CN106851770A

CN106851770A - 基于链路质量的车联网通信方法

Info

Publication number: CN106851770A
Application number: CN201710112438.2A
Authority: CN
Inventors: 孙罡; 喻明月; 廖丹; 孙健
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2017-02-28
Filing date: 2017-02-28
Publication date: 2017-06-13
Anticipated expiration: 2037-02-28
Also published as: CN106851770B

Abstract

本发明公开了一种于链路质量的车联网通信方法，车联网中的各个车辆周期性地广播Hello数据包，Hello数据包中包括源车辆ID、源车辆位置坐标、区域ID和邻接车辆列表，邻接车辆列表通过持续接收其他车辆广播的Hello数据包进行更新维护；同时车辆周期性地根据接收到的其他车辆的Hello数据包判断与邻接车辆间否存在双向链路，如果存在则进行链路质量评估；当车辆需要作为源车辆进行通信时，先根据与邻接车辆间的距离进行初步筛选，然后根据与邻接车辆间的链路质量和距离计算链路的评估值，根据评估值来选择中继节点对源车辆的信息数据包进行转发。本发明综合多种因素评估移动车辆和停放车辆与源车辆的链路来选择中继节点，以提高车联网的通信质量。

Description

基于链路质量的车联网通信方法

技术领域

本发明属于车联网通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于链路质量的车联网通信方法。

背景技术

随着车联网的广泛兴起，越来越多的应用运用到车联网当中，它们不仅改善了驾驶员的体验，更提升了驾驶的安全性，而这都大大依赖于信息的高效准确的传递。车辆在行驶中，会周期性的向周围广播发送Cooperative Awareness Messages(CAMs，协同感知信息)，这包括车辆自身行驶的一些信息；在必要时候也会广播发送decentralizedenvironmental notifications(DENs，分散环境通知信息)，其他车辆在收到这个信息后，会再次将这个信息以广播的方式转发给其他距离更远的车辆，使得其他车辆能及时知道周围车辆的情况，帮助驾驶员及时做出判断，有效的避免拥堵甚至交通事故的发生。

无论是CAMs或者是DENs的传递，都是建立在车联网中的广播协议之上的，这是信息发送的载体。广播协议也是近年来受到车联网通信领域研究的广泛关注，随着交通的发展，持续增长的汽车数量，越发复杂的路况，这使得传统的广播协议，也就是简单的发送-接收-转发模式，已经无法满足日益增长的需求。

车联网中车辆具有移动特性，它在广播发送自身信息的同时，车辆还处于移动的状态，那么对应的信息也在时刻改变着，若发送信息的时延过大，那么极有可能造成信息失去原有的特性。因此为了保证所传递的信息的及时有效性，车辆通信对时延的要求越来越高，特别是紧急消息，试想在接近一个事故地之前就预先得到消息知道前方有事故发生，那么驾驶员就有足够的时间去做出判断与选择，能有效的避免由后方车辆造成的二次事故，它可以大大的减少突发安全事故的发生。

通信质量也是影响信息传递的一大因素，由于车辆移动性，它所处的位置不同，交通状况不同，以及其他原因都会造成每条链路的通信质量不一样，不同的链路质量也影响着车联网内的通信质量，倘若选择一条通信质量不好的链路进行后续的转发，那么不完整甚至错误的消息将在车联网中弥漫开来，将造成无法预估的后果。

协议最终目的是要运用于实际当中，协议在设计时也越来越多的考虑到实际的应用场景。比如考虑到现实环境中有许多的障碍物，它们会带来阴影效应，严重的甚至使得信息无法传递，造成信号中断等问题，总之会影响车辆之间的正常通信。若在设计协议时不加任何考虑，那么在实际应用中肯定会出现一些问题，达不到预期的效果，所以如今在设计协议时也是越来越关注实际应用中可能遇到问题。

