CN107343301A - 一种基于消息聚合的车载自组网高效可靠路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于消息聚合的车载自组网高效可靠路由方法。它由在时序上有交错的“控制消息生成、传输与处理”和“数据包传输与处理”两部分内容组成，包含“Beacon消息自适应聚合”、“数据包与Beacon消息自适应聚合”和“节点偏离最短路径时重新寻路”三种新机制；其中，第一种新机制工作在“控制消息生成、传输与处理”部分，第二种新机制同时工作在“控制消息生成、传输与处理”和“数据包传输与处理”两部分，第三种新机制工作在“数据包传输与处理”部分。本发明提出的新方法通过自适应聚合多个Beacon消息、自适应聚合数据包和Beacon消息以及在携带数据包的节点偏离预设的最短路径时重新寻找最短路径，能够减少控制开销，提高数据包传送成功率，降低数据包端到端平均时延。

Description

一种基于消息聚合的车载自组网高效可靠路由方法
技术领域
本发明属于车载自组网(Vehicular Ad-hoc NETworks,VANETs)通信技术领域，涉及使用了路侧单元RSU(Road-Side Units)、网络节点和RSU能够利用地图信息计算到目的节点的最短路径的车载自组网场合。
背景技术
车载自组网是专门为车辆之间的通信设计的自组织网络，它属于移动自组织网络和物联网的子集，主要目标是建立车-X之间的通信，即：车与车(Vehicle to Vehicle,V2V)、车与路(V2R,Vehicle to Road,V2R)、车与行人、车与互联网之间的全方位通信系统，总体架构请参见说明书附图1。车载自组网的系统架构可以分成三个部分：第一部分为车载自组网的最底层，即感知层。感知层主要指位于汽车、道路及周边的环境中存在的感知末端，是保障车载自组网系统中车与车技车与路侧设备能够相互通信的基础，是整个系统信息的来源，是基于RFID(Radio Frequency IDentification)技术基础上的信息搜集及信息感知。第二部分为车载自组网的通信层，即车辆、道路、路侧设备之间通过3G/4G、DSRC(Dedicated Short Range Communication)、WAVE(Wireless Access VehicularEnvironment)、WIMAX(World Interoperability for Microwave Access)、蜂窝系统等通过有线或者无线、窄带或者宽带、长距离或者短距离等各种方式进行信息的交互操作，是车载自组网的“管道”部分。第三层为车载自组网系统的应用服务层，即服务运行商(Telematics Service Provider,TSP)对各种通信业务及互联网信息等进行综合加工处理，来实现各项信息服务有关的应用，是车载自组网提供各种服务的核心。
车载自组网的相关研究主要集中在一些汽车工业相对发达的国家和地区，例如：美国、欧洲、日本等。二十世纪八十年代早期，随着计算机网络技术和无线通信技术的发展，日本率先开始了关于车载自组网的研究。由日本交通和汽车电子技术协会(TheAssociation of Electronic Technology for Automobile Traffic and Driving)就车辆间的通信展开了大量的研究。
1994年，美国加州PATH的自动化高速公路(Automatic Highway)工程首次采用车辆间通信系统来辅助驾驶员对道路上发生的紧急情况作出快速的反应。当时，系统通信是通过路边基站和相应的设备来辅助车辆的行驶及通信，因此通信依赖于路侧设备，交通信息由交通控制中心统一收集并集中管理，通过广播的方式把相关信息发送到相关车辆。同年1月日本成立了“道路—交通—车辆智能化推进协会”，该协会进行了一系列与ITS有关的活动，ITS逐渐在私营领域形成了市场。
1995年，日本安装导航系统的汽车总量已经超过了100万。1995年2月，由日本首相直接领导的“具有先进通信与信息的社会筹划组”提出了“促进先进通信与信息社会的基本指导方案”。1996年开始试行道路交通情报通信系统(Vehicle Information andCommunication System，VICS)。
1999年，美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)分配了专门用于车辆间通信的专用短程通信频率DSCR(Dedicated Short RangeCommunication)频段为5.850-5.925GHz。
2000年，MIT的Morris等人提出CarNet概念，欧洲西门子公司等提出FleetNet，人们开始考虑实用于车辆间通信的MANET网络，即VANET网络，车载自组网的概念首次被提出。FleetNet提出的应用主要为：信息服务、用户通信、协助驾驶服务以及分布式浮动汽车数据服务。所以这些项目都基于TD-SCDMA制式。
2004年，美国交通部发起了一系列关于智能交通领域的研究，其中包括V2V通信和路边基站集成系统(Vehicle Infrastructure Integration，VII)。主要功能为：使交通管理部门安装在道路附近的基站与配备通信设备的车辆之间能够相互通信。同时用于增强道路交通网络的安全性和移动性，传递重要的交通网络信息和交通状态消息。
2005年，欧洲成立了车辆间通信联盟(Car2Car communication consortium)，意在通过车辆间通信加强公路安全、提升交通效率。日本也通过了两个车辆间通信标准。由6家汽车厂商(BMW、DaimlerChrysler、Volkswagen等)联合成立了车辆间通信联盟，主要目的就是开发利用WLAN技术的V2V通信系统及定制V2R通信系统欧洲通用标准。
