CN104080145B - 一种基于网络编码的车联网信标广播方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于网络编码的车联网信标广播方法，该方法通过选择不同行驶方向的两个合适的信标消息进行编码。本发明的车辆节点通过采样可以估算出邻近节点信标消息的接收概率，再使用编码候选节点收集机制维护两个方向的候选节点权重表。车辆节点在转发时会从这两个权重表中分别选择一个权重最大的信标消息进行异或编码，这样选出的候选编码包是属于不同行驶方向的车辆节点，并且由此产生的编码包有很大的概率能够被解码。

Description

一种基于网络编码的车联网信标广播方法

技术领域

本发明涉及一种基于网络编码的车联网信标广播方法，属于网络通讯技术领域。

背景技术

目前，汽车持有量的不断增长，虽然方便了人们的日常出行和生活，但是与此同时交通堵塞和交通事故发生的概率也随着不断增大。早在20世纪80年代末，中国交通事故年死亡人数首次超过5万人，并且一直到2008年，中国大陆地区每年的交通事故死亡人数都高居世界第一。从1998到2009这11年中，中国的交通事故死亡人数大约为108万人，平均每小时有11.3人死于交通事故。世界卫生组织和世界银行联合报告指出，近年来每年大概有120万人死于日常的车辆碰撞事故，他们认为这一数字到2020年可能会达到240万，并且主要的增长将发生在发展中国家。如何改善道路交通安全并且缓解交通压力，是所有国家都面临的重大挑战，为了面对交通堵塞、行车安全等一系列的挑战，人们将目光放在了智能交通系统(Intelligent Transportation System，ITS)上。

智能交通系统是指在交通系统中运用一些先进的技术，优化完善交通系统的信息采集、传输、处理等过程，提高系统的运输效率，改善系统的可靠性、安全性，实现人、车和路的和谐相处。这些技术主要包括计算机技术、人工智能技术、信息处理技术、电子自动控制技术、定位技术、数据通讯技术等。

在智能交通系统(简称：ITS)中如果完全采用路边的基础设施来实现所需的功能，不仅投入的资源和产生的效益不成比例，还会造成资源极大的浪费。

为此，人们提出了车载自组织网络(Vehicular Ad hoc Networks，简称VANETs)的概念。使用VANETs可以改善道路行车安全，科研项目COMESAFETY、SAFESPOT和PReVENT-Intersafe就是期望能够通过VANETs的应用提高道路行车安全。

目前VANETs中的应用可以划分为两个主要的类别：安全应用和增值应用。可以改善道路行车安全的应用归类于安全应用，而剩下的用于提供增值服务的应用归类于增值应用。安全应用能够明显的减少道路交通事故发生的次数，研究表明，如果能够在碰撞发生的半秒钟之前向驾驶人员发出警告，百分之六十的交通事故都是可以避免的。

安全应用在三个主要的场景中可能会发挥比较大的作用：

意外交通事故：当车辆以较高的速度行驶在主干道上时，一般来说驾驶人员没有足够的时间来反应前方车辆突然的动作。在事故发生之后，往往在驾驶人员做出挽救之前，车辆间就已经发生了碰撞。使用安全应用能够在事故发生之前向驾驶人员发出警告，这样驾驶人员就拥有了足够的时间来做出响应。甚至于，有些安全应用能够在一定程度上预测出即将发生的事故，并发出预警来防止事故的发生。

交通路口：交通路口是交通事故的频发地段，因为车辆在通过交通路口时，驾驶人员要同时面对不同方向多条车流的威胁。如果安全应用能够监测路口的所有车辆，并且在预测出可能发生的碰撞时向相关车辆或所有车辆预警，这样就能极大地降低路口交通事故发生的次数。

道路拥塞：安全应用还可以向驾驶人员提供前往其目的地的最佳路径。这可以从根本上减少道路的拥塞，保持交通的畅通无阻。在此基础上，安全应用间接地为减少交通事故的数量做出了贡献。

目前，文献Yang L,Guo J,Wu Y.Piggyback cooperative repetition forreliable broadcasting of safety messages in VANETs[C]//ConsumerCommunications and Networking Conference,2009.CCNC2009.6th IEEE.IEEE,2009:1-5.提出了一种背负式的合作重传算法(Piggyback Cooperative Repetition，PCR)，该算法加大了信标数据包的长度，将需要转发的信标消息附加在车辆自身的原始信标消息后面，同时对背负的信标消息的数量和转发次数加以限制。这样就不会有额外的信标数据包加入到网络之中，从而减少了因转发信标包而引发的信道竞争和消息的碰撞，减轻了网络的负载。虽然这个算法在一定程度上增大了信标包的广播范围和接收概率，但是它却使得信标包的长度成倍的增加，换句话说，每个信标包的传输时间都成倍增加，它虽然没有直接的增加车辆节点的广播次数，但是却明显的延长了每次的广播时间，也间接的导致了信道的进一步拥塞。

