CN104144193A - 车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法及系统，采用了泊松分布模型建立了交通流与车联网连通性模型之间的联系，针对高速公路交通场景，将连通概率、连通集长度、连通集数目等重要参数应用于紧急消息通道分配方法中来。亦即，车辆节点根据在控制通道所获取的临近节点的车辆节点密度、占用通道时隙情况等资讯，通过自我调整控制发射功率来调整最大通信距离，从而有效控制某路段竞争安全通道频段时隙的节点规模，进而保证任一节点发送资料的成功率和时延。

Description

车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法及系统

技术领域

本发明是有关于一种车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法及系统，尤指可改善紧急消息的传递交通流与无线通道竞争状况的一种面向高速公路交通场景的车联网紧急消息传输通道的分配方法及系统。

背景技术

人们对道路交通安全问题的关注度持续上升，使得车联网（Vehicular Ad HocNetwork；简称VANET）的研究成为当前学术界和工业界的热点课题。车联网的本质是在车辆与车辆之间、车辆与路边设施之间实现单跳或者多跳的无线通讯，并能够自组织地建立起一个临时的无线网络环境，通信内容包括交通事故位置资讯、车辆速度资讯、车辆故障预警资讯、道路拥塞状况资讯、以及其他应用资讯等等。比如：在实际应用中，VANET网络能够传递紧急事故等即时资讯来辅助驾驶员避免交通事故，能够实现道路行驶过程中的导航，保持警车或者救火车跟其他车辆节点的通信以让出警车或者救火车的紧急秘密频道，进行交通资讯的相关查询，实现高速公路不停车缴费，实现交通资讯广播，实现车辆之间的语音视频通信，车联网的部署可以使驾驶更加安全、高效、舒适。鉴于VANET网络的应用前景，ITS America协会的数十位学术界、工业界顶尖级专家在2008年12月向美国国会（Congress）提交建议书，呼吁国会资助并将基于WAVE/802.11p的ITS系统的研究和部署，即将基于VANET网络在智能交通领域的研究和部署，纳入到美国基础架构（Infrastructure）的建设中来。

从中国的情况来看，随着汽车车辆总数的增加，中国每年因交通事故死亡的人数在几十万人以上，并且呈逐年上升的趋势，交通拥堵的现象也愈加严峻。事故报警及事故隐患预警资讯在同一路段行驶的车辆之间是否能够可靠地、快速地、无差错地、时间可预测地传输是减少甚至避免交通事故的关键所在。早期的智能交通系统由于投入费用代价昂贵等原因并没有真正地部署起来，近些年来借助于成熟的2G、3G技术发展起来的智能交通系统，也存在传输紧急资料时延大，经济费用过高等不足。另外传统意义上的智能交通系统都是以监测为主的辅助交通管理方式，而车联网网络技术是在道路上动态地构建出一个自组织、易部署、费用低、开放的无线通讯网络，提供超视距范围内的车辆之间有效地传递资料资讯，及时有效地将事故、路况等警示资讯在同一路段行驶的车辆之间传递，降低二次事故的发生，从而减少交通事故的危害，其进展性研究成果的实用价值是非常大的。可预测VANET技术成熟后，因其对行车便利性与安全性的改善，短期内将成为机动车的标准配备，市场与经济效益看好。2011年10月，中国首届车联网大会上，谢光选、何积丰等五位院士积极倡议在国内“加快实施车联网工程”。

学术界最初提出VANET概念的想法是作为无线感测器网络的衍生应用，VANET的实体层、资料连结层及网络层协议基本沿用了无线感测器网络或者移动自组织网络（Mobile Ad hoc Network，MANET）的相关协议。但是车辆高速移动的特点使得支援MANET网络的ZigBee、Bluetooth等协议并不适用于VANET网络，另外由于频繁的通信间断，AODV和DSR等路由式通讯协议也不再适合VANET网络。国外相关研究机构近几年来在VANET网络的资料连结层/实体层的协议研究上逐步达成一致并取得了一定的突破，即基于IEEE802.11技术来开展研究，目前的标准IEEE802.11p协议正处于草案最终完善之中，而对于VANET路由层、传输层、应用层协议的研究工作正处于起步阶段，IEEE1609工作组致力于该部分协议的标准化工作，但只是提出了有利于互通性的介面规范以及一些技术指标，对于具体的可靠传输协议演算法涉及不深。

以高速公路交通场景为应用背景，利用车联网技术在车辆之间传输交通事故安全相关的紧急消息是最为典型的一类应用。车辆间紧急消息的传递依赖于网络的连通性模型，而网络中车辆节点的连通性与交通流如何相关联，在通道分配方法中考虑交通流的分布情况是迫切需要解决的难点问题之一；另一方面，若连通网络内部车辆节点过多，则通过IEEE802.11p竞争无线通道的时隙来发送资料成功的概率就会降低，往往会导致紧急资料的传输时延增大，如何在连通网络内控制竞争无线通道时隙的车辆节点规模是另一个难点问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法及系统，采用了泊松分布模型建立了交通流与车联网连通性模型之间的联系，针对高速公路交通场景，将连通概率、连通集长度、连通集数目等重要参数应用于紧急消息通道分配方法中来，即车辆节点根据在控制通道所获取的临近节点的车辆节点密度、占用通道时隙情况等资讯，通过自我调整控制发射功率来调整最大通信距离，从而有效控制某路段竞争安全通道频段时隙的节点规模，从而保证任一节点发送资料的成功率和时延。

