CN109890060A

CN109890060A - 一种车载机会网络中基于节点合作度的rsu辅助信息传输方法

Info

Publication number: CN109890060A
Application number: CN201910158142.3A
Authority: CN
Inventors: 何亦昕; 蒋毅; 张若南; 潘松; 任书蝶
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2019-03-03
Filing date: 2019-03-03
Publication date: 2019-06-14
Anticipated expiration: 2039-03-03
Also published as: CN109890060B

Abstract

本发明提供了一种车载机会网络中基于节点合作度的RSU辅助信息传输方法，建立了转移模型，同时对信息进行了初始洪泛，使尽可能少的将信息转发给自私节点。同时为了避免信息过于集中，使某一节点缓存和能量快速被消耗，加入RSU节点辅助递交的方式，降低了网络资源的消耗。因而本发明克服了由于车载机会网络中节点缓存、能量有效导致网络性能受到限制的问题，提高了车载机会网络中信息的传输的成功率，降低了传输时延。

Description

一种车载机会网络中基于节点合作度的RSU辅助信息传输方法

技术领域

本发明涉及车载机会通信领域，尤其是一种应用于车载机会网络中的信息传输方法。

背景技术

车载机会网络(Vehicular Opportunistic Networks,VON)是一种特殊的由车辆和路边单元(Road Side Unit,RSU)组成的自组织网络。车载机会网络实现了智能交通网络中车辆与车辆、车辆与RSU之间的信息交互，是未来智能化城市网络的重要组成部分。

由于在车载机会网络中不存在一条稳定的端到端的传输路径，需要采用“存储-携带-转发”的机制来进行信息转发，这意味节点必须要使用自身资源为其他通信节点进行服务。而车载机会网络中是否进行信息转发是由节点自己决定的，并且节点能量与缓存有限，所以节点极有可能采用自私行为来提高自身信息的成功投递率。节点的自私行为主要包括丢弃信息和不进行信息转发两种方式，无论何种方式的自私行为都会导致车载机会网络的性能下降，降低传输成功率和增加传输时延和路由开销。而车载机会网络的应用要求则是需要将尽可能多的信息传递到目的节点，同时减少传输所消耗的资源和传输时延。因此，关于提高网络性能的路由算法成为当前研究的热点。而在车载机会网络中部署路边单元(road side unit,RSU)进行辅助通信可有效提升网络性能，因为RSU与普通车辆节点相比具有更高的缓存容量、处理能力和通信范围，并且可同时与多个车辆进行信息交互。

H.Zhao提出了一种基于节点社会关系的车载机会网络路由算法，该算法需在高密度车辆行驶区域进行使用才能保障网络性能，但在低密度车辆行驶区域则无法保障性能。L.Zhang提出了一种基于激励节点的车载机会网络路由算法，可通过增加节点转发意愿的方式来激励节点进行合作，但这种激励方式制约了车载机会网络中信息转发的合理性。Y.Gao通过预测节点行为的方式来改进以上算法，但其预测方式过于理想化，存在一定的不合理性，给实际应用也造成了一定的困难。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种车载机会网络中基于节点合作度的RSU辅助信息传输方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1：构建由N个车辆节点、R个RSU节点的车载机会网络模型；

构建包含N+R个通信节点的车载机会网络模型，所述N+R个通信节点为N个车辆节点和R个RSU节点，所述N个车辆节点中包括K₁个II类型通信节点、K₂个III 类型通信节点和N-K₁-K₂个I类型通信节点，所述RSU节点均为I类型通信节点；所述I类型通信节点为非自私节点，II类型通信节点为仅为同类型节点转发信息的通信节点，III类型通信节点为完全自私节点；

所述K₁和K₂值取值大于0；

所述车载机会网络模型表示为：

G＝{1,2,...,N,...,N+R}

步骤2：基于所述通信节点之间的类型，构建通信节点的转移模型；

当源节点开始信息投递时，若携带源节点消息副本的通信节点与中继通信节点相遇时，将出现以下三种情况，分别是：

当中继通信节点为I类型通信节点，则信息直接进行转发，消息副本所经历的跳数加1；

当中继通信节点为II类型通信节点，如携带源节点消息副本的通信节点也为II类型，则进行转发，消息副本所经历的跳数加1；若携带源节点消息副本的通信节点不是II类型通信节点，则不进行转发，消息副本所经历的跳数不变；

