时延、排队时延和处理时延。端到端延迟也是网络性能的一个衡量标准。一般来说，端到端延迟越小，网络的性能越好，对应的协议性能越好。

3.网络抖动率：网络抖动率指的是相邻两次的网络广播端到端延迟之差。因此，网络抖动率的计算公式是：

网络抖动率=第i+1次端到端延迟–第i次端到端延迟  （8-4）

或

网络抖动率=（第i次端到端延迟–第j次端到端延迟）/（i-j）  （8-5）

网络抖动率主要是用来衡量网络的稳定性的。从网络抖动率的计算公式来看，网络抖动率可能为正，也可能为负。所以，稳定网络的抖动率应该是在0上下波动的。一般地，网络抖动率越小，网络越稳定，网络性能越好，相应的协议性能越好。

4.网络负载：网络负载指的是在一定的时间内网络中产生的数据量。在计算过程中，可以只抓住某个部分，如只计算所有节点接收的数据量。因此，网络负载的计算公式可以表示为：

网络负载=Σ节点接收信息包的数据大小/时间  （8-6）

从网络负载的计算公式可以看出，网络负载的单位可以是bit/s，Kbit/s或Mbit/s等。网络负载也是衡量网络性能的一个重要参数。一般来说，网络负载越小，网络的性能越好，相应的算法协议越好。

5.网络冗余率：网络冗余率指的是网络冗余信息量与网络总信息量的百分比。因此，网络冗余率的计算公式可以表示为：

网络冗余率=网络冗余信息量/网络总信息量*100%  （8-7）

网络冗余率可以用来衡量网络的效率。一般来说，网络冗余率越小，网络的效率越高，相应的协议性能越好。

6.网络重复区域比率：网络重复区域比率指的是所有中继节点覆盖区域的加和与实际覆盖区域之差，和实际覆盖区域的百分比。因此，网络重复区域比率的计算公式可以表示为：

网络重复区域比率=(Σ中继节点覆盖区域–实际覆盖区域)/实际覆盖区域*100%

                                             （8-8）

网络重复区域比率也可以用来衡量网络的效率。一般来说，网络重复区域比率越小，网络的效率越高，相应的协议性能越好。

二、仿真结果及其分析

1.节点覆盖率：在进行DBBP协议和简单泛洪协议仿真时，得到的节点覆盖率如下图4所示。

在时间足够长的情况下，DBBP协议和简单泛洪协议都能保证覆盖到所有的节点，即DBBP协议和简单泛洪协议的节点覆盖率是100%。

就节点覆盖率而言，DBBP协议和简单泛洪协议的性能均比较理想。

2.端到端延迟：在进行DBBP协议和简单泛洪协议仿真时，各个节点得到的端到端延迟如下图5所示。

图5的横坐标是节点的编号，纵坐标是各节点第一次收到信息包的端到端延迟。从图8.2.2可知，在相同的高节点密度场景下，DBBP协议的端到端延迟明显小于简单泛洪协议的端到端延迟。经过进一步分析，端到端延迟主要来自于信息包的传输时延和处理时延，因为正常情况下传播时延几乎为0，广播情况下的排队时延也几乎为0。此外，从图5还可以看出，节点数越多，简单泛洪协议的延迟越大，而DBBP协议的延迟越小。

3.网络抖动率：在进行DBBP协议和简单泛洪协议仿真时，得到的网络抖动率如下图6所示。

DBBP协议的网络抖动率曲线整体在0的上下波动，这表明DBBP协议是个比较稳定的协议。虽然简单泛洪协议的网络抖动率曲线整体也在0的上下波动，但是其抖动率有时较大，这表明简单泛洪协议不如DBBP协议稳定。

就网络抖动率而言，使用DBBP协议的网络比较稳定，明显优于简单泛洪协议。

4.网络负载：在进行DBBP协议和简单泛洪协议仿真时，得到的网络负载如下图7所示。

DBBP协议的网络负载曲线远远低于简单泛洪协议的网络负载曲线，这表明DBBP协议明显优于简单泛洪协议。此外，从图7还可以看出，节点越多，网络的负载越大，这和理论分析是相符的。因为节点越多，接收到信息包的节点也越多，信息量越大，所以网络的负载也越大。