目前，文献Wang Z,Hassan M.Network Coded Repetition:A Method to RecoverLost Packets in Vehicular Communications[C]//Communications(ICC),2011IEEEInternational Conference on.IEEE,2011:1-6.提出了一种网络编码重传(NetworkCoded Repetition，NCR)算法，在该算法中，每个车辆节点不再是简单的重复广播自身的原始数据包，而是在广播原始数据包之后，再将原始数据包与接收到的邻近车辆节点的数据包进行网络编码后再转发出去。网络编码采用的是简单的异或(Exclusive OR，XOR)编码，XOR经常使用符号表示，例如对于车辆节点i来说，它会先广播自身的原始数据包P_i，然后将接收到的邻近车辆节点数据包与P_i的异或编码数据包依次转发出去。虽然NCR使用网络编码技术，减少了信标消息转发的次数，能够在一定程度上提高信标消息广播接收率。但是，NCR算法仍然会使得广播次数成倍的增加，并且NCR算法转发的信标编码包的解码率不理想，会造成网络资源较大的浪费。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明目的是为了实时的掌握周围车辆的一些与安全相关的基本信息，并且能够在行驶途中避免一些交通事故的发生；正是由于安全信标的实时性要求，因此安全信标消息发送的频率需要较高，而且安全信标消息广播需要具有较高的接收率和较短的生命周期。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：本发明提出了一种基于网络编码的车联网信标广播方法(简称DNCR)，该方法通过选择不同行驶方向的两个合适的信标消息进行编码。本发明DNCR中车辆节点通过采样可以估算出邻近节点信标消息的接收概率，再使用编码候选节点收集机制维护两个方向的候选节点权重表。车辆节点在转发时会从这两个权重表中分别选择一个权重最大的信标消息进行异或编码，这样选出的候选编码包是属于不同行驶方向的车辆节点，并且由此产生的编码包有很大的概率能够被解码。

方法流程：

步骤1：建立一个双向四车道的高速公路场景，节点B、C和D都在节点A的广播范围之内，而节点C和节点D都处于对方的广播范围之外。车辆节点A分别接收到节点C和节点D广播的信标数据包P_C和P_D，然后作为转发节点对这两个数据包进行异或编码生成编码数据包并且将其发送出去。节点B、C和D都收到节点A发送的编码数据包对于节点C和D来说，他们可以使用自己的信标数据包对这个编码数据包进行解码得到对方的信标数据包。然后对于节点B来说，这个编码数据包是否有意义，取决于B是否已经接收到了节点C和D的信标包。每一次编码转发信标包，都会增加VANETs网络的负担，这种新的编码包虽然可以提高信标包的接收率以及覆盖范围，但同时也会增加消息碰撞的概率，特别是在一些车辆密度较高的路段。因此，编码转发机制在发挥作用的同时，不应该对正常的信标广播产生明显的影响，因此需要控制编码转发的比例。

步骤2：建立邻近车辆状态信息表。每辆车在接收到一个广播包之后，首先会去检查这个包是原始信标包还是编码包，如果是编码包，回去查找邻近车辆状态信息表，查看能否对这个编码包解码，如果可以，就解码获得新的信标消息，如果不能解码，则直接丢弃这个编码包。

当接收到的广播包是一个原始信标包时，会从里面取出所有的候选节点ID和信标数据，然后去查找两个权重表，看是否有发送这个信标包的节点，如果在一个权重表中找到了这个节点，则会触发编码转发机制，从另一个权重表中选择权重最大的节点的信标消息和刚接收到的信标消息进行编码，然后转发出去。接下来需要对权重表进行更新，一个是将刚刚编码转发的两个节点从权重表中删除，另一个更新是将新得到的候选节点ID插入相应的权重表中，最后再更新一下邻近车辆状态信息表。

步骤3：接收概率估计。为了估计对邻近车辆节点的信标广播的接收概率，每个车辆节点需要维护一个信标接收概率估计表，该表中的每一项就是估计一个邻近车辆节点的所需的相关数据。这些数据包括车辆节点ID、接收概率SRR、估计接收概率ERR、修正因子α、最小序列S_min、最大序列S_max、信标包总数N和更新时间T_last。

步骤4：建立编码候选节点收集机制。在VANETs中的所有车辆节点在告诉其他车辆节点自己对编码包的需求的同时，也会收集其他车辆对编码包的需求，以便于自己成为转发节点时选择合适的信标包进行编码转发。因为VANETs中车辆节点广播信标消息的频率比较高，所以编码候选节点选择机制应该尽可能少的占用网络资源，并且需要传递关键性的数据。而在每个车辆节点为了告知转发节点自己所需要的编码包类型时，并不需要将自己对所有邻近节点估计的ERR都发送给转发节点。

