CN107302576B - 车联网环境下基于机会通信的自适应服务数据分发方法 - Google Patents

Abstract

车联网环境下基于机会通信的自适应服务数据分发方法，相邻车辆或RSU接收Beacon消息判断消息的有效性，若满足转发条件则计算预期转发时延并添加预期转发时延值到字段中，返回RREP，上一跳车辆或RSU收到来自其相邻对象的RREP后，执行RREP响应处理过程，向候选对象集合中选出的最优下一跳返回RREQ，候选对象接收到RREQ后判断是否所有数据包都到达目标位置，若没有全部到达目标位置，则转发车辆或RSU将重新启动新一轮的广播，直到所有数据包都到达目标车辆。本发明实现了车联网环境下服务数据能够有效地分发，在保证其他指标性能无损的情况下，改善丢包率，减少重传次数，延迟以及网络开销等网络性能。

Description

车联网环境下基于机会通信的自适应服务数据分发方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种车联网环境下基于机会通信的自适应服务数据分发方法。

背景技术

作为车辆与交通路侧设施(RSU)构成自组织网络，VANETs有许多不同于传统MANETs的独有特征：1)网络拓扑受限，但具有高度动态性，网络连接难以维持。2)车辆移动具有规律性，可预测性强。3)消息传播具有方向性，受地理位置的限制。4)VANETs遵循道路拓扑，与交通应用紧密结合。因此，不同的应用场景会对数据分发协议的设计与方案的制定产生巨大的影响，导致传统自组织网络数据分发协议难以满足，例如碰撞警告等安全应用和增值应用的服务质量(Quality of Service，QoS)需求。传统的数据分发协议已经不适用于VANETs。这就要求针对以下几个方面做出较大的的改进：响应能力、可靠性、可扩展性、自适应、信息准确性、预测机制、处理间歇性连接以及数据转发。

目前，VANETs的数据分发协议研究大致可分为以下3类：(1)基于拓扑；(2)基于位置；(3)混合型。基于拓扑的数据分发协议需要建立并维护一条从源节点到目的节点的传输路径。然而在VANETs中车辆高速地移动，拓扑结构频繁地变化，使得路径的建立非常困难。即使能够找到一条传输路径也会因为拓扑结构的变化而快速失效。同时，该分发协议需要利用已有链路传输数据，极其浪费网络资源，时延和开销也很大，无法适用于高速易变的VANET。基于位置的数据分发协议，是通过一跳邻居车辆与目标车辆的位置关联来实现转发。尽管该分发协议不需要事先建立端到端的传输路径，但它的数据传输却依赖于准确的位置服务。此外，该分发协议针对的是端到端的数据传输问题，难以满足众多应用一对多，或多对一的传输需求。在车辆数目较大时，该分发协议将面临着广播风暴问题。

VANETs具有节点高速移动、间歇连通性和快速动态网络拓扑等不利因素，难以保证移动节点间持续稳定的连接：也具有节点可装配GPS、容易获得自身及临近节点的地理位置信息、运动轨迹具有可预测性、数据转发的延迟容忍等有利因素。在VANETs中，为了保证高效的通信及高质量的服务，分发的消息类型、大小、格式种类繁多。因此，选择单路径分发会造成消息的不可靠传输，选择多路径分发，会因为路径维护造成资源浪费，增加能耗和网络开销。

传统数据分发协议需要所有通信车辆周期地发送Hello消息来维护车辆间邻居列表。大量Hello消息会占用有限的带宽资源，从而影响车辆状态信息的传输可靠性。

传统数据分发协议根据路由表判断车辆是否经过目标车辆位置或路由表是否包含目标车辆来确定转发策略。这种方法的不足在于，当所有相邻对象都不满足转发策略时丢弃请求，这样会造成多次广播，进而形成广播风暴。

发明内容

本发明的目的是提供一种车联网环境下基于机会通信的自适应服务数据分发方法。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

车联网环境下基于机会通信的自适应服务数据分发方法，包括以下步骤：

步骤1)请求车辆发出请求，根据请求数据量大小动态选择不同的数据分发模式：

步骤2)请求车辆在数据包中添加相关字段信息，并在其通信范围内发送Beacon消息；相关字段信息包括车辆标识信息和位置信息，具体为车辆ID、目标车辆ID、消息ID、车辆所在位置信息、路段号以及速度；

步骤3)接收Beacon消息的相邻车辆或RSU判断消息的有效性，对消息ID进行识别，判断是否接受过该消息，若未接收执行步骤4)，否则丢弃该请求数据包；

步骤4)执行转发策略处理过程，计算预期转发时延：判断对象是否满足转发条件，若满足转发条件则计算预期转发时延并添加预期转发时延值到字段ΔT中，并向上一跳车辆或RSU返回RREP，否则丢弃该请求数据包；

