CN107071827B - 一种基于传染病算法的车联网数据广播方法 - Google Patents

一种基于传染病算法的车联网数据广播方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于传染病算法的车联网数据广播方法，在区域A内，路侧单元把检测到的车辆信息发送给区域内的基站，基站整合信息后进行广播。车辆收到基站广播的信息之后，能够自适应地调节自身发送信标的频率：当车辆较稀疏或者数据包渗透率较小时，车辆提高发信标的频率，从而提高车辆之间的通信连接概率，提高数据包的可达率；当车辆较密集或者数据包渗透率较大时，车辆降低发信标的频率，从而减少数据包的发送，避免网络中数据包冗余，减少数据包冲突。应用本发明方法能够有效地避免车辆自组织网络中数据包洪泛，能够高效地利用网络资源，从而提高数据包的可达率，降低延迟。

Description

一种基于传染病算法的车联网数据广播方法
技术领域
本发明方法涉及车联网技术领域以及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于传染病算法的车联网数据广播方法。
背景技术
车辆自组织网络是传统移动自组织网络在交通道路上的应用，可用于提供交通安全服务以及车内娱乐服务。车辆之间通过交换安全相关的信息来实现交通安全预警，避免发生交通事故。安全相关的数据包需要及时地发送给周边车辆，对延迟及可达性有较高的要求。由于车辆自组织网络具有自治性、无固定结构、多跳路由以及由车辆高速移动引起的网络拓扑动态变化等特点，使得车辆之间的通信连接具有高度随机性，通信连接中断问题暴露。研究表明，在车辆自组织网络中使用传统的传输层协议(如TCP,UDP)和路由协议(如AODV,OLSR)，数据包的传输可达性差，延迟大且延迟抖动剧烈，难以满足车辆自组织网络中安全相关数据包的传输要求。
基于“存储-携带-转发”机制的传染病路由算法是延迟容忍网络中最重要的路由算法之一，其核心思想是在彼此通信范围内的两个节点互换对方没有的数据包，经过多次互换数据包，网络中非孤立的节点最终会收到所以数据包，这使得传染病路由算法在理论上可以实现延迟最小而可达性最好。因此，在车辆自组织网络中，传染病路由算法比传统路由协议更有优势。但是，纯粹的传染病路由算法本质上是一种无限制洪泛算法，其会尝试所有可能的路径去发送数据包，尤其是车流密度较高时，会使得大量网络资源被占用，网络中数据包泛滥，竞争激烈，从而导致传输延迟增大，可达率降低，同样难以满足安全相关数据包的传输要求。
发明内容
本发明的目的是为了克服纯粹的传染病路由算法引起网络中数据包泛滥，从而导致传输延迟增大而可达率降低的缺陷，提出一种基于传染病算法的车联网数据广播方法，让车辆能够根据其所处的路段的车辆密度以及数据包在网络中的渗透情况，动态自适应地调节自身发信标的频率，使传染病路由算法延迟小而可达率高的优势得以充分发挥。
一种基于传染病算法的车联网数据广播方法，车辆能够根据所处环境调节自身发信标的频率：当车辆较稀疏或者数据包渗透率较小时，车辆提高发信标的频率，从而提高车辆之间的通信连接概率，提高数据包的可达率，降低延迟；当车辆较密集或者数据包渗透率较大时，车辆降低发信标的频率，从而避免网络中数据包泛滥，大量网络资源被占用，进而提高数据包的可达率，降低延迟。方法如下：
在t0时刻，车辆i产生一个寿命为T的安全相关的源数据包p(为了方便描述，把源数据包p的复制包也称为数据包p)，数据包p存储在车辆i的缓冲区，随着车辆i移动，当车辆i与车辆j进入彼此的通信范围内时，进行通信连接，如果连接成功，则两车复制并向对方发送自身携带而对方没有的数据包(该过程称为数据包的转发)，从而车辆j也携带了数据包p。携带数据包p的车辆重复上述过程，继续将数据包p转发给还没有收到数据包p的其他车辆，直至t0+T时刻，全部数据包p被抛弃。假设所有车辆通信设备的通信半径均为r，饱和交通流条件下的车流密度为ρ0，f为t时刻车辆发信标的频率，车辆发信标的频率不受控制时为f0。具体步骤如下：
步骤1：路侧单元把检测的车辆信息发送给区域内的基站，基站广播整合后的信息，车辆接收基站广播的信息。设基站广播t时刻区域内的车辆数为N(t)、车流密度为ρ(t)、车辆进入区域A的到达率为a(t)及车辆离开区域A的离去率为b(t)，基站广播信息的时间间隔为Δt。车流密度由(1)计算：
Figure BDA0001246918090000021
(1)中，Nm(t)为t时刻区域A内第m个路侧单元检测到的车辆数，M为区域A内路侧单元的总数，Lm为第m个路侧单元所覆盖的路段长度，L为区域A内所有路侧单元所覆盖路段长度的总和。
步骤2：如果车辆i在某时刻产生数据包p，则进入步骤3；否则进入步骤4。
步骤3：t0时刻区域内某车辆i产生一个安全相关的信息，由步骤1可得到t0时刻的车辆数为N(t0)、车流密度为ρ(t0)，确定其初始渗透率为
Figure BDA0001246918090000031
根据
Figure BDA0001246918090000032
计算出f(t0)，其中k1,k2为常数，ρ0为饱和交通流条件下的车流密度。车辆i生成包含内容为：信息产生时刻t0，数据包寿命T，车辆i收到数据包的时刻t0，由车辆i计算的t0时刻数据包p的渗透率i(t0)及安全相关信息的数据包p，并以频率f(t0)发送信标。
步骤4：携带数据包p的车辆发送数据包。t(t＞t0)时刻车辆x(x≠i)接收到数据包p。
步骤5：如果t＞＝t0+T，则携带数据包p的车辆删除数据包p，数据包广播过程结束；否则进去步骤6。
