CN110213743A - 未接收到位图情况下的冲突检测避免方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了未接收到位图情况下的冲突检测避免方法，包括位图定义方法和位图检测方法；当车辆未接收到位图时，则需通过静默的方法检测是否存在隐藏终端。本发明的有益效果是能够解决高速移动节点(车辆)在车载自组织网络中广泛存在的隐藏终端问题；能够避免自组织网络中由于隐藏终端造成的数据丢包问题。

Description

未接收到位图情况下的冲突检测避免方法

技术领域

本发明属于车载自组织网络((Vehicular Ad hoc Networks,VANETs))通信技术领域，涉及基于位图的车载自组织网络中移动节点的通信冲突避免方法。

背景技术

车辆在车载自组织网络(Vehicular Ad hoc Networks,VANETs)中周期性广播合作感知消息(Cooperative Awareness Messages,CAMs)，实现道路安全信息在车－车和车－路之间的交互共享，以提高道路交通安全水平。而车辆的高速移动使得VANETs网络拓扑结构动态变化，在CAM消息广播过程中容易造成隐藏终端问题，引发严重的数据丢包。由于CAM消息中包含了道路安全信息，如实时车速、加速度、超车预警等，频繁发生的数据丢包难以为驾驶员提供充足的道路安全信息，不能满足安全驾驶的要求。现有的解决方案假设车辆能够获得全局网络信息，对节点的广播时序进行调度以避免隐藏终端问题造成的广播冲突。考虑到 VANETs网络的动态拓扑结构以及无线通信链路的非可靠特性，在分布式环境下获取全局网络信息是困难的，并不适用于CAM消息在VANETs网络中的可靠传输。本文提出了位图的概念，用于记录车辆对VANETs网络中CAM消息的接收状态。每个车辆与周围其他邻居车辆交换各自的位图，通过比较各个车辆对CAM 消息的接收状态对潜在的数据冲突进行诊断、处理。由于位图被嵌入在每个车辆周期性广播的数据包中，无需引入额外的通信开销就可以实现分布式VANETs 网络环境下CAM消息的可靠广播传输，提高交通安全水平。

车辆通过GPS授时服务对信道时间进行同步。同步后的信道时间被分割为等长度的时间槽。车辆利用自组织时分复用技术 (SelforganizedTimeDivisionMultipleAccess,STDMA)对信道进行访问控制。相比时分复用技术(TimeDivisionMultipleAccess,TDMA)，STDMA具有更高的信道利用率；而相比载波监听多路访问技术(CarrierSenseMultipleAccess，CSMA)， STDMA又具有较低的数据冲突率和延时可控性。如图2所示，每个广播周期包含4个时间槽，车辆在加入网络时抢占一个时间槽用于周期性广播CAM消息。车辆根据C-ITS通信标准的规定生成CAM消息，CAM消息的生存周期 (Time-To-Live,TTL)从其生成时刻开始，到源车辆生成新的CAM消息结束。在CAM消息TTL结束前，车辆在每个广播周期内对其进行重复广播。一方面可以通过重复广播提高CAM消息的传输成功率，另一方面也可以通过重复广播表征车辆在当前网络中处于活跃状态。接收到的CAM消息被存储在各个车辆的接收缓存Fi中，在生存周期TTL结束时被及时清除。车辆在周期性广播的数据包中还附带了位图(bitmap)，用于记录车辆对CAM消息的接收状态。

发明内容

本发明的目的在于提供未接收到位图情况下的冲突检测避免方法，本发明的有益效果是能够解决高速移动节点(车辆)在车载自组织网络中广泛存在的隐藏终端问题；能够避免自组织网络中由于隐藏终端造成的数据丢包问题，提高数据包传输的接收率，缩短数据包传输的延迟，降低数据包传输的网络负载；在无需获取全局网络信息的条件下，通过局部网络信息对车载自组织网络中潜在的隐藏冲突进行避让。

