CN108834100A - 一种高效的广播路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效的广播路由方法，由于车辆节点速度较快，信息需要尽快传输到一定范围内的所有节点，该方法基于减少广播数据包的节点数量来设计广播路由，对当前节点的邻居节点构建连通支配集，然后优化近似成最小连通支配集，以该支配集中的节点为下一跳广播中继节点并以一定的概率来广播数据包。如此，能较大地减少广播数据包的节点数，减少广播时产生的冲突，从而提高数据包的递送率，减少数据包传输时的平均端到端延时。

Description

一种高效的广播路由方法
技术领域
本发明涉及一种高效的广播路由方法。
背景技术
车载网中节点移动速度快，网络拓扑变化快，链路容易断裂，且节点的移动受道路的强制约束，这就使得网络中节点的分布不均匀，造成车载网中严重的网络分割现象；在道路区域特别是热点区域如交叉路口周围，节点的密度巨大，如果不加限制的让所有节点自由广播信息，会带来激烈的信道资源竞争，使得该区域的无线传输瘫痪等等。这些因素导致信息在车载网中的传输不稳定。所以，在车载网中寻找一条高效的广播传输路径具有重大的意义。
路由选择是无线网络通信的关键因素，它决定了网络的吞吐率，传输延时，直接影响着网络的整体性能。近年来车载自组织网络 (VANET)一直备受世界学者们的广泛关注，它是移动自组织网络 (MANET)与无线传感器网络(WSN)在智能交通系统中的具体应用。通过车辆与车辆(V2V)、车辆与路旁基础设施(V2I)等方法直接通信或多跳通信，构建一个自组织的、动态的、分布式控制网络。
目前，国内外学者在车载网中的路由选择方面做了大量研究，提出了很多方案来解决这个问题，如主动式路由协议(optimized link state routing，OLSR)，地理位置路由协议(geography source routing，GSR)，及其他路由协议HTGR(hybrid trafficgeographic routing)，GPSR(greedy perimeter stateless routing)，LAR(1ocaton—aided routing)，RTRP(road and traffic—aware routing protoco1)。然而这些路由算法从Ad HOC网络发展而来，不适于用以快速移动的车辆为网络节点的车载网。
Wu等提出的一种广播协议能提供较低的信息负载且有较高的数据包发送率，该协议使用一种模糊算法来选择下一跳中继节点，使用网络编码来提高数据包的传送率并且不增加信息负载。张帆等基于车载网中交通实时信息的评估提出一种高效的多跳广播路由算法，该算法包括一种新的中继节点选择机制和一种高效的自适应计算重广播等待时间策略。基于时隙分配广播。罗涛、李俊涛等提出了一种改进的算法(ACR-BA)，ACR-BA算法设计了两种短控制包，有效地抑制了传输冗余。为了降低竞争信道的碰撞概率，基于地理位置划分了候选节点集，并结合控制包认证机制在一个候选节点集中仅确定出唯一的转发节点。然后，根据网络负载状况设计了一种基于单位基准时隙的自适应机制，设置尽量小的退避等待时间，提高信息广播的实时性；最后，设置了针对短控制包和数据包的超时重传保障机制，在保证算法实时性的基础上最大限度地提高可靠性。然而，该方法基于地理位置划分候选节点集，当车辆节点在道路中分布及其不均时，不适用于该方法。
综上可知，车载网中的广播路由算法有着广阔的应用前景，本发明公开车载网中一种高效的广播路由方法。基于减少广播数据包的节点数量来设计广播路由，对当前节点的邻居节点构建连通支配集，然后优化近似成最小连通支配集，以该支配集中的节点为下一跳广播中继节点并以一定的概率来广播数据包。如此，能较大地减少广播数据包的节点数，减少广播时产生的冲突，从而提高数据传输的递送率，减少数据包传输时的平均端到端延时。
发明内容
本发明其目的就在于提供一种高效的广播路由方法，以解决上述背景技术中所提出的问题，能较大地减少广播数据包的节点数，减少广播时产生的冲突，从而提高数据包的递送率，减少数据包传输时的平均端到端延时。
为实现上述目的而采取的技术方案是，一种高效的广播路由方法，包括以下步骤：