于本发明的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法及系统的一实施例中，该车联网系统包括有沿一方向移动的多个车辆节点以及至少一固定节点；每一个该车辆节点以及每一个该固定节点至少包括有一收发器，该收发器可以定期性地广播自身的一节点信息、以及接收来自其他该车辆节点或该固定节点的该收发器所广播的该节点信息。其中，该车联网系统中的每一车辆节点及固定节点都可实施本发明的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法，该方法系包括下列步骤：

步骤(A)：由一第一车辆节点以一第一发射功率值定期性地广播自身的该节点信息；

步骤(B)：由该第一车辆节点依据该第一发射功率值，接收来自多个其他车辆节点或固定节点所广播的节点信息；

步骤(C)：由该第一车辆节点依据所接收到的该多个节点信息，来计算出一第二发射功率值；以及

步骤(D)：由该第一车辆节点组装一广播报文，并以该第二发射功率值将该广播报文广播出去。

于一实施例中，本发明的方法系提供一欲控制的车辆节点规模值为n₀，并且，步骤(C)所述的计算该第二发射功率值的方式包括下列步骤：

步骤(C1)：依据该第一发射功率值推算出该第一车辆节点所能接收到其他车辆节点或固定节点所广播的节点信息的一第一范围半径值R₁；其中，该第一车辆节点于步骤(C)中所能接收到其他车辆节点或固定节点所广播的节点信息的数量为n₁；接着，计算出以该第一车辆节点为中心点且范围半径值为R₁的范围内在沿着该方向的车辆节点或固定节点的一第一车辆密度值ρ₁；其中，ρ₁=(n₁/(2R₁))；

步骤(C2)：根据该第一车辆密度值ρ₁，由以下公式（1）计算出调整后的一最大通信距离R₂，

公式（1）：R₂=(n₀/(2ρ₁))；以及，

步骤(C3)：依据该最大通信距离R₂推算出该第二发射功率值。

于一实施例中，于步骤(A)中所述的该第一车辆节点是使用一第一通信通道来广播自身的该节点信息；并且，于步骤(D)中所述的该第一车辆节点是使用一第二通信通道来将该广播报文广播出去；其中，该第一通信通道与该第二通信通道为不同的信道。

于一实施例中，该第一发射功率值是一最大传输功率值，该第一通信通道是一控制信道，且该第二通信通道是一广播报文传输信道。

于一实施例中，该节点信息包括一四元组信息，该四元组信息包括以下内容：节点当时位置(position)、节点移动速度(velocity)、节点设备标志码、以及通信频道的时隙占用情况(slot_occupy)。

于一实施例中，该节点设备标志码是该第一车辆节点的一MAC位址，该节点当时位置是通过车载GPS/北斗星定位系统获取，该节点移动速度是通过车载位移感测器提供；该通信频道的时隙占用情况是指该第二通信通道的时隙占用情况。

于一实施例中，步骤(D)所述的该广播报文包括以下栏位：节点设备标志码、节点移动速度、消息类型（Type of Service，简称ToS）、生命期（Time To Live，简称TTL）、记录路由、以及使用者紧急资料资讯。

于一实施例中，该消息类型栏位是用于区分不同广播报文的优先顺序；该生命期栏位是用于控制该广播报文的最大转发跳数，以此来限制泛洪机制下的广播报文数目；其中，该生命期栏位的初始值E(TTL)设置步骤细化为步骤（D1）至步骤（D4）：

步骤（D1）：根据以下公式（2）计算一连通集合直径期望的值为E(Cluster_size)，

公式（2）： $E(\mathrm{Cluster}\_\mathrm{size})=\frac{1-e^{-{\mathrm{\ρ}}_1{R}_1}}{{\mathrm{\ρ}}_1\·e^{-{\mathrm{\ρ}}_1{R}_1}};$

步骤（D2）：根据以下公式（3）计算一连通集个数期望的值为E(Cluster_number)，其中，L₁是该移动方向上某一路段的地理距离，

公式（3）： $E(\mathrm{Cluster}\_\mathrm{number})=\frac{{\mathrm{\ρ}}_1{L}_1\·e^{-{\mathrm{\ρ}}_1{R}_1}}{1-e^{-{\mathrm{\ρ}}_1{R}_1}};$

步骤（D2）：根据，得到该第一车辆节点调整后的该最大通信距离设为R₂；并且，令该移动方向的上源车辆节点所期望的广播地理距离为L_b，则Cluster_size′为实际的广播范围，其中，

Cluster_size′={Cluster_size,L_b}_min；之后，根据以下情形其中的一来设置生命期栏位的初始值E(TTL)：

情况(a)：如果，且Cluster_size<L_b，则

$E\left(\mathrm{TTL}\right)=\&lsqb;{\mathrm{\&rho;}}_1{L}_b\&CenterDot;(\frac{2}{n_0}+\frac{e^{-\frac{n_0}{2}}}{1-e^{-\frac{n_0}{2}}})\&rsqb;;$

