CN103957579B

CN103957579B - 一种车载异构网络通信的接入选择方法

Info

Publication number: CN103957579B
Application number: CN201410171878.1A
Authority: CN
Inventors: 冷甦鹏; 刘畅玥; 武润鹏; 张科
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2017-07-14
Anticipated expiration: 2034-04-25
Also published as: CN103957579A

Abstract

本发明公开了一种车载异构网络通信的接入选择方法，该方法主要包括：需求节点向周围节点发送广播请求报文，请求接入网络；周围节点根据定价方法计算帮助需求节点R进行网络接入的最终价格；需求节点R接收所有符合条件的周围节点回复的报文信息，选择其中一个周围节点进行网络接入。本发明所述方法能够根据需求节点的目的，在保证服务质量的前提下尽可能的降低节点的接入代价，提高需求节点传输的性价比，并且实现的过程简单。

Description

一种车载异构网络通信的接入选择方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种车载异构网络通信的接入选择方法的设计。

背景技术

传统的车载网络由车辆节点和网络基础设施组成。目前有几种无线通信技术可以用于创建车载网络，其中包括无线广域网(WWAN,Wireless Wide Area Network)，无线城域网(WMAN,Wireless Metro Area Network)，利用路旁接入点的无线局域网(WLAN,WirelessLocal Area Network)以及利用V2V通信的自组网络。这些技术提供了各种在成本和性能上的权衡。通过充分利用这些技术，有许多方法用来构造车辆网络。目前有几种方案可以互相替代：纯粹的无线V2V自组织网络；有线骨干网加上最后一跳为无线节点的架构；使用V2V通信但不依赖固定基础设施的混合架构。当需要时，可以合理的利用以上几种方案构造出的车辆异构网络，通过选择适当的接入网络来提高网络的数据传输率、降低接入成本，改善网络的各项性能。

为了使本发明及其背景技术更易于理解，在对本发明的背景技术进行描述时，首先做出如下定义：

1、基站(BS,Base Station)：基站是无线电台站的一种形式，是指在一定的无线电覆盖区中，通过移动通信交换中心，与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发信电台；

2、无线访问接入点(AP，Wireless Access Point)：AP相当于一个连接有线网和无线网的桥梁，其主要作用是将各个无线网络客户端连接到一起，然后将无线网络接入以太网；

3、垂直切换：指在不同接入网络中不同协议层之间的切换技术，如在一个BS和一个AP间进行连接的转移；

4、接入代价：节点接入网络所需付出的价格；

5、服务质量(QoS，Quality of Service)：即网络的服务质量，也指网络的一种安全机制，用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术；

6、路旁单元(RSU，Road Side Unit)：指安装在道路两旁的基础设施，可以与车载单元进行通信，实现车辆身份识别，电子扣分等功能的装置；

在现有的车载异构网络中，车辆节点大都通过切换判决算法进行网络接入，车辆节点独自进行网络接入一般使用熟知切换技术。垂直切换过程主要有以下三个步骤：

1)接入网络发现阶段；

2)切换判决阶段；

3)切换执行阶段；

在接入网络发现阶段，车辆节点需要决定哪一个接入网络可以使用。在切换判决阶段，车辆节点需要决定应该接入哪个网络。判决条件通常包括接入代价、QoS、负载均衡等。在切换执行阶段，连接需要从现有的网络以无缝的方式重新路由到选定的新网络。在整个垂直切换过程中，接入网络发现阶段和切换判决阶段是最重要的步骤，将直接影响终端之间的通信。一个不正确的网络发现和垂直切换决定可能会降低通信的QoS，影响现有的通信，甚至会造成传输数据丢失。

目前已经存在很多垂直切换判决算法，主要分为两大类：1.一个或多个度量的阈值比较；2.采用人工智能技术来改善切换过程中的QoS。然而，这种算法在车载异构网络背景下的扩展和适应的关注还较少。

