CN104753691B - 基于车车协作的车联网紧急消息多跳广播传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于车车协作的车联网紧急消息多跳广播传输方法，该方法通过周期性广播信标消息的机制来使得车辆节点有效识别周围邻居车辆的位置、速度、行驶方向以及信道质量等相关信息，当车辆发生突发事故后，该车辆根据周围邻居的相关信息来选择最合适的协作车辆，并将该协作车辆的IP地址放到紧急消息中，得到格式一致的数据，然后广播该紧急消息给周围车辆节点；当该协作车辆接收到该消息后立即广播该消息给后面的车辆而无需设置退避等待时间，其他车辆则根据自己跟突发事故车辆的运动方向、位置关系进行判断，决定采取相应的措施或丢弃该消息。与现有技术相比，本发明具有紧急消息传输可靠性高、可进行高效传递等优点。

Description

基于车车协作的车联网紧急消息多跳广播传输方法

技术领域

本发明涉及车联网中的智能交通技术，尤其是涉及一种基于车车协作的车联网紧急消息多跳广播传输方法。

背景技术

在道路交通安全和智能交通方面，以车到车无线通信为基础，通过所有车辆的状态信息(包括属性信息和静、动态信息等)与道路交通环境信息(包括道路基础设施信息、交通路况、服务信息等)的信息共享，及时、可信地进行数据交换实现安全驾驶和舒适驾驶的功能。基于车车通信或车路通信，结合车载GPS和CAN总线，车载主动安全系统可以提前通知驾驶员可能发生的危险状况，辅助安全驾驶，从而极大地避免了安全事故的发生。

车联网主动安全应用是智能交通领域重要的基础技术，具有高度的实际应用价值，因而受到很多汽车厂商的重点关注。欧洲电信标准化协会(EuropeanTelecommunications Standards Institute,ETSI)在标准技术文档TS102638(Basic setof application definitions)中对各种车联网主动安全应用场景做出了规范，并定义了安全消息的基本格式和传递机制。目前这方面的研究主要集中在欧美，国内的主要汽车厂商也联合高校做出了较深入的研究。

高速公路具有车流量大、行车速度快等特点，所以比较容易发生突发事故，因此需要大量的人力和物力去协调才能保证交通安全。目前，大部分道路突发事故处理方式仅为事故告警牌提示，或由交警现场指挥，容易造成大面积、长时间的交通拥塞，以及在未知前方突发事故的情况下后续车辆继续驶入事故道路，造成更严重的拥堵。所以突发事故提示技术是解决道路拥塞、控制交通流的一个重要的研究课题。

与传统的基于传感器的车载主动安全应用相比，基于车车或车路通信的车联网主动安全应用在有效距离、成本等方面具有明显优势。由于车与车、车与路边单元能够共享信息，所以车联网主动安全应用不受距离的限制。另外，它对传感器的精密性要求并不高，极大地降低了成本，具有很高的实际推广价值。在实际应用中，由于驾驶员难以在短时间内对紧急事件采取措施，据研究表明如果在碰撞前半秒给予驾驶员警告就可以避免60％的事故发生。预警机制应当具有实时快速、高可靠、算法简单实用的特性，本发明因此而来。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种紧急消息传输可靠性高、可进行高效传递的基于车车协作的车联网紧急消息多跳广播传输方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于车车协作的车联网紧急消息多跳广播传输方法，包括以下步骤：

