CN103874160B - 车辆自组织网络中基于三维场景的路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆自组织网络中基于三维场景的路由方法，主要解决现有车辆自组织网络路由方法在三维场景中路由性能下降的问题。其实现步骤是：1)需要发送分组的节点根据自己所处位置情况选择目的路口确定的方式并确定目的路口；2)需要转发分组的节点以目的路口为目的地转发分组，并根据计算得到的虚拟距离确定转发节点；4)判断转发节点是否为目的节点，若是，则路由过程结束，否则判断转发节点是否位于目的路口，若是，则重新进行目的路口的选择，否则，进行分组转发。本发明减小了路由的跳数和通信时延，提高了路由的整体性能，可用于车辆自组织网络VANET的三维场景中的数据传输。

Description

车辆自组织网络中基于三维场景的路由方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，主要涉及一种在三维场景下的路由方法，可用于车辆自组织网络VANET。

背景技术

车辆自组织网络VANET是一种由分布式的车辆设备，即移动节点组成的自组织网络。在VANET中，这些车辆设备之间的通信是不借助固定基础设施进行的，而是通过其它车辆设备的转发来实现的。为了提高车辆出行的安全性和便利性，它要求实现远距离车辆设备之间的通信。由于无线传输距离的有限性，一跳的传输无法满足这样的要求，需要实现多跳传输，这就涉及多跳传输的路由问题。如何设计高效的路由方法将数据成功快速地发送至目的地是VANET研究领域中的一个重要方向。

在城市快速发展的今天，由于城市中平面交叉口上的车辆堵塞问题严重，许多大中城市在交通要道和高速公路上兴建了一大批立交桥以缓解交通堵塞问题。城市立交桥的广泛使用使得城市道路网由平面变为了三维立体化，如图1所示。因为VANET中的移动节点指的是路上车辆，所以网络中的节点分布受到了道路拓扑的约束，因此城市道路网的三维立体化导致了VANET中节点分布的非平面化。由于传统的VANET路由方法的设计只是考虑了节点平面分布的情况，因此有必要分析传统的VANET路由方法应用于三维场景将遇到的问题，这里考虑的三维场景为简单三维场景即由两条或两条以上平行但具有不同高度的道路组成的场景。Q.Lin,C.L.Li,X.Wang and L.N.Zhu:A Three-dimensional ScenarioOriented Routing Protocol in Vehicular Ad Hoc Networks,IEEE VehicularTechnology Conference,2013,pp.1-5表明传统的VANET路由方法应用于简单三维场景时，由于同层传输的一跳传输范围远大于层间传输的一跳传输范围，对于给定的分组传送距离层间传输需要的跳数远大于同层传输需要的跳数即层间传输的发生将增加路由的跳数。基于上述的分析其提出了一种适用于简单三维场景的同层传输优先的TDR路由方法。这里的层间传输是指分组从一条道路一跳传送至另一条具有不同高度的道路，同层传输是指分组从一条道路一跳传送至同一条或者另一条具有相同高度的道路。但是TDR方法找到的路由的跳数并不一定是最优的。原因在于，在这样的情形之下即不同层道路上的最远邻节点与中心节点之间的距离在路段方向上的投影距离d_inter-layer大于同层道路上的最远邻节点与中心节点之间的距离在路段方向上的投影距离d_layer，分组通过不同层道路上的最远邻节点来转发能到达的最远两跳距离为d_inter-layer+R，其中R为同层传输的一跳传输范围，同时，分组通过同层道路上的最远邻节点来转发能到达的最远两跳距离为d_layer+R，明显前者要大于后者，也就是说同层传输优先的TDR方法在上述情形下并不能得到最优跳数的路由，即不能以最短的跳数实现分组在一定距离内的传送。因此TDR方法存在路由跳数多和传输时延大的问题，使得三维场景下通信链路的质量低和路由的整体性能不佳。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种车辆自组织网络中基于三维场景的路由方法，以在减少路由跳数降低传输时延的同时减少分组的丢失，提高通信链路的质量和路由的整体性能。

实现本发明目的的技术思路是：路口判决时根据交叉口处节点提供的各相邻路段单位长度上的通信时延信息以及各对应交叉口到目的节点的距离，为各相邻交叉口计算一个权值，选择其中权值最大的交叉口作为分组传输的下一个临时目的地；分组传输时以优先选择两跳传输范围大的邻节点作为转发节点的原则进行分组的传送。其具体步骤包括如下：

