CN109600715A - 一种车联网v2x通信辅助文件下载方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种车联网V2X通信辅助文件下载方法，当车辆进入RSU的通信范围之后，RSU与车辆之间建立连接，并使用道路划分的机制，当目的车辆无法在RSU内下载完音视频等文件时，簇内的车辆帮助该目的车辆进行下载，当车辆驶离RSU通信范围时，连接断开，由相对速度、相对距离和活跃度确定的亲密值确定合作车辆，该车辆辅助目的车辆下载文件，簇内外车辆之间进行合作传输，通过数据动态分配，完成部分文件下载。本发明不仅可以适应网络高速动态变化的场景，还能够适应通信两端链路不稳定甚至不完整的情况，本发明提出了车辆合作下载方法可以提高交付率并最大限度地减少网络资源的消耗，可以大大的缩短下载时间，同时经济效益上也非常实惠。

Description

一种车联网V2X通信辅助文件下载方法

技术领域

本发明属于智能交通领域，具体涉及一种车联网V2X通信辅助文件下载方法。

背景技术

近年来，随着汽车工业、电子通信、计算机等领域的飞速发展，智能交通系统(Intelligent Transportation System,ITS)正处于前所未有的蓬勃发展期，车载自组织网络(Vehicular Ad-Hoc Networks,VANET)的相关技术作为智能交通系统的重要组成部分，受到了学者的广泛关注和深入研究。同时，人们对汽车的需求也并不局限于“代歩”，更多的信息化需求如交通信息服务、电子收费、紧急救援和多媒体服务等应用也随之而来。VANET也为车辆用户提供实时音视频等文件下载服务，给枯燥的驾驶过程带来一些乐趣。不同于传统的Ad Hoc网络，VANET 网络具有拓扑变化更加频繁、节点移动更加高速的特点，且主要应用于城市与乡镇街道，车辆节点的移动特性受限于交通规则以及城市道路的分布。因此，设计出适合城市场景、高效、可靠的VANET路由协议对于车载自组织网络以及智能交通系统的发展具有重要的影响。

由于VANET中车辆内部和路边基础设施(RSU,Road-Side Unit)上安装了无线通信设备, 因此车辆可以通过车与车通信(V2V,Vehicular to Vehicular)以及车与路边基础设施通信(V2R, Vehicular to RSU)获取多媒体文件。已经广泛应用于智能交通系统的2G/3G网络和应用于车辆间的车辆专用短距离通信(DSRC)为车辆数据信息服务。对于2G/3G网络而言，当下载大型文件数据时，其数据传输速度不高且价格昂贵。为了克服以上车联网中数据分发遇到的困难，车辆间合作下载的方式就受到广泛学者的关注。如果所需的下载数据内容在一群中继车辆中，就可以通过其他车辆来下载该数据内容，那么使用V2V(Vehicle-to-Vehicle)车对车通信进行内容分发的方法可以大大的缩短下载时间，同时经济效益上也非常实惠。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种车联网V2X通信辅助文件下载方法，不仅可以适应网络高速动态变化的场景，还能够适应通信两端链路不稳定甚至不完整的情况，可以提高交付率并最大限度地减少网络资源的消耗。

本发明的目的是这样实现的：

一种车联网V2X通信辅助文件下载方法，具体的实现步骤如下：

步骤1.车辆请求下载，当车辆进入RSU的通信范围，RSU收到车辆发出的下载请求后， RSU与车辆之间建立连接，进行步骤2，当车辆驶离RSU通信范围时，连接断开，进入到步骤3；

步骤2.采用道路划分的机制，当目的车辆无法在RSU内下载完音视频文件时，根据车辆行驶速度，将车辆划分为簇，簇内的车辆帮助该目的车辆进行下载；

步骤3.根据活跃值、相对速度和连接时间确定亲密值；由亲密值确定合作车辆，合作车辆辅助目的车辆下载文件，继续向目的车辆传输消息或者文件；

步骤4.簇内外车辆之间进行合作传输，目的车辆D_e向RSU发送下载请求，并与RSU建立通信连接，簇内车辆在经过RSU时帮助目的车辆D_e下载已编码的文件，当簇内车辆与目的车辆长时间的通信时，将部分文件传输给目的车辆，当簇内部分车辆离开本簇，则将文件传输给簇外车辆，由簇外活跃车辆传输给目的车辆；

