CN105959993A - 一种应用于车辆自组织网络的多跳转发通信算法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种应用于车辆自组织网络的多跳转发通信算法，该算法能适应高速公路场景下拓扑高度动态变化的特点，在稀疏网络中确保安全消息可靠广播的前提下降低广播时延，在密集网络中以低水平的网络开销获得安全消息的可靠扩散。该算法有两种工作模式，即发送端指定转发节点模式保证消息的快速分发，和接收端分布式协作转发保证广播的连续性。本发明能适应宽范围的车流密度场景，获得广播时效性和可靠性方面折中的同时，将网络负载控制在较低水平。

Description

一种应用于车辆自组织网络的多跳转发通信算法

技术领域

本发明车辆自组织网络安全消息的广播路由算法，尤其是适应高度动态拓扑变化的低时延、高可靠多跳广播算法的应用于车辆自组织网络的多跳转发通信算法。

背景技术

传统的安全消息多跳广播算法，按照中继节点的选择方法可分为两类，第一类是基于发送端指定的中继决策方案，车辆在广播安全消息之前指定一个或者多个邻居为中继转发节点，该指定的节点收到报文后马上转发或者经过一定时间等待后转发；第二类是基于接收端协调转发的中继决策方案，接收节点按照分布式的方式来协调转发安全消息，通过配置具有不同转发等待时延的计时器，距离越远的节点具有更小的等待时延而率先发起转发，其他节点在等待期间收到了转发副本而取消等待并丢包。

然而，由于无线信道的衰落、物体遮挡、干扰等因素导致数据的接收呈现不确定性，单纯依靠发送端指定中继节点策略，该指定的节点可能没有正确收到数据包而导致中继中断，而重传则会增加时延。

其次，单纯依靠发送端分布式协作转发策略，对网络车流密度的适应性较差。在稀疏网络时，距离上一跳节点最远的节点可能不处于最远的区域，按照最远距离转发规则，它依然需要等待一定的时延才能转发；在密集网络，最远区域可能聚集着多个车辆节点，他们具有相同的转发等待时延，并发数据相互干扰，且浪费了带宽资源。

因此本发明根据车联网拓扑和信道动态变化的特点，结合基于发送端指定的中继策略和基于接收端协作转发的中继策略，实现低时延、高可靠、低冗余且适应性好的广播算法。

发明内容

本发明的目的是：提出一种能适应高速公路车联网动态环境的多跳广播算法，该算法结合了基于发送端指定中继策略和基于接收端协作转发策略的优点，能适应网络车流密度动态变化的特点，使数据在稀疏网络状态下快速扩散，在密集网络状态时减少冗余避免广播风暴，实现时延性能和可靠性的兼顾，同时不以牺牲网络开销为代价，解决传统广播算法只优化单一方面性能的不足。

为了实现本发明的目的，一种应用于车辆自组织网络的多跳转发通信算法，该多跳转发通信算法具体包括以下步骤：

步骤1：车辆的转发模式探测；

步骤2：危险检测和广播发起进行通信；

步骤3：中继转发。

进一步，所述步骤1中车辆的转发模式探测的具体步骤如下：

步骤1.1：区域内车辆均搭载Global Position System，实时获取车辆的速度、位置的状态信息，并通过周期性的BSM消息交互建立一跳邻居列表，以探测车辆所处路段的车流密度；

步骤1.2：转发模式，发送端采用SSF模式，在广播安全消息之前，广播节点首先根据网络的疏密状态指定多个或者一个邻居作为中继节点，并在广播消息包头中标示，以实现安全消息的快速扩散；当SSF模式转发失败时，RCF模式启动工作，收到安全消息后，所有接收节点以分布式的方式协作转发该消息，以实现安全消息的可靠扩散。

进一步，所述步骤2中危险检测和广播发起进行通信的具体步骤如下：

步骤2.1:在高速公路上的车辆，通过车载通信设备周期性检测车辆和道路状况，一旦检测到危险，源车辆以光和声音两种方式提醒驾驶员，同时将该危险状况以电磁波信号形式广播出去，以提醒事故地点后向3公里以内朝向此事故地点的其他车辆规避危险。

