CN104135436A - 一种车辆自组织网络路由选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车辆自组织网络路由选择方法，属于无线通信技术领域。在该方法中，若源车辆需转发数据包至目的车辆，则源车辆发送路由请求消息至路由管理中心，路由管理中心根据车辆及网络状态信息为源车辆确定候选路由集合，并计算各候选路由的数据传输时间，进而选择总传输时延最短路径作为目标路由；其中，源车辆发送的路由请求消息包括源车辆及目的车辆的车辆标识、源车辆的位置及移动方向、源车辆拟传输数据包的长度信息等。本方法综合考虑了影响路由传输特性的多种因素，并引入存储转发方式实现SV(源车辆)的最佳路由选择，可有效保障用户的QoS，实现系统综合性能优化。

Description

一种车辆自组织网络路由选择方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种车辆自组织网络路由选择方法。

背景技术

随着移动通信及网络技术的快速发展，车辆自组织网络(Vehicular Ad-hoc NETwork，VANET)作为智能交通系统(Intelligent Transportation System，ITS)的重要组成部分近年来受到广泛关注。VANET是一种自组织、结构开放的车辆通信网络，能够提供车辆之间以及车辆与路旁基础设施之间的通信。VANET融合全球定位系统(GPS)及无线通信技术，如无线局域网(WLAN)、蜂窝网络等，为处于高速移动状态的车辆提供高速率的数据接入服务，并支持车辆之间的信息交互，已成为保障车辆行驶安全、提供车辆高速数据通信，实现智能交通系统的有效技术。

VANET中，若源车辆(SV)的通信目的车辆(DV)位于SV的一跳覆盖范围以外，可基于特定路由选择算法，选择一个或多个中继车辆(RV)为SV转发数据包至DV。然而，VANET中车辆的移动性导致网络拓扑结构的快速变化，无线信道衰落以及多用户竞争信道导致的信道传输性能受限，以及各候选RV的性能差异等特性均给VANET中的路由选择技术提出了困难及挑战。如何综合考虑物理信道、数据传输，以及车辆通信覆盖范围受限等特性选择最佳路由以保障用户通信需求，并实现系统性能优化，已成为VANET的重要研究课题，具有重要的科研及工程应用意义。

目前，有人提出了一种基于社会网络的车载自组织网络路由方法，该方法利用邻居节点信息计算节点的方向角度和效用值；并对路段上的节点采用融合缓存机制的贪婪算法，路口节点选择在角度阈值范围内效用值最大的邻居节点作为下一跳转发中继；该方法通过Q学习算法辅助路由算法，使车辆节点从自身历史转发动作中学习，节点选择对应奖励函数最大的邻居节点作为下一跳转发节点。还有人提出了一种基于延迟容忍网络技术的车辆消息路由方法，将所有消息划分为三个优先级，在发送缓冲区中的消息时，优先发送优先级最高的消息；而当缓冲区满时，最先丢弃优先级最低的消息，从而在总的平均交付率一定的情况下，提高具有高优先级的消息的交付率，确保重要消息的传输性能。也有人提出了一种车辆无线通信网络中的路由方法，该方法采用基于链路预测机制的自适应广播和转发算法进行路由转发。对于多条路径的选择，路由方法以跳数最小为优先；若多条路径跳数相同，则优先选择对应链路预测特征值最大的路由作为目标路由。有人提出了一种基于存储转发方式的车辆自组织网络信息传输模型，在同方向行驶的车辆间无法进行直接通信的情况下，信息将被存储在反方向行驶的中继车辆内，继而通过该中继车辆将信息转发给其反方向的下一跳车辆，从而解决了链路间歇性连接场景下的网络通信问题。有人提出了一种基于概率的VANET路由选择算法，旨在选择成功通信概率最高的路径作为目标路径。

现有针对VANET路由选择算法的研究主要基于贪婪算法、信息优先级，和链路预测机制进行路由选择，未综合考虑车辆间传输链路性能、信息传输时延、数据包存储转发模式应用可行性等问题，可能导致车辆密度稀疏的场景下数据通信性能无法保证及路由整体性能受限。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种车辆自组织网络路由选择方法，该方法能够解决源车辆(SV)与目的车辆(DV)之间直接连接受限场景下的多跳数据传输问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种车辆自组织网络路由选择方法，若源车辆(SV)需转发数据包至目的车辆(DV)，则源车辆发送路由请求消息至路由管理中心(RMC)，路由管理中心根据车辆及网络状态信息为源车辆确定候选路由集合，并计算各候选路由的数据传输时间，进而选择总传输时延最短路径作为目标路由；其中，源车辆发送的路由请求消息包括源车辆及目的车辆的车辆标识(VID)、源车辆的位置及移动方向、源车辆拟传输数据包的长度信息等。