步骤6：如果t＜t0+T，那么携带数据包p的车辆根据步骤1得到的车辆数为N(t)、车流密度为ρ(t)，由
Figure BDA0001246918090000033
计算车辆发信标的频率f(t)；然后根据
Figure BDA0001246918090000034
计算区域内(t,t+Δt)时段车辆之间的平均连接率λ(t)；再由步骤1得到车辆进入区域A的到达率为a(t)及车辆离开区域A的离去率为b(t)，根据
Figure BDA0001246918090000035
计算出
Figure BDA0001246918090000036
其中i(t)为数据包p在区域A内的渗透率，i1(t)为离开区域A的车辆中携带数据包p的车辆比例，假设有H条路段与区域A的边界相交，车辆可从这些交点进出区域A，t时刻有h(h＝0,1,…,H)个交点处出现数据包p，则取
Figure BDA0001246918090000037
最后根据
Figure BDA0001246918090000038
计算t+Δt时刻的渗透率i(t+Δt)。车辆把数据包p的内容更新为：信息产生时刻t0，数据包寿命T，车辆i收到数据包的时刻t，由车辆i计算的t+Δt时刻数据包p的渗透率i(t+Δt)及安全相关的数据(例如车辆追尾碰撞的信息,具体所指内容为车载传感器检测到的信息)，并以频率f(t)发送信标。
步骤7：令t＝t+Δt，返回步骤1。
为了实现以上几个步骤，要求车载通信设备、路侧单元及基站之间能够相互通信，区域A内的路侧单元检测的车辆信息需要上传到基站处理，再由基站广播，车辆通信设备接收。由车辆j转发的数据包p应当包含如下内容：数据包p的产生时刻t0、数据包p的寿命T、车辆j接收到数据包p的时刻t1、由车辆j计算的t1时刻数据包p的渗透率i(t1)及安全相关的数据。
本发明的优点在于：
本发明结合车流密度及数据包的渗透情况，让车辆能够自适应地调节自身发信标的频率，避免泛洪，高效地利用信道资源，保证数据包具有较高的可达率及较低的延迟。
附图说明
图1为本发明方法的应用场景示意图。
图2为本发明方法整体流程图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种基于传染病算法的车联网数据广播方法，在一定区域内(如图1所示的A区域)，车辆之间可通过车载无线通信设备实现数据交互，车辆也可接收基站广播的消息。本发明方法包括以下几个步骤(图2为本发明方法的流程图)：
步骤1：路侧单元把检测的车辆信息发送给区域内的基站，基站广播整合后的信息，车辆接收基站广播的信息。设基站广播t时刻区域内的车辆数为N(t)、车流密度为ρ(t)、车辆进入区域A的到达率为a(t)及车辆离开区域A的离去率为b(t)，基站广播信息的时间间隔为Δt。车流密度由(1)计算：
Figure BDA0001246918090000041
(1)中，Nm(t)为t时刻区域A内第m个路侧单元检测到的车辆数，M为区域A内路侧单元的总数，Lm为第m个路侧单元所覆盖的路段长度，L为区域A内所有路侧单元所覆盖路段长度的总和。
步骤2：如果车辆i在某时刻产生数据包p，则进入步骤3；否则进入步骤4。
步骤3：t0时刻区域内某车辆i产生一个安全相关的信息，由步骤1可得到t0时刻的车辆数为N(t0)、车流密度为ρ(t0)，确定其初始渗透率为
Figure BDA0001246918090000051
根据
Figure BDA0001246918090000052
计算出f(t0)。车辆i生成包含内容为：信息产生时刻t0，数据包寿命T，车辆i收到数据包的时刻t0，由车辆i计算的t0时刻数据包p的渗透率i(t0)及安全相关信息的数据包p，并以频率f(t0)发送信标。
步骤4：携带数据包p的车辆发送数据包。t(t＞t0)时刻车辆x(x≠i)接收到数据包p。
步骤5：如果t＞＝t0+T，则携带数据包p的车辆删除数据包p；否则进去步骤6。
步骤6：如果t＜t0+T，那么携带数据包p的车辆根据步骤1得到的车辆数为N(t)、车流密度为ρ(t)，由
Figure BDA0001246918090000053
计算车辆发信标的频率f(t)；然后根据
Figure BDA0001246918090000054
计算区域内(t,t+Δt)时段车辆之间的平均连接率λ(t)；再由步骤1得到车辆进入区域A的到达率为a(t)及车辆离开区域A的离去率为b(t)，根据
Figure BDA0001246918090000055
计算出
Figure BDA0001246918090000056
其中i1(t)为离开区域A的车辆中携带数据包p的车辆比例，假设有H条路段与区域A的边界相交，车辆可从这些交点进出区域A，t时刻有h(h＝0,1,…,H)个交点处出现数据包p，则取
Figure BDA0001246918090000057
最后根据
Figure BDA0001246918090000058
计算t+Δt时刻的渗透率i(t+Δt)。车辆把数据包p的内容更新为：信息产生时刻t0，数据包寿命T，车辆i收到数据包的时刻t，由车辆i计算的t+Δt时刻数据包p的渗透率i(t+Δt)及安全相关信息，并以频率f(t)发送信标。
步骤7：令t＝t+Δt，返回步骤1。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案并且不限于此，而是在应用上可以延伸到其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和范围内。