步骤5.根据车辆社会历史信息进行数据动态分配和动态删除，完成部分文件下载后，进入步骤3，进行其他文件的下载过程。

步骤2所述的道路划分机制为，将道路划分为K个路段，RSU位于K/2处，每个路段有不同的下载速度L_k，车辆依次通过K个路段，车辆越靠近RSU，数据传输速度越高。

步骤3所述的根据活跃值、相对速度和连接时间确定亲密值具体包括：R_i表示车辆N_i与目的车辆的亲密度，

其中I_i,j＝[w₁*c_i,1,w₂*c_i,2,w₃*c_i,3]＝[W₁,W₂,W₃]，w₁表示活跃值的影响因子，w₂表示相对速度的影响因子，w₃表示连接时间的影响因子，c_i,1表示活跃值归一化结果，c_i,2表示相对速度归一化结果，c_i,3表示连接时间归一化结果，W₁表示活跃值，W₂表示相对速度，W₃表示连接时间；I⁺表示最理想的情况，W₁ ⁺表示最大的活跃值，表示最小的相对速度，W₃ ⁺表示最大的连接时间。

步骤3所述的由亲密值确定合作车辆具体包括：通过计算车辆N_i的三个因素的方差，得到在目的车辆的通信范围内亲密值最小的车辆，将亲密值最小的车辆选为合作车辆。

步骤5所述的根据车辆社会历史信息进行数据动态分配和动态删除具体包括：当车辆向RSU请求消息的时候，RSU根据请求车辆当前的能量以及与其他车辆的历史相遇信息动态生成一定数量的数据文件传输给请求车辆，即当请求车辆进入到RSU的通信范围时，RSU动态生成数据包传输给请求车辆的计算公式为：

其中E_current为请求车辆当前的能量，E_init为请求车辆最初的能量，为一个最小的数据包生成数，S_FR为其他车辆消耗的能量，其中S_init为其他车辆的初始能量，S_occupy为其他车辆被占用的能量，H表示请求车辆与其他车辆的相遇次数。

本发明的有益效果在于：

本发明不仅可以适应网络高速动态变化的场景，还能够适应通信两端链路不稳定甚至不完整的情况，本发明提出了车辆合作下载方法可以提高交付率并最大限度地减少网络资源的消耗，可以大大的缩短下载时间，同时经济效益上也非常实惠。

附图说明

图1为本发明车辆进入RSU后信息传输方式图。

图2为本发明流程图。

图3为本发明簇内车辆辅助下载图。

图4为本发明车辆节点相遇时间间隔示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述：

实施例1

本发明为一种车联网V2X通信辅助文件下载方法，具体的实现步骤如下：

步骤1.车辆请求下载，当车辆进入RSU的通信范围，RSU收到车辆发出的下载请求后， RSU与车辆之间建立连接，进行步骤2，当车辆驶离RSU通信范围时，连接断开，进入到步骤3；

步骤2.采用道路划分的机制，当目的车辆无法在RSU内下载完音视频文件时，根据车辆行驶速度，将车辆划分为簇，簇内的车辆帮助该目的车辆进行下载；

步骤3.根据活跃值、相对速度和连接时间确定亲密值；由亲密值确定合作车辆，合作车辆辅助目的车辆下载文件，继续向目的车辆传输消息或者文件；

步骤4.簇内外车辆之间进行合作传输，目的车辆D_e向RSU发送下载请求，并与RSU建立通信连接，簇内车辆在经过RSU时帮助目的车辆D_e下载已编码的文件，当簇内车辆与目的车辆长时间的通信时，将部分文件传输给目的车辆，当簇内部分车辆离开本簇，则将文件传输给簇外车辆，由簇外活跃车辆传输给目的车辆；