(1)车辆自组织网络中的每一个节点周期性地一跳广播自己的Hello分组，并根据接收到的其它节点的Hello分组信息建立或更新其邻居列表信息；

(2)需要发送分组的节点根据自身所处位置情况选择目的路口确定方式并确定目的路口：若需要发送分组的节点位于路段上，则选择路段方式，即在需要发送分组的节点所处路段的两个端口中，选择距离目的节点最近的端口为目的路口，并将该端口的标识号记录至分组的动态地址域中，执行步骤(3)；若需要发送分组的节点位于路口处，则选择路口方式确定目的路口，并执行步骤(5)；

(3)节点以分组的动态地址域中的标识号所表示的交叉口为目的地进行分组传送，并检查其邻居列表中是否存在比当前节点距离目的地更近的邻节点：

若存在比当前节点距离目的地更近的邻节点，则对存在的邻节点中的每一个节点计算其虚拟距离，选择虚拟距离最大的邻节点作为下一跳转发节点，并执行步骤(4)，

若不存在比当前节点距离目的地更近的邻节点，则当前节点采用存储转发的策略，即当靠近目的地的方向上出现一个邻节点时，转发分组至该邻节点，并执行步骤(4)；

(4)接收到分组的节点检查接收分组的目的地址域中的标识号：若接收分组的目的地址域中的标识号与自己的标识号一致，则将该接收分组提交给MAC层，路由过程结束；否则，检查接收分组的动态地址域中的标识号，若接收分组的动态地址域中的标识号与自己所位于的交叉口的标识号一致，则执行步骤(5)，否则，返回步骤(3)继续执行；

(5)节点查看自己的缓存中是否存在反映各相邻路段链路连接状况优劣的排序表：若不存在，则执行步骤(6)，若存在，则结合排序表中的内容和目的节点的位置计算所有候选交叉口的权值：

W_j＝α·τ_ji+β·D_j，

其中，W_j表示标识号为j的交叉口的权值，τ_ji表示标识号为j的交叉口与标识号为i的交叉口之间的路段单位长度上的通信时延，D_j表示标识号为j的交叉口到目的节点的距离，α和β为两个数值不同的常数，α＞0，β＞0，

在所得出的权值中选择最大者，将其对应的交叉口作为下一个临时目的路口，并将该交叉口的标识号填入分组的动态地址域，返回步骤(3)继续执行；

(6)节点建立反映各相邻路段链路连接状况优劣的排序表：

6a)节点向每个候选路口发送收集数据包，并记录发送时间戳和返回时的接收时间戳至收集数据包中；

6b)接收到收集数据包的节点计算单位通信时延τ_ji，并将通信时延τ_ji和与该τ_ji对应的路口标识号记录到参考数据包中，再将该参考数据包一跳广播至所有邻节点，τ_ji的计算公式如下：

τ_ji＝(t₁-t₂)/l_ji，

其中，t₁和t₂分别表示标识号为j的候选路口对应的收集数据包的接收时间戳和发送时间戳，l_ji表示标识号为j的候选路口和标识号为i的路口之间路段的长度，

6c)接收到参考数据包的节点提取参考数据包中的路口标识号和单位通信时延，并将两者按照单位通信时延的值由小到大排序，存储至节点的缓存中，再一跳广播该排序表至所有邻节点，返回步骤(5)。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)本发明由于在选择目的交叉口时，除考虑了一般性的距离因素外，重点考虑了路段上的车辆网络链路状况，包括连通性和时延，对数据传输的影响，使得所选传输路径既具有尽量短的传输距离，又具有稳定的网络连接性保证分组的有效快速的传输，即保证了分组的投递率和通信时延；

2)本发明由于在分组的传输过程中引入了虚拟距离来克服三维场景中同层传输距离与跨层传输距离不同引起的跳数增大问题，使得分组的传输更加贴近现实场景，更加具有可行性，保证了路由跳数，也提高了路由的整体性能。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

具体实施方式

下面结合附图1对本发明作进一步的详细描述。

步骤1：构造Hello分组并一跳广播。

1a)车辆自组织网络中的每一个节点N从自身配备的GPS接收机和电子地图中获取自身的位置信息(x,y,z)、自身所处道路的标识号S或者自身所处路口的标识号I、自身所处道路的左端口位置信息(x_L,y_L,z_L)和右端口位置信息(x_R,y_R,z_R)；

