CN105873165A - 一种基于转发效率预测的跨层车载网路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于转发效率预测的跨层车载网路由方法。本发明方法结合已有的MAC层接入协议，考虑因为信道衰落产生的传输失败概率，定义了单次传输节点的有效传输距离。同时结合多信道MAC层接入在控制信道上时隙分配的情况与节点的数据处理能力，定义了单次传输的等待时延。利用这两个参数定义出单次转发的转发效率，通过对下一跳的所有可选节点的转发效率进行预测，以单位时间传输距离最优化为策略进行路由选择，可以更有效的利用节点进行转发。本发明以提高每次转发的有效性为目的，减少了低效转发的产生，从而降低了平局端到端时延，减少了丢包率。

Description

一种基于转发效率预测的跨层车载网路由方法

技术领域

本发明设计了一种基于转发效率预测的跨层车载网路由方法，属于通信技术领域。

背景技术

车载自组织网络(VANET)作为移动自组织网络(MANET)的一个研究方向，在智能交通系统(ITS)中有着重要的应用。VANET将车辆节点与道路基础设施作为网络节点，主要实现车辆间通信(V2V，Vehicle-to-Vehicle Communication)和车辆与路边设施之间的通信(V2I，Vehicle-to-Infrastructure Communication)，构成了实时通信的移动网络，提高了交通的安全性和管理效率，同时也为车辆驾驶提供了更多的服务。由于车辆的高移动型，VANET具有网络拓扑频繁变化的特性，一般的MANET协议在VANET场景下，容易产生网络中断，高时延，高丢包率等问题，无法满足VANET的需求。所以VANET的协议设计成为了解决这些问题的研究热点。

考虑VANET没有功率限制和具有全球定位系统(GPS，Global Positioning System)的外部辅助信息支持，基于地理位置的路由协议是一种合适的选择。但是由于VANET下节点的高移动性和网络拓扑的频繁变化，传统的基于地理位置的路由协议在VANET有着较差的性能指标，如高丢包率，高传输时延等。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题在于克服传统路由在VANET下的缺点，提供一种考虑到实际传输中的传输成功率和节点的业务转发能力的路由方法，减少无效的转发次数，提高有限网络资源的利用率。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题。

技术方案：本发明旨在提供一种基于转发效率预测的跨层车载网路由方法。该方法包括：

a.确定点对点传输的传输概率和单次传输的有效传输距离：设节点X与邻 近节点Y_i之间的距离为集合N(X)表示节点X一跳内的所有邻居节点，Y_i∈N(X)，则节点X与节点Y_i进行一次数据包传输的成功概率为其中P_rxth表示邻居节点Y_i的接收功率阈值，P_ref表示在距离邻居节点Y_i 1m处可接收到的功率，定义单次传输的有效传输距离D_E(X,Y_i)为其中d_X,Z和d_Yi,Z分别表示节点X与目标节点Z之间的距离，节点Y_i和目标节点Z之间的距离。

b.确定单次点对点传输的等待延时：节点定期向一跳范围内的节点广播自己的业务队列长度，节点A向邻居节点B_i发送数据包成功后，根据邻居节点B_i的业务队列的长度和节点每帧内的转发数据包的能力，可以预测出数据包再次转发之前需要等待的时隙数为T_w(X,Y_i)＝(K_s(Y_i)+L-K_s(X))modL+q(Y_i)/b*L，其中K_s(X)和K_s(Y_i)分别表示节点X和节点Y_i在控制信道上占用时隙的序号，L表示控制信道的一帧内的总时隙数，q(Y_i)表示节点Y_i业务队列中未处理的数据包个数，b表示节点一次可以传输的数据包个数。

c.计算路由判据：定义下一跳可选节点在单位时间的有效传输距离为该节点的转发效率。根据节点X、节点Y_i、节点Z当前移动速度v_X、v_Z，预测经过T_w(X,Y_i)时间之后节点X、节点Y_i、节点Z的位置。计算d_X,Z′和分别表示经过T_w(X,Y_i)时间之后，节点X与邻近节点Y_i之间的距离，节点X与目标节点Z间的距离，节点Y_i和目标节点Z之间的距离。经过T_w(X,Y_i)时间之后单次传输的有效传输距离则目标为节点Z的数据包从节点X转发时计算节点Y_i的路由判E(X,Y_i)_Z据为：

d.路由选择转发

d1.如果目标节点在节点X的一跳范围之内，节点X直接在业务信道上向目标节点发送数据包。

d2.如果目标节点不在节点X的一跳范围之内，节点X计算一跳范围内的所有邻居节点的路由判据E(X,Y_i)_Z，选取路由判据最大的节点进行转发。

有益结果

本发明利用了跨层的机制提出了一个VANET中基于转发效率预测的跨层车载网路由方法，利用该方法建立的路由具有最高的转发效率，可以显著地改善平均端到端延时、吞吐量、丢包率等网络性能。

