CN106657261B - 车联网中基于联盟博弈和距离预测的车辆间数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车联网中基于联盟博弈和距离预测的车辆间数据传输方法，主要解决现有车辆间P2P传输碰撞重传率高及无法适应城市环境的问题。其实现步骤是：1.根据当前时隙节点连接情况得到连接有向图；2.随机选择车辆获取其邻居节点及必要信息，计算其总效用；3.用车辆的不同连接方式构成策略集，通过对策略集的多次筛选得到非循环策略集，4.从非循环策略集中得到本地最佳策略应用于连接有向图，得到新的连接有向图，并判断其是否收敛：若收敛则依此更新各个车辆的连接状态，进行数据传输直到时隙结束，否则返回步骤2。本发明降低了碰撞重传率，加快了车辆获取完整数据的速度，可用于城市环境下基于地理位置的商业广告和安全通知。

Description

车联网中基于联盟博弈和距离预测的车辆间数据传输方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及一种车联网中的数据传输方法，适用于城市环境下基于地理位置的商业广告和安全通知。

背景技术

车联网是一个极具应用价值的研究方向，车联网中每个车辆节点通过自主计算和相互通信，一方面能够显著提高车辆交通效率以及安全性，另一方面能提供多种信息服务可以提高行驶效率，满足乘客的舒适性和娱乐性要求，同时带来大量商机。车联网中的公共信息比如一些基于地理位置的商业广告、通知等，通过路边单元RSU分发给每个过路车辆OBU，但由于车辆快速移动以及无线环境不稳定等车联网特性，过路车辆常常无法在RSU的通信范围内完整接收需要获得的信息，需要车辆间相互传输已经获得数据，相互补足缺失的数据。如何结合车联网的特点找到适用城市环境的车辆间数据传输方法成为亟待解决的问题。

在互联网中P2P协议是一种已经被广泛运用的传输协议，其中的每台计算机既是资源的请求者又对其他计算机的资源作出响应，并且具有良好的扩展性和鲁棒性。Nanda等人在2003年发表的“Cooperative downloading in Vehicular ad-hoc wirelessnetwork”中首次将P2P内容传输协议应用于车联网的数据传输，但其提出的方案并不具有可扩展性，难以解决需要大量数据传输的车辆间数据传输问题。在解决无线网络中P2P问题的各种方案中，最简单的是非合作的方案，即车辆并不主动分享数据而是被动的回应其他车辆的数据请求，该方案开销小但易发生数据重复传输、碰撞等问题从而导致传输效率低下。

于是基于合作的方案被提出，即车辆能够主动分享所拥有的数据从而使得P2P更加高效。例如Tianyu Wang等人在2013年发表的“Coalitional Graph Games for PopularContent Distribution in Cognitive Radio VANETs”中就采用了基于合作的方案来解决通用内容的分发问题，其中还采用了联盟博弈方法对网络进行建模，联盟博弈作为一种有效的建模和分析理性参与人在合作环境下的行为的数学工具，能够很好的对车辆与其邻居车辆间的合作通信进行建模分析。但是该方法需要严格限制车辆相对位置，不允许车间距超出范围也不允许出现超车等行为，导致其实际应用场景具有很大的局限性，并不适用于城市车联网环境。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种车联网中基于联盟博弈和距离预测的车辆间数据传输方法，以减小数据重复传输和碰撞，提高传输效率，实现在城市复杂交通环境下通过特定地理位置的车辆对通用内容的完整获取。

本发明的技术思路是：采用基于合作的P2P传输方式，通过联盟博弈对该合作网络的通信连接拓扑进行建模，并采取车辆位置预测方案进一步优化合作模式，最终提高通用内容分发的成功率和速度，以在城市复杂车辆环境下进行车辆间的数据传输。其实现方案包括如下：