当中继通信节点为III类型通信节点，如携带源节点消息副本的通信节点所含信息与中继通信节点相关，则进行转发，消息副本所经历的跳数加1；若携带源节点消息副本的通信节点所含信息与中继通信节点不相关，则不进行转发，消息副本所经历的跳数不变；

基于上述三种情况，建立通信节点的转移模型，如下式所示：

其中，d为参与通信的通信节点个数，k₁为网络中参与中继传输的II类型通信节点数目，k₂为网络中参与中继传输的III类型通信节点数目，H_max为信息传递至目的节点或失效时的最大跳数，λ为携带源节点消息副本的通信节点与中继通信节点的接触概率，P_{success receive}为中继节点成功接收消息副本的概率，P_{drop information}为中继节点丢弃消息副本的概率，X表示转移模型状态，D表示中继节点即为目的节点，副本之后不再进行转发；

步骤3：基于步骤2的转移模型，进行I类型通信节点、II类型通信节点和III类型通信节点之间的初始信息洪泛；

当源节点产生信息后，源节点生成若干个消息副本，转发给未接受过该副本的邻居节点，在转发过程中，根据转移条件判断是否传输消息副本，并对通信节点之间的转移概率进行更新；

所述通信节点的转移模型与车载机会网络中通信节点的合作阈值以及消息副本类型有关，分为以下两种情况：

1).当下一跳节点的通信节点为II类型通信节点时，将通信节点的转移概率P_Transfer与合作阈值P_{Threshold II}进行比较，若P_{Threshold II}≤P_Transfer，则将消息副本进行传输，若 P_{Threshold II}＞P_Transfer则消息副本不进行传输；

2).当下一跳节点的通信节点为III类型通信节点时，首先对消息副本类型M_{Message type}进行判断，若M_{Message type}＝1，表明该消息副本与中继节点相关，则将消息副本进行传输，若M_{Message type}＝0，表明该消息与中继节点不相关，将通信节点的转移概率 P_Transfer与合作阈值P_{Threshold III}进行比较，若P_{Threshold III}≤_TraP_nsfer，则将消息副本进行传输，若P_{Threshold III}＞P_Transfer则消息副本不进行传输；

步骤4：基于步骤3中通信节点间的初始信息洪泛，构建RSU辅助递交方式；

步骤4.1：定义节点中心度，节点中心度计算如下：

其中，D_Centrality为节点中心性，x_i,j为bool型量，若节点i,j互相处于通信范围内，则x_i,j＝1，否则x_i,j＝0，n为N+R的总数；

步骤4.2：分别定义RSU节点与车辆节点的剩余能量分别为E_{Currently RSU}和E_{Currently vehicle}，计算如下：

E_{Currently RSU}＝E_{old RSU}-E_{t RSU}*N_t-E_{s RSU}*N_s-E_{init RSU}*T_r

E_{Currently vehicle}＝E_{old vehicle}-E_{t vehicle}*N_t-E_{s vehicle}*N_s-E_{init vehicle}*T_r

其中，RSU通信节点初始能量为E_{init RSU}，待机功耗为P_{s RSU}，车辆通信节点初始能量为E_{init vehicle}，待机功耗为P_{s vehicle}，两类通信节点能量更新周期为T_r，RSU与车辆收/发一次信息的能量消耗分别为E_{t RSU}和E_{t vehicle}，在T_r时间内收/发信息的次数为N_t，扫描一次周围节点的能量消耗为E_{s RSU}和E_{s vehicle}，在T_r时间内扫描的次数为N_s，RSU节点与车辆节点的剩余能量为E_{Currently RSU}和E_{Currently vehicle}；

步骤4.3：定义RSU节点与车辆节点的剩余缓存分别为B_{Currently RSU}与B_{Currently vehicle}，计算如下：

其中，RSU节点与车辆通信节点初始缓存空间为B_{init RSU}与B_{init vehicle}，每个信息大小为B_i，节点当前缓存的消息副本数量为C_n；

步骤4.4：基于步骤4.1到步骤4.3的节点中心度、剩余能量和剩余缓存，定义转发依据值，转发依据值计算如下：

value＝lg(a*D_Centrality+10)*lg(b*E_{Centrality RSU}+10)*lg(c*B_{Centrality RSU}+10)