步骤5)上一跳车辆或RSU收到来自其相邻对象的RREP后，执行RREP响应处理过程，添加nextHop字段，向候选对象集合中选出的最优下一跳返回RREQ，TTL置为0；

步骤6)执行转发策略处理过程，匹配下一跳转发车辆并转发数据：候选对象接收到RREQ后匹配nextHop字段值、转发数据并执行步骤7)；

步骤7)判断是否所有数据包都到达目标位置，若没有全部到达目标位置，则转发车辆或RSU将重新启动新一轮的广播，重复步骤1)，启动一次数据分发过程，通过多次转发请求数据，直到所有数据包都到达目标车辆，数据分发结束。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中若数据量超过阈值，则选择双路径分发模式；否则选择单路径分发模式。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中Beacon消息的发送包括以下步骤：

a.计算车辆的速度和方向，估计邻居节点位置，更新邻居表；

b.通过GPS计算车辆的速度和方向，并发送消息，其中，消息格式包括车辆ID、车辆位置、车辆方向、车辆速度以及时间戳。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中Beacon消息的接受包括以下步骤：

a.更新邻居表；

b.估计邻居节点位置；

c.计算通信链路的生命周期；

d.根据是同向、反向、前方或后方进行分类；

e.计算距离、预期转发时延。

本发明进一步的改进在于，步骤4)执行转发策略处理过程，计算预期转发时延的具体过程为：

步骤4.1)对象接收RREQ后确定“TTL”字段，若“TTL＝0”表明已经选出下一跳转发对象，需要匹配下一跳转发对象，执行步骤4.2)～4.5)，若“TTL＝1”表明需要收集相邻对象信息选出候选对象，执行步骤4.6)～4.11)；

步骤4.2)判断“nextHop”字段与车辆或RSU的ID是否相同，若相同，则接受数据并存储数据，执行步骤4.3)；否则丢弃该路由请求；

步骤4.3)接收数据并存储数据，然后判断该对象是否为交叉路口车辆，若是交叉路口车辆则执行步骤4.4)；否则启动新一轮广播，并置“TTL＝1”；

步骤4.4)判断该对象存储RREQ的时间是否超过定时器时间timer，若超过则丢弃消息，删除关于此消息的相关字段和数据包；否则执行步骤4.5)；

步骤4.5)直接转发数据给RSU，启动发起新一轮的广播，并置“TTL＝1”；

步骤4.6)判断相邻对象是否是RSU，若是，则执行步骤4.7)；否则执行步骤4.8)；

步骤4.7)进一步判断目标车辆是否在该RSU通信范围内，若在则“in＝1”，执行步骤4.11)；否则丢弃路由请求；

步骤4.8)判断该对象是否与目标车辆同路段，若处于同一路段则“sameroad＝1”，计算预期转发时延ΔT，然后执行步骤4.11)；否则“sameroad＝0”执行步骤4.9)；

步骤4.9)判断相邻对象是否经过目标车辆位置，若经过目标车辆所在位置或路段则“passDes＝1”，计算预期转发时延ΔT，然后执行步骤4.11)；否则“passDes＝0”，执行步骤4.10)；

步骤4.10)判断相邻对象是否是交叉口车辆，若是位于交叉路口的车辆则“nType＝+”，“ΔT＝0”，并设置定时器时间timer，约束存储消息时延同时存储消息时延，并执行步骤4.11)；否则删除此消息；

步骤4.11)添加in字段和预期转发时延值到字段ΔT中，向上一跳车辆或RSU返回RREP消息。

本发明进一步的改进在于，步骤4.8)中处于同一路段时，计算预期转发时延ΔT的过程为

简化为Dxi＝|Xi-Xd|

ΔT＝Dxi/speedc

其中，转发车辆i的实时位置坐标为(Xi,Yi)，目标车辆d的位置坐标为(Xd,Yd)，speedc是转发车辆的瞬时速度，Dxi是转发车辆与目标车辆的直线距离，ΔT是转发时延。

本发明进一步的改进在于，步骤4.9)中经过目标车辆所在位置或路段时，计算预期转发时延ΔT的过程为

Dxi＝D+L

ΔT＝Dxi/speedc

其中，li是路段长度，L是经过的历史路段长度总和，交叉路口中心位置坐标为(Xc,Yc)，公式中D的含义为目标车辆与叉路口的距离。

本发明进一步的改进在于，步骤5)的具体过程如下：

步骤5.1)车辆或RSU接收到RREP请求后，判断“in“字段；若“in＝1”说明目标车辆在RSU通信范围内，nextHop置为消息中对象ID，执行步骤5.6)；否则执行步骤5.2)；