附图说明

图1是路由选择的流程图。

图2是节点集合示意图。

图3是路由算法的算法流程图。

具体实施方式

在设计符合VANET的基于地理位置的路由算法时，如何选择下一跳的节点是主要研究对象。传统基于地理位置的路由算法在选择下一跳节点时，选择与目标节点最近的点进行转发。这种策略一方面没有考虑到实际传输中的传输成功率，传输距离越远传输成功率越低；另一方面没有考虑到选择节点的业务处理能力。

为了解决这两个问题，本发明提出了一种最优转发期望的路由机制。在选择下一跳节点时首先判断是否能直接发送给目标节点，如果可以发送到目标点则直接向其发送。如果不能则在可选转发点的集合中，选择此次转发的期望最优的节点进行转发。为此需要所有节点在多信道场景下有效的接入控制信道，并在控制信道上广播控制信息，进行信道预约和节点信息交换。同时VANET将应用多信道的接入情况，在MAC层使用VeMAC协议接入，给出一种跨层多信道VANET路由协议。分为信息广播和路由选择两个部分。

1、信息广播

多信道场景下，节点通过VeMAC的接入机制接入控制信道，每个节点占有控制信道上一帧中的一个时隙。节点在控制信道上属于自己的时隙上广播控制数据包，用于相互交换信息、道路安全消息广播和业务信道预约。交换的信息包括 车辆通过GPS获得的坐标和速度，周围一跳内节点的信道占用情况，自己业务队列状况。节点通过这些信息进行无冲突的信道接入。

如图 2所示，定义N(X)为节点X一跳内的邻点组成的集合；T(X)为节点X两跳内的邻点组成的集合；C(X)为节点X两跳内业务信道的占用情况。

对于一个接入控制信道的节点X，节点Y_i∈N(X)，在控制信道上Y_i的时隙上，x从Y_i接收Y_i一跳内节点的位置信息，Y_i一跳内业务信道的占用情况，Y_i业务队列的情况q(Y_i)，用于更新T(X)和C(X)并存储N(X)的业务队列长度和位置信息。

在控制信道X占有的时隙上，如果q(X)＞0，则X有业务需要发送，需要对于业务信道进行占用。X根据C(X)选择可用信道，根据N(X)中节点的位置、业务队列长度、目标节点的位置进行路由选择，并将信道和转发节点的选择结果，在控制信道上进行广播预约，并发送自己的相关信息，用于一跳内的其他节点更新T(Y_i)和C(Y_i)。然后在选用的业务信道上向选择好的下一跳节点发送数据包。

2、路由选择

假设当前节点X的业务队列不为空，队头的数据包发送给目标节点Z。则X点可以获得Z点的地理位置和ID，并以此为依据进行下一跳的路由选择。

首先X在N(X)中查找是否存在Z点，如果Z∈N(X)，则X选择直接向Z点发送数据。否则，X在N(X)中选择一个节点Y_i，将数据包发送给Y_i，再由Y_i继续转发。Y_i点的选择是路由算法的核心。

传统基于地理位置的路由算法中，选择N(X)中欧式距离到Z最近的点进行转发，即：

min(d(Y_i,Z))Y_i∈N(X) (1)

或

max(d(X,Z)-d(Y_i,Z))Y_i∈N(X) (2)

其中d(a,b)表示a，b两点之间的欧式距离。

这种策略能使得数据包以最短的距离传送给目标点Z，换句话说，这种策略使得每跳与目标之间的距离缩短最多。但是没有考虑到路径损耗导致的传输成功率下降，因为传输距离越远数据包传输的成功率越低。P_r(d)表示距离为d的两节点之间相互发送数据包的成功概率。则从X点向Y_i点发送数据包实际能获得的与Z之间的距离缩短量D_E(X,Y_i)，即：

所以考虑到传输成功率的情况下，策略可以改进为：

max(P_r(d(X,Y_i))(d(X,Z)-d(Y_i,Z)))Y_i∈N(X) (4)

这种策略可以使得每一跳传输的距离缩短最大，但是在多跳转发过程中，还要考虑因为节点占用时隙分布和节点处理能力的问题导致的转发等待。假设x向y发送数据包成功，该次发送的数据包加入Y_i的业务处理队列尾，每一帧内Y_i可以处理的数据包数为那么根据q(Y_i)可以计算出这个数据包在再次发送前需要等待的帧数为q(Y_i)/b。