2010年，美国发布《美国ITS战略计划2010-2014》。2011年3月日本部署完成于1999年启动的Smartway计划，引入主要道路，利用先进的VICS、ETC、DSCR、AHS公路巡航/辅助系统等及信息与通信技术，进行道路基础设施的整合，实现智能道路。
近年来，美国加州大学Irvine分校提出了一种基于V2V通信的交通管理信息系统及控制系统Autonet。在Autonet系统中，交通状况、交通网络结构、信息管理以及无线通信技术、协议等因素会影响系统的性能。这种分布式系统的优点是：当网络中配备的车辆达到一定比例时，便可不再依靠路侧设备。
与国外相比，我国关于车联网的研究工作起步相对较晚。
2004年，南京邮电大学的研究人员对当时用于V2V通信的基于位置的路由协议进行了分析，并对存在的问题进行了探讨；2007年，清华大学对车载自组网进行了研究，主要包括：车载自组网的特征、研究现状及路由层、MAC层和物理层的设计；同年，武汉大学也对车载自组网进行了研究，主要对VANET的传输控制协议提出了设计要素和要求。2009年，西北工业大学针对实际道路交通及环境的特点，实现了新型的车辆合成运动模型。此外，北京邮电大学，北京交通大学，浙江大学，重庆邮电大学等许多高校近年来对车载自组网也进行了大量关于车载自组网可靠路由方法的理论研究及仿真实验，车载网作为国家的发展战略越来越受到重视。
可靠的路由协议是车载自组网的关键技术之一，路由协议的主要作用是为车辆节点在发送数据包时提供路径信息，因此路由协议的好坏直接影响车辆节点之间的通信性能。车载自组网中节点移动速度快，使得网络的拓扑结构变化快，链路的生存时间短，这使得传统的Ad Hoc路由协议不太适用于VANET网络。因此，研究、发展、使用与车载网特殊环境相适应的路由协议变得越来越重要。
近年来，国内外学者及研究机构对车载网路由协议做了大量的研究，但对车载网中利用路侧设备辅助的路由方法研究较少，有关路侧设备的研究也主要集中在路侧设备的部署方法、路侧设备的能量控制及路侧设备用来发送预警信息、规避道路拥挤等作用上，而路侧设备完全可以用在辅助路由方面。由于路侧设备是经过骨干网连接，传输速度快、可靠，所以利用路侧设备辅助路由能更加可靠的把数据包传送到更远的地方，因此，充分合理的利用路侧设备辅助路由的方法研究具有重大的意义。
在利用路侧设备辅助路由的方法中，Yanlin P等人提出RAR(Roadside-AidedRouting)方法(RSU辅助的路由方法)(请参见文献：Yanlin P,Zakhia A.Roadside-AidedRouting in Vehicular Networks[C].2006IEEE International Conference onCommunications,2006:3602-3607.),该方法中主要经过RSU骨干网实现数据传输，但方法要求车辆在网络中的任何地方都能通过单跳的方式与RSU建立链接，因此需要在网络中部署大量的RSU。
Raphael F等人提出TrafRoute(基于固定节点转发的路由方法)(请参见文献：Raphael F,Eugenio G.A different approach to routing in vehicular networks[C].2010IEEE 6th International Conference on Wireless and Mobile Computing,2010:521-528.),该方法在交叉口部署RSU作为固定转发节点，把网络分成很多个区，但节点在发送数据时必须先知道目的节点的位置信息。
Yong D等人提出一种利用RSU节点的携带转发机制(请参见文献：Yong D,LiX.SADV:Static-Node-Assisted Adaptive Data Dissemination in Vehicular Networks[J].IEEE Transactions on VehicularTechnology,2010,59(5):2445-2455.)，RSU将数据包存储直至其通信范围内有转发节点且链路再次可用，该方法虽然增大了成功率，但是会导致较高的传输时延而且会加重RSU的负担，不适用于节点密度高的交通场景。
Borsetti D等人提出一种在RSU辅助的地理位置路由方法(请参见文献：BorsettiD,Gozalvez J.Infrastructure-assisted geo-routing for cooperative vehicularnetworks[C].2010IEEE Vehicular Networking Conference,2010:255-262.)，但该方法基于拓扑所建立的最短路径不一定是最优路径。
Khaleel M等人提出了ROAMER(路侧单元作为消息路由)方法(请参见文献：Khaleel M,Hassan A.ROAMER:Roadside Units as message routers in VANETs[J].AdHoc Networks,2012,10(3):479-496.)。在该方法中，车辆节点维护一个以自己为圆心，以到最近RSU之间的距离为半径的圆所在范围内的所有节点的L表(一种包含节点的位置、运动速度、运动方向和时间戳等信息的表格)，L表记录的节点的位置范围请参见附图2。离节点S最近的RSU为RSU1，所以S节点的L表为以自身为圆心、以Dth为半径的圆内所有车辆的信息，每一个车辆都维护自身的L表，维护L表的目的就是为了判断目的节点到原节点的距离哪个更远，如果L表内没有目的节点信息，则说明目的节点离源节点的距离比RSU到源节点的距离更远，需要借助RSU进行数据包的发送，源节点需要把数据包发送给离自己最近的RSU，否则，则说明目的节点离源节点的距离比RSU到源节点的距离更近，不需要借助RSU，即目的节点信息在源节点的L表中，源节点直接发送数据包给目的节点。每个节点周期性的和离自己最近的RSU交互Beacon(包含自己的位置，速度，方向，时间戳等信息)消息，RSU的邻接关系为以自己为圆心，以最远的邻居RSU为半径的圆。