CN106211260A - 一种车联网中基于位置信息自适应的机会路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车联网中基于位置信息自适应的机会路由方法，包括根据消息携带车辆与目的车辆的距离对网络进行分区；根据车辆节点所处不同区域执行相应的路由策略，在机会转发区域，增加消息副本，在贪婪转发区域和受限转发区域，执行最小副本机制来确保消息的转发机会，在此基础上，执行贪婪转发和受限转发，一定程度限制副本的扩散；在选择转发节点时首先选出候选节点，并计算候选节点的优先级，优先转发给高优先级的候选节点。本发明将网络进行分区，对传输成功概率高，开销小的消息增加转发机会，提高投递率，降低时延；对传输成功概率低，开销大的消息，使用最小副本机制保证一定的转发机会，同时限制其转发机会，避免网络资源的浪费。

Description

一种车联网中基于位置信息自适应的机会路由方法

技术领域

本发明涉及车联网通信技术领域，具体涉及一种车联网中基于位置信息自适应的机会路由方法。

背景技术

车载自组织网络(Vehicular Ad Hoc Network,VANET)是ITS中重要的组成部分，通常由车载单元(on board unit,OBU)和路侧单元(roadside unit,RSU)组成，VANET中支持车车通信(Vehicle to Vehicle,V2V)以及车辆与路边固定基础设施之间的通信(Vehicle to Infrastructure,V2I)，使得智能驾驶、道路状况预告、安全预警、资源共享等服务都可以成为现实。

在城市环境下，VANET节点会受到障碍物、道路拓扑、交通规则、时间段等实际条件的影响，使得VANET中节点分布不均，速度不一，且车辆行驶速度较快，网络拓扑结构变化剧烈，长时间处于间歇性连通状态，VANET节点可能很难建立起稳定有效的链路。机会网络(Opportunistic Network)是一种不需要源节点和目的节点之间存在完整路径，利用移动节点的相遇机会实现通信的自组织网络，这与车载自组织网络的特性相符，目前机会网络的研究成果被广泛应用于车载通信，这种依赖于相遇机会进行通信的车载自组织网络称为车载机会网络。

路由是车载网络中实现可靠多跳传输的关键，车辆在城市道路中行驶时需要沿着固定的道路行驶，可以利用道路拓扑、节点位置、速度、方向等信息来辅助路由决策已经成为研究热点。车载自组织网络中典型的地理机会路由有GPSR、GPCR、GeOpps和GeoDTN+Nav等。

然而，目前已有的基于地理位置信息的机会路由所有节点都是尽最大能力地扩散消息，使得所有消息最大可能的传输到目的节点，并未考虑最大可能转发消息对网络的负面影响。考虑不同消息传输成功率、网络开销的差异，如何在保证一定公平性的基础上，一定程度限制投递成功概率低，网络开销大的消息，将网络资源用于传输最需要的消息，提高网络性能，是我们需要解决的问题。

发明内容

本发明提出一种车联网中基于位置信息自适应的机会路由方法，旨在解决网络投递率低，传输时延和开销大，网络资源效率不高的问题。

为实现以上目的，本发明采取如下技术方案。

一种车联网中基于位置信息自适应的机会路由方法，包括如下步骤：

(1)根据消息携带车辆与目的车辆的距离不同，以目的车辆为圆心，R_i为半径，对网络划分为机会转发区域、贪婪转发区域和受限转发区域；

(2)消息携带车辆根据所处区域不同，执行相应的路由策略，随着车辆行驶到不同区域，调整路由策略，具体而言，本步骤包括以下子步骤：

(2.1)处于机会转发区域的车辆节点，增加网络中消息副本数，从候选节点中，优先转发给优先级最高的中转节点；

(2.2)处于贪婪转发区域和受限转发区域的车辆节点首先判断副本数，副本数不足，执行最小副本机制，从候选节点中，优先转发给优先级最高中转节点，保证网络中消息副本数；

(2.3)处于贪婪转发区域的车辆节点，维持当前消息副本数，将消息转发给候选节点中优先级最高的中转节点；

(2.4)处于受限转发区域的车辆节点，限制消息转发机会；

对网络区域划分是以目的车辆为圆心，R_i为车辆节点通信范围R的倍数，将2R半径内区域划分为机会转发区域，将6R半径外区域划分为受限转发区域，中间区域划分为贪婪转发区域；