设K_s(X)表示节点X在控制信道上占用的时隙编号，控制信道一帧有L个时隙，则X到Y_i的时隙间隔为：

(K_s(Y_i)+L-K_s(X))modL (5)

所以数据包在X向Y_i点发送数据包成功后，需要等待的时隙数T_w(X,Y_i)为：

T_w(X,Y_i)＝(K_s(Y_i)+L-K_s(X))modL+q(Y_i)/b*L (6)

则实际上经过T_w(x,y)时间后，因为车辆的运动d(Y_i,Z)变为了d(Y_i',Z')，可以通过当前Y_i和Z的速度和v_z预测出d(Y_i',Z')。

那么节点X选择向节点Y_i发送目标节点为Z的数据包，单位时间可以获得距离缩短E(X,Y_i)_Z为：

所以优化后转发策略为：

从X点向Z点发送数据包，X点的路由选择如图 3所示，算法步骤如下。

(1)X在前N-1个时隙中接收其他节点信息，数据初始化，最优值赋值为0，如果X属于N(X)，Z标记为下一跳，转步骤(6)，否则转步骤(2)；

(2)从N(X)中随机选择一个节点Y_i，计算E(X,Y_i)_Z，如果没有可选点转步骤(5)否则转步骤(3)；

(3)如果E(X,Y_i)_Z大于当前最优值，转步骤(4)，否则标记Y_i不再被选中，转步骤(2)；

(4)将Y_i标记为下一跳，最优值变为E(X,Y_i)_Z，转步骤(2)；

(5)如果最优值大于0，转步骤(6)，否则转步骤(7)；

(6)向当前选择下一跳发送数据包，转步骤(8)；

(7)当前数据包加入队尾，转步骤(8)

(8)进行下一个数据包的路由选择。

Claims (1)

1.一种基于转发效率预测的跨层车载网路由方法，其特征在于，该方法包括以下内容：

a.确定点对点传输的传输概率和单次传输的有效传输距离：设节点X与邻近节点Y_i之间的距离为集合N(X)表示节点X一跳内的所有邻居节点，Y_i∈N(X)，则节点X与节点Y_i进行一次数据包传输的成功概率为其中P_rxth表示邻居节点Y_i的接收功率阈值，P_ref表示在距离邻居节点Y_i 1m处可接收到的功率，定义单次传输的有效传输距离D_E(X，Y_i)为其中d_X,Z和分别表示节点X与目标节点Z之间的距离，节点Y_i和目标节点Z之间的距离；

b.确定单次点对点传输的等待延时：节点定期向一跳范围内的节点广播自己的业务队列长度，节点A向邻居节点B_i发送数据包成功后，根据邻居节点B_i的业务队列的长度和节点每帧内的转发数据包的能力，可以预测出数据包再次转发之前需要等待的时隙数为T_w(X,Y_i)＝(K_s(Y_i)+L-K_s(X))mod L+q(Y_i)/b*L，其中K_s(X)和K_s(Y_i)分别表示节点X和节点Y_i在控制信道上占用时隙的序号，L表示控制信道的一帧内的总时隙数，q(Y_i)表示节点Y_i业务队列中未处理的数据包个数，b表示节点一次可以传输的数据包个数；

c.计算路由判据：定义下一跳可选节点在单位时间的有效传输距离为该节点的转发效率，根据节点X、节点Y_i、节点Z当前移动速度v_X、v_Z，预测经过T_w(X,Y_i)时间之后节点X、节点Y_i、节点Z的位置。计算d_X,Z′和分别表示经过T_w(X,Y_i)时间之后，节点X与邻近节点Y_i之间的距离，节点X与目标节点Z间的距离，节点Y_i和目标节点Z之间的距离，经过T_w(X,Y_i)时间之后单次传输的有效传输距离则目标为节点Z的数据包从节点X转发时计算节点Y_i的路由判E(X,Y_i)_Z据为：

$E{(X,Y_i)}_Z=\frac{{D^{\′}}_E(X,Y_i)}{T_w(X,Y_i)}$

d.路由选择转发：

d1.如果目标节点在节点X的一跳范围之内，节点X直接在业务信道上向目标节点发送数据包；

d2.如果目标节点不在节点X的一跳范围之内，节点X计算一跳范围内的所有邻居节点的路由判据E(X,Y_i)_Z，选取路由判据最大的节点进行转发。