方法主要分为两个阶段：(1)节点到RSU的路由。节点首先查找自己的L表，如果有目的节点的信息，则直接通过无线信道发送数据，如果没有到目的节点的信息，则说明需要通过RSU传递，节点通过自身加载的地图选择地图上到最近RSU最短的街道组成的路径，把数据通过贪婪的方式传递给离自己最近的RSU。(2)RSU到目的节点的路由。数据包传递到离自己最近的RSU后，如果RSU有目的节点的信息，则直接预测目的节点的位置，把数据包传递给目的节点，如果没有，则RSU向自己的邻居发送RREQ，邻居RSU有目的节点的信息，则回复ACK，如果没有则继续向自己的邻居RSU转发RREQ，直到找到有目的节点的RSU，并把数据包传递给有目的节点信息的RSU(目的RSU)，目的RSU通过接收到的目的节点最近一次的Beacon消息预测目的节点的范围并把数据包传递给目的节点。该方法虽然整合贪婪转发路由(Greedy Perimeter Staless Routing,GPSR)和车辆辅助的数据分发方法(Greedy Perimeter Staless Routing,VADD)，能很好地适应节点密度高和密度稀疏的场景，但引入大量控制包开销，且节点在进行贪婪转发时会陷入局部最大。
Al-Kubati G等人提出了一种快速可靠的混合式路由(请参见文献：Al-Kubati G,Al-Dubai A,Mackenzie L,et al.Fast and reliable hybrid routing for vehicularad hoc networks[C].2013 13th International Conference on ITSTelecommunications,2013:20-25.),方法采用RSU广播Beacon消息给车辆节点，从而使节点从中获取自己到最近的RSU的路径，但方法生成的路径时间太长，可能导致路径中间节点不连通，路径断裂的现象。
综上所述，人们对基于地理位置的车载自组网贪婪转发路由方法已经开展了一定的研究，在数据和控制消息传输机制等方面取得一些进展；但通过研究发现：以ROAMER方法为代表的现有基于地理位置的车载自组网贪婪转发路由方法中，存在以下两个问题：
1.每个节点都需要周期性地通过一跳或者多跳的方式向最近的RSU发送Beacon消息，导致控制开销偏大。
2.在节点向RSU或者RSU向节点传送数据包的过程中，数据包会在预先计算出的最短路径上以贪婪转发的方式传递；当携带消息的节点偏离最短路径时，节点会难以找到合适的下一跳节点，如附图3所示；这种情况会导致数据包难以到达目的节点，因而数据传送成功率会下降，数据传输时延会增加。
上述问题的存在导致车载自组网的控制开销偏大、数据传送成功率下降且端到端平均传输时延增加，车载自组网的网络性能因此受到削弱，有必要提出新的方法对它们加以解决。本发明将针对这些问题提出切实可行的解决方案。
发明内容
本发明提出一种基于消息聚合的车载自组网高效可靠路由方法，它包含“Beacon消息自适应聚合”、“数据包与Beacon消息自适应聚合”和“节点偏离最短路径时重新寻路”三种新机制。本发明提出的方法通过聚合多个Beacon消息以及聚合Beacon消息与数据包，能够减少网络中传送的Beacon消息的数量，降低控制开销；同时，在携带数据包的节点偏离预定最短路径时重新寻路，解决数据包因节点偏离最短路径而导致的难以到达目的地的问题，提高数据包传送成功率，减小数据包的端到端平均时延。
(一)本发明提出的新机制的基本原理
以下具体介绍本发明提出的“Beacon消息自适应聚合”、“数据包与Beacon消息自适应聚合”和“节点偏离最短路径时重新寻路”三种新机制的基本原理。
1.Beacon消息自适应聚合机制
在现有基于地理位置的车载自组网贪婪转发路由方法中，每个节点周期性地通过一跳或者多跳的形式向离自己最近的RSU发送Beacon消息。对于一个节点来说，有两种Beacon消息需要发送，一种是自己产生的Beacon消息，另一种是需要自己转发的Beacon消息，而目的节点均为离自己最近的RSU。节点如果接收到待转发Beacon消息，则需要查询邻居表，对Beacon消息进行贪婪转发。如果发送自己产生的Beacon消息和转发其它节点的Beacon消息在时间上间隔较近，则节点会在较短的时间内分两次向同一个RSU发送两个Beacon消息，这样的操作存在冗余的控制开销，容易导致控制开销偏大。为了解决这个问题，本发明提出了一种“Beacon消息自适应聚合”新机制，其基本原理如下：
由于一个节点自己产生和转发的Beacon消息的目的节点相同，都是距离节点最近的RSU，因此可以考虑将两种Beacon消息进行融合以减少控制开销。为此，将节点生成Beacon消息的固定周期固定生成时间方式改为周期均值不变但生成时间可在一定范围内随机变化的方式；当网络运行时间进入可发送Beacon消息的范围后，如果节点收到别的节点的Beacon消息(或聚合Beacon消息)，则自己产生一个Beacon消息并将该Beacon消息和收到的Beacon消息(或聚合Beacon消息)聚合成一个“聚合Beacon消息”发送出去，从而减少Beacon消息的数量，降低控制开销。如果节点在可生成Beacon消息的时间范围内没有生成Beacon消息，则在该时间范围结束后，立即生成一个Beacon消息并向离自己最近的RSU发送。“Beacon消息自适应聚合”新机制的主要流程如附图4所示，聚合Beacon消息的格式如附图5所示。
2.数据包与Beacon消息自适应聚合机制
在现有基于地理位置的贪婪转发路由方法中，每个节点会周期性地通过一跳或者多跳的形式向离自己最近的RSU发送Beacon消息，同时，也会把在L表中没找到目的节点的数据包以一跳或多跳的方式发往离自己最近的RSU。如果发送自己产生的Beacon消息与发送或转发数据包在时间上间隔较近，则节点会在较短的时间内分两次向同一个RSU发送Beacon消息和数据包，这样的操作存在冗余的控制开销，容易导致控制开销偏大。为了解决这个问题，本发明提出了一种“数据包与Beacon消息自适应聚合”新机制，其基本原理如下：
