CN105554838A - 多通道多跳车载自组网频率协调分配方法 - Google Patents

多通道多跳车载自组网频率协调分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明是多通道多跳车载自组网频率协调分配方法，包含：网络中的任一节点向其邻居节点广播信道探测帧；当源节点有数据要发送给目的节点时，源节点在信道探测帧中加入源路由探测帧，然后选择信道质量最佳的两条信道广播给邻居节点；判断其是否满足下一跳稳定条件；收到源路由探测帧应答的源节点根据源路由探测帧应答中包含的下一跳的运动速度和位置选择最优下一跳和次优下一跳；选择最佳链路发送数据包；收到数据帧的节点到达下一跳最佳通信链路，多跳之后将源节点的数据发送到目的节点。本发明能够使节点充分掌握它的几条信道的信道质量，及时找到状态最佳的信道，减少了多跳自组网的跳数，提高了通信质量和通信效率。

Description

多通道多跳车载自组网频率协调分配方法
技术领域
本发明属于多跳自组织网络中的多信道技术，具体而言是一种多通道多跳车载自组网频率协调分配方法，应用于车载自组网领域。
背景技术
多年来智能交通系统（IntelligentTransportationSystem，ITS）一直是研究的热点，在智能交通系统的各个技术领域中，旨在提高车辆行驶的安全性、运输效率以及提供无处不在的无线Internet接入的车载自组网技术（VehicularAd-hocNetwork，简称VANET）又是研究的重中之重。VANET是专门用于汽车通信的自组织网络，联邦通信委员会把5.850~5.925GHz的75MHz的频段专门用于智能交通系统。通过专用短程通信（DSRC），这75MHz被专门的用于车与车（Vehicle-to-Vehicle，V2V）以及车与设施（Vehicle-to-Infrastructure，V2I）之间的通信，因此这75MHz也被叫做DSRC信道。
车载自组织网络目前面临着规模和性能等方面的问题，随着节点跳数的增加，整个网络容量和每条端到端链路吞吐量都会急剧下降。限制自组网吞吐量的一个重要因素就是同信道干扰。为了增加网络吞吐量、提高传输的可靠性，考虑到DSRC信道由7个10MHz的信道组成，采用多通道技术提高网络容量是车载自组网发展的必然趋势。
多通道车载自组网信道分配的关键在于保证每个节点都与整个网络保持连通的情况下，实现信道的复用，以达到减小时延，提高整个网络数据传输率的作用。由于现有的路由方法，如AODV（按需距离矢量协议）、DSR（动态源路由协议）、MSR（多径源路由协议）等，都是针对单信道无线自组网提出的，并没有考虑多信道的情形，所以在多信道环境下直接使用这些协议将会带来一些问题，可能导致吞吐量、误码率等性能变得非常差，所以并不能将这些协议直接应用于多信道情况下。由于频谱的频繁切换会导致通信链路不稳定，所以建立长时间稳定的通信链路至关重要。在车载环境下，由于车辆的运动，链路环境更加恶劣，本发明提出了一种多通道多跳车载自组网频率协调分配方法，能够根据车辆的运动趋势、位置、信道质量以及信道繁忙程度选择最佳信道用于数据传输，能够有效提高通信链路的稳定性，减少网络拥塞。
发明内容
本发明为解决现有的问题，旨在提供一种多通道多跳车载自组网频率协调分配方法。
本发明包含如下步骤：
步骤一：网络中的任一节点周期性地向其邻居节点广播信道探测帧CE，实时掌握各个物理信道的通信质量；
步骤二：当源节点有数据要发送给目的节点时，源节点在信道探测帧CE中加入待发数据包的大小以及源节点的速度和位置信息以构成源路由探测帧ORE，然后选择信道质量最佳的两条信道广播给邻居节点；
步骤三：邻居节点收到源路由探测帧ORE后，判断其是否满足下一跳稳定条件，不满足则丢弃源路由探测帧ORE，满足则向源节点回复源路由探测帧应答RORE；