1b)节点N根据邻居列表中存储的所有邻节点的位置信息(x_i,y_i,z_i)，分别计算每一个邻节点与左端口、右端口之间的距离：

其中，d_i为第i个邻节点与左端口(x_L,y_L,z_L)之间的距离，d_i'为第i个邻节点与右端口(x_R,y_R,z_R)之间的距离，i=1,2,…m，m为邻节点总数；

1c)从m个d_i和m个d_i'中分别选出最大值L、R，即从计算得到的m个邻节点与左端口之间的距离d_i中选出最大值L，从计算得到的m个邻节点与右端口之间的距离d_i'中选出最大值R；

1d)节点N获得自身的位置信息(x,y,z)、自身所处道路的标识号S、自身所处路口的标识号I以及L值和R值之后，构造Hello分组，如表1所示，并将该Hello分组一跳广播至所有邻节点。

表1Hello分组的结构

N

(x,y,z)

S

I

L

R

其中，N为节点的标识号；

步骤2：节点更新邻居列表。

网络中每一个节点根据所有接收到的其它节点的Hello分组信息对邻居列表进行更新，结果如表2所示；

表2邻居列表的结构

…	…	…	…	…	…
…	…	…	…	…	…

其中，第i行的内容为接收到的第i个节点的Hello分组内容，i=1,2,…m，m为邻节点总数；

步骤3：需要发送分组的节点确定目的路口。

需要发送分组的节点N_S将分组的目的节点标识号D记录至分组的目的地址域中，并从自身配备的电子地图中获知自己所处路段的标识号或者所处路口的标识号、所处路段的两个端口的标识号及两个端口的位置信息，并根据获得的这些信息确定目的路口：

如果需要发送分组的节点N_S是位于路段上且该路段的标识号为S_s，则对路段S_s的两个端口I_L和I_R，按照以下公式分别计算第一端口I_L与目的节点D的距离d₁和第二端口I_R与目的节点D的距离d₂：

其中，(x_L,y_L,z_L)为第一端口I_L的位置，(x_R,y_R,z_R)为第二端口I_R的位置，(x_D,y_D,z_D)为目的节点D的位置；

将上述计算出的两个距离进行比较：如果d₁>d₂，则所述节点N_S选择端口I_R为目的路口，并将端口的标识号I_R记录至分组的动态地址域中；如果d₁<d₂，节点N_S选择端口I_L为目的路口，并将端口的标识号I_L记录至分组的动态地址域中,执行步骤4。

如果需要发送分组的节点N_S是位于路口上，则执行步骤7。

步骤4：需要转发分组的节点确定转发节点，并将分组发送至转发节点。

4a)需要转发分组的节点N_R从分组的动态地址域中获取目的路口的标示号I_D，并从自身配备的电子地图中获取标示号为I_D的路口的位置(x’,y’,z’)；

4b)需要转发分组的节点N_R分别计算自身与目的路口I_D的距离d、邻居列表中的每一个邻节点与目的路口I_D的距离：

其中，d_i为第i个邻节点与目的路口I_D的距离，(x,y,z)为需要转发分组的节点N_R的位置，i=1,2,…m，m为邻节点总数；

4c)将计算得到的m个邻节点与目的路口I_D的距离d_i分别与所述距离d比较：如果d_i>d，则将该第i个邻节点的标识号N_i添加至集合O中；

4d)对集合O中的邻节点个数进行判断：如果集合O中的邻节点个数不为0，则直接执行步骤4e)，否则，需要转发分组的节点N_R每隔时间t重新计算集合O，当重新计算得到的集合O中的邻节点个数不为0时，执行步骤4e)；

4e)需要转发分组的节点N_R根据集合O中的邻节点信息确定转发节点：

4e1)需要转发分组的节点N_R从自身配备的电子地图中获取目的路口I_D相对于该节点N_R的位置，根据位置情况计算集合O中每一个邻节点的虚拟距离：

如果获取的目的路口I_D是位于该节点N_R的左侧，则集合O中每一个邻节点的虚拟距离为该邻节点的左侧虚拟距离：

其中，d_i为集合O中第i个邻节点的左侧虚拟距离，L_i为集合O中第i个邻节点的Hello分组中第五个域内的值，i=1,2,…n，n为集合O中的邻节点总数，

如果获取的目的路口I_D是位于所述节点N_R的右侧，则集合O中每一个邻节点的虚拟距离为该邻节点的右侧虚拟距离：

其中，d_i'为集合O中第i个邻节点的右侧虚拟距离，R_i为集合O中第i个邻节点的Hello分组中第六个域内的值，i=1,2,…n；

4e2)从计算得到的n个邻节点的虚拟距离d_i或者d_i'中选出最大值，并将需要转发的分组发送至该最大值对应的邻节点，执行步骤5；

步骤5：接收到分组的节点判断自己是否为目的节点。

接收到分组的节点N_J从接收分组的目的地址域中获得目的节点的标识号D，如果目的节点的标识号D与接收到分组的节点的标识号N_J一致，即D=N_J，则接收到分组的节点N_J是目的节点，并将该接收分组提交给MAC层，路由过程结束，否则，接收到分组的节点N_J不是目的节点，执行步骤6；