(1)将所要分发的数据包分为N个等大小的数据块，第i个数据块记为m_i，完整的数据块集合记为M＝{m₀,m₁,…m_i…,m_N}i＝0,1,…,N；

(2)在时隙t开始时刻，根据当前车辆和路边单元这些通信节点的连接方式，建立连接有向图其中υ是所有通信节点的集合，是t时隙网络中所有有向通信连接的集合；

(3)在所有车辆节点中随机选择车辆节点i，车辆节点i的邻居节点集合为N_i，获取所有邻居节点j∈N_i与车辆节点i的相对距离d_j,i、相对速度v_j,i、信道容量c_j,i以及数据块集合Μ_j；

(4)根据当前连接有向图计算节点i当前的总效用

(4a)计算车辆节点i的接收效用

其中γ_in∈(0,1)表示接收系数,分别表示车辆节点i的接收连接数和输出连接数，c_i,j表示车辆节点i到邻居节点j的信道容量，e_j,i,e_RSU,i分别表示邻居节点j到车辆节点i的通信链路和路边单元RSU到车辆节点i的通信链路，表示t时隙网络中所有有向通信链接的集合，σ_j,i表示邻居节点j对车辆节点i的数据弥补度：

(4b)计算车辆节点i的输出效用

其中γ_out∈(0,1)为输出系数；

(4c)计算车辆节点i的碰撞损耗：

其中γ_cost∈(0,1)表示碰撞损耗系数；

(4d)根据输入效用、输出效用以及碰撞损耗，得到车辆节点i当前的总效用：

(5)计算邻居节点j∈N_i在车辆节点i通信范围内的驻留时间t_j,i，根据驻留时间t_j,i得到可通信节点集合

(6)从车辆节点i的可通信节点集合中任意选择两个节点a_i,b_i，确定博弈中的策略s_i＝(a_i,b_i)，由所有策略构成策略集其中：

a_i表示车辆节点i将从节点a_i接收数据，若节点i不从任何节点接收数据则令a_i＝i，

b_i表示车辆节点i将输出数据给节点b_i，若节点i不输出数据给任何节点则令b_i＝i；

(7)由策略集得到有效策略集

(8)由有效策略集得到非循环策略集

(9)从非循环策略集中选择出满足以下公式的本地最佳策略

且

(10)更新策略历史h_t，并采用本地最佳策略得到连接有向图判断是否若满足则令并执行步骤(11)，否则，令并返回步骤(3)；

(11)所有车辆节点根据连接有向图更新其与邻居节点的连接方式，并依据此连接方式进行数据传输，直到下一时隙开始时返回步骤(2)。

本发明与现有技术相比具有如下主要优点：

1)本发明采用基于合作的P2P方法，即节点间通过建立联盟共享通用内容，保证每个节点的传输方式是本地最优的传输方式，相较于非合作的P2P方法降低了数据重传、碰撞的概率，从而显著提高了数据分发效率，加快了节点完整获取通用内容的速度。

2)本发明通过对邻居节点进行距离预测，保证节点仅与能长时间通信的邻居节点建立连接，使得本发明不需要对车间距进行限制，并能适应车辆间的快速相对移动，相较于现有技术更适用于城市环境下的通用内容分发。

附图说明

图1是本发明的主流程图

图2是本发明中建立连接有向图的示例图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述；

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，划分数据块。

将所要分发的数据包划分为N个大小相等的数据块，得到完整的数据块集合：M＝{m₀,m₁,…m_i…,m_N}，其中m_i表示第i个数据块，i＝0,1,…,N，N≥10。