步骤四：源节点根据回复的源路由探测帧应答RORE选择最优下一跳和次优下一跳，再综合各信道的质量和负载采用优化方法选择最佳信道，发送数据帧；
步骤五：计算到最优下一跳质量最佳的两条信道——分别为最佳信道和潜在最佳信道，以及到次优下一跳质量最佳的两条信道的排队时延，根据优化方法选择一条信道作为下一跳通信信道；
步骤六：每一个收到数据帧的节点都根据以上步骤选择最佳通信链路，多跳之后将源节点的数据发送给目的节点。
其中，步骤一中，在网络结构中的逻辑链路控制子层，网络中的节点周期性地产生任一信道上的信道探测帧CE并通过相应信道发送给其邻居节点，信道探测帧CE中包含其发送时间和信道标识；邻居节点相应信道接口收到信道探测帧后立即通过原信道向源节点回复信道探测帧应答RCE；收到信道探测帧应答的源节点根据其到达时间和应答的发送时间计算该信道的传播时延。
其中，步骤三中，源路由探测帧应答RORE中用该节点的速度矢量和位置信息代替ORE中源节点的对应信息。
其中，信道探测帧CE包含上一跳接口物理地址、下一跳接口物理地址、时间戳、信道标识；信道探测帧应答RCE包含：下一跳接口物理地址、上一跳接口物理地址、时间戳、信道标识。
其中，源路由探测帧ORE包含：上一跳接口物理地址、下一跳接口物理地址、时间戳、信道标识、发送请求标识、数据帧大小、上一跳速度矢量、上一跳位置；源路由探测帧应答RORE包含：下一跳接口物理地址、上一跳接口物理地址、时间戳、信道标识、下一跳速度矢量、下一跳位置。
其中，步骤三中所述下一跳稳定条件为：在车辆快速移动的情况下，在待发数据包所需的发送时延之内，下一跳没有超出上一跳的通信范围。
其中，步骤四中选择最优下一跳的条件为：在车辆快速移动的情况下，经过待发数据包所需的发送时延之后，下一跳距离目的节点的距离最短。
其中，步骤五中的优化方法描述为：若最优下一跳的最佳信道排队时延不超过1ms则选择其作为传输信道；最优下一跳的最佳信道排队时延超过1ms时，选择次优下一跳的最佳信道和最优下一跳的潜在最佳信道中排队时延较短的作为传输信道；若以上三条链路排队时延均超过1ms，则选择次优下一跳的潜在最佳信道作为传输信道。
其中，步骤二、三中所述的速度和位置信息表示为，在以东西方向为横坐标，南北方向为纵坐标的坐标系中，速度大小用实际数值表示，方向用速度与横坐标的夹角表示，位置用横坐标和纵坐标的值表示。
与现有技术相比，本发明提供的方法具有如下优势：信道周期性发送信道探测帧检测信道质量，能够使节点充分掌握它的几条信道的信道质量从而在有数据发送的时候能够及时找到状态最佳的信道。在选择下一跳的路由方法中，本发明不仅根据运动趋势保证在数据发送的过程中通信链路的稳定性，而且在不超出本跳通信范围的前提下选择了距离目的节点最近的节点作为下一跳，尽可能减少了多跳自组网的跳数，提高了通信质量和通信效率。
附图说明
图1为网络参考模型；
图2为CE、RCE、ORE、RORE的帧格式；
图3为周期性信道质量检测流程图；
图4为源节点与下一跳运动示意图；
图5为下一跳与目的节点运动示意图；
图6为数据包发送流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方法作进一步描述。该实施例用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
参见图1至图6，本发明主要针对多通道车载自组网中，链路环境多变导致信道特性不稳定而引起的信道频繁切换问题，提出了一种寻找长时间稳定链路的方法，不仅能够应用多通道技术提高网络数据传输率，而且能够降低信道切换次数，从而减少由于信道切换而引起的时延和通信中断。此外，本发明还利用信道的排队时延有效控制了由于信道负载不均衡导致的网络拥塞。
