CN108541040A - 一种适用于城市场景下的跨层路由协议 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于城市场景下的跨层路由协议，属于城市交通领域。单一分层路由协议考虑因素较少，易产生决策不确定等问题；在一些跨层路由协议中，层的集成与新建路由不具有统一化标准作为支持。为了解决上述问题，本发明提出的方法综合考虑车辆移动性信息，道路车辆密度信息，跨层信息物理层的无线链路质量，MAC层误帧率，节点链路可靠性等方面影响。在不同道路选择合适的转发算法，并采用位置修正机制，保证在通信范围内，选择通信距离最合适又可靠的转发节点。采用层次分析法定量计算上述各因素权重值，最终确定最佳转发节点，完成路由过程；如果还未找到合适下一跳节点，采用路由存储转发机制，提高转发率。

Description

一种适用于城市场景下的跨层路由协议

技术领域

本发明结合城市VANET网络的特点以及路由协议设计中存在的问题，提供了一种适用于城市场景下的跨层路由协议(ACross-Layer Routing Protocol for VANET,ACLRP)，属于城市交通领域。

背景技术

近年来，随着汽车工业技术、通信技术、计算机技术等领域的飞速发展，智能交通系统(Intelligent Transportation System,ITS)应运而生。车载自组织网络(VehicularAd-Hoc Networks,VANETs)是一种应用场景特殊的移动自组织网络(MobileAd-Hoc Networks,MANETs)，它是由配备通信传输模块的车辆为节点组成的，一种无中心、自组织、拓扑变化较频繁的实体网络。在车载自组织网络的车车通信(Vehicles-to-Vehicles,V2V)中，通信协议的性能好坏对数据传输可靠性与有效性起到关键作用。传统路由协议由于其工作机制，反应机理上存在差异，导致在不同路由协议下分组投递率(PacketDelivery Ratio,PDR)，平均端到端时延(End to EndDelay,E2ED)和网络负载(OverheadRatio,OR)存在不同差异。因此，设计出适应城市环境下的路由协议算法受到广泛的关注。

经典的单一分层路由协议一般将通信内容分为几个层，并且每层有明确的功能接口与分工定义。在单一分层路由协议中，层与层之间的交互通过明确定义的标准接口，只在相邻的两层之间实现互联。跨层路由协议试图通过利用新技术引入多样化的层间信息交互，将各个协议层联合设计优化，以此来获得性能方面的提高，如附图1所示，目前的研究热点主要为跨网络层与应用层之间进行路由协议的设计，而在会话层与表示层参与跨层路由协议设计的案例基本可以忽略。VANET中有许多影响网络性能的参数，例如动态的拓扑改变、网络密度所引起的网络开销、功率层面的消耗、额外处理延时、节点过载带来的拥塞。因此，通过层间信息的融合来实现性能的改善是越来越多的学者所研究的核心。

发明内容

本发明提供了一种适用于城市场景下的跨层路由协议，目的在于解决单一分层路由协议考虑因素较少，易产生决策不确定以及在某些跨层路由协议中，层的集成与新建路由不具有统一化标准作为支持的问题。

为了解决上述问题，本发明提出的方法综合考虑车辆移动性信息，道路车辆密度信息，跨层信息中的物理层无线链路质量，MAC层误帧率，节点链路可靠性等方面影响，在不同道路选择合适的转发算法，并采用位置修正机制，保证在通信范围内，选择通信距离最合适又可靠的转发节点。采用层次分析法定量计算上述各因素权重值，最终确定最佳转发节点，完成路由过程；如果还未找到合适下一跳节点，采用路由存储转发机制，提高转发率。

本发明提出的路由协议主要分为两个阶段：邻居节点发现阶段和数据包转发阶段，邻居节点发现过程中主要完成网络中节点捕捉与消息流交换，这些信息是判定最佳下一跳选择的参考。当网络中任意一个节点需要向目标节点发送数据时，则切换到数据包转发过程。数据发送阶段主要是将发送车辆的数据以最可靠的路径及高效率发送给接收车辆。ACLRP路由协议流程如附图2所示。本发明的具体流程如下：

