CN108093458B - 适于车联网基于分簇结构的快速稳定路由方法及装置 - Google Patents

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CN108093458B CN201711400163.9A CN201711400163A CN108093458B CN 108093458 B CN108093458 B CN 108093458B CN 201711400163 A CN201711400163 A CN 201711400163A CN 108093458 B CN108093458 B CN 108093458B
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Abstract

本发明提供一种适于车联网基于分簇结构的快速稳定路由方法及装置，应用在根据道路地理布局信息和车辆运行动态所建立的通信网络中，所述通信网络用于使预设范围内的任意车辆间进行数据传输；该方法，包括：向预设网关节点发送路由查询RF报文；确定所述预设网关节点的路由表中包含目的节点时，接收所述预设网关节点发送的路由反馈RR报文，所述RR报文包含有源节点到目的节点的目标路由路径；根据所述目标路由路径，向所述目的节点发送数据包。本发明能够避免贪婪算法引起的局部最优问题，降低车辆节点间数据传输的时延。

Description

适于车联网基于分簇结构的快速稳定路由方法及装置
技术领域
本发明涉及车载自组织网络技术领域，尤其涉及一种适于车联网基于分簇结构的快速稳定路由方法及装置。
背景技术
车载自组织网络(Vehicular Ad-hoc network,VANET)是一种快速移动宽带多跳无线网络，用于实现移动过程中车辆之间(vehicle to vehicle,V2V)、车辆与路边基础设施之间(vehicle to infrastructure,V2I)的通信，同时为车辆提供多种应用。由于VANET中的车辆节点移动速度非常快，导致通信链路的生存周期比较短，并且车辆不断地加入和离开网络，使得网络的拓扑结构也不断发生变化。因此，为了满足VANET的通信要求，需要设计适用于 VANET特性的路由解决方案。
现有的VANET的路由解决方案中，一般采用贪婪算法来创建路由路径。其中，最常采用的决策手段就是：每当车辆节点到达一个十字路口的时，就执行一次贪婪算法以完成一次路径选择。
但是，采用贪婪算法来创建路由路径与所选择小范围内的决策指标(速度、位子、方向等)关联性较强，因此往往会引发局部最优的问题。即当车辆节点行驶到没有其他连接的分段道路时，它就需要进行携带和转发过程，而这个过程会增加传输时延，影响VANET的通信质量。
发明内容
本发明提供一种适于车联网基于分簇结构的快速稳定路由方法及装置，以避免车联网中的局部最优问题，降低数据传输的时延。
第一方面，本发明提供一种适于车联网基于分簇结构的快速稳定路由方法，应用在根据道路地理布局信息和车辆运行动态所建立的通信网络中，所述通信网络用于使预设范围内的任意车辆间进行数据传输；其中，在预设范围内行驶的车辆构成所述通信网络中的车辆节点，且每个车辆节点对应不同的身份状态，所述身份状态包括：网关节点、本地协调器、簇首、簇成员；所述方法，包括：
向预设网关节点发送路由查询RF报文，所述RF报文包括：源节点身份信息ID、目的节点身份信息ID、目的节点的位置信息；其中，源节点是指发送RF报文的车辆节点，目的节点是指RF报文需要到达的车辆节点；预设网关节点是指与所述源节点相邻且距离最近的十字路口对应的网关节点；
确定所述预设网关节点的路由表中包含目的节点时，接收所述预设网关节点发送的路由反馈RR报文，所述RR报文包含有源节点到目的节点的目标路由路径；
根据所述目标路由路径，向所述目的节点发送数据包。
可选地，在向预设网关节点发送路由查询RF报文之后，还包括：
在确定所述预设网关节点的路由表中未包含目的节点时，通过所述预设网关节点向当前预设网关节点所属的本地协调器转发所述RF报文；
若所述本地协调器的路由表中包含目的节点时，接收所述本地协调器发送的路由反馈RR报文，所述RR报文包含有源节点到目的节点的目标路由路径；
若所述本地协调器的路由表中未包含目的节点时，通过当前预设网关节点所属本地协调器将所述RF报文转发至相邻的本地协调器，直至从相邻本地协调器的路由表中找到目的节点的路由路径，并接收所述相邻的本地协调器发送的路由反馈RR报文。
可选地，所述簇首是按照预设条件从簇中的所有车辆节点中选出的，簇是指按照预设长度划分的一个道路子块，每个簇包括一个簇首和若干个簇成员；其中，所述簇首用于接收簇中其他车辆节点的加入请求，并将符合预设要求的车辆节点作为簇成员。
可选地，所述网关节点是从十字路口范围内的车辆节点中选出的车辆节点；所述网关节点用于转发属于不同簇的车辆节点之间传输的数据；其中，将预设区域内网关节点中连接网关节点数最多的网关节点作为所述预设区域的本地协调器，所述本地协调器中存储有到达所述预设区域内任意车辆节点的路由表。
可选地，所述预设条件是指：将所述簇中稳定程度值最小的车辆节点作为簇首；
其中，所述稳定程度值是根据簇中车辆节点的位置、速度、方向信息计算得到的。
