CN106535280A - 一种基于地理位置的车联网机会路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地理位置的车联网机会路由方法；包括根据车辆节点周围的邻居节点数选择不同的转发策略，若邻居节点数较多，则选择贪婪转发策略减少副本的扩散和网络资源的浪费；若邻居节点数较少，则选择二分发机制扩散传输，提高消息的投递率。在选择中继节点时，根据节点的地理位置、转发历史、速度信息计算出每个车辆候选节点的转发权重，权重最大的作为最佳的中继节点。本发明针对不同的实时环境选择不同的转发策略，并且根据权重计算公式计算出最佳的中继节点，在邻居节点数较多时，能够降低时延，减少网络开销；在邻居节点数较少时，能够提高消息的投递率，同时由于邻居节点数较少，二分发机制扩散传输策略不会对网络资源造成压力。

Description

一种基于地理位置的车联网机会路由方法

技术领域

本发明涉及车联网通信领域，具体涉及一种基于地理位置的车联网机会路由方法。

背景技术

车联网全称为车载自组织网络(Vehicular Ad-hoc Networks，VANET)，是智能交通系统(Intelligent Transportation System，ITS)领域中的研究热点，以车辆为移动节点，与周围的路侧单元自动地连接建立起一个可移动的通信网络，可实现V2V(Vehicle toVehicle)通信和V2I(Vehicle to Infrastructure)通信。主要提供三类服务：交通环境信息服务、安全驾驶和故障诊断、娱乐通信服务，以实现车与车、车与环境的智能协同，构建出一个安全、稳健、快速、精确的智能交通系统。

无线网络传统的路由方法通常在实际传输开始前就挑选出一条或多条最优的固定的路由路径，再进行数据的传输。然而在车联网中，车辆的高速行驶会使得网络拓扑不断地快速变化，同时由于城市道路环境中存在着或高或低的建筑物、道路两旁的树木及相邻车辆间的干扰，导致无法建立稳定的可靠性链路，产生链路层过多的重传和网络资源的浪费，因此传统的路由方法不再适用。机会路由是一种不需要建立完整路径就能通信的路由方法，其通过不同的计算方法从候选节点集合中选出最佳的中继节点进行携带转发，直到消息送达目的节点为止，其特性正好适用于车联网高速变化的拓扑环境中。目前车联网中基于地理位置的机会路由有：GPSR、MoVe、Greedy-DTN、GeoDTN+Nav等。

目前基于地理位置的机会路由中，单副本路由的投递率不高，而且时延较大，因此为了最大化分组的投递率通常会在网络中增加副本的数量，但是过多的副本会给网络带宽带来一定的压力，产生网络拥塞，严重时甚至系统的崩溃。因此我们需要防止过多的副本复制，在候选节点中选出与目的节点接触概率更大的中继节点，从而在保证网络开销的情况下，实现投递率的提高和传输时延的减小。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种基于地理位置的车联网机会路由方法，能够保证网络开销的情况下提高车联网通信的投递率和减小其传输时延。

为实现上述目的，本发明采取以下方案：

一种基于地理位置的车联网机会路由方法，包括如下步骤：

(1)当车辆节点发起通信或者需要转发消息时，先对实时的道路环境做出判断，通过车辆节点向周围广播的信息获取周围的邻居节点数，并获取邻居节点的位置、转发历史和速度信息；根据城市车辆行驶安全距离为100m，在一跳传输距离为500m的情况下，双向行驶道路的车辆密集阈值M规定为500/100*2＝20；如果车辆节点A周围的邻居节点数达到了阈值20，车辆节点的转发策略选择贪婪转发；如果车辆节点A周围的邻居节点数没有达到阈值20，车辆节点A转发策略选择二分发机制扩散传输；

(2)进入贪婪转发时，候选节点要根据权重计算公式(1)计算其权重W：

W＝n₁×Distance+n₂×Angle+n₃×History+n₄×Velocity (1)