步骤(1)定义链路L，以发送节点的位置为圆心，以无线通信最大传输范围为半径，且假设节点的最大无线传输范围相同；如果节点在另一个节点的通信范围内，则这两个节点是可以通信的，即它们之间存在一条链路L；
步骤(2)定义V是网络中的节点集，|V|表示网络中节点的数量， |S|表示任意节点集合中节点的数量；E表示VANET网络中一条连通的边；|E|表示边的数量；以(vi,vj)∈E(G)表示节点vi和vj有直接连接的边，即vi和vj相邻，节点vi和节点vj互为邻居节点；
步骤(3)连通支配集是图G中的节点集合对任一节点v要么v∈D，要么v是D中节点的邻居节点；
步骤(4)定义v是图G中的一节点，令集合Neighbor(v)表示v 的邻居集；
步骤(5)定义d(u1,u2)表示两顶点u1，u2之间的距离；R是节点最大传输距离，如果d(u1,u2)＜R，则顶点u1和u2有一条连通的边；
步骤(6)图G(V,E)为初始图，MCDS为该图的最小连通支配集；
步骤(7)对于节点数为n的初始连通图G(V,E)，构建该图最小连通支配集MCDS算法的时间复杂度为O(n2logn)；
步骤(8)定义令表示网络中节点的平均邻居个数；N表示网络中节点的总数量，Ui表示节点i的邻居个数，则网络中节点的平均邻居个数满足：
步骤(9)定义P为当前节点u广播数据包的概率，为当前节点邻居覆盖集中节点的个数，n为当前节点的邻居节点数，则P满足：
有益效果
与现有技术相比本发明具有以下优点。
本发明的优点是，该方法基于减少广播数据包的节点数量来设计广播路由，对当前节点的邻居节点构建连通支配集，然后优化近似成最小连通支配集，以该支配集中的节点为下一跳广播中继节点并以一定的概率来广播数据包。如此，能较大地减少广播数据包的节点数，减少广播时产生的冲突，从而提高数据包的递送率，减少数据包传输时的平均端到端延时。
附图说明
以下结合附图对本发明作进一步详述。
图1为本发明所述车载网中的单位圆图；
图2为本发明所述车辆运动示意图；
图3为本发明所述数据传递示意图；
图4为本发明所述构建初始连通图G(V,E)算法的伪代码；
图5为本发明所述构建最小连通支配集MCDS算法的伪代码；
图6为本发明所述节点的数据包覆盖邻居集示意图。
具体实施方式
一种高效的广播路由方法，如图1-图6所示，包括以下步骤：
步骤(1)定义链路L，以发送节点的位置为圆心，以无线通信最大传输范围为半径，且假设节点的最大无线传输范围相同；如果节点在另一个节点的通信范围内，则这两个节点是可以通信的，即它们之间存在一条链路L；
步骤(2)定义V是网络中的节点集，|V|表示网络中节点的数量， |S|表示任意节点集合中节点的数量；E表示VANET网络中一条连通的边；|E|表示边的数量；以(vi,vj)∈E(G)表示节点vi和vj有直接连接的边，即vi和vj相邻，节点vi和节点vj互为邻居节点；
步骤(3)连通支配集是图G中的节点集合对任一节点v要么v∈D，要么v是D中节点的邻居节点；
步骤(4)定义v是图G中的一节点，令集合Neighbor(v)表示v 的邻居集；
步骤(5)定义d(u1,u2)表示两顶点u1，u2之间的距离；R是节点最大传输距离，如果d(u1,u2)＜R，则顶点u1和u2有一条连通的边；
步骤(6)图G(V,E)为初始图，MCDS为该图的最小连通支配集；
步骤(7)对于节点数为n的初始连通图G(V,E)，构建该图最小连通支配集MCDS算法的时间复杂度为O(n2logn)；
步骤(8)定义令表示网络中节点的平均邻居个数；N表示网络中节点的总数量，Ui表示节点i的邻居个数，则网络中节点的平均邻居个数满足：
步骤(9)定义P为当前节点u广播数据包的概率，为当前节点邻居覆盖集中节点的个数，n为当前节点的邻居节点数，则P满足：
本发明公开了车载网中的一种高效的广播路由方法，令车载网中的每个节点都有唯一的ID以标识身份，对车载网热点区域中的车辆节点构造连通支配集；对每个要传输的数据包，选择连通支配里面的节点作为广播路由的中继车辆节点，并按一定的概率广播。
(1)最小连通支配集MCDS的构造：
首先构建以当前节点S为中心的初始连通图G。根据步骤三可知，要使连通支配集内的节点数更少，则要保证选入连通支配集内的节点具有更多的邻居节点。在连通图G(V，E)中，当前节点的邻居节点数就是该节点的度，所以，在选择连通支配集内的节点时，将节点的度作为权衡参数，节点的度越大其权值越高。
