CN105338067A - 一种基于网络编码的车联网数据传输方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车联网数据传输方法及系统，该方法包括：数据源车辆使用网络编码将待发送数据转换为编码块，向路径共享服务器请求数据转发路径；所述路径共享服务器接收所述数据转发路径的请求；获取各个车辆发送的规划路径信息，确定到达数据目的车辆的数据转发路径，将所述数据转发路径返回至所述数据源车辆；所述数据源车辆接收到所述数据转发路径后，将所述数据转发路径上各个路径中间车辆的身份信息标识在所述编码块上，向外发送；所述路径中间车辆将接收到的所述编码块转发至所述数据目的车辆。本发明将网络编码技术引入到车联网中，利用网络编码的抗干扰能力，大大提高了车联网数据传输的可靠性。

Description

一种基于网络编码的车联网数据传输方法及系统

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，特别是涉及一种车联网数据传输方法及系统。

背景技术

车联网是一种车辆与网络互通的移动通信系统。随着我国汽车保有量的迅速扩大，车联网成为智能交通系统(ITS)发展的主要方向。作为物联网与移动互联网在汽车领域的一个应用分支，车联网节点移动迅速、运算和存储能力强、能量充足，与一般移动网络相比，车联网具有拓扑变化快、通信时间短等特点。如果车联网节点之间直接使用移动自组织网络路由传递数据，上述特点将使得包转发成功的概率大大降低，数据传输的可靠性无法保证。

在车联网内构建基站等固定基础设施是提高其数据传输可靠性、减少传输时延的主要手段。使用3G/4G基站可以实现车联网内节点之间的通信，但是昂贵的接入费用和不稳定的服务质量成为影响其大规模使用的障碍。802.11pDSRC/WAVE使用5.9GHz的电磁波实现了高速车辆之间以及高速车辆与基础设施之间的数据交换，这样车联网数据链路层以802.11技术为基础的成为未来的主要发展方向。但是，车辆的移动范围很大，而802.11的AP覆盖范围有限，难以形成类似蜂窝移动通信的全区域覆盖网络，大范围的AP未覆盖区域会形成通信盲区。车辆在经过盲区时，必然会产生很大的通信时延，甚至会出现通信失败。

利用AP与车辆协作通信是现在提高数据在盲区内传输可靠性的主要方式。AP可以通过预测路过车辆的行驶路线、与目标车辆的相遇时刻等，来确定数据转发的下一跳。当车辆在一个AP区内不能完成它的数据传输时，下一个AP点计算用户和注册车辆在盲区的相遇时间和通信时长，选择一组协助车辆来携带用户所需数据。在车辆运行稳定的情况下，这种协作通信的方式可以减少盲区数据包的丢失率。但是，在道路和车辆比较密集的城市地区，车辆的行驶路线和速度是动态变化的，AP难以准确的预测路过车辆与目标车辆的相遇情况，选择到不合适的协作车辆反而会增加数据包丢失率，降低盲区内的传输可靠性。

因此，提供一种可靠性高的车联网数据传输方法及系统是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种车联网数据传输方法及系统，以提高数据传输的可靠性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种车联网数据传输方法，包括：