步骤一：首先采用动态广播机制，接收广播信息流更新直接邻居列表信息。

不同于以往的经典路由协议中采用主动式固定周期信标交换机制，本发明采用一种动态信息流广播机制来维护实时性更高的直接邻居列表。动态信息广播机制是VANET中车辆节点通过定位导航设备获得各自节点的位置信息和驾驶信息后，传输范围内相邻车辆节点进行周期性信标信息交换，当每个车辆节点捕获一跳范围内各个车辆节点信息后，建立属于自己的直接邻居列表。

步骤二：然后进行判断是否要转发数据包，如果要转发数据包，进入步骤三；否则返回步骤一，进入邻居节点发现阶段。

步骤三：接着进行车辆转发位置判定，要判断是否获得目标节点的信息，如果没有获得目标节点的信息，就要进入位置反馈系统来获取节点的位置信息，接着进入下一步；若已获得目标节点的信息，直接进入步骤四。在曼哈顿模型中，将每一条道路都存在一个道路编号将其写入到地图中，城市VANET中每一辆车辆通过定位系统获知自身位置，根据自身位置在现有地图中查询，就会知道自己所在道路的标号，并周期性地广播给邻居节点。

步骤四：判断目标节点是否在通信半径内，如果在通信半径内的话，数据直接发送给目标节点，完成本次的路由转发。

步骤五：如果不在通信半径中，通过车辆节点位置修正机制，将最新位置预测出来，选取最佳的转发节点。为了保证在通信范围内，可以选择通信距离最合适又可靠的转发节点，本发明提出一种利用节点的动态移动信息的位置修正机制。当发送节点存在数据需要进行转发时，先通过车辆节点位置修正机制将车辆节点的最新预测位置计算出来，并重新修正在本地邻居信息流中；然后根据修正的新位置，选取最佳的转发节点。

步骤六：采取基于跨层信息的车辆转发算法，仅考虑车辆移动性信息，选择通信距离最合适又可靠的转发节点。

步骤七：判断节点是否找到最佳的下一跳。如果该节点就是选择的最优节点，则进行下一跳节点的选择，然后进入步骤四，直到转发到目的节点，完成路由任务。

步骤八：如果不是最佳的下一跳，启动存储转发机制，等待固定时间间隔后，进行判断是否有效找到下一跳转发节点，如果找到有效的下一跳，进入步骤六；如果没找到有效的下一跳，丢弃数据包，向上层报告错误，路由过程结束。

与现有技术相比，本发明提供的方法优势在于：

1.动态信息流广播机制。本发明采用动态信息流广播机制使网络中每个节点在维护实时性更高的一跳邻居列表时，又能降低路由开销；

2.车辆转发位置判定机制。该模块说明车辆的位置所在的位置，进一步来采取合理的转发机制；

3.针对交通环境中不同，采用合适的基于跨层信息的车辆转发机制，并采用位置修正，保证在通信范围内，选择通信距离最合适又可靠的转发节点；

4.路由存储转发机制。本发明提供相应的路由恢复策略，提高转发的概率；

5.采用层次分析机制来分层定量衡量相关指标，选择最优的路由转发点。

附图说明

图1是本发明中跨层路由协议示意图；

图2是本发明中ACLRP路由协议流程示意图；

图3是本发明中道路ID示意图；

图4是本发明中位置修正机制示意图；

图5是本发明中车辆位置关系示意图；

图6是本发明中车辆速度关系示意图；

图7是本发明中权重影响因素示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提供的方法做进一步的说明：

具体实施方式一：结合图2说明本实施方式，本实施方式的步骤如下：

步骤一：首先采用动态广播机制，接收广播信息流更新直接邻居列表信息。车辆节点在更新自身位置信息的同时周期性广播信息流，利用这一跳信息通知邻居节点。信息流周期对路由协议性能有一定影响，若广播周期较小，信息将会在短时间内不断更新，信息的出错率和路由开销将会变大；反之，若周期较大，则节点相关信息不能保证实时传递，影响下一跳或者多跳节点的选取。在动态信标交换机制中，信标广播的周期大小采用一种动态方法确定，如公式(1)所示，它受车辆节点速度影响。