第二方面，本发明提供一种适于车联网基于分簇结构的快速稳定路由方法，应用在根据道路地理布局信息和车辆运行动态所建立的通信网络中，所述通信网络用于使预设范围内的任意车辆间进行数据传输；其中，在预设范围内行驶的车辆构成所述通信网络中的车辆节点，且每个车辆节点对应不同的身份状态，所述身份状态包括：网关节点、本地协调器、簇首、簇成员；所述方法，包括：
接收源节点发送的路由查询RF报文，所述RF报文包括：源节点身份信息ID、目的节点身份信息ID、目的节点的位置信息；
向所述源节点发送路由反馈RR报文，所述RR报文包含有源节点到目的节点的目标路由路径。
可选地，在接收源节点发送的路由查询RF报文之后，还包括：
确定接收到的RF报文为多个时，存储所有RF报文的路由路径；
获取所述路由路径的权重；
从所述路由路径中选出权重最小的路由路径作为所述源节点到目的节点的目标路由路径，并将所述目标路由路径嵌入到所述RR报文中。
可选地，所述获取所述路由路径的权重，包括：
根据所述路由路径经过的各个网关节点间的子权重，计算得到所述路由路径的权重；其中，网关节点间的子权重是通过一网关节点向另一网关节点广播的链路评估包LAP所述经过的时延计算得到。
第三方面，本发明提供一种适于车联网基于分簇结构的快速稳定路由装置，包括：
查询模块，用于向预设网关节点发送路由查询RF报文，所述RF报文包括：源节点身份信息ID、目的节点身份信息ID、目的节点的位置信息；其中，其中，源节点是指发送RF报文的车辆节点，目的节点是指RF报文需要到达的车辆节点；预设网关节点是指与所述源节点相邻且距离最近的十字路口对应的网关节点；
确定模块，用于确定所述预设网关节点的路由表中包含目的节点时，接收所述预设网关节点发送的路由反馈RR报文，所述RR报文包含有源节点到目的节点的目标路由路径；
发送模块，用于根据所述目标路由路径，向所述目的节点发送数据包。
可选地，确定模块，还用于在向预设网关节点发送路由查询RF报文之后；
在确定所述预设网关节点的路由表中未包含目的节点时，通过所述预设网关节点向当前预设网关节点所属的本地协调器转发所述RF报文；
若所述本地协调器的路由表中包含目的节点时，接收所述本地协调器发送的路由反馈RR报文，所述RR报文包含有源节点到目的节点的目标路由路径；
若所述本地协调器的路由表中未包含目的节点时，通过当前预设网关节点所属本地协调器将所述RF报文转发至相邻的本地协调器，直至从相邻本地协调器的路由表中找到目的节点的路由路径，并接收所述相邻的本地协调器发送的路由反馈RR报文。
可选地，所述簇首是按照预设条件从簇中的所有车辆节点中选出的，簇是指按照预设长度划分的一个道路子块，每个簇包括一个簇首和若干个簇成员；其中，所述簇首用于接收簇中其他车辆节点的加入请求，并将符合预设要求的车辆节点作为簇成员。
可选地，所述网关节点是从十字路口范围内的车辆节点中选出的车辆节点；所述网关节点用于转发属于不同簇的车辆节点之间传输的数据；其中，将预设区域内网关节点中连接网关节点数最多的网关节点作为所述预设区域的本地协调器，所述本地协调器中存储有到达所述预设区域内任意车辆节点的路由表。
可选地，所述预设条件是指：将所述簇中稳定程度值最小的车辆节点作为簇首；
其中，所述稳定程度值是根据簇中车辆节点的位置、速度、方向信息计算得到的。
第四方面，本发明提供一种适于车联网基于分簇结构的快速稳定路由装置，包括：
接收模块，用于接收源节点发送的路由查询RF报文，所述RF报文包括：源节点身份信息ID、目的节点身份信息ID、目的节点的位置信息；
反馈模块，用于向所述源节点发送路由反馈RR报文，所述RR报文包含有源节点到目的节点的目标路由路径。
可选地，接收模块，还用于在接收源节点发送的路由查询RF报文之后，确定接收到的RF报文为多个时，存储所有RF报文的路由路径；
获取所述路由路径的权重；
从所述路由路径中选出权重最小的路由路径作为所述源节点到目的节点的目标路由路径，并将所述目标路由路径嵌入到所述RR报文中。
可选地，所述获取所述路由路径的权重，包括：
根据所述路由路径经过的各个网关节点间的子权重，计算得到所述路由路径的权重；其中，网关节点间的子权重是通过一网关节点向另一网关节点广播的链路评估包LAP所述经过的时延计算得到。
第五方面，本发明提供一种车联网的路由优化系统，包括：第三方面中任一项所述的装置和第四方面中任一项中的装置。
第六方面，本发明提供一种车联网的路由优化系统，包括：
存储器，用于存储程序；
处理器，用于执行所述存储器存储的所述程序，当所述程序被执行时，所述处理器用于执行第一方面中任一所述的方法。
第七方面，本发明提供一种车联网的路由优化系统，包括：
存储器，用于存储程序；
处理器，用于执行所述存储器存储的所述程序，当所述程序被执行时，所述处理器用于执行第二方面中任一所述的方法。
第八方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，包括：指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行第一方面中任一所述的方法，和/或执行第二方面中任一所述的方法。