数据源车辆使用网络编码将待发送数据转换为编码块，向路径共享服务器请求数据转发路径；

所述路径共享服务器接收所述数据转发路径的请求；获取各个车辆发送的规划路径信息，确定到达数据目的车辆的数据转发路径，将所述数据转发路径返回至所述数据源车辆；

所述数据源车辆接收到所述数据转发路径后，将所述数据转发路径上各个路径中间车辆的身份信息标识在所述编码块上，向外发送；

所述路径中间车辆将接收到的所述编码块转发至所述数据目的车辆。

上述方法中，优选的，所述数据源车辆使用网络编码将待发送数据转换为编码块包括：

所述数据源车辆将待发送数据分割成相同预设大小的数据块，使用网络编码将所述数据块转换为编码块。

上述方法中，优选的，还包括：

所述数据目的车辆接收到所述编码块后进行缓存，直到缓存到同一数据包内预设数目的线性无关的编码块后，进行解码。

上述方法中，优选的，所述路径共享服务器获取各个车辆发送的规划路径信息包括：

各个车辆分别生成从出发地到目的地的规划路径，确定所述规划路径上的特定点，所述特定点为所述规划路径上距离参照点最近的点；

根据各个车辆的行驶速度以及路况信息，分别计算所述车辆到达各个特定点的时间；

各个车辆分别将包含有所述特定点的编号、坐标以及到达各个特定点的时间的规划路径信息向外发送；

所述路径共享服务器获取各个车辆发送的规划路径信息。

上述方法中，优选的，所述各个车辆分别将包含有所述特定点的编号、坐标以及到达各个特定点的时间的规划路径信息向外发送包括：

当所述车辆的行驶路径改变，或行驶速率变化超过预设阈值时，对所述规划路径信息进行更新。

上述方法中，优选的，所述各个车辆分别将包含有所述特定点的编号、坐标以及到达各个特定点的时间的规划路径信息向外发送还包括：

各个车辆接收到其他车辆的规划路径信息后，在与所述路径共享服务器之间的连通距离满足预设距离的情况下，对所述规划路径信息进行转发。

上述方法中，优选的，所述获取各个车辆发送的规划路径信息，确定到达数据目的车辆的数据转发路径包括：

所述路径共享服务器计算所述数据源车辆和所述数据目的车辆之间的传输时延；

确定所述数据源车辆和所述数据目的车辆之间连通的连通集合；

根据所述传输时延以及所述连通集合，确定所述数据转发路径。

上述方法中，优选的，所述路径中间车辆将接收到的所述编码块转发至所述数据目的车辆包括：

中间车辆接收到其他车辆转发的编码块后，通过标识在所述编码块上的身份信息，判断是否为所述路径中间车辆；如果是，则向外转发所述编码块；如果否，则丢弃所述编码块。

上述方法中，优选的，还包括：

当所述数据源车辆没有接收到所述数据转发路径后，直接将无标识的编码块向外发送；

所述中间车辆接收到所述无标识的编码块后，根据预设条件判断是否进行转发。

本发明还提供了一种车联网数据传输系统，包括：

车辆以及路径共享服务器，所述车辆包括数据源车辆、中间车辆、路径中间车辆以及数据目的车辆；

其中，所述数据源车辆用于使用网络编码将待发送数据转换为编码块，向所述路径共享服务器请求数据转发路径，并接收所述路径共享服务器确定得到的数据转发路径后，将所述数据转发路径上各个路径中间车辆的身份信息标识在所述编码块上，向外发送；

所述路径共享服务器用于接收所述数据转发路径的请求；获取各个车辆发送的规划路径信息，确定到达数据目的车辆的数据转发路径，将所述数据转发路径返回至所述数据源车辆；

所述路径中间车辆用于将接收到的所述编码块转发至所述数据目的车辆。

本发明所提供的车联网数据传输方法及系统，数据源车辆使用网络编码将待发送数据转换为编码块，向路径共享服务器请求数据转发路径；路径共享服务器获取各个车辆发送的规划路径信息，确定到达数据目的车辆的数据转发路径；数据源车辆根据数据转发路径的信息，将各个路径中间车辆的身份信息标识在编码块上进行发送；路径中间车辆将接收到的编码块转发至数据目的车辆。可见，本发明所提供的车联网数据传输方法及系统，将网络编码技术引入到车联网中，利用网络编码的抗干扰能力，提高了车联网传输的鲁棒性，大大提高了车联网数据传输的可靠性。

附图说明

图1为本发明所提供的车联网数据传输方法的一种具体实施方式的流程图；

图2为在本发明所提供的车联网数据传输方法的另一个具体实施例中路径共享服务器获取各个车辆发送的规划路径信息的流程图；

图3为在本发明所提供的车联网数据传输方法的又一个具体实施例中确定到达数据目的车辆的数据转发路径的流程图；

图4为所有车辆发送规划行驶路径的步骤流程图；

图5为确定所有车辆发送规划行驶路径中特定点和参照点的关系示意图；

图6为路径共享服务器计算数据转发路径的步骤流程图；

图7为数据源车辆进行网络编码的步骤流程图；

图8为目的车辆对编码块进行解码运算的步骤流程图；

图9为中间车辆进行自主判断和重编码运算的步骤流程图；

图10为本发明所提供的车联网数据传输系统的一种具体实施方式的结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所提供的车联网数据传输方法的一种具体实施方式的流程图如图1所示，该方法包括：

步骤S1：数据源车辆使用网络编码将待发送数据转换为编码块，向路径共享服务器请求数据转发路径；

步骤S2：所述路径共享服务器接收所述数据转发路径的请求；获取各个车辆发送的规划路径信息，确定到达数据目的车辆的数据转发路径，将所述数据转发路径返回至所述数据源车辆；

