CN105376152B - 一种车载网络中多候选复合中继数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种车载网络中多候选复合中继数据传输方法，涉及高速公路上紧急信息的传输。利用两跳邻居节点的信息综合考虑速度和距离因素的影响选择最佳中继转发节点，并且将多个邻居节点作为候选转发节点以便在最优中继转发失败时次优中继转发节点可以继续转发消息，提高消息传输的成功率和稳定性。本发明可以在车辆密度较大的环境下转发消息时选取最佳的转发节点，这样可以减少相同消息的广播次数缓解网络拥塞降低广播风暴的可能性，此外，还可以减少消息传输的跳数让消息更快传到指定区域从而减少时延。

Description

一种车载网络中多候选复合中继数据传输方法

技术领域

本发明涉及车载自组织网络的数据传输算法，特别涉及高速公路上紧急信息的传输。

背景技术

通过现有地面交通设施与先进信息通信技术的结合，智能交通系统(IntelligentTransportation System,ITS)能够为道路交通问题提供有效的解决方法。车载自组织网络(VehicularAd Hoc networks,VANETs)(以下简称车载网络或者VANETs)由于能够提高道路安全和驾驶舒适度而成为ITS的重要组成部分。车载网络能够让参与通信的车辆之间相互交换路况信息，而不需要借助路边固定基础设施的辅助。随着越来越多的汽车都配备无线通信设备，大规模的车载网络通信能够成为现实。正因为巨大的潜在研究价值，车载网络早已成为学者重点关注的领域，然而，车载网络拓扑结构的快速变化、链路频繁断开的特点使得它难以预测和管理。出于以上原因，在车载网络中提供有效的数据传输服务是一项很有挑战的工作。

现存的车载网络数据传输方式可以分成三种模式：推送模式(push)、请求模式(pull)、混合模式。在推送模式中，通过主动的周期性广播方式来传输数据，而在请求模式中，则根据需求传输数据。对于那些需要立即响应与安全相关的数据，通常选择推送模式，而类似于寻找停车位、查询天气这些可以容忍延迟的应用数据则选择请求模式传输。对于道路上的事故警告信息，如高速公路上某个地方发生两车追尾而发出的警告信息，这类对实时性要求高的数据传输方式通常采用广播这种推送模式。然而，广播却会引起广播风暴问题，容易导致网络性能急剧恶化。针对这种情况，已经有许多研究致力于克服广播风暴问题。

Tonguz等提出分布式车辆广播算法DV-CAST(参见文献：Tonguz O K,Wisitpongphan N,Bai F.DV-CAST:A distributed vehicular broadcast protocol forvehicular ad hoc networks[J].Wireless Communications,IEEE,2010,17(2):47-57.)来解决广播风暴问题和网络分离问题，DV-CAST利用周期性的信标消息获取一跳邻居节点的信息建立本地拓扑来决定哪些节点来转发消息(rebroadcast)，适用于稀疏和密集的网络，在密集网络环境中：采用广播抑制算法降低广播风暴的可能性，稀疏环境中：采用“存储-携带-转发”的方式来克服网络分离问题。但是，DV-CAST中未考虑速度问题即由于相对运动产生的相对距离问题。

T.H.Kim等提出基于距离的中继选择算法DBRS(参见文献：T.H.Kim,W.K.Hong,H.C.Kim,and Y.D.Lee,An Effective Data Dissemination in Vehicular Ad-HocNetwork,inInformation Networking.Towards Ubiquitous Networking andServices.Springer,2008,pp.295–304.)是一种较简单数据传输方法。在收到数据包后，车辆节点不是立即转发而是先保存一段时间(时间长短与到发送车辆的距离倒数成正比)，即距离发送数据车辆越远等待时间越短越早转发，其他车辆在收到相同副本时就不再转发该消息，这样减少了转发的节点数目，可以减少广播风暴出现的可能性。该方法可以有效解决广播风暴问题，但他的缺点是：网络时延会比较高，因为不能保证时延较小的车辆节点一定存在；覆盖范围会减小，因为当接收到相同数据包的时候车辆节点会任意地取消传输消息。