本发明提供的适于车联网基于分簇结构的快速稳定路由方法及装置，应用在根据道路地理布局信息和车辆运行动态所建立的通信网络中，所述通信网络用于使预设范围内的任意车辆间进行数据传输；通过向预设网关节点发送路由查询RF报文，确定所述预设网关节点的路由表中包含目的节点时，接收所述预设网关节点发送的路由反馈RR报文，所述RR报文包含有源节点到目的节点的目标路由路径；根据所述目标路由路径，向所述目的节点发送数据包。从而避免贪婪算法引起的局部最优问题，降低车辆节点间数据传输的时延。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的分层簇结构示意图；
图2为本发明一实施例中的局部最优问题的原理示意图；
图3为本发明实施例一提供的适于车联网基于分簇结构的快速稳定路由方法的流程图；
图4为本发明一实施例中的城市道路布局示意图；
图5为本发明一实施例中十字路口网关节点选取原理示意图；
图6为本发明实施例二提供的适于车联网基于分簇结构的快速稳定路由方法的流程图；
图7为本发明实施例三提供的适于车联网基于分簇结构的快速稳定路由方法的流程图；
图8为本发明实施例四提供的适于车联网基于分簇结构的快速稳定路由方法的流程图；
图9为本发明实施例一提供的适于车联网基于分簇结构的快速稳定路由装置的结构示意图；
图10为本发明实施例二提供的适于车联网基于分簇结构的快速稳定路由装置的结构示意图；
图11为本发明实施例一提供的适于车联网基于分簇结构的快速稳定路由系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
以下，对本申请中的部分用语进行解释说明，以便于本领域技术人员理解：
1)车载自组织网络(Vehicular Ad-hoc network,VANET)是一种快速移动宽带多跳无线网络，用于实现移动过程中车辆之间(vehicle to vehicle,V2V)、车辆与路边基础设施之间(vehicle to infrastructure,V2I)的通信，同时为车辆提供多种应用。
2)本地协调器(Local Coordinator，LC)是在各自的范围内连接十字路口网关节点最多的特定网关节点。
本发明首先模拟出典型的城市环境，并将城市环境中的道路布局进行量化，例如根据道路长度、道路宽度、车道数量、道路上的车流量等等特征构建城市道路网络模型，并对网络模型采用分层结构进行划分和管理。具体地，将道路按照长度或者宽度划分为多个簇，将行驶在道路上的车辆作为车辆节点；其中，道路各个簇之间通过选出的簇首进行通信，不同道路之间的车辆节点可以通过十字路口选出的网关节点进行中继通信。图1为本发明一实施例提供的分层簇结构示意图，如图1所示，本实施例中的分层簇可以包括：底层网络、中层网络、高层网络，其中，底层网络由每段道路的一跳范围内的簇成员节点CM(Cluster Member)构成，中层网络由各路段的簇首CH (Cluster Head)和十字路口的网关节点构成，高层网络由各分块拓扑选出的协调器构成。进一步地，在应用本发明中的方法之前，还需假定城市道路网络模型内的车辆节点都分配有一个状态：簇首CH、簇成员CM、网关节点 (Gateway，GW)或本地协调器。每个车辆节点都有一个独一无二的ID，配备可以及时获取位置、速度、方向的GPS设备，同时提供电子地图。假设每个车辆节点有较高的计算和存储能力。车载GPS可以提供精确的位置信息和速度信息用以计算，设备可以将其车辆间交互的数据进行存储、转发。
图2为本发明一实施例中的局部最优问题的原理示意图，如图2所示，假设A，B，C，E，F和G都是十字路口的网关节点，用于连通分段道路间的通信。若源节点S想将数据发送到目的节点D，大多数方案将通过十字路口A、B、C转发数据包，因为RAB(表示十字路口A到十字路口B的路径) 和RBC(表示十字路口B到十字路口C的路径)段车流量较大。由于通信网络是高度连接的，因而链路性能较好，十字路口网关节点进行决策的时候会优先选择这条链路性能较好的路径进行数据包转发传输。但是一旦数据包传输到网关节点C，由于C和E未连通，这时数据包会出现局部最优的问题。这意味着数据包或者将被携带传送到E点，或者被转发到其他网关节点寻找另一条连通的路径，比如转发回B节点寻找网关节点F，因此数据包传输的端到端的时延(End to End Delay，E2ED)将会增大。
下面以具体地实施例对本发明的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本发明的实施例进行描述。
图3为本发明实施例一提供的适于车联网基于分簇结构的快速稳定路由方法的流程图，图4为本发明一实施例中的城市道路布局示意图，为本发明实施例一提供的适于车联网基于分簇结构的快速稳定路由方法的流程图如图 3所示，本实施例中的方法可以包括：
S101、向预设网关节点发送路由查询RF(Route Find)报文。
本实施例中，应用在根据道路地理布局信息和车辆运行动态所建立的通信网络中，所述通信网络用于使预设范围内的任意车辆间进行数据传输；其中，在预设范围内行驶的车辆构成所述通信网络中的车辆节点，且每个车辆节点对应不同的身份状态，所述身份状态包括：网关节点、本地协调器、簇首、簇成员。所述RF报文包括：源节点身份信息ID、目的节点身份信息ID、目的节点的位置信息；其中，源节点是指发送RF报文的车辆节点，目的节点是指RF报文需要到达的车辆节点；预设网关节点是指与所述源节点相邻且距离最近的十字路口对应的网关节点。