步骤5.根据车辆社会历史信息进行数据动态分配和动态删除，完成部分文件下载后，进入步骤3，进行其他文件的下载过程。

步骤2所述的道路划分机制为，将道路划分为K个路段，RSU位于K/2处，每个路段有不同的下载速度L_k，车辆依次通过K个路段，车辆越靠近RSU，数据传输速度越高。

车辆在t₀时刻进入某个路段，T_i表示车辆离开某个路段的时间，表示车辆经过一个路段所需要的时间，则

v_min≤v_i(t₀+Δt·k)≤v_max

车辆依次通过K个路段，车辆越靠近RSU，数据传输速度越高，车辆从RSU的每个段下载的数据总量记为吞吐量ψ_i

步骤3所述的根据活跃值、相对速度和连接时间确定亲密值具体包括：R_i表示车辆N_i与目的车辆的亲密度，

其中I_i,j＝[w₁*c_i,1,w₂*c_i,2,w₃*c_i,3]＝[W₁,W₂,W₃]，w₁表示活跃值的影响因子，w₂表示相对速度的影响因子，w₃表示连接时间的影响因子，c_i,1表示活跃值归一化结果，c_i,2表示相对速度归一化结果，c_i,3表示连接时间归一化结果，W₁表示活跃值，W₂表示相对速度，W₃表示连接时间；I⁺表示最理想的情况，W₁ ⁺表示最大的活跃值，表示最小的相对速度，表示最大的连接时间。

步骤3所述的由亲密值确定合作车辆具体包括：通过计算车辆N_i的三个因素的方差，得到在目的车辆的通信范围内亲密值最小的车辆，将亲密值最小的车辆选为合作车辆。

步骤5所述的根据车辆社会历史信息进行数据动态分配和动态删除具体包括：当车辆向 RSU请求消息的时候，RSU根据请求车辆当前的能量以及与其他车辆的历史相遇信息动态生成一定数量的数据文件传输给请求车辆，即当请求车辆进入到RSU的通信范围时，RSU动态生成数据包传输给请求车辆的计算公式为：

其中E_current为请求车辆当前的能量，E_init为请求车辆最初的能量，为一个最小的数据包生成数，S_FR为其他车辆消耗的能量，其中S_init为其他车辆的初始能量，S_occupy为其他车辆被占用的能量，H表示请求车辆与其他车辆的相遇次数。

实施例2

一种车联网V2X通信辅助文件下载方法，本发明结合VANET网络的特点，为解决车辆合作下载文件过程中的问题提出了一种适用于高速公路场景下基于分簇的道路划分下载方法。其中，通过辅助车辆将信息传送给后台，也将为平行驾驶提供技术支持。

本发明提出的方法设计中主要分为以下三种机制：

·车辆采用一种基于分簇的道路划分下载机制，使用簇内和簇外车辆完成对整个文件的合作下载。

·根据车辆亲密值提出权重、相对速度、相对位置和活跃值来确定合作车辆策略。

·增加了数据动态分配机制，根据消息的优先级删掉优先级较低的旧的数据信息，以此保证数据信息的时效性和传输成功率。

工作主要集中在多用户协助下载通信的问题层面，RSU作为固定设施建立在道路两旁，可以与网络直接相连，每辆车上都配有通信接口，车车之间采用单播通信方式。车辆进入RSU 的通信范围之后，向RSU注册行驶速度、方向等信息，并且请求下载信息。不同于传统的基于车辆移动方向、速度和距离等物理信息寻找协作车辆进行文件信息传输，本发明提出的方法是利用车辆之间的历史相遇信息来选定合适的中继车辆进行合作下载。

步骤一：车辆请求下载。若RSU接收到车辆的下载请求，则进入步骤二。若车辆驶离RSU，则进入步骤三。

当车辆进入RSU的通信范围内，主动向RSU发送下载请求。RSU收到车辆发出的下载要求之后，RSU与车辆之间建立连接。当车辆驶离RSU通信范围时，连接断开。

步骤二：采用道路划分的机制，当目的车辆无法在RSU内完整下载音视频等文件时，簇内的车辆在RSU范围内帮助该目的车辆进行下载。

在RSU内，为了避免传统的下载方式，比如将文件平均分成若干份，这种方式限制了某些下载能力较高的车辆，本发明将道路划分为K个路段，RSU位于K/2处，越靠近中心下载速度越快。在RSU的覆盖范围内，横坐标表示道路分为K个路段，记为{L₁，L₂…L_K}，车辆将依次通过这些路段。纵坐标表示数据传输速度，越靠近RSU数据速度越高。因此，在道路划分模型中，车辆下载数据的速度取决于车辆的位置。