另外每个车辆节点还需建立并维护两个候选节点权重表same-dir和reverse-dir。权重表same-dir记录的是与本节点同向行驶的候选节点相关信息，权重表reverse-dir记录的是与本节点逆向行驶的候选节点相关信息。这两个权重表唯一不同之处在于他们保存的车辆节点相对于本节点的行驶方向是相反的。里面每条记录的信息是相同的，包含有：车辆节点ID、候选权重W、信标最近接收时间T_x以及更新时间T_last。候选权重W初始值为0。

步骤5：建立编码转发机制。VANETs中，对于每个车辆节点而言，都可以将所有的车辆大体上划分为两个行驶方向，一个是同向行驶，另一个则是逆向行驶。因此，本发明在选择候选编码包时，是基于行驶方向的，选取的是不同行驶方向的两个车辆节点的信标包。假设P₁是选取的同向行驶的一个候选节点的信标包，而P₂则是逆向行驶的一个候选节点的信标包。为了能够选出满足条件的P₁和P₂，需要借助于候选节点权重表same-dir和reverse-dir。按照候选节点权重表的更新机制，权重表same-dir和reverse-dir中权重最大的两个候选节点的原始信标消息就是满足上述条件的。

有益效果：

1、本发明的广播接收率普遍高于NCR，并且网络负载要小于NCR。

2、本发明是选择合适的候选编码包进行编码重传，而NCR是盲目的全部编码重传，并且编码次数比NCR少，编码有效性要优于NCR。

附图说明

图1为本发明节点A收到节点C和D广播的信标数据包示意图。

图2为本发明节点A转发节点C和D的信标编码包示意图。

图3为本发明车辆状态信息表更新流程图。

图4为本发明一个采样间隔内节点E接收到的信标包示意图。

图5为本发明车辆节点E接收到节点C的信标包序列示意图。

图6为本发明节点E广播带有候选节点ID的信标消息示意图。

图7为本发明候选节点示意图。

图8为本发明编码包帧格式示意图。

图9为本发明车辆节点接收到信标数据包的处理流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1和图2所示，本发明建立一个双向四车道的高速公路场景，节点B、C和D都在节点A的广播范围之内，而节点C和节点D都处于对方的广播范围之外。如图1所示，车辆节点A分别接收到节点C和节点D广播的信标数据包P_C和P_D，然后作为转发节点对这两个数据包进行异或编码生成编码数据包并且将其发送出去。如图2所示，节点B、C和D都收到节点A发送的编码数据包对于节点C和D来说，他们可以使用自己的信标数据包对这个编码数据包进行解码得到对方的信标数据包。然后对于节点B来说，这个编码数据包是否有意义，取决于B是否已经接收到了节点C和D的信标包，主要包括如下：

(1)仅有信标包P_D：因为节点B和节点D的距离较近，节点B接收到节点D的信标包P_D的概率较大，并且在还未接收到信标包P_C时，节点B就可以使用P_D从编码信标包中解码出信标包P_C。

(2)仅有信标包P_C：即使节点B与D距离较近，但是还是有可能节点B未能接收到节点D的信标包P_D，却接收到了信标包P_C，这时节点B可以通过P_C和解码获得P_D。

(3)含有信标包P_D和P_C：节点B在之前就已经接收到信标包P_C和P_D，此时从节点A接收到的编码信标包对于节点B来说完全是冗余信息，这种冗余是无法完全避免的。

(4)既没有信标包P_C也没有P_D：当节点B在接收到编码信标包之前并没有接收到节点C和D的信标包，此时节点B将无法对编码包进行解码，对于节点B来说毫无用处。

上述(3)和(4)中所描述的情况是编码转发机制带来的无效的负载，他们会降低系统的效率，应该尽可能的减少这两种情况的发生，并且尽量的消除他们对系统的影响。为了达到这一目的，需要从两个方面进行考虑：1)以什么样的频率转发这类编码包；2)应该选择哪两个信标数据包进行编码。

每一次编码转发信标包，都会增加VANETs网络的负担，这种新的编码包虽然可以提高信标包的接收率以及覆盖范围，但同时也会增加消息碰撞的概率，特别是在一些车辆密度较高的路段。因此，编码转发机制在发挥作用的同时，不应该对正常的信标广播产生明显的影响。这就需要控制编码转发的比例，例如，假设车辆节点A收到周围10个节点的信标包，它不需要将这10个信标消息全部进行编码转发，只需要选择其中最合适的几个信标消息。所以，选择什么样的信标包进行编码转发，会对编码转发的有效性产生较大的影响。

邻近车辆状态信息表

VANETs中车辆间通过周期性的广播信标消息，相互之间交换各自的状态信息，这类状态信息主要包括：车辆的唯一标识(ID)、序列号(SequenceNum)、车辆的位置(Position)、车辆的行驶方向(Direction)、车辆的加速度(Acceleration)等。VANETs中每个车辆节点都需要维护一个邻近车辆状态信息表，用来存储邻近车辆最新的状态信息，并以此为基础对一些可能发生的安全事故进行预警。邻近车辆状态信息表中每条记录主要包括：