当车辆速度小于一个预设最小值v_MIN时，广播周期时间为最大值T_MAX。当车辆速度大于一个预设最大值vMAX时，广播周期时间为较小值T_MIN。当车辆速度在v_MIN+(i)step和v_MIN+(i+1)step之间时，则采用T_MIN+i·Thr来表示。Thr表示在该速度上选定的阈值，i表示在该速度上所选择的权重。周围邻居节点接收到节点发送的广播信息流后，对相应信息进行添加或删除操作，以达到更新列表的目的。在此过程中记录邻居节点数量，获得这些信息后，这个邻居节点集合中的最佳节点被选取作为转发节点。

步骤二：然后进行判断是否要转发数据包，如果要转发数据包，进入步骤三；否则返回步骤一，进入邻居节点发现阶段。

步骤三：城市VANET中每一辆车辆通过定位系统获知自身位置，根据自身位置在现有地图中查询，就会知道自己所在道路的标号，并周期性地广播给邻居节点，从而获得目标节点的信息。附图3显示了5×5曼哈顿模型中道路编号，可以看到有25个交通路口。大写的数字表示路口的编号，用0-24来表示共有25个交通路口。小括号里数字表示街道号有十条街用0-9来表示。车辆节点就可以用三个数字来确定它的位置，第一个数字表示前一个路口的编号，第二个数字表示后一个路口的编号，第三个表示所在街道号。发送节点q_i的邻居节点集合中如果存在道路编号与q_i的道路编号不同，就认为当前节点处在交叉路口，采用交通路口转发机制来转发数据；如果q_i中所有的道路标号与邻居节点集合的道路标号都相同，则认为当前节点在同一道路上，采用非路口转发机制来转发数据。

步骤四：判断目标节点是否在通信半径内，如果在通信半径内的话，数据直接发送给目标节点，完成本次的路由转发。

步骤五：如果不在通信半径中，通过车辆节点位置修正机制，将最新位置预测出来，选取最佳的转发节点。预测的最新的车辆节点移动信息包含发送节点q_i速度、位置，邻居节点f_j速度、位置和目标节点d_k速度、位置。当发送节点存在数据需要进行转发时，先通过车辆节点位置修正机制将q_i,f_j,d_k的最新预测位置计算出来，并重新修正在本地邻居信息流中；然后根据修正的新位置，选取最佳的转发节点。

如附图4显示在t时刻非路口随机节点q_i的通信半径内存在f₁f₂两个随机邻居节点，经过短暂时间Δt后，发送节点q_i从q_i(t)移动到了q_i(t+Δt)位置，与此同时邻居节点f₁也从位置f₁(t)移动到了f₁(t+Δt)位置，节点f₂从f₂(t)移动到了f₂(t+Δt)的位置，目标节点d_k从d_k(t)移动到了d_k(t+Δt)；此时节点f₁已经离开了发送节点q_i的通信范围，然而，在下一个信息流被发送之前，q_i仍默认节点f₁为即将选择转发的邻居节点。当q_i需要发送数据包时，当前节点根据邻居节点列表信息，估计所有邻居节点、目标节点的(t+Δt)时刻的位置信息，有且仅当修正位置在节点最新位置q_i(t+Δt)的通信半径内的邻居节点f_j(t+Δt)才会被认为是真正的邻居节点，满足式(2)的节点才是可以作为待转发邻居节点，存储在邻居节点表中。