处于机会转发区域时，转发的消息副本数有上限L为32，当目的节点收到消息后广播确认消息，收到确认消息的节点不再转发该消息，并将确认消息记录在数据库中，丢弃后续到达的该消息副本。

每次消息转发会记录该消息的转发次数，根据转发次数可以判断网络中该消息的副本数，处于贪婪转发区域和受限转发区域的车辆节点首先判断消息副本数，若副本数不足，则执行最小副本机制，节点转发该消息，保证网络中至少有4个消息副本，避免在贪婪转发区域和受限转发区域中新产生的消息得不到足够的转发机会。

首先将所有邻居节点中与目的节点距离正在不断变小的节点标记为候选节点，在候选节点中计算每个节点与目的节点的距离在所有候选节点中所处的水平S_i，表达式为：

$S_i=\frac{size\left\{D_j\right|D_j\≥D_i,D_i,D_j\∈D\}}{size\left(D\right)}$

在候选节点中计算每个节点的速度大小在所有候选节点中所处的水平W_i，表达式为：

$W_i=\frac{size\left\{V_j\right|V_j\≤V_i,V_i,V_j\∈V\}}{size\left(V\right)}$

节点的优先级表达式为：

P_i＝αS_i+βW_i

其中α+β＝1，α≥0，β≥0，P_i∈[0,1]。

在机会转发区域和最小副本机制中，计算节点优先级时，参数设置为α＝0.6，β＝0.4，优先将消息转发给优先级最高的节点，然后依次转发给剩下节点中优先级最高的节点；

在贪婪转发区域中，计算节点优先级时，参数设置为α＝1，β＝0，将消息转发给所有候选节点中优先级最高的节点。

通过本发明所构思的方法，与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

1、根据消息与目的节点之间距离的不同，消息传输网络成本的差异，将网络进行分区，对传输成功概率高，开销小的消息增加转发机会，提高投递率，降低时延；对传输成功概率低，开销大的消息，使用最小副本机制保证一定的转发机会，同时限制其转发机会，避免网络资源的浪费。

2、该方法实现简便，只需计算与目的节点间的距离，切换到相应的路由策略，增加或者限制消息转发机会。

3、对于节点而言，与所携带不同消息的目的节点距离各不相同，即该节点对部分消息增加转发机会，对部分消息一定程度限制转发机会，并未加大节点所处区域的负载，对网络资源利用效率更高。

附图说明

图1是本发明消息转发场景图；

图2是本发明一种车联网中基于位置信息自适应的机会路由方法流程图；

图3是本发明网络区域划分示意图；

图4是候选节点示意图。

具体实施方式

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了使本发明的目的、技术方案及优先更加清楚，以下结合一个较优具体实施例对上述方案做进一步说明；应理解，这些实施例是用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示，构建了一个区域内车辆转发消息的场景，消息携带车辆携带有消息a、b、c，与消息a的目的车辆较近，处于消息a目的车辆的机会转发区域，此时对消息a启动机会转发；与消息b的目的车辆距离较远，处于b的目的车辆的贪婪转发区域，首先判断是否需要执行最小副本机制，如若不需则对消息b启动贪婪转发；与消息c的目的车辆距离很远，处于目的车辆的受限转发区域，首先判断是否需要执行最小副本机制，如若不需则对消息c启动受限转发。对于消息携带车辆所处区域而言，较多网络资源用于转发投递概率较高的消息a，对于贪婪转发的消息b和受限转发的消息c则一定程度限制了其副本数和网络开销，对该区域网络负载仍能保持一个平衡，而且a的目的车辆收到消息a后，会立刻回复消息a的确认消息，由于在机会转发区域，所有携带消息a的车辆距离较近，可以在较短时间内收到确认信息并删除缓存中消息a的副本，保证了该区域网络资源的有效利用。

具体流程如下：

该区域内所有节点都将本节点携带的消息转发给其他合适的节点，同时接收其他节点发来的消息，所有消息与目的节点的距离不同，传输的网络成本也各不相同，因此每一个节点对不同的消息转发策略各不相同；从图1中选择携带a、b、c的车辆作为研究对象，对路由方法进行说明；其他节点转发消息时执行相同的流程，在节点内部其流程如图2所示；具体步骤如下：