其中Distance为本地节点与候选节点的相对距离，其计算公式如下：

Angel为角度因子，计算公式如下：

History为历史信用值，初始值为0，每成功转发一次则增加0.1，最大值为1；

Velocity为表示候选节点的行驶速度与车辆额定最大速度的比值，靠近目的节点为正，远离目的节点则为负；

计算每个候选节点权重W时，规定每一个因素所占的比重大小比较为Distance>Velocity>Angel>History，同时n₁+n₂+n₃+n₄＝1，参数设置为n₁＝0.4，n₂＝0.3，n₃＝0.2，n₄＝0.1；

发起通信的源节点向目的节点发送消息，此时要计算候选节点A和候选节点B的权重，选择其中一个作为中继节点进行转发；假设候选节点A与目的节点的距离为d1，夹角为α，历史信用值为h1，行驶速度为v1；假设候选节点B与目的节点的距离为d2，夹角为β，历史信用值为h2，行驶速度为v2；若此时额定最大速度为v_m，源节点与目的节点的距离为d，那么此时候选节点A权重W1和候选节点B权重W2分别为：

若W1大于W2，则选择候选节点A作为中继节点进行转发消息；若W1小于W2，则选择候选节点B作为中继节点进行转发消息；若W1等于W2，则随机选择候选节点A或候选节点B作为中继节点进行转发消息；

实际通信中，要计算包括本地节点在内的所有车辆候选节点，若本地节点具有最大的权重，则把消息存储起来直到遇到下一个权重更大的车辆节点；

(3)进入二分发机制扩散传输时，根据公式(4)和公式(5)计算每一个候选节点的权重，然后选择权重最大的2个候选节点进行转发，如果本地节点一直处在稀疏区域，则每次转发都选择权重最大的2个候选节点，直到网络中副本的数量达到阈值20，此时则自动转为贪婪转发；

(4)目的节点接收到来自源节点的消息后，则广播确认消息，携带该消息副本的车辆节点接收到确认消息后立刻丢弃该消息副本，不再进行转发，避免造成网络资源不必要的浪费。

为进一步实现本发明目的，优选地，所述邻居节点为能直接通信一跳范围内的车辆节点；每个邻居节点都作为消息转发的候选节点。

优选地，所述车辆节点通过车载传感器和处理器获取其实时的地理位置、转发历史和速度信息，并把这些信息通过广播向周围的邻居节点发送，邻居节点接收到广播信息后存储起来。

优选地，所述选择贪婪转发为通过单副本一对一传输。

优选地，所述二分发机制扩散传输为每一次转发都将消息转发给2个转发权重最大的邻居节点。

优选地，所述源节点表示最初发起通信的节点。

优选地，所述目的节点表示最终接收信息的节点。

优选地，所述中继节点表示进行信息转发的节点。

本发明与现有技术的有益效果是：

1、根据实时的道路环境选择不同的转发策略，在密集区域避免了网络负载较大的情况下网络资源的浪费，同时在稀疏区域提高了消息传输的投递率，减少传输时延；

2、根据地理位置、转发历史、速度等信息计算每个车辆候选节点权重，权重较大的可以优先选为中继节点，保证了中继节点与目的节点相遇概率的最大化；

3、在网络资源一定的情况下，合理地采用副本限量传输，在保证网络通畅的情况下，充分利用了网络中的空闲资源，提高了网络资源的利用率。

附图说明

图1是本发明车辆节点密集区域示意图；

图2是本发明车辆节点稀疏区域示意图；

图3是本发明候选车辆节点权重计算示意图；

图4为本发明基于地理位置的车联网机会路由方法的流程图。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图对本发明进行详细阐述，但本发明的实施方式不限如此。

如图4所示，一种基于地理位置的车联网机会路由方法，包括如下步骤：

(1)当发起通信的源节点或者其他转发消息的中继节点发起通信时，先对实时的道路环境做出判断，通过自身向周围广播的信息获取周围的邻居节点数，邻居节点为能直接通信一跳范围内的车辆节点，同时获取邻居节点的位置、转发历史和速度等信息，每个邻居节点都作为消息转发的候选节点。根据城市车辆行驶安全距离为100m，因此在一跳传输距离为500m的情况下，双向行驶道路的车辆密集阈值M规定为500/100*2＝20。如图1所示，由于车辆节点A周围的邻居节点数达到了阈值20，此时转发策略选择贪婪转发，即通过单副本一对一传输；如图2所示，由于车辆节点A周围的邻居节点数没有达到阈值20，此时转发策略选择二分发机制扩散传输，即每一次转发都将消息转发给2个转发权重最大的邻居节点。