具体地，如图4所示，图中包括A、B、C、D、E、F、G、H、I这9个十字路口，每个十字路口中选择一个车辆节点作为网关节点，各个十字路由之间的路段可以划分为多个静态簇，每个簇中选出一个簇首，其余位于簇中的车辆节点作为簇成员。每个车辆节点都有一个独一无二的ID，并配备可以及时获取位置、速度、方向的GPS设备，同时提供电子地图。
可选地，所述簇首是按照预设条件从簇中的所有车辆节点中选出的，簇是指按照预设长度划分的一个道路子块，每个簇包括一个簇首和若干个簇成员；其中，所述簇首用于接收簇中其他车辆节点的加入请求，并将符合预设要求的车辆节点作为簇成员。
具体地，假定分段道路为双向道路，且将每一段道路都可以划分为多个静态簇，簇的横向长度等于标准车辆传输距离的一半(250m)，即将道路划分为连续分布的长度为250的子块，每一个子块就为一个簇。由于道路横向延伸的特殊性，导致其长度远远大于其宽度，所以道路上的簇的形状近似可以看作矩形。同时假定所有车辆节点都了解所在簇的位置和ID，同时确保在任何时间，每一个车辆节点都会根据其位置被划分进其中一个簇中。簇内的节点经过信息交互之后，将会选出该簇的簇首，之后其他节点向簇首发出加入请求成为簇的成员。
可选地，所述网关节点是从十字路口范围内的车辆节点中选出的车辆节点；所述网关节点用于转发属于不同簇的车辆节点之间传输的数据；其中，将预设区域内网关节点中连接网关节点数最多的网关节点作为所述预设区域的本地协调器，所述本地协调器中存储有到达所述预设区域内其余网关节点的路由表。
具体地，当数据传输经过分段道路到达十字路口的时候，通信应该保持不中断的状态进行传输，故本发明将在十字路口选取网关节点进行信息的中继传输。假设车辆节点都会将车辆自身获取(通过转向信号灯)每个车辆经过十字路口的方式(左转、右转、直行)，同时采用反应式位置服务(reactive location service,RLS)来获取自己当前的位置，接着位于十字路口区域的节点计算自己的停留时间，十字路口网关节点选取的标准是尽可能使得车辆节点最长时间限度地保证信息的中继，即网关节点更倾向于选取经过十字路口所用时间最长的车辆节点作为网关节点。选定的网关节点将会宣布自己的状态，并和相邻簇首之间建立连接。首先车辆节点根据自己的位置信息判定自己是否位于十字路口区域内，如果位于十字路口，则根据当前转向的方式来对应计算并交互各自的停留时间，最终选取的网关节点要求停留时间最长。网关节点选择成功之后，会发出HEAD帧与邻区域内的簇首节点建立连接。
具体地，图5为本发明一实施例中十字路口网关节点选取原理示意图，假设车辆节点A、B、C、D都位于十字路口的范围内，(假定车辆都是匀速通过十字路口，不存在转弯行驶慢于直接行使通过十字路口的情况)，但由于B、C、D节点已越过十字路口中心且将要离开十字路口范围，故从节点集合中删除这三个节点。接下来，从剩下的节点中优先选取靠近十字路口区域边界的车辆节点。
可选地，所述预设条件是指：将所述簇中稳定程度值最小的车辆节点作为簇首；其中，所述稳定程度值是根据簇中车辆节点的位置、速度、方向信息计算得到的。
具体地，假设每辆车我们都取其瞬时速度v(i)，其中vμ是时刻t时所有车辆节点的平均值，计算第i辆车的速度权重因子Pv(i)，φn为簇内的所有车辆节点；其中：
Figure BDA0001519276870000101
对于簇内的车辆节点速度权重因子Pv(CID)可以用下式的向量表示为：
Pv(CID)＝[Pv(1),Pv(2),Pv(3),...,Pv(n)]
对其进行标准化处理，得每个簇内车辆节点归一化的速度权重因子
Figure BDA0001519276870000105
：
Figure BDA0001519276870000102
其中
Figure BDA0001519276870000103
值最小的优先级最高。
当簇首节点的位置靠近簇边界位置的时候，簇首就可以停留较长的时间，防止频繁更换簇首的情况发生，从而可以提高簇的稳定性。因此，也可以考虑使用位置权重因子作为选取簇首的度量标准之一。
假设将电子地图上的车辆抽象为二维平面坐标系中的点，计算出车辆节点i距离边界的静态簇边界距离Pl(i)作为位置权重因子，见下式：
Figure BDA0001519276870000104
其中，R为静态簇的跨度，L(i)表示车辆距离驶入簇边界的距离，对于南北行驶方向的车辆，采用y坐标来计算L(i)＝|yi-yp|，其中yp是边界处的坐标；同理，对于东西行驶方向的车辆，采用x坐标来计算L(i)＝|xi-xp|。
对于簇内的车辆节点位置权重因子可以用下式的向量表示为：
Pl(CID)＝[Pl(1),Pl(2),Pl(3),...,Pl(n)]
对其进行标准化处理，得归一化的位置权重因子
Figure BDA0001519276870000114
Figure BDA0001519276870000111
同样值
Figure BDA0001519276870000112