公式(2)中F_c为修正后邻居节点集合，为(t+Δt)时刻q_i与f_j之间距离。附图7中邻居节点f₁在移动过程中离开了q_i的通信范围，不能作为下一跳的选择。而节点f₂在经过移动后在q_i的通信范围内且为该半径内唯一存在节点，因此节点f₂将被选择作为下一跳转发节点。

步骤六：在车辆节点移动性属性考虑中，主要是车辆节点的位置、速度等相关信息，同时启用位置修正机制；车辆节点在路口处位置如附图5所示，发送节点q_i为图中点目标节点d_k为图中点在路口处存在三个邻居节点，其坐标分别为 这些节点均通过位置修正机制在发送节点的通信范围内，通过计算的余弦值来确定与目标节点直线距离的相近程度，如公式(3)所示。

公式(3)中，发送节点到邻居节点的方向与发送节点到目标节点的方向越一致，余弦值越大，在之前所定义的权重值越小则越优的理论正好相反，则取其负值与总体权重值计算保持一致，如公式(4)，作为最终权重值计算的第一部分。

附图6显示与附图5相同的场景下了在路口交通环境下车辆节点速度与邻居节点和目标节点连线所成夹角示意图，同样地，邻居节点的运动方向趋于与目标节点方向一致性越高，越能够被选择作为最佳的下一跳节点，其权重值也应该较小而越优。

在附图6中，邻居节点速度已知，而速度作为矢量，则获知速率和运动方向，邻居节点与目标节点在经过位置修正机制后坐标已知，则同理可求权重函数，如公式(5)

步骤七：判断节点是否找到最佳的下一跳。如果该节点就是选择的最优节点，则进行下一跳节点的选择，然后进入步骤四，直到转发到目的节点，完成路由任务。

步骤八：存储转发机制来源于延迟容忍网络在车载环境中的应用，由于网络中节点间的通信链路的连接存在不确定性。在基于场景的微观转发机制中，有传输需求的节点可能在一段时间内都遇不到合适的下一跳节点来转发数据包，该节点陷入局部最优，此时启动存储转发机制,将需要发送的数据包进行短暂存储，缓存的数据包会随着车辆的移动方向进行传输。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点在于步骤六中增加考虑因素车辆节点密度：

在数据转发过程中会存在向多个邻居车辆节点转发信息。不同道路上的车辆节点拥有不同的道路编号，进而可以获知，在某一道路编号表上，在发送节点通信半径内存在邻居节点数M_F，根据邻居节点数分布，提出一个关于该因素的归一化密度分布函数，见公式(6)。

由公式(6)中可以得出，当某一路口处车辆密度较小时，车辆节点将不会向该路口的邻居节点转发数据，随着车辆节点数量的增加，其权重值将越小，从而获得最优选择。由此可得，发送节点的在某一道路编号邻居节点数量越多，该道路上的邻居节点作为转发节点的可能性越大，选择该节点所在道路的可能性越大。

其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同点在于步骤六中在实施方案再增加考虑因素跨层因素：

首先，在城市环境下车辆非视线传输致使无线链路质量下降，体现出来的便是信号对噪声加干扰的功率之比。因此，在该因素影响下，发送节点在路口将选择一个无线信道质量比较好的节点作为转发节点。引入了无线链路质量信息权重函数f(SNIR)，设置SNIR一个阈值SNIR₀，当计算节点的SNIR小于阈值时，这个节点被认为位于通信范围内的远端，其信道质量较差，并赋予较大的权重值来减少选取该节点的可能性；反之，若节点的SNIR值较高时，赋予较小的权重值，来增加选取该节点的可能性。然后在MAC层信息影响因素体现在误帧率上，是在传输过程中帧传错的概率。f(FER)用来表示帧差错率因素的权重值函数。误帧率越小，当然潜在待取的接受的邻居节点越优。最后，车辆节点链路可靠性表征该转发节点是否有效的传输，NR_i,j表示邻居节点的可靠性的大小，它的值由基于连续的hello消息的节点数目来决定，用H_c表示的数量计算。我们选择以下，NR_i,j值为0，这表明一个高度可靠的节点；值为1时，这表明该节点不可靠。