现有的针对车载异构网络中的节点接入网络的问题，车辆大都采取自主下载的方式，即车辆节点通过自己的能力探测节点所在区域的覆盖网络类型，评估网络性能，根据自己的需求选择最优的方式进行网络接入。文献K.Shafiee,A.Attar,L.C.M.Victor.Optimaldistributed vertical handoff strategies in vehicular heterogeneous networks[J].Selected Areas in Communications,2011,29(3):534-544详细地介绍了在RSU和蜂窝网络中，节点如何进行选择的过程。其接入模式如图1所示，图中的需求节点R，当它需要进行网络接入的时候，自行探测到自己在RSU的覆盖范围内，于是它便独立的利用RSU来接入Internet进行数据下载。

基于垂直切换技术的车载异构网络接入选择策略的主要缺陷在于：车辆会由于一些限制而没法获取低价的且高质量的网络接入服务。如地理位置的限制，当车辆不在RSU的覆盖范围内时，它只能通过蜂窝网络，以较高的价格获取Internet服务；又如车辆节点自身的硬件限制，当它没有配备Wifi的通信接口时，也只能通过蜂窝网络自行接入网络进行数据下载。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中车载异构网络接入选择方法中存在的问题而提供一种车载异构网络通信的接入选择方法。

本发明的技术方案是：一种车载异构网络通信的接入选择方法，具体包括：

S1、需求节点R在其有效范围内向周围节点发送广播请求报文，请求接入网络；

S2、接收到节点R发送的广播请求报文的周围节点，根据定价方法，计算帮助需求节点R进行网络接入的最终价格，并将该价格信息以及周围节点自身能够提供给节点R的条件发送至需求节点R；

S3、需求节点R接收所有符合条件的周围节点回复的报文信息，根据节点选择策略选择其中一个周围节点进行网络接入。

进一步的，所述步骤S1中需求节点R发送的广播请求报文中包括：需求节点需要下载的应用P的大小为Bt，以及下载该应用需求节点愿意支付的价格C_R，所述C_R＝Bt×M_R，其中M_R为节点R下载该应用P每比特的所花费的价格。

进一步的，所述步骤S2中周围节点接收到需求节点R的广播请求报文后，周围节点i计算自身下载该应用P所需要价D_i，若D_i≥C_R，则该周围节点i不对需求节点R的广播请求报文进行回复；若D_i<C_R，则该周围节点i向需求节点R回复请求确认报文，所述请求确认报文包括该周围节点的要价D_i、该周围节点能够提供的带宽B_i以及该周围节点距离需求节点R的跳数H_i。

更进一步的，所述周围节点i计算自身下载该应用所需要价D_i的具体过程为：

设定需求节点R及其周围节点组成集合S，所述集合S中包括N个节点，节点n作为最后加入集合S的节点，所述节点n直接下载该应用P的花费为C_n，所述C_n＝-Bt×M_n，其中M_n为节点n下载该应用P每比特的所花费的价格；

记集合S的效用函数v(S)＝C_n，表示最后加入的节点n下载应用P的成本价格；

则集合S中任一成员节点n的分配收益计算公式为：

其中，所述v(G∪{n})表示原来的集合G加上新加入的节点n之后的新集合的效用函数，[v(G∪{n})-v(G)]表示节点n加入后给原来的集合G的效用函数所带来的变化，表示集合G是“集合S除去节点n之外所形成的集合”的某个子集；

则周围节点中任一节点i帮助需求节点R进行网络接入的最终价格为D_i＝C_i+φ_i(v)，所述C_i＝Bt×M_i，其中M_i为节点i下载该应用P每比特的所花费的价格。

进一步的，所述步骤S3中，节点选择策略的具体过程为：

若需求节点R接收到k个周围节点回复的请求确认报文，则设集合V＝{V₁,V₂,…V_k}，该集合中任一节点i发送的请求确认报文中的信息为{D_i,B_i,H_i}，其中，D_i表示该节点i下载该应用P的要价，B_i表示该周围节点能够提供的带宽，H_i表示该周围节点距离需求节点R的跳数；

