CN107171965B - 基于分布式拥塞控制策略的车联网跨层机会路由方法 - Google Patents

基于分布式拥塞控制策略的车联网跨层机会路由方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于分布式拥塞控制策略的车联网跨层机会路由方法，包括：设计多态分布式拥塞控制状态机；每辆车记录当前状态值s，以1s的时间间隔周期统计介质访问控制层信道负载CL及其所有邻居节点状态均值AS；车辆节点结合CL统计值与预设阈值的关系、s与AS的关系自适应调整当前状态机，从而控制协同感知信息CAM和路由消息的发射功率、发射数据速率和接收灵敏度，自适应调整CAM和路由消息的通信范围；车辆节点利用CAM实时更新邻居节点状态信息，根据自身、邻居节点与目的节点三者的位置关系对路由消息选择贪婪转发或者机会转发。本发明能有效缓解信道拥塞，在不同交通密度情况下，实现车联网安全信息的公平性和可靠性传输，提高了路由消息投递率。

Description

基于分布式拥塞控制策略的车联网跨层机会路由方法
技术领域
本发明属于车联网通信技术领域，主要涉及基于分布式拥塞控制策略的车联网跨层机会路由方法，可用于车联网安全信息的公平可靠性传输和车联网路由协议拥塞控制。
背景技术
车联网由于能够实时感知周围的交通环境，实现车与周围车辆、道路设施和行人之间的实时信息交互，而成为智能交通和智能驾驶的重要组成部分。然而，受车辆节点高速移动、网络拓扑快速变化等因素的影响，车载自组织网络难以维持稳定的通信链路。随着车载自组织网络的不断成熟，车载机会路由协议不断发展，研究者基于地理位置信息等对车载机会路由协议进行改进。车载机会路由协议性能依赖于底层协议(MAC层和PHY层)，路由决策取决于获取的辅助信息。为了选择合适的转发时机和中继节点，提高分组投递率，各车辆节点间需要实时交互车辆状态信息，由此易造成严重的通信负载。受无线信道资源的限制，车载机会路由协议设计必须考虑底层特点。然而，众多研究都忽略了底层协议的限制，特别是在交通密度较大的城市场景中，目前已有的车辆节点广播周期安全信息基本都是尽最大能力地扩散消息，由于交通拥堵网络拥塞，周期广播安全信息易造成安全信息的长时间随机退避等待和分组丢弃，这对机会路由过程中中继车辆节点和目的车辆节点的状态信息更新是很不利的，且实时性较差，易导致路由决策发生误判。
作为第一个专门为在道路上通信而设计的标准，IEEE 802.11p MAC的主要缺点是当信道负载严重时性能较差，具有低可靠性、隐藏节点、无限时延和间歇V2I连通性等问题。分布式拥塞控制方法可以增强IEEE 802.11p的MAC性能。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有车载机会路由协议和IEEE 802.11p MAC的缺点，提出一种基于分布式拥塞控制策略的车联网跨层机会路由方法，以缓解信道拥塞，在不同交通密度情况下，实现车联网安全信息的可靠性传输，提高路由消息投递率。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：
(1)多态分布式拥塞控制状态机设计：多态分布式拥塞控制状态机有八种状态(s)，依次记为Relaxed(“0”)、Active(“1～6”)和Restrictive(“7”)，状态取值为0～7，每个状态对发射功率、发射数据速率和接收灵敏度进行设置，状态值越大，发射功率和接收灵敏度越低，发射数据速率越高；
(2)车辆节点记录当前状态值s(初始化为s＝0)，以1s的时间间隔周期统计介质访问控制层(MAC层)信道负载CL(1s)及其所有邻居节点状态均值AS；
(3)车辆节点根据CL(1s)、s和AS对状态机进行更新：