(1)车辆ID：每个车辆节点的唯一标识；

(2)序列号(SequenceNum)：用来标记相同车辆节点发送的不同信标包；

(3)当前位置(Position)：车辆节点最新的位置信息；

(4)行驶方向(Direction)：车辆节点最新的行驶方向；

(5)加速度(Acceleration)：车辆节点的加速度；

(6)信标源码：保存最新一条信标消息的源码，用于对可能收到的编码信标包进行解码；

(7)更新时间T_last：记录最近一次更新这条记录的时间，如果这条记录在一个生命周期T_life内还未更新，则删除这条记录。

通过相互之间周期性的广播信标消息，车辆节点可以一直保存自己周围的所有邻近节点的最新的状态信息。车辆节点在接收到一个信标包后，依据车辆ID到邻近车辆状态信息表中查找是否已有该车辆节点的记录，如果没有则建立一个新的记录，填入相应信息；如果已有，则更新这条记录，并修改更新时间T_last，具体流程如图3所示。

接收概率估计

根据IEEE802.11标准，802.11标准的MAC层的帧头部包含了一个大小为两个字节的顺序控制字段，这个字段是由12比特的序号和4比特的帧编号组成。每个帧下发到MAC层后都会绑定一个12比特的序号。设计这个序号是用来检测复制帧的，它每次绑定一个帧之后都会自加一。利用这个12比特的序号，本发明就能得到一段时间内的成功接收率。

VANETs中，每个车辆节点都以一定的时间间隔周期性的广播自身的安全信标消息。本发明将这类正在广播自身信标消息的车辆节点称为源节点。假设这个广播时间间隔使用τ_xb表示，若选定τ_xb＝0.1s，则表示车辆节点每隔0.1s的时间就会广播一次自己最新的信标消息。根据信标帧的序号以及信标广播间隔τ_xb就可以抽样得到一段时间内一个车辆节点接收源节点信标广播的接收率。本发明将这类接收到原始信标广播消息的车辆节点称为源接收节点。使用τ_c表示抽样间隔，假设抽样间隔τ_c＝1s。如图4所示，在一个采样间隔τ_c中，车辆节点E接收到周围节点发送的信标包，其中节点C发送了τ_c/τ_xb＝10个信标包，源接收节点E接收到的节点C的信标广播包序列如图5所示：

通过分析节点E每个抽样间隔内接收到的源节点C的信标包序列，可以得到所接收的信标包总量N，最小信标包序列S_min和最大信标包序列S_max。由此可以得到信标包的抽样接收概率为：

S_max-S_min表示节点C在抽样间隔τ_c内应该接收到节点A的信标包总数，但是，在一些特殊的情况下，例如在抽样间隔的最后一个或多个信标包丢失的情况下，使用S_max-S_min统计出的应接收信标包总数就会小于实际数量，此时可以使用理论应接收信标包总数τ_c/τ_xb代替。

在得到某一抽样间隔i内的信标包抽样接收概率SRR_i之后，就可以使用修正因子α来计算下一个抽样间隔(i+1)内的信标包的估计接收概率ERR_i+1：

ERR_i+1＝(1-α)×ERR_i+α×SRR_i (2.2)

其中，α为修正因子(0＜α＜1)，表示由抽样间隔(i-1)内估计出的抽样间隔i的估计接收概率。修正因子α表示的是ERR对车辆节点周围环境变化的修正力度，α越大，ERR对周围环境变化的修正力度越大。

为了估计对邻近车辆节点的信标广播的接收概率，每个车辆节点需要维护一个信标接收概率估计表，该表中的每一项就是估计一个邻近车辆节点的所需的相关数据。这些数据包括车辆节点ID、接收概率SRR、估计接收概率ERR、修正因子α、最小序列S_min、最大序列S_max、信标包总数N和更新时间T_last，这些数据各自的含义如下所示：

(1)车辆节点ID：每个车辆节点的唯一标识；

(2)接收概率SRR：最近抽样间隔内对该邻近车辆节点信标广播的实际接收概率；

(3)估计接收概率ERR：使用公式(2.2)计算出来的下一抽样间隔内对该邻近车辆节点信标广播的可能接收概率；

(4)修正因子α：ERR对本节点与该邻近车辆节点间广播环境变化的修正力度；

(5)最小序列S_min：最近一个抽样间隔内接收到的该邻近车辆节点的信标包中最小的序列号；

(6)最大序列S_max：最近一个抽样间隔内接收到的该邻近车辆节点的信标包中最大的序列号；

(7)信标包总数N：最近一个抽样间隔内接收到的该邻近车辆节点的信标包总数；

(8)更新时间T_last：保存该记录被创建或者最近一次修改的时间，如果在超过一个抽样间隔的时间内没有修改过，则删除这条记录。

该信标接收率估计表的更新维护机制如下所述：

(1)当车辆节点E接收到C发送的一个信标广播包之后，去估计表中查找是否还有节点C的估计记录，如果没有，则新建一条记录用来记录C的估计信息，并转到步骤(2)继续；如果有，则直接转到步骤(2)继续；