Villas LA等提出的数据传输算法DRIFT(参见文献：Villas LA,deAndrade T PC,da Fonseca N L S.An efficient and robust protocol to disseminate data inhighway environments with different traffic conditions[C]//Computers andCommunication(ISCC),2014IEEE Symposium on.IEEE,2014:1-6.和文献：Villas L A,Boukerche A,Araujo R B,et al.Network partition-aware geographical datadissemination[C]//Communications(ICC),2013IEEE International Conferenceon.IEEE,2013:1439-1443.)是关于高速公路环境下的分布式数据传输协议，采用车与车(V2V)之间直接通信的方式，不需要依靠任何基础设施，也不需要维护邻居表。源节点将消息广播出去，由接收车辆根据自身与源节点之间的距离计算一个等待时间，等待时间结束就立即广播消息。与DBRS类似，其他车辆在收到相同副本时就不再转发该消息。但是，由于可能出现两个或者两个以上的车辆并行或者他们之间的距离较小，这样根据距离计算的等待时间长短相近，就可能出现同时转发消息的情况，这样容易导致冲突出现，从而使消息转发失败影响投递率和时延。

为了有效解决由于冲突带来的时延增加和投递率下降以及速度对于最佳转发节点选择的影响，提出一种多候选复合中继数据分发机制，既能够有效解决网络分离问题，又能够让安全警告信息及时可靠的传给危险警告区域的车辆。

本发明所要解决的问题是：在高速公路上车辆行驶速度快，由于视线、驾驶疏忽等原因常发生意外交通事故导致前后车辆追尾碰撞，而后方车辆在不知道前方发生交通事故的情况下继续高速前行这样容易导致更大的连环追尾事故的发生。现有的关于事故警告信息的数据传输算法虽然能够从一定程度上克服广播风暴和网络分离问题，为了进一步提高数据传输协议的性能从而让警告信息能够传输到事故地点后方的车辆。

发明内容

针对现有技术的不足，提出了一种一定程度上克服广播风暴和网络分离问题、进一步提高数据传输协议的性能从而让警告信息能够传输到事故地点后方的车载网络中多候选复合中继数据传输方法。本发明的技术方案如下：一种车载网络中多候选复合中继数据传输方法，其包括以下步骤：

101、车辆节点之间建立两跳邻居表的步骤；

102、当车辆源节点S发生碰撞时，车辆源节点S产生警告消息；

103、车辆源节点S将产生的警告消息，依据两跳邻居表中的节点信息，计算出当前时刻车辆i与源节点S的距离d_i(t_current)，并与设定通信半径R进行比较，定义公式若p_i＜0，说明车辆i不在S的通信半径R内，链路断开；若p_i＞0，说明车辆i在S的通信半径R内能够进行通信，根据计算源节点周围两跳邻居节点的复合参数p_i的值，按从小到大的顺利将对应的车辆id放在步骤102产生的警告消息的相应字段中，广播警告消息；

104、源节点S周围的邻居节点收到警告消息后，比较消息中的相应字段，确定自己是否为下一个转发节点，若是下一个转发节点则转到步骤103，若不是下一个转发节点则进行步骤105；

105、进入等待阶段，等待时间

T＝t_DIFS+W_max·σ+t_send

其中，t_DIFS表示MAC层的长帧间间隔时间，W_max为广播消息遇到的最大退避窗口数，σ表示一个退避窗口的时隙大小，t_send表示发送一个包所需的时间，等待时间结束未收到广播消息，则回到步骤104，若等待时间T内收到同样的广播消息，说明已经有节点进行了消息转发则立即结束等待，删除多余消息。

进一步的，步骤101中车辆节点之间建立两跳邻居表的步骤具体为；在每一次交换Hello消息时都把自己的信息和自己的一跳邻居信息放入Hello消息中发给下一个邻居节点，这样每个节点的邻居表中都保存着两跳邻居的信息。