在如今的车联网通信协议中，不同技术侧重于关注不同的技术问题。有的技术为了提高信息的准确率，减小误差率，采取一定的节点选择算法，综合各个因素，譬如链路质量，通信距离等因素选择出最优的下一跳转发节点，这可以统称为提高准确率的技术；除此之外，还有动态技术，由于车联网的移动特性，车辆位置，周围拓扑等参数都在时刻发生变化，动态技术也就应运而生，此技术则是根据车辆当前的位置及其他信息去选择合适的路由信息，具有很好的适应性；还有专门针对消除障碍物带来影响的技术，譬如引入一些抗衰落模型的技术等等。

IVC(Inter-Vehicle Communication,车辆间通信)算法是一个常见的解决障碍物带来问题的技术。此技术分析在城市和近郊区中，由于存在大量的建筑物，他们严重影响了车联网中信息传递问题，而这些建筑物周围通常都会设置有路边停车场，而这些停放车辆正好处于发送与接收车辆的信号可达范围内，所以提出利用将建筑物旁停放的车辆作为中继节进行转发再次广播，那么就能够很好的绕过建筑物，解决了障碍物带来的阴影效应甚至中断问题，从而有效的扩大了信息传递范围。但是该算法并未设计出良好的中继方式，只是单纯的将信息广播限制为两跳；并且该算法设置停放车辆在收到信息后，马上进行转发，而一般停车场中车辆密集，这使得不止一辆车做出上述行为，造成信息的冗余过大；倘若所有路边停放的车辆都加入到移动车辆的信息转发中来，这无疑会消耗巨大的网络资源，大大增加网络开销，增加网络负担。

BDSC(Bi-directional Stable Communication,双向稳定通信)节点选择算法是一种保证信息准确性的算法，能有效的从一系列邻居节点中选择出链路质量最好、通信最稳定的节点作为下一跳的转发节点。首先它通过发送数据包了解周围邻接的单跳节点，再评估发送方与这些节点之间的链路质量，综合质量与距离，选择出最优的中继节点集，并依据这些参数确定节点集的转发顺序，最后依次广播这些信息。该算法可以很好地提升数据包的传输率，使得通信质量更好。但是该算法只考虑了最简单的通信情况，没有考虑到在有障碍物环境中，车辆间的信息无法通过移动车辆中继到达的情况。并且由于车辆移动特性，网络拓扑图变化快，会造成该算法的计算量相对较大，这会增加有限的移动车辆资源的负担。此外，该算法不适用于在没有合适的移动车辆进行中继的场景，譬如在夜晚，两车之间距离大于信息传播距离，而中间没有任何移动车辆，按照此算法将无法传递信息。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于链路质量的车联网通信方法，综合多种因素评估移动车辆和停放车辆与源车辆的链路来选择中继节点，以提高车联网的通信质量。

为实现上述发明目的，本发明基于链路质量的车联网通信方法包括以下方法：

S1：车联网中的各个车辆周期性地广播Hello数据包，Hello数据包中包括源车辆ID、源车辆位置坐标、区域ID和邻接车辆列表，其中移动车辆的区域ID设置为“null”(空)，停放车辆的区域ID根据车辆所位于的区域进行设置，邻接车辆列表中保存源车辆的相邻单跳车辆的信息，采用以下方法进行更新维护：

每个车辆持续接收其他车辆广播的Hello数据包，当车辆为移动车辆时，每当接收到一个其他车辆的Hello数据包，则判断该车辆信息是否存在于其邻接车辆列表中，如果存在则更新该邻接车辆信息，否则将该车辆信息加入邻接车辆列表；当车辆为停放车辆时，每当接收到一个其他车辆的Hello数据包，首先提取出区域ID，判断是否与自身的区域ID相同，如果相同则不作任何操作，如果不同则进一步判断该车辆信息是否存在于其邻接车辆列表中，如果存在则更新该邻接车辆信息，否则将该车辆信息加入邻接车辆列表；