步骤三：通过计算相对速度、相对距离和活跃度确定的亲密值来确定合作车辆，该车辆辅助目的车辆下载文件，继续向目的车辆传输消息或者文件。

步骤四：车辆之间进行合作传输，根据车辆行驶速度，将车辆划分为簇。目的车辆D_e向RSU发送下载请求，并与RSU建立通信连接。簇内车辆在经过RSU时帮助目的车辆D_e下载已编码的文件。下载完成后，可以分为两种情况：

(1)因为簇内车辆速度相近，可以尽可能与目的车辆保持长时间的通信，将部分文件传输给目的车辆。

(2)簇内部分车辆如果因为路况原因，离开本簇，可以把文件传输给簇外合适的车辆，由簇外活跃车辆继续传输给目的车辆。

步骤五：进行数据动态删除，完成部分文件下载后，进入步骤三，进行其他文件的下载过程。

数据的时效性，即可能会出现一些即时消息经过一段时间后就会无效的情况。可以将车辆缓存数据的能力，以及车辆之间通信传输数据需要占用网络带宽和能量等统称为网络资源。为了尽可能提高目标车辆获得文件的成功率，同时节省网络资源，方案提出了数据动态删除机制。当车辆向RSU请求消息的时候，RSU根据请求车辆当前的能量以及与其他车辆的历史相遇信息动态生成一定数量的数据文件传输给请求车辆。请求车辆当前剩余的能量和缓存越大，可以转发的数据消息就越多。

步骤一：车辆请求下载

当车辆进入RSU的通信范围内并且RSU收到车辆发出的下载要求之后，RSU与车辆之间建立连接，向车辆传输相应的数据信息。当车辆驶离RSU通信范围时，连接断开，进入到合作下载阶段。

步骤二：采用道路划分的机制如图3所示，当目的车辆无法在RSU内完整下载音视频等文件时，簇内的车辆帮助该目的车辆进行下载。

在RSU内，为了避免传统的下载方式，比如将文件平均分成若干份，这种方式限制了某些下载能力较高的车辆。新方案将道路划分为K个路段，RSU位于K/2处，越靠近中心下载速度越快。在RSU的覆盖范围内，横坐标表示道路分为K个路段，记为{L₁，L₂…L_K}，车辆将依次通过这些路段。纵坐标表示数据传输速度，越靠近RSU数据速度越高。因此，在道路划分模型中，车辆下载数据的速度取决于车辆的位置。

根据参考文献，道路划分后每个路段有不同的下载速度L_k。假设车辆在t₀时刻进入某个路段，T_i表示车辆离开某个路段的时间，表示车辆经过一个路段所需要的时间。则有：

吞吐量是从RSU的每个段下载的数据总量。将吞吐量定义为车辆停留在道路的每个分段并累积每个分段下载的数据量。下载速度随着车辆的速度和位置而变化。

步骤三：使用亲密值确定合作车辆，该车辆辅助目的车辆下载文件。w₁,w₂,w₃表示每个因素的影响因子。根据以上分析可知，活跃值越大越理想，相对速度越小越理想，链接时间越大越理想。

用I⁺表示最理想的情况。w₁ ⁺,w₂ ^-,w₃ ⁺分别表示最大的活跃值，最小的相对速度，最大的链接时间。

在公式(4)中，车辆N_i与目的车辆的亲密度用可以R_i来表示。可以看出，亲密值越小越理想。通过计算车辆N_i的三个因素的方差，可以得到在目的车辆的通信范围内，亲密值最小的那个车辆，该车辆就可以被选为中继车辆，继续向目的车辆传输消息或者文件。

步骤四：车辆之间进行合作传输如图1所示。根据车辆行驶速度，将车辆划分为簇。目的车辆D_e向RSU发送下载请求，并与RSU建立通信连接。簇内车辆在经过RSU时帮助目的车辆D_e下载已编码的文件。下载完成后，可以分为两种情况：

