CN107333224B - 一种基于概率的车载网自适应广播方法 - Google Patents

一种基于概率的车载网自适应广播方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于概率的车载网自适应广播方法，该协议从信息的可达性和降低信息重播数量两方面着手，分别从交通繁忙和交通稀疏两种场景出发，重新定义相应节点广播信息的概率，交通稀疏的网络区域中，以相对低的概率对接收到的信息进行重播；交通繁忙的网络区域中，以相对高的概率对接收到的信息进行重播。本协议在提高信息的可达性的同时，降低了节点广播信息数量，实现了高传送率和减少广播冗余的目的；且具有较高的安全性和较低的存储开销，能够满足高速公路事故车联网间通信保护隐私的需求，可应用于无线VANET、传感器网络、ad hoc网络、无线通信等私密保护领域。

Description

一种基于概率的车载网自适应广播方法
技术领域
本发明涉及一种车载网自适应广播协议，尤其涉及一种基于概率的车载网自适应广播方法。
背景技术
车载自组网(Vehicular Ad Hoc Networks，VANET)的发展不仅对众多商业发展和娱乐推广起着巨大的推动作用，其作为现代智能交通系统(Intelligent TransportationSystem，ITS)的重要组成部分，对提高交通的安全状况更是不可或缺。有报道：若司机能多出额外0.5秒的报警时间，高速上车辆追尾事故将能降低近60％。因此，通过为VANET设计和构建新协议来向那些行驶在车辆稀疏或视线受限区域的车辆发布告警信息，具有非常重要的积极意义，同时也面临着重大挑战。
专用短距通行(Dedicated Short Range Communication，DSRC)技术作为过去数年来新出现的技术，完全能够满足VANET对安全或非安全领域的需求。它同时也被认为是车辆间实现无线访问(Wireless Access in Vehicular Environment，WAVE)或IEEE802.11p协议的最好技术和方案。借助于DSRC技术，VANET中车辆间通信可以通过两种方式来实现：车辆与车辆间的通信(V2V)和车辆与路边设施间的通信(V2R)。前者借助车载本身搭载的通信单元(OBU)，车辆向行驶在路上的某特定车辆发送信息；后者车辆则只与安装在路边的固定设施(RSU)进行信息交互。而不管是V2V还是V2R，广播通信都已成为多数VANET实际应用中车辆间信息发布的基础性方案。例如，某个特定RSU可以针对路上的特定区域广播交通事故信息。对应区域车辆一旦收到相关信息，则可以进一步向与其相邻的车辆广播该信息，同样的行为在该区域所有车辆间不断重复进行，直至该区域所有车辆都收到该信息，进而能做出规避事故区域的选择，从而能够避免世故区域的交通拥堵状况，提高整个道路车辆通行效率。
原始意义上的广播通信通常由泛洪算法实现。泛洪是一种节点全网广播信息，以保证网络中所有节点都能收到相应信息的算法。针对车载自组网消息广播的方式，这种算法在节点有限的中小网络中运行效果不错，通行效率也较高。但同样的算法照搬到大型可扩展网络中，节点的广播、重播通信将会造成大量冗余广播信息，以及因共享无线信道而导致的节点相互传送信息时的信道争用带来的数据冲突，都将使得泛洪算法的性能急剧降低。这就是著名的广播风暴问题(Broadcast-Storm Problem,BSP)。近年来，针对广播风暴问题涌现出了不少解决方案，它们可归纳为四类：1)基于概率的；2)基于泛洪的；3)基于区域的(又可进一步划分为基于位置和基于距离的)；4)基于邻居关系的。这些方案同时也在移动自组网(Mobile Ad Hoc Network,MANET)中出现并得到过或正在进行着广泛的研究。广播风暴问题同样也困扰着VANET中节点进行的信息广播通信。
文献[M.Slavik and I.Mahgoub.Stochastic broadcast for VANET,Proceedings of the 7th IEEE conference on Consumercommunications andnetworking conference.pp.205-209,2010.]中，在分别拥有单、双车道高速路的设定场景下，作者基于概率和计时器提出了三个广播通信方案：时隙1-坚持、时隙p-坚持和加权时隙p-坚持，并分别从分组传送延迟、丢包率和系统开销三个方面分析了它们的性能。时隙1-坚持中，网络中的节点一旦收到相关广播信息，则以概率1向其它节点广播接收到的信息(即一定重播)。时隙-坚持，其要求所有节点以预先选定的概率p重新广播接收到的信息。虽然，时隙p-坚持能通过使用多个不同的p值来提升网络性能，但其仍然存在着大量广播被重传的现象。对于加权p-坚持(WPP)，其节点重播接收到信息的概率必须等于发送节点和接收节点信号范围间的比值，加权p-坚持在网络节点(车辆)数量不足的区域效率非常低；而对高密度节点(车辆)区域，节点也必须选择一个适当的广播概率才行。此外，上述三个方案在广播收到(或新)的信息前，节点都必须缓存信息一段时间。文献[G.Korkmaz,E.Ekici,F.