(1)根据消息携带车辆与目的车辆的距离不同，以消息的目的车辆为圆心，R_i为半径，消息是在网络中以多跳转发的方式进行传输的，因此R_i为车辆节点通信范围R的倍数；将2R半径内区域划分为机会转发区域，将6R半径外区域划分为受限转发区域，中间区域划分为贪婪转发区域；举例而言，如图3所示的网络，以目的车辆为中心，以车辆有效通信范围的倍数为半径，将该网络划分为3个区域，依次为机会转发区域、贪婪转发区域和受限转发区域，在各个区域内的车辆节点，要转发消息给目的节点，进入步骤2；

(2)消息携带车辆根据所处区域不同，需要执行相应的路由策略，随着车辆行驶到不同区域，需要自动调整其路由策略；具体而言，本步骤包括以下子步骤：

(2.1)处于机会转发区域的车辆节点，距离目的节点最多只有两跳的距离，为了提高投递率，降低投递时延，将消息转发给多个中继节点，增加网络中消息副本数，转发的消息副本数有上限L为32；在所在区域的通信范围内，首先将所有邻居节点中与目的节点距离正在不断变小的节点标记为候选节点，并计算候选节点的优先级，优先转发给优先级最高的中转节点；候选节点的选择具体如图4所示，

节点O的初始位置为(x_i,y_i)，节点P的初始位置为(x_j,y_j)，两节点的运动速度分为(v_ix,v_iy)、(v_jx,v_jy)，两节点正在靠近，节点O看做静止的，则P的相对运动方向为车辆在道路上行驶，在一定时间内，运动的方向和速度大小会保持在一定的范围内，按当前节点的位置和运动方向，则可以计算如下：

当节点P在单位时间内运动到点A时，因为节点正在靠近，于是有

$\left|\stackrel{\→}{OA}\right|\≤\left|\stackrel{\→}{OP}\right|---\left(1\right)$

令

a＝v_jx-v_ix,b＝x_j-x_i

c＝v_jy-v_iy,d＝y_j-y_i

其中

则式(1)可转化为

$\left|\stackrel{\→}{OA}\right|=|\stackrel{\→}{OP}+\stackrel{\→}{PA}|\≤\left|\stackrel{\→}{OP}\right|---\left(2\right)$

即: $|(a+b)\·\stackrel{\→}{i}+(c+d)\·\stackrel{\→}{j}|\≤|b\·\stackrel{\→}{i}+d\·\stackrel{\→}{j}|---\left(3\right)$

化简可得：a²+c²+2ab+2cd≤0 (4)

根据式子(4)选出所有候选节点，在候选节点中计算每个节点与目的节点的距离在所有候选节点中所处的水平S_i，表达式为：

$S_i=\frac{size\left\{D_j\right|D_j\≥D_i,D_i,D_j\∈D\}}{size\left(D\right)}---\left(5\right)$

在候选节点中计算每个节点的速度大小在所有候选节点中所处的水平W_i，表达式为：

$W_i=\frac{size\left\{V_j\right|V_j\≤V_i,V_i,V_j\∈V\}}{size\left(V\right)}---\left(6\right)$

节点的优先级表达式为：

P_i＝αS_i+βW_i (7)

其中α+β＝1，α≥0，β≥0，P_i∈[0,1]。

在机会转发区域中，计算节点优先级时，参数设置为α＝0.6，β＝0.4，优先将消息转发给优先级最高的节点，然后依次转发给剩下节点中优先级最高的节点；

(2.2)处于贪婪转发区域和受限转发区域的车辆节点首先判断副本数，由于每次消息转发会记录该消息的转发次数，根据转发次数可以判断网络中该消息的副本数，若副本数不足，则执行最小副本机制；最小副本机制根据式子(4)选出候选节点，并根据式子(5)、(6)、(7)计算节点的优先级，其中参数设置为α＝0.6，β＝0.4；为了保证网络中至少有4个消息副本，避免在贪婪转发区域和受限转发区域中新产生的消息得不到足够的转发机会，最小副本机制可能会转发一个或多个中继节点；

