CN104835316A - 一种基于车流量密度的vanet稀疏连通问题解决方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于车流量密度的VANET稀疏连通问题解决方法，属于通信技术领域，用于城市车辆网络通信。其特征是根据车辆周围车流量密度的大小选择贪婪转发策略，以保证整个网络的效率。车辆间通过Hello数据包来维护邻居列表，当车辆周围车流量密度较大时，选择邻居列表中距离目的节点欧氏距离最近的节点作为下一跳进行数据转发，而当车辆周围车流量密度较小时，车辆处于稀疏连通区域，此时选择邻居节点中向目标节点移动最快的节点作为下一跳进行数据传递，保证整个网络的效率。仿真实验表明，这种方法在车流量密度较小的情况下比传统的GPSR协议丢包率更少，传达率更高。

Description

一种基于车流量密度的VANET稀疏连通问题解决方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种基于车流量密度的VANET稀疏连通问题解决方法，在高速公路环境中使车辆迅速脱离稀疏连通区域，提高整个网络的效率。

背景技术

随着经济实力与科技水平的迅速发展，车辆数目的增加会引发交通堵塞、停车困难、事故频发等一系列社会问题，车辆自组织网络VANET(VehicularAd-hoc Network)正是为了解决车辆无线通信问题而提出的。

随着电子技术的飞速发展与GPS定位系统的普及，将GPS应用于VANET路由协议已经成为研究热点。这种方法主要利用GPS或其他定位设备获得该节点的地理位置信息，并基于地理位置，建立自己的转发策略，不需要获取并更新整个网络的拓扑信息，极大的减少了拓扑算法中产生的路由开销。

VANET中一个难题是稀疏连通问题，当车辆行驶到车流量密度较小的区域时，随着周围车辆的减少，寻找合适的下一跳节点变得十分困难，本发明针对这一问题，基于车流量密度给出了一个解决方法。

发明内容

本发明解决了VANET中的稀疏连通问题，通过车辆周围邻居节点的个数确定车流量密度，并以此来选择不同的贪婪转发策略进行数据转发，使得位于稀疏连通区域的车辆尽快脱离该区域，提高整个数据传递过程中的传递效率。

为实现上述目的，如图1所示，本发明的技术方案包含如下步骤：

(1)邻居列表的维护：当车辆在道路中行进时，周期性的广播Hello数据包；车辆收到邻居节点发来的Hello数据包，则认为该节点为邻居节点；如果该节点已经在邻居列表中，则更新该条目的数据；否则，新建一个条目，将该邻居节点的信息插入。其中，Hello数据包的数据字段包括车辆位置信息、车辆行进方向和车辆瞬时速度；车辆位置信息通过统一的位置服务来获得，车辆行进方向与车辆瞬时速度通过车载传感器获得。

(2)车流量密度计算：将车辆邻居列表中节点的数目作为车流量密度的评定标准，判断车辆当前是否处于稀疏连通状态。邻居节点数目的阈值根据该街道正常交通状况而确定。

(3)数据转发：当车辆收到邻居发送的数据包后，解封装查看数据包的目的节点的信息，如果该节点位于邻居列表中，则直接进行数据转发；如果该节点不在邻居列表中，则根据车流量密度分情况处理：如果车流量密度小，车流量提前设定，则选择邻居列表中距离目的节点最近的作为下一跳进行数据转发，节点的位置信息通过统一的位置服务来获得，根据两个节点的位置信息可以计算出两个节点的欧氏距离；如果车流量密度大，则选择邻居列表中向目的节点方向移动最快的作为下一跳进行数据转发。根据目标节点位置，某一邻居节点当前位置，行进方向与瞬时速度可以计算出车辆的速度在目标节点方向上的矢量值，作为稀疏连通状态时，节点选择下一跳节点的依据。

本发明的基于车流量密度的VANET稀疏连通问题解决方法，在车流量密度较小的情况下比传统的GPSR协议丢包率更少，传达率更高。

附图说明

图1为本发明的路由选择流程图。

图2为贪婪转发算法示意图。

图3为局部最优情况示意图。

图4为CAD值计算方法示意图。

图5车流量对传达率影响的仿真结果。

图6车流量对转发率影响的仿真结果。

具体实施方式

针对VANET在稀疏连通状态时表现不佳的问题，考虑了车流量密度与车辆的移动性等因素，我们提出了一种基于车流量密度的VANET稀疏连通问题解决方案。采用车流量密度分层的方法，当车流量密度较大时，车辆移动性对数据传输影响较小，采用贪婪转发的策略，让数据主要通过路由转发的方式进行传递；当车流量密度较小时，会陷入稀疏连通区域，车辆移动性对数据传输影响较大，这里我们采用基于移动向量的策略，通过车辆的运动方向与速度大小进行预测，选择朝向目标节点趋势最大的节点，尽可能的让该节点携带数据离开稀疏联通状态区域。

邻居节点的维护：每个节点的邻居列表如表1所示。采用周期性的广播Hello消息来维护邻居列表，Hello消息中包含节点的ID，位置信息，速度与方向。设定系统周期为B，则两次Hello消息之间的发送间隔在[0.5B，1.5B]之间随机选取，以降低节点周围有多个邻居节点时产生冲突的概率。

当节点收到邻居节点的Hello信息，若邻居列表中没有该节点，则新建一个条目，否则将该邻居的信息更新。在T＝4.5B时间内，若节点没有收到一个邻居节点的任何信号，则认为该节点已失效或不在自己的通信范围内，将该节点从邻居列表中删除。

表1邻居列表

ID	位置信息	速度	方向	时间
					1	(Xa，Ya)	25	同向	B
2	(Xb，Yb)	26	反向	3B
					3	(Xc，Yc)	23	同向	2B