步骤5.2)判断“sameroad”字段：若“sameroad＝1”，说明相邻对象与目标车辆同路段，则执行步骤5.3)；否则执行步骤5.4)；

步骤5.3)判断相邻对象的转发时延ΔT的字段值是否小于MFD，若是则nextHop置为消息中对象ID，执行步骤5.6)；否则丢弃路由请求；

步骤5.4)判断“passDes”字段，若“passDes＝1”说明相邻对象将经过目标车辆位置或路段，则执行步骤5.3)；否则执行步骤5.5)；

步骤5.5)判断“nType”字段，若“nType＝+”说明相邻对象是交叉路口车辆，则nextHop置为该对象ID，执行步骤5.6)；否则丢弃路由请求；

步骤5.6)添加nextHop字段，向候选对象集合中选出的最优下一跳返回RREQ，TTL置为0。

本发明进一步的改进在于，步骤6)中在选择候选转发对象时：

(1)上一跳车辆收到来自多个处于相同地理位置的候选车辆的回复，选择转发时延最小的对象；

(2)上一跳车辆只接收到来自一个候选对象的回复，选择该对象进行转发。

与现有技术相比，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明的VANET的数据分发方法综合考虑了基于地理信息的机会路由预测与路侧单元(RSU，road-side unit)辅助转发等技术，引入AODV路由协议的分组转发模式，提出一种减少端到端的转发时延与失效概率，旨在高速移动的网络拓扑中进行高效机会通信的数据分发协议。本发明实现了车联网环境下服务数据能够有效地分发，在保证其他指标性能无损的情况下，改善丢包率，减少重传次数，延迟以及网络开销等网络性能。

进一步的，根据所要传输数据的大小，动态选择候选转发对象集合：若数据量不超过阈值maximum，可直接通过一条路径进行转发，即只需从候选转发对象集合中找出最优的一跳转发对象进行转发即可。若数据量超过阈值maximum，不能仅通过一条路径进行转发，即需从候选转发对象集合中找出最优的两跳转发对象同时进行转发。这种动态分发模式能够有效提高数据分发的有效性(准确的传输数据到目标车辆)。只有一种分发模式(单路径分发模式)，数据量很小的情况能够满足准确传输数据，但当数据量很大时，如此大的数据在一条路径上的传输必定会造成超负载和网络拥塞，从而影响整个网络性能。如果只有双路径分发模式，当数据量相对较大时采用双路径改善单路径传输造成的超负载和网络拥塞，但是当数据量很小时，没有必要采取双路径分发，这会造成资源浪费。为了保证高效的通信及高质量的服务，分发的消息类型、大小、格式种类繁多。因此，选择单路径分发会造成消息的不可靠传输，选择多路径分发，会因为路径维护造成资源浪费，增加能耗和网络开销。本发明能够根据应用需求动态选择分发模式才能够改善以上问题。

进一步的，为了节省车-车通信的无线带宽资源，本发明采用车辆周期性广播Beacon消息的方式，通告途经其他车辆，该车辆的具体位置。车辆的Beacon消息包括它们当前的位置坐标，速度等状态信息。

进一步的，考虑到VANETs网络环境的动态易变性，本发明在转发策略中增加道路拓扑中路段和路口元素，在车-车或车-路之间“存储-携带-转发”的机会路由基础上，综合考虑车辆的位置、行驶方向、行驶速度、所在路段等多维因素，从而保证最优转发对象的适应性。例如若只考虑车辆位置，则选择距离目标对象最近的候选对象作为下一跳转发对象；但是若距离目标最近的对象的速度很小或趋于0，而其他候选对象速度较大并且会在未来一段时间后超越距离目标最近的对象，那么此时选择这个距离目标最近的对象明显不合适。因此若综合考虑车辆的位置、行驶方向、行驶速度、所在路段等多维因素，才能保证最优转发对象的适应性。

进一步的，本发明将交叉路口RSU看作候选转发对象，当相邻对象都不满足转发条件时，可以将请求消息由处于交叉路口的车辆直接转发给RSU，再由RSU广播给周边满足转发条件的车辆。这样，可以在一定程度上降低广播次数、减少资源的浪费和转发时延。同时，交叉路口车流量较大，产生数据量也较大，使用RSU协助数据分发，能够有效缓解网络拥塞，提高分发性能。

