CN105448115B - 高速交通网络中被动群集车辆间通信方法 - Google Patents

高速交通网络中被动群集车辆间通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高速交通网络中群集车辆间的通信方法，高速公路上具有车载单元OBU且同向行驶的车辆中，彼此相距在无线信号通信距离R内的邻居车辆进行被动群集并推举群首和群网关，其中：群首推举是根据车辆平均相对速度ARV的模糊化参数T(ARV)与邻居车辆数NL的模糊化参数T(NL)来设定群首推举模糊逻辑规则，并按该规则的优先顺序进行的群首推举；群网关推举是根据平均相对速度ARV的模糊化参数T(ARV)与接收信号强度指数RSSI的模糊化参数T(RSSI)来设定群网关模糊逻辑规则，并按该规则的优先顺序进行网关车辆推举。其优点是避免车辆高密度下的冗余广播和稀疏状态下的群集开销，延长群集的生存时间，提高通信质量。

Description

高速交通网络中被动群集车辆间通信方法
技术领域
本发明涉及智能交通技术，尤其涉及高速交通网络中被动群集车间通信方法
背景技术
智能交通系统(Intelligent Transportation System,ITS)依靠车载专用短距离通信(Dedicated Short Range Communications,DSRC)设备实现车与车(Vehicle toVehicle,V2V)、车与路边设施(Vehicle to Infrastructure,V2I)间的通信，具有高效计算、持续能量、既定拓扑和车辆定位功能等优势，因此，基于ITS实现智能化的交通网络能有效提高交通安全和交通效率，减小能源消耗和环境污染，是依靠信息化科技促进交通网络发展的技术基础。
高速交通网络具有以下特征：一，较强的车辆移动特征使得交通网络拓扑具有强动态性；二，V2V无线链路受高速移动影响产生强多普勒频移效应和多径衰落特征，导致通信链路随机中断，难以维持稳定的车间通信；三，用于传播交通安全状态消息的链路带宽和传输信号发射功率受限。因此，传统上所有车辆逐级冗余广播的消息传播方法容易导致V2V通信链路拥塞，使得紧急安全告警消息不能实时可靠地传播至跟随车辆，无法有效地预警交通事故。实际上，虽然每辆高速行驶车辆均具有绝对高速度，但同向行驶车辆之间具有较低的相对速度。同时，高速交通网络中车辆间保持规定安全距离的要求使得车辆分布稀疏，并不总是需要实时传播安全告警消息，因此，仅当某一路段范围内存在多辆车时才利用V2V无线链路传播交通安全告警消息更适合于高速交通网络实际需求。
发明内容
本发明的目的是利用高速交通网络中同向行驶车辆间具有较低的相对行驶速度和稀疏的车辆密度特征，建立高稳定性的被动群集车间通信方法，为紧急安全告警消息提供稳定可靠的传播链路，实现交通事故预警，提高高速交通安全。
为实现上述目的，所述通信方法是：对于高速公路上具有车载单元且同向行驶的车辆，彼此相距在无线信号通信距离R内的邻居车辆进行群集并推举群首和群网关，以形成一个群集或前后相邻的邻居群集，群内按包括群首、群网关和群成员的群内角色关系进行群内通信，群网关中继交换邻居群集的群首所广播的本地消息，其中：所述群首推举是根据车辆平均相对速度ARV的模糊化参数T(ARV)与邻居车辆列表中邻居车辆数NL的模糊化参数T(NL)来设定群首推举模糊逻辑规则，并按该规则的优先顺序进行群首推举；所述群网关推举是根据平均相对速度ARV的模糊化参数T(ARV)与接收信号强度指数RSSI的模糊化参数T(RSSI)来设定群网关模糊逻辑规则，并按该规则的优先顺序进行网关车辆推举；
其中：
同向行驶的车辆i与车辆j在直线距离Di,j小于车载单元无线信号通信距离R时互为邻居车辆，表达为：
Ni＝{j|Di,j＜R}，
车辆i的邻居车辆j为M台时的邻居列表中邻居车辆数NLi的表达为：
车辆i和车辆j的行驶速度分别为vi,vj时，则车辆i与所有邻居车辆的平均相对行驶速度表达为：
平均相对速度ARV的模糊化参数T(ARV)与邻居车辆列表中邻居车辆数NL的模糊化参数T(NL)表达为：
平均相对速度ARV的模糊化参数T(ARV)与接收信号强度指数RSSI的模糊化参数T(RSSI)表达为：
进一步的，所述群首推举模糊逻辑规则为按下表所立规则顺序RuleNo.进行群首推举的规则
表1
进一步的，所述群网关推举模糊逻辑规则为按下表所立规则顺序Rule No.进行网关车辆推举的规则