步骤2.2:车辆根据实时的车流密度信息来决策在SSF模式下源车辆选择中继个数，判断网络状态，若是稀疏网络状态，SSF模式下源车辆指定最远的多个邻居为中继节点，并在安全消息中标示然后广播出去；若是密集网络状态，SSF模式下源车辆指定最远的唯一最佳邻居为中继节点，并在安全消息中标示然后广播出去。

进一步，所述步骤3中中继转发，其具体步骤如下：

首先，当车辆节点收到安全消息后，首先解析报文头部的标志位，如果是稀疏网络态，进一步判断自己是否为指定转发节点，如果是则立即转发；如果不是则进入等待状态；

其次，如果所有指定转发节点均转发失败，则所有接收车辆开始启动RCF模式，它们以分布式方式来协调转发安全消息；接收车辆首先启动一个计时器(Timer)来配置转发等待时延，距离源车辆越远的车辆等待时延越小，而率先发起转发，从而每一跳获取更高的覆盖范围和更短的端到端时延。

进一步，所述步骤3还包括广播算法的安全消息丢弃过程，该过程的具体步骤如下：

步骤4.1：车辆收到报文后，首先查看该报文所经历的时间，如果超出安全消息的生存周期TTL，说明该消息已经无效，则丢弃该报文，

步骤4.2：如果该报文在时间上有效，进一步检查所述报文所经历的距离L，即本车辆所在位置与源车辆所在位置之间的距离L，如果该距离值L大于安全距离门限值X，X的取值范围为3Km，则该消息已经超出了潜在危险区域，则丢弃该报文；

步骤4.3：如果以上两条件均符合，则判断是否已经收到过所述报文，如果收到的是报文副本，则本车辆处于等待转发阶段已经有其他车辆已经转发了该报文，此时也丢弃该报文。

进一步，所述网络状态方法的步骤如下：

1.1根据格林希尔茨速度-密度模型估计车辆所在道路的车流密度，估算模型为：

$v=v_f(1-\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_j}),$

式中，v为车辆行驶的平均速度，v_f为车流量很小时车辆自由行驶的速度，ρ_j为道路可容纳的最大交通密度，ρ为实变的车流密度，单位为辆/km；

1.2.根据步骤1.1得到的实变的车流密度ρ与设定的门限值ρ_th，若ρ大于门限值ρ_th则认为此时的网络为密集状态，反之为稀疏状态。

进一步，所述每一跳的最大距离为设备最大通信距离，通信距离为300-400米。

本发明的优点是：由于采用上述技术方案，本发明的算法能适应高速公路场景下拓扑的高度动态变化特点，在稀疏网络态下快速扩散安全消息，在密集网络态下控制冗余数量，实现时效性和可靠性的折中，并且将网络开销控制在一定范围内。

附图说明

图1本发明的应用场景效果图。

图2本发明广播算法流程框图。

图3本发明中继选择示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的应用场景是高速公路多车道多辆车高速行驶，图1是本发明的一个应用场景效果图，如图所示，车辆检测到车辆碰撞事故，源车辆产生相关的安全消息广播出去，以提醒其运动后方且朝着碰撞事故方向的车辆采取一定的规避措施，源车辆一跳范围内的一个或者多个车辆转发该消息给后方更远的车辆，通过多跳转发方式扩散该安全消息，直到该消息覆盖了事故地点后方一定距离的危险区域。

至此可以看出本广播算法至少包括以下几点：其一，每个车辆节点周期性的发送Basic Safety Message(BSM)消息，将其地理位置、运动速度的大小和方向以及邻居数等状态信息告知邻居车辆，每个车辆通过邻居列表估计当前路段的实时车流密度，用来确定本车SSF中继转发模式中中继节点个数。如果当前车流密度大于门限值，则处于密集状态，源车辆指定唯一邻居作为中继，否则，源车辆指定多个邻居作为中继；其二，当源节点探测到安全消息时，SSF模式首先开始指定中继节点，根据网络疏密状态从邻居列表中选择最佳邻居作为中继转发节点，将该节点的ID写入安全消息中，然后广播。如果指定中继成功收到安全消息，则立即转发；否则RCF模式开始工作，所有接收节点分布式协作转发该消息；其三，节点在收到安全消息后，首先解析该消息，如果超过生存周期、或者超过危险区域、或者是其他节点转发的副本，则节点选择丢包，并终止等待转发计数器。