步骤2，建立连接有向图

在时隙t开始时刻，根据所有通信节点之间的连接方式建立连接有向图其中υ是所有通信节点的集合，是所有有向通信连接的集合：

参照图2，本步骤的具体实现如下：

2.1)当前所有车辆节点和路边单元构成通信节点集合υ，

例：根据图2可得到υ＝{RSU,1,2,3,4,5,6,7,8}；

2.2)对于任意两个节点i,j∈υ，若存在节点i到节点j的一条单向连接，则将节点i到节点j的连接e_i,j加入有向通信连接集合

例：根据图2可得到

2.3)通信节点集合υ与有向通信连接集合构成连接有向图

步骤3，随机选择车辆，并获取其邻居节点的必要信息。

从所有车辆节点中随机选择一个车辆节点i，车辆节点i向周围广播请求信息，请求通信范围内的节点发送自身的速度、位置和数据块集合Μ_j；

回复请求的所有节点构成车辆节点i的邻居节点集合N_i，对每个邻居节点j∈N_i，依据其回复内容计算与车辆节点i的相对距离d_j,i、相对速度v_j,i，并测量邻居节点j到车辆节点i的信道容量c_j,i。

步骤4，计算车辆节点i的总效用

4.1)计算车辆节点i的接收效用

其中γ_in∈(0,1)表示接收系数,分别表示车辆节点i的接收连接数和输出连接数，c_i,j表示车辆节点i到邻居节点j的信道容量，e_j,i,e_RSU，i分别表示邻居节点j到车辆节点i的通信链路和路边单元RSU到车辆节点i的通信链路，表示t时隙网络中所有有向通信链接的集合，σ_j,i表示邻居节点j对车辆节点i的数据弥补度：

4.2)计算车辆节点i的输出效用

其中γ_out∈(0,1)为输出系数；

4.3)计算车辆节点i的碰撞损耗：

其中γ_cost∈(0,1)表示碰撞损耗系数；4.4)根据输入效用、输出效用以及碰撞损耗，得到车辆节点i当前的总效用：

步骤5，求可通信节点集合

5.1)计算邻居节点j∈N_i在车辆节点i通信范围内的驻留时间t_j,i，假设[t,t+1]时间段内车辆保持匀速前进，计算每个邻居节点j∈N_i在车辆节点i通信范围内的驻留时间t_j,i：

其中D_i为车辆节点i的最大通信范围。

5.2)根据驻留时间t_j,i，求得可通信节点集合

其中τ为时隙长度，ξ∈(0,1)为最小通信时间比。

步骤6，根据可通信节点集合求得策略集

6.1)从车辆节点i的可通信节点集合中选取不同的节点组合a_i,b_i，其中节点a_i,b_i可以选取中两个不同的节点也可以选取中同一个节点，从而确定不同的策略s_i＝(a_i,b_i)，不同策略代表车辆节点i与邻居节点不同的连接方式，其中：

a_i表示车辆节点i将从节点a_i接收数据，若节点i不从任何节点接收数据则令a_i＝i，

b_i表示车辆节点i将输出数据给节点b_i，若节点i不输出数据给任何节点则令b_i＝i；

6.2)将所有不同的策略构成策略集

步骤7，由策略集得到有效策略集

7.1)创建一个空的有效策略集

7.2)随机采用策略集中的一个策略s_i＝(a_i,b_i)，即从原连接有向图为的中删除节点i的所有连接，并加入a_i与i的连接和i与b_i的连接得到新的连接有向图其中为采用策略s_i＝(a_i,b_i)后得到的新的有向连接集合；

7.3)根据步骤4中的公式，分别计算节点i，节点a_i，节点b_i在新连接有向图下的总效用和节点i，节点a_i，节点b_i在原连接有向图下的总效用并判断是否同时满足下列公式：

若满足,则把该策略s_i从删除并加入有效策略集否则，仅从中删除该策略s_i；

7.4)判断策略集是否为空，若为空集,则结束步骤得到有效策略集否则返回步骤7.2)。

步骤8，由有效策略集得到非循环策略集

8.1)创建一个空的非循环策略集

8.2)随机选择策略集中的一个策略s_i＝(a_i,b_i)，判断该策略的策略历史h_t(s_i)是否存在，若存在直接进入下一步，否则，令h_t(s_i)＝0；

8.3)判断该策略的策略历史h_t(s_i)是否满足h_t(s_i)≤δ，若满足，则把该策略s_i从删除并加入非循环策略集否则，仅从中删除该策略s_i，其中：δ为最大重复次数，h_t为策略历史；

