CN103888847B - 基于overlay结构的车辆自组织网络视频传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于overlay结构的车辆自组织网络视频传输方法，主要解决现有技术对视频有需求的节点找不到合适视频源节点的问题。其实现步骤为：(1)根据节点的位置、节点所存储的视频以及节点对视频的需求建立一个基于内容感知的簇结构；(2)簇头构建簇内视频分布表，用以构建overlay结构；(3)簇内节点根据overlay结构查找出最佳源节点，向其发送请求信息；(4)簇头先向RSU发送视频请求信息，RSU再回复视频信息给簇头，实现簇头与RSU之间的通信。本发明能为有需求的节点找到最佳的视频源，降低传输时延，提高了视频播放质量，可用于车辆自组织网络中视频的传输。

Description

基于overlay结构的车辆自组织网络视频传输方法

技术领域：

本发明属于通信技术领域，主要涉及车辆自组织网络VANET中视频传输机制，可以用于提高VANET网络视频播放质量。

背景技术：

车辆自组织网络VANET是一种面向服务面向用户的自组织网络，通过车辆间以及车辆与路边设备之间的通信可以为用户提供各种服务，主要分为以下三种：安全型服务、便利型服务和娱乐型服务。在以上三种应用中，视频图像的传输有着不可小觑的作用。对于安全型应用，通过传输视频或者图片可以帮助更好的了解事故的具体细节；对于便利型应用，一个简单的图片或者视频就可以全面的说明当前路况信息，比繁杂的文字描述更精确更明了；而娱乐型应用本身就通过传输大量的文件音频视频等来实现的。可见，图像视频等可以提供更精确的信息。更重要的一点在于，图像视频等的容错性相对于文本信息要高很多。由于无线信道本身存在的不稳定等问题，在传输过程中出现丢包等问题是非常常见的，比如若仅仅传输通过文字来传输安全型信息，则一个数据包的丢失可能造成完全相反的含义，其所造成的后果是不可估量的。由此，在VANET中设计合理的视频传输协议尤为重要。

现有部分技术中进行视频传输时利用overlay结构，该结构用来表示节点间的逻辑结构，一般为树形结构，在该结构中节点通过与其父节点或者子节点进行信息交互完成通信，其中两个典型协议为OMHF(Overlay Multicast Based on HeterogeneousForwarding)和ALMA(Application Layer Multicast Algorithm)。OMHF协议构建的overly结构为一棵DDT(overlay data delivery tree)，该结构是一棵大根堆树，其节点权值为节点的数据包投递率。通过节点的移动性和剩余电量来衡量节点的投递率，即节点的移动性越慢、剩余电量越多则认为它的投递率越高，反之，越低。为了维护树的大根堆性质，当一个节点的投递率低于其子节点时，调整该overlay结构，将父节点变为子节点，子节点升级为父节点。ALMA协议利用节点间链路传输时延构建overlay结构，具体来讲就是当一个节点与其父节点之间的链路时延大于某一门限值时，该节点寻找另一个满足时延要求的节点将其作为自己的父节点，以此来保证传输时延不会过长。以上两个协议所构建的overlay结构在传输视频信息时，对于有视频需求的节点并不能给出最佳的视频源节点，在进行视频传输时将导致传输时延和抖动过大，投递率较低，视频播放质量不能满足用户需求。

发明内容：

本发明的目的在于针对上述已有技术中不能确定最佳视频源节点的问题，提出一种基于overlay结构的车辆自组织网络视频传输方法，以降低节点获取完整视频信息的时延，提高投递率和视频播放质量。

实现本发明目的的技术思路是：利用分簇来构建overlay结构的视频传输机制，在VANET中对节点进行分簇，簇头节点负责构建簇，并且构造overlay结构，确定最佳的视频源节点。其实现步骤包括如下：

(1)构造簇结构：

1a)节点以簇头的身份发送状态信息；

1b)收到状态信息的节点判定是否丢弃该状态信息：

1b1)收到状态信息的节点首先判定其运动方向是否与簇头节点H一致，若不一致，则直接丢弃，否则进入1b2)；

1b2)节点根据自身的位置信息与预测到的簇头节点H的位置进一步判断其与簇头节点H的位置是否大于给定的门限值S，若大于，则直接丢弃，否则进入步骤1c)，该门限值S在数值上等于相邻两个路边设备RSU的间距；