图2是广播算法的流程框图，当有安全消息需要转发时，发送端首先查询其邻居列表，来指定最佳中继转发节点。邻居列表的建立是通过周期性广播的BSM消息建立的，BSM消息包括节点的地理位置、速度、邻居数等状态信息，作为VANET的基本安全消息，周期性地在网络节点中交互，提供安全预警。BSM消息的数据帧格式如表1所示：

表1 BSM消息的数据结构

帧长度

帧类型

地理位置

速度大小

速度方向

邻居数

扩展域

时间戳

为了在邻居列表中选出最佳中继转发节点，本发明考虑了真实车联网环境中信道的衰落、周围环境中数据的干扰、车辆的移动以及队列缓存中待发数据包的长度等影响数据广播因素，推导了多度量因子的中继选择目标函数来指定一个或者多个最佳中继，图3是中继选择示意图。源车辆i根据最佳中继选择函数，计算它的每一个邻居(j,k,m)成为中继的概率，概率最高的被选为最佳中继ExpectedForwarding Node(EFN),写入到广播报文头部然后广播出去。广播报文的数据帧格式如表2所示：

表2 安全消息的数据结构

接收节点收到安全消息后，首先解析安全消息包头，检测指定转发节点的ID，如果自身是源节点所指定的中继(图3中的EFN)，则立即发送Acknowledgement(ACK)消息，紧接着转发该报文。ACK消息是短数据帧，在网络中被干扰的概率较小，而且能快速扩散以通知其他等待转发的节点终止等待并丢包，结合转发的数据报文副本，保证了整个网络的运行效率。ACK确认消息的数据帧格式如表3所示：

表3 ACK消息的数据结构：

帧长度	帧类型	安全消息ID	扩展域

如果接收节点自身不是源节点所指定的中继，则进入等待状态，等待指定中继转发。如果等待结束依然没有收到ACK或者副本，则说明指定中继转发失败，则所有协助转发节点Help Node(HN)(图3中的HN1和HN2)开启RCF模式，分布式地协作转发数据包。RCK模式的工作原理是：节点根据与上一跳转发节点的距离配置转发计时器，距离越大，计时器时延越小，即距离越远的接收节点优先转发以获取更大的覆盖面积。距离小的节点监听到了距离远的节点转发报文后则终止等待。等待时延T_wait计算公式为：其中T_max为最大转发等待时延，为定值，d为本节点与上一跳转发节点的距离，R为节点通信距离。

安全消息按照以上方面逐跳扩散，直到该消息超出生存周期，或者超出安全消息所涉及的危险区域。

VANET安全消息多跳广播算法车辆转发模式过程如下：

步骤1-1本发明提出的广播算法中，车辆均搭载Global PositionSystem(GPS)，实时获取车辆的速度、位置、邻居数等状态信息，并通过周期性的BSM消息交互建立一跳邻居列表，以探测车辆所处路段的状态。

步骤1-2为了适应VANET拓扑动态变化的特点，本发明提出的广播算法有两种中继转发模式：发送端指定中继模式(senderspecifying forwarder(SSF)model)和接收端协作转发模式(receiver cooperative forwarding(RCF)model)。SSF模式下，在广播安全消息之前，广播节点首先根据网络的疏密状态指定多个或者一个邻居作为中继节点，并在广播消息包头中标示，以实现安全消息的快速扩散。在SSF转发失败时，RCF模式才开始工作，收到安全消息后，所有接收节点以分布式的方式协作转发该消息，以实现安全消息的可靠扩散。