附图说明

图1为Beacon消息的发送和接收过程图；

图2为转发车辆与目标车辆同路段时不同道路拓扑下的预期转发时延计算示意图。

图3为转发车辆与目标车辆不同路段时，不同道路拓扑下的预期转发时延计算示意图。

图4为自适应数据分发过程流程图；

图5为转发策略处理过程流程图；

图6为RREP响应处理过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

一、应用场景

1.道路拓扑：城市道路，包含双向车道普通路段，以及交叉路口。

2.车辆属性：公交车辆

相关研究忽视了车辆的实际配置与驾驶员自私行为。本发明提出一种基于公交车辆的数据分发方案。公交车由于线路固定，车辆运动受道路拓扑、交通规则和驾驶者意图的限制，可以较准确的预测其运动轨迹。相对于普通私家车，公交车行驶速度较低，而且公交车的停靠站时间为信息交付时间提供了有力保障。此外，为了保证该数据分发协议的可靠性，本发明假设处于交叉路口处的车辆速度趋于0。因此结合地理信息与公交车的移动特性能够更准确地选出最优的下一跳候选转发对象。

3.道路设施：交叉路口设有路边单元RSU

交叉路口通常车流量很大，产生的海量数据会造成网络拥塞。此外，RSU能够广播如拥堵、事故、封路等预警类消息。因此，利用RSU协助数据分发，可以提高网络性能。

二、数据分发协议

结合附图对本发明提出的自适应服务数据分发协议进行说明。

图1说明了在路由请求过程中Beacon消息发送和接收过程的字段参数，例如位置、速度等。车辆周期性广播Beacon消息，通告途经其他车辆，该车辆的具体信息。车辆的Beacon消息包括车辆ID、车辆当前的位置坐标、车辆方向、速度这些状态信息。Beacon消息的发送和接收过程参见图1。

参见图1，Beacon消息的发送包括以下步骤：

1.计算车辆的速度和方向，估计邻居节点位置，更新邻居表。

2.通过GPS计算车辆的速度和方向。

3.消息格式包括车辆ID、车辆位置、车辆方向、车辆速度以及时间戳。

Beacon消息的接受包括以下步骤：

1.更新邻居表。

2.估计邻居节点位置。

3.计算通信链路的生命周期。

4.进行分类(同向反向、前方后方)。

5.计算距离、预期转发时延(具体过程参见图2、图3和图4)。

图2和图3是基于多维的转发策略中不同道路拓扑的预期转发时延的计算。其中图2是当转发车辆与目标车辆同路段时的距离，图3是转发车辆与目标车辆不在同路段时的距离。在图2中，①②③④是车辆ID号，R是当前车辆④的通信半径，即虚线圈以内的车辆①②③是车辆④的邻居车辆，D是目标位置，Dx1、Dx2、Dx3、Dx4分别是车辆①、②、③、④到目标位置的直线距离。在图3中，①②是车辆ID号，D是目标位置，车辆的邻居车辆①、②与目标位置不在同一路段。

不同的道路拓扑，预期转发时延的过程如下：

由于交通道路拓扑纵横交错，请求车辆难以与目标车辆在同一直通路段。因此，有必要需要根据不同的道路拓扑，预期转发时延。具体的，

参见图2和图3，不同道路拓扑下的预期转发时延。

(1)转发车辆与目标车辆位于同一路段(如图2)

简化为Dxi＝|Xi-Xd|

ΔT＝Dxi/speedc

其中，转发车辆i的实时位置坐标为(Xi,Yi)，目标车辆d的位置坐标为(Xd,Yd)，speedc是转发车辆的瞬时速度，Dxi是转发车辆与目标车辆的直线距离，ΔT是转发时延。

(2)转发车辆与目标车辆不同路段(如图3)

Dxi＝D+L

ΔT＝Dxi/speedc

其中，li是路段长度，L是经过的历史路段长度总和，交叉路口中心位置坐标为(Xc,Yc)。公式中D的含义为目标车辆与叉路口的距离。

图4是自适应服务数据分发方法的具体过程。自适应数据分发过程是根据需求，动态选择分发模式，即单路径分发模式和双路径分发模式，其中单路径分发模式是指仅选择一跳转发对象(车辆或RSU)，由请求车辆到目标车辆逐跳组成唯一的一条转发路径；双路径是每次选择两个一跳转发对象，组成2条转发路径；根据分发模式，设计转发策略，即综合考虑多种关键因素确定最优转发车辆或RSU。

参见图4，自适应服务数据分发方法的具体过程包括以下步骤：

步骤1)请求车辆发出请求，根据请求数据量大小(是否超过阈值)动态选择不同的数据分发模式：若数据量超过阈值maximum，则选择双路径分发模式；否则选择单路径分发模式；

