CN106657209B - 一种基于vanet的obu与rsu快速切换方法 - Google Patents

一种基于vanet的obu与rsu快速切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于移动通信技术领域，公开了一种基于VANET的OBU与RSU快速切换方法。首先，RSU通过接收OBU传来的车速判断此时的道路是否发生了拥堵；其次，如果道路没发生拥堵，RSU会对接收的OBU传来的车辆位置数据通过FCM算法进行运算，确定出最佳切换位置，并结合接收到的车速和信号强度决定是否进行切换；最后，如果满足切换条件，RSU会对接收到的车辆行驶的方向向量与自身存储的其它RSU的位置向量计算余弦值，确定出OBU向那个RSU方向行驶，完成切换；本发明充分考虑了道路的交通情况，充分利用了车辆沿固定道路行驶，方向可确定的优势，本方法可以大幅度的减少切换延时和减少信道的拥塞，提高用户的体验。

Description

一种基于VANET的OBU与RSU快速切换方法
技术领域
本发明属于移动通信技术领域，涉及到用FCM(Fuzzy c-means,模糊C均值聚类算法)算法对行驶车辆的位置进行处理的快速切换方法；针对在VANET(Vehicular Ad HocNetwork,车载自组织网络)中，车辆快速移动、OBU(On Board Unit,车载单元)需要快速的完成与RSU(Road-Side Unit,路测单元)切换的特点，本专利提出了根据车辆行驶位置、行驶速度和接收到的信号强度的一种快速的切换方法；
背景技术
在基于WAVE(Wireless Access Vehicular Environment,无线接入车载环境)协议栈的VANET中，OBU与RSU完成一次完整的切换主要包括三部分：信道扫描、认证和重新关联；其中信道扫描花费的时间是最长的，占到整个切换延时的90％以上；因此为了达到减少切换延时、OBU和RSU快速切换的目的，主要是减少信道扫描占用的时间；
基于传统自组织网络的切换方法主要有如下的缺陷：
1.在车载自组织网络中，高速行驶的车辆造成了频繁的链路断开和重连，所需的切换次数明显比传统自组织网络多，所需的切换延时明显比传统自组织网络少；传统的切换方法无法满足车载自组织网络的要求；
2.传统自组织网络的切换方法没有充分利用在车载自组织网络中，车辆的行驶路径是固定的、行驶方向是可以确定的；进而可以提前预测下一次切换需要连接的RSU，这样可以大幅度的减少切换时的信道扫描延时，进而减少整个的切换延时；
3.当覆盖区域内的RSU比较多时，传统的切换方法会造成很严重的乒乓效应，严重影响了通信质量，甚至造成掉线；而本专利中提出的基于位置、速度和信号强度的快速切换方法可以很好地避免这个问题；
发明内容
本发明要解决的技术问题是在VANET中，提出一种根据车辆的地理位置、速度和接收到的信号强度来与RSU进行快速切换的方法。
本发明采用的技术方案如下。
首先，RSU通过接收OBU传来的车速判断此时的道路是否发生了拥堵；其次，如果道路没发生拥堵，RSU会对接收的OBU传来的车辆位置数据通过FCM算法进行运算，确定出最佳切换位置，并结合接收到的车速和信号强度决定是否进行切换；最后，如果满足切换条件，RSU会对接收到的车辆行驶的方向向量与自身存储的其它RSU的位置向量计算余弦值，确定出OBU向那个RSU方向行驶，完成切换。
进一步地，所述一种基于VANET的OBU与RSU快速切换方法包括如下步骤：
(1)OBU与RSU存储信息
OBU实时的测量车的位置和速度，以及车辆接收到的信号强度，并且通过当前位置和上一位置的差值来确定车辆的行驶方向；OBU存储的信息包括：信息获取的时间、OBU当前的位置即车辆位置、OBU当前的速度即当前车速、OBU接收到的信号强度、OBU的移动方向即车辆的行驶方向和下一个打算连接的目标RSU的ID，最开始时所有的字段默认值都是-1，表示尚未标记；