1c)判定是否回复应答帧以及转发状态信息：

如果收到状态信息的节点N1也对视频V1有需求，则定义该节点N1的类型为1，此时节点N1需要构造一个应答帧并发送给簇头节点H，再将收到的状态信息广播出去；

如果收到状态信息的节点N2仅包含视频V1但是没有加入其他簇或者对其他的视频没有需求，则定义该节点N2的类型为0，并构造应答帧发送给簇头节点H，同时将接收到的状态信息转发出去；

如果收到状态信息的节点N3包含视频V1，且已经加入簇或者对其他的视频有需求，则该节点N3将接收到的状态信息转发出去，不需要回复应答帧；

如果收到状态信息的节点N4不包含且也不需要视频信息V1，则该节点N4不需要回复应答帧，丢弃接收到的状态信息；

1d)簇头节点H收到节点N发送的应答帧后，回复确认帧给该节点N，标志节点N成功加入本簇，加入簇内的节点需要周期性发送更新信息给簇头节点；

(2)维护簇结构：

2a)新节点在加入时，其根据接收到的状态消息确定簇头节点的编号，发送应答帧给该簇头；

2b)旧节点在离开时，如果该旧节点需要加入到其他簇或者自己建立一个新簇时，则该旧节点主动离开；如果该旧节点与簇头的距离远远大于S时，则该旧节点被动离开；

(3)利用构建的簇结构进行簇内通信：

3a)簇头根据收到的应答帧构建一个簇内视频分布表，该表中包含节点编号、节点存储的视频片段编号序列、节点所需要的视频片段编号序列以及节点的类型；

3b)簇头根据视频分布表构建一个overlay结构，并发送给簇内节点，该overlay结构是一棵二叉树；

3c)有视频需求的节点N5根据overlay结构确定出其左子节点和右子节点，向其右子节点发送视频请求信息，若在时间T内节点N5仍然没有收到其右子节点回复的视频信息，再向其左子节点发送视频请求信息，若在时间T内仍然没有收到其左子节点回复的视频信息，向簇头发送请求信息；

(4)利用构建的簇结构进行簇头与路边设备RSU之间的通信：

4a)簇头根据其建立的簇内视频分布表，统计出簇内节点不包含的视频片段序列号，当到达路边设备RSU的通信范围之内时，向路边设备RSU发送请求信息；

4b)路边设备根据接收到的请求信息，向簇头回复视频信息。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1）本发明由于提出了一种新的分簇方法，并构建出基于内容感知的overlay结构，保证了节点能够找到最佳的视频源节点，降低了从发送视频请求到获取视频信息的时延并有效缓解了视频播放过程中的抖动；

2）本发明由于充分考虑到节点的移动性，提供了簇的维护方法，能够实现动态构建overlay结构，适用于高动态的VANET网络中视频的传输。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明使用的场景图；

图3是本发明构建出的overlay结构图。

具体实施方式

本发明使用的场景如图2所示。图2中假设长度为S的一段道路上部分车辆分布，节点编号为1、4、7的车辆对编号为V1的视频有需求；节点编号为2、3、5、6、8的车辆仅仅包含但是不需要视频V1，并且对其他的视频没有需求也没有加入其他簇；节点编号为9的车辆包含视频V1但是已经加入其他簇；节点编号为10的车辆不包含也不需要视频V1；节点编号为11的车辆是反向车道上行驶的车辆，RSU为路边设备，车辆可以通过RSU接入因特网下载视频，S表示相邻两个路边设备RSU的间距，并且在数值上表示簇内节点与簇头的最远距离，若某节点与簇头的距离大于S时，该节点不能加入簇内。

参照图1，本发明的具体实施步骤包括以下三部分：

一、构造簇结构

步骤1：节点以簇头的身份发送状态信息。

如果节点1想要获取编号为V1的视频，但若没有接收到其他节点发送的关于视频V1的状态信息，则以簇头的身份广播一个状态信息，该状态信息中包括节点的编号1、节点所要获取的视频编号V1、节点的位置信息(x,y)、节点的运动方向和速度。

