CN106130604A - 车载设备电力线通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种车载设备电力线通信方法，该方法包括：车载节点运行应用和服务，根据优化的路由协议来维护路由表，实现基于电力线通信的车载媒体传输。本发明提出了一种车载设备电力线通信方法，根据车载系统和配网通信的特点，对媒体采集和传输进行优化，提升了车载媒体传输的整体性能。

Description

车载设备电力线通信方法

技术领域

本发明涉及车联网，特别涉及一种车载设备电力线通信方法。

背景技术

车载电力线通信网络是智能交通中实现车辆多媒体传输、远程交通事故预警等应用技术的基础。车载电力线通信网络的应用目前只是在车辆的安全、车流管理、监控等领域，在实际道路环境下，由于快速行驶会导致拓扑结构动态变化，同时电力线载波信号还面临电磁干扰影响导致通信质量降低甚至中断，因此现有的车载电力线通信网络难以实现稳定高效的媒体传输。

发明内容

为解决上述现有技术所存在的问题，本发明提出了一种车载设备电力线通信方法，包括：

车载节点运行应用和服务，根据优化的路由协议来维护路由表，实现基于电力线通信的车载媒体传输。

优选地，所述车载节点采用电力线通信网络，物理层负责频率的选择、载波信号的检测、调制与解调、信号发送与接收，车载节点采用基于正交频分复用协议，设置64个副载波，每个带宽为20MHz的信道由64个副载波中的52个副载波组成，其中4个副载波作为导频，以监控频率偏置和相位偏置，其余48个副载波则是用于传递数据；每个物理层数据包的头文件中都包括短序列符和长序列符，用于信号侦测、频率偏置估计、时间同步和信道判断；在调整到载波之前对信息位采用隔行扫描编码；网络层协议监控网络拓扑结构的变化；交换路由信息；确定的节点的位置；产生、维护以及取消路由；选择路由并转发数据。路由协议包括路由请求、路由响应和路由维护，所述协议依靠四个包实现：路由请求包，路由响应包，路由中断包以及心跳包；路由协议通过定期广播心跳包来维护路由，一旦发现某一个链路断开，节点发送错误包通知因链路断开而不可达的节点删除相应的记录或者对已存在的路由进行修复；当源节点向目标节点发送数据包时，首先在路由表中查找到目标节点的路由表项，如果找到，则用此路由进行发送；否则构造路由请求包进行广播寻找到目标节点的路由；其它节点在接收到路由请求包后，首先判断自己是不是目标节点；其次，查找自己的路由表是否有到目标节点的路由项，如果有则向邻居节点发送响应包，无则继续转发路由请求包；每一个路由请求包都设置一个最大转发次数，当超过该最大转发次数仍没有找到目标节点的路由，则丢弃该包；当一个节点接收到路由请求包，发现自己是目标节点或者自己的路由表中有到该目标节点的路由时，则发送响应包；通知上游节点找到通往目标节点的路由；当节点接收到响应包时，首先建立到目标节点的路由；其次查看自己是否为源节点，若是则停止转发响应，否则继续转发响应；当一条路由中断时，首先启动本地路由修复，若不能修复，则向相关的节点发送路由响应包，通知本路由中断；路由缓存计时器周期性地将超时的路由条目从路由表中删除；邻居节点计时器也会周期性地广播心跳包检测邻居节点的联通性，清除中断的路由；传输层用于向应用层提供可靠的端到端服务，使上层与通信子网相隔离，并采用UDP协议根据网络层的特性来利用网络资源；应用层提供面向用户的各种应用服务，包括媒体数据的传输服务。

本发明相比现有技术，具有以下优点：

本发明提出了一种车载设备电力线通信方法，根据车载系统和配网通信的特点，对媒体采集和传输进行优化，提升了车载媒体传输的整体性能。

附图说明

图1是根据本发明实施例的车载设备电力线通信方法的流程图。

具体实施方式

下文与图示本发明原理的附图一起提供对本发明一个或者多个实施例的详细描述。结合这样的实施例描述本发明，但是本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求书限定，并且本发明涵盖诸多替代、修改和等同物。在下文描述中阐述诸多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。出于示例的目的而提供这些细节，并且无这些具体细节中的一些或者所有细节也可以根据权利要求书实现本发明。

本发明的一方面提供了一种车载设备电力线通信方法。图1是根据本发明实施例的车载设备电力线通信方法流程图。

车辆节点具有路由器和主机双重身份，作为主机具有运行相应的应用和服务的功能；作为路由器，具有维护路由表，确定路由选择的功能。在车载电力线通信网络环境下节点具有随机移动、自组织、临时性的特点，因此本发明对电力线通信网络协议进行优化。