所述需求节点R通过集合V中节点提供的性价比来进行网络接入节点的选择，所述性价比表示节点提供的服务质量与报价的比，该性价比表示为Ratio，其具体公式为：

将上述公式转化为下面这个代价优化问题，即目标函数：

限制条件为：

Subject toα+β＝1

λ≥1；

根据上面两个公式可知，在所有向需求节点发送需求确认报文的节点中，选择一个fi最小的节点作为接入节点进行网络接入。

本发明的有益效果是：本发明一种车载异构网络通信的接入选择方法，通过对周围存在的车载网络节点进行广播请求，周围的网络节点根据定价策略向需求节点发送确认报文，最后需求节点根据自身需求选择性价比最高的网络节点进行接入；本发明所述方法能够根据需求节点的目的，在保证服务质量的前提下尽可能的降低节点的接入代价，提高需求节点传输的性价比，并且实现的过程简单。

附图说明

图1为现有技术中车辆自主进行网络下载应用的示意图；

图2为本发明实施例一种车载异构网络通信的接入选择方法的系统流程图；

图3为本发明实施例中车辆通过合作方式进行网络下载应用的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。

如图2所示为本发明一种车载异构网络通信的接入选择方法的系统流程图，具体包括：

需要说明的是，在本发明申请方案中所述需求节点是指需要进行网络接入的车辆，其周围节点指的是能够帮助该需求车辆接入网络的车辆，如图3所示为通过本发明所述方法车辆通过合作方式进行网络下载应用的示意图，其中R表示需求节点，N节点、A节点都表示能够提供帮忙的周围节点。

其中，所述步骤S1中需求节点R发送的广播请求报文中包括：需求节点需要下载的应用P的大小为Bt，以及下载该应用需求节点愿意支付的价格C_R，所述C_R＝Bt×M_R，其中M_R为节点R下载该应用P每比特的所花费的价格。

所述步骤S2中周围节点接收到需求节点R的广播请求报文后，周围节点i计算自身下载该应用P所需要价D_i，若D_i≥C_R，则该周围节点不对需求节点R的广播请求报文进行回复；若D_i<C_R，则该周围节点向需求节点R回复请求确认报文，所述请求确认报文包括该周围节点的要价D_i、该周围节点能够提供的带宽B_i以及该周围节点距离需求节点R的跳数H_i；所述周围节点i计算自身下载该应用所需要价D_i的具体过程为：

设定需求节点R及其周围节点组成集合S，所述集合S是指一个车辆接入网络可能要借助多辆其他的车完成传递，那么这个需求车辆和其他帮助他的车辆组成的集合就是S，并且集合S是一个不断扩展的集合，如果某个周围节点的加入能够给S带来好处，那么S就把那个周围节点包含进来；

所述集合S中包括N个节点，节点n作为最后加入集合S的节点，所述节点n直接下载该应用P的花费为C_n，所述C_n＝-Bt×M_n，其中M_n为节点n下载该应用P每比特的所花费的价格；

则集合S中任一成员节点n的分配收益计算公式为：

为了能够更清楚说明上述定价过程，下面将以具体实例说明周围节点是怎样完成要价C_i的过程进行具体说明：

节点B表示需要接入网络的车辆，即需求节点R，需要下载应用P的数据大小Bt_p为5000KB，而它自主下载该项应用时的单价为0.02/KB，于是B发送请求报文，包含自己的出价-100以及应用大小5000KB。此时周围节点A收到该请求报文，此时它接入Internet进行数据下载的单价为0.01/KB，即节点A下载该应用的成本为-50。此时，节点A并不需要该项应用，所以，根据效用函数，我们可以得到这两个节点形成集合所对应的效用，如下：

当这两个节点不进行合作时，其效用分别为：

v(A)＝0,v(B)＝-100

当这两个节点进行合作时，集合多对应的效用是：

v(A∪B)＝-50

接下来，计算此次数据下载中的各节点的分配收益。

对节点A而言，其分配收益应为：

对节点B而言，其对应的分配收益是：

因此，在此次数据下载的过程中，如果节点B选择A帮助进行接入，那么节点A可以从中获利25。又由于节点A本身要支付50来下载该应用，那么此次合作中，节点A向节点B所要的成交价格为50+25＝75。