步骤2)请求车辆在数据包中添加相关字段信息(包括车辆标识信息和位置信息)并在其通信范围内发送Beacon消息(具体步骤如图2和图3)；车辆标识信息和位置信息包括车辆ID、目标车辆ID、消息ID、车辆所在位置信息、路段号以及速度；

步骤3)接收Beacon消息的相邻车辆或RSU判断广播消息的有效性，对消息ID进行识别，即判断是否接受过该广播消息，若未接收执行步骤4)，否则丢弃该请求数据包；

步骤4)执行转发策略处理过程，计算预期转发时延，即判断对象是否满足转发条件，若满足转发条件则计算预期转发时延并添加预期转发时延值到字段ΔT中，并向上一跳车辆或RSU返回RREP，否则丢弃该请求数据包(转发策略处理过程具体步骤如图5)；

图6是执行转发策略处理过程，计算预期转发时延的具体过程。请求车辆在其通信范围内广播路由请求RREQ，其相邻车辆或RSU根据消息ID确定是否接收请求。当相邻车辆或RSU接收RREQ数据包，根据TTL字段(TTL初始为“1”)启动转发决策过程。相邻对象收到RREQ数据包的转发策略处理过程，其中包含以下几个字段；“in”定义目标对象与RSU的位置关系，in＝1表明目标对象在RSU通信范围内；“TTL”标明了对象的操作状态。具体的，“TTL＝1”表明需要收集相邻对象信息选出候选对象；“TTL＝0”表明已经选出下一跳转发对象，需要匹配下一跳转发对象；“nextHop”存放下一跳转发车辆ID或RSU的ID；“sameroad”定义当前车辆与目标车辆的位置关系，“sameroad＝1”说明两者在同一路段，“sameroad＝0”说明两者不同路段，即至少经过一个十字口；“passDes”指示相邻对象是否经过目标车辆，“passDes＝1”说明经过目标车辆，“passDes＝0”说明不经过目标车辆；“nType”定义车辆位置类型，若为交叉路口车辆则“nType＝‘+’”；否则“nType＝null”。

步骤4.1)对象接收RREQ后确定“TTL”字段，若“TTL＝0”表明已经选出下一跳转发对象，需要匹配下一跳转发对象即执行步骤4.2～4.5)，若“TTL＝1”表明需要收集相邻对象信息选出候选对象即执行步骤4.6～4.11)；

步骤4.2)判断“nextHop”字段与车辆或RSU的ID是否相同，若相同，则接受数据并存储数据，即执行步骤4.3)；否则丢弃该路由请求；

步骤4.3)接收数据并存储数据，然后判断该对象是否为交叉路口车辆，若是交叉路口车辆则执行步骤4.4)；否则启动新一轮广播，并置“TTL＝1”；

步骤4.4)判断该对象存储RREQ的时间是否超过定时器时间timer，若超过则丢弃消息，删除关于此消息的相关字段和数据包；否则执行步骤4.5)；

步骤4.5)直接转发数据给RSU，启动发起新一轮的广播，并置“TTL＝1”；

步骤4.6)判断该对象(即相邻)是否是RSU，若是，则执行步骤4.7)；否则执行步骤4.8)；

步骤4.7)进一步判断目标车辆是否在该RSU通信范围内，若在则“in＝1”，执行步骤4.11)；否则丢弃路由请求；

步骤4.8)判断该对象是否与目标车辆同路段，若处于同一路段则“sameroad＝1”，计算预期转发时延ΔT(具体算法参见图2和图3)，然后执行步骤4.11)；否则“sameroad＝0”执行步骤4.9)；

步骤4.9)判断相邻对象是否经过目标车辆位置，若经过目标车辆所在位置或路段则“passDes＝1”，计算预期转发时延ΔT(具体算法参见图2和图3)，然后执行步骤4.11)；否则“passDes＝0”，执行步骤4.10)；

步骤4.10)判断相邻对象是否是交叉口车辆，若是位于交叉路口的车辆则“nType＝+”，“ΔT＝0”，并设置定时器时间timer(根据路口RSU的通信范围设置定时器)，约束存储消息时延(RREQ)同时存储RREQ，执行步骤4.11)；否则删除此消息。

步骤4.11)添加in字段和预期转发时延值到字段ΔT中，向上一跳车辆或RSU返回RREP消息。

以上即为转发策略处理过程。最终结果是向上一跳车辆或RSU返回RREP消息。那么当上一跳车辆或RSU收到来自其相邻对象的RREP后，执行RREP响应处理过程，即根据分发模式和候选转发对象集选择最优车辆或RSU作为下一跳的转发对象，向字段nextHop添加下一跳的转发对象ID并返回RREQ给候选对象，即执行步骤5；