车载电力线通信网络的物理层负责频率的选择、载波信号的检测、调制与解调、信号发送与接收。车载节点采用基于正交频分复用协议，设置64个副载波，每个带宽为20MHz的信道由64个副载波中的52个副载波组成。其中4个副载波作为导频，以监控频率偏置和相位偏置，其余48个副载波则是用于传递数据。每个物理层数据包的头文件中都包括短序列符和长序列符，用于做信号侦测、频率偏置估计、时间同步和信道判断。在调整到载波之前对信息位采用隔行扫描编码。为了在车载环境下进行更大范围的通信，定义了最高的有效等向辐射功率为44dBm，最大限度的让汽车处理紧急事件。网络层协议监控网络拓扑结构的变化；交换路由信息；确定的节点的位置；产生、维护以及取消路由；选择路由并转发数据。路由协议包括路由请求、路由响应和路由维护。协议依靠四个包实现：路由请求包，路由响应包，路由中断包以及心跳包。在网络资源充分的情况下，路由协议通过定期广播心跳包来维护路由，一旦发现某一个链路断开，节点就发送错误包通知因链路断开而不可达的节点删除相应的记录或者对已存在的路由进行修复。当源节点向目标节点发送数据包时，首先在路由表中查找到目标节点的路由表项，如果找到，则用此路由进行发送；否则，构造路由请求包进行广播寻找到目标节点的路由。其它节点在接收到路由请求包后，首先判断自己是不是目标节点；其次，查找自己的路由表是否有到目标节点的路由项，如果有则向邻居节点发送响应包，无则继续转发路由请求包。每一个路由请求包都设置一个最大转发次数，当超过该最大转发次数仍没有找到目标节点的路由，则丢弃该包。当一个节点接收到路由请求包，发现自己是目标节点或者自己的路由表中有到该目标节点的路由时，则发送响应包。通知上游节点找到通往目标节点的路由。当节点接收到响应包时，首先建立到目标节点的路由；其次，查看自己是否为源节点，若是则停止转发响应，否则继续转发响应。当一条路由中断时，首先启动本地路由修复，若不能修复，则向相关的节点发送路由响应包，通知本路由中断。路由缓存计时器周期性地将超时的路由条目从路由表中删除。此外，邻居节点计时器也会周期性地广播心跳包检测邻居节点的联通性，清除中断的路由。

传输层用于向应用层提供可靠的端到端服务，使上层与通信子网相隔离，并采用UDP协议根据网络层的特性来利用网络资源。应用层提供面向用户的各种应用服务，包括媒体数据的传输服务。

发送路由请求包的处理流程如下：

先查看本地路由是否有到目标链路，如果本地路由表中有到目标的线路且能够使用，则处理完毕；当到达发送路由请求包的时间时，检测搜索路由次数是否已经到达次数限制，如果达到限制还没有搜索到目标节点，则删除数据包，处理完毕；如果是第一次发送路由请求包，设置搜索阈值为初值。如果不是第一次发送广播包，则扩大包的广播范围；假如到达发送包次数限制时的搜索阈值，仍然比设置的搜索阈值要小，则增加搜索阈值。相反的，如果最后一次发送包时还有剩余的搜索阈值，则增加包广播半径。

上层协议有数据要发送的时候，收包函数被系统调用，把该数据包添加上IP报头，然后进行路由解析。在路由表中添加一条到目标节点的路由，暂存该数据包，然后发送请求包，发送路由请求包寻找到目标节点的路由。此时在源节点的路由表中建立一条从源节点到目标节点的路由。

当节点接收到路由请求包时，首先判断该路由请求包是否是自己发出，若是则丢弃该路由请求包并结束处理。接下来是建立反向路由。查找路由表中是否有到源节点的路由，若没有，则添加一条路由。然后，判断到源节点的路由是否需要更新。更新完到源节点路由之后，把发送缓存中到源节点的数据包都发送出去。这样就建立好了反向路由。然后，判断本节点是否是目标节点。若是，则发送响应包进行路由响应。否则，查找路由表中是否有到目标节点的路由。若有，发送响应包进行路由响应(经过可用到达目标节点)。如果还没有找到目标节点的路由，则把该路由请求包广播出去，继续寻找路由。

前向路由的建立，是在接收响应包的过程中建立起来的。当节点接收到响应包时，首先查找路由表中是否有到目标节点的路由。若没有，则建立到目标节点的路由。然后，判断到目标节点的路由是否需要更新。更新完路由后，判断本节点是否是源节点，是的话就设置相应的条目。如果该节点有要发送到目标节点的数据包，则执行发送。若路由没有更新，则丢弃该响应，由此减少数据的传送。若该路由更新了但本节点不是目标节点则查找路由表是否有到源节点的路由，若有则转发该响应，否则，丢弃该响应并结束处理。每个节点通过接收响应，设置到目标节点的路由，这样就建立起来了前向路由。