1)各车辆节点实时接收邻居车辆节点的信标消息并进行处理，获得局部范围内的拓扑信息，并为每个邻居车辆节点计算一个权重值；

2)一车辆节点发生突发事故后，生成紧急消息，将权重值最小的n个邻居车辆节点作为协作车辆，并将各协作车辆的IP地址加入所述紧急消息中，以固定格式进行广播；

3)接收到紧急消息的邻居车辆节点判断该紧急消息是否存在，若是，则忽略该紧急消息，若否，则执行步骤4)；

4)接收到紧急消息的邻居车辆节点判断自身与突发事故车辆的运动方向是否一致，若是，则执行步骤5)，若否，则忽略该紧急消息；

5)接收到紧急消息的邻居车辆节点判断自身是否处于突发事故车辆的后方，若是，则执行步骤6)，若否，则忽略该紧急消息；

6)接收到紧急消息的邻居车辆节点判断该紧急消息的生存跳数是否为零，若是，则忽略该紧急消息，若否，则执行步骤7)；

7)接收到紧急消息的邻居车辆节点判断该紧急消息中协作车辆的IP地址是否与自身IP地址相同，若是，则执行步骤8)，若否，则忽略该紧急消息；

8)复制接收到的紧急消息，选出自身的n个协作车辆，并以选出的协作车辆的IP地址替换原先紧急消息中的协作车辆IP地址，广播修改后的紧急消息；

9)其它邻居车辆节点重复步骤4)-8)。

所述信标消息包括从CAN数据总线和GPS模块获取的车辆信息，该信标信息以固定周期广播给邻居车辆节点。

所述车辆信息包括车辆速度、车辆方向角、地面航向角、经纬度坐标数据以及从物理层得到的SNR值。

所述步骤1)中，为每个邻居车辆节点计算一个权重值的计算方式如下：

其中，Weight为权重值，m_txTh为车辆节点的最大传输距离，nb_dist邻居车辆节点与车辆节点间的距离，根据GPS的经纬度坐标数据计算得到，SNR、SNR_min、SNR_thresh分别为物理层的信噪比及其最小值和门限值，ALPHA、BETA为常数。

所述固定格式具体为：

交通状况，车辆IP，消息编号，车辆方向，车辆位置，协作车辆1的IP，协作车辆2的IP，……，协作车辆n的IP，消息生存跳数。

所述n取值为2。

所述步骤7)具体为：

701)接收到紧急消息的邻居车辆节点判断该紧急消息中协作车辆1的IP是否与自身IP地址相同，若是，则执行步骤8)，若否，执行步骤702)；

702)接收到紧急消息的邻居车辆节点判断该紧急消息中协作车辆2的IP是否与自身IP地址相同，若是，则执行步骤703)，若否，则忽略该紧急消息；

703)接收到紧急消息的邻居车辆节点判断在设定的等待时间内是否监听到协作车辆1广播的该紧急消息，若是，则停止等待，忽略该紧急消息，若否，则执行步骤8)。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明在某车辆节点发生突发事故后，将协作车辆的IP放到紧急消息中，然后广播该消息给后方车辆，当协作车辆接收到该紧急消息后立即广播该消息而无需设置退避等待时间，紧急消息可进行高效传递；

(2)本发明通过为突发事故车辆节点选择协作车辆，规定只有协作车辆才具有转发紧急消息的权利，每次只有一个协作车辆转发该消息，不会引起广播风暴问题，所以能够实时可靠地将该紧急消息广播到相关区域，提高了紧急消息传输的实时性；

(3)本发明设置了两个协作车辆，选取了协作车辆2来预防协作车辆1广播失败的情况，提高了紧急消息传输的可靠性；

(4)本发明在选择协作车辆时，通过用SNR值来预测车辆间的信道质量，从而选择与突发事故车辆节点之间信道质量较好的车辆作为中继车辆，提高紧急消息传输的可靠性；

(5)本发明设置有控制消息的生存跳数，从而有效控制实时传播范围；

(6)本发明方法实施方便，成本低。

附图说明

图1为本发明的适用场景示意图；

图2为本发明的算法逻辑流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本实施例提供一种基于车车协作的车联网紧急消息多跳广播传输方法，根据本车与邻居车辆的位置关系，为每辆车选择协作车辆来广播紧急消息，避免二次事故的发生，其中本车表示发生突发状况的车辆，协作车辆表示在该车辆传输可达范围内选择的中继车辆节点。应理解，任何搭载了本预警系统的车辆都可以认为是本车，本车与邻居车辆只是一个相对的概念。车辆的车载终端以固定频率(如5Hz，与不同车型的CAN协议相关)从CAN口总线获取车辆的速度。车载GPS系统以固定频率(如1Hz，与不同的GPS型号相关)更新GPS数据。车辆节点通过无线通信技术(如DSRC)以0.1s的周期互相交换各自的数据信息，当突发事故车辆需要广播紧急消息时先从周围邻居节点找到协作车辆，本实施例中，协作车辆为2辆，一辆为冗余设置，然后以固定的格式广播该消息给周边车辆，周边车辆接到广播消息，根据判定条件，决定是否转发该紧急消息。

如图2所示，本方法具体包括以下步骤：

在步骤S101中，正常情况下，各车辆节点正常通讯。

车辆通过CAN数据总线和GPS模块，获取自身车辆信息，并将该消息组合成信标消息广播给周围邻居车辆节点，其中数据信息包括：车辆速度、车辆的方向角、地面航向角、GPS的经纬度坐标数据以及从物理层得到的SNR值，并以1Hz的频率广播信标消息。各车辆节点实时接收邻居车辆节点的信标消息并进行处理，获得局部范围内的拓扑信息，并为每个邻居车辆节点计算一个权重值，计算方式如下：

其中，Weight为权重值，m_txTh为车辆节点的最大传输距离，视具体发射功率和设备而定，nb_dist邻居车辆节点与车辆节点间的距离，根据GPS的经纬度坐标数据计算得到，SNR、SNR_min、SNR_thresh分别为物理层的信噪比及其最小值和门限值，SNR_min为9.75dB，SNR_thresh为15dB，ALPHA、BETA为常数，ALPHA为-0.03628，BETA为-5.25。