8.4)判断策略集是否为空，若为空集，则结束步骤得到非循环策略集否则，返回步骤8.2)。

步骤9，从非循环策略集中选出本地最佳策略

9.1)将非循环策略集中的所有策略应用于原连接有向图分别得到新的连接有向图

9.2)依据步骤4中的公式，计算出车辆节点i分别在连接有向图下的总效用

9.3)从中选取最大值最大值所对应的策略即为本地最佳策略

步骤10，更新策略历史h_t，并采用本地最佳策略后得到新连接有向图判断新连接有向图是否收敛。

10.1)根据如下公式更新策略历史h_t：

其中s_i为h_t(s_i)存在的任意策略，为本地最佳策略；

10.2)将本地最佳策略应用于原连接有向图中，即从原连接有向图的中删除节点i的所有连接，然后将与i的连接和i与的连接加入到中，得到新的有向连接集合该与通信节点集合υ构成新的连接有向图

10.3)判断新的连接有向图是否收敛，即判断与是否相等，若相等，则连接有向图收敛，令t时隙最终连接有向图等于并进入步骤11，否则，连接有向图未收敛，令并返回步骤3。

步骤11，根据t时隙最终连接有向图更新车辆节点的连接方式，并进行数据传输。

11.1)对通信节点集合υ＝{ν₁,ν₂,…,v_i,…,v_n}中的每一个节点ν_i∈υ，i∈{1,2,…,n}，判断t时隙最终连接有向图的有向连接集合中是否存在节点v_i与节点j的连接若存在，则设置节点v_i向节点j传输数据，否则，断开节点v_i与节点j之间的连接，其中节点j∈N_i。

11.2)对通信节点集合υ＝{ν₁,ν₂,…,v_i,…,v_n}中的每一个节点，判断t时隙最终连接有向图的有向连接集合中是否存在节点j与节点v_i的连接若存在，则设置节点v_i从节点j获取数据，否则，断开节点j与节点v_i之间的连接，其中节点j∈N_i；

11.3)所有车辆节点按照新的连接方式进行数据传输，直到下一时隙开始时返回步骤2。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于联盟博弈和距离预测的车联网通用内容分发方法，包括如下步骤：

(1)将所要分发的数据包分为N个等大小的数据块，第i个数据块记为m_i，完整的数据块集合记为M＝{m₀,m₁,···m_i···,m_N}i＝0,1,···,N；

(2)在时隙t开始时刻，根据当前车辆和路边单元这些通信节点的连接状态，建立连接有向图其中υ是所有通信节点的集合，是t时隙网络中所有有向通信链接的集合；

(3)在所有车辆节点中随机选择车辆节点i，车辆节点i的邻居节点集合为N_i，获取所有邻居节点j∈N_i与车辆节点i的相对距离d_j,i、相对速度v_j,i、信道容量c_j,i以及数据块集合M_j；

(4)根据当前连接有向图计算节点i当前的总效用

(4a)计算车辆节点i的接收效用

其中γ_in∈(0,1)表示接收系数,分别表示车辆节点i的接收连接数和输出连接数，c_i,j表示车辆节点i到邻居节点j的信道容量，e_j,i,e_RSU,i分别表示邻居节点j到车辆节点i的通信链路和路边单元RSU到车辆节点i的通信链路，表示t时隙网络中所有有向通信链接的集合，σ_j,i表示邻居节点j对车辆节点i的数据弥补度：