情况(b)：如果，且Cluster_size≧L_b，则

$E\left(\mathrm{TTL}\right)=\&lsqb;\frac{2{\mathrm{\&rho;}}_1{L}_b}{n_0}\&rsqb;;$

情况(c)：如果，且Cluster_size<L_b，则

$E\left(\mathrm{TTL}\right)=\&lsqb;\frac{L_b}{R_1}+\frac{{\mathrm{\&rho;}}_1{L}_b\&CenterDot;e^{-{\mathrm{\&rho;}}_1{R}_1}}{1-e^{-{\mathrm{\&rho;}}_1{R}_1}}\&rsqb;;$

情况(d)：如果，且Cluster_size≧L_b，则

$E\left(\mathrm{TTL}\right)=\&lsqb;\frac{L_b}{R_1}\&rsqb;.$

于一实施例中，在步骤(D)后更包括以下步骤：

步骤(E)：由一第二车辆节点，接收到由该第一车辆节点以该第二发射功率值所广播的该广播报文，并由该第二车辆节点在该广播报文一首部的可选部分纪录一中继转发节点信息后，再由该第二车辆节点广播出去；

步骤(F)：由该第二车辆节点解析该广播报文查看是否包含有一紧急消息，若有，则发出警示。

于一实施例中，若是该第二车辆节点在同一时间段收到多条包含该紧急消息的广播报文，则该第二车辆节点根据包含该紧急消息的广播报文的该消息类型栏位的值来排定一优先顺序情况、以及根据包含该紧急消息的广播报文的来源车辆节点相对于该第二车辆节点的相对位置，给出最终的一紧急消息处理优先顺序。

于一实施例中，该第一通信通道以及该第二通信通道都是符合IEEE802.11p标准的通信通道。

为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。

附图说明

图1为本发明的车联网系统的一实施例示意图。

图2为本发明的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法的一广播报文的一实施例示意图。

图3为本发明的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法应用于高速公路交通场景时的一实施例示意图。

图4是本发明的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法中，车辆节点作为一发送端时的一实施例流程图。

图5是本发明的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法中，车辆节点处理广播报文的一实施例流程图。

附图标记说明：10、20、41、42、43：车辆节点；11、21、31：收发器；12、22：行车电脑；13、23：动力系统；30：固定节点；32：电源装置；61～67：流程步骤。

具体实施方式

请参阅图1至图5所示，其中，图1为本发明的车联网系统的一实施例示意图，图2为本发明的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法的一广播报文的一实施例示意图，图3为本发明的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法应用于高速公路交通场景时的一实施例示意图，图4是本发明的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法中，车辆节点作为一发送端时的一实施例流程图，图5是本发明的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法中，车辆节点处理广播报文的一实施例流程图。

如图1及图3所示，于本发明中，该车联网系统包括有沿同一方向移动的多个车辆节点10、20、41、42、43以及至少一固定节点30；例如，沿着高速公路行驶于同一方向上且设置有车联网系统相关的无线收发器11的多个车辆，都是本发明所述的车辆节点10、20、41、42、43；而在该高速公路上还有以预定间隔距离设置的固定式的固定节点30。于一实施例中，车辆节点10、20中的收发器11、21是连结于用以控制车辆动力系统13、23的行车电脑12、22，以便在收到紧急消息时能通过行车电脑12、22来对驾驶人提出警示或甚至主动式地控制车辆动力13、23，例如但不局限于：减速。于固定节点30中则设有车联网系统相关的无线收发器31、以及电源装置32。通过前述收发器11、21、31的设置，每一个该车辆节点10、20以及每一个该固定节点30至少都可以作为发送端并定期性地广播自身的一节点信息与广播报文、作为接收端并接收来自其他该车辆节点或该固定节点所广播的节点信息与广播报文并加以解析、以及做为中继站并中继转发由其他该车辆节点或该固定节点所传送来的广播报文等。

请参阅图3，本发明的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法应用于车联网系统的一实施例，包括了以下步骤：

步骤1：请参阅图4，开始本发明的方法（步骤61），亦即，启动图3所示的任一车辆节点（例如，第一车辆节点41）执行本发明的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法的功能。之后，由任一车辆节点（例如，第一车辆节点41）作为发送端，在IEEE802.11p规范的Ch178控制通道（亦即，第一通信通道）以预设参数的一第一发射功率值，例如最大传输功率（即最大传输距离），定时以广播的形式定期性地发布自身的节点信息（步骤62）。该节点信息是包括一四元组信息<position_i,velocity_i,MAC_i,slot_occupy_i>，该四元组信息包括以下内容：节点当时位置(position_i)、节点移动速度(velocity_i)、节点设备标志码例如MAC位址(MAC_i)、以及Ch172广播报文传输信道（亦即，第二通信通道）的时隙占用情况(slot_occupy_i)等四种资讯。其中，在最大传输功率（亦即，第一发射功率值）下的最大通信距离为R₁，计时器值设为Timer_PB，节点当时位置(position_i)可通过车载GPS/北斗星定位系统获取，节点移动速度(velocity_i)可通过车载位移感测器提供，时隙占用情况(slot_occupy_i)为当前所占用的Ch172通道（第二通信通道）的时隙序号。车辆节点在自己占用的Ch178频段的时隙里周期性地广播自己的通道时隙占用情况(slot_occupy_i)，以供跟这个节点具有竞争Ch172（第二通信通道）频段时隙关系的其他节点参考。如图3所示，假设第二车辆节点42在第一车辆节点41半径为R₁的最大通信范围的内（亦即，第一范围半径值R₁）。于本发明中，该第一通信通道与该第二通信通道为符合IEEE802.11p规范的不同信道。