Figure GDA0002622425890000021
and
Figure GDA0002622425890000022
Urban multihop是broadcast protocol for inter-vehiclecommunication systems.Proceedings of the 1st ACM international workshop onVehicular ad hoc networks.Pages:76–85,2004.]针对广播风暴和隐藏节点问题及可靠的多跳广播需求提出了一个专用于车载网的城区多跳广播协议(UMB)。该协议虽然实现了高密度节点区域高流量负荷环境下的网络信息交付的高成功率，但该协议需要中继器和支持黑场信号等的硬件成本和额外能量消耗。作为UMB协议的扩展，文献[G.korkmaz,E.Ekici,F.Ozgune.An Efficient Fully Ad-Hoc Multi-Hop Broadcast Protocol forInter-Vehicular Communication Systems.Proceedings of 6th IEEE ICC.Pages:423-428,2006]给出了一个完全自组织网络多跳广播协议(AMB)。该协议使用了一个定向广播方案来向距离自己最远的节点指派重播功能，专门设计的十字路口广播方案被用来处理十字路口的信息重播，从而避免了UMB中交叉路口广播信息时对中继器的需求。
通过对已有的研究的分析和总结能够发现，车载网的广播协议的性能可集中体现于两个参数：信息可达率(RE)和重播保存率(SR)。一个好的车载网广播协议应该具备在信息可达性和重播保存率间达成平衡的能力。上述现有方法中，车载自组网车辆间广播信息的可达性均不太理想，同时广播信息冗余严重。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何提高广播信息的可达性，同时降低广播信息的重播数量。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种基于概率的车载网自适应广播方法，其特征在于：
车载网的广播协议的性能集中体现于两个参数：信息可达率RE和重播保存率SR；
定义一：信息可达率RE
假设网络中的节点总数为N，节点Vr收到的信息数量为m，则信息可达率RE由下式确定：
Figure GDA0002622425890000031
定义二：重播保存率SR
假设节点Vs发送了s个信息，如果节点Vr收到的信息数量为m，则重播保存率SR表示如下：
Figure GDA0002622425890000032
基于概率的车载网自适应广播协议的逻辑步骤如下：
步骤1：节点Vr收到新信息msg；
步骤2：计算发出所述新信息msg的源节点Vs与节点Vr之间的距离d；
步骤3：计算节点Vr的邻居节点数量Nn；
步骤4：计算网络的邻居节点平均数Navg；
步骤5：设r为网络中信息平均传输的范围；
如果
Figure GDA0002622425890000041
且Nn≥Navg，则
Vr位于一个密集节点的网络区域中；
Vr靠近源节点Vs，并且广播半径小；
Vr以低概率P＝Plow对接收到的信息进行重播；
转步骤7；
否则，
Vr位于一个稀疏节点的网络区域中；
Vr靠近源节点Vs，但广播半径小；
Vr以高概率P＝Phigh对接收到的信息进行重播；
转步骤7；
步骤6：如果
Figure GDA0002622425890000042
且Nn＜Navg，则
Vr位于一个稀疏节点的网络区域中；
Vr远离源节点Vs，并且广播半径大；
Vr以低概率P＝Plow对接收到的信息进行重播；
转步骤7；
否则，
Vr位于一个密集节点的网络区域中；
Vr靠近源节点Vs，并且广播半径大；
Vr以高概率P＝Phigh对接收到的信息进行重播；
转步骤7；
步骤7：均匀生成区间(0.0，1.0)内的随机数，如果该随机数小于概率P，则转发信息，否则就放弃信息。
优选地，所述步骤3中，整个网络的邻居节点平均数Navg的计算方法如下：
假设网络中节点总数为N，任意节点Vi在某一特定时刻的邻居节点数量为Xi，i＝1、2、3……N，则该网络的邻居节点平均数Navg由下式表示：
Figure GDA0002622425890000043
优选地，网络中每个节点每秒周期性的向四周广播“HELLO”分组，以获取本节点的邻居节点数量，该值与网络的平均邻居节点数间的比值作为判断节点所处网络区域的疏密标准。
优选地，稀疏节点的网络区域中，节点Vi对节点Vj的信息重播概率Plow为：