本发明所采用的技术方案是包括位图定义方法和位图检测方法；

1、位图定义方法：

考虑一个周期为T的CAM广播，每个周期包含n个时间间隙，当且仅当车辆v_i在t时刻被调度进行CAM广播时，生成一个位图该位图为一个1×n的二进制向量，用于记录当前广播周期(t-T,t)时间段内车辆v_i对数据包的接收状态，即每个向量元素表征车辆v_i在当前周期(t-T,t)时间段内第j个时间间隙中对数据包的接收状态；

(1)对于当前t时刻所对应的时隙，如果车辆v_i在该时隙中被调度进行CAM 广播，则将其对应的向量元素恒定标记为1，即

(2)对于当前周期(t-T,t)时间段内其他(n-1)个时隙，

-如果车辆v_i在该时间间隙内成功接收到一个数据包，则将其对应的元素标记为1，即

-如果车辆v_i在该时隙内未接收到任何数据包，则将其对应的元素标记为0，即

2、位图检测方法

当车辆未接收到位图时，需通过静默的方法检测是否存在隐藏终端；

进一步，未接收到位图情况下使用试探静默法进行冲突检测。根据同一时隙被车辆重复占用的次数将其分为以下三类

(1)时隙(t-1)仅被一个车辆v_i占用

由于车辆未能接收到包含位图的数据包，无法根据位图中比特位的状态来决定车辆何时静默，因而当车辆未接收到位图时，通过随机静默的方法来解决。

(2)时隙(t-1)被两个车辆v_i和v_j占用

时隙(t-1)同时被车辆v_i和v_j占用，假设车辆v_i于第N个广播周期中随机静默，由于该周期中车辆v_j仍在正常广播CAM消息，故车辆v_i广播时隙(t-1)的比特位状态保持为1不变，表明车辆v_i与某一车辆同时占用了该时隙产生广播冲突，该广播周期结束后，车辆v_i在新一轮广播周期中重新随机占据一个空闲时隙，并将静默标记位Flag_Temp_Silence重置为0；

(3)时隙(t-1)被车辆v_i和其他多个车辆{v_j,...,v_k}占用

时隙(t-1)同时被多个车辆v_i、v_j、...、v_k占用，假设车辆v_i于第N个广播周期中随机静默，由于该周期中除车辆v_i以外的其余车辆均在正常广播CAM消息，使得车辆v_i处发生数据冲突，其位图中时隙(t-1)的比特位状态由1变化至0，但车辆v_i侦测到时隙(t-1)内的接收信号强度RSSI值高于传输单个数据包的阈值，因此车辆v_i判断时隙(t-1)当前处于复占用状态，随后在新一轮广播周期中，车辆 v_i重新占据了时隙(t-6)广播CAM消息，并将静默标记位Flag_Temp_Silence重置为0。

进一步，通过随机静默的方法来解决具体为：车辆连续广播一段时间后，将随机在某个广播周期中静默，静默前在数据包中引入一个静默标记位 Flag_Temp_Silence，并将其设置为1，用于告知VANET网络中的邻车将进行静默对潜在的隐藏终端冲突进行检测，如果车辆随机静默后未在其占用时隙内未接收到数据包且侦测到接收信号强度值低于传输单个数据包的阀值表明当前时隙内未发生隐藏终端冲突，则车辆延长下一次进行随机静默的时间，否则，车辆将延长下一次进行随机静默的时间。

附图说明

图1是网络拓扑结构以及位图的生成，位图的对齐；

图2是接收到位图的情况；

图3是车辆vi静默后未检测到隐藏终端；

图4是车辆vi静默后检测到隐藏终端；

图5是多辆车占用同一时隙，车辆v_i静默。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

1、位图定义方法：

考虑一个周期为T的CAM广播，每个周期包含n个时间间隙。当且仅当车辆v_i在t时刻被调度进行CAM广播时，生成一个位图该位图为一个1×n的二进制向量，用于记录当前广播周期(t-T,t)时间段内车辆v_i对数据包的接收状态，即每个向量元素表征车辆v_i在当前周期(t-T,t)时间段内第j个时间间隙中对数据包的接收状态。