步骤2：收到状态信息的节点判定是否丢弃该状态信息。

2a)收到状态信息的节点首先判定其运动方向是否与簇头即节点1一致，若不一致，则直接丢弃，否则进入2b)，在本实例中接收到状态信息的节点中编号为11的节点运动方向与节点1相反，直接丢弃该状态信息，其他接收到状态信息的节点4、5、9、10的节点进入步骤2b)；

2b)节点根据自身的位置信息与预测到的节点1的位置进一步判断其与节点1的位置是否大于相邻两个路边设备RSU的间距S，若大于，则直接丢弃，否则进入步骤3)，在本实例中编号为4、5、9、10的节点与节点1的距离均小于S，故进入步骤3。

步骤3：判定是否回复应答帧以及转发状态信息。

该步骤中收到状态信息的节点可以分为以下四种情况：

第一种情况：收到状态信息的节点4若对视频V1有需求，则定义该节点的类型为1，此时节点4需要构造应答帧并发送给簇头节点1，再将收到的状态信息广播出去，其应答帧中包含：节点的编号、节点所包含的视频片段的编号序列、节点的类型Ty；

第二种情况：收到状态信息的节点5若仅包含视频V1，但是没有加入其他簇或者对其他的视频没有需求，则定义节点5的类型为0，此时节点5需要构造答帧并发送给簇头节点1，再将接收到的状态信息广播出去，其应答帧中包含：节点的编号、节点所包含的视频片段的编号序列、节点的类型Ty；

第三种情况：收到状态信息的节点9包含视频V1但已经加入其他簇，则该节点9将接收到的状态信息转发出去，不需要回复应答帧；

第四种情况：收到状态信息的节点10不包含且也不需要视频信息V1，则该节点10不需要回复应答帧，丢弃接收到的状态信息；

节点7的操作步骤与节点4相同，节点2、6、3、8的操作步骤与节点5相同。

步骤4：簇头回复确认帧给申请加入簇内的节点。

节点1收到应答帧之后，向发送应答帧的节点回复一个确认帧，表示该节点成功加入簇内。

步骤5：维护簇结构。

由于车辆自组织网络中节点的快速移动以及视频信息的不断传输，使得簇结构需要不断的调整维护，为此，加入簇内的节点需要周期性的发送更新信息给簇头，簇结构的维护包括两个部分：

5a)新节点在加入时，其根据接收到的状态消息确定簇头的ID号，发送应答帧给该簇头；

5b)旧节点在离开时，有以下两种情况：

如果该旧节点需要加入到其他簇或者自己建立一个新簇时，则该旧节点主动离开，此时旧节点先向簇头发送申请离开消息，簇头再将该节点从簇内删除；

如果该旧节点与簇头的距离远远大于相邻两个路边设备RSU之间的距离S时，则该旧节点被动离开，簇头发送被动离开信息给该节点并将其从簇内删除。

二、利用构建的簇结构进行簇内通信

步骤6：簇头利用构建的簇结构创建簇内视频分布表。

簇头节点根据收到的应答帧中节点所包含的视频片段序列构建视频分布表，该表中包含节点编号、节点存储的视频片段编号序列、节点所需要的视频片段编号序列，如下表1所示，其中ID代表节点的编号，SID代表视频片段的编号，表中数值为1或者0，1表示其横坐标对应的节点包含其纵坐标对应的视频片段，0表示其横坐标对应的节点不包含其纵坐标对应的视频片段。

表1.簇内视频分布表

步骤7：簇头利用簇内视频分布表构建overlay结构。

7a)构建类似异或累加函数，其形式如下：

其中，M表示视频片段个数，向量A对应一个节点N，且包含M个值，该M个值分别对应M个视频片段，即当A[i]为0时，表示节点N不包含序列号为i的视频片段，当A[i]为1时，表示该节点包含序列号为i的视频片段，向量B对应一个节点K，且包含M个值，该M个值分别对应M个视频片段，即当B[i]为0时，表示节点K不包含序列号为i的视频片段，当B[i]为1时，表示该节点包含序列号为i的视频片段，函数f1为类似异或函数，其形式如下：