进一步，所述的确定候选路由集合具体包括以下步骤：

1)确定源车辆的一跳候选中继车辆(RV)：若源车辆周围仅存在一个一跳邻居车辆，则将该邻居车辆加入源车辆的一跳候选路由集合；若源车辆周围存在多个一跳邻居车辆，则根据候选中继车辆选择条件确定其一跳候选中继车辆；若源车辆周围无一跳邻居车辆，源车辆将选择存储转发的方式，携带信息包直至遇到一跳候选中继车辆，从而将数据包转发至该车辆；

2)判断候选中继车辆是否为目的车辆的一跳邻居，若是，则由源车辆、源车辆的一或多跳候选中继车辆及目的车辆构成的路由即为源车辆的候选路由；若否，则为源车辆的候选中继车辆选择候选中继车辆路由确定，直至所选择的候选中继车辆为目的车辆的一跳邻居。

进一步，所述的源车辆/中继车辆的候选中继车辆确定方法具体包括：同一候选路由相邻两跳中继车辆之间各链路传输速率需满足最小传输速率限定条件，令R_n,m为第m条候选路由的第n跳链路的传输速率，其中，m＝1,…M，n＝1,…N_m，M为源车辆与中继车辆间候选路由总数，N_m为第m条候选路由的总跳数，则R_n,m应满足R_n,m≥R_th，其中，R_th为链路速率门限值；候选路由各链路持续时间需满足传输时间限定条件，令第m条候选路由的第n跳链路的链路持续时间LET为m＝1,…M，n＝1,…N_m，则 $T_{n,m}^{\mathrm{LET}}=\frac{\min \left(\right|x_{n,m}-x_{n+1,m}|{,Z}_{n,m},Z_{n+1,m})}{|v_{n,m}-v_{n+1,m}|},$ 其中，x_n,m，v_n,m分别为源车辆与目的车辆间第m条候选路由中第n个节点即第n跳链路的源节点的坐标及速度，x_n,m≥0，Z_n,m为第m条候选路由的第n个节点的覆盖范围，m＝1,…M，n＝1,…N_m，应满足其中，为第m条候选路由的第n跳链路的数据传输时间，L为源车辆拟传输数据包的长度。

进一步，若|x_n,m-x_n+1,m|＞min(Z_n,m,Z_n+1,m)，则v_n,m，v_n+1,m应满足：

(a)若x_n,m≤x_n+1,m，则v_n,m≥v_n+1,m≥0，或v_n+1,m≤v_n+1,m≤0，或v_n,m≥0且v_n+1,m≤0，其中，v_n,m≥0表示第m条候选路由的第n个节点向右移动；

(b)若x_n+1,m≤x_n,m，则v_n+1,m≥v_n,m≥0或v_n,m≤v_n+1,m≤0或v_n,m≤0且v_n+1,m≥0。

进一步，第m条候选路由的总传输时间为：

$T_m=\underset{n=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}(T_{n,m}^T+T_{n,m}^S),$

其中，为数据包在第m条候选路由的第n个节点处的存储时间，若|x_n,m-x_n+1,m|≤min(Z_n,m,Z_n+1,m)，否则 $T_{n,m}^S=\frac{|x_{n,m}-x_{n+1,m}|-\min (Z_{n,m},Z_{n+1,m})}{|v_{n,m}-v_{n+1,m}|},$ m＝1,…M，n＝1,…N_m。

进一步，路由管理中心计算各候选路由的总传输时间T_m，m＝1,…M，并选择对应最小总传输时间的候选路由作为目标路由，即m^*＝argminT_m。

本发明的有益效果在于：本发明所述的路由选择方法综合考虑了源车辆、中继车辆及目的车辆通信链路传输性能及持续时间、车辆节点覆盖范围、数据传输速率需求等因素，选择对应总传输时间最短的候选路由作为目标路由，以实现优化路由选择。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明中所述的VANET路由选择应用场景；