(2)进入贪婪转发时，候选节点要根据权重计算公式(1)计算其权重W：

W＝n₁×Distance+n₂×Angle+n₃×History+n₄×Velocity (1)

其中Distance为本地节点与候选节点的相对距离，其计算公式如下：

其中，目的节点表示最终接收信息的节点。

Angel为角度因子，计算公式如下：

History为历史信用值，初始值为0，每成功转发一次则增加0.1，最大值为1；

Velocity为表示候选节点的行驶速度与车辆额定最大速度的比值，靠近目的节点为正，远离目的节点则为负；

计算每个候选节点权重W时，规定每一个因素所占的比重大小比较为Distance>Velocity>Angel>History，同时n₁+n₂+n₃+n₄＝1，因此参数设置为n₁＝0.4，n₂＝0.3，n₃＝0.2，n₄＝0.1。

以图3中所示为例，发起通信的源节点向目的节点发送消息，此时要计算候选节点A和候选节点B的权重，选择其中一个作为中继节点进行转发。假设候选节点A与目的节点的距离为d1，夹角为α，历史信用值为h1，行驶速度为v1；假设候选节点B与目的节点的距离为d2，夹角为β，历史信用值为h2，行驶速度为v2。若此时额定最大速度为v_m，源节点与目的节点的距离为d，那么此时候选节点A权重W1和候选节点B权重W2分别为：

若W1大于W2，则选择候选节点A作为中继节点进行转发消息；若W1小于W2，则选择候选节点B作为中继节点进行转发消息；若W1等于W2，则随机选择候选节点A或候选节点B作为中继节点进行转发消息。

实际通信中，要计算包括本地节点在内的所有车辆候选节点，若本地节点具有最大的权重，则把消息存储起来直到遇到下一个权重更大的车辆节点；

(3)进入二分发机制扩散传输时，根据公式(4)和公式(5)计算每一个候选节点的权重，然后选择权重最大的2个候选节点进行转发，如果本地节点一直处在稀疏区域，则每次转发都选择权重最大的2个候选节点，直到网络中副本的数量达到阈值20，此时则自动转为贪婪转发；

(4)目的节点接收到来自源节点的消息后，则广播确认消息，携带该消息副本的车辆节点接收到确认消息后立刻丢弃该消息副本，不再进行转发，避免造成网络资源不必要的浪费。

本发明与现有技术相比，具有以下优势：

1、根据实时的道路环境和周围的邻居节点数量定义密集区域和稀疏区域，选择不同的转发策略，在密集区域采用单副本的贪婪传输，一对一的传输特性保证了消息副本在网络中始终保持只有一份，由于密集区域的通信需求大，这种策略能够在避免网络中负载过大。因为当网络中负载超出其所能承受的范围时，会导致大量的消息不能安全稳健地传输，会出现传输超时、丢包等严重情况，大大降低了消息传输的投递率和增加了传输时延；同时在稀疏区域采用二分法机制扩散传输，在稀疏区域通信需求不大的情况下，增加了网络中的副本，副本数量的提高能够增大目的节点成功接收到消息的概率。因此，这两种策略提高了消息传输的投递，减少传输时延；

2、根据地理位置、转发历史、速度等信息计算每个车辆候选节点权重，权重较大的可以优先选为中继节点，这种权重计算方法能够很好地利用节点自身的相关信息，通过这些信息可以对候选节点的运动轨迹和转发特性进行一定的预测，使得中继节点与目的节点相遇的概率最大化，同时减少消息在网络中的传输时延；

3、由于目前人们对于通信的需求越来越大，但是网络资源有限，需要更合理地去利用网络资源，本发明方法合理地采用副本限量传输策略，在保证网络通畅的情况下，又充分利用了网络中的空闲资源，大大提高了网络资源的利用率。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于地理位置的车联网机会路由方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)当车辆节点发起通信或者需要转发消息时，先对实时的道路环境做出判断，通过车辆节点向周围广播的信息获取周围的邻居节点数，并获取邻居节点的位置、转发历史和速度信息；根据城市车辆行驶安全距离为100m，在一跳传输距离为500m的情况下，双向行驶道路的车辆密集阈值M规定为500/100*2＝20；如果车辆节点A周围的邻居节点数达到了阈值20，车辆节点的转发策略选择贪婪转发；如果车辆节点A周围的邻居节点数没有达到阈值20，车辆节点A转发策略选择二分发机制扩散传输；

