CN109788457B - 一种基于局部拓扑特征和车辆位置信息的城市vanet多跳广播方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于局部拓扑特征和车辆位置信息的城市VANET多跳广播方法，将道路分割成十字路口预选区(IPA)、十字路口区域(IA)和普通区域。处于IA区域和非IA区域的车辆以不同方式计算退避等待时间。在非IA区域，候选转发车辆依据上一跳车辆局部拓扑的特征信息和相对速度计算退避等待时间，IA区域的车辆依据距十字路口中心点的距离来计算退避等待时间。目标区域的IA中的车辆将具有额外的广播机会，若IA中没有车辆，则IPA中的车辆在进入IA时有机会进行广播。等待时间最先结束的节点会广播紧急消息，新消息可视为隐式ACK，收到来自十字路口ACK的车辆停止计时放弃转发。本发明能够保障紧急消息的实时可靠传输。

Description

一种基于局部拓扑特征和车辆位置信息的城市VANET多跳广 播方法

技术领域

本发明属于车载自组网通信技术领域，具体是一种为了实现紧急消息在城市VANET中实时可靠传输的基于局部拓扑特征和车辆位置信息的多跳广播方法。

背景技术

VANET(Vehicular Ad Hoc Network)是一种特殊的移动自组织网络，具有传统自组织网络不同的特性，主要表现在车辆节点高速移动、网络拓扑快速变化、无线信道质量不稳定、自组织性、去中心化等特点。利用VANET，移动车辆能够快速准确的收集实时道路交通信息，并及时通知邻近车辆前方潜在的危险事件，避免产生更严重的事故，对于构建智慧交通系统有着非凡意义。本发明提出的方法主要服务于这一类行车安全性应用。

对于车载网络面向安全应用的消息传输，主要采用广播的方式，包括单跳和多跳通信。然而，不同于高速公路，城市交通环境更为复杂，因为道路拓扑形式更多样导致车辆行驶方向多变，高楼大厦等障碍物对无线通信信号的传输造成严重的阴影效应，导致数据包的丢失。现有VANET多跳广播方法大多是着眼于端到端通信，即已知源节点和终点，通过多跳广播把消息从源节点传到终点，一般在直路有很好的消息覆盖效果，而在十字路口往往只能保障消息在其中一个路段传输而未能完全覆盖其它路段。在挑选中继节点时，现有多数方法都会考虑车辆节点之间固定的相对距离这一因素，为了能更快地将消息传向远方，往往退避等待时间与相对距离成反比，然而在低车流密度场景下可能存在较远处并没有候选车辆，而较近处的候选车辆仍需等待较久的时间才能转发，从而出现“慢反应”问题，降低了转发效率；而有些方法在计算退避等待时间时仅考虑距离因素，导致有着与发送节点相同距离的候选车辆冗余广播，造成“局部广播风暴”问题。有些广播方法过分依赖路边通信单元(RSU)，导致实际应用场景有所局限。最后，现有大多数方法都忽略了十字路口周边障碍物的影响，将直线路段与十字路口区域同等考虑。不能兼顾消息传输的实时性和可靠性需求。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种适用于城市环境下基于局部拓扑特征和车辆位置信息的多跳广播方法，以实现由事故触发的紧急消息在城市VANET中的实时可靠传输。

根据接收到消息时车辆所处的区域来决定是否转发该消息以及相对应的退避过程。本发明采用如下技术方案：

一种基于局部拓扑特征和车辆位置信息的城市VANET多跳广播方法，其特征在于：

定义每个车辆节点都配备有电子地图和传感器收集自身位置、速度信息，并通过周期性广播的信标消息与其他节点互换这类信息，每个车辆节点V_i会在本地维护一个消息调度表S(i)，每个表项内容包括接收到的消息ID、消息的生存时间、是否是十字路口预选车标志(Flag)、重传次数、等待计时器、重广播等待计时器；