表2
Rule No. ARV RSSI GateWayChance
1 L L Medium Low
2 L M High
3 L H Very High
4 M L Very Low
5 M M Low
6 M H Medium High
7 H L Very Low
8 H M Very Low
9 H H Very Low
进一步的，高速公路中的所述车辆发现邻居车辆时，开始广播包括车辆行驶速度v、行驶方向、邻居列表NL和接收信号强度指数RSSI的车辆自身状态信息，以启动群集过程。
进一步的，所述本地消息包括高速交通网络中交通安全告警消息。
进一步的，所述群内通信包括群成员上传本地消息给群首，群首向群成员广播接收到的消息，群成员接收群首的广播消息。
进一步的，所述群网关中继交换邻居群集消息包括网关车辆接收所连接的群集群首广播的消息，或向连接的群集群首上传本地消息，由群首广播至群成员。
进一步的，所述群首向群成员广播接收到的消息时并同时给出消息源标识信息，群成员自动丢弃来自相同消息源标识的消息。
进一步的，所述群首利用车载单元发出的射频信号的帧头部的帧控制字段中电源管理字节和数据字节来携带群集中各车辆的包括群首、群网关和群成员的角色信息，并以消息广播形式确定其他车辆在群内角色。
本发明方法具有如下有益技术效果：(1)被动群集车间通信方法仅在车辆密集状态下才会建立，避免了车辆高密度下的冗余消息广播和车辆稀疏状态下的群集开销。(2)基于群内车辆平均相对行驶速度和邻居车辆数推举群首，能够延长群集的生存时间，保障群首的群内有效连通位置，提高群内消息传播质量。(3)基于车辆相对行驶速度和信道质量推举群网关能够延长邻居群集连通时间，选择最可靠的车辆中继传播群集消息，保障了交通安全消息长距离传播的可靠性。
附图说明
图1是两车道被动群集车辆间的通信示意图。
图2是平均相对速度隶属函数示意图。
图3是邻居列表隶属函数示意图。
图4是RSSI隶属函数示意图。
具体实施方式
如图1，假设同向两车道(快、慢车道)上行驶着若干具有车载单元OBU(On-BoardUnit,OBU)的车辆，一般情况下，大型车辆在慢车道上行驶，小型车辆在快车道上行驶。当这些车辆彼此相距在无线信号通信距离R内，即相互之间的直线距离小于车载单元OBU的无线信号通信距离R时，彼此互为邻居车辆。例如车辆i与车辆j的直线距离Di,j小于无线信号通信距离R，二者互为邻居车辆，车辆i的邻居为车辆j表达如下式(1)。
Ni＝{j|Di,j＜R} (1)
若在无线信号通信距离R内存在M台车辆，车辆i的邻居车辆数NLi表达如下式(2)。
NLi反映了车辆i与群集内其他车辆间的关联强度。
当车辆发现其无线信号通信距离内存在邻居车辆时，启动群集过程，车辆通过车载单元广播车辆自身状态信息，车辆自身状态信息从车载单元获得，包括车辆行驶速度、行驶方向、邻居列表和接收信号强度指数等参数。在邻居车辆列表数NL达到设定的值时，形成一个群集或前后相邻的邻居群集，例如图1中所示的前后相邻的邻居群集Ⅰ、Ⅱ。随后，每一群集内的车辆推举群首和群网关，群首和群网关的推举按设定的模糊逻辑规则进行。
本发明的群首推举根据车辆平均相对速度ARV的模糊化参数T(ARV)与邻居车辆列表中邻居车辆数NL的模糊化参数T(NL)来设定的群首推举模糊逻辑规则。车辆平均相对行驶速度是指在无线信号通信距离R内，车辆i与所有邻居车辆的平均相对速度为ARVi(Average Relative Velocity)，它反映了车辆i在群集内的相对稳定性。若车辆i和车辆j行驶速度分别为vi,vj，则车辆i相对所有邻居车辆j的平均相对行驶速度ARVi：
平均相对行驶速度ARV所对应的模糊化参数T(ARV)的表达如下式(4)：
T(ARV)＝{Low,Medium,High}＝{L,M,H} (4)
对应于邻居列表中的邻居车辆数NL的模糊化参数T(NL)的表达如下式(5)：
T(NL)＝{Small,Medium,Big}＝{S,M,B} (5)。