(1)因为簇内车辆速度相近，可以尽可能与目的车辆保持长时间的通信，将部分文件传输给目的车辆。

(2)簇内部分车辆如果因为路况原因，离开本簇，可以把文件传输给簇外合适的车辆，由簇外活跃车辆继续传输给目的车辆。

在车联网环境中，节点可能频繁相遇，也可能偶尔相遇，如图4所示。U_i,j为簇外中继车辆N_i的活跃值，T_i,j为消息携带节点N_i和目的节点N_j的相遇时间，C_i,j为相遇次数，D_i,j为相遇持续时间。定义活跃值如下：

当簇内车辆因为转弯等路况因素离开某个簇时，该车辆可以选择活跃值高的车辆作为中继车辆，将部分文件传送给中继车辆，使文件可以继续传递给目的车辆。车辆节点具有更高的活跃值意味着其具有更高的消息投递潜力。根据消息携带节点N_i和目的节点N_j之间的相遇过程，可以设定相遇次数C_i,j，相遇持续时间D_i,j以及相遇时间T_i,j。不同的相遇持续时间和相遇时间周期可能会导致相同的相遇间隔，因此，采用它们的相遇次数C_i,j来加权(T_i,j-D_i,j)的值。通过上节对影响相遇过程中投递可能性的因素的讨论，可以发现T_i,j较短或D_i,j较长都能使 (T_i,j-D_i,j)取得较低值。因此，考虑(T_i,j-D_i,j)比仅考虑T_i,j更好。

下面给出参数相对速度的公式：

S_i,j表示消息携带车辆与目的车辆的相对速度，φ表示消息携带车辆与目的车辆的角度，其中，X由消息携带车辆的横坐标x_i和目的节点的横坐标x_j之差表示，Y由消息携带车辆的纵坐标y_i和目的节点的纵坐标y_j之差表示。连接时间定义如下：

连接时间是一个很重要的参数，可以使用链路连接预测方法来计算建立通信连接的时间。其中，connection_i,j表示消息携带车辆与目的车辆的连接时间，a表示消息携带车辆与目的车辆的横向速度之差，b表示消息携带车辆与目的车辆的横坐标之差，c表示消息携带车辆与目的车辆的纵向速度之差，d表示消息携带车辆与目的车辆的纵坐标之差。如果消息传递处在消息携带车辆与目的车辆的通信范围之内，两者可以保持较长的通信时间，就能最大可能传输文件，提高合作下载系统的服务质量。

由上述参数，不仅考虑了活跃值的拓扑因素，也加入了地理因素，因此车辆N_i与目的车辆的亲密度I_i,j可以表示为一个三维矩阵的形式。

I_i,j＝[v_i1,v_i,2,v_i,3] (10)

其中，V_i1代表车辆N_i的活跃值，V_i2表示车辆N_i与目的车辆的相对速度，V_i3表示车辆N_i与目的车辆的连接时间。

C_i,j表示每个因素归一化计算之后的结果，则亲密值可以表示为：

I_i,j＝[w₁*c_i,1,w₂*c_i,2,w₃*c_i,3] (11)

步骤五：进行数据动态分配，完成部分文件下载后，进入步骤三，进行其他文件的下载过程。

目标车辆需要获得的数据可能相同，也可能不同。同时，为了提高目标车辆最终获得消息传输的成功率，RSU对每份文件都会复制转发而不是仅仅产生一个数据包。但是每辆车处理文件的能力有限并且会受到多种因素的影响，例如数据的时效性，即可能会出现一些即时消息经过一段时间后就会无效的情况。车辆缓存数据的能力，以及车辆之间通信传输数据需要占用网络带宽和能量等，将其统称为网络资源。

为了尽可能提高目标车辆获得文件的成功率，同时节省网络资源，提出数据动态删除机制。假设所有的车辆能量有限且初始能量值相等，同时不考虑通信过程中能量的补充情况，即通信过程中节点的能量暂时保持不变或者消耗直至消耗殆尽。当车辆向RSU请求消息的时候，RSU根据请求车辆当前的能量以及与其他车辆的历史相遇信息动态生成一定数量的数据文件传输给请求车辆。请求车辆当前剩余的能量和缓存越大，可以转发的数据消息就越多。但是也存在两种可能：