RSU除了存储自己的位置信息、MAC信息和覆盖半径外，还存储它周围RSU的位置信息、MAC信息以及和周围RSU形成的方向向量信息，和相应的道路信息,道路信息包括最大限速和道路号，此外RSU还存储了在覆盖范围内由OBU最佳切换位置、车辆速度以及相应的信号强度组成的数据表；
(2)OBU在相邻RSU之间的快速切换过程
1)OBU和RSU开始通信；
2)在通信时隙内，OBU把车辆的位置信息、车辆的速度、接收到的信号强度和车辆行驶的方向向量发送给RSU，RSU接收到信息后通过三辆不同位置车辆的车速来判断当前道路是否处于拥堵状态，判断方法如下：当三辆不同位置车辆的车速同时小于设定值时，道路发生了拥堵，否者道路正常；
3)如果道路发生了拥堵，那么从行车方向最前面的车辆开始，RSU只与部分车通信，对于其它的车会被告知信道忙,然后RSU通过与OBU周期通信的帧实时监测不同位置三辆车的速度，判断当前道路是否仍处于拥堵状态；
4)如果道路没有发生拥堵，RSU会对接收到的车的行驶速度进行四舍五入处理，对接收到的车辆位置数据通过FCM算法进行运算；
5)用经过处理后的车辆速度和车辆位置数据与RSU中存储的数据表进行查找、匹配,如果信息匹配并且接收到的信号强度在切换阈值附近，那么就满足切换的条件；如果接收到的信号强度明显小于切换阈值，并在发生掉线的阈值附近，那么即使车辆位置信息和速度信息不满足要求也会触发切换，这主要考虑到RSU在恶劣天气下的呼吸效应；
6)如果满足切换条件，接下来RSU就计算RSU接收到的车辆行驶的方向向量与RSU中存储的周围路测单元的方向向量的余弦值，并比较它们之间的大小,如果余弦值大则表明两向量的夹角比较小，那么RSU就可以判断出车辆接下来是向那个RSU的方向行驶,在下一个通信时隙内RSU不仅通过返回的信息值1告知行驶的车辆它需要切换了，而且可以把它要切换到的下一个RSU的ID告诉车辆,当OBU收到RSU发来的信息后就不需要再扫描RSU点，而是直接与后面要切换到的RSU进行认证和连接，大幅度的减少了切换的延时；
7)如果经过计算后的车辆位置信息和速度信息与RSU存储的信息表中的数据不匹配，那么就不进行后面的计算，而是直接返回0值告诉车辆不需要切换。
进一步地，步骤4)中所述运算的具体过程如下：
A、在RSU覆盖范围临近切换的边界处设定几个最佳的切换点作为聚类中心，然后以车辆的地理位置数据作为输入,初始化隶属度矩阵,然后计算聚类中心向量；
B、通过A中计算得到的聚类中心再重新计算隶属度；
C、重复A和B的步骤，直到目标函数收敛到一个极小值，此时计算得到的车辆的地理位置数据就作为输出；
D、把运算后输出的位置数据与最佳切换点的位置数据做比较，如果在一定的误差范围内，那么此时车辆的切换位置就按最佳切换点的位置来处理。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明充分考虑到了道路的交通状况，并且充分利用了车辆沿固定道路行驶，方向可确定的优势。本方法可以大幅度的减少切换延时和减少信道的拥塞，提高用户的体验。由于不同车辆的掉线阈值和切换时间基本一致，为了在掉线阈值之前完成OBU和RSU的切换，不同速度的车辆开始切换的地理位置和接收到的信号强度是不一样的；通过分析车辆的速度、地理位置和接收到的信号强度，确定此辆车是否需要切换；然后通过计算车辆行驶的方向向量与RSU存储的周围RSU的方向向量的余弦值，确定车辆朝那个RSU的方向行驶，进而快速完成RSU的移交，减少切换延时。
附图说明
图1是OBU与RSU切换场景模型示意图；
图2是OBU存储的信息格式图；
图3是RSU存储的信息格式图；
图4是RSU存储的数据表图；
图5是FCM算法迭代流程图；
图6是整个OBU与RSU快速切换方法流程图；
图7是经JOSM软件处理后的广州S81环城高速图；