由于一个节点产生的Beacon消息的目的地是距离最近的RSU，而节点源发的部分数据包和转发的所有数据包也都以距离最近的RSU为目的节点，因此可以考虑将目的节点都为RSU的数据包和Beacon消息进行聚合，以减少Beacon消息的数量，从而降低控制开销。为了实现数据包和Beacon消息的聚合，将节点生成Beacon消息的固定周期固定生成时间方式改为周期均值不变但生成时间可在一定范围内随机变化的方式；当网络运行时间进入可生成Beacon消息的范围后，如果节点有数据包需要发往距离最近的RSU，或者接收到别的节点发来的需转发给RSU的数据包(或“数据-Beacon聚合包”)，且该数据包(或“数据-Beacon聚合包”)的长度与数据包最大长度的差值不小于Beacon消息的长度，则生成一个Beacon消息并将其和数据包(或“数据-Beacon聚合包”)聚合成一个“数据-Beacon聚合包”发送出去，从而减少Beacon消息的数量，降低控制开销。如果节点在可生成Beacon消息的时间范围内没有生成Beacon消息，则在该时间范围结束后，立即生成一个Beacon消息并向离自己最近的RSU发送。“数据包与Beacon消息自适应聚合”新机制的主要流程如附图6所示，数据-Beacon聚合包的格式如附图7所示。
3.节点偏离最短路径时重新寻路机制
在现有的基于地理位置的车载自组网贪婪转发路由方法中，当节点需要发送数据包给离自己最近的RSU或RSU要向本区域的目的节点发送数据包时，会利用地图计算一条到RSU或目的节点的、由道路(包括分叉路口)组成的最短路径，然后由位于这条路径上的节点负责进行转发；如果收到数据包的中间节点没有找到合适的下一跳节点，则会携带数据包继续运动，直到找到合适的下一跳节点或遇到目的节点。经过深入研究发现，上述转发机制存在一个问题：当携带消息的节点偏离原有路径时，节点会难以找到合适的下一跳节点，从而导致数据包难以到达目的节点，因而数据传送成功率会下降，数据传输时延会增加。为了解决这个问题，本发明提出了“节点偏离最短路径时重新寻路”新机制。
“节点偏离最短路径时重新寻路”新机制的基本思路是：数据包携带有源节点计算出的、预定经过的最短路径的信息，由该路径上的节点作为中间节点转发数据包；携带数据包的节点周期性判断自己是否已经脱离了数据包中装载的预设最短路径，如果已经脱离，则启动重新寻路操作，重新在地图上寻找通往RSU(或目的节点)的最短路径(这条路径需要避开原有路径上节点马上就要经过但没有经过的那一段道路)，如附图8中带箭头的实线所示；然后用该最短路径的信息替换掉数据包中原有的最短路径信息，在新的最短路径上继续使用贪婪转发策略转发该数据包。“节点偏离最短路径时重新寻路”新机制的主要流程如附图9所示。
(二)本发明提出的基于消息聚合的车载自组网高效可靠路由方法的主要操作
本发明提出的基于消息聚合的车载自组网高效可靠路由方法的操作可分为在时序上有交错的“控制消息生成、传输与处理”和“数据包传输与处理”两部分。“控制消息生成、传输与处理”部分的主要功能是生成、传输和处理与路由相关的各种控制消息，包括获取节点位置、建立邻居表等；“数据包传输与处理”部分的主要功能是传输数据包并做有关处理。
本发明提出的基于消息聚合的车载自组网高效可靠路由方法包含“Beacon消息自适应聚合”、“数据包与Beacon消息自适应聚合”和“节点偏离最短路径时重新寻路”三种新机制；其中，“Beacon消息自适应聚合”新机制工作在“控制消息生成、传输与处理”部分，“节点偏离最短路径时重新寻路”新机制工作在“数据包传输与处理”部分，而“数据包与Beacon消息自适应聚合”新机制则同时工作在“控制消息生成、传输与处理”和“数据包传输与处理”两部分；方法的组成如附图10所示。
各部分的主要操作步骤具体如下：
1.控制消息生成、传输与处理
步骤1.节点建立一张L表，用于记录自己和满足距离要求的其它节点的位置、运动速度、运动方向和时间戳等信息。距离要求为：节点间距离<当前节点与最近的RSU的距离。
步骤2.节点建立一张邻居表，用于记录在自己通信范围内的节点(即邻居节点)的信息，包括节点位置、运动速度、运动方向和时间戳等信息。
步骤3.节点设置一个L表的更新周期值TL，每当计时时间到达TL时，便用自己最新的位置信息去更新L表中自己的位置信息。
步骤4.节点设置一个Hello消息的广播周期值THello，每当计时时间到达THello时，便生成一个包含自己的ID(或者地址)和L表的内容的Hello消息，然后在1跳范围内广播该Hello消息。
步骤5.节点设置一个Beacon消息的生成周期值TBeacon，以该值作为Beacon消息的生成周期的均值周期性地生成和发送Beacon消息，但让Beacon消息的生成时间可以在一定范围内随机变化，因此，将可以生成Beacon消息的时间段称为“Beacon消息生成时段”，该时段的长度可以根据需要在[0，T)范围内设置，参考实际例子缺省设置为0.2T，分布为0.9T～1.1T。Beacon消息包含节点的ID、位置信息、时间戳等。
步骤6.一个节点如果收到了其它节点发来的Beacon消息或聚合Beacon消息，根据本发明提出的“Beacon消息自适应聚合”新机制，它会首先判断网络运行时间是否进入了自己的Beacon消息生成时段；如果是，则生成一个Beacon消息，接着将收到的Beacon消息(或聚合Beacon消息)和自己生成的Beacon消息进行聚合，形成一个聚合Beacon消息，然后，在邻居表中找出与最近的RSU距离最短的邻居节点，将聚合Beacon消息发给该邻居节点；如果未进入Beacon消息生成时段，则直接在邻居表中找出与最近的RSU距离最短的邻居节点，然后将收到的Beacon消息(或聚合Beacon消息)发给该邻居节点。