周围车辆节点与突发事故车辆节点的距离可以根据GPS的经纬度坐标数据计算得到，具体原理如下：

假设A车辆的车载GPS经纬度为(lon_A,lat_A)，突发事故车辆的车载GPS经纬度为(lon_B,lat_B)。按照零度经线的基准，东经取经度的正值(Longitude)，西经取经度的负值(-Longitude)，北纬取90-纬度值(90-Latitude)，南纬取90+纬度值(90+Latitude)。经过上述变换处理后的GPS经纬度分别表示为(Mlon_A,Mlat_A)和(Mlon_B,Mlat_B)。

根据三角推导，可以得到本车离突发事故车辆的距离(实际是车载GPS之间的距离)的公式：

C＝sin(Mlat_A·π/180)·sin(Mlat_B·π/180)·cos((Mlon_A-Mlon_B)·π/180)

+cos(Mlat_A·π/180)·cos(Mlat_B·π/180)

nb_dist＝R·arccos(C)·π/180

式中，R表示地球半径，算法中取值为6371004m，nb_dist的单位也是m。

步骤S102中，一车辆节点发生突发事故后，生成紧急消息，将权重值最小的2个邻居车辆节点作为协作车辆，并将各协作车辆的IP地址加入所述紧急消息中，以固定格式进行广播。固定格式具体为：

交通状况，车辆IP，消息编号，车辆方向，车辆位置，协作车辆1的IP，协作车辆2的IP，消息生存跳数。

步骤S103中，周边车辆接收到紧急消息后，如本实施例图1中(1)、(2)、(3)区行驶的车辆接收到该紧急消息后，判断该紧急消息是否存在，若是，则表示接收过该消息，忽略该紧急消息，若否，则执行步骤S104。

在步骤S104中，图1中(1)、(2)、(3)区的行驶车辆根据紧急消息中的突发事故车辆方向角，得到行驶车辆节点与突发事故车辆节点方向角之差，判断自身与突发事故车辆的运动方向是否一致，若是，则执行步骤S105，若否，则忽略该紧急消息。运动方向是否一致的判断具如下：

假设行驶车辆节点经纬度(Lng1,Lat1)和突发事故车辆节点经纬度(Lng2,Lat2)的地面航向角分别为α1和α2，且行驶车辆节点、突发事故车辆节点的地面航向角之差α＝α1-α2；行驶车辆节点与突发事故车辆节点行驶方向一致的判断依据是：行驶车辆节点、突发事故车辆节点的地面航向角之差α在区间(-45°，45°)中；在实施例中，由于图1中(3)区中行驶车辆与突发事故车辆的地面航向角之差不在区间(-45°，45°)内，所以图1中(3)区中行驶的车辆接收到广播的紧急消息后忽略该消息，而图1中(1)区和(2)区中行驶车辆与突发事故车辆的地面航向角之差在区间(-45°，45°)，方向一致。

在步骤S105中，图1中(1)、(2)区行驶车辆根据收到的紧急消息中的突发事故车辆方向角和突发事故车辆位置，得到周围车辆节点与突发事故车辆节点的位置关系，判断自身是否处于突发事故车辆的后方，若是，则执行步骤S106，若否，则忽略该紧急消息。

行驶车辆处于突发事故车辆后方的判断依据是：当0°＜α1＜90°或270°＜α1＜360°时，当Lat2-Lat1＜0表示行驶车辆位于突发事故车辆的后方；当90°＜α1＜270°时，Lat2-Lat1＞0表示行驶车辆位于突发事故车辆的后方；由于图1中(2)中行驶的车辆不满足处于突发事故车辆后方的判决条件，故接收到广播的紧急消息后，忽略，不转发；而(1)区中行驶的车辆满足处于突发事故车辆后方的条件。

在步骤S106中，图1中(1)区的车辆判断该紧急消息的生存跳数是否为零，若是，则忽略该紧急消息，若否，则执行步骤S107。

在步骤S107中，图1中(1)区的车辆根据紧急消息中协作车辆的IP地址，判断自己的IP是否与协作车辆1的IP相同，如果相同，则执行步骤S108，如果不相同，则需执行步骤S109。

在步骤S108中，本例中，假设车辆4的权重值最小，为协作车辆1，则该车辆复制接收到的紧急消息，选出自身的2个协作车辆，并以选出的协作车辆的IP地址替换原先紧急消息中的协作车辆IP地址，广播修改后的紧急消息。

在步骤S109中，图1中(1)区的车辆根据紧急消息中协作车辆的IP地址，判断自己的IP是否与协作车辆2的IP相同，如果相同，则需执行步骤S110，否则不转发该消息，只是采取相应的措施避免二次事故的发生。