模糊化参数T(ARV)的取值根据高速公路对车辆行驶速度的规定范围来设置。例如，我国高速公路的车辆行驶速度规范为60～120公里/小时，即平均相对速度ARV∈[0,60]公里/小时，将该平均相对速度平均分为高、中、低三种状态，即：ARV∈[40,60]时车辆间相对速度高，对应于模糊化参数T(ARV)的H(High)值；ARV∈[20,40)时车间相对速度中等，对应于模糊化参数T(ARV)的M(Medium)值；ARV∈[0,20)时车间相对速度低，对应于模糊化参数T(ARV)的L(Low)值。对于群集中某一车辆与其他邻居车辆的平均相对速度ARV的模糊化参数T(ARV)值是在L,M,H之间动态变化的，每种状态可能出现的程度用模糊隶属函数μARV表达，该函数如图2所示，其低、中(L,M)模糊状态的交接点为20公里/小时，该交接点反映了同类型车辆处于伴行或超车状态的相对速度，而中、高(M,H)模糊状态的交接点为40公里/小时，该交接点反映了分别在快、慢车道上行驶的小型车辆与大型车辆不同类型车辆处于伴行或超车状态的相对速度。
模糊化参数T(NL)的取值是根据同向行驶的车辆密度来设定的。一般前后车辆安全距离要求不小于100米，设车载OBU有效通信距离R限定为250米，则两车道同向行驶车辆群集内最多车辆数为11辆，即邻居列表中邻居车辆数NLmax＝10。当群首所在车道上车间间距超过200米时，该车道最多有3辆跟随行使的车辆，车辆密度为低，即对应的模糊化参数T(NL)的S(Small)值；当所有车道上车间间距超过200米时，两车道最多有7辆跟随行使车辆，车辆密度为中等，即对应的模糊化参数T(NL)的M(Medium)值；当所有车道上车间间距小于200米且大于100米时，车辆密度为高，即对应的模糊化参数T(NL)的B(Big)值。对于群集中某一车辆的邻居车辆数的模糊化参数T(NL)值是在S,M,B三种状态之间动态变化的，同样用相对应的模糊隶属函数μNL对每种状态可能出现的程度进行表达，参见图3，其车辆密度为小、中(S,M)级模糊状态时的平均密度为3辆，而车辆密度为中、大(M,B)级模糊状态时的平均密度为7辆。
高稳定群集能提供稳定的消息传播链路，而高稳定群集需要高稳定性群首，当所选群首具有最小平均相对行驶速度，能与邻居车辆间保持最大的连接时间，使被动群集具有最大的生存时间(Life Time)。同时群集是在邻居车辆数NL达到设定值后形成，因此本发明的群首推举的模糊逻辑规则是采用车辆平均相对速度ARV的模糊化参数T(ARV)与邻居车辆列表中邻居车辆数NL的模糊化参数T(NL)来设定的，一个优选的群首推举模糊逻辑规则如下表1，根据表中设定的规则顺序(Rule No.)来推举群首。
表1
Rule No. ARV NL HeadChance
1 L S Medium Low
2 L M High
3 L B Very High
4 M S Very Low
5 M M Low
6 M B Medium High
7 H S Very Low
8 H M Very Low
9 H B Very Low
高稳定群网关能够提高网络拓扑的稳定性，而高稳定群网关具有最大的连通邻居群集的连通时间，群网关能同时与两个邻居群集的群首通信连接。本发明群网关推举的模糊逻辑规则是采用平均相对速度ARV的模糊化参数T(ARV)与接收信号强度指数RSSI的模糊化参数T(RSSI)来设定的，一个优选的群网关推举模糊逻辑规则如下表2，根据表中设定的规则顺序(Rule No.)来推举群网关。
表2
由上述群首和群网关推举模糊逻辑规则形成的被动群集可参见图1，两车道上的7辆车被动群集为前后相邻的两邻居群集Ⅰ、Ⅱ，两邻居群集Ⅰ、Ⅱ分别推举的群首是CH1、CH2，其对应的行驶速度分别为V1、V2。该两邻居群集Ⅰ、Ⅱ的群网关车辆GW同时通信连接两个邻居群集的群首。在被动群集建立过程中，参加群集的所有车辆上的车载单元OBU均处于初始化状态，当OBU接收到邻居车辆状态信息时，启动群首推举过程。随后，群首利用射频信号帧头部的帧控制字段中电源管理字节和更多数据字节携带群集车辆的角色信息，例如IEEE802.11MAC(Medium Access Control)帧头部的帧控制字段中电源管理(PowerManagement)字节(B12)和更多数据(More Data)字节(B13)来携带群集车辆的包括群首、群网关和群成员的角色信息，以消息广播形式确定其他车辆在群内角色(Cluster Role)，并基于群首建立独立群集实现群内的高速交通网络中交通状态的本地消息传播。当群集中存在群网关车辆时，由群网关中继交换邻居群集群首消息，实现群间消息传播。群网关中继交换邻居群集群首消息包括，网关车辆接收所连接的群集群首广播的消息，或向连接的群集群首上传本地消息，由群首广播至群成员。