图2为本发明中所述的VANET路由选择系统模型；

图3为本发明VANET路由选择流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明中VANET路由选择应用场景，假设通信场景为双轨道双向行驶道路，车辆间车辆密度多样化，可能存在车辆密度稀疏导致车辆间不能直接通信和车辆密集存在某车辆有多个邻居车辆等情况。涉及一个拟进行通信的源车辆(SV)通过中继车辆(RV)转发信息到目的车辆(DV)。由路由管理中心(RMC)处对SV进行路由选择，该选择策略可扩展至多个SV需要进行数据转发的路由场景。

图2为本发明中VANET路由选择系统模型，假设SV与DV之间的候选路由数目为M条，每条候选路由的跳数有一或多跳。

若SV需转发数据包至DV，则SV发送路由请求消息(RReq)至RMC，RReq消息包括SV及DV的车辆标识(VID)、SV的位置及移动方向、SV拟传输数据包的长度等。由RMC根据路由选择准则确定候选路由，并分别计算各候选路由的数据传输时间，选择总传输时延最短路径作为目标路由；发送路由确认消息RACK，向各SV及RV通知路由选择结果。RACK消息中包含消息类型、SV的标识ID_SV、RV的标识ID_RV及DV的标识ID_DV。SV收到RACK后，与相应RV进行通信。

图3为本发明公开的VANET路由选择流程图，具体包括：

301：判定SV/RV是否存在一跳邻居车辆。若是，则转至步骤302，若否，则转至步骤304；

302：判定SV/RV的一跳邻居车辆数目是否大于1。若是，则转至步骤303，若否，则转至步骤306；

303：判定SV的邻居车辆是否满足限定条件。其限定条件为同一候选路由的相邻两跳RVs之间链路应满足：

(1)链路传输速率需满足最小传输速率限定条件，令R_n,m为第m条候选路由的第n跳链路的传输速率，其中，m＝1,…M，n＝1,…N_m，M为SV与RV间候选路由总数，N_m为第m条候选路由的总跳数，则R_n,m应满足R_n,m≥R_th。

(2)链路持续时间需满足传输时间限定条件,令第m条候选路由的第n跳链路持续时间为m＝1,…M，n＝1,…N_m，则 $T_{n,m}^{\mathrm{LET}}=\frac{\min \left(\right|x_{n,m}-x_{n+1,m}|{,Z}_{n,m},Z_{n+1,m})}{|v_{n,m}-v_{n+1,m}|},$ 其中，x_n,m，v_n,m分别为SV与RV间第m条候选路由中第n个节点(即第n跳链路的源节点)的坐标(x_n,m≥0)及方向速度，Z_n,m为第m条候选路由的第n个节点的覆盖范围，m＝1,…M，n＝1,…N_m，应满足其中，为第m条候选路由的第n跳链路的数据传输时间。

304：SV携带数据包一段时间，直至遇到一跳候选RV，将数据包转发至该车辆。

305：判定SV的相遇车辆是否满足判定条件。若是，则执行步骤306，若否，则转至步骤304。其限定条件为若|x_n,m-x_n+1,m|＞min(Z_n,m,Z_n+1,m)，则v_n,m，v_n+1,m应满足：

(a)若x_n,m≤x_n+1,m，则v_n,m≥v_n+1,m≥0，或v_n+1,m≤v_n+1,m≤0，或v_n,m≥0且v_n+1,m≤0，其中，v_n,m≥0表示第m条候选路由的第n个节点向右移动。

(b)若x_n+1,m≤x_n,m，则v_n+1,m≥v_n,m≥0或v_n,m≤v_n+1,m≤0或v_n,m≤0且v_n+1,m≥0。

306：RMC将符合上述判定的车辆加入候选RV集合。

307：RMC重复上述步骤，直至RV为DV的一跳邻居。采用类似方法，可确定SV的两跳候选RV，即各一跳候选RV的候选RV，直至所选择的候选RV为DV的一跳邻居。

308：由SV、DV及SV的一或多跳RV构成SV的候选路由。

309：RMC计算各候选路由的总传输时间T_m，m＝1,…M，并选择对应最小总传输时间的候选路由作为目标路由。

第m条候选路由的总传输时间计算方法如下：其中，为数据包在第m条候选路由的第n个节点处的存储时间，若|x_n,m-x_n+1,m|≤min(Z_n,m,Z_n+1,m)，否则 $T_{n,m}^S=\frac{|x_{n,m}-x_{n+1,m}|-\min (Z_{n,m},Z_{n+1,m})}{|v_{n,m}-v_{n+1,m}|},$ m＝1,…M，n＝1,…N_m。