图8是切换时的最佳位置选取模型示意图；
图9是加噪后的数据聚类后的结果图；
图10是切换延时随车辆速度变化图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的实施例。
本实例的具体快速切换方法如下：
1.RSU的部署
在VANET中，由于OBU发生切换时有对应的切换阈值和掉线阈值；OBU需要在切换阈值处发生切换，并且必须在掉线阈值之前完成切换，在切换前后需要保证接收到的信号强度基本上是一致的；并且OBU发生掉线时的掉线阈值都是一样的；以上这些就要求在部署RSU时一定要保证OBU发生切换点的位置到下一RSU覆盖的相同信号强度位置的距离要小于等于OBU发生切换点到发生掉线点的距离，具体的切换场景见附图1，这里假设A点是OBU触发切换的位置点，A'点表示在A点位置车辆接收到的信号强度(Received SignalStrength，RSS),B点是OBU切换后和切换前接收到的信号强度数值相同的位置点，B'点表示在B点位置车辆接收到的信号强度，C点表示OBU发生掉线的位置点，C'点表示在C点位置车辆接收到的信号强度；那么在部署RSU时就要求|AB|≤|AC|；
2.OBU在相邻RSU之间的快速切换
OBU可以实时的测量车辆的位置和速度，以及车辆接收到的信号强度，并且通过当前位置和上一位置的差值来确定车辆的行驶方向；具体的OBU存取的信息格式见附图2，最开始时图中所有的字段默认值都是-1，表示尚未标记；
RSU具有存储能力、计算能力、通信能力和快速查找的能力，它除了存储自己的位置信息、MAC(Media Access Control)信息和覆盖半径外，还存储它周围RSU的位置信息、MAC信息以及和周围RSU形成的方向向量信息，和相应的道路信息，见附图3；
此外RSU还存储了在它的覆盖范围内由OBU最佳切换位置、车辆速度以及相应的信号强度组成的数据表，见附图4；
OBU与RSU开始通信后，在通信时隙(50ms)内OBU把自己的位置信息、速度、接收到的信号强度和车辆行驶的方向向量发送给RSU；RSU收到OBU传来的这些信息后，首先通过收到的三辆不同位置车的行驶速度判断当前的道路是否处于拥堵状态，判断方法如下：
当三辆不同位置的车速同时小于10km/h时，道路发生了拥堵，否者道路正常，之所以设置三辆车是为了防止突然有车抛锚的情况发生；
如果道路发生拥堵，那么从行车方向最前面的车辆开始，RSU只与一定数量的车通信，对于其它的车会被告知信道忙；通过这种方式可以节约带宽资源，减少信道拥塞；
然后RSU通过与OBU周期通信的帧实时监测不同位置三辆车的速度，判断当前道路是否仍处于拥堵状态；
如果道路没有发生拥堵，那么RSU就会对接收到的车辆速度进行四舍五入处理，具体过程如下：
RSU存储的数据表中车辆速度分成10km/h、30km/h、50km/h、70km/h、90km/h、110km/h、130km/h、150km/h，8个档次，在查找数据表比对时，对车辆速度采取四舍五入的方法来处理；由于车行驶的速度比较快，这种处理是合理的；
随后RSU会对接收到的位置数据通过FCM算法进行计算，具体运算过程如下：
首先在RSU覆盖范围临近切换的边界处设定几个最佳的切换点作为聚类中心，然后以车辆的地理位置数据作为输入；首先初始化隶属度矩阵,然后通过(1)式计算聚类中心向量cj；
Figure BDA0001066075110000051
其中cj表示聚类中心，是经过计算后的需要输出的车辆位置数据；N代表输入的车辆位置数据的个数；uij表示隶属度，表示某一地理位置归属于某一最佳切换地理位置的概率，其取值范围是；m是柔性系数，是大于1的实数，一般取2；xi对应的是输入的地理位置数据；通过输入的地理位置数据和初始化的隶属度矩阵计算出聚类中心，然后把计算得到的聚类中心带入(2)式；
Figure BDA0001066075110000052