函数f1的的两个参数是值为0或1的数，当函数f1的第一个参数为0，第二个参数为1时，函数值为1，另外三种情况下函数值均为0，这样类似异或累加函数f2的含义即是，第二个向量所对应的节点能够为第一个向量所对应的节点提供的视频片段的个数，显然，类似异或累加函数的函数值越大表明第二个向量所对应的节点作为第一个向量所对应的节点的视频源节点时，视频播放质量越高；

7b)利用上述函数构建overlay结构，为每一个节点生成其左子节点和右子节点：

7b1)为簇头生成其左、右两个子节点，再采用递归的方式给新生成的左子节点生成其左、右两个子节点，直到所有类型为1的节点均加入树结构，其左、右子节点的选择步骤如下：

7b1.1)为任意一节点N生成左子节点：

7b1.1a)统计类型为1的节点集合中的节点个数，记为m；根据统计得出的类型为1的节点集合中节点的个数m，确定变量p的范围为1≤p≤m，分别计算出p=1,2...m时，类似异或累加函数f2(A,I_p)的值，其中，向量I_P对应类型为1的节点集合中的第P个节点，当I_P[i]为0时，表示该向量所对应节点不包含序列号为i的视频片段，当I_P[i]为1时，表示该向量所对应节点包含序列号为i的视频片段；

7b1.1b)从上述计算出的m个类似异或累加函数值中，选择出最大的类似异或累加函数f2(A,I_p)的值，并记录此时p的取值，则此时p值所对应的节点即为节点N的左子节点；

7b1.1c)将该节点从类型为1的节点集合中删除，避免同一节点的重复选择；

7b1.2)为任意一节点N生成右子节点：

7b1.2a)统计类型为0的节点集合中的节点个数，记为n，根据统计得出的类型为0的节点集合中节点的个数n，确定变量q的范围为1≤q≤n，分别计算出q=1,2...n时，类似异或累加函数f2(A,J_q)的值，其中，向量J_q对应类型为0的节点集合中的第q个节点，当J_q[i]为0时，表示该对应节点不包含序列号为i的视频片段，当J_q[i]为1时，表示该对应节点包含序列号为i的视频片段；

7b1.2b)从上述计算出的n个类似异或累加函数值中，选择出最大的类似异或累加函数f2(A,J_q)的值，并记录此时q的取值，则此时q值所对应的节点即为节点N的右子节点；

7b1.2c)将该节点从类型为0的节点集合中删除，避免同一节点的重复选择。

需要注意的是，对于类型为1的节点，由于其想要获取视频信息，因而必须为其确定两个子节点作为视频源节点，也就是说，对于最后一个加入树结构的类型为1的节点，必须为其从类型为0的节点中按照上述步骤选择出最佳的左、右子节点；

7b2)从上述过程所构建的树结构的根节点开始，采用递归的方式按照上述步骤7b1.2)为各新生成的右节点生成其右子节点，直到所有的节点均加入树结构，过程结束，所构造成的overlay结构如图3所示。

步骤8：簇内节点根据overlay结构找到最佳的视频源节点进行通信。

簇内通信是基于树结构的，在树结构中每个子节点都是其父节点的视频源节点，对于任意一个有视频需求的节点，其具体的通信过程如下：

8a)节点首先向其右子节点发送请求消息，该信息中包括自己的编号，所需要的视频片段编号序列，收到请求消息的视频源节点回复视频信息；

8b)若在时间T内该节点仍然没有收到其右子节点回复的视频信息节点，则向其左子节点发送请求；

8c)若该节点在时间T内仍然没有收到其左子节点回复的视频信息，则向簇头发送请求信息，若簇头包含该节点所请求的视频信息，则回复视频信息，否则，簇头记录该视频片段的序列号，执行步骤9。