CL(s→s+1)表示从状态s到状态s+1转换条件中的信道负载阈值，CL(s→s-1)表示从状态s到状态s-1转换条件中的信道负载阈值，min(s,k)表示取s和k两者的较小值，max(s,k)表示取s和k两者的较大值，计数Time初始化为0；
3.1)状态机初始化状态为Relaxed(“0”)，计数Time初始化为0；
3.2)每秒触发统计信道负载CL(1s)、状态均值AS，记录当前状态值s；
3.3)若同时满足CL(1s)≥CL(s→s+1)和s<AS两个条件，则Time设置为0，执行状态转换，s取值为min(s+1,7)；若满足CL(1s)≥CL(s→s+1)而不满足s<AS，则Time设置为0，进入步骤3.2)；若不满足CL(1s)≥CL(s→s+1)，则进入下一步；
3.4)若满足CL(1s)<CL(s→s-1)，Time计数加1，否则Time设置为0，进入步骤3.2)；若满足Time＝5并且s>AS，Time设置为0，执行状态转换，s取值为max(s-1,0)，即同时满足连续五秒CL(1s)<CL(s→s-1)和当前状态s>AS两个条件，执行状态转换；若满足Time＝5而不满足s>AS，则Time设置为0，进入步骤3.2)；若不满足Time＝5，则进入步骤3.2)；
(4)协同感知信息CAM周期广播：车辆节点根据更新的状态值s设置对应的发射功率、发射数据速率和接收灵敏度，自适应调整CAM的广播范围；
(5)路由消息发送：车辆节点根据更新的状态值s设置对应的发射功率、发射数据速率和接收灵敏度，自适应调整路由消息的通信范围，利用CAM实时更新邻居节点状态信息，结合贪婪周边无状态路由GPSR，采用基于地理位置信息的单播多跳机会路由，选择离目的节点更近的邻居节点作为下一跳中继节点进行贪婪转发，陷入局部最优时采用机会转发。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明由于设计了联合发射功率、发射数据速率和接收灵敏度的多态状态机，采用了公平多态分布式拥塞控制方法，克服了信道负载严重时IEEE 802.11p MAC性能差的缺点，能自适应调整CAM的广播范围和路由消息的通信范围，有效地进行拥塞控制，在提供公平的信道分配和接入的同时提高了周期安全信息的接收率和路由消息投递率，实现可靠性传输。
(2)本发明由于采用了基于地理信息的跨层机会路由方法，结合CAM辅助和GPSR路由决策，克服了现有技术中辅助信息传输造成的拥塞问题和信息实时性较差的问题，有效进行拥塞控制和信息实时交互，在不同交通密度情况下，提高了路由消息投递率。
附图说明
图1为本发明的总流程图；
图2为实施例中的多态分布式拥塞控制状态机设计图；
图3为本发明中的状态机更新的子流程图；
图4为实施例中的通信范围估算示例图；
图5为实施例与现有路由方法的分组投递率比较图；
图6为实施例与现有路由方法的平均时延比较图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施实例进行详细说明，但本发明的实施和保护不限于此。
参照图1，本实例基于分布式拥塞控制策略的车联网跨层机会路由方法的实现步骤如下：
步骤1，多态分布式拥塞控制状态机设计。
参照图2，多态分布式拥塞控制状态机有八种状态(s)，依次记为Relaxed(“0”)、Active(“1”)、Active(“2”)、Active(“3”)、Active(“4”)、Active(“5”)、Active(“6”)和Restrictive(“7”)，状态取值为0～7，每个状态对发射功率TxPower(TPC)、发射数据速率TxDataRate(TDC)和接收灵敏度CST(DSC)进行设置，状态值越大，发射功率和接收灵敏度越低，发射数据速率越高。
步骤2，车辆节点记录当前状态值s(初始化为s＝0)，以1s的时间间隔周期统计介质访问控制层(MAC层)信道负载CL(1s)及其所有邻居节点状态均值AS。