在群内消息传播中，群首管理群内通信，群内消息传播包括群成员上传本地消息给群首，群首向群成员广播接收到的本地消息，群成员接收群首的广播消息。当群内某群成员车载传感器检测到由交通紧急事件产生的信息时，该群成员车辆将该信息封装成安全告警消息。随后，该消息通过控制信道时隙上传至群首，群首通过消息类型匹配识别为紧急安全告警消息。最后，群首立即广播包含消息源信息的安全告警消息给所有群成员，实现群内消息广播。消息源成员收到该消息后，自动丢弃具有相同消息源标识的消息。
当邻居群间存在群网关车辆时，交通安全消息可实现群间中继通信。首先，安全告警消息由群首通过群内广播方法传播至群网关车辆，随后，在消息更新周期中，群网关车辆上传本地安全告警消息至群首，邻居群首收到新消息后，在邻居群内广播至所有群成员，从而实现安全告警消息的群间传播。因此，群网关中继交换邻居群集群首消息包括网关车辆接收所连接的群集群首广播的消息，或向连接的群集群首上传本地消息，由群首广播至群成员。

Claims (9)

1.高速交通网络中被动群集车辆间通信方法，高速公路上具有车载单元OBU且同向行驶的若干车辆，其特征在于：当车辆发现彼此相距在无线信号通信距离R内的邻居车辆时，启动群集过程，在邻居车辆数达到设定值时，形成一个群集或前后相邻的邻居群集，每一群集内的车辆推举群首和群网关，群内按包括群首、群网关和群成员的群内角色关系进行群内通信，群网关中继交换邻居群集的群首所广播的本地消息，所述群首推举是根据车辆平均相对速度ARV的模糊化参数T(ARV)与邻居车辆列表中邻居车辆数NL的模糊化参数T(NL)来设定群首推举模糊逻辑规则，并按该规则的优先顺序进行群首推举；所述群网关推举是根据平均相对速度ARV的模糊化参数T(ARV)与接收信号强度指数RSSI的模糊化参数T(RSSI)来设定群网关模糊逻辑规则，并按该规则的优先顺序进行网关车辆推举；
其中：
同向行驶的车辆i与车辆j在直线距离Di,j小于OBU无线信号通信距离R时互为邻居车辆，表达为：
Ni＝{j|Di,j＜R}，
车辆i的邻居车辆j为M台时的邻居车辆列表中邻居车辆数NLi的表达为：
车辆i和车辆j的行驶速度分别为vi,vj时，则车辆i与所有邻居车辆的平均相对行驶速度表达为：
平均相对速度ARV的模糊化参数T(ARV)与邻居车辆列表中邻居车辆数NL的模糊化参数T(NL)表达为：
平均相对速度ARV的模糊化参数T(ARV)与接收信号强度指数RSSI的模糊化参数T(RSSI)表达为：
2.根据权利要求1所述的高速交通网络中被动群集车辆间的通信方法，其特征在于：所述群首推举模糊逻辑规则为按下表所立规则顺序Rule No.进行群首推举的规则
3.根据权利要求1所述的高速交通网络中被动群集车辆间的通信方法，其特征在于：所述群网关推举模糊逻辑规则为按下表所立规则顺序Rule No.进行网关车辆推举的规则
4.根据权利要求1所述的高速交通网络中被动群集车辆间的通信方法，其特征在于：高速公路中的所述车辆发现邻居车辆时，开始广播包括车辆行驶速度v、行驶方向、邻居列表中邻居车辆数NL和接收信号强度指数RSSI的车辆自身状态信息，以启动群集过程。
5.根据权利要求1所述的高速交通网络中被动群集车辆间的通信方法，其特征在于：所述本地消息包括高速交通网络中交通安全告警消息。
6.根据权利要求1所述的高速交通网络中被动群集车辆间的通信方法，其特征在于：所述群内通信包括群成员上传本地消息给群首，群首向群成员广播接收到的消息，群成员接收群首的广播消息。
7.根据权利要求1所述的高速交通网络中被动群集车辆间的通信方法，其特征在于：所述群网关中继交换邻居群集消息包括网关车辆接收所连接的群集群首广播的消息，或向连接的群集群首上传本地消息，由群首广播至群成员。
8.根据权利要求7所述的高速交通网络中被动群集车辆间的通信方法，其特征在于：所述群首向群成员广播接收到的消息时并同时给出消息源标识信息，群成员自动丢弃来自相同消息源标识的消息。
9.根据权利要求7或8所述的高速交通网络中被动群集车辆间的通信方法，其特征在于：所述群首利用车载单元发出的射频信号的帧头部的帧控制字段中电源管理字节和更多数据字节来携带群集中各车辆的包括群首、群网关和群成员的角色信息，并以消息广播形式确定其他车辆在群内角色。
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