步骤7.一个节点如果有数据包需要发往最近的RSU，或者收到其它节点发来的需转发的数据包(或数据-Beacon聚合包)，根据本发明提出的“数据包和Beacon消息自适应聚合”新机制，它会首先判断：网络运行时间是否进入了自己的Beacon消息生成时段？数据包(或数据-Beacon聚合包)的长度与数据包最大长度的差值是否不小于Beacon消息的长度？如果二者同时成立，则生成一个Beacon消息并将其和数据包(或数据-Beacon聚合包)聚合成一个“数据-Beacon聚合包”，然后，在邻居表中找出与最近的RSU距离最短的邻居节点，将数据-Beacon聚合包发给该邻居节点；如果二者未同时成立且待发的包是数据包，则按“数据包传输与处理”的相关步骤(数据包如果是自己产生的按步骤2，如果是收到的则按步骤3)进行操作；否则，直接在邻居表中找出与最近的RSU距离最短的邻居节点，将数据-Beacon聚合包发给该邻居节点。
步骤8.当Beacon消息生成时段结束时，每个节点都判断：在Beacon消息生成时段内自己是否生成了Beacon消息？如果没有，则在该时段结束的时刻，该节点生成一个Beacon消息，然后在邻居表中找出与最近的RSU距离最短的邻居节点，将Beacon消息发送给该邻居节点。
步骤9.节点和RSU如果收到Hello消息，则从中取出源节点ID、L表内容等，更新自己的邻居表和L表；在更新L表时，对于节点间距>当前节点与最近的RSU的距离的节点，它们的信息不保留在L表中。然后，返回步骤1，循环执行，直至网络运行结束。
2.数据包传输与处理
步骤1.一个节点的网络层如果收到自己上层下传的数据包，则根据本发明提出的“数据包和Beacon消息自适应聚合”新机制，先判断：网络运行时间是否进入了自己的Beacon消息生成时段？数据包的长度与数据包最大长度的差值是否不小于Beacon消息的长度？如果二者同时成立，则按照“控制消息生成、传输与处理”部分的相关步骤(步骤7)进行操作；否则，查询L表，看该数据包的目的节点是否在L表中；如果在，表明可以直接向目的节点转发数据包，则从邻居表中找出与目的节点距离最近的邻居节点，将数据包发给该邻居节点，然后转步骤3；如果不在，则需将数据包发给最近的RSU，执行下一步。
步骤2.节点利用地图计算出一条到离自己最近的RSU的、由道路组成的最短路径(路径可由分叉路口的坐标序列来表示)，然后将该最短路径的信息装入数据包；如果遇到该最短路径上离RSU更近的节点，则将数据包转发给它；如果没有遇到合适的下一跳节点，则会携带着数据包。在携带数据包运动的过程中，节点会采用本发明提出的“节点偏离最短路径时重新寻路机制”新机制，周期性判断自己是否已经脱离了之前算出的最短路径，如果已经脱离，则启动重新寻路操作，根据地图信息再次计算通往目的节点的最短路径(这条路径需要避开原有路径上节点马上就要经过但没有经过的那一段道路)，然后用该最短路径的信息替换掉数据包中原有的最短路径信息，在新的最短路径上使用贪婪转发的策略继续转发该数据包。
步骤3.一个节点的网络层如果收到其它节点发来的数据包，首先从数据包中取出目的节点判断是普通节点还是RSU；如果是普通节点，则从邻居表中找出与目的节点距离最近的邻居节点，将数据包的生命期字段(用于限制数据包被转发的次数以避免数据包被无穷次转发)值减1，然后把数据包发给该邻居节点。如果是RSU，则根据本发明提出的“数据包和Beacon消息自适应聚合”新机制，节点判断：网络运行时间是否进入了Beacon消息生成时段？数据包的长度与数据包最大长度的差值是否不小于Beacon消息的长度？如果二者同时成立，则按照“控制消息生成、传输与处理”部分的相关步骤进行操作；如果二者未同时成立，则从数据包中取出最短路径信息，在该路径上寻找离RSU更近的节点，如果找到，则将数据包的生命期字段值减1然后把数据包发给它，如果没找到则携带着数据包，直到遇到离RSU更近的节点或RSU。
步骤4.一个节点的网络层如果收到其它节点发来的“数据-Beacon聚合包”，则根据本发明提出的“数据包和Beacon消息自适应聚合”新机制，节点判断：网络运行时间是否进入了Beacon消息生成时段？数据-Beacon聚合包的长度与数据包最大长度的差值是否不小于Beacon消息的长度？如果二者同时成立，则按照“控制消息生成、传输与处理”部分的相关步骤(步骤7)进行操作；如果二者未同时成立，则从邻居表中找出与最近的RSU距离最短的邻居节点，将数据-Beacon聚合包的生命期字段值减1后把该聚合包发给该邻居节点。然后，返回步骤1，循环执行，直至网络运行结束。
步骤5.如果RSU收到一个普通节点发来的包，它先判断包的类型；如果是Beacon消息或Beacon聚合消息，则转步骤6；如果是数据-Beacon聚合包，则转步骤7；如果是数据包，则转步骤8。
步骤6.RSU从Beacon消息或Beacon聚合消息中取出节点的信息，然后存入预先建立的、用于存储本区域节点信息的“域内节点信息表”。然后转步骤9。
步骤7.RSU从数据-Beacon聚合包中取出所有的Beacon消息，接着从Beacon消息中取出节点的信息，存入“域内节点信息表”；然后，需对数据-Beacon聚合包中的数据包进行处理，转步骤8。
步骤8.RSU取出数据包的目的节点，查询“域内节点信息表”看目的节点是否在本区域；如果不在，则通过RSU之间的通信体系和机制(如由RSU组成的有线骨干网络及其路由和数据包传送机制)，将数据包发送给邻近(指在一跳范围内)的RSU。如果在，则利用地图计算出一条到目的节点的、由道路组成的最短路径(路径可由分叉路口的坐标序列来表示)，然后将该最短路径的信息装入数据包；如果遇到该最短路径上离目的节点更近的节点，则将数据包转发给它；如果没有遇到该最短路径上合适的下一跳节点，则会在所有离目的节点更近的邻居节点中选择一个离目的节点最近的节点，然后将数据包转发给它；如果没有找到离目的节点更近的邻居节点，则会继续保存数据包，直到遇到合适的下一跳节点或数据包超期被丢弃。