步骤2：任一车辆节点（例如第一车辆节点41）可作为接收端，接收到以自身为圆心，半径为R₁范围内（也就是可接收其他节点依据该第一发射功率值广播节点信息的距离）的所有沿相同方向行进的车辆节点与(或)固定节点的所广播的四元组资讯（亦即节点信息），进而通过位置资讯可推导出节点拓扑图（步骤63）。ρ₁（第一车辆密度值）为车辆节点41周围的车辆密度，以节点41为圆心半径R₁范围内的车辆数目与2R₁的比值得到，因此，Ch172通道（亦即第二通信通道）中的剩余空闲时隙数及序号则容易得到。其中，令该第一车辆节点41所能接收到其他车辆节点42、43或固定节点30所广播的节点信息的数量为n₁；则ρ₁=(n₁/(2R₁))。

于本发明中，虽然作为接收端的车辆节点会接收到半径为R₁的圆形范围内的所有其他车辆节点42、43或固定节点30所广播的节点信息，但是，只有沿着同一方向移动或分布（亦即在同一公路上朝同一方向行驶的车辆或是位于该方向路段上的固定节点）的上源或下源节点所广播的节点信息才会被纳入处理，若是对向车道或是从公路上方或下方穿越的其他道路上的车辆节点或固定节点所广播的节点信息则不被考虑。此可通过判断该节点移动速度(velocity)栏位中所包含的一向量值来判断是否是朝同一方向移动的车辆节点；至于，设置于公路上的固定节点则可由节点当时位置(position)栏位或是节点设备标志码（MAC位址）栏位的值来判定。

举例来说，若以第二车辆节点42作为接收端来接收由第一车辆节点41通过第一通信通道所广播的节点信息以及通过第二通信通道所广播的广播报文为例，若节点41发出的广播报文到达节点42并处理的合计时间为Δt_ij，则可计算出节点41当前更为精确的节点位置position₁′=position₁+velocity₁*Δt_ij，同时，节点42当前更为精确的节点位置position_j′=position_j+velocity_j*Δt_ij（其中，position_j与velocity_j分别是节点42的位置及移动速度），从而计算出Δt_ij的后节点42为圆心，半径R₁范围内{ρ_j,{ch172时隙占用情况}_j}等情况，若Δt_ij时延非常短，则可忽略不计。

步骤3：计算调整后的参数值（步骤64）。令本发明的通道分配方案中，欲控制的车辆节点规模值为n₀，换言之，在预定通信范围内参与Ch172时隙竞争的节点数量希望能被控制在n₀。此时，第一车辆节点41根据ρ₁，由以下的公式（1）可得到调整后的最大通信距离R₂，之后，依据该最大通信距离R2推算出该第二发射功率值Pw₂，即可通过调整节点41的发射功率至第二发射功率值Pw₂控制得到当前的最大通信距离R₂。从而有效控制以节点41为圆心半径R₂范围内的路段上参与第二通信通道Ch172时隙竞争的节点规模为近似n₀，从而完成紧急消息通道的时分复用的通道分配工作。

公式（1）：R₂=(n₀/(2ρ₁))。

另，如前所述，由于依据本发明的方法，只有沿着同一方向移动或分布（亦即在同一公路上朝同一方向行驶的车辆或是位于该方向路段上的固定节点）的上源或下源节点所广播的节点信息才会被纳入处理，因此，ρ₁的单位为：每单位长度内的节点数目，而非每单位面积内的节点数目。

步骤4：由第一车辆节点41利用本发明中所设计的紧急消息广播报文格式组装广播报文。广播报文包括如下栏位：发送车辆节点的设备标志码、车辆移动速度向量（亦即节点移动速度）、消息类型（Type of Service，简称ToS）、生命期（Time To Live，简称TTL）、记录路由等报文头资讯、以及使用者紧急资料资讯。于本实施例中，消息类型栏位（ToS栏位）可以是8bit大小，用于区分不同广播消息的优先顺序。

如图2所示的广播报文的各栏位内容的实施例如下：

HLEN：报文首部长度；

TOS：报文优先顺序；

Total length：报文总长度；

TTL：报文生命周期，每经过1次转发，减1；

Identification：报文标志符，报文区分使用；

Protocol：用于区分WAVE协议栈所用的不同上层协议，这里预设为全0，表示Data栏位部分放入使用者原始资料；

Header checksum：校验和校验，差错控制；

Option：选项部分可有可无，由HLEN减去固定首部长度的值决定，用于记录多跳中继节点的位址、时间戳记等资讯；

802.11p MAC address：MAC位址是跟网卡硬体绑定的，可作为车辆的设备标志码使用。

对于广播报文，广播协议设计者最为关注的栏位是生命期栏位（TTL栏位），TTL栏位用于控制报文的最大转发跳数，以此来限制泛洪机制下的广播报文数目。于本发明中，TTL栏位的初始值E(TTL)设置步骤更细化为以下的步骤4.1～步骤4.3。