本文用经典的最小生成树方法构造一个初始的连通支配集 G(V，E)，见图4。以G(V，E)为输入，用图5所示算法构建最小连通支配集MCDS。
图4所示算法是依据数据结构中经典的构造图方法来构造的，时间复杂度为O(n3)。图5所示算法的时间复杂度分析如下：
1)赋权值给图中的各边其时间复杂度为O(n)。
2)Prim算法生成最小生成树的时间复杂度是O(n2)。
3)选择非叶子节点。对于构建好的最小生成树中的节点，易知只需要依次判断节点的度是否是1就行了，所以该部分的时间复杂度是 O(n)。
4)去除冗余的节点。需要将初始支配集中的节点两两进行邻居节点的对比。对于n个节点，两两遍历需要查询次数是n(n-1)/2。假设两节点拥有的邻居节点数是m1和m2，邻居节点集中的节点以ID号按序排列，则判断两节点的邻居集是否存在包含关系需要的查询步骤是Max{m1,m2}。而在一个网络中如果每个节点拥有的邻居节点数超过5.1774logn时，该网络是全连通的。因此m1，m2均小于5.1774logn，所以该步的时间复杂度为O(n2logn)。
(2)连通支配集中节点的广播概率计算
构建了最小连通支配集后，本发明以连通支配集中的节点作为广播节点来广播数据包。为了进一步减少节点的广播数据包数量，减少传输冲突，提高信道利用率，对支配集中的节点，按概率广播的策略来广播数据包，据节点的密度和节点的邻居覆盖集来计算节点的广播概率
1)节点平均密度的计算
根据局部邻居节点信息来计算网络中节点的密度。如果一个节点的邻居节点数比网络中节点的平均邻居数多，则本文认为该节点所处的区域是节点密度大的区域。反之是节点密度稀疏的区域。
令表示网络中节点的平均邻居个数。N表示网络中节点的总数量，Ui表示节点i的邻居个数，则网络中节点的平均邻居个数可用下式计算。
2)节点的邻居覆盖集设定
节点的数据包覆盖邻居集是指已经接收到同一个数据包的该节点的一跳邻居节点集。如附图6，节点S将RREQ包广播到它的邻居节点A、B、C、D、E，由于节点C和节点E是D的邻居节点且已经收到了同样RREQ包，所以对于该RREQ包，D的邻居覆盖集就是节点C和节点E。
3)节点广播数据包的概率
当最小连通支配集构建完毕后，根据本节前面1)和2)的结果设定计算数据包p在当前节点中的广播概率函数式。由1)计算出当前网络中的节点平均密度即节点的平均邻居个数由2)判定节点邻居覆盖集的设定方法确定数据包p在当前节点的邻居覆盖集中的节点个数令n表示当前节点的邻居节点数。
则数据包被当前节点u广播的概率P，如下式计算：

Claims (1)

1.一种高效的广播路由方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)定义链路L，以发送节点的位置为圆心，以无线通信最大传输范围为半径，且假设节点的最大无线传输范围相同；如果节点在另一个节点的通信范围内，则这两个节点是可以通信的，即它们之间存在一条链路L；
步骤(2)定义V是网络中的节点集，|V|表示网络中节点的数量，|S|表示任意节点集合中节点的数量；E表示VANET网络中一条连通的边；|E|表示边的数量；以(vi,vj)∈E(G)表示节点vi和v j有直接连接的边，即vi和vj相邻，节点vi和节点vj互为邻居节点；
步骤(3)连通支配集是图G中的节点集合对任一节点v要么v∈D，要么v是D中节点的邻居节点；
步骤(4)定义v是图G中的一节点，令集合Neighbor(v)表示v的邻居集；
步骤(5)定义d(u1,u2)表示两顶点u1，u2之间的距离；R是节点最大传输距离，如果d(u1,u2)＜R，则顶点u1和u2有一条连通的边；
步骤(6)图G(V,E)为初始图，MCDS为该图的最小连通支配集；
步骤(7)对于节点数为n的初始连通图G(V,E)，构建该图最小连通支配集MCDS算法的时间复杂度为O(n2logn)；
步骤(8)定义令表示网络中节点的平均邻居个数；N表示网络中节点的总数量，Ui表示节点i的邻居个数，则网络中节点的平均邻居个数满足：
步骤(9)定义P为当前节点u广播数据包的概率，为当前节点邻居覆盖集中节点的个数，n为当前节点的邻居节点数，则P满足：
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