在步骤S110中，本例中，假设车辆3为协作车辆2，则其在接收到紧急消息后设定一个等待时间(0.1s)，如果在该等待时间内，没有听到协作车辆1广播该消息，则广播该紧急消息，如果听到协作车辆1广播了该紧急消息，则停止等待，不广播该消息。

其它邻居车辆节点再根据步骤S103进行后续判断。

以上是由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实例中所采用的实施条件可以根据不同厂家的具体条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规试验中的条件。

Claims (4)

1.一种基于车车协作的车联网紧急消息多跳广播传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)各车辆节点实时接收邻居车辆节点的信标消息并进行处理，获得局部范围内的拓扑信息，并为每个邻居车辆节点计算一个权重值；

所述信标消息包括从CAN数据总线和GPS模块获取的车辆信息，该信标信息以固定周期广播给邻居车辆节点，所述车辆信息包括车辆速度、车辆方向角、地面航向角、经纬度坐标数据以及从物理层得到的SNR值；

为每个邻居车辆节点计算一个权重值的计算方式如下：

<mrow> <mi>W</mi> <mi>e</mi> <mi>i</mi> <mi>g</mi> <mi>h</mi> <mi>t</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>m</mi> <mo>_</mo> <mi>t</mi> <mi>x</mi> <mi>T</mi> <mi>h</mi> </mrow> <mrow> <mi>n</mi> <mi>b</mi> <mo>_</mo> <mi>d</mi> <mi>i</mi> <mi>s</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>*</mo> <msup> <mn>2</mn> <mrow> <mi>S</mi> <mi>N</mi> <mi>R</mi> <mi>F</mi> <mi>u</mi> <mi>n</mi> <mi>c</mi> <mi>t</mi> <mi>i</mi> <mi>o</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>S</mi> <mi>N</mi> <mi>R</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msup> </mrow>

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其中，Weight为权重值，m_txTh为车辆节点的最大传输距离，nb_dist邻居车辆节点与车辆节点间的距离，根据GPS的经纬度坐标数据计算得到，SNR、SNR_min、SNR_thresh分别为物理层的信噪比及其最小值和门限值，ALPHA、BETA为常数；

2)一车辆节点发生突发事故后，生成紧急消息，将权重值最小的n个邻居车辆节点作为协作车辆，并将各协作车辆的IP地址加入所述紧急消息中，以固定格式进行广播；

3)接收到紧急消息的邻居车辆节点判断该紧急消息是否存在，若是，则忽略该紧急消息，若否，则执行步骤4)；

4)接收到紧急消息的邻居车辆节点判断自身与突发事故车辆的运动方向是否一致，若是，则执行步骤5)，若否，则忽略该紧急消息；

5)接收到紧急消息的邻居车辆节点判断自身是否处于突发事故车辆的后方，若是，则执行步骤6)，若否，则忽略该紧急消息；

6)接收到紧急消息的邻居车辆节点判断该紧急消息的生存跳数是否为零，若是，则忽略该紧急消息，若否，则执行步骤7)；

7)接收到紧急消息的邻居车辆节点判断该紧急消息中协作车辆的IP地址是否与自身IP地址相同，若是，则执行步骤8)，若否，则忽略该紧急消息；

8)复制接收到的紧急消息，选出自身的n个协作车辆，并以选出的协作车辆的IP地址替换原先紧急消息中的协作车辆IP地址，广播修改后的紧急消息；

9)其它邻居车辆节点重复步骤4)-8)。

2.根据权利要求1所述的基于车车协作的车联网紧急消息多跳广播传输方法，其特征在于，所述固定格式具体为：

交通状况，车辆IP，消息编号，车辆方向，车辆位置，协作车辆1的IP，协作车辆2的IP，……，协作车辆n的IP，消息生存跳数。

3.根据权利要求2所述的基于车车协作的车联网紧急消息多跳广播传输方法，其特征在于，所述n取值为2。

4.根据权利要求3所述的基于车车协作的车联网紧急消息多跳广播传输方法，其特征在于，所述步骤7)具体为：

701)接收到紧急消息的邻居车辆节点判断该紧急消息中协作车辆1的IP是否与自身IP地址相同，若是，则执行步骤8)，若否，执行步骤702)；

702)接收到紧急消息的邻居车辆节点判断该紧急消息中协作车辆2的IP是否与自身IP地址相同，若是，则执行步骤703)，若否，则忽略该紧急消息；

703)接收到紧急消息的邻居车辆节点判断在设定的等待时间内是否监听到协作车辆1广播的该紧急消息，若是，则停止等待，忽略该紧急消息，若否，则执行步骤8)。