其中C是RSU覆盖范围内的最佳切换地理位置的个数；ck是实际的最佳切换地理位置坐标；通过(2)式计算出隶属度，然后再把计算得到的隶属度值带入到(1)式中计算聚类中心，如此重复迭代，当||u(k+1)-u(k)||＜ε时，迭代停止，0＜ε＜1是迭代终止参数，k是迭代次数；该过程能够使(3)式中的目标函数Jm收敛到一个极小值；
Figure RE-GDA0001199202320000061
把运算后输出的位置数据与最佳切换点的位置数据做比较，如果在一定的误差范围内，那么此时车辆的切换位置就按最佳切换点的位置来处理；
以上具体迭代过程见附图5，该方法在后面的实例分析中获得了很好的验证；
用经过处理后的车辆速度和车辆位置数据与RSU中存储的数据表进行查找、匹配,如果信息匹配并且接收到的信号强度在切换阈值附近，那么就满足切换的条件；如果接收到的信号强度明显小于切换阈值，并在发生掉线的阈值附近，那么即使车辆位置信息和速度信息不满足要求也会触发切换，这主要考虑到RSU在恶劣天气下的呼吸效应；
如果满足切换条件，接下来RSU就计算RSU接收到的车辆行驶的方向向量与RSU中存储的周围路测单元的方向向量的余弦值，并比较它们之间的大小,如果余弦值大则表明两向量的夹角比较小，那么RSU就可以判断出车辆接下来是向那个RSU的方向行驶,在下一个通信时隙内RSU不仅通过返回的信息值1告知行驶的车辆它需要切换了，而且可以把它要切换到的下一个RSU的ID告诉车辆；
当OBU收到RSU发来的信息后就不需要再扫描RSU点，而是直接与后面要切换到的RSU进行认证和连接，大幅度的减少了切换的延时；
如果经过计算后的车辆位置信息和速度信息与RSU存储的信息表中的数据不匹配，那么就不进行后面的计算，而是直接返回0值告诉车辆不需要切换；
以上整个分析的切换流程图见附图6。
通过实际中具体的道路场景来说明本发明提出的方法的可行性，包括最佳切换位置的处理和切换延时的改善情况；道路场景是从OSM(OpenStreetMap)地图中选取的广州环城高速S81，取的长度大概是10km；附图7是经过JOSM(JavaOpenStreetMap)软件处理后的广州S81环城高速，把其中一些无关的节点和公路线去掉了，具体在SUMO(Simulation ofUrban Mobility,城市交通仿真平台)中生成的实际仿真场景图由于无法彩色显示的原因就省略掉了；
(1)最佳切换位置
附图8是切换时的最佳位置选取模型示意图，图中道路选定的是单项双车道，道路宽8m，RSU的覆盖半径是1000米，选定A、B、C、D、E、F六点为聚类中心，即为最佳切换的位置点，考虑到GPS的测量精度，在每个点的米的范围内进行加噪，为了不与GPS的测量精度误差值相差太悬殊，需要对实际测得的车辆的经纬度进行处理，设定六个点经过处理后的经纬度分别为(10,15)、(10,20)、(15,15)、(15,20)、(20,15)、(20,20)；由于车辆速度快的先切换，速度慢的后切换，设定A点和B点对应的切换速度为130km/h，C点和D点对应的切换速度为90km/h，E点和F点对应的切换速度为50km/h，在每个点加噪的数据量都是100个；
附图9是加噪后的数据经过聚类后的结果图，五角星的点代表聚类后的聚类中心点，从图中可以看出数据经过聚类处理后的聚类中心点坐标A',B',C',D',E',F'与原聚类中心点坐标基本重合；
(2)切换延时
附图10表示的是切换延时随车辆速度的变化情况，车速的取值分别为：10km/h、30km/h、50km/h、70km/h、90km/h、110km/h、130km/h、150km/h，从图中可以看出随着车辆速度的增加，用本发明中提出的方法，切换延时基本保持不变，保持在50ms左右，可以满足VANET中OBU和RSU的快速切换的需求，满足VoIP(Voice Over Internet Protocol)的通信需求；而用传统的全扫描切换方法，当速度比较低时，切换延时达到150ms左右，根本无法满足VoIP的通信需求，而当速度比较高时根本就无法连接，处于掉线中，无法用于VANET中OBU和RSU的快速切换的需求，与传统的全扫描切换方法相比，本发明中提出的方法能很好地减少切换延时。