310：RMC选择对应路由总传输时间最短的候选路由为目标路由。RMC基于候选路由选择方案发送路由消息RACK至SV，通知路由选择决策结果。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种车辆自组织网络路由选择方法，其特征在于：若源车辆需转发数据包至目的车辆，则源车辆发送路由请求消息至路由管理中心，路由管理中心根据车辆及网络状态信息为源车辆确定候选路由集合，并计算各候选路由的数据传输时间，进而选择总传输时延最短路径作为目标路由；其中，源车辆发送的路由请求消息包括源车辆及目的车辆的车辆标识、源车辆的位置及移动方向、源车辆拟传输数据包的长度信息等。

2.根据权利要求1所述的一种车辆自组织网络路由选择方法，其特征在于：所述的确定候选路由集合具体包括以下步骤：

1)确定源车辆的一跳候选中继车辆：若源车辆周围仅存在一个一跳邻居车辆，则将该邻居车辆加入源车辆的一跳候选路由集合；若源车辆周围存在多个一跳邻居车辆，则根据候选中继车辆选择条件确定其一跳候选中继车辆；若源车辆周围无一跳邻居车辆，源车辆将选择存储转发的方式，携带信息包直至遇到一跳候选中继车辆，从而将数据包转发至该车辆；

2)判断候选中继车辆是否为目的车辆的一跳邻居，若是，则由源车辆、源车辆的一或多跳候选中继车辆及目的车辆构成的路由即为源车辆的候选路由；若否，则为源车辆的候选中继车辆选择候选中继车辆路由确定，直至所选择的候选中继车辆为目的车辆的一跳邻居。

3.根据权利要求2所述的一种车辆自组织网络路由选择方法，其特征在于：所述的源车辆/中继车辆的候选中继车辆确定方法具体包括：同一候选路由相邻两跳中继车辆之间各链路传输速率需满足最小传输速率限定条件，令R_n,m为第m条候选路由的第n跳链路的传输速率，其中，m＝1,…M，n＝1,…N_m，M为源车辆与中继车辆间候选路由总数，N_m为第m条候选路由的总跳数，则R_n,m应满足R_n,m≥R_th，其中，R_th为链路速率门限值；候选路由各链路持续时间需满足传输时间限定条件，令第m条候选路由的第n跳链路的链路持续时间LET为m＝1,…M，n＝1,…N_m，则 $T_{n,m}^{\mathrm{LET}}=\frac{\min \left(\right|x_{n,m}-x_{n+1,m}|{,Z}_{n,m},Z_{n+1,m})}{|v_{n,m}-v_{n+1,m}|},$ 其中，x_n,m，v_n,m分别为源车辆与目的车辆间第m条候选路由中第n个节点即第n跳链路的源节点的坐标及速度，x_n,m≥0，Z_n,m为第m条候选路由的第n个节点的覆盖范围，m＝1,…M，n＝1,…N_m，应满足其中，为第m条候选路由的第n跳链路的数据传输时间，L为源车辆拟传输数据包的长度。

4.根据权利要求3所述的一种车辆自组织网络路由选择方法，其特征在于：若|x_n,m-x_n+1,m|＞min(Z_n,m,Z_n+1,m)，则v_n,m，v_n+1,m应满足：

(a)若x_n,m≤x_n+1,m，则v_n,m≥v_n+1,m≥0，或v_n+1,m≤v_n+1,m≤0，或v_n,m≥0且v_n+1,m≤0，其中，v_n,m≥0表示第m条候选路由的第n个节点向右移动；

(b)若x_n+1,m≤x_n,m，则v_n+1,m≥v_n,m≥0或v_n,m≤v_n+1,m≤0或v_n,m≤0且v_n+1,m≥0。

5.根据权利要求4所述的一种车辆自组织网络路由选择方法，其特征在于：第m条候选路由的总传输时间为：

$T_m=\underset{n=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}(T_{n,m}^T+T_{n,m}^S),$

其中，为数据包在第m条候选路由的第n个节点处的存储时间，若|x_n,m-x_n+1,m|≤min(Z_n,m,Z_n+1,m)，否则 $T_{n,m}^S=\frac{|x_{n,m}-x_{n+1,m}|-\min (Z_{n,m},Z_{n+1,m})}{|v_{n,m}-v_{n+1,m}|},$ m＝1,…M，n＝1,…N_m。

6.根据权利要求5所述的一种车辆自组织网络路由选择方法，其特征在于：路由管理中心计算各候选路由的总传输时间T_m，m＝1,…M，并选择对应最小总传输时间的候选路由作为目标路由，即m^*＝arg min T_m。