最小的优先级最高。
车辆节点i的稳定程度计算方法如下：
Figure BDA0001519276870000113
公式的前半部分评价车辆间距离对簇稳定性的影响，因为车辆距边界的距离越大，簇首更换越频繁，不利于簇的稳定性。公式后边部分主要反映车辆速度对车辆稳定性的影响，因为车辆速度较小的时候，网络的拓扑变化较缓慢，寿命相对较长；反之若速度较快，则会加剧网络寿命性能的恶化。总体来说，稳定程度S的值越小，簇越稳定。
S102、确定预设网关节点的路由表中包含目的节点时，接收预设网关节点发送的路由反馈RR报文。
本实施例中，所述RR报文包含有源节点到目的节点的目标路由路径；
S103、根据目标路由路径，向目的节点发送数据包。
本实施例中，源节点通过RR(Route Reply)报文中嵌入的目标路由路径，向目标节点发送数据包。
本实施例，通过向预设网关节点发送路由查询RF报文，确定所述预设网关节点的路由表中包含目的节点时，接收所述预设网关节点发送的路由反馈RR报文，所述RR报文包含有源节点到目的节点的目标路由路径；根据所述目标路由路径，向所述目的节点发送数据包。从而避免贪婪算法引起的局部最优问题，降低车辆节点间数据传输的时延。
图6为本发明实施例二提供的适于车联网基于分簇结构的快速稳定路由方法的流程图，如图6所示，本实施例中的方法可以包括：
S201、向预设网关节点发送路由查询RF报文。
本实施例中的步骤S201的具体实现过程请参考图2所示方法中的相关描述，此处不再赘述。
S202、在确定预设网关节点的路由表中未包含目的节点时，通过预设网关节点向当前预设网关节点所属的本地协调器转发所述RF报文。
本实施例中，若预设网关节点的路由表中没有找到通往目的节点的路由信息，则通过该预设网关节点向当前预设网关节点所属的本地协调器转发所述RF报文。由于车辆网中的车辆节点是动态变化的，因此每个车辆节点在不同位置所扮演的身份状态也会发生变化。本地协调器中存储有一个路由表，该路由表中包含有该本地协调器当前所管辖范围内的所有网关节点的路由路径。
S203、若本地协调器的路由表中包含目的节点时，接收本地协调器发送的路由反馈RR报文。
本实施例中，从本地协调器的路由表中查找到达目的节点的路由，若存在通往目的节点路由信息，则通过该本地协调器中的路由路径将RF报文发送给目的节点，并转发目的节点反馈的RR报文，其中，所述RR报文包含有源节点到目的节点的目标路由路径。
S204、若本地协调器的路由表中未包含目的节点时，通过当前预设网关节点所属本地协调器将RF报文转发至相邻的本地协调器，直至从相邻本地协调器的路由表中找到目的节点的路由路径，并接收相邻的本地协调器发送的路由反馈RR报文。
本实施例中，若本地协调器的路由表中查找不到通往目的节点的路由，则通过当前预设网关节点所属本地协调器将RF报文转发至相邻的本地协调器，直至从相邻本地协调器的路由表中找到目的节点的路由路径。可选地，由于RF报文中包含有目的节点的位置信息，因此，可以大致知道数据传输的方向，根据数据传输的方向，优先转发至位于数据传输的方向上的相邻本地协调器，在该相邻的本地协调器的路由表中查找通往目的节点的路由。若位于数据传输的方向上的相邻本地协调器中也没有目的节点的路由路径，则遍历所有相邻的本地协调器，直到找到目的节点的路由路径。找到目的节点的路由路径之后，通过对应的本地协调器中的路由路径将RF报文发送给目的节点，并转发目的节点反馈的RR报文，其中，所述RR报文包含有源节点到目的节点的目标路由路径。
本实施例，通过在十字路口的车辆节点中选择网关节点，并在预设范围内的各个网关节点中选择出管辖所述预设范围内网关节点的本地协调器，构建了网络的广域拓扑图，使得路由路径选择不仅仅基于邻近车辆节点的信息，而是宏观上利用道路上分配的权重值来整体确定数据传输的路由路径，避免了采用贪婪算法来选择数据传输的路由路径，使得路由路径不会出现不连通的情况，有效降低了车联网中数据传输的时延。
图7为本发明实施例三提供的适于车联网基于分簇结构的快速稳定路由方法的流程图，如图7所示，本实施例中的方法可以包括：
S301、接收源节点发送的路由查询RF报文。
本实施例中，目的节点接收来自源节点的路由查询RF报文，所述RF报文包括：源节点身份信息ID、目的节点身份信息ID、目的节点的位置信息；
S302、向源节点发送路由反馈RR报文，RR报文包含有源节点到目的节点的目标路由路径。
本实施例中，目的节点在收到RF报文之后，生成相应的RR报文，并在 RR报文中嵌入源节点到目的节点的目标路由路径，以使源节点按照该目标路由路径发送数据。
本实施例，应用在根据道路地理布局信息和车辆运行动态所建立的通信网络中，所述通信网络用于使预设范围内的任意车辆间进行数据传输；其中，在预设范围内行驶的车辆构成所述通信网络中的车辆节点，且每个车辆节点对应不同的身份状态，所述身份状态包括：网关节点、本地协调器、簇首、簇成员。通过接收源节点发送的路由查询RF报文，并向源节点发送路由反馈包含有源节点到目的节点的目标路由路径的RR报文。从而避免贪婪算法引起的局部最优问题，降低车辆节点间数据传输的时延。
图8为本发明实施例四提供的适于车联网基于分簇结构的快速稳定路由方法的流程图，如图8所示，本实施例中的方法可以包括：