广播方法包含以下步骤：

S1：最先获悉某一交通事故的车辆作为源节点在自身通信范围内广播一个紧急消息，该紧急消息包括：

紧急消息的基本信息：包括消息ID、消息的类型(type)、消息的产生时间(t₀)和生存时间(T)；

上一跳转发车辆的相关信息：包括行驶方向θ、位置坐标(x₀,y₀)和速度

典型的特征信息：包括基于预测的有效通信距离(d_e)、交通密度(ρ)；

S2：收到紧急消息的车辆节点首先检查自身的消息调度表查看该消息ID是否在表中已存在，并根据判断结果选择执行：

若不在，表明接收到的是新消息，按步骤S3执行；

若在，表明收到的是已接收过的消息，按步骤S4执行；

S3：车辆根据消息中消息的类型、消息的传播方向和上一跳转发车辆的行驶方向信息判断自己是否在目标区域；若不在，则丢弃该消息；否则，将该消息放入数据缓存区，并将该消息的相关信息初始化后插入消息调度表中；然后车辆将根据自己是否处于IA区域，使用不同的方法来计算等待时间；若车辆处于IA区域，计算IWT，并将等待计时器的值置为IWT；若车辆不在IA区域，计算WT，将等待计时器的值置为WT，此时，如果车辆处于IPA区域，则将消息调度表中的Flag置为1；随后进入等待过程；

S4：查看等待计时器是否正在运行，如果它的等待计时器还未停止，为了防止冗余广播，只有当该消息来自非IA区域且车辆处于十字路口且未收到所有来自连接路口各条路段上的隐式ACK时，继续计时，否则，取消等待计时；并且如果该消息在调度表中的Flag为1，即该车辆是十字路口预选车(IPV)时，若收到的消息来自IA，则将Flag置为0，此时该车辆不再是IPV；

S5：等待时间最先结束的消息接收者成为转发节点，转发节点更新紧急消息调度表；

只有此消息的生存时间还未结束，转发节点才会将此消息广播给周围节点，否则丢弃该紧急消息不再转发；

如果是等待计时器时间结束，则车辆广播该紧急消息，并设置重广播等待计时，更新消息调度表；

如果是重广播等待计时器时间结束，则车辆广播该紧急消息，并将重广播次数(Times)加一，判断当前重广播次数是否小于最大重广播次数(Tmax)，若小于，则重新设置重广播等待计时，否则，丢弃该紧急消息；终止自身等待过程，放弃新一轮广播紧急消息的资格；转发节点新广播的紧急消息可视作一种隐式ACK信号。

在上述一种局部拓扑特征和车辆位置信息的城市VANET多跳广播方法，步骤S1中，为了帮助接收车辆做出最佳的中继决策，防止“慢反应”和“局部广播风暴”问题，发送车辆会将感知到局部拓扑信息嵌入到紧急消息的广播报文中；

第一个典型特征信息：基于预测的有效通信距离d_e计算如下：

假设当前发送节点为V_s，位置坐标为(x_s,y_s)，N_i为V_s的第i个邻居车辆，邻居表中记录着上一次交换信标消息的时间T_old及当时该邻居车辆的速度V_old；

首先，基于动力学预测N_i在当前时刻T所处的位置坐标(x_i,y_i)：

然后，算出所有邻居车辆N_i与当前车辆V_s的距离d_Ni：

则

第二个典型特征信息：车流密度ρ计算如下：

引用格林希尔治的速度-密度模型来估计实时的车流密度ρ，得到的实时密度的估计值为：

在上述一种局部拓扑特征和车辆位置信息的城市VANET多跳广播方法，步骤S2中，紧急消息的接收者们会根据所处区域的不同，结合接收到的消息中发送车辆的特征信息，以两种不同的方式计算自己的等待时间：

方式一、处于非IA区域的候选转发车辆等待时间WT计算如下：

其中，R是车辆的最大通信距离，d_ij是发送车辆和接收车辆之间的距离，

是该场景下的最大相对速度，WT_max为最大等待时间(根据以往研究的经验值，设置为100ms)，β是权重值，决定了各因素的影响大小，在我们的场景中，距离的影响要比相对速度更重要，所以β∈(0.5,1)，α是平衡因子来保证WT在一个合理的范围；