步骤S3：所述数据源车辆接收到所述数据转发路径后，将所述数据转发路径上各个路径中间车辆的身份信息标识在所述编码块上，向外发送；

步骤S4：所述路径中间车辆将接收到的所述编码块转发至所述数据目的车辆。

本发明所提供的车联网数据传输方法，数据源车辆使用网络编码将待发送数据转换为编码块，向路径共享服务器请求数据转发路径；路径共享服务器获取各个车辆发送的规划路径信息，确定到达数据目的车辆的数据转发路径；数据源车辆根据数据转发路径的信息，将各个路径中间车辆的身份信息标识在编码块上进行发送；路径中间车辆将接收到的编码块转发至数据目的车辆。可见，本发明所提供的车联网数据传输方法，将网络编码技术引入到车联网中，利用网络编码的抗干扰能力，提高了车联网传输的鲁棒性，大大提高了车联网数据传输的可靠性。

上述步骤S1中数据源车辆使用网络编码将待发送数据转换为编码块可以具体为：数据源车辆将待发送数据分割成相同预设大小的数据块，使用网络编码将所述数据块转换为编码块。

在本实施例中，还可以进一步包括：

步骤S5：数据目的车辆对接收到的编码块进行解码。

具体地，数据目的车辆接收到编码块后进行缓存，直到缓存到同一数据包内预设数目的线性无关的编码块后，进行解码。

如数据源车辆根据网络状况，发送N个线性无关编码块。在车联网传输过程中，只要丢失的编码块数量小于或等于(N-M)个，目的车辆缓存到同一个数据包的M个线性无关的编码块后，再进行解码运算，就可以将M个数据块进行还原。这样就大大提高了车联网数据传输的可靠性。

在本发明所提供的另一个具体实施例中，如图2所示，上述步骤S2中路径共享服务器获取各个车辆发送的规划路径信息可以具体包括：

步骤S211：各个车辆分别生成从出发地到目的地的规划路径，确定所述规划路径上的特定点，所述特定点为所述规划路径上距离参照点最近的点；

步骤S212：根据各个车辆的行驶速度以及路况信息，分别计算所述车辆到达各个特定点的时间；

步骤S213：各个车辆分别将包含有所述特定点的编号、坐标以及到达各个特定点的时间的规划路径信息向外发送；

步骤S214：所述路径共享服务器获取各个车辆发送的规划路径信息。

优选地，本实施例在当所述车辆的行驶路径改变，或行驶速率变化超过预设阈值时，对所述规划路径信息进行实时更新。

优选地，本实施例还可以进一步包括：

各个车辆接收到其他车辆的规划路径信息后，在与所述路径共享服务器之间的连通距离满足预设条件的情况下，对所述规划路径信息进行转发。例如，车辆接收到其他车辆的规划行驶路径后，如果发现自己可以到达PSS(路径共享服务器)，则转发该路径信息；否则丢弃大于5跳的路径信息，保留并转发小于5跳的路径信息。

具体地，车联网系统中的所有车辆可以通过GPS系统查找将要驶往的目的地，并使用导航系统生成其到目的地的行驶路径。将自己的GPS导航中的规划行驶路径进行处理。并根据GPS的路径、路况和车辆的行驶速度，计算车辆到达路径各点的时间，并根据车辆的速度和路径变换等不断更新计算结果。

车辆将不同时刻的预估坐标发送给已开启路径共享功能的所有相遇车辆。每个车辆接收到其他车辆发送过来的预估坐标后，与自己的预估坐标整合，周期性的发给相遇的车辆与WiFi接入点。WiFi接入点将收到的车辆的预估坐标发给网络上的路径共享服务器。

在上述任一实施例的基础上，如图3所示，步骤S2中获取各个车辆发送的规划路径信息，确定到达数据目的车辆的数据转发路径可以具体包括：

步骤S221：所述路径共享服务器计算所述数据源车辆和所述数据目的车辆之间的传输时延；

步骤S222：确定所述数据源车辆和所述数据目的车辆之间连通的连通集合；所述连通集合为保证数据源车辆以及数据目的车辆之间是连通的路径的集合。

步骤S223：根据所述传输时延以及所述连通集合，确定所述数据转发路径。

在本实施例中，数据源车辆接收到所述数据转发路径后，将所述数据转发路径上各个路径中间车辆的身份信息标识在所述编码块上，可以具体为当作为数据源的车辆收到PSS返回的、到达目的节点的数据转发路径后，在其编码块前按照顺序添加路径上各个中间节点的ID，然后再将它们向外发送。

而路径中间车辆将所述编码块转发至所述数据目的车辆具体可以为：中间车辆接收到其他车辆转发的编码块后，通过标识在所述编码块上的身份信息，判断是否为所述路径中间车辆；如果是，则向外转发所述编码块；如果否，则丢弃所述编码块。