(2)提取出信标广播包中的帧序列号，更新节点C记录中的信息S_min、S_max、N和T_last；

(3)当一个新的抽样间隔结束时，遍历整个表，删除一些已经丧失了生命力的记录，并对剩下的所有记录依据公式(2.1)和(2.2)计算出ERR_i+1，更新记录当中的信息SRR、ERR和α，并清空信息S_min、S_max和N。

编码候选节点收集机制

车辆节点在估算出所有邻近节点的ERR之后，需要将这些信息发送给所有邻近的转发节点，告诉这些节点自己所需要的编码包类型。同时该车辆节点也会成为别的车辆的转发节点，所以它也需要收集邻近车辆对编码包的需求。也就是说在VANETs中的所有车辆节点在告诉其他车辆节点自己对编码包的需求的同时，也会收集其他车辆对编码包的需求，以便于自己成为转发节点时选择合适的信标包进行编码转发。

因为VANETs中车辆节点广播信标消息的频率比较高，所以编码候选节点选择机制应该尽可能少的占用网络资源，并且需要传递关键性的数据。而在每个车辆节点为了告知转发节点自己所需要的编码包类型时，并不需要将自己对所有邻近节点估计的ERR都发送给转发节点。例如，假设车辆节点E可以接收到周围17辆车的信标广播，并且估计出来的所有ERR中包含：2个节点的ERR≥90％，3个节点的75％≤ERR≤90％，5个节点的50％≤ERR≤75％，其余的7个节点的ERR＜50％。如果节点E需要将所有的都发送给转发节点，所需的网络开销会比较大，而且也没有必要，节点E发送ERR的目的是为了告诉邻近转发节点自己对编码包类型的期望。例如假设节点E计算出的节点B的ERR＝92.5％，则说明在下一抽样间隔内节点E能够接收到节点B的信标包的概率为92.5％，所以如果在下一抽样间隔内节点E收到的编码包中，如果含有节点B的信标包的话，那节点E可以解码获得另外一个信标包的概率也为92.5％。这种概率只有在较大时才具有传递的价值。所以节点E只需要将其计算出的ERR中大于门限值的节点ID发送给邻近转发节点即可。假设取ERR≥75％的5个节点，表示在下一抽样间隔内节点E期望的编码包中应该含有这5个节点其中之一的编码包。本发明选择的ERR的门限值ERR_min＝75％。

同时，在节点E所计算的所有候选节点的ERR中，大于门限值ERR_min的候选节点比较多的情况下，为了进一步的减少网络开销，并不需要将所有候选节点的ID都发送给邻近转发节点，只需要选择其中ERR最大的几个候选节点即可，所以本发明还设定了最大候选节点数C_max＝5，当计算出的ERR＞ERR_min的候选节点数大于C_max时，只选取其中ERR最大的C_max个候选节点。

本发明将所选定的候选节点ID附加到信标消息上，然后通过信标消息发送给邻近车辆节点。VANETs中车辆节点接收到了一个信标消息，就可以获得该信标消息中包含的候选车辆ID，如图6所示。同时，该节点也会将自己的候选车辆ID附加到自己发出去的信标消息中。

到此为止，每个车辆节点都可以获得邻近车辆的候选车辆ID，为了能够引导编码包的选择过程，每个车辆节点还需建立并维护两个候选节点权重表same-dir和reverse-dir。权重表same-dir记录的是与本节点同向行驶的候选节点相关信息，权重表reverse-dir记录的是与本节点逆向行驶的候选节点相关信息。

这两个权重表唯一不同之处在于他们保存的车辆节点相对于本节点的行驶方向是相反的。里面每条记录的信息是相同的，包含有：车辆节点ID、候选权重W、信标最近接收时间T_x以及更新时间T_last。候选权重W初始值为0。

如图6所示，车辆节点A接收到节点E的一个信标广播，其中含有节点E推荐的候选节点ID，此时称节点E为推荐节点。此时对权重表中相应记录的权重W的计算方法如下所述：

(1)在候选节点与节点A同向行驶的情况下：如果候选节点和推荐节点E同向，则将same-dir表中该候选节点的权重W加1，如果候选节点和推荐节点E反向；则将same-dir表中该候选节点的权重W减1。

(2)在候选节点和节点A反向行驶的情况下：如果候选节点和推荐节点E同向，则将reverse-dir表中该候选节点的权重W加1；如果候选节点和推荐节点E反向，则将reverse-dir表中该候选节点的权重W减1。