方式二、处于IA区域的候选转发车辆等待时间IWT计算如下：

为了最小限度的受到十字路口周边建筑物的干扰，我们会让最靠近十字路口中心的车辆优先转发；所以，d_jc是车辆和十字路口中心点之间的距离，d_c是IA区域中距十字路口中心的最远距离。

本发明提出的多跳广播方法是完全分布式的，不依赖RSU等设施，在挑选转发节点时不仅考虑了车辆移动还考虑了车辆局部拓扑特征和位置信息等因素，再配以消息确认和重传机制，不易受到网络拓扑频繁变化的影响，能有力保障紧急消息在城市VANET中的实时可靠传输。

附图说明

图1是本发明实施例的紧急消息数据帧格式示意图。

图2是本发明实施例的道路划分区域的示意图。

图3是本发明实施例的车辆接收到紧急消息时的处理流程图。

图4是本发明实施例的车辆中的计时器时间结束时的处理流程图。

图5是本发明实施例的车辆驶入IA区域时的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，但本发明的内容不限于下面所述的具体实施例。

本实施例基于以下假设：

(1)实施例处于车联网环境下，所有车辆配备有OBU元件可以相互通信；

(2)每个车辆节点都配备有电子地图和GPS等传感器收集自身位置、速度等信息，并通过周期性广播的信标消息与其他节点互换这类信息；

(3)道路划分成如图2所示的区域，分为交叉口区域(IA)和交叉口预选区域(IPA)，IPA表示该区域车辆的传输范围可以覆盖整个IA；

(4)不考虑行人、红绿灯和非机动车辆的影响。

1.对于发送车辆来说，在转发消息前将本车辆的基本信息和感知到的局部拓扑的特征信息嵌入到紧急消息的广播报文中，以帮助接收车辆接收到消息后进行中继决策。数据帧格式如图1所示。局部拓扑的特征信息感知方法如下：

S1：感知基于预测的有效通信距离d_e，计算如下：

首先，遍历邻居表，根据表中记录的邻居车辆N_i的基本信息，基于动力学预测N_i在当前时刻T所处的位置坐标(x_i,y_i)：

(x_s,y_s)为当前车辆的位置坐标，T_old为当前车辆与N_i上一次交换信标消息的时间，V_old为当时该邻居车辆的速度。

然后，算出所有邻居车辆N_i与当前车辆V_s的距离d_Ni：

则

S2：感知车流密度ρ，计算如下：

引用格林希尔治的速度-密度模型来估计实时的车流密度ρ，得到的实时密度的估计值为：

2.紧急消息的接收者们会根据所处区域的不同，结合接收到的消息中相关信息，以相应的方式计算自己的等待时间：

(1)处于非IA区域的候选转发车辆等待时间WT计算如下：

其中，R是车辆的最大通信距离，d_ij是发送车辆和接收车辆之间的距离，

是该场景下的最大相对速度，WT_max为最大等待时间(根据以往研究的经验值，设置为100ms)，β是权重值，决定了各因素的影响大小，在我们的场景中，距离的影响要比相对速度更重要，所以β∈(0.5,1)，α是平衡因子来保证WT在一个合理的范围。

(2)处于IA区域的候选转发车辆等待时间IWT计算如下：

对于接收车辆(候选转发车辆)来说，存在三种触发事件，下面根据附图，对这三种触发事件来进行详细说明：

触发事件一：车辆接收到紧急消息时，触发以下操作：

S1：收到紧急消息的车辆节点首先检查自身的消息调度表查看该消息ID是否在表中已存在。若不在，表明接收到的是新消息，按步骤S2执行；若在，表明收到的是已接收过的消息，按步骤S3执行；

S2：车辆根据消息中消息的类型、消息的传播方向和上一跳转发车辆的行驶方向等信息判断自己是否在目标区域。若不在，则丢弃该消息；否则，将该消息放入数据缓存区，并将该消息的相关信息初始化后插入消息调度表中。然后车辆将根据自己是否处于IA区域，使用不同的方法来计算等待时间。若车辆处于IA区域，计算IWT，并将等待计时器置为IWT；若车辆不在IA区域，计算WT，将等待计时器置为WT，此时，如果车辆处于IPA区域，则将消息调度表中的Flag置为1。随后进入等待过程；