S2：各个车辆周期性地判断与邻接车辆之间是否存在双向链路，其判定方法为：车辆在接收到其他车辆的Hello数据包时，提取其他车辆的邻接车辆列表，如果自身存在于该车辆的邻接车辆列表中，即判定与该车辆存在双向链路，对该链路进行链路质量评估，否则不作任何操作；

链路质量评估的方法为：在判断得到与车辆存在双向链路的邻接车辆后，统计预设时间T内接收到的来自该邻接车辆的Hello数据包的数量M，根据以下公式计算链路质量LQ：

其中，T_h表示Hello数据包的发送周期，λ表示邻接车辆为移动车辆或停放车辆时的权重系数，当邻接车辆为移动车辆时，λ＝a，当邻接车辆为停放车辆时，λ＝b，且0＜a＜1，0＜b＜1，a+b＝1；

S3：当车辆需要作为源车辆进行通信时，首先将与源车辆存在双向链路的邻接车辆放入候选中继集合X，从源车辆的邻接车辆列表中获取候选中继集合X中每个邻接车辆的车辆位置坐标，计算源车辆到该邻接车辆的距离，然后将源车辆到候选中继集合X中所有邻接车辆的距离进行平均得到距离平均值，从候选中继集合X中删除与源车辆距离大于距离平均值的邻接车辆；

计算当前候选中继集合X中每个邻接车辆的评估值P_i＝LQ_i×d_i，i＝1,2,…,|X|，|X|表示当前候选中继集合X中的邻接车辆数量，LQ_i表示源车辆与第i个邻接车辆间的双向链路质量，d_i表示源车辆与第i个邻接车辆间的距离；根据当前候选中继集合X中邻接车辆的评估值从大到小对邻接车辆进行排序，选择前K个邻接车辆作为中继节点，其中K是根据需要进行设置的，由这K个中继节点对源车辆的信息数据包进行转发。

本发明基于链路质量的车联网通信方法，车联网中的各个车辆周期性地广播Hello数据包，Hello数据包中包括源车辆ID、源车辆位置坐标、区域ID和邻接车辆列表，邻接车辆列表中保存源车辆的相邻单跳车辆的信息，通过持续接收其他车辆广播的Hello数据包进行更新维护；同时车辆周期性地根据接收到的其他车辆的Hello数据包判断与邻接车辆间否存在双向链路，如果存在则进行链路质量评估；当车辆需要作为源车辆进行通信时，先根据与邻接车辆间的距离进行初始筛选，然后根据与邻接车辆间的链路质量和距离计算链路的评估值，根据评估值来选择中继节点对源车辆的信息数据包进行转发。本发明综合多种因素评估移动车辆和停放车辆与源车辆的链路来选择中继节点，以提高车联网的通信质量。

附图说明

图1是本发明基于链路质量的车联网通信方法的具体实施方式流程图；

图2是一个道路场景示例图；

图3是图2中的车辆A、D的Hello数据包示例图；

图4是双向链路判断示例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明基于链路质量的车联网通信方法的具体实施方式流程图。如图1所示，本发明基于链路质量的车联网通信方法包括以下步骤：

S101：各车辆维护单跳邻居节点信息：

为了选择合适的中继节点，各个车辆需要维护其单跳邻居节点信息。本发明中，车联网中各个车辆通过周期性地广播Hello数据包，并接收其他车辆广播的Hello数据包来对周围环境进行探测，从而获取其单跳邻居节点信息，构建邻接车辆列表。表1是本发明中Hello数据包的结构图。

源车辆ID

源车辆位置信息

区域ID

邻接车辆列表

表1

如表1所示，本发明所采用的Hello数据包中包括源车辆ID、源车辆位置坐标、区域ID和邻接车辆列表。源车辆ID是车辆在车联网中的唯一标识符，本实施例中采用WIFI模块的MAC地址。源车辆位置坐标一般是通过定位方法来得到的，例如GPS或者GNSS。