本实施方式与具体实施方式一不同点在于步骤七中增加考虑因素跨层因素：该模型下，权重影响因素如附图7所示，将所涉及的影响因素划分为不同的层次，分别为车辆的移动属性，道路车辆密度信息和跨层信息这三个层次。转发节点i计算邻居节点j的权重函数相对于路由到目的节点k，表示如公式(8)所示：

weight_x表示该参数的相对权重，其中x可以取{1,2,3,4,5,6,7,8}。表示车辆的移动属性，L_i,j表示转发节点i和邻居节点j之间的跨层信息，f(M_F)表示道路车辆密度信息。

表示是邻居j与目的地节点k的归一化曲线距离，表示邻居节点的运动方向趋于与目标节点方向一致性。

L_i,j＝weight₆×f(SNIR)_i,j+weight₇×f(FER)_j+weight₈×NR_i,j (10)

f(SNIR)_i,j表示转发节点i和邻居节点j之间的无线链路质量；f(FER)_j表示在邻近节点J表示MAC层信息帧差错率的影响；NR_i,j代表邻居节点的可靠性。

通过层次分析法来计算权重值，然而权重值并不是定值，它们根据实际情况发生着改变。在VANET网络中的节点密度较大时，车辆节点都有较多的邻居节点时，在任何一个道路编号上进行数据转发都能够保证找到一个最佳的下一跳节点，路口节点密度因素对路由协议性能影响不大，可以优先选择距离目的节点近，信道质量好的节点。若网络中节点比较稀疏时，应该尽可能选择邻居节点数量较多的节点作为转发节点，这样既可以保证数据包的可靠传输，同时也会避免由于出现本地最大化问题而采取存储转发机制，提高通信的连通性。根据整个网络的不同状况，通过对这些权值因子的调整来达到最佳的数据包转发，从而达到较优的路由性能。

其它步骤与具体实施方式一相同。

Claims (5)

1.一种适用于城市场景下的跨层路由协议，其特征在于：主要分为两个阶段：邻居节点发现阶段和数据包转发阶段，邻居节点发现过程中主要完成网络中节点捕捉与消息流交换，这些信息是判定最佳下一跳选择的参考，当网络中任意一个节点需要向目标节点发送数据时，则切换到数据包转发过程，数据发送阶段主要是将发送车辆的数据以最可靠的路径及高效率发送给接收车辆，具体流程如下：

步骤一：首先采用动态广播机制，接收广播信息流更新直接邻居列表信息；

步骤二：然后进行判断是否要转发数据包，如果要转发数据包，进入步骤三；否则返回步骤一，进入邻居节点发现阶段；

步骤三：接着进行车辆转发位置判定，要判断是否获得目标节点的信息，如果没有获得目标节点的信息，就要进入位置反馈系统来获取节点的位置信息，接着进入下一步；若已获得目标节点的信息，直接进入步骤四；

步骤四：判断目标节点是否在通信半径内，如果在通信半径内的话，数据直接发送给目标节点，完成本次的路由转发；

步骤五：如果不在通信半径中，通过车辆节点位置修正机制，将最新位置预测出来，选取最佳的转发节点，为了保证在通信范围内，可以选择通信距离最合适又可靠的转发节点，当发送节点存在数据需要进行转发时，先通过车辆节点位置修正机制将车辆节点的最新预测位置计算出来，并重新修正在本地邻居信息流中，然后根据修正的新位置，选取最佳的转发节点；

步骤六：采取基于跨层信息的车辆转发算法，综合考虑车辆移动性信息，道路车辆密度信息，跨层信息中的物理层无线链路质量，MAC层误帧率，节点链路可靠性等方面影响，选择通信距离最合适又可靠的转发节点，选择通信距离最合适又可靠的转发节点；