信道负载CL定义为接收功率P大于载波监听阈值CST的时间比例，设探针间隔Tp＝10μs，一秒内的探针数Np＝1s/Tp，则CL统计值为：
其中Pi表示第i个时刻的接收功率，若Pi>CST，则否则
邻居节点状态均值AS统计包括如下步骤：
2.1)每辆车在广播的周期安全信息中携带其当前状态值信息；
2.2)车辆节点汇总收到安全信息的状态值，求出所有邻居节点(包括自身)的状态平均值AS。
步骤3，车辆节点根据CL(1s)、s和AS对状态机进行更新。
参照图3，本步骤的具体实现如下：
CL(s→s+1)表示从状态s到状态s+1转换条件中的信道负载阈值，CL(s→s-1)表示从状态s到状态s-1转换条件中的信道负载阈值，min(s,k)表示取s和k两者的较小值，max(s,k)表示取s和k两者的较大值，计数Time初始化为0；
3.1)状态机初始化状态为Relaxed(“0”)，计数Time初始化为0；
3.2)每秒触发统计信道负载CL(1s)、状态均值AS，记录当前状态值s；
3.3)若同时满足CL(1s)≥CL(s→s+1)和s<AS两个条件，则Time设置为0，执行状态转换，s取值为min(s+1,7)；若满足CL(1s)≥CL(s→s+1)而不满足s<AS，则Time设置为0，进入步骤3.2)；若不满足CL(1s)≥CL(s→s+1)，则进入下一步；
3.4)若满足CL(1s)<CL(s→s-1)，Time计数加1，否则Time设置为0，进入步骤3.2)；若满足Time＝5并且s>AS，Time设置为0，执行状态转换，s取值为max(s-1,0)，即同时满足连续五秒CL(1s)<CL(s→s-1)和当前状态s>AS两个条件，执行状态转换；若满足Time＝5而不满足s>AS，则Time设置为0，进入步骤3.2)；若不满足Time＝5，则进入步骤3.2)；
步骤4，协同感知信息CAM周期广播。
车辆节点根据更新的状态值s设置对应的发射功率、发射数据速率和接收灵敏度，自适应调整CAM的广播范围。
步骤5，路由消息发送。
车辆节点根据更新的状态值s设置对应的发射功率、发射数据速率和接收灵敏度，自适应调整路由消息的通信范围，利用步骤4获取的CAM实时更新邻居节点状态信息，结合贪婪周边无状态路由GPSR，采用基于地理位置信息的单播多跳机会路由，选择离目的节点更近的邻居节点作为下一跳中继节点进行贪婪转发，陷入局部最优时采用机会转发。
自适应调整CAM的广播范围和路由消息的通信范围CR，其估算公式如下：
其中，txPower是发射功率，datarate是发射数据速率，ΔSNR(datarate)是datarate对应的信噪比退避值，参照表1，表1为本发明的信噪比退避值ΔSNR取值，rxPower是接收功率，DCS是接收灵敏度的默认值，当rxPower与DCS相等时达到最远的通信范围，即rxPower-DCS＝0，maxCsRange是最大的监听范围，默认值为1000m，refPathloss是路径损耗，默认取值为2.5。图4展示了不同状态值s相应的通信范围估算，当s＝0时，通信范围估算为1000m，当s＝1时，通信范围估算为724m，以此类推。
表1
表2
实验参数设置如表2所示，表2为实施例中的实验参数设置；按照以上步骤得到的实验结果如图5、图6所示。
图5所示的是不同车辆密度(100～1500个车辆节点数)场景下的分组投递率。由图5可以看出，相比于传统的路由方法，本发明所使用的跨层机会路由方法能有效地提高路由消息的分组投递率，提高路由性能。
图6所示的是不同车辆密度(100～1500个车辆节点数)场景下的平均时延。由图6可以看出，相比于传统的路由方法，本发明所使用的跨层机会路由方法能有效地降低路由消息的平均时延，提高路由性能。

Claims (4)