(2)进入贪婪转发时，候选节点要根据权重计算公式(1)计算其权重W：

W＝n₁×Distance+n₂×Angle+n₃×History+n₄×Velocity (1)

其中Distance为本地节点与候选节点的相对距离，其计算公式如下：

Angel为角度因子，计算公式如下：

History为历史信用值，初始值为0，每成功转发一次则增加0.1，最大值为1；

Velocity为表示候选节点的行驶速度与车辆额定最大速度的比值，靠近目的节点为正，远离目的节点则为负；

计算每个候选节点权重W时，规定每一个因素所占的比重大小比较为Distance>Velocity>Angel>History，同时n₁+n₂+n₃+n₄＝1，参数设置为n₁＝0.4，n₂＝0.3，n₃＝0.2，n₄＝0.1；

发起通信的源节点向目的节点发送消息，此时要计算候选节点A和候选节点B的权重，选择其中一个作为中继节点进行转发；假设候选节点A与目的节点的距离为d1，夹角为α，历史信用值为h1，行驶速度为v1；假设候选节点B与目的节点的距离为d2，夹角为β，历史信用值为h2，行驶速度为v2；若此时额定最大速度为v_m，源节点与目的节点的距离为d，那么此时候选节点A权重W1和候选节点B权重W2分别为：

$W1=n_1\×\frac{d1}{d}+n_2\×f\left(\mathrm{\α}\right)+n_3\×h1+n_4\×\frac{v1}{v_m}---\left(4\right)$

$W2=n_1\×\frac{d2}{d}+n_2\×f\left(\mathrm{\β}\right)+n_3\×h2+n_4\×\frac{v2}{v_m}---\left(5\right)$

若W1大于W2，则选择候选节点A作为中继节点进行转发消息；若W1小于W2，则选择候选节点B作为中继节点进行转发消息；若W1等于W2，则随机选择候选节点A或候选节点B作为中继节点进行转发消息；

实际通信中，计算包括本地节点在内的所有车辆候选节点，若本地节点具有最大的权重，则把消息存储起来直到遇到下一个权重更大的车辆节点；

(3)进入二分发机制扩散传输时，根据公式(4)和公式(5)计算每一个候选节点的权重，然后选择权重最大的2个候选节点进行转发，如果本地节点一直处在稀疏区域，则每次转发都选择权重最大的2个候选节点，直到网络中副本的数量达到阈值20，此时则自动转为贪婪转发；

(4)目的节点接收到来自源节点的消息后，则广播确认消息，携带该消息副本的车辆节点接收到确认消息后立刻丢弃该消息副本，不再进行转发。

2.根据权利要求1所述的基于地理位置的车联网机会路由方法，其特征在于：所述邻居节点为能直接通信一跳范围内的车辆节点；每个邻居节点都作为消息转发的候选节点。

3.根据权利要求1所述的基于地理位置的车联网机会路由方法，其特征在于：所述车辆节点通过车载传感器和处理器获取其实时的地理位置、转发历史和速度信息，并把这些信息通过广播向周围的邻居节点发送，邻居节点接收到广播信息后存储起来。

4.根据权利要求1所述的基于地理位置的车联网机会路由方法，其特征在于：所述选择贪婪转发为通过单副本一对一传输。

5.根据权利要求1所述的基于地理位置的车联网机会路由方法，其特征在于：所述二分发机制扩散传输为每一次转发都将消息转发给2个转发权重最大的邻居节点。

6.根据权利要求1所述的基于地理位置的车联网机会路由方法，其特征在于：所述源节点表示最初发起通信的节点。

7.根据权利要求1所述的基于地理位置的车联网机会路由方法，其特征在于：所述目的节点表示最终接收信息的节点。

8.根据权利要求1所述的基于地理位置的车联网机会路由方法，其特征在于：所述中继节点表示进行信息转发的节点。