步骤七：判断节点是否找到最佳的下一跳，如果该节点就是选择的最优节点，则进行下一跳节点的选择，然后进入步骤四，直到转发到目的节点，完成路由任务；

步骤八：如果不是最佳的下一跳，启动存储转发机制，等待固定时间间隔后，进行判断是否有效找到下一跳转发节点，如果找到有效的下一跳，进入步骤六；如果没找到有效的下一跳，丢弃数据包，向上层报告错误，路由过程结束。

2.根据权利要求1所述的一种适用于城市场景下的跨层路由协议，其特征在于：所述的动态广播机制中信标广播的周期大小确定方法如公式(1)所示，它受车辆节点速度影响，

当车辆速度小于一个预设最小值v_MIN时，广播周期时间为最大值T_MAX；当车辆速度大于一个预设最大值v_MAX时，广播周期时间为较小值T_MIN；当车辆速度在v_MIN+(i)step和v_MIN+(i+1)step之间时，则采用T_MIN+i·Thr来表示；Thr表示在该速度上选定的阈值，i表示在该速度上所选择的权重；周围邻居节点接收到节点发送的广播信息流后，对相应信息进行添加或删除操作，以达到更新列表的目的。

3.根据权利要求1所述的一种适用于城市场景下的跨层路由协议，其特征在于：所述的车辆节点位置修正机制具体如下：预测的最新的车辆节点移动信息包含发送节点q_i速度、位置，邻居节点f_j速度、位置和目标节点d_k速度、位置，当发送节点存在数据需要进行转发时，先通过车辆节点位置修正机制将q_i,f_j,d_k的最新预测位置计算出来，并重新修正在本地邻居信息流中；然后根据修正的新位置，选取最佳的转发节点，计算判别过程如公式(2)，

式中F_c为修正后邻居节点集合，为(t+Δt)时刻q_i与f_j之间距离。

4.根据权利要求1所述的一种适用于城市场景下的跨层路由协议，其特征在于：所述的车辆移动性属性考虑中，主要是车辆节点的位置、速度等相关信息，同时启用位置修正机制；车辆的发送节点q_i为点目标节点d_k为点存在的三个邻居节点，其坐标分别为这些节点均通过位置修正机制在发送节点的通信范围内，通过计算的余弦值来确定与目标节点直线距离的相近程度，如公式(3)所示

公式(3)中，发送节点到邻居节点的方向与发送节点到目标节点的方向越一致，余弦值越大，在之前所定义的权重值越小则越优的理论正好相反，则取其负值与总体权重值计算保持一致，如公式(4)，作为最终权重值计算的第一部分

邻居节点的运动方向趋于与目标节点方向一致性越高，越能够被选择作为最佳的下一跳节点，其权重值也应该较小而越优，邻居节点速度已知，而速度作为矢量，则获知速率和运动方向，邻居节点与目标节点在经过位置修正机制后坐标已知，则同理可求权重函数，如公式(5)所示

式中为计算的权重。

5.根据权利要求1所述的一种适用于城市场景下的跨层路由协议，其特征在于：所述的跨层因素考虑的过程如下：

引入了无线链路质量信息权重函数f(SNIR)，设置SNIR一个阈值SNIR₀，当计算节点的SNIR小于阈值时，这个节点被认为位于通信范围内的远端，其信道质量较差，并赋予较大的权重值来减少选取该节点的可能性；反之，若节点的SNIR值较高时，赋予较小的权重值，来增加选取该节点的可能性；

然后在MAC层信息影响因素体现在误帧率上，是在传输过程中帧传错的概率，f(FER)用来表示帧差错率因素的权重值函数，误帧率越小，当然潜在待取的接受的邻居节点越优；

最后，车辆节点链路可靠性表征该转发节点是否有效的传输，邻居节点的可靠性的大小，它的值由基于连续的hello消息的节点数目来决定，用H_c表示的数量计算，选择以下，NR_i,j值为0时，表明一个高度可靠的节点；值为1时，表明该节点不可靠，

式中，NR_i,j即为邻居节点的可靠性的值。