1.基于分布式拥塞控制策略的车联网跨层机会路由方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)多态分布式拥塞控制状态机设计：多态分布式拥塞控制状态机有八种状态(s)，依次记为Relaxed(“0”)、Active(“1～6”)和Restrictive(“7”)，状态取值为0～7，每个状态对发射功率、发射数据速率和接收灵敏度进行设置，状态值越大，发射功率和接收灵敏度越低，发射数据速率越高；
(2)车辆节点记录当前状态值s，初始化时为s＝0，以1s的时间间隔周期统计介质访问控制层即MAC层信道负载CL，周期为1s则记为CL(1s)及其所有邻居节点状态均值AS；
(3)车辆节点根据CL(1s)、s和AS对状态机进行更新：
CL(s→s+1)表示从状态s到状态s+1转换条件中的信道负载阈值，CL(s→s-1)表示从状态s到状态s-1转换条件中的信道负载阈值，min(s,k)表示取s和k两者的较小值，max(s,k)表示取s和k两者的较大值；
3.1)状态机初始化状态为Relaxed(“0”)，计数Time初始化为0；
3.2)每秒触发统计信道负载CL(1s)、状态均值AS，记录当前状态值s；
3.3)若同时满足CL(1s)≥CL(s→s+1)和s<AS两个条件，则Time设置为0，执行状态转换，s取值为min(s+1,7)；若满足CL(1s)≥CL(s→s+1)而不满足s<AS，则Time设置为0，进入步骤3.2)；若不满足CL(1s)≥CL(s→s+1)，则进入下一步；
3.4)若满足CL(1s)<CL(s→s-1)，Time计数加1，否则Time设置为0，进入步骤3.2)；若满足Time＝5并且s>AS，Time设置为0，执行状态转换，s取值为max(s-1,0)，即同时满足连续五秒CL(1s)<CL(s→s-1)和当前状态s>AS两个条件，执行状态转换；若满足Time＝5而不满足s>AS，则Time设置为0，进入步骤3.2)；若不满足Time＝5，则进入步骤3.2)；
(4)协同感知信息CAM周期广播：车辆节点根据更新的状态值s设置对应的发射功率、发射数据速率和接收灵敏度，自适应调整CAM的广播范围；
(5)路由消息发送：车辆节点根据更新的状态值s设置对应的发射功率、发射数据速率和接收灵敏度，自适应调整路由消息的通信范围CR，利用CAM实时更新邻居节点状态信息，结合贪婪周边无状态路由GPSR，采用基于地理位置信息的单播多跳机会路由，选择离目的节点更近的邻居节点作为下一跳中继节点进行贪婪转发，陷入局部最优时采用机会转发。
2.根据权利要求1所述的基于分布式拥塞控制策略的车联网跨层机会路由方法，其特征在于步骤(2)所述的信道负载CL，定义为接收功率P大于载波监听阈值CST的时间比例，设探针间隔Tp＝10μs，一秒内的探针数Np＝1s/Tp，则CL统计值为：
其中Pi表示第i个时刻的接收功率，若Pi>CST，则否则
3.根据权利要求1所述的基于分布式拥塞控制策略的车联网跨层机会路由方法，其特征在于步骤(2)所述的车辆节点统计所有邻居节点状态均值AS，包括如下步骤：
2.1)每辆车在广播的周期安全信息中携带其当前状态值信息；
2.2)车辆节点汇总收到安全信息的状态值，求出自身和所有邻居节点的状态平均值AS。
4.根据权利要求1所述的基于分布式拥塞控制策略的车联网跨层机会路由方法，其特征在于步骤(4)和步骤(5)所述的自适应调整CAM的广播范围和路由消息的通信范围CR，其估算公式如下：
其中，txPower是发射功率，datarate是发射数据速率，ΔSNR(datarate)是datarate对应的信噪比退避值，rxPower是接收功率，DCS是接收灵敏度的默认值，当rxPower与DCS相等时达到最远的通信范围，maxCsRange是最大的监听范围，refPathloss是路径损耗。
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