Figure GDA0002622425890000051
其中，Dij是节点Vi和节点Vj间的距离，j＝1、2、3……N；R是网络中信息平均传输的范围。
优选地，密集节点的网络区域中，节点Vi对节点Vj的信息重播概率Phigh为：
Figure GDA0002622425890000052
其中，Dij是节点Vi和节点Vj间的距离，j＝1、2、3……N；R是网络中信息平均传输的范围。
优选地，当Phigh大于1时，将Phigh调整为1。
优选地，当Plow小于0时，将Plow调整为0。
优选地，每个接收到信息的节点首先缓存该信息，同时初始化自己的计时器以等延时T(WAIT_TIME)的到来；若在最大延时Tmax期间，节点不止一次的收到相同信息，则依据公式(4)来计算信息重播概率；否则，信息重播概率由公式(5)决定；这里，信息的重播延迟通过式(6)和式(7)来决定。
T(WAIT_TIME)＝Tmax*T0(6)
Figure GDA0002622425890000053
T0表示节点密度与信息发送和接收节点间距离的关系。
优选地，所述Tmax的值均匀的分布于[0，2ms]之间。
优选地，邻居越多的节点，其延迟重播信息的时间越长；反之，邻居越少的节点则能更快的重播信息。
本发明针对车载自组网VANET广播通信的广播风暴问题，采用基于概率的技术，提出了一种VANET基于概率的自适应广播方案AWPB。该方案从信息的可达性和降低信息重播数量两方面着手，分别从交通繁忙和交通稀疏两种场景出发，通过重新定义相应节点广播信息的概率，在提高信息的可达性的同时，降低了节点广播信息数量，实现了高传送率和减少广播冗余的目的。AWPB具有较高的安全性和较低的存储开销，能够满足高速公路事故车联网间通信保护隐私的需求。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、信息的高可达，低冗余。新协议以WPP协议为基础，利用广播技术来实现行驶中车辆间的信息交互，从而实现了信息的高可达性。设计了一个通用的概率方法，动态地调整每辆车的重新转发概率，并且考虑每个车辆的局部密度，每个节点就能对接收到的信息独立的作出重播与否的决策，从而实现了重播信息的地冗余。
2、广播风暴解决。因为AWPB协议根据每个节点的相对节点密度动态调整节点重播的概率，较好的控制了网络中冗余广播的出现，实现了从源头上广播风暴问题产生的控制，消除或有效降低了广播风暴。
3、更大的车辆密度应用范围。AWPB考虑了每个车辆的局部密度，动态地调整每辆车的重新转发概率，从而使的协议好更好的车辆密度通信宽度。
4、良好的车速适应能力。AWPB协议的重播保存率控制适中，使得协议运行对车辆行驶速度具备较好的适应性，在高速行驶时，其信息可达性好。
综上，本发明只需较低的存储开销就能很大程度的提高广播信息的可达性，降低广播信息的重播数量。本发明协议可应用于无线VANET、传感器网络、ad hoc网络、无线通信等私密保护领域。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明提供了一种基于概率的车载网自适应广播方法AWPB，AWPB对车辆密度进行区分，分别从交通繁忙和交通稀疏两种场景出发，重新定义相应节点广播信息的概率，通用概率算法能够动态地调整每辆车的重新转发概率，并且考虑每个车辆的局部密度，不同的密度区域中的节点有自己的专门的信息重播概率，实现了算法的自适应。AWPB在提高信息的可达性的同时，降低节点广播信息数量，实现了高传送率和减少广播冗余的目的。
一、相关概念
车载网的广播协议的性能可集中体现于两个参数：信息可达率(RE)和重播保存率(SR)。
定义一：信息可达率。
假设网络中的节点总数为N，节点Vr收到的信息数量为m，则信息可达率RE由下式确定：
Figure GDA0002622425890000071
信息可达率RE反映了收到信息的车辆与网络中总车辆之间的比值。
定义二：重播保存率。
假设节点Vs发送了s个信息，如果节点Vr收到的信息数量为m，则重播保存率SR可表示如下：
Figure GDA0002622425890000072
重播保存率SR主要反映协议降低广播重播信息的能力。
二、基于概率的自适应加权广播协议——AWPB
AWPB协议中，设计了一个通用的概率方法，其动态地调整每辆车的重新转发概率，并且考虑每个车辆的局部密度。AWPB协议的逻辑步骤具体如下：
步骤1：节点Vr收到新信息msg；
步骤2：计算发出所述新信息msg的源节点Vs与节点Vr之间的距离d；