S3：查看等待计时器是否正在运行，如果它的等待计时器还未停止，为了防止冗余广播，只有当该消息来自非IA区域(isIV＝0)且车辆处于IA区域且未收到所有来自连接路口各条路段上的隐式ACK时，继续计时，否则，取消等待计时。另外，如果该消息在调度表中的Flag为1，即该车辆是十字路口预选车(IPV)时，若收到的消息来自IA，则将Flag置为0，此时该车辆不再是IPV。

S4：等待时间最先结束的消息接收者成为转发节点，它更新紧急消息调度表。只有此消息的生存时间还未结束，转发节点才会将此消息广播给周围节点，否则丢弃该紧急消息不再转发。如果是等待计时器时间结束，车辆广播该紧急消息，并设置重广播等待计时(RWT)，RWT计算如下：

RWT＝WT_max+2*T_pd (7)

更新消息调度表；如果是重广播等待计时器时间结束，车辆广播该紧急消息，并将重广播次数(Times)加一，判断当前重广播次数是否小于最大重广播次数(Tmax)，若小于，则重新设置重广播等待计时，否则，丢弃该紧急消息，终止自身等待过程，放弃新一轮广播紧急消息的资格。注意，转发节点新广播的紧急消息可视作一种隐式ACK信号；

触发事件二：车辆中的计时器时间结束时，触发以下操作：

S1：判断该计时器是什么类型的计时器，若为等待计时器则按S2执行，若为重广播等待计时器则按S3执行，若为消息的生命计时器则按S4执行；

S2：广播该紧急消息，依据等式(7)计算并设置重广播等待时间RWT；

S3：广播该紧急消息，消息调度表中该消息的重传次数(Times)加一，若此时Times小于预先设置的最大重传次数(Tmax)，则丢弃该消息，否则重新计算并设置重广播等待时间RWT；

S4：该紧急消息的时效性已过，丢弃该消息。

触发事件三：当车辆配备的GPS结合电子地图检测到该车辆到达IA区域时，触发以下操作：

S1：遍历消息调度表，若消息调度表中有消息的生命计时未结束且该消息的标志位(Flag)为1时，计算IWT。若该消息的等待计时器在运行，则按S2执行；否则，若重广播等待计时器在运行，按S3执行。

S2：比较上一步计算得到的IWT与等待计时器中当前值的大小，若IWT小于当前值，则设置等待计时器的值为IWT，否则，维持当前值。

S3：比较第一步计算得到的IWT与重广播等待计时器中当前值的大小，若IWT大于当前值，将等待计时器置为重广播等待计时器的当前值，否则，将等待计时器置为IWT。最后，取消重广播等待计时器。

紧急消息的多跳广播实际是车辆经历这三个触发事件直到任意一个条件满足为止：①紧急消息生存时间降到0；②找不到转发节点；③重传次数达到预先设定的最大值。

上述机制，再配合本发明所述各步骤内提及的直接和间接隐式确认机制和超时重传机制，有力地保障了由紧急事故触发的紧急消息在城市VANET内的实时可靠传输。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的替换方式，这些都属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于局部拓扑特征和车辆位置信息的城市VANET多跳广播方法，其特征在于：

定义每个车辆节点都配备有电子地图和传感器收集自身位置、速度信息，并通过周期性广播的信标消息与其他节点互换这类信息，每个车辆节点V_i会在本地维护一个消息调度表S(i)，每个表项内容包括接收到的消息ID、消息的生存时间、是否是十字路口预选车标志(Flag)、重传次数、等待计时器、重广播等待计时器；