(1)请求车辆剩余能量和缓存都较大，但与其他车辆联系比较少。(2)请求车辆与其他车辆频繁地联系，但剩余的能量和缓存较少。这两种情况都会导致请求车辆不适合承担较多数据转发的任务。为了解决该问题，定义如下的动态数据报生成机制。

其中如果请求车辆在一段时间内与其他车辆没有联系，

公式(12)的值可能会降为0，即RSU不会给请求车辆发送消息。但是因为车辆高速动态移动，过一段时间可能会与其他车辆相遇，但却会出现没有数据文件可以用于发送的问题，从而降低了文件投递率。因此，定义了一个最小的数据包生成数进一步修正公式(12)，得到如下的数据包动态生成机制。

即当请求车辆进入到RSU的通信范围时，RSU根据公式(13)动态生成数据包传输给请求车辆。

Claims (4)

1.一种车联网V2X通信辅助文件下载方法，其特征在于，具体的实现步骤如下：

步骤1.车辆请求下载，当车辆进入RSU的通信范围，RSU收到车辆发出的下载请求后，RSU与车辆之间建立连接，进行步骤2，当车辆驶离RSU通信范围时，连接断开，进入到步骤3；

步骤2.采用道路划分的机制，当目的车辆无法在RSU内下载完音视频文件时，根据车辆行驶速度，将车辆划分为簇，簇内的车辆帮助该目的车辆进行下载；

步骤3.根据活跃值、相对速度和连接时间确定亲密值；由亲密值确定合作车辆，合作车辆辅助目的车辆下载文件，继续向目的车辆传输消息或者文件；

步骤4.簇内外车辆之间进行合作传输，目的车辆D_e向RSU发送下载请求，并与RSU建立通信连接，簇内车辆在经过RSU时帮助目的车辆D_e下载已编码的文件，当簇内车辆与目的车辆长时间的通信时，将部分文件传输给目的车辆，当簇内部分车辆离开本簇，则将文件传输给簇外车辆，由簇外活跃车辆传输给目的车辆；

步骤5.根据车辆社会历史信息进行数据动态分配和动态删除，完成部分文件下载后，进入步骤3，进行其他文件的下载过程。

2.根据权利要求1所述的一种车联网V2X通信辅助文件下载方法，其特征在于：步骤2所述的道路划分机制为，将道路划分为K个路段，RSU位于K/2处，每个路段有不同的下载速度L_k，车辆依次通过K个路段，车辆越靠近RSU，数据传输速度越高。

3.根据权利要求1所述的一种车联网V2X通信辅助文件下载方法，其特征在于：步骤3所述的根据活跃值、相对速度和连接时间确定亲密值具体包括：R_i表示车辆N_i与目的车辆的亲密度，

其中I_i,j＝[w₁*c_i,1,w₂*c_i,2,w₃*c_i,3]＝[W₁,W₂,W₃]，w₁表示活跃值的影响因子，w₂表示相对速度的影响因子，w₃表示连接时间的影响因子，c_i,1表示活跃值归一化结果，c_i,2表示相对速度归一化结果，c_i,3表示连接时间归一化结果，W₁表示活跃值，W₂表示相对速度，W₃表示连接时间；I⁺表示最理想的情况，W₁ ⁺表示最大的活跃值，表示最小的相对速度，W₃ ⁺表示最大的连接时间。

步骤3所述的由亲密值确定合作车辆具体包括：通过计算车辆N_i的三个因素的方差，得到在目的车辆的通信范围内亲密值最小的车辆，将亲密值最小的车辆选为合作车辆。

4.根据权利要求1所述的一种车联网V2X通信辅助文件下载方法，其特征在于：步骤5所述的根据车辆社会历史信息进行数据动态分配和动态删除具体包括：当车辆向RSU请求消息的时候，RSU根据请求车辆当前的能量以及与其他车辆的历史相遇信息动态生成一定数量的数据文件传输给请求车辆，即当请求车辆进入到RSU的通信范围时，RSU动态生成数据包传输给请求车辆的计算公式为：

其中E_current为请求车辆当前的能量，E_init为请求车辆最初的能量，为一个最小的数据包生成数，S_FR为其他车辆消耗的能量，其中S_init为其他车辆的初始能量，S_occupy为其他车辆被占用的能量，H表示请求车辆与其他车辆的相遇次数。