步骤3：计算节点Vr的邻居节点数量Nn；
步骤4：计算网络的邻居节点平均数Navg；
步骤5：设r为网络中信息平均传输的范围；
如果
Figure GDA0002622425890000073
且Nn≥Navg，则
Vr位于一个密集节点的网络区域中；
Vr靠近源节点Vs，并且广播半径小；
Vr以低概率P＝Plow对接收到的信息进行重播；
转步骤7；
否则，
Vr位于一个稀疏节点的网络区域中；
Vr靠近源节点Vs，但广播半径小；
Vr以高概率P＝Phigh对接收到的信息进行重播；
转步骤7；
步骤6：如果
Figure GDA0002622425890000081
且Nn＜Navg，则
Vr位于一个稀疏节点的网络区域中；
Vr远离源节点Vs，并且广播半径大；
Vr以低概率P＝Plow对接收到的信息进行重播；
转步骤7；
否则，
Vr位于一个密集节点的网络区域中；
Vr靠近源节点Vs，并且广播半径大；
Vr以高概率P＝Phigh对接收到的信息进行重播；
转步骤7；
步骤7：均匀生成区间(0.0，1.0)内的随机数，如果该随机数小于概率P，则转发信息，否则就放弃信息。
为了评估网络的局部密度，AWPB通过使用“HELLO”分组来获取节点的邻域信息，以便为网络中的每个节点构造其1跳邻居列表。
对一给定拓扑场景的网络，假设网络中节点总数为N，任意节点Vi在某一特定时刻的邻居节点数量为Xi，i＝1、2、3……N，则该网络的邻居节点平均数Navg可由下式表示。
Figure GDA0002622425890000082
网络中每个节点每秒周期性的向四周广播“HELLO”分组，以获取本节点的邻居节点数量Xi，该值与网络平均邻居节点数Navg间的比值作为判断节点所处网络区域的疏密标准。从而，每个节点就能对接收到的信息独立的作出重播与否的决策。限于资源和时间，本协议的最佳网络平均邻居数量Navg通过大量的模拟试验来获取。表1显示了在不同路况和节点总数的情况下，相对应的最佳平均网络邻居节点的数量。
表1不同路况和节点数量下对应的平均邻居节点数
节点数 路长 最佳平均邻居节点数
25 1x1km 7
50 1x1km 12
100 1x1km 25
200 2x2km 39
250 2x2km 45
AWPB依据网络平均节点数把道路划分为节点密集区和节点稀疏区两个逻辑区域。不同的逻辑区域中的每个节点都有自己的专门的信息重播概率P。
对于节点稀疏区，节点Vi对节点Vj的信息重播概率P＝Plow为：
Figure GDA0002622425890000091
其中，Dij是节点Vi和节点Vj间的距离，j＝1、2、3……N；R是网络中信息平均传输的范围。
对于节点密集区，节点Vi对节点Vj的信息重播概率P＝Phigh为：
Figure GDA0002622425890000092
在某些情况下，P值可以小于0或大于1。小于0则意味着节点非常靠近源节点，并且在非常密集的区域中。因此，通过编码，可以将P值调整为零。大于1则意味着节点距离源节点非常远，处于一个非常稀疏的地区。这时P的值被调整为1。
表2显示了不同的P值的可能情况。每个接收到信息的节点首先应该缓存该信息，同时初始化自己的计时器以等延时T(WAIT_TIME)的到来。若在最大延时Tmax期间，节点不止一次的收到相同信息，则依据公式(4)来计算信息重播概率。否则，信息重播概率由公式(5)决定。这里，信息的重播延迟可通过式(6)和式(7)来决定。
T(WAIT_TIME)＝Tmax*T0(6)
Figure GDA0002622425890000093
T0表示节点密度与信息发送和接收节点间距离的关系。这里需要特别指出的是：Tmax的值均匀的分布于[0，2ms]之间。这就意味着：邻居越多的节点，其延迟重播信息的时间越长；反之，邻居越少的节点则能更快的重播信息。
表2不同距离邻居节点对应的转发概率
N<sub>avg</sub> X<sub>i</sub> D<sub>ij</sub> P
7 13 20 P<sub>low</sub>＝0
10 7 100 P<sub>high</sub>＝1
9 2 50 P<sub>high</sub>＝0.42
本实施例针对车载自组网VANET的广播风暴问题，采用动态概率重播技术，实现了VANET的信息重播自适应方案。AWPB方案分别从交通繁忙和交通稀疏两种场景出发，通过重新定义相应节点广播信息的概率，在提高信息的可达性的同时，降低节点广播信息数量，实现了高传送率和减少广播冗余的目的。通过提出的AWPB协议中，设计了一个通用的概率方法，其动态地调整每辆车的重新转发概率，并且考虑每个车辆的局部密度，从而，每个节点就能对接收到的信息独立的作出重播与否的决策。与同类方案相比，AWPB具有较高的信息可达性和较低的存储开销。