S401、接收源节点发送的路由查询RF报文。
本实施例中的步骤S301的具体实现过程请参考图2所示方法中的相关描述，此处不再赘述。
S402、确定接收到的RF报文为多个时，存储所有RF报文的路由路径。
本实施例中，目的节点可能会接收到同一源节点发送的多个RF报文，这是因为源节点发送RF报文的路径不唯一造成的。当目的节点接收到多个RF报文时，存储所有RF报文的路由路径。需要说明的是，本实施例中的RF 报文的路由路径是指该RF报文从源节点发送到目的节点所经过的传输路径。
S403、获取路由路径的权重。
本实施例中，可以根据所述路由路径经过的各个网关节点间的子权重，计算得到所述路由路径的权重；其中，网关节点间的子权重是通过一网关节点向另一网关节点广播的链路评估包LAP所述经过的时延计算得到。
一般情况下，在十字路口网关节点会维护和更新一个路由表，保存着邻近簇首CHs的相关信息，可以用于数据的转发和网络状态的更新。每当更换十字路口网关节点GW时就会触发LQA过程，同时网关节点也会产生链路评估包LAP(Link Assessment Packet)在各道路链路进行广播。同时LAP也将收集连通性、时延、跳数等链路相关信息。
LAP包中平均时延
Figure BDA0001519276870000142
的计算公式如下：
Figure BDA0001519276870000141
其中，经过每一个簇所产生的平均时延表示为
Figure BDA0001519276870000143
。这个链路平均时延
Figure BDA0001519276870000144
一般由队列时延tq和传输时延tts组成，可以表示为：
Figure BDA0001519276870000145
传输时延tts定义为数据包开始被MAC层服务的时刻到数据包被成功传输或丢弃的时刻间的一段时间，可以理解为包的服务时间。队列时延tq定义为数据包进入队列的时刻到数据包成为队头或者被MAC层服务的时刻之间的时间间隔。
如果当数据包到达链路i的队列时，缓冲区中已经有k个包，那么链路上的平均时延可以这样表示为：
Figure BDA0001519276870000146
需要注意的是，传输时延tts既包括信道繁忙时期，也包括信道空闲但是处于退避阶段的时间。
当路径中的节点接受到LAP，它会解析出报文中的信息，并将自己的相关信息添加进去，比如将跳数h加1，将自己的时延
Figure BDA0001519276870000147
计算出来并和
Figure BDA0001519276870000148
相加，然后再转发给下一节点。这个过程一直持续到LAP到达下一个十字路口。当其到达十字路口网关节点后，网关节点计算LAP的传播时延drap：
drap＝tr-Timestamp
其中，tr表示LAP的接受时刻，Timestamp为LAP产生时刻的时间戳。
为了辨别在LAP传播过程中是否产生了携带转发等相关现象，需要将传播时延drap和预估的各节点传输时延之和
Figure BDA0001519276870000151
以及最大可容忍传输时延
Figure BDA0001519276870000152
作比较。当drap≤Ts时，网关节点可以推测出上一段路径连通状况良好；当Ts＜drap＜Tmax时，就表明上一段路径部分路径不连通，存在携带和转发的情况存在；当drap≥Tmax时，就表明上一段路径链路状况极差，网络不连通，时延趋于无穷。
将对每段道路链路状态进行评估，并按照每段道路端到端的时延E2ED 分配权重，公式如下：
Figure BDA0001519276870000153
其中，
Figure BDA0001519276870000158
表示从十字路口i到十字路口j的特定道路分配的权重，de表示由于携带和转发所产生额外的平均时延。
将长度为L分段道路Rij分割为n个长度为R(簇的覆盖半径)的矩形簇，故车辆节点以速度vi携带传输时，经过m个子段道路所花费的时间(其中 m＝count)，即由于携带转发所产生额外的时延ddis-i为：
Figure BDA0001519276870000154
用ρdis-i表示当道路部分不连通的情况下使用携带和转发的概率，为了计算这个概率，我们假定车辆节点到达长度为R的子分段道路的概率服从泊松分布，同时用λi作为该段道路的车辆节点的到达率。因此矩形簇内没有车辆节点的概率ρnull-i可以表示：
Figure BDA0001519276870000155
因此n段子分段道路中m段没有连通的概率ρdis-i为：
Figure BDA0001519276870000156
需要注意的是未连通分段道路的数量m可以由LAP进行统计。故由于携带转发所额外产生的平均时延de可以表示为：
de＝ddis-i×ρdis-i
因此权重分配的公式可以改写为：
Figure BDA0001519276870000157
在计算了各道路链路的权重之后，每个十字路口的网关节点就可以建立自己能到达的其他十字路口网关节点的路由表。这些路由表通常使用最短路径算法来建立路由路径。同时这些路由表的生存时间由路由路径上节点的最小生存寿命
Figure BDA0001519276870000161