贪婪转发策略：当节点附近邻居节点较多时，采用贪婪转发策略进行数据传递。如图2，当源节点S要向目的节点D发送数据分组时，首先查找邻居列表，发现节点D不在邻居列表中，然后计算节点S周围每个邻居节点到达目标节点D的距离，通过计算可知，节点A距离目标节点最近，所以把数据发送到距离目的节点最近的邻居节点A，然后节点A在它的邻居列表中查询，发现节点D位于其邻居列表中，则直接将数据传递给节点D，本次数据传递结束。

当产生图3所示的情况时，我们称之为“局部最优”状态，即没有比自身距离目的节点更近的下一跳节点。此时，我们选择让节点S携带数据包继续前进，直到下一周期重新计算邻居节点到目标节点的距离。因为车辆在道路中前行是可预知的，而且车辆一般都会遵循跟驰模型，形成车队前行。如果我们按照GPSR协议所提出的右手定则选择节点C作为下一跳节点，在下一时刻节点C计算的下一跳节点很有可能是节点S，这样只是增加了链路开销，使得数据传递过程中丢包率更大，对传递效率并没有明显改进。所以我们决定当节点处于“局部最优”状态时，节点自身携带数据直到下一周期重新计算下一跳的邻居节点。

距离向量转发策略：当节点附近邻居节点较少时，采用距离向量转发策略。此时，节点处于稀疏连通状态，选择的下一跳节点很有可能并不是最优选择，我们的协议决定当节点处于稀疏连通状态时，降低数据传递次数，尽快让该节点离开稀疏连通状态，避免由于稀疏连通而对整个网络造成干扰。

在图4中，当节点S携带数据，要将数据发送到节点D。此时需要根据自己和邻居节点的移动方向，选择最大速度靠近目的节点的邻居节点作为下一跳节点来传递数据。从图中可以看出，节点A以最大速度靠近目标节点，所以节点S选择节点A作为下一跳节点将数据传递给A。而在下一时刻，很有可能节点A仍然是以最大速度靠近目标节点的，此时我们让节点A继续携带数据前进。

为了更方便的比较节点靠近目标节点的速度，我们提出了RCD值，具体按照公式(1)进行计算。其中，源节点S的位置为(x1,y1)，邻居节点A当前位置为(x2，y2)，根据速度与方向估算出其下一周期的位置为(x3，y3)，t为计算周期。则可以计算出节点A的RCD值。

$\mathrm{RCd}=\frac{V\·S}{\left|S\right|}=\frac{(x2-x1)(x3-x1)+(y2-y1)(y3-y1)}{t\×\sqrt{{(x3-x1)}^2+{(y3-y1)}^2}}---\left(1\right)$

按照这种方法计算出每个节点的RCD值，选取RCD最大的节点作为下一跳节点，当节点自身的RCD值最大时，节点携带数据，在下一时刻再次计算所有邻居的RCD值。

为了验证本发明的效果，采用MATLAB进行仿真验证，对转发策略进行了适当的简化。首先模拟出高速公路双车道路段共1000米，车辆采用元胞自动机模型生成，使用跟驰模型行进，在道路入口处随机产生车辆，车辆在道路中行进，按一定概率产生数据包并确定目的节点进行转发。仿真10分钟后，统计数据的转发率与传达率。从图5中可以看出，GPSR协议在车流量密度较小时，由于邻居节点数目较少，下一跳节点的选择不足，容易出现循环转发的情况，导致传递率降低，而本发明在车流量密度较小时，会选择向目标节点移动速度最大的点进行数据转发，会提高数据的传达率。而在车流量密度较大时，两种方法都可以从邻居节点中选择出最优的下一跳节点，所以传递率相当。从图6中可以看出，GPSR协议在车流量密度较小时转发率更高，因为邻居节点不足，而GPSR当局部最优时必须选择一个邻居进行转发，这样就导致数据的循环转发，产生反复的情况，会提高转发率，增加网络开销，并未对整个路由产生积极作用。而车流量密度较大时，两种协议都能找到最优的下一跳节点，所以转发率相当。

Claims (1)

1.一种基于车流量密度的VANET稀疏连通问题解决方法，其特征在于：

(1)邻居列表维护

当车辆在道路中行进时，周期性的广播Hello数据包；车辆收到邻居节点发来的Hello数据包，则认为该节点为邻居节点；如果该节点已经在邻居列表中，则更新该条目的数据；否则，新建一个条目，将该邻居节点的信息插入；

其中，Hello数据包的数据字段包括车辆位置信息、车辆行进方向和车辆瞬时速度；车辆位置信息通过统一的位置服务来获得，车辆行进方向与车辆瞬时速度通过车载传感器获得；

(2)车流量密度计算

将车辆邻居列表中节点的数目作为车流量密度的评定标准，判断车辆当前是否处于稀疏连通状态；邻居节点数目的阈值根据道路正常交通状况而确定；

(3)数据转发

当车辆收到邻居发送的数据包后，解封装查看数据包的目的节点的信息，如果该节点位于邻居列表中，则直接进行数据转发；如果该节点不在邻居列表中，则根据车流量密度分情况处理：

如果车流量密度小，则选择邻居列表中距离目的节点最近的作为下一跳进行数据转发；

如果车流量密度大，则选择邻居列表中向目的节点方向移动最快的作为下一跳进行数据转发；

两个节点的位置信息计算出两个节点的欧氏距离，根据目标节点位置，某一邻居节点当前位置，行进方向与瞬时速度计算出车辆的速度在目标节点方向上的矢量值，作为稀疏连通状态时，节点选择下一跳节点的依据。