步骤9.如果一个RSU收到邻近RSU发来的数据包，它首先从数据包中取出目的节点信息，然后查询“域内节点信息表”看目的节点是否在本区域；如果在，则从预先建立的邻居表中找出距离目的节点最近的邻居节点，将数据包发给该邻居节点；如果不在，则将数据包发给邻近的其它RSU(用RSU之间的通信体系和机制)。然后，返回步骤1，循环执行，直至网络运行结束。
(三)本发明的有益效果
本发明的有益效果主要有以下三方面：
(1)采用“Beacon消息自适应聚合”和“数据包与Beacon消息自适应聚合”两种新机制后，网络中Beacon消息的数量减少，分组头部、MAC帧的帧头和帧尾的数量因而减少，从而使控制开销降低，路由方法表现得更加高效。
(2)采用“节点偏离最短路径时重新寻路”新机制后，携带数据包的节点偏离最短路径导致数据包难以到达目的节点的问题得到了解决，从而使数据包传送成功率提高。
(3)采用“节点偏离最短路径时重新寻路”新机制后，当携带数据包的节点偏离最短路径时，数据包会在重新计算出的最短路径上继续以多跳方式传递，比数据包由一个节点携带给RSU的方式更快速，从而使数据包的端到端平均时延减小。
附图说明
附图1为车载自组网网络架构。
车辆节点既能与基础设施、公共热点通过无线局域网进行通信，也能与路侧单元通过自组织网络进行通信，而路侧单元再通过有线方式连接上互联网。
附图2为车辆维护的邻接关系(L表)示意图。
在ROAMER方法中，车辆节点维护一个以自己为圆心，以到最近RSU之间的距离为半径的圆所在范围内的所有节点的L表(包括位置，速度，方向，时间戳等信息)。
附图3为节点转发数据包到最近的RSU，路径偏离示意图。
S节点发送数据到最近RSU的路由阶段，假设S通过地图计算出到RSU的最短路径为图中虚线所示，在沿已有路径转发时，S贪婪转发数据给了A(A的运动方向为图中空白箭头所示)，由于道路R2中没有合适的转发节点或者有节点且在A携带数据包至十字路口范围时依然超过了A的通信范围，则A会携带数据包偏离原有的路径，如果A在十字路口向下行驶，会导致偏离原有路径越来越远。
附图4为Beacon消息自适应聚合机制流程图。
当网络运行时间进入可发送Beacon消息的范围后，如果节点收到别的节点的Beacon消息(或聚合Beacon消息)，则自己产生一个Beacon消息并将该Beacon消息和收到的Beacon消息(或聚合Beacon消息)聚合成一个“聚合Beacon消息”发送出去。如果节点在可生成Beacon消息的时间范围内没有生成Beacon消息，则在该时间范围结束后，立即生成一个Beacon消息并向离自己最近的RSU发送。
附图5为Beacon消息自适应聚合包格式图。
Type值为新的Type值，表示Beacon消息自适应聚合包。
附图6为数据包与Beacon消息自适应聚合机制流程图。
当网络运行时间进入可生成Beacon消息的范围后，如果节点有数据包需要发往距离最近的RSU，或者接收到别的节点发来的需转发给RSU的数据包(或“数据-Beacon聚合包”)，且该数据包(或“数据-Beacon聚合包”)的长度与数据包最大长度的差值不小于Beacon消息的长度，则生成一个Beacon消息并将其和数据包(或“数据-Beacon聚合包”)聚合成一个“数据-Beacon聚合包”发送出去。如果节点在可生成Beacon消息的时间范围内没有生成Beacon消息，则在该时间范围结束后，立即生成一个Beacon消息并向离自己最近的RSU发送。
附图7为数据包与Beacon消息自适应聚合包格式图。
Type值为新的Type值，表示数据包与Beacon消息自适应聚合包。Flag值为聚合包中Beacon包的个数。
附图8为路径偏离时重新寻路机制示意图。
虚线箭头所示路径表示原机制计算路径，实线箭头表示改进机制计算路径，实线空心箭头表示车辆实际行进方向。
附图9为路径偏离时重新寻路机制流程图。
数据包携带有源节点计算出的、预定经过的最短路径的信息，由该路径上的节点作为中间节点转发数据包；携带数据包的节点周期性判断自己是否已经脱离了数据包中装载的预设最短路径，如果已经脱离，则启动重新寻路操作，重新在地图上寻找通往RSU(或目的节点)的最短路径(这条路径需要避开原有路径上节点马上就要经过但没有经过的那一段道路)；然后用该最短路径的信息替换掉数据包中原有的最短路径信息，在新的最短路径上继续使用贪婪转发策略转发该数据包。
附图10为基于消息聚合的车载自组网高效可靠路由算法组成图。
“Beacon消息自适应聚合”新机制工作在“控制消息生成、传输与处理”部分，“节点偏离最短路径时重新寻路”新机制工作在“数据包传输与处理”部分，而“数据包与Beacon消息自适应聚合”新机制则同时工作在“控制消息生成、传输与处理”和“数据包传输与处理”两部分。
具体实施方式
本发明适用于使用了路侧单元RSU、网络节点和RSU能够利用地图信息计算到目的节点的最短路径的车载自组网场合。
一个具体的实施方式如下：
(一)实施条件
在一个覆盖范围可多达数百km2车载自组网中，有一个或多个RSU以及多个由车载无线通信设备充当的普通节点(通常简称为“节点”)。RSU之间的通信用一套专门的体系和机制(如有线网络及其路由机制)，节点之间以及节点和RSU之间的通信使用无线多跳网络形式。每个节点都能够知道自己的位置信息(如借助GPS系统)；每个节点都有电子地图工具(如百度地图)，知道每个RSU的具体位置，并且能够在地图上计算出到RSU的最短路径。业务数据在节点之间传送。RSU数量≥1，节点数量≥2。
(二)实施方式
实施方式分为“控制消息生成、传输与处理”和“数据包传输与处理”两部分，二者的操作在网络运行时间内持续地进行，并且在时序上有交错。
1.控制消息生成、传输与处理
步骤1.每个节点建立一张L表，用于记录自己和满足距离要求的其它节点的位置、运动速度、运动方向和时间戳等信息。距离要求为：节点间距离<当前节点与最近的RSU的距离。
步骤2.每个节点建立一张邻居表，用于记录在自己通信范围内的节点(即邻居节点)的信息，包括节点位置、运动速度、运动方向和时间戳等信息。