决定。即道路Rij上链路权重的有效寿命(weight validity lifetime,WVLT)
Figure BDA0001519276870000162
为
Figure BDA0001519276870000163
故在权重有效时间内，由q段分段道路组成的路由路径的权重之和wpath可以表示为：
Figure BDA0001519276870000164
需要注意的是，该路由路径的权重有效时间同样由每段道路的最小生存时间
Figure BDA0001519276870000165
决定。即
Figure BDA0001519276870000166
簇内节点的状态需要满足链路寿命的限制，即在各个几点的链路寿命时间内可以进行链路的通信和数据传输。各个节点会周期性的计算自己的链路寿命并通知CH。链路寿命TLLT(i)(Link Lifetime)仅仅和每个车辆节点的位置和速度有关，其计算公式如下：
Figure BDA0001519276870000167
其中，dthre-i是车辆节点i到簇边界的距离，v i为车辆节点i的即时速度。
S404、从路由路径中选出权重最小的路由路径作为所述源节点到目的节点的目标路由路径，并将目标路由路径嵌入到所述RR报文中。
本实施例中，将权重最小的路由路径作为所述源节点到目的节点的目标路由路径，而权重的大小与路由路径数据传输所需的时间相关，权重最小，则意味着对应路由路径的传输时延最小。
本实施例，通过对源节点发送的RF报文的传输路径进行权重计算，利用与传输时延相关的权重值来评估路由路径的传输性能，将权重最小的路由路径作为所述源节点到目的节点的目标路由路径，并将目标路由路径嵌入到所述RR报文中。从而可以利用链路的时延作为选择路由路径的依据，迅速地查找到最优的路由，避免局部最优现象的产生，降低车联网中车辆节点间数据的传输时延，提高数据传输效率。
图9为本发明实施例一提供的适于车联网基于分簇结构的快速稳定路由装置的结构示意图，如图9所示，本实施中的装置可以包括：
查询模块10，用于向预设网关节点发送路由查询RF报文，所述RF报文包括：源节点身份信息ID、目的节点身份信息ID、目的节点的位置信息；其中，其中，源节点是指发送RF报文的车辆节点，目的节点是指RF报文需要到达的车辆节点；预设网关节点是指与所述源节点相邻且距离最近的十字路口对应的网关节点；
确定模块20，用于确定所述预设网关节点的路由表中包含目的节点时，接收所述预设网关节点发送的路由反馈RR报文，所述RR报文包含有源节点到目的节点的目标路由路径；
发送模块30，用于根据所述目标路由路径，向所述目的节点发送数据包。
可选地，确定模块20，还用于在向预设网关节点发送路由查询RF报文之后；
在确定所述预设网关节点的路由表中未包含目的节点时，通过所述预设网关节点向当前预设网关节点所属的本地协调器转发所述RF报文；
若所述本地协调器的路由表中包含目的节点时，接收所述本地协调器发送的路由反馈RR报文，所述RR报文包含有源节点到目的节点的目标路由路径；
若所述本地协调器的路由表中未包含目的节点时，通过当前预设网关节点所属本地协调器将所述RF报文转发至相邻的本地协调器，直至从相邻本地协调器的路由表中找到目的节点的路由路径，并接收所述相邻的本地协调器发送的路由反馈RR报文。
可选地，所述簇首是按照预设条件从簇中的所有车辆节点中选出的，簇是指按照预设长度划分的一个道路子块，每个簇包括一个簇首和若干个簇成员；其中，所述簇首用于接收簇中其他车辆节点的加入请求，并将符合预设要求的车辆节点作为簇成员。
可选地，所述网关节点是从十字路口范围内的车辆节点中选出的车辆节点；所述网关节点用于转发属于不同簇的车辆节点之间传输的数据；其中，将预设区域内网关节点中连接网关节点数最多的网关节点作为所述预设区域的本地协调器，所述本地协调器中存储有到达所述预设区域内任意车辆节点的路由表。
可选地，所述预设条件是指：将所述簇中稳定程度值最小的车辆节点作为簇首；其中，所述稳定程度值是根据簇中车辆节点的位置、速度、方向信息计算得到的。
本实施中的装置可以执行图3、图6所示的方法，其实现过程和技术效果类似，此处不再赘述。
图10为本发明实施例二提供的适于车联网基于分簇结构的快速稳定路由装置的结构示意图，如图10所示，本实施中的装置可以包括：
接收模块40，用于接收源节点发送的路由查询RF报文，所述RF报文包括：源节点身份信息ID、目的节点身份信息ID、目的节点的位置信息；
反馈模块50，用于向所述源节点发送路由反馈RR报文，所述RR报文包含有源节点到目的节点的目标路由路径。
可选地，接收模块40，还用于在接收源节点发送的路由查询RF报文之后，确定接收到的RF报文为多个时，存储所有RF报文的路由路径；
获取所述路由路径的权重；
从所述路由路径中选出权重最小的路由路径作为所述源节点到目的节点的目标路由路径，并将所述目标路由路径嵌入到所述RR报文中。
可选地，所述获取所述路由路径的权重，包括：
根据所述路由路径经过的各个网关节点间的子权重，计算得到所述路由路径的权重；其中，网关节点间的子权重是通过一网关节点向另一网关节点广播的链路评估包LAP所述经过的时延计算得到。
本实施中的装置可以执行图7、图8所示的方法，其实现过程和技术效果类似，此处不再赘述。