路由表的维护有三部分组成：本地修复、心跳包、路由缓存定时器。当一条路由发生中断的时候，如果发生中断的节点距离目标节点比较近，路由调用本地修复功能，进行路由修复。每个节点周期性地向邻居节点发送心跳包，以此来检测邻居节点的联通性，及时清除中断的邻居节点，从而及时清除中断的路由。路由缓存定时器会周期性地检测路由表，及时清除路由表中超时的路由条目。通过这三个功能确保路由表中是最新的路由。

当链路中某个节点相对速度过大或者接收到的信号强度过低时，这条线路就有中断的风险，为了避开高功耗和高延迟的链路，采用了下面的方法：分别为节点的能耗和节点的接收信号强度设定阈值。如果链路中的某个节点达到了阈值，从目标节点向反方向发送通知，通知源节点有导致链路中断的风险，根据链路中每个节点维护从本节点到目的节点这段链路是否有中断风险，由每条链路段的发送节点就可以判断从该节点到目的节点这段链路是否有中断风险。如新的链路不存在链路中的风险，则采用新加入的路由，否则采用原先的路由。

每出现一次中断风险，就要对其进行一次优化处理，使得通信过程中路由逐渐变为中断风险最低的路由线路。优化路由协议时考虑以下信号接收强度和节点能耗参数对路由选择的影响：

节点间的信号接收强度可以计算如下，其中节点接收到的信号强度为g；P_c为信号传输功率；H_c为发送节点的链路增益；H_r为接收节点的链路增益；l_c为发送链路的长度；l_r为接收节点链路长度，s为两个节点之间的间距；k为损失系数。

g＝P_cH_cH_rl_cl_r/s³k

信号强度判断阈值的大小g_t定义为：

g_t＝g_n×t+g

t代表无法收到信号的时延，g_n表示了节点在两个邻近信号接收时的能耗递减；通过控制阈值范围，当低于某个范围时，选择搜寻新的路由链路并维护新的路由链路表。

此外，根据每个节点的能耗来进行范围设定，下列公式中，U是维持基本通信的能耗；R为节点能耗功率；t为能耗用尽时间，节点总能耗U_t＝(R×t)+U

假设经过的时间为t_s，D_t表示t时刻节点能耗情况，则能耗功率R可以表示为R＝(D_(t-ts)-D_t)/t_s

只需要控制U_t能耗的阈值，也就能避免路由链接中断的风险。

在媒体采集阶段，首先打开媒体设备文件，读取结构体中摄像头，图像的基本信息，设置媒体采集的信息参数。设置捕获的媒体格式，分辨率，帧速率；控制管理媒体设备I/O通道，进行查询和设置媒体设备属性；媒体驱动接口通过内存映射方式，将申请到的内核缓冲区地址映射到用户空间，定义了一个输入队列和一个输出队列。前者是等待接收存储媒体数据的队列，后者是已经放入了媒体数据的队列。媒体采集应用程序将申请到的缓冲区依次放到输入队列排队，然后启动媒体采集，把采集的每一帧媒体数据按序放到输入队列的缓冲区中。驱动程序将存储了媒体数据的缓冲区依次移动到输出队列，等待应用程序取出缓冲区并处理其中的媒体数据。在处理完数据后，要将该缓冲区再次放入输入队列排队。将刚处理完的帧缓冲区再次放入采集输入队列尾部。

现有的方法对图像块的边缘方向做预处理，计算复杂，不适用于终端高清媒体的实时传输；而码率变化巨大，对电力线信道的带宽提出了挑战。本发明提出一种适用于车载媒体的帧间压缩传输方法，基于帧间模式选择算法并且采用图像平缓度来进行判断。

输入宏块的原始像素值和待预测宏块位置信息，先进行水平模式和垂直模式预测，分别计算这两种模式下的预测值，然后与原始像素值相减求出各模式下的残差和代价值，比较得到最小代价值的模式即为最佳预测模式。再将经过最佳模式判决得出的最佳模式和最佳代价值输入选择器，根据最佳模式进行右垂直模式、下水平模式、左垂直模式和上水平模式的预测，再将得到的最佳模式和最佳代价值输入下一个选择器进行最佳模式的判决；经过逐级判断，得到最终预测模式和最佳代价值；预测结束后，输出最佳模式和代价值，并输出最佳残差。输出残差进行DCT变换，量化，再进行逆过程，既反量化和IDCT变换，输出值加上最佳预测值，完成宏块的重构。其中，经DCT量化后的最佳残差数据再进行熵编码后输送到NAL层传输。