步骤3.每个节点设置一个自身位置的更新周期值TL，TL＝1s(缺省值)；每当计时时间到达TL时，节点便用自己最新的位置信息去更新L表中自己的位置信息。
步骤4.每个节点设置一个Hello消息的广播周期值THello，THello＝2s(缺省值)；每当计时时间到达THello时，便生成一个包含自己的ID(或者地址)和L表的内容的Hello消息，然后在1跳范围内广播该Hello消息。
步骤5.每个节点设置一个Beacon消息的生成周期值TBeacon，TBeacon＝2s(缺省值)，以该值作为Beacon消息生成周期的均值周期性地生成和发送Beacon消息，但让Beacon消息的生成时间可以在一定范围内随机变化(此范围对应的时间段称为“Beacon消息生成时段”)设置该时间段＝0.2T(缺省值)，分布为0.9TBeacon～1.1TBeacon(缺省值)。Beacon消息包含节点的ID、位置信息、时间戳等。
步骤6.一个节点如果收到了其它节点发来的Beacon消息或聚合Beacon消息，根据本发明提出的“Beacon消息自适应聚合”新机制，它会首先判断网络运行时间是否进入了自己的Beacon消息生成时段；如果是，则生成一个Beacon消息，接着将收到的Beacon消息(或聚合Beacon消息)和自己生成的Beacon消息进行聚合，形成一个聚合Beacon消息，然后，在邻居表中找出与最近的RSU距离最短的邻居节点，将聚合Beacon消息发给该邻居节点；如果未进入Beacon消息生成时段，则直接在邻居表中找出与最近的RSU距离最短的邻居节点，然后将收到的Beacon消息(或聚合Beacon消息)发给该邻居节点。
步骤7.一个节点如果有数据包需要发往最近的RSU，或者收到其它节点发来的需转发的数据包(或数据-Beacon聚合包)，根据本发明提出的“数据包和Beacon消息自适应聚合”新机制，它会首先判断：网络运行时间是否进入了自己的Beacon消息生成时段？数据包(或数据-Beacon聚合包)的长度与数据包最大长度的差值是否不小于Beacon消息的长度？如果二者同时成立，则生成一个Beacon消息并将其和数据包(或数据-Beacon聚合包)聚合成一个“数据-Beacon聚合包”，然后，在邻居表中找出与最近的RSU距离最短的邻居节点，将数据-Beacon聚合包发给该邻居节点；如果二者未同时成立且待发的包是数据包，则按“数据包传输与处理”的相关步骤(数据包如果是自己产生的按步骤2，如果是收到的则按步骤3)进行操作；否则，直接在邻居表中找出与最近的RSU距离最短的邻居节点，将数据包(或数据-Beacon聚合包)发给该邻居节点。
步骤8.当Beacon消息生成时段结束时，每个节点都判断：在Beacon消息生成时段内自己是否生成了Beacon消息？如果没有，则在该时段结束的时刻，该节点生成一个Beacon消息，然后在邻居表中找出与最近的RSU距离最短的邻居节点，将Beacon消息发送给该邻居节点。
步骤9.一个节点如果收到Hello消息，则从中取出源节点ID、L表内容等，更新自己的邻居表和L表；在更新L表时，对于节点间距>当前节点与最近的RSU的距离的节点，它们的信息不保留在L表中。然后，返回步骤1，循环执行，直至网络运行结束。
2.数据包传输与处理
步骤1.一个节点的网络层如果收到自己上层下传的数据包，则根据本发明提出的“数据包和Beacon消息自适应聚合”新机制，先判断：网络运行时间是否进入了自己的Beacon消息生成时段0.9TBeacon～1.1TBeacon？数据包的长度与数据包最大长度的差值是否不小于Beacon消息的长度？如果二者同时成立，则按照“控制消息生成、传输与处理”部分的相关步骤(步骤7)进行操作；否则，查询L表，看该数据包的目的节点是否在L表中；如果在，表明可以直接向目的节点转发数据包，则从邻居表中找出与目的节点距离最近的邻居节点，将数据包发给该邻居节点，然后转步骤3；如果不在，则需将数据包发给最近的RSU，执行下一步。
步骤2.节点利用地图计算出一条到离自己最近的RSU的、由道路组成的最短路径(路径可由分叉路口的坐标序列来表示)，然后将该最短路径的信息装入数据包；如果遇到该最短路径上离RSU更近的节点，则将数据包转发给它；如果没有遇到合适的下一跳节点，则会携带着数据包。在携带数据包运动的过程中，节点会采用本发明提出的“节点偏离最短路径时重新寻路机制”新机制，周期性判断自己是否已经脱离了之前算出的最短路径，如果已经脱离，则启动重新寻路操作，根据地图信息再次计算通往目的节点的最短路径(这条路径需要避开原有路径上节点马上就要经过但没有经过的那一段道路)，然后用该最短路径的信息替换掉数据包中原有的最短路径信息，在新的最短路径上使用贪婪转发的策略继续转发该数据包。
步骤3.一个节点的网络层如果收到其它节点发来的数据包，首先从数据包中取出目的节点判断是普通节点还是RSU；如果是普通节点，则从邻居表中找出与目的节点距离最近的邻居节点，将数据包发给该邻居节点。如果是RSU，则根据本发明提出的“数据包和Beacon消息自适应聚合”新机制，节点判断：网络运行时间是否进入了Beacon消息生成时段？数据包的长度与数据包最大长度的差值是否不小于Beacon消息的长度？如果二者同时成立，则按照“控制消息生成、传输与处理”部分的相关步骤进行操作；如果二者未同时成立，则从数据包中取出最短路径信息，在该路径上寻找离RSU更近的节点，如果找到则将数据包转发给它，如果没找到则携带着数据包，直到遇到离RSU更近的节点或RSU。
步骤4.一个节点的网络层如果收到其它节点发来的“数据-Beacon聚合包”，则根据本发明提出的“数据包和Beacon消息自适应聚合”新机制，节点判断：网络运行时间是否进入了Beacon消息生成时段？数据-Beacon聚合包的长度与数据包最大长度的差值是否不小于Beacon消息的长度？如果二者同时成立，则按照“控制消息生成、传输与处理”部分的相关步骤(步骤7)进行操作；如果二者未同时成立，则从邻居表中找出与最近的RSU距离最短的邻居节点，将数据-Beacon聚合包发给该邻居节点。然后，返回步骤1，循环执行，直至网络运行结束。