步骤6：接收到分组的节点判断自己是否位于目的路口。

接收到分组的节点从接收分组的动态地址域中获取目的路口的标识号I_D，并从自身配备的电子地图中获取自己所处路口的标识号I_J，如果目的路口的标识号I_D与接收到分组的节点所处路口的标识号I_J一致，即I_D=I_J，则接收到分组的节点是位于目的路口I_D，并执行步骤7，否则，接收到分组的节点不是位于目的路口I_D，返回步骤4继续执行。

步骤7：需要确定目的路口的节点N_D从自身的缓存中获取反映各相邻路段链路连接状况优劣的排序表，判断该排序表在自身缓存中的存在情况：如果存在该排序表，则执行步骤8；否则，执行步骤9；

步骤8：需要确定目的路口的节点N_D根据自身缓存中存在的排序表确定目的路口。

8a)需要确定目的路口的节点N_D从自身配备的电子地图中，获取所有与所述节点N_D所处路口I_C直接相连的路口的标识号H_i及其位置信息(x_i’,y_i’,z_i’)，其中，i=1,2,…s，s为相邻路口总数；

8b)根据排序表中的路段单位通信时延信息和步骤8a)中获得的信息，需要确定目的路口的节点N_D计算每一个与自己所处路口I_C直接相连路口H_i的权值：

其中，W_i为第i个相邻路口H_i的权值，τ_i为所述节点N_D所处路口I_C与第i个相邻路口H_i之间路段的单位通信时延，(x_D,y_D,z_D)为目的节点D的位置坐标，α和β为两个数值不同的常数，α＞0，β＞0；

8c)从计算得到的s个相邻路口的权值中选出最小值，确定该最小值对应的相邻路口为目的路口，并将该相邻路口的标识号记录至分组的动态地址域中，返回步骤4继续执行。

步骤9：需要建立排序表的节点建立排序表。

9a)需要建立排序表的节点N_P从自身配备的电子地图中，获取所有与所述节点N_P所处路口I_P直接相连路口的标识号K_i及其位置信息(x_i”,y_i”,z_i”)，其中，i=1,2,…m’，m’为相邻路口的总数；

9b)需要建立排序表的节点N_P向每一个相邻路口K_i发送与该相邻路口K_i对应的收集数据包P_i，并记录发送时间戳t_i至该收集数据包P_i中，位于需要建立排序表的节点N_P所处路口I_P的一跳传输范围r内的节点N_S接收返回的收集数据包P_i，并记录接收时间戳t_i’至该收集数据包P_i中，该收集数据包P_i的结构如表3所示：

表3收集数据包P_i的结构

9c)接收到收集数据包P_i的节点N_S，计算与收集数据包P_i对应的路口K_i与需要建立排序表的节点N_P所处路口I_P之间路段上的单位通信时延τ_i：

其中，(x_P,y_P,z_P)为需要建立排序表的节点N_P所处路口I_P的坐标；

9d)接收到收集数据包P_i内的节点N_S，根据计算得到的相邻路口K_i与所述节点N_P所处路口I_P之间路段上的单位通信时延τ_i，构造参考数据包C_i，结果如表4，并将该参考数据包一跳广播至所有邻节点，

表4参考数据包C_i的结果

9e)在时间间隔t’内接收到n’个参考数据包的节点N_C提取每一个参考数据包中的相邻路口标识号K_i和单位通信时延τ_i，i=1,2,…n’，将两者按照单位通信时延τ_i的值由小到大排序得到排序表B，并将该排序表B存储至所述节点N_C的缓存中，再一跳广播该排序表B至所有邻节点，返回步骤8。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种车辆自组织网络中基于三维场景的路由方法，包括如下步骤：