其中a、b、c为调谐参数，取对数运算是为了消除调谐参数的异方差性，a、b、c 的取值均为大于0；

取所有通信节点的转发依据值的最大值，并选择转发依据值最大的RSU节点进行数据转发；

步骤5：对所述基于节点合作度的RSU辅助信息传输方法进行仿真可得传输成功率与传输时延，，仿真环境为ONE(Opportunistic Network Environment)，与基于相同网络参数的已有机制进行对比，且将本发明通过与已有机制比较传输成功率、传输时延。从而验证优越性。

本发明的有益效果是提出了一种车载机会网络中基于节点合作度的RSU辅助信息传输方法，用RSU辅助通信的方式实现网络性能的优化，克服了由于车载机会网络中节点缓存、能量有效导致网络性能受到限制的问题，提高了车载机会网络中信息的传输的成功率，降低了传输时延。

附图说明

图1为本发明基于节点合作度的RSU辅助信息传输方法流程图。

图2为本发明RSU辅助信息递交示例图。

图3为本发明与Epidemic+TFT算法、Spay and Wait+TFT算法、Bubble Rap算法在相同网络参数下的传输成功率对比图。

图4为本发明与Epidemic+TFT算法、Spay and Wait+TFT算法、Bubble Rap算法在相同网络参数下的传输时延对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明采用基于节点合作度的RSU辅助车载机会路由算法(The NodeCooperation for RSU Assisted Vehicular Opportunistic Networks，NR Router)，即可解决节点自私行为的问题，又可解决在低密度车辆行驶区域内性能减弱的问题，并可基于节点合作度自适应的选择中继节点进行信息的转发来提升网络的性能。

本发明的目的在于克服现有方法的缺点，提出一种适用于车载机会网络中基于节点合作度的RSU辅助信息传输方法。本发明对节点合作度进行了分析，建立了节点合作度类型转移模型，同时对信息进行了初始洪泛，使尽可能少的将信息转发给自私节点。同时为了避免信息过于集中，使某一节点缓存和能量快速被消耗，加入RSU节点辅助递交的方式，降低了网络资源的消耗。因而本发明方法可有效增加信息传输的成功率，降低传输时延和路由开销，提升网络性能，适用于具有多种复杂情况的车载机会网络实际使用场景，对车载机会网络的发展起到推到作用。

一种车载机会网络中基于节点合作度的RSU辅助信息传输方法，包括以下步骤：

所述K₁和K₂值取值大于0；

所述车载机会网络模型表示为：

G＝{1,2,...,N,...,N+R}

·当中继通信节点为I类型通信节点，则信息直接进行转发，消息副本所经历的跳数加1；

·当中继通信节点为II类型通信节点，如携带源节点消息副本的通信节点也为II类型，则进行转发，消息副本所经历的跳数加1；若携带源节点消息副本的通信节点不是II类型通信节点，则不进行转发，消息副本所经历的跳数不变；

·当中继通信节点为III类型通信节点，如携带源节点消息副本的通信节点所含信息与中继通信节点相关，则进行转发，消息副本所经历的跳数加1；若携带源节点消息副本的通信节点所含信息与中继通信节点不相关，则不进行转发，消息副本所经历的跳数不变；

2).当下一跳节点的通信节点为III类型通信节点时，首先对消息副本类型M_{Message type}进行判断，若M_{Message type}＝1，表明该消息副本与中继节点相关，则将消息副本进行传输，若M_{Message type}＝0，表明该消息与中继节点不相关，将通信节点的转移概率 P_Transfer与合作阈值P_ThresholdIII进行比较，若P_{Threshold III}≤_TraP_nsfer，则将消息副本进行传输，若P_ThresholdIII＞P_Transfer则消息副本不进行传输；

步骤4.1：定义节点中心度，节点中心度计算如下：

E_{Currently RSU}＝E_{old RSU}-E_{t RSU}*N_t-E_{s RSU}*N_s-E_{init RSU}*T_r

步骤5：对所述基于节点合作度的RSU辅助信息传输方法进行仿真可得传输成功率与传输时延，，仿真环境为ONE(Opportunistic Network Environment)，与基于相同网络参数的已有机制进行对比，且将本发明通过与已有机制比较传输成功率、传输时延来验证所述方法的优越性。