当选定一个停放车辆作为中继节点时，如果车辆周围存在大量停放车辆，他们都是静止状态，相应链路质量更好，那么非常容易造成接下来所选的所有中继节点都是这一个区域停放的车辆，造成广播风暴。为了解决以上问题，本发明在Hello数据包结构中添加一个区域ID。区域ID用于标识停放车辆的位置，根据停放车辆的坐标确定。为了区分位于障碍物不同区域的停放车辆，从而根据障碍物周围车辆的实际情况来选择停放车辆作为中继节点，降低障碍物的阴影效应，在预先划分区域时，对于存在障碍物的区域，应当划分地细致一些，能够区分障碍物周围的不同区域，对于不存在障碍物的区域，就可以划分地粗略一些，每个区域的范围可以更大。对于移动车辆，由于其在运动过程中，较难评价其障碍物情况，因此直接将其区域ID设置为“null”(空)即可。

邻接车辆列表中保存着源车辆的相邻单跳车辆的信息，该列表是通过源车辆接收到的来自其他车辆的Hello数据包来获取的。比如A、B两个车辆，当A车辆接受到来自B车辆的Hello数据包时，它会更新自身邻接车辆列表，将B车辆的信息加入。同理，当B车辆接受到来自A车辆的Hello数据包时，也会在自身邻接车辆列表中加入A车辆的信息。停放车辆在维护邻接车辆列表时，还需要增加对区域ID的判断，如果接收到区域ID与自身相同的Hello数据包，则不将对应车辆信息加入邻接车辆列表中，从而避免在选择中继节点时选择同一区域的停放车辆，避免造成广播风暴。

根据以上描述可知，虽然各个车辆都是通过持续接收其他车辆广播的Hello数据包，根据其中的信息来更新维护邻接车辆列表，但是对于移动车辆和停放车辆，其具体方法是不完全一样的：当车辆为移动车辆时，每当接收到一个其他车辆的Hello数据包，则判断该车辆信息是否存在于其邻接车辆列表中，如果存在则更新该邻接车辆信息，否则将该车辆信息加入邻接车辆列表；当车辆为停放车辆时，每当接收到一个其他车辆的Hello数据包，首先提取出区域ID，判断是否与自身的区域ID相同，如果相同则不作任何操作，如果不同则进一步判断该车辆信息是否存在于其邻接车辆列表中，如果存在则更新该邻接车辆信息，否则将该车辆信息加入邻接车辆列表。为了保证邻接车辆列表的时效性，通常要对邻接车辆列表进行老化维护，本实施例中采用的方法为：周期性地清空车辆的邻接车辆列表，然后根据新收到的Hello数据包重新更新维护邻接车辆列表。

图2是一个道路场景示例图。如图2所示，该场景中存在5辆车，其中A、B、C为移动车辆，D、E为停放在商场停车场的停放车辆，图中通过无线连接符号来标识两辆车之间是否存在单跳链路。经过一段时间Hello数据包的交换，每个车辆就可以得到其邻接车辆列表。图3是图2中的车辆A、D的Hello数据包示例图。图3中ALOV表示邻接车辆列表。如图3所示，由于车辆A在图2中只与车辆B、D、E存在单跳链路，因此经过一段时间的更新维护后，车辆A的邻接车辆列表中包含了车辆B、D、E的信息。对于车辆D而言，虽然其在图2中与车辆A、B、C、E均存在单跳链路，但是由于车辆D和E同为停放车辆，且所处区域相同，即区域ID相同，均为Area_1，因此车辆D的邻接车辆列表中不会加入车辆E的信息，而只有车辆A、B、C的信息。

S102：各车辆评估其与邻接车辆的链路质量：

由于车辆在进行多跳广播通信时，需要与中继节点进行数据交换，因此首先要获取存在双向链路的邻接车辆信息，而由于车辆周围的车辆情况是不断变化的，因此各个车辆也需要周期性地判断与邻接车辆之间是否存在双向链路，其判定方法为：车辆在接收到其他车辆的Hello数据包时，提取其他车辆的邻接车辆列表，如果自身存在于该车辆的邻接车辆列表中，即判定与该车辆存在双向链路，需要对该链路进行链路质量评估，否则不需要进行链路质量评估。