在收到R节点的请求报文时，各节点依据前面所述的定价策略，确定了本次接入的价格后，将自己的价格、可提供的带宽以及距离需求节点R的跳数发送给R节点；由定价策略可知，可以发送该报文的节点制定的价格一定是不大于节点R自己接入网络进行数据下载的价格。这时，节点R需要在发送请求确认报文的节点中，选择出最符合条件的接入节点。下面，我们将详细讨论，符合什么条件的节点，才能被选中作为该次数据下载的接入节点。

在考虑接入节点的选择时，不仅需要考虑接入的价格，即各个节点的报价，同时也需要考虑节点可以提供的服务质量，所以本发明所述方法选择价格最低，且性价比最高的节点作为最终的接入节点。

下面将对所述步骤S3中的节点选择策略的过程进行具体说明：

将上述公式转化为下面这个代价优化问题，即目标函数：

限制条件为：

Subject toα+β＝1

λ≥1；

为了本领域技术人员能够理解并且实施上述选择过程，下面将以一个实例对上述选择接入节点的过程进行具体说明：假设R节点收到两个节点A和B的请求确认报文，A的报文包含自己的信息，分别是{D_A,B_A,H_A}，节点B的信息分别是{D_B,B_B,H_B}，已知节点A和B的参数大小为：D_A＝D_B,B_A＝B_B和H_A<H_B；R收到这两个信息后，将A和B的信息各自代入优化公式中，则有：

对于节点A：

对于节点B，有

又已知D_A＝D_B,B_A＝B_B和H_A<H_B，因此有

f_A<f_B

因此，在这次数据下载的接入节点选择过程中，虽然节点A和B的要价相同，但因为节点A的代价更小，即能提供的服务质量更高，节点R会选择A作为接入节点，与它合作完成数据下载的任务。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种车载异构网络通信的接入选择方法，其特征在于，具体包括：

S3、需求节点R接收所有符合条件的周围节点回复的报文信息，根据节点选择策略选择其中一个周围节点进行网络接入；

所述步骤S1中需求节点R发送的广播请求报文中包括：需求节点需要下载的应用P的大小为Bt，以及下载该应用需求节点愿意支付的价格C_R，所述C_R＝Bt×M_R，其中M_R为节点R下载该应用P每比特的所花费的价格；

所述步骤S2中周围节点接收到需求节点R的广播请求报文后，周围节点i计算自身下载该应用P所需要价D_i，若D_i≥C_R，则该周围节点i不对需求节点R的广播请求报文进行回复；若D_i＜C_R，则该周围节点i向需求节点R回复请求确认报文，所述请求确认报文包括该周围节点的要价D_i、该周围节点能够提供的带宽B_i以及该周围节点距离需求节点R的跳数H_i；

所述周围节点i计算自身下载该应用所需要价D_i的具体过程为：

则集合S中任一成员节点n的分配收益计算公式为：

φ_{n} (v) = \underset{G &SubsetEqual; S / {n}}{Σ} \frac{| G |! (N - | G | - 1)!}{N!} [v (G \cup {n}) - v (G)];

2.如权利要求1所述的一种车载异构网络通信的接入选择方法，其特征在于，所述步骤S3中，节点选择策略的具体过程为：

若需求节点R接收到k个周围节点回复的请求确认报文，则设集合V＝{V₁,V₂,...,V_k}，该集合中任一节点i发送的请求确认报文中的信息为{D_i,B_i,H_i}，其中，D_i表示该节点i下载该应用P的要价，B_i表示该周围节点能够提供的带宽，H_i表示该周围节点距离需求节点R的跳数；

R a t i o = \frac{B_{i}}{{λH}_{i} D_{i}}, (λ &GreaterEqual; 1);

将上述公式转化为下面这个代价优化问题，即目标函数：

\begin{matrix} M i n i m i z e & f_{i} = {αD}_{i} + β \frac{{λH}_{i} D_{i}}{B_{i}}; \end{matrix}

限制条件为：

\begin{matrix} α + β = 1 \\ λ &GreaterEqual; 1 \end{matrix};

根据上面两个公式可知，在所有向需求节点发送需求确认报文的节点中，选择一个f_i最小的节点作为接入节点进行网络接入。