所述已有机制为带激励的Epidemic+TFT算法、Spay and Wait+TFT算法和 BubbleRap算法。

本发明实施例提供了车载机会网络中基于节点合作度的RSU辅助信息传输方法，参见图1和图2，详细步骤如下：

步骤1：构建由N个车辆节点、R个RSU节点的车载机会网络模型。

具体地，构建包含N+R个通信节点的车载机会网络模型，所述N+R个通信节点包括N个车辆节点，R个RSU节点，所述N个车辆节点中包括K₁个II类型通信节点、 K₂个III类型通信节点和N-K₁-K₂个I类型通信节点，所述RSU节点均为I类型通信节点。

步骤2：基于所述通信节点之间的节点合作度类型，构建转移模型；

具体地，当源节点开始信息投递时，若携带消息副本的通信节点与三种类型的中继通信节点相遇时，将出现以下三种情况，分别是：

·若中继通信节点的节点合作度为I类型，则信息可直接进行转发，消息副本所经历的跳数+1。

·若中继通信节点的节点合作度为II类型，则根据中继通信节点自身意愿进行转发，若进行转发则消息副本所经历的跳数+1；若不进行转发则消息副本所经历的跳数 +0。

·若中继通信节点的节点合作度为III类型，则根据信息内容进行转发，若该信息与自身相关，则进行转发消息副本所经历的跳数+1；若该信息与自身不相关，则不进行转发消息副本所经历的跳数+0。

基于上述三种情况，可建立节点合作度类型转移模型，如下式所示：

步骤3：基于转移模型，进行所述通信节点间的初始信息洪泛；

具体地，当源节点产生信息后，源节点将生成若干个消息副本转发给未接受过该副本的邻居节点，在转发过程中，本发明将根据节点合作度类型转移条件来判断是否传输消息副本，并对通信节点之间的转移概率进行更新。

本发明采用贝叶斯定理建立节点的转移更新公式，如下式所示：

P_Transfer＝P(X)＝∑P(X|d,k₁,k₂,H_max)*P(X|d,k₁,k₂,H_max) (5-13)

式中：

P_Transfer——更新后的节点转移概率；

∑P(X|d,k₁,k₂,H_max)——似然函数；

P(X|d,k₁,k₂,H_max)——先验概率；

根据所得的节点转移更新公式，需对节点合作度转移模型中的各类数据格式进行定义，具体定义如下表1所示：

表1节点合作度转移模型数据格式

消息副本的转发条件与车载机会网络中通信节点的合作阈值以及消息副本类型有关，主要分为以下两种情况：

1.当下一跳节点的合作度为II类型时，将节点转移概率与合作阈值P_Threshold进行比较，若P_{Threshold II}≤P_Transfer，则将消息副本进行传输，若P_{Threshold II}＞P_Transfer则消息副本不进行传输；

2.当下一跳节点的通信节点为III类型通信节点时，首先对消息副本类型M_{Message type}进行判断，若M_{Message type}＝1，表明该消息副本与中继节点相关，则将消息副本进行传输，若M_{Message type}＝0，表明该消息与中继节点不相关，将通信节点的转移概率P_Transfer与合作阈值P_{ThresholdΙΙΙ}进行比较，若P_{Threshold III}≤P_Transfer，则将消息副本进行传输，若P_{ThresholdΙΙΙ}＞P_Transfer则消息副本不进行传输；