传统网络架构中的MAC层和网络层协议都仅仅适用于单信道情况下，目前多信道自组网的设计主要有两种实现方式，一种是倾向于修改MAC层协议的单接口多信道自组网，另一种是倾向于修改网络层协议的多接口多信道自组网。本发明采用的网络架构与这两种均略有不同，将数据链路层分为逻辑链路控制子层（以下简称LLC层）和介质访问控制子层（以下简称MAC层），物理层之上连接LLC层，LLC层针对每条信道有一个网络接口并对应一个物理地址，LLC层之上是MAC层，MAC层为一个虚拟的网络接口并对应一个MAC地址，每个节点有唯一一个MAC层网络接口，MAC层之上连接网络层。采用此结构的优点在于，对于物理层，每条信道均有一个LLC层的网络接口与之相对应，不需要对物理层作修改，对于网络层及以上结构，每一个节点有一个MAC层接口，依然可以采用原始的TCP/IP协议。本发明设计了一种多通道多跳自组网频率协调分配方法用于数据链路层，灵活应用LLC和MAC层的网络接口对信道进行协调分配，有效发挥了多信道的通信优势。
该实施例的场景设置以高速公路上的车载自组织网络为例。
步骤一：网络参考模型如图1所示。在网络模型中的LLC层，任一信道接口周期性地产生该信道上的信道探测帧（CE）并通过相应物理信道发送给其邻居节点，邻居节点相应信道接口收到CE后立即通过原信道向源节点回复RCE，收到计算该信道的传播时延，将传播时延最短的两条信道分别作为最佳信道和潜在最佳信道通知给MAC层虚拟网络接口。
参见图2，所述的信道探测帧（CE）和信道探测帧应答（RCE）的帧结构如图2所示，参见图3，采用以上周期性广播探测帧的方法检测信道质量的流程图如图3所示。所述计算信道传播时延的方法为：收到RCE的源节点信道接口用信道探测帧应答（RCE）中包含的时间减去信道探测帧（CE）发送的时间除以二。
步骤二：当源节点有数据要发送给目的节点时，源节点估测数据包的大小，并通过调用自身GPS模块信息获取车辆运动的速度矢量和位置，构成ORE帧，选择步骤1中的最佳信道和潜在最佳信道广播给邻居节点（下一跳）。
步骤三：下一跳收到源路由探测帧（ORE）后，判断其是否满足下一跳稳定条件，不满足则丢弃源路由探测帧（ORE），满足则调用本节点GPS信息获取速度矢量和位置，替换源路由探测帧（ORE）中源节点的速度和位置信息构成源路由探测帧应答（RORE），通过原信道回复给发送接口。
所述的下一跳稳定条件指的是：在当前数据包发送的过程中，按照当前车辆的运动趋势，下一跳始终处于源节点的通信范围内，无需在数据包发送的过程中切换信道。参见图4，节点A为源节点，B为其一个邻节点，B满足下一跳稳定条件即指其速度与位置满足公式1：
；
其中、分别为节点B对A相对速度的水平分量和垂直分量，、分别为BA距离的水平分量和垂直分量（分解时须保证正方向一致），为节点A的最大传播距离，即图中圆的半径，t为估测的数据包发送时延。
步骤四：收到源路由探测帧应答（RORE）的源节点根据源路由探测帧应答（RORE）中包含的下一跳的运动速度和位置选择最优下一跳和次优下一跳。
所述选择最优下一跳和次优下一跳的方法为：计算发送时延后下一跳到目的节点的距离，选择距离最短的两个节点分别作为最优下一跳和次优下一跳。如图5所示，采用公式2计算节点B与目的节点距离：
；
其中、分别为节点B对A相对速度的水平分量和垂直分量，、分别为BA距离的水平分量和垂直分量（分解时须保证正方向一致），为延迟t时间后，节点B与目的节点D的距离，t为估测的数据包发送时延。
步骤五：选择最佳链路发送数据包。
所述选择最佳链路的方法为：估算到最优下一跳质量最佳的两条信道和到次优下一跳质量最佳的两条信道的排队时延，若最优下一跳的最佳信道排队时延不超过1ms则选择其作为传输信道；最优下一跳的最佳信道排队时延超过1ms时，选择次优下一跳的最佳信道和最优下一跳的潜在最佳信道中排队时延较短的作为传输信道；若以上三条链路排队时延均超过1ms，则选择次优下一跳的潜在最佳信道作为传输信道；
步骤六：每一个收到数据帧的节点都根据以上步骤选择到达下一跳最佳通信链路，多跳之后将源节点的数据发送到目的节点。