广播算法的安全消息的检测和发起过程如下：

步骤2-1高速公路上的车辆，通过车载传感器设备周期性检测车辆和道路状况，一旦检测到危险，源车辆以光和声音两种方式提醒驾驶员采取一定措施，同时将该危险状况以电磁波信号形式广播出去，以提醒事故地点后向3公里以内朝向此事故地点的其他车辆规避危险。由于车载通信设备的最大通信距离一般只有300-400米，因此需要通过多跳转发技术才能将安全消息扩散到潜在危险区域。

步骤2-2根据实时的车流密度信息来决策在SSF模式下源车辆选择中继个数。若是稀疏网络状态，SSF模式下源车辆指定最远的多个邻居为中继节点，并在安全消息中标示然后广播出去；若是密集网络状态，SSF模式下源车辆指定最远的唯一最佳邻居为中继节点，并在安全消息中标示然后广播出去。

广播算法的中继节点的选择和转发过程如下：

步骤3-1车辆节点收到安全消息后，首先解析报文头部的标志位，如果是稀疏网络态，进一步判断自己是否为指定转发节点，如果是则立即转发，发送方法同2-2所述；如果不是则进入等待状态；

步骤3-2如果所有指定转发节点均转发失败，则所有接收车辆开始启动RCF模式，它们以分布式方式来协调转发安全消息。接收车辆首先启动一个计时器(timer)来配置转发等待时延，距离源车辆越远的车辆等待时延越小，率先发起转发，从而每一跳获取更高的覆盖范围和更短的端到端时延。

广播算法的安全消息丢弃过程如下：

步骤4-1车辆收到报文后，首先查看该报文所经历的时间，如果超出安全消息的生存周期，说明该消息已经无效，则丢弃该报文；

步骤4-2如果该报文在时间上有效，进一步检查该报文所经历的距离，即本车辆所在位置与源车辆所在位置之间的距离L，如果该距离大于安全距离门限，说明该消息已经超出了潜在危险区域，则丢弃该报文；

步骤4-3如果以上两条件均符合，则判断是否已经收到过该报文，如果收到的是报文副本，说明本车辆处于等待转发阶段已经有其他车辆已经转发了该报文，此时也丢弃该报文；

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本专利利用城市交通软件SUMO来生成车辆的运动轨迹，导入到网络仿真软件NS2(Network Simulation V2.35)来模拟VANET环境下该多跳转发通信算法的性能。

仿真模拟的道路场景为一条3km长40m宽的双向直路，一个源车辆节点分布在道路的一段，一个目的车辆节点分布在道路的另一端，中间分布着20-100辆运动着的车辆，车速为30-60km/h，通过SUMO模拟车辆的运动轨迹，输入到NS2中模拟通信性能。通信模拟使用802.11p环境，物理层模型为Nakagami-m，路由方案为本算法，源节点以1s为周期发送512byte大小的报文，仿真持续时间100s，最后统计分析该多跳转发算法的时延、吞吐量和冗余等性能。主要仿真参数如下表所示：

Parameter	Value	Parameter	Value
				仿真工具	NS2.35	理论通信距离	400m
轨迹生成工具	SUMO	安全距离门限	3km
				PHY模型	Nakagami-m	安全行车速度门限	60km/h
MAC模型	802.11p	自由行车速度	120km/h
				Time-slotτ	0.02s	网络状态门限	5辆/km
道路长度	3km	安全消息生存时间	10s
				车辆数	20,40,60,80,100	消息最大等待时延	0.02s
车辆速度	30-60km/h	有效通信距离	250m
				CBR包大小	512Byte/s	BSM周期	0.1s
仿真时间	400s	仿真次数	10

在相同环境下与经典的flooding算法对比发现，本算法在保证网络吞吐量的同时，能大大地降低泛洪引起的广播冗余，一定程度上抑制了广播风暴的产生，时延性能也有较大程度的改善，很好地平衡了通信的可靠性和有效性。

Claims (7)