(1)对于当前t时刻所对应的时隙，如果车辆v_i在该时隙中被调度进行CAM 广播，则将其对应的向量元素恒定标记为1，即

(2)对于当前周期(t-T,t)时间段内其他(n-1)个时隙，

-如果车辆v_i在该时间间隙内成功接收到一个数据包，则将其对应的元素标记为1，即

-如果车辆v_i在该时隙内未接收到任何数据包，则将其对应的元素标记为 0，即

图1描述了车辆v_i生成位图的步骤，圆点代表车辆，其对应的虚线圆圈代表该车辆的广播范围。车辆之间的实线表示其通信链路是稳定的；虚线表示通信线路是不稳定的；车辆之间没有连线则表示超出了彼此的广播范围。不妨假设每个广播周期包含4个时隙，且广播的顺序依次为v₁→(v₂,v₃)→X→v₄，其中，(v₂,v₃) 表征车辆v₂和车辆v₃占用同一个时隙进行广播，X则表征该时隙没有被车辆占用。

图1(b)中，弧形箭头表征广播顺序，圆内的车辆v_i表征车辆在其对应的时隙 (t-x)中被调度进行CAM广播，每个扇形区域中v_i均对应车辆v₁、v₂、v₃、v₄，而车辆v₁、v₂、v₃、v₄分别对应一个二进制数值0或1，以表征车辆v_i在该时隙内广播时，它们是否接收到v_i发送的数据包。

以车辆v₁为例，在图1(b)描述它生成位图的过程。时隙(t-1)中，车辆v₁被调度进行CAM广播，故车辆v₁将该时隙对应的比特位标记为1(图1(b)中的阴影部分，下同)；时隙(t-2)中，车辆v₂和车辆v₃同时占用该时隙进行广播，但车辆 v₁位于车辆v₂和车辆v₃的重叠广播区域内，故车辆v₁处发生数据冲突，车辆v₁在此时隙内未接收到任何数据包，将该时隙对应的比特位标记为0；时隙(t-3)中，没有车辆进行广播，车辆v₁将时隙对应的比特位标记为0；时隙(t-4)中，车辆v₄在该时隙内进行广播，由于车辆v₁和车辆v₄之间的通信链路不稳定，故车辆v₁在该时隙内未接收到任何数据包，将该时隙对应的比特位标记为0。此时，一个广播周期结束，在新的广播周期中，车辆v₁在时隙(t-5)中被调度进行CAM广播，并将该时隙的比特位标记为1。随后，将车辆v₁在各时隙中标记的比特位按广播顺序排列，如图1(b)下方所示。可以看出，当车辆v₁在时隙(t-5)中广播时，它生成了最新的位图

虽然不同车辆生成的位图长度一致，但均以自身广播时隙对应的比特位为结尾，因此，不同车辆产生的位图并不能辐射同一个广播周期内的数据包接收情况。例如，在图1(c)中，车辆v₁在时隙(t-5)生成的位图(图1(c)中阴影)和车辆v₄在时隙(t-4)生成的位图并不能辐射同一个广播周期内的数据包接收状况，因此需要将位图进行逻辑对齐。以车辆v₁为例，将它自身生成的位图与接收到的位图进行逻辑对齐。首先，在位图中找到车辆v₄进行广播的时隙，并将该时隙对应的比特位与位图的的末尾对齐，使得位图和共同时间段(时隙(t-2)、(t-3)、(t-4))内的比特位逻辑对齐，然后，将位图中尚未对齐的部分，即时隙(t-1)对应的比特位移动至该位图的末尾(图1(c)中箭头方向)。至此，两个位图中所有比特位的逻辑对齐完成，位图和能够辐射同一个广播周期(图1(c)中矩形框)内车辆对数据包的接收状况，便于通过位图的比对检测隐藏数据冲突。