进一步的，所述Hello消息的格式为：

Vehicle ID

Position

Speed

Drivingdirection

Timestamp

其中，Vehicle ID为每个车辆节点的唯一标识；Position表示车辆的当前位置，用二元组(x_i(t)，y_i(t))表示；Speed表示的是车辆的行驶速度v；Timestamp表示时间戳，即产生消息的时刻；Driving Direction表示车辆的行驶方向，每个移动车辆都安装有全向天线覆盖半径R。

进一步的，步骤103中计算当前时刻车辆i与源节点S的距离d_i(t_current)具体为：根据两跳邻居表中的邻居节点信息计算车辆i在时刻t与源节点S之间的距离

车辆节点i与源节点S间的相对速度

Δv_i＝v_i-v₀

若相对速度Δv_i＞0表示车辆i速度大于源节点S的速度，v_i表示节点i的速度，v₀表示源节点的速度，若Δv_i＜0则表示车辆i的速度小于源节点S的速度；

然后再通过相对速度计算Δt内行驶的距离：

Δd_i＝Δv_i·Δt＝Δv_i·(t_current-t)

其中，(x_i(t)，y_i(t))表示t时刻节点i的位置，(x₀(t)，y₀(t))表示t时刻源节点的位置，t_current为发送消息的当前时间，t为源节点S的邻居表中车辆i时间戳，因此，当前时刻车辆i与源节点S的距离为：

d_i(t_current)＝d_i(t)-Δd_i＝d_i(t)-Δv_i·(t_current-t)。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明在时刻t_i车辆3位于源节点0的半径外边缘附近，而在时刻t_i+1车辆3可能进入源节点0的通信半径内。如果采用一跳邻居表就会漏掉这种情况，因此我们采用两跳邻居表。

当车辆碰撞时，产生警告信息并周期性地向周围广播，对于消息的传输我们采取的方式是：当警告消息产生时，源节点根据自己两跳邻居表中的所保存的关于邻居节点的位置、速度和时间戳等信息，首先计算出记录时间戳时刻t车辆与源节点直接的距离d_i(t)，以及相对速度Δv_i，然后根据当前时间与时间戳记录时间之间的差值Δt计算这段时间内产生的相对距离Δd_i，再由前面计算出来的两个距离d_i(t)和Δd_i求出当前时刻车辆与源节点之间的距离d_i(t_current)，最后根据通信半径R和d_i(t_current)之间的关系确定出的一个复合参数p的值决定候选转发节点的优先级顺序。

本发明通过两跳邻居节点的信息综合考虑速度和距离选择转发节点，并且根据复合参数值的大小顺序将多个邻居节点作为候选转发节点，根据优先级决定节点转发消息的先后顺序。本发明的时延、投递率方面能够很好的满足高速公路场景下警告信息必须及时可靠传输的要求。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例车辆位置关系变化示意图；

图2两跳邻居表构建示意图；

图3消息传输场景示意图；

图4源节点消息发送流程图；

图5候选中继节点消息转发流程图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步说明：

本发明的技术方案是：现有的数据传输方案中，在中继转发节点的选择上都只是以距离作为唯一的指标，而忽略了速度对于转发节点选择的影响。因此，为了减少中继转发的次数进而减少广播风暴的可能性，我们希望每一次转发消息的车辆节点都是最佳节点，为此在选择下一跳转发节点时综合考虑速度和距离这两个因素，并在邻居表中增加一跳邻居信息采用两跳邻居表，这样可以让源节点可以从更多的节点中去选取可能的最佳转发节点。此外，为了保证信息传输的可靠性，还将多个邻居节点确定为候选节点，根据优先级顺序在高优先级转发失败的时候选择次优转发节点。

如图1所示，在时刻t_i车辆3位于源节点0的半径外边缘附近，而在时刻t_i+1车辆3可能进入源节点0的通信半径内。如果采用一跳邻居表就会漏掉这种情况，因此我们采用两跳邻居表。