具体地，当作为中间节点的车辆接收到其他车辆转发过来的编码块时，首先查看该编码块的中间节点ID是否与自己的ID相同。如果相同，则向外转发；如果不同，则丢弃不转发。

进一步地，本实施例还可以包括：

当所述数据源车辆没有接收到所述数据转发路径后，直接将无标识的编码块向外发送；中间车辆接收到所述无标识的编码块后，根据预设条件判断是否进行转发。

即，当作为数据源的车辆没有收到PSS返回的、到达目的车辆的数据转发路径时，直接将这些编码块向外发送；而中间车辆接收到该没有中间节点ID的编码块时，则根据其本身的坐标、移动方向、编码块的数据目的车辆和数据源车辆坐标等信息判断是否转发该编码块。

本发明实施例将GPS系统中的定位和导航信息引入到车联网中，利用其中的数据预估车辆在不同时刻的位置。编码块在传输过程中，只有预估将处于到达目的端路径附近的车辆才会转发该块，距离传输路径较远的车辆会将其丢弃。这样就缩小了编码块在车联网中的传输范围，减少了冗余编码块的数量，提高了网络的可扩展性。

此外，本发明将车辆的移动速度、规划行驶路径等信息引入到车联网络中，利用PSS计算各个车辆间的预估传输路径。编码块在缩小转发范围的基础上，不会选择较长的路径、绕到较远的车辆进行传输。PSS从全局角度根据所有车辆的预估轨迹计算数据的传输路径，提高了数据包路由选择的准确性，减少了编码块在车联网中的传输时延。

本发明中的关键步骤包括：对规划行驶路径、数据转发路径确定、数据源车辆网络编码运算、目的车辆解码运算、中间车辆自主判断与重编码运算的过程。下面分别通过具体实施例对其实施的过程进行详细说明。

如图4所有车辆发送规划行驶路径的步骤流程图所示，其具体包括：

步骤S101：根据导航系统生成的规划路径，求解路径上的特定点。特定点是指规划路径上距离参照点最近的点。参照点是系统指定地理坐标的点，需要指出的是，这些点物理上并不存在，仅仅是根据经纬度等位置信息指定的参考点。

图5给出了特定点和参照点的关系，其中SP(i,j)是车辆i的第j个特定点，DP(u,v)是横向编号为u、纵向编号为v的参照点。SP(i,j)有u、v、x、y、t五个分量，分别表示距离它最近的参照点的横、纵向编号，该点的横、纵坐标，以及通过该点的时间。公式(1)给出了x、y分量的计算方法，其中各个参数的含义如图5所示。

$\left\{\begin{array}{c}SP{(i,j)}_x=DP{(u,v)}_x+\mathrm{sgn}\left(\cos \mathrm{\α}\right)*\frac{xa*{\mathrm{yb}}^2}{{\mathrm{xa}}^2+{\mathrm{yb}}^2};\\ SP{(i,j)}_y=DP{(u,v)}_y+\mathrm{sgn}\left(\cos \mathrm{\β}\right)*\frac{{\mathrm{xa}}^2*yb}{{\mathrm{xa}}^2+{\mathrm{yb}}^2}.\end{array}\right.---\left(1\right)$

步骤S102：根据车辆的行驶速度以及路况，计算其到达各个特定点的时间。SP(i,j)的t分量即为车辆i到达特定点j的时间。公式(2)给出了SP(i,j)t的计算方法。

SP(i,j)_t＝t₀+d/ve+Σt_p(2)

其中，t₀是当前的时间，t_p是车辆经过路口耽误的时间，d是车辆i到达j点的距离，ve为车辆i的平均速率。

步骤S103：车辆将其计算所得的规划路径上所有特定点的编号、坐标和到达时间向外发送，即将SP的各个分量向外发送。

步骤S104：当车辆的规划行驶路径改变时，转到步骤S101。

步骤S105：当车辆的规划行驶路径不变，而车辆的行驶速率变化超过阈值时，转到步骤S102。

图6给出了路径共享服务器计算数据转发路径的步骤流程图，其具体包括：

步骤S201：计算数据源车辆和数据目的车辆之间的传输时延。

步骤S2011：计算当前时刻数据源车辆和目的车辆之间的跳数H₀，计算方法如公式(3)所示：

$\begin{array}{ccc}{H}_0=max\left(\begin{array}{c}\left|SP{(S,j_0)}_u-SP{(D,j_0)}_u\right|,\\ \left|SP{(S,j_0)}_v-SP{(D,j_0)}_v\right|\·\end{array}\right)& st.& \left\{\begin{array}{c}SP{(S,j_0)}_t\→t_0;\\ SP{(D,j_0)}_t\→t_0\·\end{array}\right.\end{array}---\left(3\right)$

步骤S2012：计算数据传输的时延，计算方法如公式(4)所示：

t＝T×H₀(4)