步骤5)上一跳车辆或RSU收到来自其相邻对象的RREP后，执行RREP响应处理过程，添加nextHop字段，向候选对象集合中选出的最优下一跳返回RREQ，TTL置为0(具体步骤如图6)。

参见图6，图6说明了车辆或RSU收到RREP后的响应处理过程。其中，字段“MFD”(Minimum forwarding delay)表示用于转发的时延约束。上一跳车辆或RSU根据分发模式和相邻车辆或RSU的回复选择候选转发对象。具体的，首先，选择目标车辆在RSU通信范围内的RSU，其次，选择与目标车辆在同一路段上的相邻车辆，然后选择经过目标车辆位置或路段的车辆，最后选择处于交叉路口的车辆作为下一跳转发对象。

在选择候选转发对象时对下述情况的处理：

(1)上一跳车辆收到来自多个处于相同地理位置的候选车辆的回复，选择转发时延最小的对象；

(2)上一跳车辆只接收到来自一个候选对象的回复，选择该对象进行转发。

具体步骤如下：

步骤5.1)车辆或RSU接收到RREP请求后，判断“in“字段。若“in＝1”说明目标车辆在RSU通信范围内，nextHop置为消息中对象ID，执行步骤5.6)；否则执行步骤5.2)；

步骤5.2)判断“sameroad”字段。若“sameroad＝1”，说明相邻对象与目标车辆同路段，则执行步骤5.3)；否则执行步骤5.4)；

步骤5.3)判断相邻对象的转发时延ΔT的字段值是否小于MFD，若是则nextHop置为消息中对象ID，执行步骤5.6)；否则丢弃路由请求；

步骤5.4)判断“passDes”字段，若“passDes＝1”说明相邻对象将经过目标车辆位置或路段，则执行步骤5.3)；否则执行步骤5.5)；

步骤5.5)判断“nType”字段，若“nType＝+”说明相邻对象是交叉路口车辆，则nextHop置为该对象ID，执行步骤5.6)；否则丢弃路由请求；

步骤5.6)添加nextHop字段，向候选对象集合中选出的最优下一跳返回RREQ，TTL置为0。

以上即为RREP响应处理过程，最终目的是找到最优下一跳，将其ID号作为匹配下一跳转发车辆的条件，返回RREQ消息。那么当候选对象收到返回的RREQ消息后，会执行转发策略请求处理过程，匹配下一跳转发节点并转发数据，即候选对象接收到RREQ后匹配nextHop字段值并转发数据，即执行步骤6。

步骤6)执行转发策略处理过程，匹配下一跳转发车辆并转发数据(具体步骤参见步骤4.2～4.5)：候选对象接收到RREQ后匹配nextHop字段值、转发数据并执行步骤7)

步骤7)判断是否所有数据包都到达目标位置，若没有全部到达目标位置，则转发车辆或RSU将重新启动新一轮的广播，重复执行步骤1)，启动一次数据分发过程(即执行步骤2))，通过多次转发请求数据，直到所有数据包都到达目标车辆，数据分发结束。

本发明具有如下优点：

1.自适应数据分发过程

本发明提出一种自适应分发机制，可根据应用需求动态选择分发模式。具体的，根据所要传输数据的大小，动态选择候选转发对象集合：若数据量不超过阈值maximum，可直接通过一条路径进行转发，即只需从候选转发对象集合中找出最优的一跳转发对象进行转发即可。若数据量超过阈值maximum，不能仅通过一条路径进行转发，即需从候选转发对象集合中找出最优的两跳转发对象同时进行转发。这种动态分发模式能够有效提高数据分发的有效性(准确的传输数据到目标车辆)。例如，只有一种分发模式(单路径分发模式)，数据量很小的情况能够满足准确传输数据，但当数据量很大时，如此大的数据在一条路径上的传输必定会造成超负载和网络拥塞，从而影响整个网络性能。如果只有双路径分发模式，当数据量相对较大时采用双路径改善单路径传输造成的超负载和网络拥塞，但是当数据量很小时，没有必要采取双路径分发，这会造成资源浪费。为了保证高效的通信及高质量的服务，分发的消息类型、大小、格式种类繁多。因此，选择单路径分发会造成消息的不可靠传输，选择多路径分发，会因为路径维护造成资源浪费，增加能耗和网络开销。显然能够根据应用需求动态选择分发模式才能够改善以上问题。