上述仅为本发明的优选实施方式，应指出的是，对于本行业内的普通技术技术人员而言，在本发明的原理之下可以由一些改进和替换，该改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多通道多跳车载自组网频率协调分配方法，其特征在于包含如下步骤：
步骤一：网络中的任一节点周期性地向其邻居节点广播信道探测帧CE，实时掌握各个物理信道的通信质量；
步骤二：当源节点有数据要发送给目的节点时，源节点在信道探测帧CE中加入待发数据包的大小以及源节点的速度和位置信息以构成源路由探测帧ORE，然后选择信道质量最佳的两条信道广播给邻居节点；
步骤三：邻居节点收到源路由探测帧ORE后，判断其是否满足下一跳稳定条件，不满足则丢弃源路由探测帧ORE，满足则向源节点回复源路由探测帧应答RORE；
步骤四：源节点根据回复的源路由探测帧应答RORE选择最优下一跳和次优下一跳，再综合各信道的质量和负载采用优化方法选择最佳信道，发送数据帧；
步骤五：计算到最优下一跳质量最佳的两条信道——分别为最佳信道和潜在最佳信道，以及到次优下一跳质量最佳的两条信道的排队时延，根据优化方法选择一条信道作为下一跳通信信道；
步骤六：每一个收到数据帧的节点都根据以上步骤选择最佳通信链路，多跳之后将源节点的数据发送给目的节点。
2.根据权利要求1所述的一种多通道多跳车载自组网频率协调分配方法，其特征在于：步骤一中，在网络结构中的逻辑链路控制子层，网络中的节点周期性地产生任一信道上的信道探测帧CE并通过相应信道发送给其邻居节点，信道探测帧CE中包含其发送时间和信道标识；邻居节点相应信道接口收到信道探测帧后立即通过原信道向源节点回复信道探测帧应答RCE；收到信道探测帧应答的源节点根据其到达时间和应答的发送时间计算该信道的传播时延。
3.根据权利要求1所述的一种多通道多跳车载自组网频率协调分配方法，其特征在于：步骤三中，源路由探测帧应答RORE中用该节点的速度矢量和位置信息代替ORE中源节点的对应信息。
4.根据权利要求1所述的一种多通道多跳车载自组网频率协调分配方法，其特征在于：信道探测帧CE包含上一跳接口物理地址、下一跳接口物理地址、时间戳、信道标识；信道探测帧应答RCE包含：下一跳接口物理地址、上一跳接口物理地址、时间戳、信道标识。
5.根据权利要求1所述的一种多通道多跳车载自组网频率协调分配方法，其特征在于：源路由探测帧ORE包含：上一跳接口物理地址、下一跳接口物理地址、时间戳、信道标识、发送请求标识、数据帧大小、上一跳速度矢量、上一跳位置；源路由探测帧应答RORE包含：下一跳接口物理地址、上一跳接口物理地址、时间戳、信道标识、下一跳速度矢量、下一跳位置。
6.根据权利要求1所述的一种多通道多跳车载自组网频率协调分配方法，其特征在于：步骤三中所述下一跳稳定条件为：在车辆快速移动的情况下，在待发数据包所需的发送时延之内，下一跳没有超出上一跳的通信范围。
7.根据权利要求1所述的一种多通道多跳车载自组网频率协调分配方法，其特征在于：步骤四中选择最优下一跳的条件为：在车辆快速移动的情况下，经过待发数据包所需的发送时延之后，下一跳距离目的节点的距离最短。
8.根据权利要求1所述的一种多通道多跳车载自组网频率协调分配方法，其特征在于：步骤五中的优化方法描述为：若最优下一跳的最佳信道排队时延不超过1ms则选择其作为传输信道；最优下一跳的最佳信道排队时延超过1ms时，选择次优下一跳的最佳信道和最优下一跳的潜在最佳信道中排队时延较短的作为传输信道；若以上三条链路排队时延均超过1ms，则选择次优下一跳的潜在最佳信道作为传输信道。
9.根据权利要求1所述的一种多通道多跳车载自组网频率协调分配方法，其特征在于：步骤二、三中所述的速度和位置信息表示为，在以东西方向为横坐标，南北方向为纵坐标的坐标系中，速度大小用实际数值表示，方向用速度与横坐标的夹角表示，位置用横坐标和纵坐标的值表示。
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