步骤4.1：根据以下公式（2）计算一连通集合直径期望的值为E(Cluster_size)，

公式（2）： $E(\mathrm{Cluster}\_\mathrm{size})=\frac{1-e^{-{\mathrm{\&rho;}}_1{R}_1}}{{\mathrm{\&rho;}}_1\&CenterDot;e^{-{\mathrm{\&rho;}}_1{R}_1}};$

步骤4.2：根据以下公式（3）计算一连通集个数期望的值为E(Cluster_number)，其中，L₁是该移动方向上某一路段的地理距离，

公式（3）： $E(\mathrm{Cluster}\_\mathrm{number})=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_1{L}_1\&CenterDot;e^{-{\mathrm{\&rho;}}_1{R}_1}}{1-e^{-{\mathrm{\&rho;}}_1{R}_1}};$

步骤4.3：根据，得到该第一车辆节点41调整后的该最大通信距离设为R₂；并且，令该移动方向的上源车辆节点所期望的广播地理距离为L_b，则Cluster_size′为实际的广播范围，其中，

Cluster_size′={Cluster_size,L_b}_min；之后，根据以下情形其中的一来设置生命期栏位的初始值E(TTL)：

情况(a)：如果，且Cluster_size<L_b，则

$E\left(\mathrm{TTL}\right)=[{\mathrm{\&rho;}}_1{L}_b\&CenterDot;(\frac{2}{n_0}+\frac{e^{-\frac{n_0}{2}}}{1-e^{-\frac{n_0}{2}}})];$

情况(b)：如果，且Cluster_size≧L_b，则

$E\left(\mathrm{TTL}\right)=\left[\frac{2{\mathrm{\&rho;}}_1{L}_b}{n_0}\right];$

情况(c)：如果，且Cluster_size<L_b，则

$E\left(\mathrm{TTL}\right)=\&lsqb;\frac{L_b}{R_1}+\frac{{\mathrm{\&rho;}}_1{L}_b\&CenterDot;e^{-{\mathrm{\&rho;}}_1{R}_1}}{1-e^{-{\mathrm{\&rho;}}_1{R}_1}}\&rsqb;;$

情况(d)：如果，且Cluster_size≧L_b，则

$E\left(\mathrm{TTL}\right)=\left[\frac{L_b}{R_1}\right].$

步骤5：依据调整后的参数值来广播信息（步骤65）。由第一车辆节点41作为发送端，使用第二通信通道，以调整后的第二发射功率值Pw₂将组装好的紧急消息广播报文发出。之后，检查本发明的方法是否结束（步骤66），例如车辆熄火、驾驶人关闭实施本发明的方法的应用程序、或是已离开高速公路（接收不到任何固定节点的信号超过一预设时间长度）时，则结束本发明的方法并执行步骤67，否则回到步骤63。

以图3所示为例，假设由第一车辆节点41以最大传输功率（第一发射功率值）来广播自身的节点信息的最大通信距离R₁可以广泛涵盖图3中所示的所有车辆节点41、42、43及固定节点30，在执行了前述步骤1至步骤3而得到调整后的该第二发射功率值Pw₂后，即可通过调整第一车辆节点41的发射功率至第二发射功率值Pw₂并得到当前的最大通信距离R₂（亦即如图3所示的R_i），从而有效控制以第一车辆节点41为圆心半径R₂范围内（亦即如图3所示的2*R_i）的调整后通信范围51的路段上参与第二通信通道Ch172时隙竞争的节点规模为近似n₀。具体来说，以图3所示，因为位于第一车辆节点41附近的车辆节点的密度最高，所以依据本发明的方法来调整后的通信范围51将相对最小。同时，因为位于第二车辆节点42附近的车辆节点的密度最低，所以调整后的通信范围52（调整后的当前最大通信距离R_j）将相对最大。至于，第三车辆节点43调整后的通信范围53（调整后的当前最大通信距离R_k）则介于两者其中。然而，无论是通信范围51、52或53，都同样只包含5个车辆节点（亦即欲控制的车辆节点规模值n₀=5）。

步骤6：于前述的步骤63中，对于作为接收端的任一车辆节点，在接收其他车辆所广播的广播报文后，都会作为中继转发节点将广播报文转发出去。在此之前，任一收到广播报文的中继转发节点，在广播报文首部的可选部分记录中继转发节点资讯，即路径资讯，以避免广播报文转发过程中的回路问题，接收报文后续处理同步骤7。举例来说，若由一第二车辆节点42，接收到由该第一车辆节点41以该第二发射功率值所广播的该广播报文后，该第二车辆节点42会在该广播报文一首部的可选部分纪录一中继转发节点信息，之后，再由该第二车辆节点42广播出去给第三车辆节点43与其他节点接收。之后，若是第二车辆节点42又接收到由第三车辆节点43所广播的广播报文时，可通过解析该中继转发节点信息的内容，来避免重复中继转发同一广播报文而造成回路问题。