假设场景为平直的高速公路，每个方向2条车道，道路宽度相对传输半径来说可以忽略。每个移动车辆都配备有GPS设备可以获取自身的位置、速度、方向、当前时间等信息，车辆安装有传感器可以在发生碰撞的时候产生指定的警告信息，车辆之间建立链接的时间可以忽略。车辆之间通过周期性广播Hello message来获取两跳(2-hops)邻居节点的相关信息，Hello消息的格式为：

Vehicle ID

Position

Speed

Drivingdirection

Timestamp

其中，Vehicle ID为每个车辆节点的唯一标识；Position表示车辆的当前位置，用二元组(xi,yi)表示；Speed表示的是车辆的行驶速度v；Timestamp表示时间戳，即产生消息的时刻；Driving Direction表示车辆的行驶方向。每个移动车辆都安装有全向天线覆盖半径R。当发生紧急情况时，车辆立即产生一个警告消息并向周围的车辆广播。虚线框内的区域为危险警告区域。

如图2所示为两跳邻居表的建立过程，图3所示为本发明的应用场景示意图，图4、图5所示为本发明的消息传输过程的流程图。具体包括以下步骤：

1.邻居表建立：如图2所示为信标消息的传递过程，车辆节点之间通过周期性的广播Hello消息获取周围邻居节点的信息。这里我们采用的是两跳邻居表，每一次交换Hello消息时车辆节点都把自己的信息和自己的一跳邻居信息放在Hello消息中发给其他车辆，这样就建立起一个两跳的邻居表。

2.产生警告消息：如图3所示，由于视线或者驾驶疏忽导致向东行驶的车辆S与前方的车辆发生追尾碰撞，此时车辆S就会产生一个危险警告信息，并且向周围广播，虚线框为危险警告区域，消息传输的目的是让危险警告区域内的所有车辆及时可靠地收到警告消息，以避免更严重事故的发生。

3.消息的转发过程：如图4所示为源节点(转发节点)发送消息的流程图，图5所示为接收到消息的节点判断自己是否为下一个转发节点的流程图。具体的消息发送过程为：

(1)源节点对于转发节点的判断：源节点产生警告消息(或转发节点收到警告消息并确定自己是下一个转发节点)时，根据两跳邻居表中的邻居节点信息计算车辆i在时刻t与源节点0直接的距离

车辆节点i与源节点S间的相对速度

Δv_i＝v_i-v₀

在这里若相对速度Δv_i＞0表示车辆i速度大于源节点S的速度，若Δv_i＜0则表示车辆i的速度小于源节点S的速度。

然后再通过相对速度计算Δt内行驶的距离：

Δd_i＝Δv_i·Δt＝Δv_i·(t_current-t)

其中，t_current为发送消息的当前时间，t为源节点S的邻居表中车辆i时间戳。因此，当前时刻车辆i与源节点S的距离为：

d_i(t_current)＝d_i(t)-Δd_i＝d_i(t)-Δv_i·(t_current-t)

在计算出d_i(t_current)后，就可以用d_i(t_current)与R之间的关系判断哪一个车辆i作为中继节点的最佳选择。这里我们用一个复合参数p作为选择中继节点的指标，定义节点i的复合参数为：

若p_i＜0，说明车辆i不在S的通信半径R内，链路断开；若p_i＞0，说明车辆i在S的通信半径R内能够进行通信，并且p_i越小说明车辆i越远越接近半径R，越可能作为最佳中继节点转发信息。

(2)根据步骤(1)计算源节点周围两跳邻居节点的复合参数p_i的值，按从小到大的顺利将对应的车辆id放在警告消息的相应字段；(3)广播警告消息；

(4)源节点周围的邻居节点收到警告消息后，比较消息中的相应字段，确定自己是否为下一个转发节点，若是下一个转发节点则转到步骤(1)，若不是下一个转发节点则进行步骤(5)；

