CN106059694A - 一种vanet中利用多跳通信对双车道连通性进行分析建模的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种VANET中利用多跳通信对双车道连通性进行分析建模的方法。使用多跳通信的方式进行车‑车通信，在传统研究因素的基础上，针对信息传播的无线信道环境和车辆移动性，综合考虑衰减效应和车辆速度对连通性的影响，分别使用基于面积的和基于半径的方法研究连通概率。在综合考虑衰减信道和车辆移动性的情况下，本方法更加偏向实际行车场景，且提出的基于面积的研究方法优于基于半径的研究方法。

Description

一种VANET中利用多跳通信对双车道连通性进行分析建模的 方法

技术领域：

本发明属于移动通信技术领域，特别涉及一种VANET中利用多跳通信对双车道连通性进行分析建模的方法。

背景技术：

在VANET中，将无线通信应用于车-路、车-车通信仍在技术方面面临着一些挑战。由于无线信道的固有特性，多个反射物体会降低接收信号的强度和质量；另外，鉴于周围物体和车辆本身的移动性，必须考虑衰减效应。车辆的高移动性造成连接链路的间歇性连接也对连通性的研究产生影响。在已有的车-车间通信网络研究中，往往单独强调网络中各层协议或连通性的研究，传统方法对车联网连通性的研究比较单一，如仅考虑阴影衰落下车辆传输半径对连通性的影响，由单车道扩展到双车道等。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种VANET中利用多跳通信对双车道连通性进行分析建模的方法，从而克服上述现有技术中的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供了

一种VANET中利用多跳通信对双车道连通性进行分析建模的方法，其步骤为：

(1)双车道反方向移动场景内，采用截断型高斯分布描述车辆速度的分布， 截断型高斯概率密度函数如下式所示：

其中f_V(v)为速度的高斯概率密度函数，又u、σ为车辆速度的均值和方差；设V_min、V_max为车辆速度的最大值和最小值，则有V_min＝u-3σ、V_max＝u+3σ；那么截断型高斯概率密度函数可表示为：

(2)才用等效速度描述连通概率，设等效速度为u_eff，车辆移动环境下车流量密度为ρ_eff：

其中λ为车辆到达率；

(3)在阴影衰落环境中，设车辆的传输半径为R,等效传输半径可以表示为：

其中n是信道衰减因子，σ_rand是一个随机变量的标准差；

(4)在双车道移动衰落环境中，通过多跳方式进行通信：

A、设两车相距距离为X，根据扇形的面积求解公式可以得到通信范围的交叉区域面积：

那么在这个交叉面积内没有车辆作为跃点车辆的概率是有车辆作为跃点车辆使两车可直接通信的概率是

B、设任意两辆车的通信半径不一样，定义D(v_i,r)是以v_i为中心、r为半径的区域，C＝D(v₁,r)∩D(v₂,r₀)，相交区域的微分为dC＝2rθdr，其中角度θ可以表示为：

C、v₂是v₁的k-hop邻居车辆的概率记为P_k(x)，在v₂通信区域没有车辆中继节点是v₁的(k-1)-hop邻居车辆的概率是

则：

D、使用半径求多跳通信的连接概率P_L：

其中m为安全距离，L是研究路段长度。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

充分考虑车辆传输半径、车间安全距离、无线信道衰减、车辆移动性等因 素，使用多跳通信的方法，提出基于面积的连通性概率计算方法。本方案综合考虑对车联网连通性构成较大影响的多种因素，有较强的实用性。

附图说明：

图1为本发明车辆通信模型示意图；

图2为本发明双车道交通模型示意图；

图3为本发明不同传输信道环境下连接概率与车辆密度和半径仿真结果示意图；

图4为本发明不同传输信道环境下连接概率与车间距离的关系的仿真结果示意图；

图5为本发明车辆移动等效速度与方差的关系仿真结果示意图；

图6为本发明基于面积求法的半径较小时2跳、3跳概率仿真结果示意图；

图7为本发明基于面积求法的半径较大时2跳、3跳概率仿真结果示意图；

图8为本发明基于面积求法与基于传输半径求法的连接概率对比仿真结果示意图。

具体实施方式：

下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

一种VANET中利用多跳通信对双车道连通性进行分析建模的方法，其步骤为：

(1)如图1所示，采用双车道反方向移动场景，在相邻车道的车只要通信范围的交叉区域内存在跃点车辆即可相互通信并且是通过多跳通信的方式向前传递信息，采用截断型高斯分布描述车辆速度的分布，截断型高斯概率密度函数如下式所示：

其中f_V(v)为速度的高斯概率密度函数，又u、σ为车辆速度的均值和方差；设V_min、V_max为车辆速度的最大值和最小值，则有V_min＝u-3σ、V_max＝u+3σ；那么截断型高斯概率密度函数可表示为：

(2)才用等效速度描述连通概率，设等效速度为u_eff，车辆移动环境下车流量密度为ρ_eff：

其中λ为车辆到达率；

(3)在阴影衰落环境中，设车辆的传输半径为R,等效传输半径可以表示为：

其中n是信道衰减因子，σ_rand是一个随机变量的标准差；

(4)在双车道移动衰落环境中，通过多跳方式进行通信：

A、设两车相距距离为X，根据扇形的面积求解公式可以得到通信范围的交叉区域面积：

那么在这个交叉面积内没有车辆作为跃点车辆的概率是有车辆作为跃点车辆使两车可直接通信的概率是

B、设任意两辆车的通信半径不一样，定义D(v_i,r)是以v_i为中心、r为半径的区域，C＝D(v₁,r)∩D(v₂,r₀)，相交区域的微分为dC＝2rθdr，其中角度θ可以表示为：