(1)车辆自组织网络中的每一个节点周期性地一跳广播自己的Hello分组，并根据接收到的其它节点的Hello分组信息建立或更新其邻居列表信息；

(2)需要发送分组的节点根据自身所处位置情况选择目的路口确定方式并确定目的路口：若需要发送分组的节点位于路段上，则选择路段方式，即在需要发送分组的节点所处路段的两个端口中，选择距离目的节点最近的端口为目的路口，并将该端口的标识号记录至分组的动态地址域中，执行步骤(3)；若需要发送分组的节点位于路口处，则选择路口方式确定目的路口，并执行步骤(5)；

(3)节点以分组的动态地址域中的标识号所表示的交叉口为目的地进行分组传送，并检查其邻居列表中是否存在比当前节点距离目的地更近的邻节点：

若存在比当前节点距离目的地更近的邻节点，则对存在的邻节点中的每一个节点计算其虚拟距离，选择虚拟距离最大的邻节点作为下一跳转发节点，并执行步骤(4)，所述虚拟距离，是指节点通过其一个邻节点转发分组，该分组能传输的最大两跳距离，其计算公式为：

其中，d表示标识号为n的节点的虚拟距离，d_nc表示标识号为n的节点与标识号为c的节点之间的距离，d₁表示标识号为n的节点与该节点最靠近路段左端口的邻节点之间的距离，d₂表示标识号为n的节点与该节点最靠近路段右端口的邻节点之间的距离；

若不存在比当前节点距离目的地更近的邻节点，则当前节点采用存储转发的策略，即当靠近目的地的方向上出现一个邻节点时，转发分组至该邻节点，并执行步骤(4)；

(4)接收到分组的节点检查接收分组的目的地址域中的标识号：若接收分组的目的地址域中的标识号与自己的标识号一致，则将该接收分组提交给MAC层，路由过程结束；否则，检查接收分组的动态地址域中的标识号，若接收分组的动态地址域中的标识号与自己所位于的交叉口的标识号一致，则执行步骤(5)，否则，返回步骤(3)继续执行；

(5)节点查看自己的缓存中是否存在反映各相邻路段链路连接状况优劣的排序表：若不存在，则执行步骤(6)，若存在，则结合排序表中的内容和目的节点的位置计算所有候选交叉口的权值：

W_j＝α·τ_ji+β·D_j，

其中，W_j表示标识号为j的交叉口的权值，τ_ji表示标识号为j的交叉口与标识号为i的交叉口之间的路段单位长度上的通信时延，D_j表示标识号为j的交叉口到目的节点的距离，α和β为两个数值不同的常数，α>0，β>0，

在所得出的权值中选择最大者，将其对应的交叉口作为下一个临时目的路口，并将该交叉口的标识号填入分组的动态地址域，返回步骤(3)继续执行；

(6)节点建立反映各相邻路段链路连接状况优劣的排序表：

6a)节点向每个候选路口发送收集数据包，并记录发送时间戳和返回时的接收时间戳至收集数据包中；

6b)接收到收集数据包的节点计算单位通信时延τ_ji，并将通信时延τ_ji和与该τ_ji对应的路口标识号记录到参考数据包中，再将该参考数据包一跳广播至所有邻节点，τ_ji的计算公式如下：

τ_ji＝(t₁-t₂)/l_ji，

其中，t₁和t₂分别表示标识号为j的候选路口对应的收集数据包的接收时间戳和发送时间戳，l_ji表示标识号为j的候选路口和标识号为i的路口之间路段的长度，

6c)接收到参考数据包的节点提取参考数据包中的路口标识号和单位通信时延，并将两者按照单位通信时延的值由小到大排序，存储至节点的缓存中，再一跳广播该排序表至所有邻节点，返回步骤(5)。

2.根据权利要求1所述的车辆自组织网络中基于三维场景的路由方法，其中所述步骤(1)中的Hello分组信息，其包含节点标识号、GPS提供的三维坐标表示的位置、节点所处道路的标识号、节点所处交叉口的标识号、离所处路段左端口即左交叉口最近的邻节点与该Hello分组所属节点之间的距离d₁、离所处路段右端口即右交叉口最近的邻节点与该Hello分组所属节点之间的距离d₂。

3.根据权利要求1所述的车辆自组织网络中基于三维场景的路由方法，其中所述步骤(6)中的收集数据包，是指具有特定标识的，用于收集路段上通信链路时延信息的数据包，收集数据包包含候选路口的标识号、发送时间戳、接收时间戳。

4.根据权利要求1所述的车辆自组织网络中基于三维场景的路由方法，其中所述步骤(6)中的参考数据包，是指具有特定标识的，用于告知节点路段单位通信时延以建立排序表的数据包，参考数据包包含路口的标识号、与该路口标识号对应的单位通信时延。