三、利用构建的簇结构进行簇头与路边设备RSU之间的通信

步骤9：簇头与RSU间通信。

9a)簇头根据其建立的簇内视频分布表，根据统计出簇内节点不包含的视频片段序列号，在簇头到达路边设备RSU的通信范围之内时，向路边设备RSU发送请求信息；

9b)路边设备RSU根据接收到的请求信息，向簇头回复视频信息。

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 (7)

1.一种基于overlay结构的车辆自组织网络视频传输方法，其步骤包括如下：

(1)构造簇结构：

1a)节点以簇头节点H的身份发送状态信息，即在节点H想要获取某一视频，而没有接收到任何关于该视频的状态信息的情况下，以簇头节点H的身份构造一个状态信息并广播出去，该状态信息中包含：簇头节点H的编号、簇头节点H所需视频的编号序列、簇头节点H的位置信息(x,y)、簇头节点H的运动方向、运动速度以及当前时刻；

1b)收到状态信息的节点判定是否丢弃该状态信息：

1b1)收到状态信息的节点首先判定其运动方向是否与簇头节点H一致，若不一致，则直接丢弃，否则进入1b2)；

1b2)收到状态信息的节点根据自身的位置信息与预测到的簇头节点H的位置进一步判断其与簇头节点H的位置是否大于给定的门限值S，若大于，则直接丢弃，否则进入步骤1c)，该门限值S在数值上等于相邻两个路边设备RSU的间距；

1c)判定是否回复应答帧以及转发状态信息：

如果收到状态信息的节点N1也对视频V1有需求，则定义该节点N1的类型为1，此时节点N1需要构造一个应答帧并发送给簇头节点H，再将收到的状态信息广播出去；

如果收到状态信息的节点N2仅包含视频V1但是没有加入其他簇或者对其他的视频没有需求，则定义该节点N2的类型为0，并构造应答帧发送给簇头节点H，同时将接收到的状态信息转发出去；

如果收到状态信息的节点N3包含视频V1，且已经加入簇或者对其他的视频有需求，则该节点N3将接收到的状态信息转发出去，不需要回复应答帧；

如果收到状态信息的节点N4不包含且也不需要视频信息V1，则该节点N4不需要回复应答帧，丢弃接收到的状态信息；

1d)簇头节点H收到节点N1和N2发送的应答帧后，回复确认帧给该节点N1和N2，标志节点N1和N2成功加入本簇，加入簇内的节点需要周期性发送更新信息给簇头节点；

(2)维护簇结构：

2a)新节点在加入时，其根据接收到的状态消息确定簇头节点H的编号，发送应答帧给该簇头节点H；

2b)旧节点在离开时，如果该旧节点需要加入到其他簇或者自己建立一个新簇时，则该旧节点主动离开；如果该旧节点与簇头的距离远远大于S时，则该旧节点被动离开；

(3)利用构建的簇结构进行簇内通信：

3a)簇头节点H根据收到的应答帧构建一个簇内视频分布表，该表中包含节点编号、节点存储的视频片段编号序列、节点所需要的视频片段编号序列以及节点的类型；

3b)簇头节点H根据视频分布表构建一个overlay结构，并发送给簇内节点，该overlay结构是一棵二叉树；

3c)有视频需求的节点N5根据overlay结构确定出其左子节点和右子节点，向其右子节点发送视频请求信息，若在时间T内节点N5仍然没有收到其右子节点回复的视频信息，再向其左子节点发送视频请求信息，若在时间T内仍然没有收到其左子节点回复的视频信息，向簇头发送请求信息；有视频需求的节点N5向簇头发送请求信息后，若簇头包含该节点所请求的视频信息，则回复视频信息，否则，簇头记录该视频片段的序列号，执行步骤(4)；

(4)利用构建的簇结构进行簇头与路边设备RSU之间的通信：

4a)簇头节点H根据其建立的簇内视频分布表，统计出簇内节点不包含的视频片段序列号，当到达路边设备RSU的通信范围之内时，向路边设备RSU发送请求信息；

4b)路边设备根据接收到的请求信息，向簇头节点H回复视频信息。

2.根据权利要求1所述的基于overlay结构的车辆自组织网络视频传输方法，其中所述步骤1c)中构造的应答帧，其包括：收到状态信息的节点编号、收到状态信息的节点所包含的视频片段的编号序列及收到状态信息的节点类型Ty。