2、位图检测方法

在VANET网络中，可以根据车辆是否接收到包含位图的数据包将其分为两种情况进行讨论，即车辆在接收到位图情况下的隐藏终端检测处理和车辆在未接收到位图情况下的隐藏终端检测处理。具体的检测处理方法可以概括为：当车辆接收到位图时，通过进一步比对位图中比特位的状态来判断是否存在隐藏终端；而当车辆未接收到位图时，则需通过静默的方法检测是否存在隐藏终端。

一、未接收到位图情况下的冲突检测

如果车辆未接收到包含位图的数据包，则无法通过比对自身位图与接收到位图的比特位状态的一致性来判断是否存在隐藏终端，如车辆v_i和v_j占用同一时隙广播，彼此均未能接收到对方的数据包而无法感知对方的存在。对于此类原因造成的问题，同样可以使用试探静默法进行冲突检测。根据同一时隙被车辆重复占用的次数将其分为以下三类。

(1)时隙(t-1)仅被一个车辆v_i占用

由于车辆未能接收到包含位图的数据包，无法根据位图中比特位的状态来决定车辆何时静默，因而当车辆未接收到位图时，可以通过随机静默的方法来解决。具体描述为：车辆连续广播一段时间后，将随机在某个广播周期中静默，静默前在数据包中引入一个静默标记位Flag_Temp_Silence，并将其设置为1，用于告知 VANET网络中的邻车将进行静默对潜在的隐藏终端冲突进行检测。如果车辆随机静默后未在其占用时隙内接收到数据包且侦测到接收信号强度值(Received Signal Strength Indicator,RSSI)低于传输单个数据包的阀值表明当前时隙内未发生隐藏终端冲突，则车辆延长下一次进行随机静默的时间，否则，车辆将缩短下一次进行随机静默的时间。

如图3所示，假设车辆v_i于第N个广播周期中随机静默，由于当前时刻时隙(t-1)仅被车辆v_i占用，故其位图中时隙(t-1)的比特位状态由1变化为0，表明车辆v_i未在时隙(t-1)内接收到数据包。尽管如此，车辆v_i仍不能判断时隙(t-1)仅被它占用，时隙(t-1)中可能还存在另一车辆v_j，并在该周期中车辆v_j也同时静默。但车辆侦测到时隙(t-1)内的接收信号强度RSSI值低于传输单个数据包的阈值，因此车辆v_i判断当前时隙仅被它一辆车占用，随后车辆v_i将静默标记位Flag_Temp_Silence重置为0，并在新一轮广播周期中继续广播CAM消息。

(2)时隙(t-1)被两个车辆v_i和v_j占用

如图4所示，时隙(t-1)同时被车辆v_i和v_j占用，假设车辆v_i于第N个广播周期中随机静默，由于该周期中车辆v_j仍在正常广播CAM消息，故车辆v_i广播时隙(t-1)的比特位状态保持为1不变，表明车辆v_i与某一车辆同时占用了该时隙产生广播冲突，该广播周期结束后，车辆v_i在新一轮广播周期中重新随机占据一个空闲时隙，如图4中的时隙(t-6)，并将静默标记位Flag_Temp_Silence重置为0。

(3)时隙(t-1)被车辆v_i和其他多个车辆{v_j,...,v_k}占用

如图5所示，时隙(t-1)同时被多个车辆v_i、v_j、...、v_k占用，假设车辆v_i于第 N个广播周期中随机静默，由于该周期中除车辆v_i以外的其余车辆均在正常广播 CAM消息，使得车辆v_i处发生数据冲突，其位图中时隙(t-1)的比特位状态由1 变化至0，但车辆v_i侦测到时隙(t-1)内的接收信号强度RSSI值高于传输单个数据包的阈值，因此车辆v_i判断时隙(t-1)当前处于复占用状态，随后在新一轮广播周期中，车辆v_i重新占据了时隙(t-6)广播CAM消息，并将静默标记位 Flag_Temp_Silence重置为0。不难看出，尽管车辆v_i通过随机静默法检测出隐藏终端冲突，但时隙(t-1)内存在的隐藏终端冲突并未得到完全解决，然而随着时间的推移，时隙(t-1)内将陆续有车辆进行随机静默，届时它们通过随机静默以及侦测RSSI值即可检测到时隙(t-1)内存在的隐藏终端冲突，从而逐步解决时隙(t-1) 内存在的隐藏终端问题。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.未接收到位图情况下的冲突检测避免方法，其特征在于：包括位图定义方法和位图检测方法；