图4是双向链路判断示例图。如图4所示，假如有A、B、C三辆车，A广播发送Hello数据包，此时B收到来自A的数据包，在自己的邻接车辆列表中加入A，再广播自己的Hello数据包，A收到此数据包后进行分析，发现B的邻接车辆列表中有自己，则代表B能准确收到A发出的信息，即AB之间存在双向链路。而C由于某种原因未能正确接收来自A的数据包，其邻接车辆列表中没有A的信息，那么A接收到C的Hello数据包进行分析，发现C的邻接车辆列表中没有自己，则AC之间不存在双向链路。

对于链路质量评估，在本发明中将预设时间内实际接收到的邻接车辆的Hello数据包的数量和理论上应当接收到的数量之比作为链路质量的体现，因此在判断得到与车辆存在双向链路的邻接车辆后，统计预设时间T内接收到的来自该邻接车辆的Hello数据包的数量M，根据以下公式计算链路质量LQ：

其中，T_h表示Hello数据包的发送周期，λ表示邻接车辆为移动车辆或停放车辆时的权重系数，当邻接车辆为移动车辆时，λ＝a，当邻接车辆为停放车辆时，λ＝b，且0＜a＜1，0＜b＜1，a+b＝1。a和b用于标识移动车辆和停放车辆在被选择时的优先程度，一般来说由于停放车辆的通信较为稳定，因此通常设置a＜b。此外，a和b还可以根据时间段来设置，例如晚上停放车辆数量多而移动车辆数量少，可以适当增大b的值，优先选择停放车辆。

S103：选择中继节点通信：

当车辆需要作为源车辆进行通信时，则根据其邻接车辆的链路质量和与邻接车辆的距离来选择中继节点，进行车联网的多跳广播通信。

首先将与源车辆存在双向链路的邻接车辆放入候选中继集合X，然后根据车辆距离进行中继节点的初步筛选：从源车辆的邻接车辆列表中获取候选中继集合X中每个邻接车辆的车辆位置坐标，计算源车辆到该邻接车辆的距离，然后将源车辆到候选中继集合X中所有邻接车辆的距离进行平均得到距离平均值，从候选中继集合X中删除与源车辆距离大于距离平均值的邻接车辆。即首先将与源车辆距离较远的邻接车辆删除，仅保留距离小于等于距离平均值的邻接车辆。

计算当前候选中继集合X中每个邻接车辆的评估值P_i＝LQ_i×d_i，i＝1,2,…,|X|，|X|表示当前候选中继集合X中的邻接车辆数量，LQ_i表示源车辆与第i个邻接车辆间的双向链路质量，d_i表示源车辆与第i个邻接车辆间的距离。根据当前候选中继集合X中邻接车辆的评估值从大到小对邻接车辆进行排序，选择前K个邻接车辆作为中继节点，其中K是根据需要进行设置的，由这K个中继节点对源车辆的信息数据包进行转发。

根据以上方法可知，本发明在选择中继节点时，链路质量LQ越大越好，而由于先根据距离对邻接车辆进行了初步筛选，在筛选后的邻接车辆中，车辆距离也是越大越好，这样可以有助于减少到达目标车辆的跳数。并且一般来说在不考虑其他因素的情况下，车辆距离越小其链路质量相对较好，因此本发明提出的评估值计算公式综合考虑了链路质量和车辆距离，从而使选择得到的中继节点更加合理。

一般来说，由于移动车辆本身还承担其他应用所需要的服务，中继转发只是其一小部分业务，需要为其释放其他业务留出时间，而停放车辆其他服务很少，可以在收到信息数据包后立即转发。因此本实施例中还可以为不同中继节点设置不同的转发等待时间，从而适应不同中继节点的需要，并且避免所有节点同一时间去转发数据，造成这些冗余信息冲突，带来网络流量的压力。设置转发等待时间的具体方法为：按照评估值从大到小对中继节点按0至K-1进行编号，如果第k个中继节点为停放车辆，设置其转发等待时间w_k＝0，否则设置其转发等待时间w_k＝k×σ，其中k＝0,1,…,K-1，σ表示预设的时间参数。