2.Beacon消息的使用

为了节省车-车通信的无线带宽资源，本发明采用车辆周期性广播Beacon消息的方式，通告途经其他车辆，该车辆的具体位置。车辆的Beacon消息包括它们当前的位置坐标，速度等状态信息。Beacon消息的发送接收过程如图1所示。

3.基于多维的转发策略

考虑到VANETs网络环境的动态易变性，本发明在转发策略中增加道路拓扑中路段和路口元素，在车-车或车-路之间“存储-携带-转发”的机会路由基础上，综合考虑车辆的位置、行驶方向、行驶速度、所在路段等多维因素，从而保证最优转发对象的适应性。例如若只考虑车辆位置，则选择距离目标对象最近的候选对象作为下一跳转发对象；但是若距离目标最近的对象的速度很小或趋于0，而其他候选对象速度较大并且会在未来一段时间后超越距离目标最近的对象，那么此时选择这个距离目标最近的对象明显不合适。因此若综合考虑车辆的位置、行驶方向、行驶速度、所在路段等多维因素，才能保证最优转发对象的适应性。

4.增设交叉路口RSU为候选转发对象

本发明将交叉路口RSU看作候选转发对象，当相邻对象都不满足转发条件时，可以将请求消息由处于交叉路口的车辆直接转发给RSU，再由RSU广播给周边满足转发条件的车辆。这样，可以在一定程度上降低广播次数、减少资源的浪费和转发时延。同时，交叉路口车流量较大，产生数据量也较大，使用RSU协助数据分发，能够有效缓解网络拥塞，提高分发性能。

Claims (3)

1.一种车联网环境下基于机会通信的自适应服务数据分发方法，应用于运动线路固定、可预测运动轨迹的车辆间数据分发；其特征在于，路由请求RREQ消息中包括“TTL”字段、“nextHop”字段、“in”字段，路由请求回复RREP消息中包括“in“字段、“sameroad”字段、“passDes”字段、“ΔT”字段和“nType”字段；

“TTL”字段：标明了对象的操作状态，“TTL＝1”表明需要收集相邻对象信息选出候选对象；“TTL＝0”表明已经选出下一跳转发对象，需要匹配下一跳转发对象；

“nextHop”字段：存放下一跳转发车辆ID或RSU的ID；

“in”字段：定义目标对象与RSU的位置关系，in＝1表明目标对象在RSU通信范围内；

“ΔT”字段：存放预期转发时延值；

“sameroad”字段：定义当前车辆与目标车辆的位置关系，“sameroad＝1”说明两者在同一路段，“sameroad＝0”说明两者不同路段；

“passDes”字段：指示相邻对象是否经过目标车辆，“passDes＝1”说明经过目标车辆，“passDes＝0”说明不经过目标车辆；

“nType”字段：定义车辆位置类型，若为交叉路口车辆则“nType＝‘+’”；否则“nType＝null”；

其中，包括以下步骤：

步骤1)请求车辆发出请求数据包，根据请求数据包大小动态选择不同的数据分发模式：

步骤2)请求车辆在请求数据包和Beacon消息中添加相关字段信息，并在其通信范围内发送Beacon消息；相关字段信息包括车辆标识信息和位置信息，具体为车辆ID、目标车辆ID、消息ID、车辆所在位置信息、路段号以及速度；

步骤3)接收Beacon消息的相邻车辆或交通路侧设施RSU判断消息的有效性，对消息ID进行识别，判断是否接收过该消息，若未接收执行步骤4)，否则丢弃该Beacon消息和请求数据包；

其中，Beacon消息的接收包括以下步骤：

a.更新邻居表；

b.估计邻居节点位置；

c.计算通信链路的生命周期；

d.根据是同向、反向、前方或后方进行分类；

步骤4)执行转发策略处理过程，计算预期转发时延，具体过程为：

步骤4.1)接收路由请求RREQ消息的对象确定RREQ消息中的“TTL”字段，若“TTL＝0”，执行步骤4.2)～4.5)，若“TTL＝1”，执行步骤4.6)～4.11)；步骤4.2)判断RREQ消息中“nextHop”字段与该接收RREQ消息的对象的ID是否相同，若相同，执行步骤4.3)；否则丢弃该路由请求RREQ消息；

步骤4.3)接收请求数据包并存储数据，然后判断该接收RREQ消息的对象是否为交叉路口车辆，若是交叉路口车辆则执行步骤4.4)；否则启动新一轮广播，并置“TTL＝1”；

步骤4.4)判断该接收RREQ消息的对象存储RREQ消息的时间是否超过定时器时间timer，若超过则丢弃RREQ消息，删除关于此消息的相关字段和数据包；否则执行步骤4.5)；