其中，T为数据经过一个中间节点产生的平均时延。

步骤S2013：查找t时间后数据目的车辆接近的特定点j₁。

步骤S2014：计算t时间后两个节点之间的跳数，计算方法如公式(5)所示：

$\begin{array}{ccc}{H}_t=max\left(\begin{array}{c}|SP{(S,j_0)}_u-SP{(D,j_1)}_u|\\ |SP{(S,j_0)}_v-SP{(D,j_1)}_v|\end{array}\right)& st.& \left\{\begin{array}{c}SP{(S,j_0)}_t\→t_0;\\ SP{(D,j_1)}_t\→t_0+t.\end{array}\right.\end{array}---\left(5\right)$

步骤S2015：判断H₀是否与H_t相同。如果相同，计算结束，据源车辆和目的车辆之间的传输时延即为t；否则，执行，令H₀＝H_t，执行步骤S2012。

步骤S202：计算数据源车辆和数据目的车辆之间的连通性。

步骤S2021：计算数据到达第k跳车辆的时间t_k，计算方法如公式(6)所示：

t_k＝t₀+T×k，k＝1,2,...,H-1.(6)

步骤S2022：查找t_k时刻到数据源车辆为k跳，到达数据目的车辆为H-k跳的车辆，即在查找特定点的各个分量符合以下条件的车辆：

$\left\{\begin{array}{ccc}SP{(i,j)}_t\→t_k;& & \\ SP{(i,j)}_v-SP{(S,j_0)}_v=k,& or& SP{(i,j)}_u-SP{(S,j_0)}_u=k;\\ SP{(D,j)}_v-SP{(i,j_H)}_v=H-k,& or& SP{(D,j)}_u-SP{(i,j_H)}_u=H-k.\end{array}\right.---\left(7\right)$

步骤S2023：将该特定点加入到集合R_k中。

步骤S2024：如果所有特定点集合R₁,R₂,...,R_H-1都不为空，则说明数据源车辆和数据目的车辆之间是连通的；否则不连通。

步骤S203：选择数据的传输路径。

步骤S2031：在同一集合R_k中根据各个特定点的时间SP(i,j)t确定与t_k最接近的车辆，将其作为传输路径上的点。

步骤S2032：将每个集合中的一个车辆编号发给数据源车辆，数据源车辆将这些编号依次封装到编码块前面，作为该编码块的传输路径的中间节点。

下面对数据源车辆进行网络编码的过程进行进一步说明，如图7所示，其包括：

步骤S301：生成编码矩阵。

步骤S3011：根据网络状况以及编码向量的维数n，确定编码矩阵中编码向量的个数m，计算方法如公式(8)所示：

$m=\mathrm{int}(n*2^{sin\left(\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{a}\right)}*(\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{v}+1\left)\right)---\left(8\right)$

上式中，Δā表示数据源信号覆盖区内的所有车辆行驶方向与数据源目的车辆的方向的平均夹角，为信号覆盖区内的所有车辆与数据源车辆的相对移动的平均速度。

步骤S3012：生成伪随机序列PS，计算方法如公式(9)所示：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{ps}}_i=\left(\arcsin r_i\right)/\mathrm{\π}+0.5,& i=1,2,3,\mathrm{...};\\ r_i=1-2*{r_{i-1}}^2,& r_0=\mathrm{0.3.}\end{array}\right.---\left(9\right)$

上式中，r_i是产生伪随机序列PS的中间变量，ps₀＝0。

步骤S3013：将PS中的元素转换为编码矩阵P中的元素，计算方法如公式(10)所示：

$\left\{\begin{array}{c}\begin{array}{cc}{p}_{ij}={\mathrm{ps}}_d,& i\≤m,j\≤n;\end{array}\\ d=\left\{\begin{array}{cc}0& j>i;\\ j+{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^{i-1}k& j\≤i.\end{array}\right.\end{array}\right.---\left(10\right)$

上式中，p_ij是编码矩阵第i行的第j个元素，ps_d是伪随机序列PS中的第d个元素。

步骤S302：实施网络编码运算。本发明实施例中，采用线性网络编码的方法对分割的固定大小的数据块进行编码，编码算法如公式(11)所示：

$y_i={\mathrm{\Σ}}_{j=1}^n{p}_{ij}*x_j,i=1,2,\mathrm{...},m;---\left(11\right)$

上式中，x_j为第j个数据块，y_i为第i个编码块。上式可以根据n个数据块生成m个编码块。

步骤S303：将PSS计算所得的传输路径和编码块的序号i添加到各个编码块前。

步骤S304：依次向外发送m个编码块。

请参照图8，图8给出了目的车辆对编码块进行解码运算的步骤流程图，该步骤包括：

步骤S401：生成解码矩阵。

步骤S4011：生成用于解码的伪随机序列PS，计算方法与步骤S3012中的公式(9)相同。

步骤S4012：根据收到的编码块的序号i，在PS中查找编码向量的元素。若PS中的第a～b个元素属于第i个编码向量中的元素，则：

$\left\{\begin{array}{c}a={\mathrm{\Σ}}_{k=1}^{i-1}k;\\ b=\left\{\begin{array}{cc}a+n,& i>n;\\ a+i,& i\≤n.\end{array}\right.\end{array}\right.---\left(12\right)$