本发明中所提出的基于链路质量的车联网通信方法可以部署在任何在车载自组织网络中的车辆中，特别是行驶在障碍物周边的车辆更需要本发明来解决障碍物带来的阴影效应问题。

在普通道路上行驶的车辆，当路边没有停放车辆时，可以通过本发明在所有的移动车辆中选择出链路质量最好的车辆作为下一中继节点进行转发；当路边有停放车辆时，可以通过本发明选择出最适合当前情况下的中继节点，还可以通过参数a和b的设置，来很好地适应不同的应用情况和时间段。譬如晚上的时候移动车辆十分稀少，就可以通过适当增大b的值来优先选择停放车辆，避免处于通信范围外的车辆无法交互信息。

针对行驶在障碍物周围的车辆，当障碍物周围没有停放车辆时，本发明即通过在移动车辆选择出适应当前环境最好的车辆；当存在停放车辆时，可以适当增加停放车辆的选择比重b，则本发明会选择出能减小障碍物带来的通信问题且链路质量最好的节点。

在中继节点转发时，本发明还可以对移动车辆和停放车辆的转发等待时间进行不同方式的设置，移动车辆的转发等待时间较长。这是因为移动车辆在行驶中本身就有许多其他的任务需要完成，若再将此转发任务加在其上，一方面增加车辆的处理压力，另一方面，这个任务可能需要在移动车辆的待处理事件中排队，有一定的处理时延，这无疑会大大增加通信的时延，而停放车辆除了作为转发节点没有任何其他任务，在收到信息后只需单纯的广播转发，一方面分担了移动车辆的处理压力，其次也有效的减小了时延。

根据以上分析可知，本发明不需要在道路上安装中继节点，而是直接利用停放车辆，可以有效节约资源，提高资源利用率，此外，本发明在车辆的邻接车辆列表更新维护和链路质量评估时，综合考虑了障碍物区域、邻接车辆距离等因素，采用动静结合的方式，在移动车辆和停放车辆中选择出中继节点，可以有效提高车联网的通信质量。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种基于链路质量的车联网通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：车联网中的各个车辆周期性地广播Hello数据包，Hello数据包中包括源车辆ID、源车辆位置坐标、区域ID和邻接车辆列表，其中移动车辆的区域ID设置为“null”，停放车辆的区域ID根据车辆所位于的区域进行设置，邻接车辆列表中保存源车辆的相邻单跳车辆的信息，采用以下方法进行更新维护：

S2：各个车辆周期性地判断与邻接车辆之间是否存在双向链路，其判定方法为：在接收到其他车辆的Hello数据包时，提取其他车辆的邻接车辆列表，如果自身存在于该车辆的邻接车辆列表中，即判定与该车辆存在双向链路，对该链路进行链路质量评估，否则不作任何操作；

L Q = \frac{M}{T / T_{h}} * λ

2.根据权利要求1所述的车联网通信方法，其特征在于，所述邻接车辆列表采用如下方法进行老化维护：周期性地清空车辆的邻接车辆列表，然后根据新收到的Hello数据包重新更新维护邻接车辆列表。

3.根据权利要求1所述的车联网通信多跳方法，其特征在于，所述步骤S2中，参数a和b满足a＜b。

4.根据权利要求1所述的车联网通信方法，其特征在于，所述步骤S3中，还采用以下方法对中继节点的转发等待时间进行设置：按照评估值从大到小对中继节点按0至K-1进行编号，如果第k个中继节点为停放车辆，设置其转发等待时间w_k＝0，否则设置其转发等待时间w_k＝k×σ，其中k＝0,1,…,K-1，σ表示预设的时间参数。