(2.3)处于贪婪转发区域的车辆节点，由于车辆行驶轨迹未知且相距一定距离，扩散太多消息副本对消息投递作用仍比较有限，且会消耗该区域资源，因此维持当前消息副本数，改进贪婪转发策略；首先根据式子(4)选出候选节点，并根据式子(5)、(7)计算节点的优先级，其中参数设置为α＝1，β＝0，将消息转发给候选节点中优先级最高的中转节点，能够快速将消息转发至机会转发区域，减少该消息的大量转发造成资源消耗；

(2.4)处于受限转发区域的车辆节点，由于车辆行驶轨迹的不确定性，且与目的车辆相距较远，将消息转发至目的车辆消耗较多资源，送达概率也较小，且先执行最小副本机制保证网络中该消息的副本数，携带同个消息的车辆可能处于机会转发区域或受限转发区域，将有更大机会将消息送达，因此在受限转发区域限制消息转发机会。

Claims (7)

1.一种车联网中基于位置信息自适应的机会路由方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)根据消息携带车辆与目的车辆的距离不同，以目的车辆为圆心，R_i为半径，对网络划分为机会转发区域、贪婪转发区域和受限转发区域；

(2)消息携带车辆根据所处区域不同，执行相应的路由策略，随着车辆行驶到不同区域，调整路由策略，具体而言，本步骤包括以下子步骤：

(2.1)处于机会转发区域的车辆节点，增加网络中消息副本数，从候选节点中，优先转发给优先级最高的中转节点；

(2.2)处于贪婪转发区域和受限转发区域的车辆节点首先判断副本数，副本数不足，执行最小副本机制，从候选节点中，优先转发给优先级最高中转节点，保证网络中消息副本数；

(2.3)处于贪婪转发区域的车辆节点，维持当前消息副本数，将消息转发给候选节点中优先级最高的中转节点；

(2.4)处于受限转发区域的车辆节点，限制消息转发机会。

2.根据权利要求1所述一种车联网中基于位置信息自适应的机会路由方法，其特征在于步骤(1)中：以目的车辆为圆心，R_i为车辆节点通信范围R的倍数，将2R半径内区域划分为机会转发区域，将6R半径外区域划分为受限转发区域，中间区域划分为贪婪转发区域。

3.根据权利要求1所述一种车联网中基于位置信息自适应的机会路由方法，其特征在于：处于机会转发区域时，转发的消息副本数有上限L为32，当目的节点收到消息后广播确认消息，收到确认消息的节点不再转发该消息，并将确认消息记录在数据库中，丢弃后续到达的该消息副本。

4.根据权利要求1所述一种车联网中基于位置信息自适应的机会路由方法，其特征在于：每次消息转发会记录该消息的转发次数，根据转发次数可以判断网络中该消息的副本数，处于贪婪转发区域和受限转发区域的车辆节点首先判断消息副本数，若副本数不足，则执行最小副本机制，节点转发该消息，保证网络中至少有4个消息副本，避免在贪婪转发区域和受限转发区域中新产生的消息得不到足够的转发机会。

5.根据权利要求1所述一种车联网中基于位置信息自适应的机会路由方法， 其特征在于：首先将所有邻居节点中与目的节点距离正在不断变小的节点标记为候选节点，在候选节点中计算每个节点与目的节点的距离在所有候选节点中所处的水平S_i，表达式为：

在候选节点中计算每个节点的速度大小在所有候选节点中所处的水平W_i，表达式为：

节点的优先级表达式为：

P_i＝αS_i+βW_i

其中α+β＝1，α≥0，β≥0，P_i∈[0,1]。

6.根据权利要求5所述一种车联网中基于位置信息自适应的机会路由方法，其特征在于：在机会转发区域和最小副本机制中，计算节点优先级时，参数设置为α＝0.6，β＝0.4，优先将消息转发给优先级最高的节点，然后依次转发给剩下节点中优先级最高的节点。

7.根据权利要求5所述一种车联网中基于位置信息自适应的机会路由方法，其特征在于：在贪婪转发区域中，计算节点优先级时，参数设置为α＝1，β＝0，将消息转发给所有候选节点中优先级最高的节点。