这两个权重表的更新机制如下所述：

(1)车辆节点每收到一个信标，除了获取到发送节点的状态信息外，还获取到发送节点推荐的候选节点ID，使用这些候选节点ID去邻近车辆状态信息表中查找该候选节点的记录，如果没有该候选节点的记录，则丢弃这个ID；如果有该候选节点的记录，则根据候选节点的行驶方向，分别查找表same-dir(与本节点行驶方向相同)和表reverse-dir(与本节点行驶方向相反)中是否已经含有该候选节点的权重，如果有，则跳到第(3)步，否则，继续执行第(2)步操作；

(2)在相应的权重表中创建该候选节点的记录，初始权重为0；

(3)更新该记录的权重W和T_last。

编码转发机制

每个车辆节点在收集到邻近节点推荐的候选者信息后，需要利用这些信息来引导编码过程。本发明上述详细说明了编码转发机制的过程，对于编码包选择合适的信标包P₁和P₂的目的在于，使得在所有收到这个编码包的车辆节点中，确保尽可能多的节点有且只有P₁和P₂中的一个信标包。

VANETs中，对于每个车辆节点而言，都可以将所有的车辆大体上划分为两个行驶方向，一个是同向行驶，另一个则是逆向行驶。因此，本发明在选择候选编码包时，是基于行驶方向的，选取的是不同行驶方向的两个车辆节点的信标包。假设P₁是选取的同向行驶的一个候选节点的信标包，而P₂则是逆向行驶的一个候选节点的信标包。为了确保尽可能多的节点有且只有P₁和P₂其中之一，需要使得选择的P₁是同向行驶车辆接收概率最大并且是逆向行驶车辆接收概率最小的原始信标包。而所选择的P₂则应该是同向行驶车辆接收概率最小并且是逆向行驶车辆接收概率最大的原始信标包。为了能够选出满足条件的P₁和P₂，需要借助于候选节点权重表same-dir和reverse-dir。按照候选节点权重表的更新机制，权重表same-dir和reverse-dir中权重最大的两个候选节点的原始信标消息就是满足上述条件的。为了说明这点，现举例如下。

如图7所示，对于车辆节点A而言，车辆节点B与其同向行驶，车辆节点C、D和E则是与其逆向行驶。当节点A接收到节点E的信标消息，同时也获得了E推荐的所有候选节点ID，假设这些候选节点有节点B、节点C和节点D。首先，要明白节点E推荐的候选节点B、C和D的含义是节点E在下一个抽样间隔内接收到候选节点B、C和D的信标包的概率都大于门限值ERR_min。也就意味着节点E希望接收到的编码包中包含且仅包含这些候选节点其中之一的信标包，这样节点E可以解码出编码包中另一个信标包的概率就会大于ERR_min。

上述详细的讲解了候选节点权重表的更新机制，现在解释一下其中的权重更新的原理。如图7所示的情况下，对于候选节点B，因为与节点A同向行驶，节点A的权重表same-dir中可以找到其记录，又因为候选节点B与推荐节点E是逆向行驶，所以候选节点B的权重减1，表示节点E希望接收到的编码包中逆向节点的包不是节点F的。对于候选节点C，因为与节点A逆向行驶，可以在节点A的权重表reverse-dir中找到其记录，又因为它与推荐节点E是同向行驶的，所以候选节点C的权重加1，表示节点E希望接收到的编码包中同向节点的包是节点C的。

编码包帧格式如图8所示，P₁和P₂是参与编码的两个原始信标消息，信标消息包含的主要信息如表2.1所示，ID₁和ID₂分别是这两个原始信标消息的唯一标识，每个ID都是由两部分组成：该节点的MAC层地址和该信标消息的序列号，这样就可以唯一的标识一个信标消息是属于那个车辆节点发送的第几个信标消息。

由于信标消息对实时性要求较高，所以每条信标消息都有一定的生命周期，虽然理论上可以挑选到最佳的编码组合，但是实际中，在选择出两条最佳的编码候选包的同时很难保证他们都没有超过各自的生命周期。所以在选择候选编码包时不仅要考虑到编码效率，还需要考虑到所选候选编码包的生命周期。而且，为了避免信标包的连续编码转发，车辆节点只有接收到原始信标包时才会触发编码转发机制。车辆节点接收到广播消息后的处理流程如图9所示。

表2.1信标消息主要内容

车辆节点在触发编码转发机制后，在得到信标包中的车辆行驶方向后，就可以确定发送该信标包的原节点与本节点是否为同向行驶，由此可以确定为其选择的编码候选包的候选权重表。然后根据候选权重从大到小的顺序遍历相应的候选权重表，直到找到一个候选权重最大并且信标消息还未超过其生命周期的信标包作为另一个候选编码包，将其与刚接收到的编码包编码后发送出去。

Claims (4)

1.一种基于网络编码的车联网信标广播方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：建立一个双向四车道的高速公路场景，节点B、C和D都在节点A的广播范围之内，而节点C和节点D都处于对方的广播范围之外；