步骤S4013：生成第i个编码向量。即当i<n时，向量前i个元素用序列PS中查找到的i个元素填充；第i+1到n个元素为0。

步骤S4014：每接收到一个编码块，重复执行步骤S4012。直到接收到n个编码块，生成n个编码向量后，执行下一步。

步骤S4015：将n个编码向量依次排列，生成n×n的解码矩阵。

步骤S402：将编码块前的传输路径和序号删除。

步骤S403：对编码块中的数据利用解码矩阵进行解码。

本发明实施例中，采用高斯消元的方法对编码块进行解码。当网络没有丢包的时，解码矩阵是一个下三角矩阵，采用自上而下的方法对编码块逐步进行解码，计算只需要n次。即使在网络有丢包时，采用三角阵编码也比满秩编码进行解码时计算量小。

步骤S404：解码完成后，向数据源节点返回n个数据块的接收确认消息。

图9给出了中间车辆进行自主判断和重编码运算的步骤流程图，该步骤包括：

步骤S501：收集到本车辆临近区域内车辆的SP。这里的临近区域内车辆是指数据传输小于等于5跳的车辆，该收集方式是被动收集。因为所有车辆都将自己的SP向外发送，并保留和转发小于5跳的车辆SP，所以本车辆内缓存了临近区域内车辆的SP。若车辆i_a中没有SP点满足公式(13)中的条件，本车辆i₀会将会将车辆ia的SP从缓存中清除。

$\left\{\begin{array}{c}{\min }_{k=0}^{lst}\left(\begin{array}{c}\left|SP{(i_a,j_k)}_u-SP{(i_0,j_0)}_u\right|,\\ \left|SP{(i_a,j_k)}_v-SP{(i_0,j_0)}_v\right|\&CenterDot;\end{array}\right)<5;\\ {\min }_{k=0}^{lst}(SP{\left(i_a,j_k\right)}_t-SP{\left(i_0,j_0\right)}_t)<5T.\end{array}\right.---\left(13\right)$

上式中，j₀表示当前时刻车辆所在的SP点，j_lst表示车辆规划路径的终点所在的SP点，T仍为数据经过一个中间节点产生的平均时延。

步骤S502：收到编码块后，根据数据目的车辆的坐标计算临近区域内的车辆作为数据传输下一跳的三个条件。公式(14)给出了三个条件的计算方法：

上式中，γ表示本车辆当前时刻到数据目的车辆方向与正北方向的夹角，如图5所示；γ_a表示本车辆当前时刻到临近区域内车辆a方向的夹角。

步骤S503：如果临近区域内有一个或者多个车辆同时满足上述三个条件，则转发直接转发编码块。否则，执行后面的步骤。

步骤S504：计算临近区域内的车辆作为数据传输下一跳的条件4和5。条件4和5与条件2和3相似，如下所示：

步骤S505：如果临近区域内有一个或者多个车辆同时满足条件1、4、5，则执行步骤S506；否则丢弃编码块。

步骤S506：中间车辆执行重编码运算。

步骤S5061：根据区域内节点的状况以及编码向量的数量m，确定重编码矩阵中编码向量的个数m’，计算方法如公式(16)所示：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}m=\mathrm{int}\left(\frac{1}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{a=1}^k{h}_a*\cos (\mathrm{\&gamma;}-{\mathrm{\&gamma;}}_a)}\right);\\ m^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}m+\mathrm{\&Delta;}m,& \mathrm{\&Delta;}m<3m;\\ 4m,& \mathrm{\&Delta;}m\&GreaterEqual;3m.\end{array}\right.\end{array}\right.---\left(16\right)$

上式中，k为临近区域内同时满足条件1、4、5的车辆的数量，其他参数的含义与条件1、4中的含义相同。

步骤S5062：按照步骤S3012和S3013的方法，使用伪随机序列PS生成重编码矩阵。

步骤S5063：按照步骤S302的方法，实施网络重编码运算，生成m’个编码块。

步骤S507：依次向外发送m’个重编码块。

下面对本发明实施例提供的车联网数据传输系统进行介绍，下文描述的车联网数据传输系统与上文描述的车联网数据传输方法可相互对应参照。本发明所提供的车联网数据传输系统的一种具体实施方式的结构框图如图10所示，该系统包括：