步骤7：于步骤63中，当对于作为接收端的任一车辆节点，在接收到预设范围内的其他车辆所广播的广播报文与信息后，除了执行前述的步骤64之外，更会执行步骤631以检查所接收到的广播报文中是否包含有紧急消息。举例来说，由第三车辆节点43作为接收端收到广播报文后，会提交应用程序加以解析查看是否包含有一紧急消息。倘若发现该广播报文包含紧急消息时，则将该紧急消息解析出（步骤632），并给出必要的警示信息（步骤633，例如显示警示信息于仪表板或显示屏幕上、或是发出语音信息等），甚至通过行车电脑主动控制车辆的动力系统执行减速等制动行为，以辅助驾驶员避免连环相撞等二次事故。若是无包含紧急消息时则执行步骤64。若是第三车辆节点43在收到多条包含该紧急消息的广播报文，则该第三车辆节点43根据包含该紧急消息的广播报文的该消息类型栏位的值来排定一优先顺序情况、以及根据包含该紧急消息的广播报文的来源车辆节点相对于该第三车辆节点的相对位置，给出最终的一紧急消息处理优先顺序。当然，此步骤7也适用于作为接收端的其他车辆节点，例如第一车辆节点41与第二车辆节点42。

通过前述步骤，本发明的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法及系统，可以达到以下的有益效果：

（1）直观地看，车辆密集的地方，可以缩小车辆节点的最大传输范围，从而有效地避免竞争时隙时的冲突发生，保证一定的竞争时隙成功率。

（2）设置合理的TTL（Time To Live生命期）初始值可以达到限制泛洪机制下的广播报文数目。

（3）广播报文中记录路由可在泛洪广播过程中避免环路（loop）转发的现象。

以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，非因此局限本发明的专利范围，故举凡运用本发明说明书及图示内容所为的等效技术变化，均包含于本发明的范围内。

Claims (22)

1.一种车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法，其特征在于，适用于一车联网系统中，该车联网系统包括有沿一方向移动的多个车辆节点以及至少一固定节点，每一个该车辆节点以及每一个该固定节点至少都可以定期性地广播自身的一节点信息、以及接收来自其他该车辆节点或该固定节点所广播的节点信息；该方法包括：

步骤(A)：由一第一车辆节点以一第一发射功率值定期性地广播自身的该节点信息；

步骤(B)：由该第一车辆节点依据该第一发射功率值，接收来自多个其他车辆节点或固定节点所广播的节点信息；

步骤(C)：由该第一车辆节点依据所接收到的该多个节点信息，来计算出一第二发射功率值；以及

步骤(D)：由该第一车辆节点组装一广播报文，并以该第二发射功率值将该广播报文广播出去。

2.根据权利要求1所述的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法，其特征在于，提供一欲控制的车辆节点规模值为n₀，并且，步骤(C)所述的计算该第二发射功率值的方式包括下列步骤：

步骤(C1)：依据该第一发射功率值推算出该第一车辆节点所能接收到其他车辆节点或固定节点所广播的节点信息的一第一范围半径值R₁；其中，该第一车辆节点于步骤(C)中所能接收到其他车辆节点或固定节点所广播的节点信息的数量为n₁；接着，计算出以该第一车辆节点为中心点且范围半径值为R₁的范围内在沿着该方向的车辆节点或固定节点的一第一车辆密度值ρ₁；其中，ρ₁=(n₁/(2R₁))；

步骤(C2)：根据该第一车辆密度值ρ₁，由以下公式（1）计算出调整后的一最大通信距离R₂，

公式（1）：R₂=(n₀/(2ρ₁))；以及，

步骤(C3)：依据该最大通信距离R₂推算出该第二发射功率值。

3.根据权利要求1所述的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法，其特征在于，于步骤(A)中所述的该第一车辆节点是使用一第一通信通道来广播自身的该节点信息；并且，于步骤(D)中所述的该第一车辆节点是使用一第二通信通道来将该广播报文广播出去；其中，该第一通信通道与该第二通信通道为不同的信道。

4.根据权利要求3所述的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法，其特征在于，该第一发射功率值是一最大传输功率值，该第一通信通道是一控制信道，且该第二通信通道是一广播报文传输信道。

5.根据权利要求3所述的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法，其特征在于，该节点信息包括一四元组信息，该四元组信息包括以下内容：节点当时位置、节点移动速度、节点设备标志码、以及通信频道的时隙占用情况。

6.根据权利要求5所述的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法，其特征在于，该节点设备标志码是该第一车辆节点的一MAC位址，该节点当时位置是通过车载GPS/北斗星定位系统获取，该节点移动速度是通过车载位移感测器提供；该通信频道的时隙占用情况是指该第二通信通道的时隙占用情况。

7.根据权利要求2所述的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法，其特征在于，步骤(D)所述的该广播报文包括以下栏位：节点设备标志码、节点移动速度、消息类型、生命期、记录路由、以及使用者紧急资料资讯。

8.根据权利要求7所述的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法，其特征在于，该消息类型栏位是用于区分不同广播报文的优先顺序；该生命期栏位是用于控制该广播报文的最大转发跳数，以此来限制泛洪机制下的广播报文数目；其中，该生命期栏位的初始值E(TTL)设置步骤细化为步骤（D1）至步骤（D4）：