(4b)计算车辆节点i的输出效用

其中γ_out∈(0,1)为输出系数；

(4c)计算车辆节点i的碰撞损耗：

其中γ_out∈(0,1)表示碰撞损耗系数；

(4d)根据输入效用、输出效用以及碰撞损耗，得到车辆节点i当前的总效用：

(5)计算邻居节点j∈N_i在车辆节点i通信范围内的驻留时间t_j,i，根据驻留时间t_j,i得到可通信节点集合

(6)从车辆节点i的可通信节点集合中任意选择两个节点a_i,b_i，确定博弈中的策略s_i＝(a_i,b_i)，由所有策略构成策略集其中：

a_i表示车辆节点i将从节点a_i接收数据，若节点i不从任何节点接收数据则令a_i＝i，

b_i表示车辆节点i将输出数据给节点b_i，若节点i不输出数据给任何节点则令b_i＝i；

(7)由策略集得到有效策略集

(8)由有效策略集得到非循环策略集

(9)从非循环策略集中选择出满足以下公式的本地最佳策略

且

(10)更新策略历史h_t，并采用本地最佳策略得到连接有向图判断是否等于若满足，则令并执行步骤(11)，否则，令并返回步骤(3)；

(11)所有车辆节点根据连接有向图更新其与邻居节点的连接方式，并依据此连接方式进行数据传输，直到下一时隙开始时返回步骤(2)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(5)所述的计算可通信节点集合按如下步骤计算：

(5a)假设[t,t+1]时间段内车辆保持匀速前进，计算邻居节点j∈N_i在车辆节点i通信范围内的驻留时间t_j,i：

其中D_i为车辆节点i的最大通信范围；

(5b)根据驻留时间t_j,i计算可通信节点集合

其中τ为时隙长度，ξ∈(0,1)为最小通信时间比。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(7)所述的由策略集得到有效策略集按如下步骤操作：

(7a)创建一个空的有效策略集

(7b)随机采用策略集中的一个策略s_i＝(a_i,b_i)，即从原连接有向图为的中删除节点i的所有连接，并加入a_i与i的连接和i与b_i的连接得到新的连接有向图其中为采用策略s_i＝(a_i,b_i)后得到的新的有向连接集合；

(7c)根据步骤(4)中的公式，分别计算节点i，节点a_i，节点b_i在新连接有向图下的总效用和节点i，节点a_i，节点b_i在原连接有向图下的总效用并判断是否同时满足下列公式：

若满足,则把该策略s_i从删除并加入有效策略集否则，仅从中删除该策略s_i；

(7d)判断策略集是否为空，若为空集,则结束步骤得到有效策略集否则返回步骤(7b)。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(8)所述的由有效策略集得到非循环策略集按如下步骤操作：

(8a)创建一个空的非循环策略集

(8b)随机选择策略集中的一个策略s_i＝(a_i,b_i)，判断该策略的策略历史h_t(s_i)是否存在，若存在直接进入下一步，否则，令h_t(s_i)＝0；

(8c)判断该策略的策略历史h_t(s_i)是否满足h_t(s_i)≤δ，若满足，则把该策略s_i从删除并加入非循环策略集否则，仅从中删除该策略s_i，其中：δ为最大重复次数，h_t为策略历史；

(8d)判断策略集是否为空，若为空集，则结束步骤得到非循环策略集否则，返回步骤(8b)。

5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(10)所述的更新策略历史h_t，按如下列公式计算：

其中s_i为h_t(s_i)存在的任意策略，为本地最佳策略。

6.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(11)所述的所有车辆节点根据连接有向图更新其与邻居节点的连接方式，按照如下步骤进行：

对通信节点集合υ＝{ν₁,ν₂,···,v_i,···,v_n}中的每一个节点ν_i，按如下方法更新连接方式：

判断t时隙最终连接有向图的有向连接集合中是否存在节点v_i与节点j的连接若存在，则设置节点v_i向节点j传输数据，否则，断开节点v_i与节点j之间的连接；

判断t时隙最终连接有向图的有向连接集合中是否存在节点j与节点v_i的连接若存在，则设置节点v_i从节点j获取数据，否则，断开节点j与节点v_i之间的连接；

其中υ＝{ν₁,ν₂,···,v_i,···,v_n}为t时隙最终连接有向图的通信节点集合，节点ν_i∈υ，i∈{1,2,···,n}，节点j∈N_i。