Claims (1)

1.一种基于传染病算法的车联网数据广播方法，具体步骤如下：
步骤1：在区域A内，路侧单元将检测的车辆信息发送给区域内的基站，基站广播整合后的信息，车辆接收基站广播的信息，设基站广播t时刻区域内的车辆数为N(t)、车流密度为ρ(t)、车辆进入区域A的到达率为a(t)及车辆离开区域A的离去率为b(t)，基站广播信息的时间间隔为Δt，则车流密度为：
Figure FDA0002361219900000011
其中，Nm(t)为t时刻区域A内第m个路侧单元检测到的车辆数，M为区域A内路侧单元的总数，Lm为第m个路侧单元所覆盖的路段长度，L为区域A内所有路侧单元所覆盖路段长度的总和；
步骤2：如果车辆i在某时刻产生数据包p，则进入步骤3；否则进入步骤4；
步骤3：t0时刻区域内某车辆i产生一个安全相关的信息，由步骤1可得到t0时刻的车辆数为N(t0)、车流密度为ρ(t0)，确定其初始渗透率为
Figure FDA0002361219900000012
根据
Figure FDA0002361219900000013
计算出f(t0)，其中k1,k2为常数，ρ0为饱和交通流条件下的车流密度；车辆i生成包含以下内容的数据包p：信息产生时刻t0，数据包寿命T，车辆i收到数据包的时刻t0，由车辆i计算的t0时刻数据包p的渗透率i(t0)及安全相关的数据；车辆i以频率f(t0)发送信标；
f为t时刻车辆发信标的频率，车辆发信标的频率不受控制时为f0；
步骤4：携带数据包p的车辆发送数据包，t时刻车辆x接收到数据包p，t＞t0，x≠i；
步骤5：如果t＞＝t0+T，则携带数据包p的车辆删除数据包p，数据包广播过程结束；否则进去步骤6；
步骤6：如果t＜t0+T，那么携带数据包p的车辆根据步骤1得到的车辆数为N(t)、车流密度为ρ(t)、车辆发信标的频率f(t)，然后根据
Figure FDA0002361219900000014
计算区域内(t,t+Δt)时段车辆之间的平均连接率λ(t)，其中，0<k＜1为常数，r为车载通信设备的通信半径；再由步骤1得到车辆进入区域A的到达率为a(t)及车辆离开区域A的离去率为b(t)，获取
Figure FDA0002361219900000021
其中i(t)为数据包p在区域A内的渗透率，i1(t)为离开区域A的车辆中携带数据包p的车辆比例，假设有H条路段与区域A的边界相交，车辆从交点进出区域A，t时刻有h个交点处出现数据包p，h＝0,1,…,H，则取
Figure FDA0002361219900000022
最后获取t+Δt时刻的渗透率i(t+Δt)，即
Figure FDA0002361219900000023
车辆把数据包p的内容更新为：信息产生时刻t0，数据包寿命T，车辆i收到数据包的时刻t，由车辆i计算的t+Δt时刻数据包p的渗透率i(t+Δt)及安全相关的数据，并以频率f(t)发送信标；
步骤7：令t＝t+Δt，返回步骤1；
车载通信设备、路侧单元及基站之间能够相互通信，区域A内的路侧单元检测的车辆信息上传到基站处理，再由基站广播，车辆通信设备接收；由车辆j转发的数据包p包含如下内容：数据包p的产生时刻t0、数据包p的寿命T、车辆j接收到数据包p的时刻t1、由车辆j计算的t1时刻数据包p的渗透率i(t1)及安全相关的数据。
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