在帧间预测过程中，通过计算宏块中相同纵坐标下，相隔横坐标的两个像素灰度差的绝对值来判断该宏块是否平缓，即16×16宏块平缓度T定义为

T＝∑|(x+2，y)+(x+3，y)-(x,y)-(x+1，y)|

x∈[1,12]y∈[1,15]

设置两个门限值T₁和T₂作为宏块平缓的判断依据，根据图像平缓度提前判断帧间预测块大小，从而确定采用16×16还是8×8块进行帧间预测；若T＜T₁，采用16×16进行帧间预测，若T＞T₂，采用8×8块进行帧间预测，其他情况下，同时采用16×16和8×8块进行帧间预测；

针对8×8宏块进行帧间预测，利用以下过程跳过不可能成为最佳的8×8预测模式，减少编码的计算量：

获取模式0和1的最小RDO代价，继续搜索其相邻模式，计算各自的RDO代价，然后进行相邻模式的比较。采用当前宏块上方和左方参考像素点按左下到右上的插值作为预测值，其中左方和上方相邻像素点分别为：

$H=\underset{x=0}{\overset{7}{\Σ}}(x+1)\left(p\right(8+x,-1)-p(6-x,-1\left)\right)$

$V=\underset{x=0}{\overset{7}{\Σ}}(y+1)\left(p\right(-1,8+y)-p(-1,8-y\left)\right)$

获得预测结果：

pre(x,y)＝((5×H)(i-7)+(5×V)(j-7))/64+16其中i,j∈[0,15]

综上所述，本发明提出了一种车载设备电力线通信方法，根据车载系统和配网通信的特点，对媒体采集和传输进行优化，提升了车载媒体传输的整体性能。

显然，本领域的技术人员应该理解，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算系统来实现，它们可以集中在单个的计算系统上，或者分布在多个计算系统所组成的网络上，可选地，它们可以用计算系统可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储系统中由计算系统来执行。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (2)

1.一种车载设备电力线通信方法，其特征在于，包括：

车载节点运行应用和服务，根据优化的路由协议来维护路由表，实现基于电力线通信的车载媒体传输。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述车载节点采用电力线通信网络，物理层负责频率的选择、载波信号的检测、调制与解调、信号发送与接收，车载节点采用基于正交频分复用协议，设置64个副载波，每个带宽为20MHz的信道由64个副载波中的52个副载波组成，其中4个副载波作为导频，以监控频率偏置和相位偏置，其余48个副载波则是用于传递数据；每个物理层数据包的头文件中都包括短序列符和长序列符，用于信号侦测、频率偏置估计、时间同步和信道判断；在调整到载波之前对信息位采用隔行扫描编码；网络层协议监控网络拓扑结构的变化；交换路由信息；确定的节点的位置；产生、维护以及取消路由；选择路由并转发数据。路由协议包括路由请求、路由响应和路由维护，所述协议依靠四个包实现：路由请求包，路由响应包，路由中断包以及心跳包；路由协议通过定期广播心跳包来维护路由，一旦发现某一个链路断开，节点发送错误包通知因链路断开而不可达的节点删除相应的记录或者对已存在的路由进行修复；当源节点向目标节点发送数据包时，首先在路由表中查找到目标节点的路由表项，如果找到，则用此路由进行发送；否则构造路由请求包进行广播寻找到目标节点的路由；其它节点在接收到路由请求包后，首先判断自己是不是目标节点；其次，查找自己的路由表是否有到目标节点的路由项，如果有则向邻居节点发送响应包，无则继续转发路由请求包；每一个路由请求包都设置一个最大转发次数，当超过该最大转发次数仍没有找到目标节点的路由，则丢弃该包；当一个节点接收到路由请求包，发现自己是目标节点或者自己的路由表中有到该目标节点的路由时，则发送响应包；通知上游节点找到通往目标节点的路由；当节点接收到响应包时，首先建立到目标节点的路由；其次查看自己是否为源节点，若是则停止转发响应，否则继续转发响应；当一条路由中断时，首先启动本地路由修复，若不能修复，则向相关的节点发送路由响应包，通知本路由中断；路由缓存计时器周期性地将超时的路由条目从路由表中删除；邻居节点计时器也会周期性地广播心跳包检测邻居节点的联通性，清除中断的路由；传输层用于向应用层提供可靠的端到端服务，使上层与通信子网相隔离，并采用UDP协议根据网络层的特性来利用网络资源；应用层提供面向用户的各种应用服务，包括媒体数据的传输服务。