1.一种应用于车辆自组织网络的多跳转发通信算法，其特征在于，该多跳转发通信算法具体包括以下步骤：

步骤1：车辆的转发模式探测；

步骤2：危险检测和广播发起进行通信；

步骤3：中继转发。

2.根据权利要求1所述的多跳转发通信算法，其特征在于，所述步骤1中车辆的转发模式探测的具体步骤如下：

步骤1.1：区域内车辆均搭载Global Position System，实时获取车辆的速度、位置的状态信息，并通过周期性的BSM消息交互建立一跳邻居列表，以探测车辆所处路段的车流密度；

步骤1.2：转发模式，发送端采用SSF模式，在广播安全消息之前，广播节点首先根据网络的疏密状态指定多个或者一个邻居作为中继节点，并在广播消息包头中标示，以实现安全消息的快速扩散；当SSF模式转发失败时，RCF模式启动工作，收到安全消息后，所有接收节点以分布式的方式协作转发该消息，以实现安全消息的可靠扩散。

3.根据权利要求1所述的多跳转发通信算法，其特征在于，所述步骤2中危险检测和广播发起进行通信的具体步骤如下：

步骤2.1:在高速公路上的车辆，通过车载通信设备周期性检测车辆和道路状况，一旦检测到危险，源车辆以光和声音两种方式提醒驾驶员，同时将该危险状况以电磁波信号形式广播出去，以提醒事故地点后向3公里以内朝向此事故地点的其他车辆规避危险。

步骤2.2:车辆根据实时的车流密度信息来决策在SSF模式下源车辆选择中继个数，判断网络状态，若是稀疏网络状态，SSF模式下源车辆指定最远的多个邻居为中继节点，并在安全消息中标示然后广播出去；若是密集网络状态，SSF模式下源车辆指定最远的唯一最佳邻居为中继节点，并在安全消息中标示然后广播出去。

4.根据权利要求3所述的多跳转发通信算法，其特征在于，所述步骤3中中继转发，其具体步骤如下：

首先，当车辆节点收到安全消息后，首先解析报文头部的标志位，如果是稀疏网络态，进一步判断自己是否为指定转发节点，如果是则立即转发；如果不是则进入等待状态；

其次，如果所有指定转发节点均转发失败，则所有接收车辆开始启动RCF模式，它们以分布式方式来协调转发安全消息；接收车辆首先启动一个计时器(Timer)来配置转发等待时延，距离源车辆越远的车辆等待时延越小，而率先发起转发，从而每一跳获取更高的覆盖范围和更短的端到端时延。

5.根据权利要求4所述的多跳转发通信算法，其特征在于，所述步骤3还包括广播算法的安全消息丢弃过程，该过程的具体步骤如下：

步骤4.1：车辆收到报文后，首先查看该报文所经历的时间，如果超出安全消息的生存周期TTL，说明该消息已经无效，则丢弃该报文，

步骤4.2：如果该报文在时间上有效，进一步检查所述报文所经历的距离L，即本车辆所在位置与源车辆所在位置之间的距离L，如果该距离值L大于安全距离门限值X，X的取值范围为3Km，则该消息已经超出了潜在危险区域，则丢弃该报文；

步骤4.3：如果以上两条件均符合，则判断是否已经收到过所述报文，如果收到的是报文副本，则本车辆处于等待转发阶段已经有其他车辆已经转发了该报文，此时也丢弃该报文。

6.根据权利要求3所述的多跳转发通信算法，其特征在于，所述网络状态方法的步骤如下：

1.1根据格林希尔茨速度-密度模型估计车辆所在道路的车流密度，估算模型为：

式中，v为车辆行驶的平均速度，v_f为车流量很小时车辆自由行驶的速度，ρ_j为道路可容纳的最大交通密度，ρ为实变的车流密度，单位 为辆/km；

1.2.根据步骤1.1得到的实变的车流密度ρ与设定的门限值ρ_th，若ρ大于门限值ρ_th则认为此时的网络为密集状态，反之为稀疏状态。

7.根据权利要求4所述的多跳转发通信算法，其特征在于，所述每一跳的最大距离为设备最大通信距离，通信距离为300-400米。