步骤5.如果RSU收到一个普通节点发来的包，它先判断包的类型；如果是Beacon消息或Beacon聚合消息，则转步骤6；如果是数据-Beacon聚合包，则转步骤7；如果是数据包，则转步骤8。
步骤6.RSU从Beacon消息或Beacon聚合消息中取出节点的信息(从Beacon聚合消息中取信息时用Beacon消息内容的长度等长度分割Beacon聚合消息的负载部分，便可得到单独的Beacon消息的内容)，然后存入预先建立的、用于存储本区域节点信息的“域内节点信息表”。然后转步骤9。
步骤7.RSU从数据-Beacon聚合包中取出所有的Beacon消息(Beacon消息放在数据-Beacon聚合包负载部分的前部，Beacon消息的个数放在数据包头部的保留字段中，Beacon消息内容的长度RSU预先知道)，接着从Beacon消息中取出节点的信息，存入“域内节点信息表”；然后，需对数据-Beacon聚合包中的数据包进行处理，转步骤8。
步骤8.RSU取出数据包的目的节点，查询“域内节点信息表”看目的节点是否在本区域；如果不在，则通过RSU之间的通信体系和机制(如由RSU组成的有线骨干网络及其路由和数据包传送机制)，将数据包发送给邻近(指在一跳范围内)的RSU。如果在，则利用地图计算出一条到目的节点的、由道路组成的最短路径(路径可由分叉路口的坐标序列来表示)，然后将该最短路径的信息装入数据包；如果遇到该最短路径上离目的节点更近的节点，则将数据包转发给它；如果没有遇到该最短路径上合适的下一跳节点，则会在所有离目的节点更近的邻居节点中选择一个离目的节点最近的节点，然后将数据包转发给它；如果没有找到离目的节点更近的邻居节点，则会继续保存数据包，直到遇到合适的下一跳节点或数据包超期被丢弃。
步骤9.如果一个RSU收到邻近RSU发来的数据包，它首先从数据包中取出目的节点信息，然后查询“域内节点信息表”看目的节点是否在本区域；如果在，则从预先建立的邻居表中找出距离目的节点最近的邻居节点，将数据包发给该邻居节点；如果不在，则将数据包发给邻近的其它RSU(用RSU之间的通信体系和机制)。然后，返回步骤1，循环执行，直至网络运行结束。

Claims (4)

1.一种基于消息聚合的车载自组网高效可靠路由方法，其特征是：它由在时序上有交错的“控制消息生成、传输与处理”和“数据包传输与处理”两部分内容组成。“控制消息生成、传输与处理”部分的主要操作是周期性生成、传输和处理Beacon和Hello两种控制消息，让RSU获取其所在区域的节点的位置等信息、每个节点获取其所在区域的其它节点的位置等信息；“数据包传输与处理”部分的主要操作是用多跳转发和按需携带的方式将数据包从源节点传输到目的节点，传输过程中需要对数据包的“生命期”字段的值进行处理。本发明提出的基于消息聚合的车载自组网高效可靠路由方法包含“Beacon消息自适应聚合”、“数据包与Beacon消息自适应聚合”和“节点偏离最短路径时重新寻路”三种新机制；其中，第一种新机制工作在“控制消息生成、传输与处理”部分，第二种新机制同时工作在“控制消息生成、传输与处理”和“数据包传输与处理”两部分，第三种新机制工作在“数据包传输与处理”部分。
2.根据权利要求1所述的一种基于消息聚合的车载自组网高效可靠路由方法，其特征是：所述“控制消息生成、传输与处理”部分的“Beacon消息自适应聚合”新机制的基本思路为：将节点生成Beacon消息的固定周期固定生成时间方式改为周期均值不变但生成时间可在一定范围内随机变化的方式；当网络运行时间进入可生成Beacon消息的范围后，如果节点收到别的节点的Beacon消息(或Beacon聚合消息)，则自己产生一个Beacon消息并将该Beacon消息和收到的Beacon消息(或Beacon聚合消息)聚合成一个“聚合Beacon消息”发送出去，从而减少Beacon消息的数量，降低控制开销。如果节点在可生成Beacon消息的时间范围内没有生成Beacon消息，则在该时间范围结束后，立即生成一个Beacon消息并向离自己最近的RSU发送。
3.根据权利要求1所述的一种基于消息聚合的车载自组网高效可靠路由方法，其特征是：所述同时工作在“控制消息生成、传输与处理”和“数据包传输与处理”两部分的“数据包与Beacon消息自适应聚合”新机制的基本思路为：将节点生成Beacon消息的固定周期固定生成时间方式改为周期均值不变但生成时间可在一定范围内随机变化的方式；当网络运行时间进入可发送Beacon消息的范围后，如果节点有数据包需要发往离自己最近的RSU，或者接收到别的节点发来的需转发给RSU的数据包(或数据-Beacon聚合包)，且该数据包(或数据-Beacon聚合包)的长度与数据包最大长度的差值不小于Beacon消息的长度，则生成一个Beacon消息并将其和数据包(或数据-Beacon聚合包)聚合成一个数据-Beacon聚合包发送出去，从而减少Beacon消息的数量，降低控制开销。如果节点在可发送Beacon消息的时间范围内没有生成Beacon消息，则在该时间范围结束后，立即生成一个Beacon消息并向离自己最近的RSU发送。
4.根据权利要求1所述的一种基于消息聚合的车载自组网高效可靠路由方法，其特征是：所述“数据包传输与处理”部分的“节点偏离最短路径时重新寻路”新机制的基本思路为：携带数据包的节点周期性判断自己是否已经脱离了数据包中装载的预设最短路径；如果已经脱离，则启动重新寻路操作，重新在地图上寻找通往RSU(或目的节点)的最短路径(这条路径需要避开原有路径上节点马上就要经过但没有经过的那一段道路)，然后用该最短路径的信息替换掉数据包中原有的最短路径信息，在新的最短路径上继续使用贪婪转发策略转发该数据包。
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