步骤2：建立邻近车辆状态信息表，包括：车载自组织网络VANETs中每个车辆节点都需要维护一个邻近车辆状态信息表，用来存储邻近车辆最新的状态信息，并以此为基础对一些可能发生的安全事故进行预警，邻近车辆状态信息表中每条记录包括：(1)车辆ID：每个车辆节点的唯一标识；(2)序列号(SequenceNum)：用来标记相同车辆节点发送的不同信标包；(3)当前位置(Position)：车辆节点最新的位置信息；(4)行驶方向(Direction)：车辆节点最新的行驶方向；(5)加速度(Acceleration)：车辆节点的加速度；(6)信标源码：保存最新一条信标消息的源码，用于对可能收到的编码信标包进行解码；(7)更新时间T_last：记录最近一次更新这条记录的时间，如果这条记录在一个生命周期T_life内还未更新，则删除这条记录，通过相互之间周期性的广播信标消息，车辆节点能一直保存自己周围的所有邻近节点的最新的状态信息，车辆节点在接收到一个信标包后，依据车辆ID到邻近车辆状态信息表中查找是否已有该车辆节点的记录，如果没有则建立一个新的记录，填入相应信息；如果已有，则更新这条记录，并修改更新时间T_last；

步骤3：接收概率估计，包括：

车载自组织网络VANETs中，每个车辆节点都以一定的时间间隔周期性的广播自身的安全信标消息，将这类正在广播自身信标消息的车辆节点称为源节点，假设这个广播时间间隔使用τ_xb表示，若选定τ_xb＝0.1s，则表示车辆节点每隔0.1s的时间就会广播一次自己最新的信标消息，根据信标帧的序号以及信标广播间隔τ_xb就能抽样得到一段时间内一个车辆节点接收源节点信标广播的接收率，将这类接收到原始信标广播消息的车辆节点称为源接收节点，使用τ_c表示抽样间隔，假设抽样间隔τ_c＝1s，在一个采样间隔τ_c中，车辆节点E接收到周围节点发送的信标包，其中节点C发送了τ_c/τ_xb＝10个信标包，通过分析节点E每个抽样间隔内接收到的源节点C的信标包序列，能得到所接收的信标包总量N，最小信标包序列S_min和最大信标包序列S_max，由此能得到信标包的抽样接收概率为：

<mrow> <mi>S</mi> <mi>R</mi> <mi>R</mi> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mfrac> <mi>N</mi> <mrow> <msub> <mi>S</mi> <mi>max</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>S</mi> <mi>min</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>S</mi> <mi>max</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>S</mi> <mi>min</mi> </msub> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>/</mo> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mrow> <mi>x</mi> <mi>b</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mfrac> <mi>N</mi> <mrow> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>/</mo> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mrow> <mi>x</mi> <mi>b</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>S</mi> <mi>max</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>S</mi> <mi>min</mi> </msub> <mo>&lt;</mo> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>/</mo> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mrow> <mi>x</mi> <mi>b</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2.1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

S_max-S_min表示节点C在抽样间隔τ_c内应该接收到节点A的信标包总数，但是，在一些特殊的情况下，在抽样间隔的最后一个或多个信标包丢失的情况下，使用S_max-S_min统计出的应接收信标包总数就会小于实际数量，此时能使用理论应接收信标包总数τ_c/τ_xb代替；

在得到某一抽样间隔i内的信标包抽样接收概率SRR_i之后，就能使用修正因子α来计算下一个抽样间隔(i+1)内的信标包的估计接收概率ERR_i+1：

ERR_i+1＝(1-α)×ERR_i+α×SRR_i (2.2)

其中，α为修正因子(0＜α＜1)，表示由抽样间隔(i-1)内估计出的抽样间隔i的估计接收概率，修正因子α表示的是ERR对车辆节点周围环境变化的修正力度，α越大，ERR对周围环境变化的修正力度越大；