3.根据权利要求1所述的基于overlay结构的车辆自组织网络视频传输方法，其中所述步骤2b)中的旧节点主动离开，是指旧节点先向簇头节点H发送申请离开消息，簇头节点H再将该旧节点从簇内删除。

4.根据权利要求1所述的基于overlay结构的车辆自组织网络视频传输方法，其中所述步骤2b)中的旧节点被动离开，是指簇头节点H根据该旧节点发送的更新信息计算其与簇头节点H的距离是否大于相邻两个路边设备RSU的间距S，若是，簇头节点H发送被动离开信息给该旧节点并将其从簇内删除。

5.根据权利要求1所述的基于overlay结构的车辆自组织网络视频传输方法，其中所述步骤3b)中构建overlay结构，其具体过程为：

6a)构建类似异或累加函数，其形式如下：

$f2(A,B)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}f1(A\[i\],B\[i\]),$

其中，M表示视频片段个数，向量A对应一个节点N，且包含M个值，该M个值分别对应M个视频片段，即当A[i]为0时，表示节点N不包含序列号为i的视频片段，当A[i]为1时，表示该节点包含序列号为i的视频片段，向量B对应一个节点K，且包含M个值，该M个值分别对应M个视频片段，即当B[i]为0时，表示节点K不包含序列号为i的视频片段，当B[i]为1时，表示该节点包含序列号为i的视频片段，函数f1为类似异或函数，其形式如下：

$f1(i,j)=\left\{\begin{array}{cc}1& \begin{array}{cc}if& i=0,j=1\end{array}\\ 0& else\end{array}\right.,$

6b)利用上述函数构建overlay结构，为每一个节点生成其左子节点和右子节点：

6b1)为簇头节点H生成其左、右两个子节点，再采用递归的方式给新生成的左子节点生成其左、右两个子节点，直到所有类型为1的节点均加入树结构；

6b2)从该树结构的根节点开始，再采用递归的方式为各新生成的右子节点生成其右子节点，直到所有的节点均加入树结构，过程结束。

6.根据权利要求5所述的基于overlay结构的车辆自组织网络视频传输方法，其中所述步骤6b)中为节点N生成左子节点，其实现步骤如下：

7a)统计类型为1的节点集合中的节点个数，记为m；

7b)根据统计得出的类型为1的节点集合中节点的个数m，确定变量p的范围为1≤p≤m，分别计算出p＝1,2…m时，类似异或累加函数f2(A,I_p)的值，其中，向量I_P对应类型为1的节点集合中的第P个节点，当I_P[i]为0时，表示该向量所对应节点不包含序列号为i的视频片段，当I_P[i]为1时，表示该向量所对应节点包含序列号为i的视频片段；

7c)从上述计算出的m个类似异或累加函数值中，选择出最大的类似异或累加函数f2(A,I_p)的值，并记录此时p的取值，则此时p值所对应的节点即为节点N的左子节点；

7d)最后将该节点从类型为1的节点集合中删除，避免同一节点的重复选择。

7.根据权利要求5所述的基于overlay结构的车辆自组织网络视频传输方法，其中所述步骤6b)中为节点N生成右子节点，其实现步骤如下：

8a)统计类型为0的节点集合中的节点个数，记为n；

8b)根据统计得出的类型为0的节点集合中节点的个数n，确定变量q的范围为1≤q≤n，分别计算出q＝1,2…n时，类似异或累加函数f2(A,J_q)的值，其中，向量J_q对应类型为0的节点集合中的第q个节点，当J_q[i]为0时，表示该对应节点不包含序列号为i的视频片段，当J_q[i]为1时，表示该对应节点包含序列号为i的视频片段；

8c)从上述计算出的n个类似异或累加函数值中，选择出最大的类似异或累加函数f2(A,J_q)的值，并记录此时q的取值，则此时q值所对应的节点即为节点N的右子节点；

8d)最后将该节点从类型为0的节点集合中删除，避免同一节点的重复选择。