车辆1以及路径共享服务器2，所述车辆1包括数据源车辆11、路径中间车辆12以及数据目的车辆13；

其中，所述数据源车辆11用于使用网络编码将待发送数据转换为编码块，向所述路径共享服务器2请求数据转发路径，并接收所述路径共享服务器2确定得到的数据转发路径后，将所述数据转发路径上各个路径中间车辆12的身份信息标识在所述编码块上，向外发送；

所述路径共享服务器2用于接收所述数据转发路径的请求；获取各个车辆1发送的规划路径信息，确定到达数据目的车辆13的数据转发路径，将所述数据转发路径返回至所述数据源车辆11；

所述路径中间车辆12将所述编码块转发至所述数据目的车辆13。

本发明所提供的车联网数据传输系统，数据源车辆使用网络编码将待发送数据转换为编码块，向路径共享服务器请求数据转发路径；路径共享服务器获取各个车辆发送的规划路径信息，确定到达数据目的车辆的数据转发路径；数据源车辆根据数据转发路径的信息，将各个路径中间车辆的身份信息标识在编码块上进行发送；路径中间车辆将接收到的编码块转发至数据目的车辆。可见，本发明所提供的车联网数据传输系统，将网络编码技术引入到车联网中，利用网络编码的抗干扰能力，提高了车联网传输的鲁棒性，大大提高了车联网数据传输的可靠性。

按照本发明所提供的基于网络编码的车联网数据传输方法及系统，采用赫尔辛基大学的开源软件ONE模拟器与车联网的Epidemic,PRoPHET等数据传输方法进行测试与比较。整个设计采用了JAVA语言进行实现。仿真实验中设置了一个4×3km的作为车辆移动区，区域内的道路数量为为26条，车辆的移动速度为5～60km/h，每个车辆无线信号的覆盖范围为50m。

仿真实验首先对数据传输的丢包率进行了测试，以比较分析本发明实施例的可靠性。测试结果表明，当实验区域内随机行驶的车辆数量大于80时，使用PRoPHET丢包率为48％，而本发明实施例的丢包率小于18％；当实验区域内随机行驶的车辆数量为150时，本发明实施例的丢包率为5％，仅仅为PRoPHET的1/5，接近于Epidemic，可以满足网络数据传输的要求，数据传输的可靠性得到很大提升。

仿真实验还对数据传输的端到端时延进行了测试，以比较分析本发明实施例路由选择的正确性。测试结果表明，当数据包的TTL为6秒，随机行驶的车辆数量为80时，使用PRoPHET的数据包端到端平均传输时延为4.5秒，而使用本发明实施例为3.4秒，仅仅比Epidemic多0.1秒，这说明路由选择正确性也得到提高，已经接近最优。

仿真实验还对不能到达数据目的车辆的冗余数据包数量进行了统计，以比较分析本发明实施例的可扩展性。测试结果表明，同样在数据包TTL为6秒、车辆数量为80时，使用Epidemic产生的冗余数据包数量是有效数据包数量的9.7，使用PRoPHET为1.97倍，而使用本发明则仅仅为1.35倍。这说明本发明实施例产生的冗余数据包数量低于其他方法，大大提高车联网的可扩展性。

综上所述，本发明所提供的车联网数据传输方法及系统，与现有的车联网数据传输技术相比，主要有以下几个优点：

1.数据传输的可靠性高。将网络编码技术引入到车联网中，利用网络编码的抗干扰能力，提高车联网传输的鲁棒性。数据源端根据网络状况，发送N个线性无关编码块。在车联网传输过程中，只要丢失的编码块数量小于或等于(N-M)个，目的端接收到其中任意M个编码块后，就可以将数据块还原，从而大大提高了车联网数据传输的可靠性。

2.网络中的冗余数据少。将GPS系统中的定位和导航信息引入到车联网中，利用其中的数据预估车辆在不同时刻的位置。编码块在传输过程中，只有预估将处于到达目的端路径附近的车辆才会转发该块，距离传输路径较远的车辆会将其丢弃。这样就缩小了编码块在车联网中的传输范围，减少了冗余编码块的数量，提高了网络的可扩展性。