步骤4：建立编码候选节点收集机制，包括：

在车载自组织网络VANETs中的所有车辆节点在告诉其他车辆节点自己对编码包的需求的同时，也会收集其他车辆对编码包的需求，以便于自己成为转发节点时选择合适的信标包进行编码转发，编码候选节点选择机制应该尽可能少的占用网络资源，并且需要传递关键性的数据，而在每个车辆节点为了告知转发节点自己所需要的编码包类型时，并不需要将自己对所有邻近节点估计的ERR都发送给转发节点，只需要将车辆节点计算出的ERR中大于门限值的节点ID发送给邻近转发节点即可，同时，在节点E所计算的所有候选节点的ERR中，大于门限值ERR_min的候选节点比较多的情况下，为了进一步的减少网络开销，并不需要将所有候选节点的ID都发送给邻近转发节点，只需要选择其中ERR最大的几个候选节点即可，将选定的候选节点ID附加到信标消息上，然后通过信标消息发送给邻近车辆节点，VANETs中车辆节点接收到了一个信标消息，就可以获得该信标消息中包含的候选车辆ID，该节点也会将自己的候选车辆ID附加到自己发出去的信标消息中，每个车辆节点都可以获得邻近车辆的候选车辆ID，为了能够引导编码包的选择过程，每个车辆节点还需建立并维护两个候选节点权重表same-dir和reverse-dir，权重表same-dir记录的是与本节点同向行驶的候选节点相关信息，权重表reverse-dir记录的是与本节点逆向行驶的候选节点相关信息，这两个权重表唯一不同之处在于他们保存的车辆节点相对于本节点的行驶方向是相反的，里面每条记录的信息是相同的，包含有：车辆节点ID、候选权重W、信标最近接收时间T_x以及更新时间T_last，候选权重W初始值为0，车辆节点A接收到节点E的一个信标广播，其中含有节点E推荐的候选节点ID，此时称节点E为推荐节点，此时对权重表中相应记录的权重W的计算方法如下所述：(1)在候选节点与节点A同向行驶的情况下：如果候选节点和推荐节点E同向，则将same-dir表中该候选节点的权重W加1，如果候选节点和推荐节点E反向；则将same-dir表中该候选节点的权重W减1；(2)在候选节点和节点A反向行驶的情况下：如果候选节点和推荐节点E同向，则将reverse-dir表中该候选节点的权重W加1；如果候选节点和推荐节点E反向，则将reverse-dir表中该候选节点的权重W减1；这两个权重表的更新机制如下所述：(1)车辆节点每收到一个信标，除了获取到发送节点的状态信息外，还获取到发送节点推荐的候选节点ID，使用这些候选节点ID去邻近车辆状态信息表中查找该候选节点的记录，如果没有该候选节点的记录，则丢弃这个ID；如果有该候选节点的记录，则根据候选节点的行驶方向，分别查找表same-dir(与本节点行驶方向相同)和表reverse-dir(与本节点行驶方向相反)中是否已经含有该候选节点的权重，如果有，则跳到第(3)步，否则，继续执行第(2)步操作；(2)在相应的权重表中创建该候选节点的记录，初始权重为0；(3)更新该记录的权重W和T_last；

步骤5：建立编码转发机制，包括：

车载自组织网络VANETs中，对于每个车辆节点而言，都能将所有的车辆划分为两个行驶方向，一个是同向行驶，另一个则是逆向行驶，在选择候选编码包时，是基于行驶方向的，选取的是不同行驶方向的两个车辆节点的信标包，假设P₁是选取的同向行驶的一个候选节点的信标包，而P₂则是逆向行驶的一个候选节点的信标包，为了能够选出满足条件的P₁和P₂，需要借助于候选节点权重表same-dir和reverse-dir，按照候选节点权重表的更新机制，权重表same-dir和reverse-dir中权重最大的两个候选节点的原始信标消息就是满足上述条件的。

2.根据权利要求1所述的一种基于网络编码的车联网信标广播方法，其特征在于，所述方法的步骤1包括：车辆节点A分别接收到节点C和节点D广播的信标数据包P_C和P_D，然后作为转发节点对这两个数据包进行异或编码生成编码数据包并且将其发送出去；节点B、C和D都收到节点A发送的编码数据包对于节点C和D来说，使用自己的信标数据包对这个编码数据包进行解码得到对方的信标数据包；然后对于节点B来说，这个编码数据包是否有意义，取决于B是否已经接收到了节点C和D的信标包；每一次编码转发信标包，都会增加车载自组织网络VANETs网络的负担；需要控制编码转发的比例。

3.根据权利要求1所述的一种基于网络编码的车联网信标广播方法，其特征在于，所述方法的步骤3包括：估计对邻近车辆节点的信标广播的接收概率，每个车辆节点需要维护一个信标接收概率估计表，该表中的每一项就是估计一个邻近车辆节点的所需的相关数据，这些数据包括车辆节点为ID、接收概率为SRR、估计接收概率为ERR、修正因子为α、最小序列为S_min、最大序列为S_max、信标包总数为N和更新时间为T_last。

4.根据权利要求1所述的一种基于网络编码的车联网信标广播方法，其特征在于，所述方法的步骤4包括：在车载自组织网络VANETs中的所有车辆节点在告诉其他车辆节点自己对编码包的需求的同时，也会收集其他车辆对编码包的需求；

每个车辆节点需要建立并维护两个候选节点权重表same-dir和reverse-dir；权重表same-dir记录的是与本节点同向行驶的候选节点相关信息，权重表reverse-dir记录的是与本节点逆向行驶的候选节点相关信息；这两个权重表保存的车辆节点相对于本节点的行驶方向是相反的，里面每条记录的信息是相同的，包含有：车辆节点ID、候选权重W、信标最近接收时间T_x以及更新时间T_last，候选权重W初始值为0。