(5)进入等待阶段，等待时间

T＝t_DIFS+W_max·σ+t_send

其中，t_DIFS表示MAC层的长帧间间隔时间，W_max为广播消息遇到的最大退避窗口数，σ表示一个退避窗口的时隙大小，t_send表示发送一个包所需的时间。等待时间结束未收到广播消息，则回到步骤(4)，若等待时间T内收到同样的广播消息，说明已经有节点进行了消息转发则进行步骤(6)；

(6)立即结束等待，删除多余消息。本发明采用两跳邻接表以及综合考虑速度和距离选择转发节点，并且采用多个候选转发节点备份的方式有效提高消息传输的可靠性。选择最佳的转发节点可以减少转发的次数从而有效避免广播风暴的发生。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种车载网络中多候选复合中继数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

101、车辆节点之间建立两跳邻居表的步骤；

102、当车辆源节点S发生碰撞时，车辆源节点S产生警告消息；

103、车辆源节点S将产生的警告消息，依据两跳邻居表中的节点信息，计算出当前时刻车辆i与源节点S的距离d_i(t_current)，并与设定通信半径R进行比较，定义公式若p_i＜0，说明车辆i不在S的通信半径R内，链路断开；若p_i>0，说明车辆i在S的通信半径R内能够进行通信，根据计算源节点周围两跳邻居节点的复合参数p_i的值，按从小到大的顺序将对应的车辆id放在步骤102产生的警告消息的相应字段中，广播警告消息；

104、源节点S周围的邻居节点收到警告消息后，比较消息中的相应字段，确定自己是否为下一个转发节点，若是下一个转发节点则转到步骤103，若不是下一个转发节点则进行步骤105；

105、进入等待阶段，等待时间

T＝t_DIFS+W_maxσ+t_send

其中，t_DIFS表示MAC层的长帧间间隔时间，W_max为广播消息遇到的最大退避窗口数，σ表示一个退避窗口的时隙大小，t_send表示发送一个包所需的时间，等待时间结束未收到广播消息，则回到步骤104，若等待时间T内收到同样的广播消息，说明已经有节点进行了消息转发则立即结束等待，删除多余消息。

2.根据权利要求1所述的一种车载网络中多候选复合中继数据传输方法，其特征在于，步骤101中车辆节点之间建立两跳邻居表的步骤具体为；在每一次交换Hello消息时都把自己的信息和自己的一跳邻居信息放入Hello消息中发给下一个邻居节点，这样每个节点的邻居表中都保存着两跳邻居的信息。

3.根据权利要求2所述的一种车载网络中多候选复合中继数据传输方法，其特征在于，所述Hello消息的格式为：

Vehicle ID Position Speed Driving direction Timestamp

其中，Vehicle ID为每个车辆节点的唯一标识；Position表示车辆的当前位置，用二元组(x_i(t)，y_i(t))表示；Speed表示的是车辆的行驶速度v；Timestamp表示时间戳，即产生消息的时刻；Driving Direction表示车辆的行驶方向，每个移动车辆都安装有全向天线覆盖半径为R。

4.根据权利要求1所述的一种车载网络中多候选复合中继数据传输方法，其特征在于，步骤103中计算当前时刻车辆i与源节点S的距离d_i(t_current)具体为：根据两跳邻居表中的邻居节点信息计算车辆i在时刻t与源节点S之间的距离

车辆节点i与源节点S间的相对速度

△v_i＝v_i-v₀

若相对速度△v_i>0表示车辆i速度大于源节点S的速度，v_i表示节点i的速度，v₀表示源节点的速度，若△v_i＜0则表示车辆i的速度小于源节点S的速度；

然后再通过相对速度计算△t内行驶的距离：

△d_i＝△v_i·△t＝△v_i·(t_current-t)

其中，(x_i(t)，y_i(t))表示t时刻节点i的位置，(x₀(t)，y₀(t))表示t时刻源节点的位置，t_current为发送消息的当前时间，t为源节点S的邻居表中车辆i时间戳，因此，当前时刻车辆i与源节点S的距离为：

d_i(t_current)＝d_i(t)-△d_i＝d_i(t)-△v_i·(t_current-t)。