AWPB协议的逻辑语言形式如下：
Figure GDA0002622425890000101

Claims (8)

1.一种基于概率的车载网自适应广播方法，其特征在于：
车载网的广播协议的性能集中体现于两个参数：信息可达率RE和重播保存率SR；
定义一：信息可达率RE
设定网络中的节点总数为N，节点Vr收到的信息数量为m，则信息可达率RE由下式确定：
Figure FDA0002622425880000011
定义二：重播保存率SR
设定节点Vs发送了s个信息，如果节点Vr收到的信息数量为m，则重播保存率SR表示如下：
Figure FDA0002622425880000012
基于概率的车载网自适应广播协议的逻辑步骤如下：
步骤1：节点Vr收到新信息msg；
步骤2：计算发出所述新信息msg的源节点Vs与节点Vr之间的距离d；
步骤3：计算节点Vr的邻居节点数量Nn；
步骤4：计算网络的邻居节点平均数Navg；
步骤5：设r为网络中信息平均传输的范围；
如果
Figure FDA0002622425880000013
且Nn≥Navg，则
Vr位于一个密集节点的网络区域中；
Vr靠近源节点Vs，并且广播半径小；
Vr以低概率P＝Plow对接收到的信息进行重播；
转步骤7；
否则，
Vr位于一个稀疏节点的网络区域中；
Vr靠近源节点Vs，但广播半径小；
Vr以高概率P＝Phigh对接收到的信息进行重播；
转步骤7；
步骤6：如果
Figure FDA0002622425880000014
且Nn＜Navg，则
Vr位于一个稀疏节点的网络区域中；
Vr远离源节点Vs，并且广播半径大；
Vr以低概率P＝Plow对接收到的信息进行重播；
转步骤7；
否则，
Vr位于一个密集节点的网络区域中；
Vr远离源节点Vs，并且广播半径大；
Vr以高概率P＝Phigh对接收到的信息进行重播；
转步骤7；
步骤7：均匀生成区间(0.0，1.0)内的随机数，如果该随机数小于概率P，则转发信息，否则就放弃信息；
Plow为：
Figure FDA0002622425880000021
其中，Dij是节点Vi和节点Vj间的距离，j＝1、2、3……N；R是网络中信息平均传输的范围；Xi为节点Vi在某一特定时刻的邻居节点数量；
Phigh为：
Figure FDA0002622425880000022
其中，Dij是节点Vi和节点Vj间的距离，j＝1、2、3……N；R是网络中信息平均传输的范围。
2.如权利要求1所述的一种基于概率的车载网自适应广播方法，其特征在于：所述步骤4中，整个网络的邻居节点平均数Navg的计算方法如下：
设定网络中节点总数为N，任意节点Vi在某一特定时刻的邻居节点数量为Xi，i＝1、2、3……N，则该网络的邻居节点平均数Navg由下式表示：
Figure FDA0002622425880000023
3.如权利要求2所述的一种基于概率的车载网自适应广播方法，其特征在于：网络中每个节点每秒周期性的向四周广播“HELLO”分组，以获取本节点的邻居节点数量，该值与网络的平均邻居节点数间的比值作为判断节点所处网络区域的疏密标准。
4.如权利要求1所述的一种基于概率的车载网自适应广播方法，其特征在于：当Phigh大于1时，将Phigh调整为1。
5.如权利要求1所述的一种基于概率的车载网自适应广播方法，其特征在于：当Plow小于0时，将Plow调整为0。
6.如权利要求4-5任一项所述的一种基于概率的车载网自适应广播方法，其特征在于：每个接收到信息的节点首先缓存该信息，同时初始化自己的计时器以等延时T(WAIT_TIME)的到来；若在最大延时Tmax期间，节点不止一次的收到相同信息，则依据公式(4)来计算信息重播概率；否则，信息重播概率由公式(5)决定；这里，信息的重播延迟通过式(6)和式(7)来决定：
T(WAIT_TIME)＝Tmax*T0(6)
Figure FDA0002622425880000031
T0表示节点密度与信息发送和接收节点间距离的关系。
7.如权利要求6所述的一种基于概率的车载网自适应广播方法，其特征在于：所述Tmax的值均匀的分布于[0，2ms]之间。
8.如权利要求7所述的一种基于概率的车载网自适应广播方法，其特征在于：邻居越多的节点，其延迟重播信息的时间越长；反之，邻居越少的节点则能更快的重播信息。
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