Claims (2)

1.一种基于VANET的OBU与RSU快速切换方法，其特征在于，包括如下步骤：
OBU与RSU存储信息
OBU实时的测量车的位置和速度，以及车辆接收到的信号强度，并且通过当前位置和上一位置的差值来确定车辆的行驶方向；OBU存储的信息包括：信息获取的时间、OBU当前的位置即车辆位置、OBU当前的速度即当前车速、OBU接收到的信号强度、OBU的移动方向即车辆的行驶方向和下一个打算连接的目标RSU的ID，最开始时所有的字段默认值都是-1，表示尚未标记；
RSU除了存储自己的位置信息、MAC信息和覆盖半径外，还存储它周围RSU的位置信息、MAC信息以及和周围RSU形成的方向向量信息，和相应的道路信息,道路信息包括最大限速和道路号，此外RSU还存储了在覆盖范围内由OBU最佳切换位置、车辆速度以及相应的信号强度组成的数据表；
OBU在相邻RSU之间的快速切换过程
1) OBU和RSU开始通信；
2) 在通信时隙内，OBU把车辆的位置信息、车辆的速度、接收到的信号强度和车辆行驶的方向向量发送给RSU，RSU接收到信息后通过三辆不同位置车辆的车速来判断当前道路是否处于拥堵状态，判断方法如下：当三辆不同位置车辆的车速同时小于设定值时，道路发生了拥堵，否则道路正常；
3) 如果道路发生了拥堵，那么从行车方向最前面的车辆开始，RSU只与部分车通信，对于其它的车会被告知信道忙,然后RSU通过与OBU周期通信的帧实时监测不同位置三辆车的速度，判断当前道路是否仍处于拥堵状态；
4) 如果道路没有发生拥堵，RSU会对接收到的车的行驶速度进行四舍五入处理，对接收到的车辆位置数据通过FCM算法进行运算；
5) 用经过处理后的车辆速度和车辆位置数据与RSU中存储的数据表进行查找、匹配,如果信息匹配并且接收到的信号强度在切换阈值设定范围内，那么就满足切换的条件；如果接收到的信号强度小于切换阈值设定范围，并在发生掉线的阈值设定范围内，那么即使车辆位置信息和速度信息不满足要求也会触发切换，这考虑到RSU在恶劣天气下的呼吸效应；
6) 如果满足切换条件，接下来RSU就计算RSU接收到的车辆行驶的方向向量与RSU中存储的周围路测单元的方向向量的余弦值，并比较它们之间的大小,如果余弦值大则表明两向量的夹角比较小，那么RSU就可以判断出车辆接下来是向那个RSU的方向行驶,在下一个通信时隙内RSU不仅通过返回的信息值1告知行驶的车辆它需要切换了，而且可以把它要切换到的下一个RSU的ID告诉车辆,当OBU收到RSU发来的信息后就不需要再扫描RSU点，而是直接与后面要切换到的RSU进行认证和连接，大幅度的减少了切换的延时；
7) 如果经过计算后的车辆位置信息和速度信息与RSU存储的信息表中的数据不匹配，那么就不进行后面的计算，而是直接返回0值告诉车辆不需要切换。
2.根据权利要求1所述的快速切换方法，其特征在于，步骤4）中所述运算的具体过程如下：
A、在RSU覆盖范围切换的边界处设定几个最佳的切换点作为聚类中心，然后以车辆的地理位置数据作为输入,初始化隶属度矩阵,然后计算聚类中心向量；
B、通过A中计算得到的聚类中心再重新计算隶属度；
C、重复A和B的步骤，直到目标函数收敛到一个极小值，此时计算得到的车辆的地理位置数据就作为输出；
D、把运算后输出的位置数据与最佳切换点的位置数据做比较，如果在设定的误差范围内，那么此时车辆的切换位置就按最佳切换点的位置来处理。
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