步骤4.5)直接转发请求数据包给RSU，启动发起新一轮的广播，并置“TTL＝1”；

步骤4.6)判断该接收RREQ消息的对象是否是RSU，若是，则执行步骤4.7)；否则执行步骤4.8)；

步骤4.7)进一步判断目标车辆是否在该RSU通信范围内，若在则置“in＝1”，执行步骤4.11)；否则丢弃路由请求RREQ消息；

步骤4.8)判断该接收RREQ消息的对象是否与目标车辆同路段，若处于同一路段则置“sameroad＝1”，计算预期转发时延ΔT，然后执行步骤4.11)；若否，则置“sameroad＝0”，执行步骤4.9)；

步骤4.9)判断该接收RREQ消息的对象是否经过目标车辆位置，若经过目标车辆所在位置或路段，则置“passDes＝1”，计算预期转发时延ΔT，然后执行步骤4.11)；若否，则置“passDes＝0”，执行步骤4.10)；

步骤4.10)判断该接收RREQ消息的对象是否是交叉口车辆，若是位于交叉路口的车辆则置“nType＝+”，“ΔT＝0”，并设置定时器时间timer，约束存储该RREQ消息时延同时存储消息时延，并执行步骤4.11)；否则删除此消息；

步骤4.11)向上一跳车辆或RSU返回路由请求回复RREP消息；

其中，步骤4.8)中处于同一路段时，计算预期转发时延ΔT的过程为

ΔT＝Dxi/speedc

其中，转发车辆i的实时位置坐标为(Xi,Yi)，目标车辆d的位置坐标为(Xd,Yd)，speedc是转发车辆的瞬时速度，Dxi是转发车辆与目标车辆的距离，ΔT是转发时延；

步骤4.9)中经过目标车辆所在位置或路段时，计算预期转发时延ΔT的过程为

Dxi＝D+L

ΔT＝Dxi/speedc

其中，l_k是路段长度，L是经过的历史路段长度总和，k是路段标号，n是车辆所经过的路段数目，并且n≤城市路段数目总和，叉路口中心位置坐标为(X_c,Y_c)，公式中D的含义为目标车辆与叉路口的距离；

步骤5)上一跳车辆或RSU收到来自其相邻对象的RREP后，执行RREP响应处理过程，具体过程如下：

步骤5.1)车辆或RSU接收到RREP请求后，判断“in“字段；若“in＝1”，则nextHop置为发送该RREP消息的对象ID，执行步骤5.6)；否则执行步骤5.2)；

步骤5.2)判断“sameroad”字段：若“sameroad＝1”，则执行步骤5.3)；否则执行步骤5.4)；

步骤5.3)判断该RREP消息中的预期转发时延ΔT的字段值是否小于最小转发时延MFD，若是则选择候选转发对象：

(1)上一跳车辆收到来自多个处于相同地理位置的候选车辆的回复，选择转发时延最小的RREP消息的对象ID；

(2)上一跳车辆只接收到来自一个候选对象的回复，选择该RREP消息的对象ID；nextHop置为发送该RREP消息的对象ID，执行步骤5.6)；否则丢弃RREP消息；

步骤5.4)判断“passDes”字段，若“passDes＝1”，则执行步骤5.3)；否则执行步骤5.5)；

步骤5.5)判断“nType”字段，若“nType＝+”，则nextHop置为发送该RREP消息的对象ID，执行步骤5.6)；否则丢弃RREP消息；

步骤5.6)TTL置为0，返回RREQ消息；

步骤6)执行转发策略处理过程，匹配下一跳转发车辆并转发请求数据包：候选对象接收到RREQ后匹配nextHop字段值、转发请求数据包并执行步骤7)；

步骤7)判断是否所有请求数据包都到达目标位置，若没有全部到达目标位置，则转发车辆或RSU将重新启动新一轮的广播，重复步骤1)，启动一次数据分发过程，通过多次转发请求数据包，直到所有请求数据包都到达目标车辆，数据分发结束。

2.根据权利要求1所述的车联网环境下基于机会通信的自适应服务数据分发方法，其特征在于，步骤1)中若数据量超过阈值，则选择双路径分发模式；否则选择单路径分发模式。

3.根据权利要求1所述的车联网环境下基于机会通信的自适应服务数据分发方法，其特征在于，步骤2)中Beacon消息的发送包括以下步骤：

a.计算车辆的速度和方向，估计邻居节点位置，更新邻居表；

b.通过GPS计算车辆的速度和方向，并发送消息，其中，消息格式包括车辆ID、车辆位置、车辆方向、车辆速度以及时间戳。