C、v₂是v₁的k-hop邻居车辆的概率记为P_k(x)，在v₂通信区域没有车辆中继节点是v₁的(k-1)-hop邻居车辆的概率是

则：

D、使用半径求多跳通信的连接概率P_L：

其中m为安全距离，L是研究路段长度。

设置参数如下：m＝10，R＝100、150、200、250，σ＝0.1，K＝2、3。

VANET中，车辆节点的高速移动导致信息传播链路的间接性连接，双行车道是高速公路普遍的道路形式，图2中描述了双车道环境下利用车辆通信半径交叉面积来分析车辆连通性的模型。

图3-4描述了阴影衰落环境下和理想环境下车辆连接与传输半径、车辆密度、车间距离的关系，由图可知，由于车辆行驶环境中建筑物等的阻挡造成的阴影衰落使得连接概率在阴影衰落环境下相比于理想环境要低一些。随着车间距离的增加，连接概率也会降低。

图5表示车辆移动性对车量的影响，车辆速度变快时车辆数量在研究范围内降低，导致车辆密度减小。

图6-7描述了跳数、车辆距离、信息传输半径对连接概率的影响：在图6中，我们假定当传输信息的跳数改变时车辆半径保持不变，由图可知根据车间距离与半径的倍数关系不同，2跳和3跳的最大概率到达点是不一样的。距离小于半径的两倍时采用2跳信息传输的方式成功概率比较大；距离再增大，则3跳的传输信息成功概率相对较大。

图8表示分别利用基于面积的方法和基于半径的方法求解连接概率，考虑受衰落信道和车辆高移动性的影响，连接概率和不同传输半径、车辆密度的关系。当车辆密度一定时，使用基于面积的方法的连接概率要高于基于半径方法的连接概率，车辆通信半径增大，连接概率也会增大；车辆通信半径一定时，两车辆成功连接概率随着车辆密度的增加也会增加。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导， 可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (1)

1.一种VANET中利用多跳通信对双车道连通性进行分析建模的方法，其特征在于：其步骤为：

(1)双车道反方向移动场景内，采用截断型高斯分布描述车辆速度的分布，截断型高斯概率密度函数如下式所示：

其中f_V(v)为速度的高斯概率密度函数，又u、σ为车辆速度的均值和方差；设V_min、V_max为车辆速度的最大值和最小值，则有V_min＝u-3σ、V_max＝u+3σ；那么截断型高斯概率密度函数可表示为：

(2)才用等效速度描述连通概率，设等效速度为u_eff，车辆移动环境下车流量密度为ρ_eff：

其中λ为车辆到达率；

(3)在阴影衰落环境中，设车辆的传输半径为R,等效传输半径可以表示为：

$R_{eff}=\sqrt{\frac{1}{2}\[1+\exp \left(\frac{1}{b^2}\right)erfc\left(\frac{1}{b}\right)\]R^2}$

其中n是信道衰减因子，σ_rand是一个随机变量的标准差；

(4)在双车道移动衰落环境中，通过多跳方式进行通信：

A、设两车相距距离为x，根据扇形的面积求解公式可以得到通信范围的交叉区域面积：

$S=2{R_{eff}}^{2}arcsin\sqrt{1-\frac{x^2}{4{R_{eff}}^2}}-{\mathrm{xR}}_{eff}\sqrt{1-\frac{x^2}{4{R_{eff}}^2}}$

那么在这个交叉面积内没有车辆作为跃点车辆的概率是有车辆作为跃点车辆使两车可直接通信的概率是

B、设任意两辆车的通信半径不一样，定义D(v_i,r)是以v_i为中心、r为半径的区域，C＝D(v₁,r)∩D(v₂,r₀)，相交区域的微分为dC＝2rθdr，其中角度θ可以表示为：

$\mathrm{\θ}=arccos\frac{x^2+r^2-r_0^2}{2xr}$

C、v₂是v₁的k-hop邻居车辆的概率记为P_k(x)，在v₂通信区域没有车辆中继节点是v₁的(k-1)-hop邻居车辆的概率是则：

$\begin{array}{c}{P}_k\left(x\right)=(1-\underset{i=1}{\overset{k-1}{\Σ}}{P}_i(x\left)\right)(1-p(x\left)\right)\\ =(1-\underset{i=1}{\overset{k-1}{\Σ}}{P}_i(x\left)\right)(1-\exp (-{\∫}_{x-r_0}^{x+r_0}{\mathrm{\ρ}}_{eff}{P}_{k-1}\left(r\right)2r\mathrm{\θ}dr\left)\right)\end{array}$

D、使用半径求多跳通信的连接概率P_L：

$P_L={(1-e^{-{\mathrm{\ρ}}_{eff}(R_{EFF}-m)})}^{{\mathrm{\ρ}}_{eff}L-1}$

其中m为安全距离，L是研究路段长度。