1、位图定义方法：

考虑一个周期为T的CAM广播，每个周期包含n个时间间隙，当且仅当车辆v_i在t时刻被调度进行CAM广播时，生成一个位图该位图为一个1×n的二进制向量，用于记录当前广播周期(t-T,t)时间段内车辆v_i对数据包的接收状态，即每个向量元素表征车辆v_i在当前周期(t-T,t)时间段内第j个时间间隙中对数据包的接收状态；

(1)对于当前t时刻所对应的时隙，如果车辆v_i在该时隙中被调度进行CAM广播，则将其对应的向量元素恒定标记为1，即

(2)对于当前周期(t-T,t)时间段内其他(n-1)个时隙，

-如果车辆v_i在该时间间隙内成功接收到一个数据包，则将其对应的元素标记为1，即

-如果车辆v_i在该时隙内未接收到任何数据包，则将其对应的元素标记为0，即

2、位图检测方法

当车辆未接收到位图时，则需通过静默的方法检测是否存在隐藏终端。

2.按照权利要求1所述未接收到位图情况下的冲突检测避免方法，其特征在于：未接收到位图情况下的冲突检测：使用试探静默法进行冲突检测。根据同一时隙被车辆重复占用的次数将其分为以下三类

(1)时隙(t-1)仅被一个车辆v_i占用

由于车辆未能接收到包含位图的数据包，无法根据位图中比特位的状态来决定车辆何时静默，因而当车辆未接收到位图时，通过随机静默的方法来解决。

(2)时隙(t-1)被两个车辆v_i和v_j占用

时隙(t-1)同时被车辆v_i和v_j占用，假设车辆v_i于第N个广播周期中随机静默，由于该周期中车辆v_j仍在正常广播CAM消息，故车辆v_i广播时隙(t-1)的比特位状态保持为1不变，表明车辆v_i与某一车辆同时占用了该时隙产生广播冲突，该广播周期结束后，车辆v_i在新一轮广播周期中重新随机占据一个空闲时隙，并将静默标记位Flag_Temp_Silence重置为0；

(3)时隙(t-1)被车辆v_i和其他多个车辆{v_j,...,v_k}占用

时隙(t-1)同时被多个车辆v_i、v_j、...、v_k占用，假设车辆v_i于第N个广播周期中随机静默，由于该周期中除车辆v_i以外的其余车辆均在正常广播CAM消息，使得车辆v_i处发生数据冲突，其位图中时隙(t-1)的比特位状态由1变化至0，但车辆v_i侦测到时隙(t-1)内的接收信号强度RSSI值高于传输单个数据包的阈值，因此车辆v_i判断时隙(t-1)当前处于复占用状态，随后在新一轮广播周期中，车辆v_i重新占据了时隙(t-6)广播CAM消息，并将静默标记位Flag_Temp_Silence重置为0。

3.按照权利要求1所述未接收到位图情况下的冲突检测避免方法，其特征在于：所述通过随机静默的方法来是车辆连续广播一段时间后，将随机在某个广播周期中静默，静默前在数据包中引入一个静默标记位Flag_Temp_Silence，并将其设置为1，用于告知VANET网络中的邻车将进行静默对潜在的隐藏终端冲突进行检测，如果车辆随机静默后未在其占用时隙内未接收到数据包且侦测到接收信号强度值低于传输单个数据包的阀值表明当前时隙内未发生隐藏终端冲突，则车辆延长下一次进行随机静默的时间，否则，车辆将延长下一次进行随机静默的时间。