步骤（D1）：根据以下公式（2）计算一连通集合直径期望的值为E(Cluster_size)，

公式（2）： $E(\mathrm{Cluster}\_\mathrm{size})=\frac{1-e^{-{\mathrm{\&rho;}}_1{R}_1}}{{\mathrm{\&rho;}}_1\&CenterDot;e^{-{\mathrm{\&rho;}}_1{R}_1}};$

步骤（D2）：根据以下公式（3）计算一连通集个数期望的值为E(Cluster_number)，其中，L₁是该移动方向上某一路段的地理距离，

公式（3）： $E(\mathrm{Cluster}\_\mathrm{number})=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_1{L}_1\&CenterDot;e^{-{\mathrm{\&rho;}}_1{R}_1}}{1-e^{-{\mathrm{\&rho;}}_1{R}_1}};$

步骤（D2）：根据，得到该第一车辆节点调整后的该最大通信距离设为R₂；并且，令该移动方向的上源车辆节点所期望的广播地理距离为L_b，则Cluster_size′为实际的广播范围，其中，

Cluster_size′={Cluster_size,L_b}_min；之后，根据以下情形其中的一来设置生命期栏位的初始值E(TTL)：

情况(a)：如果，且Cluster_size<L_b，则

$E\left(\mathrm{TTL}\right)=\&lsqb;{\mathrm{\&rho;}}_1{L}_b\&CenterDot;(\frac{2}{n_0}+\frac{e^{-\frac{n_0}{2}}}{1-e^{-\frac{n_0}{2}}})\&rsqb;;$

情况(b)：如果，且Cluster_size≧L_b，则

$E\left(\mathrm{TTL}\right)=\&lsqb;\frac{2{\mathrm{\&rho;}}_1{L}_b}{n_0}\&rsqb;;$

情况(c)：如果，且Cluster_size<L_b，则

$E\left(\mathrm{TTL}\right)=\&lsqb;\frac{L_b}{R_1}+\frac{{\mathrm{\&rho;}}_1{L}_b\&CenterDot;e^{-{\mathrm{\&rho;}}_1{R}_1}}{1-e^{-{\mathrm{\&rho;}}_1{R}_1}}\&rsqb;;$

情况(d)：如果，且Cluster_size≧L_b，则

$E\left(\mathrm{TTL}\right)=\left[\frac{L_b}{R_1}\right].$

9.根据权利要求8所述的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法，其特征在于，在步骤(D)后更包括以下步骤：

步骤(E)：由一第二车辆节点，接收到由该第一车辆节点以该第二发射功率值所广播的该广播报文，并由该第二车辆节点在该广播报文一首部的可选部分纪录一中继转发节点信息后，再由该第二车辆节点广播出去；

步骤(F)：由该第二车辆节点解析该广播报文查看是否包含有一紧急消息，若有，则发出警示。

10.根据权利要求9所述的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法，其特征在于，若是该第二车辆节点在同一时间段收到多条包含该紧急消息的广播报文，则该第二车辆节点根据包含该紧急消息的广播报文的该消息类型栏位的值来排定一优先顺序情况、以及根据包含该紧急消息的广播报文的来源车辆节点相对于该第二车辆节点的相对位置，给出最终的一紧急消息处理优先顺序。

11.根据权利要求3所述的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法，其特征在于，该第一通信通道以及该第二通信通道都是符合IEEE802.11p标准的通信通道。

12.一种车联网系统，其特征在于，包括有沿一方向移动的多个车辆节点以及至少一固定节点；每一个该车辆节点以及每一个该固定节点至少包括有一收发器，该收发器可以定期性地广播自身的一节点信息、以及接收来自其他该车辆节点或该固定节点的该收发器所广播的该节点信息；其中，所述的该多个车辆节点包括有一第一车辆节点，其是执行一紧急消息传输信息的分布式分配方法，该方法包括：

步骤(A)：由该第一车辆节点以一第一发射功率值定期性地广播自身的该节点信息；

步骤(B)：由该第一车辆节点依据该第一发射功率值，接收来自多个其他车辆节点或固定节点所广播的节点信息；

步骤(C)：由该第一车辆节点依据所接收到的该多个节点信息，来计算出一第二发射功率值；以及

步骤(D)：由该第一车辆节点组装一广播报文，并以该第二发射功率值将该广播报文广播出去。

13.根据权利要求12所述的车联网系统，其特征在于，提供一欲控制的车辆节点规模值为n₀，并且，步骤(C)所述的计算该第二发射功率值的方式包括下列步骤：

步骤(C1)：依据该第一发射功率值推算出该第一车辆节点所能接收到其他车辆节点或固定节点所广播的节点信息的一第一范围半径值R₁；其中，该第一车辆节点于步骤(C)中所能接收到其他车辆节点或固定节点所广播的节点信息的数量为n₁；接着，计算出以该第一车辆节点为中心点且范围半径值为R₁的范围内在沿着该方向的车辆节点或固定节点的一第一车辆密度值ρ₁；其中，ρ₁=(n₁/(2R₁))；