广播方法包含以下步骤：

S1：最先获悉某一交通事故的车辆作为源节点在自身通信范围内广播一个紧急消息，该紧急消息包括：

紧急消息的基本信息：包括消息ID、消息的类型(type)、消息的产生时间(t₀)和生存时间(T)；

上一跳转发车辆的相关信息：包括行驶方向θ、位置坐标(x₀,y₀)和速度

典型的特征信息：包括基于预测的有效通信距离(d_e)、交通密度(ρ)；

S2：收到紧急消息的车辆节点首先检查自身的消息调度表查看该消息ID是否在表中已存在，并根据判断结果选择执行：

若不在，表明接收到的是新消息，按步骤S3执行；

若在，表明收到的是已接收过的消息，按步骤S4执行；

S3：车辆根据消息中消息的类型、消息的传播方向和上一跳转发车辆的行驶方向信息判断自己是否在目标区域；若不在，则丢弃该消息；否则，将该消息放入数据缓存区，并将该消息的相关信息初始化后插入消息调度表中；然后车辆将根据自己是否处于IA区域，使用不同的方法来计算等待时间；若车辆处于IA区域，计算IWT，并将等待计时器的值置为IWT；若车辆不在IA区域，计算WT，将等待计时器的值置为WT，此时，如果车辆处于IPA区域，则将消息调度表中的Flag置为1；随后进入等待过程，IPA区域该区域车辆的传输范围可以覆盖整个IA区域，IA区域表示交叉口区域；

S4：查看等待计时器是否正在运行，如果它的等待计时器还未停止，为了防止冗余广播，只有当该消息来自非IA区域且车辆处于十字路口且未收到所有来自连接路口各条路段上的隐式ACK时，继续计时，否则，取消等待计时；并且如果该消息在调度表中的Flag为1，即该车辆是十字路口预选车(IPV)时，若收到的消息来自IA，则将Flag置为0，此时该车辆不再是IPV；

S5：等待时间最先结束的消息接收者成为转发节点，转发节点更新紧急消息调度表；

只有此消息的生存时间还未结束，转发节点才会将此消息广播给周围节点，否则丢弃该紧急消息不再转发；

如果是等待计时器时间结束，则车辆广播该紧急消息，并设置重广播等待计时，更新消息调度表；

如果是重广播等待计时器时间结束，则车辆广播该紧急消息，并将重广播次数(Times)加一，判断当前重广播次数是否小于最大重广播次数(Tmax)，若小于，则重新设置重广播等待计时，否则，丢弃该紧急消息；终止自身等待过程，放弃新一轮广播紧急消息的资格；转发节点新广播的紧急消息可视作一种隐式ACK信号。

2.根据权利要求1所述一种基于局部拓扑特征和车辆位置信息的城市VANET多跳广播方法，其特征在于：步骤S1中，为了帮助接收车辆做出最佳的中继决策，防止“慢反应”和“局部广播风暴”问题，发送车辆会将感知到局部拓扑信息嵌入到紧急消息的广播报文中；

第一个典型特征信息：基于预测的有效通信距离d_e计算如下：

假设当前发送节点为V_s，位置坐标为(x_s,y_s)，N_i为V_s的第i个邻居车辆，邻居表中记录着上一次交换信标消息的时间T_old及当时该邻居车辆的速度V_old；

首先，基于动力学预测N_i在当前时刻T所处的位置坐标(x_i,y_i)：

然后，算出所有邻居车辆N_i与当前车辆V_s的距离

则

第二个典型特征信息：交通密度ρ计算如下：

引用格林希尔治的速度-密度模型来估计实时的交通密度ρ，得到的实时密度的估计值为：

3.根据权利要求1所述一种基于局部拓扑特征和车辆位置信息的城市VANET多跳广播方法，其特征在于：步骤S2中，紧急消息的接收者们会根据所处区域的不同，结合接收到的消息中发送车辆的特征信息，以两种不同的方式计算自己的等待时间：

方式一、处于非IA区域的候选转发车辆等待时间WT计算如下：

其中，R是车辆的最大通信距离，d_ij是发送车辆和接收车辆之间的距离，

是该场景下的最大相对速度，WT_max为最大等待时间，β是权重值，β∈(0.5,1)，α是平衡因子来保证WT在一个合理的范围；

方式二、处于IA区域的候选转发车辆等待时间IWT计算如下：

为了最小限度的受到十字路口周边建筑物的干扰，让最靠近十字路口中心的车辆优先转发；所以，d_jc是车辆和十字路口中心点之间的距离，d_c是IA区域中距十字路口中心的最远距离。

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