就网络负载而言，采用DBBP协议的网络负载明显优于简单泛洪协议。

5.网络冗余率：在进行DBBP协议和简单泛洪协议仿真时，得到的网络冗余率如下图8所示。

DBBP协议的网络冗余率明显优于简单泛洪协议。从图中可以看出，简单泛洪协议的网络冗余率过大，因为所有的节点在接收到新消息后都会成为中继节点。

就网络冗余率而言，DBBP协议是比较理想的。

6.网络重复区域比率：在进行DBBP协议和简单泛洪协议仿真时，得到的网络重复区域比率如下图9所示。

DBBP协议的重复区域比率明显优于简单泛洪协议。从图中可以看出，简单泛洪协议的网络重复区域比率过大，这也是因为所有的节点在接收到新消息后都会成为中继节点。

就网络重复区域比率而言，采用DBBP协议的网络的重复区域比率比较小，效果比较理想。

本发明的工作原理：

如图2，本发明的核心思想是基于距离等因素设置一个等待时间来对信息进行转发，即在车辆密集环境下，当中继节点广播数据时，每个节点在收到广播信息后根据公式计算自己的等待时间；在此时间内，若收到相同的广播信息，则停止转发信息；否则，在等待时间到来时，立即广播该信息。

DBBP协议中的等待时间WT是插入到DIFS之后的。显然，这样就有效地缓解了节点之间的信道竞争。

Claims (2)

1.基于距离的车联网广播信息的方法，其特征在于，其具体过程为：

该过程是基于车联网实现的，所述车联网中包括多个汽车节点和中继节点，中继节点是发起通信的汽车节点，当有中继节点发送数据包时，启动车联网广播过程，在所述广播过程中，每个汽车节点接收到的信息的处理过程为：

步骤一、汽车节点接收数据包；

步骤二、汽车节点判断是否已经接收过数据包，如果是则执行步骤三，如果否则执行步骤四；

步骤三、汽车节点丢弃数据包并不再广播此数据包，结束对数据包的处理；

步骤四、汽车节点判断运动方向与信息中继方向是否相同，如果是则执行步骤五，如果否则执行步骤六；

步骤五、汽车节点判断接收数据包的位置是否在车头的位置，如果是则执行步骤十，如果否则执行步骤七；

步骤六、汽车节点判断接收数据包的位置是否在车头的位置，如果是则执行步骤七，如果否则执行步骤十；

步骤七、设置并计算等待时间；

步骤八、汽车节点判断在等待时间内是否接收到相同信息的数据包，如果是则执行步骤十，如果否则执行步骤九；

步骤九、广播得到的数据包；

步骤十、汽车节点将从步骤五、步骤六、步骤八或步骤九得到的数据包进行处理，并不再广播得到的数据包，结束对数据包接收。

2.根据权利要求1所述的基于距离的车联网广播信息的方法，其特征在于，步骤七中计算等待时间的具体过程为：

根据公式计算等待时间WT为：

$\mathrm{WT}=K1*(1-\frac{D_{\mathrm{sd}}}{R})+\frac{K2}{|V_d\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{sd}}-V_s|+1}+\frac{K3}{n}---(4-1)$

$D_{\mathrm{sd}}=\sqrt{{(X_s-X_d)}^2+{(Y_s-Y_d)}^2}---(4-2)$

$\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{sd}}=\frac{{\stackrel{\→}{V}}_d\·{\stackrel{\→}{V}}_s}{\left|{\stackrel{\→}{V}}_d\right|\left|{\stackrel{\→}{V}}_s\right|}=\frac{\mathrm{\Δ}{X}_d\·\mathrm{\Δ}{X}_s+\mathrm{\Δ}{Y}_d\·\mathrm{\Δ}{Y}_s}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{X}_d^2+{\mathrm{\ΔY}}_d^2}\·\sqrt{\mathrm{\Δ}{X}_s^2+\mathrm{\Δ}{Y}_s^2}}---(4-3)$

其中，D_sd表示汽车节点与中继节点之间的距离；

X_s表示中继节点的横坐标；

X_d表示汽车节点的横坐标；

Y_s表示中继节点的纵坐标；

Y_d表示汽车节点的纵坐标；

R表示中继节点的信息发射半径；

V_d表示汽车节点的速度；

V_s表示中继节点的速度；

表示汽车节点的速度矢量；

表示中继节点的速度矢量；

N表示中继节点的邻接度；

θ_sd表示汽车节点与中继节点的速度之间的夹角，该夹角小于等于180度；

K1，K2，K3分别为三个常量。

Images