本发明还提供一种车联网的路由优化系统，包括：图9中任一项所述的装置和图10中任一项中的装置。
本实施中的系统可以执行图3、图6、图7、图8所示的方法，其实现过程和技术效果类似，此处不再赘述。
图11为本发明实施例一提供的适于车联网基于分簇结构的快速稳定路由系统的结构示意图，如图11所示，本实施中的系统可以包括：
存储器60，用于存储程序；
处理器70，用于执行所述存储器存储的所述程序，当所述程序被执行时，所述处理器用于执行图3、图6中任一所述的方法。
本发明还提供一种车联网的路由优化系统，包括：
存储器，用于存储程序；
处理器，用于执行所述存储器存储的所述程序，当所述程序被执行时，所述处理器用于执行图7、图8中任一所述的方法。
此外，本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令，当用户设备的至少一个处理器执行该计算机执行指令时，用户设备执行上述各种可能的方法。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种适于车联网基于分簇结构的快速稳定路由方法，其特征在于，应用在根据道路地理布局信息和车辆运行动态所建立的通信网络中，所述通信网络用于使预设范围内的任意车辆间进行数据传输；其中，在预设范围内行驶的车辆构成所述通信网络中的车辆节点，且每个车辆节点对应不同的身份状态，所述身份状态包括：网关节点、本地协调器、簇首、簇成员；所述方法，包括：
向预设网关节点发送路由查询RF报文，所述RF报文包括：源节点身份信息ID、目的节点身份信息ID、目的节点的位置信息；其中，源节点是指发送RF报文的车辆节点，目的节点是指RF报文需要到达的车辆节点；预设网关节点是指与所述源节点相邻且距离最近的十字路口对应的网关节点；
确定所述预设网关节点的路由表中包含目的节点时，接收所述预设网关节点发送的路由反馈RR报文，所述RR报文包含有源节点到目的节点的目标路由路径；
根据所述目标路由路径，向所述目的节点发送数据包；
在向预设网关节点发送路由查询RF报文之后，还包括：
在确定所述预设网关节点的路由表中未包含目的节点时，通过所述预设网关节点向当前预设网关节点所属的本地协调器转发所述RF报文；
若所述本地协调器的路由表中包含目的节点时，接收所述本地协调器发送的路由反馈RR报文，所述RR报文包含有源节点到目的节点的目标路由路径；
若所述本地协调器的路由表中未包含目的节点时，通过当前预设网关节点所属本地协调器将所述RF报文转发至相邻的本地协调器，直至从相邻本地协调器的路由表中找到目的节点的路由路径，并接收所述相邻的本地协调器发送的路由反馈RR报文。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述簇首是按照预设条件从簇中的所有车辆节点中选出的，簇是指按照预设长度划分的一个道路子块，每个簇包括一个簇首和若干个簇成员；其中，所述簇首用于接收簇中其他车辆节点的加入请求，并将符合预设要求的车辆节点作为簇成员。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述网关节点是从十字路口范围内的车辆节点中选出的车辆节点；所述网关节点用于转发属于不同簇的车辆节点之间传输的数据；其中，将预设区域内网关节点中连接网关节点数最多的网关节点作为所述预设区域的本地协调器，所述本地协调器中存储有到达所述预设区域内其他网关节点的路由表。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预设条件是指：将所述簇中稳定程度值最小的车辆节点作为簇首；
其中，所述稳定程度值是根据簇中车辆节点的位置、速度、方向信息计算得到的。
5.一种适于车联网基于分簇结构的快速稳定路由装置，其特征在于，包括：
查询模块，用于向预设网关节点发送路由查询RF报文，所述RF报文包括：源节点身份信息ID、目的节点身份信息ID、目的节点的位置信息；其中，源节点是指发送RF报文的车辆节点，目的节点是指RF报文需要到达的车辆节点；预设网关节点是指与所述源节点相邻且距离最近的十字路口对应的网关节点；
确定模块，用于确定所述预设网关节点的路由表中包含目的节点时，接收所述预设网关节点发送的路由反馈RR报文，所述RR报文包含有源节点到目的节点的目标路由路径；
发送模块，用于根据所述目标路由路径，向所述目的节点发送数据包；
所述确定模块，还用于在向预设网关节点发送路由查询RF报文之后，在确定所述预设网关节点的路由表中未包含目的节点时，通过所述预设网关节点向当前预设网关节点所属的本地协调器转发所述RF报文；若所述本地协调器的路由表中包含目的节点时，接收所述本地协调器发送的路由反馈RR报文，所述RR报文包含有源节点到目的节点的目标路由路径；若所述本地协调器的路由表中未包含目的节点时，通过当前预设网关节点所属本地协调器将所述RF报文转发至相邻的本地协调器，直至从相邻本地协调器的路由表中找到目的节点的路由路径，并接收所述相邻的本地协调器发送的路由反馈RR报文。
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