步骤(C2)：根据该第一车辆密度值ρ₁，由以下公式（1）计算出调整后的一最大通信距离R₂，

公式（1）：R₂=(n₀/(2ρ₁))；以及，

步骤(C3)：依据该最大通信距离R₂推算出该第二发射功率值。

14.根据权利要求12所述的车联网系统，其特征在于，于步骤(A)中所述的该第一车辆节点是使用一第一通信通道来广播自身的该节点信息；并且，于步骤(D)中所述的该第一车辆节点是使用一第二通信通道来将该广播报文广播出去；其中，该第一通信通道与该第二通信通道为不同的信道。

15.根据权利要求14所述的车联网系统，其特征在于，该第一发射功率值是一最大传输功率值，该第一通信通道是一控制信道，且该第二通信通道是一广播报文传输信道。

16.根据权利要求14所述的车联网系统，其特征在于，该节点信息包括一四元组信息，该四元组信息包括以下内容：节点当时位置、节点移动速度、节点设备标志码、以及通信频道的时隙占用情况。

17.根据权利要求16所述的车联网系统，其特征在于，该节点设备标志码是该第一车辆节点的一MAC位址，该节点当时位置是通过车载GPS/北斗星定位系统获取，该节点移动速度是通过车载位移感测器提供；该通信频道的时隙占用情况是指该第二通信通道的时隙占用情况。

18.根据权利要求13所述的车联网系统，其特征在于，步骤(D)所述的该广播报文包括以下栏位：节点设备标志码、节点移动速度、消息类型、生命期、记录路由、以及使用者紧急资料资讯。

19.根据权利要求18所述的车联网系统，其特征在于，该消息类型栏位是用于区分不同广播报文的优先顺序；该生命期栏位是用于控制该广播报文的最大转发跳数，以此来限制泛洪机制下的广播报文数目；其中，该生命期栏位的初始值E设置步骤细化为步骤（D1）至步骤（D4）：

步骤（D1）：根据以下公式（2）计算一连通集合直径期望的值为E(Cluster_size)，

公式（2）： $E(\mathrm{Cluster}\_\mathrm{size})=\frac{1-e^{-{\mathrm{\&rho;}}_1{R}_1}}{{\mathrm{\&rho;}}_1\&CenterDot;e^{-{\mathrm{\&rho;}}_1{R}_1}};$

步骤（D2）：根据以下公式（3）计算一连通集个数期望的值为E(Cluster_number)，其中，L₁是该移动方向上某一路段的地理距离，

公式（3）： $E(\mathrm{Cluster}\_\mathrm{number})=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_1{L}_1\&CenterDot;e^{-{\mathrm{\&rho;}}_1{R}_1}}{1-e^{-{\mathrm{\&rho;}}_1{R}_1}};$

步骤（D2）：根据，得到该第一车辆节点调整后的该最大通信距离设为R₂；并且，令该移动方向的上源车辆节点所期望的广播地理距离为L_b，则Cluster_size′为实际的广播范围，其中，

Cluster_size′={Cluster_size,L_b}_min；之后，根据以下情形其中的一来设置生命期栏位的初始值E(TTL)：

情况(a)：如果，且Cluster_size<L_b，则

$E\left(\mathrm{TTL}\right)=[{\mathrm{\&rho;}}_1{L}_b\&CenterDot;(\frac{2}{n_0}+\frac{e^{-\frac{n_0}{2}}}{1-e^{-\frac{n_0}{2}}})];$

情况(b)：如果，且Cluster_size≧L_b，则

$E\left(\mathrm{TTL}\right)=\left[\frac{2{\mathrm{\&rho;}}_1{L}_b}{n_0}\right];$

情况(c)：如果，且Cluster_size<L_b，则

$E\left(\mathrm{TTL}\right)=\&lsqb;\frac{L_b}{R_1}+\frac{{\mathrm{\&rho;}}_1{L}_b\&CenterDot;e^{-{\mathrm{\&rho;}}_1{R}_1}}{1-e^{-{\mathrm{\&rho;}}_1{R}_1}}\&rsqb;;$

情况(d)：如果，且Cluster_size≧L_b，则

$E\left(\mathrm{TTL}\right)=\left[\frac{L_b}{R_1}\right].$

20.根据权利要求19项所述的车联网系统，其特征在于，在步骤(D)后更包括以下步骤：

步骤(E)：由一第二车辆节点，接收到由该第一车辆节点以该第二发射功率值所广播的该广播报文，并由该第二车辆节点在该广播报文一首部的可选部分纪录一中继转发节点信息后，再由该第二车辆节点广播出去；

步骤(F)：由该第二车辆节点解析该广播报文查看是否包含有一紧急消息，若有，则发出警示。

21.根据权利要求20所述的车联网系统，其特征在于，若是该第二车辆节点在同一时间段收到多条包含该紧急消息的广播报文，则该第二车辆节点根据包含该紧急消息的广播报文的该消息类型栏位的值来排定一优先顺序情况、以及根据包含该紧急消息的广播报文的来源车辆节点相对于该第二车辆节点的相对位置，给出最终的一紧急消息处理优先顺序。

22.根据权利要求15所述的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法，其特征在于，该第一通信通道以及该第二通信通道都是符合IEEE802.11p标准的通信通道。