步骤4：基于所述节点间的初始信息洪泛，构建RSU辅助递交方式；

具体地，分为以下4个步骤。

步骤4.1：定义节点中心度，节点中心度计算如下：

步骤4.2：定义RSU节点与车辆节点的剩余能量E_{Currently RSU}和E_{Currently vehicle}，计算如下：

E_{Currently RSU}＝E_{old RSU}-E_{t RSU}*N_t-E_{s RSU}*N_s-E_{init RSU}*T_r

步骤4.3：定义RSU节点与车辆节点的剩余缓存B_{init RSU}与B_{init vehicle}，计算如下：

步骤4.4：基于节点中心度、剩余能量、剩余缓存，定义转发依据值，并根据转发依据值选择RSU节点进行数据转发，转发依据值计算如下：

其中，a、b、c为调谐参数，取对数运算是为了消除调谐参数的异方差性。本发明将取调谐参数a、b、c为：a＝2，b＝1.5，c＝1。

步骤5：对所述基于节点合作度的RSU辅助信息传输方法和基于相同网络参数的已有机制进行仿真，验证所述方法的优越性。

具体地，已有机制为带激励的Epidemic+TFT算法、Spay and Wait+TFT算法和Bubble Rap算法。

计算机仿真条件设置为：4500m*3400m仿真区域，车辆与RSU的通信范围分别为30m和100m，缓存大小为30M和100M，车辆移动速度为40km/h-70km/h，传输数据大小为500KB-1MB，源节点产生新信息的频率为25s-35s之间。在仿真过程中，本发明根据节点合作度类型将车辆节点分为3类，III类型节点与II类型节点数量比为1： 1，将RSU节点定义为非自私节点；同时任何节点与非自私节点相互接触时，无需交互请求，信息可直接传输，当与自私节点相互接触时，存在请求交互。并根据节点合作度计算公式进行算法，仿真时节点合作度的范围为20％-80％。仿真结果将取仿真100 次的平均值。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种车载机会网络中基于节点合作度的RSU辅助信息传输方法，其特征在于包括下述步骤：

构建包含N+R个通信节点的车载机会网络模型，所述N+R个通信节点为N个车辆节点和R个RSU节点，所述N个车辆节点中包括K₁个II类型通信节点、K₂个III类型通信节点和N-K₁-K₂个I类型通信节点，所述RSU节点均为I类型通信节点；所述I类型通信节点为非自私节点，II类型通信节点为仅为同类型节点转发信息的通信节点，III类型通信节点为完全自私节点；

所述K₁和K₂值取值大于0；

所述车载机会网络模型表示为：

G＝{1,2,...,N,...,N+R}

其中，d为参与通信的通信节点个数，k₁为网络中参与中继传输的II类型通信节点数目，k₂为网络中参与中继传输的III类型通信节点数目，H_max为信息传递至目的节点或失效时的最大跳数，λ为携带源节点消息副本的通信节点与中继通信节点的接触概率，P_success _receive为中继节点成功接收消息副本的概率，P_drop _information为中继节点丢弃消息副本的概率，X表示转移模型状态，D表示中继节点即为目的节点，副本之后不再进行转发；

1).当下一跳节点的通信节点为II类型通信节点时，将通信节点的转移概率P_Transfer与合作阈值P_ThresholdII进行比较，若P_ThresholdII≤P_Transfer，则将消息副本进行传输，若P_ThresholdII＞P_Transfer则消息副本不进行传输；

2).当下一跳节点的通信节点为III类型通信节点时，首先对消息副本类型M_Message _type进行判断，若M_Message _type＝1，表明该消息副本与中继节点相关，则将消息副本进行传输，若M_Message _type＝0，表明该消息与中继节点不相关，将通信节点的转移概率P_Transfer与合作阈值P_Threshold _III进行比较，若P_Threshold _III≤_TraP_nsfer，则将消息副本进行传输，若P_ThresholdIII＞P_Transfer则消息副本不进行传输；

步骤4.1：定义节点中心度，节点中心度计算如下：

步骤4.2：分别定义RSU节点与车辆节点的剩余能量分别为E_Currently _RSU和E_Currently _vehicle，计算如下：

E_Currently _RSU＝E_old _RSU-E_t _RSU*N_t-E_s _RSU*N_s-E_init _RSU*T_r

E_Currently _vehicle＝E_old _vehicle-E_t _vehicle*N_t-E_s _vehicle*N_s-E_init _vehicle*T_r

其中，RSU通信节点初始能量为E_init _RSU，待机功耗为P_s _RSU，车辆通信节点初始能量为E_init _vehicle，待机功耗为P_s _vehicle，两类通信节点能量更新周期为T_r，RSU与车辆收/发一次信息的能量消耗分别为E_t _RSU和E_t _vehicle，在T_r时间内收/发信息的次数为N_t，扫描一次周围节点的能量消耗为E_s _RSU和E_s _vehicle，在T_r时间内扫描的次数为N_s，RSU节点与车辆节点的剩余能量为E_Currently _RSU和E_Currently _vehicle；

步骤4.3：定义RSU节点与车辆节点的剩余缓存分别为B_Currently _RSU与B_Currently _vehicle，计算如下：

其中，RSU节点与车辆通信节点初始缓存空间为B_init _RSU与B_init _vehicle，每个信息大小为B_i，节点当前缓存的消息副本数量为C_n；

value＝lg(a*D_Centrality+10)*lg(b*E_Centrality _RSU+10)*lg(c*B_Centrality _RSU+10)

其中a、b、c为调谐参数，取对数运算是为了消除调谐参数的异方差性，a、b、c的取值均为大于0；