3.数据传输的端到端时延小。将车辆的移动速度、规划行驶路径等信息引入到车联网络中，利用PSS计算各个车辆间的预估传输路径。编码块在缩小转发范围的基础上，不会选择较长的路径、绕到较远的车辆进行传输。PSS从全局角度根据所有车辆的预估轨迹计算数据的传输路径，提高了数据包路由选择的准确性，减少了编码块在车联网中的传输时延。

因此，本发明通过预估车辆行驶路径、数据块传输网络编码等方法，在保证路由选择正确性、提高数据传输可靠性的前提下，大大减少了网络冗余数据包的数量，具有很强的可扩展性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种车联网数据传输方法，其特征在于，包括：

数据源车辆使用网络编码将待发送数据转换为编码块，向路径共享服务器请求数据转发路径；

所述路径共享服务器接收所述数据转发路径的请求；获取各个车辆发送的规划路径信息，确定到达数据目的车辆的数据转发路径，将所述数据转发路径返回至所述数据源车辆；

所述数据源车辆接收到所述数据转发路径后，将所述数据转发路径上各个路径中间车辆的身份信息标识在所述编码块上，向外发送；

所述路径中间车辆将接收到的所述编码块转发至所述数据目的车辆。

2.如权利要求1所述的车联网数据传输方法，其特征在于，所述数据源车辆使用网络编码将待发送数据转换为编码块包括：

所述数据源车辆将待发送数据分割成相同预设大小的数据块，使用网络编码将所述数据块转换为编码块。

3.如权利要求2所述的车联网数据传输方法，其特征在于，还包括：

所述数据目的车辆接收到所述编码块后进行缓存，直到缓存到同一数据包内预设数目的线性无关的编码块后，进行解码。

4.如权利要求1所述的车联网数据传输方法，其特征在于，所述路径共享服务器获取各个车辆发送的规划路径信息包括：

各个车辆分别生成从出发地到目的地的规划路径，确定所述规划路径上的特定点，所述特定点为所述规划路径上距离参照点最近的点；

根据各个车辆的行驶速度以及路况信息，分别计算所述车辆到达各个特定点的时间；

各个车辆分别将包含有所述特定点的编号、坐标以及到达各个特定点的时间的规划路径信息向外发送；

所述路径共享服务器获取各个车辆发送的规划路径信息。

5.如权利要求4所述的车联网数据传输方法，其特征在于，所述各个车辆分别将包含有所述特定点的编号、坐标以及到达各个特定点的时间的规划路径信息向外发送包括：

当所述车辆的行驶路径改变，或行驶速率变化超过预设阈值时，对所述规划路径信息进行更新。

6.如权利要求5所述的车联网数据传输方法，其特征在于，所述各个车辆分别将包含有所述特定点的编号、坐标以及到达各个特定点的时间的规划路径信息向外发送还包括：

各个车辆接收到其他车辆的规划路径信息后，在与所述路径共享服务器之间的连通距离满足预设距离的情况下，对所述规划路径信息进行转发。

7.如权利要求1至6任一项所述的车联网数据传输方法，其特征在于，所述获取各个车辆发送的规划路径信息，确定到达数据目的车辆的数据转发路径包括：

所述路径共享服务器计算所述数据源车辆和所述数据目的车辆之间的传输时延；

确定所述数据源车辆和所述数据目的车辆之间连通的连通集合；

根据所述传输时延以及所述连通集合，确定所述数据转发路径。

8.如权利要求7所述的车联网数据传输方法，其特征在于，所述路径中间车辆将接收到的所述编码块转发至所述数据目的车辆包括：

中间车辆接收到其他车辆转发的编码块后，通过标识在所述编码块上的身份信息，判断是否为所述路径中间车辆；如果是，则向外转发所述编码块；如果否，则丢弃所述编码块。

9.如权利要求8所述的车联网数据传输方法，其特征在于，还包括：

当所述数据源车辆没有接收到所述数据转发路径后，直接将无标识的编码块向外发送；

所述中间车辆接收到所述无标识的编码块后，根据预设条件判断是否进行转发。

10.一种车联网数据传输系统，其特征在于，包括：

车辆以及路径共享服务器，所述车辆包括数据源车辆、中间车辆、路径中间车辆以及数据目的车辆；

其中，所述数据源车辆用于使用网络编码将待发送数据转换为编码块，向所述路径共享服务器请求数据转发路径，并接收所述路径共享服务器确定得到的数据转发路径后，将所述数据转发路径上各个路径中间车辆的身份信息标识在所述编码块上，向外发送；

所述路径共享服务器用于接收所述数据转发路径的请求；获取各个车辆发送的规划路径信息，确定到达数据目的车辆的数据转发路径，将所述数据转发路径返回至所述数据源车辆；

所述路径中间车辆用于将接收到的所述编码块转发至所述数据目的车辆。