CN110234095B - 接收到位图情况下的冲突检测避免方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了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；如果车辆能够接收到包含位图的数据包，则需要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，具体而言，根据接收到的位图比特位的值0或1将隐藏终端的检测分为如下两种情况。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

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。本发明提出了位图的概念，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。
发明内容
本发明的目的在于提供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vi在t时刻被调度进行CAM广播时，生成一个位图
Figure BDA0002089760410000021
该位图
Figure BDA0002089760410000022
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vi对数据包的接收状态，即每个向量元素
Figure BDA0002089760410000023
表征车辆vi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vi在该时隙中被调度进行CAM广播，则将其对应的向量元素
Figure BDA0002089760410000024
恒定标记为1，即
Figure BDA0002089760410000025
(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vi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
Figure BDA0002089760410000026
标记为1，即
Figure BDA0002089760410000027
-如果车辆vi在该时隙内未接收到任何数据包，则将其对应的元素
Figure BDA0002089760410000028
标记为0，即
Figure BDA0002089760410000029
2、位图检测方法
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；如果车辆能够接收到包含位图的数据包，则需要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，具体而言，根据接收到的位图比特位的值0或1将隐藏终端的检测分为如下两种情况：
(1)接收到位图且比特位标记为0
假设车辆vi于时隙(t-6)内接收到车辆vj发送的位图
Figure BDA00020897604100000210
且在该位图中，车辆vi的广播时隙(t-5)对应的比特位被标记为0，出现了非对称数据丢包，即车辆vi收到了车辆vj的数据包，而车辆vj未收到车辆vi的数据包，由于车辆vj将车辆vi的广播时隙(t-5)对应的比特位标记为0，表明车辆vj在时隙(t-5)中未接收到任何数据包，造成该非对称数据丢包的原因主要有三类，分别为隐藏终端造成的数据冲突、车辆vj驶离车辆vi的广播范围造成网络拓扑结构的变化，以及车体、楼宇、信号干扰造成的通信链路不稳定，为统一解决上述三种原因导致的非对称数据丢包，通过试探静默法进行冲突检测。
进一步，通过试探静默法进行冲突检测过程为：如果车辆vi通过比对位图的比特位发现非对称数据丢包，则在其数据包引入一个静默标记位Flag_Temp_Silence，并将其设置为1，用于告知其他车辆将进行试探静默对潜在的隐藏终端冲突进行检测，在静默过程中，如果非对称数据丢包消失，即接收到的位图中比特位被重新标记为1，则表明车辆vi的广播与其他车辆的广播产生冲突，需要重新占用一个新的时隙来解决隐藏终端冲突问题，同时车辆vi将静默标记重置为0，以表征当前静默检测结束，如果非对称数据丢包未消失，即接收到的位图中比特位仍然被标记为0，则表明车辆vi的广播没有与其他车辆的广播产生冲突。此时，车辆vi无需占用新的时隙，且将静默标记位Flag_Temp_Silence重置为0。
(2)接收到位图且比特位标为1
假设车辆vi于时隙(t-6)内接收到车辆vj发送的位图
Figure BDA0002089760410000031
且在该位图中，车辆vi的广播时隙(t-5)对应的比特位被标记为1，由于车辆vj将车辆vi的广播时隙(t-5)对应的比特位标记为1，表明车辆vj在时隙(t-5)中已经成功接收到一个数据包，车辆vi和vj之间的通信链路是可靠的，不存在隐藏冲突。
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是车辆vi广播时隙对应的比特位值。
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vi在t时刻被调度进行CAM广播时，生成一个位图
Figure BDA0002089760410000032
该位图
Figure BDA0002089760410000033
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vi对数据包的接收状态，即每个向量元素
Figure BDA0002089760410000034
表征车辆vi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vi在该时隙中被调度进行CAM广播，则将其对应的向量元素
Figure BDA0002089760410000041
恒定标记为1，即
Figure BDA0002089760410000042
(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vi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
Figure BDA0002089760410000043
标记为1，即
Figure BDA0002089760410000044
-如果车辆vi在该时隙内未接收到任何数据包，则将其对应的元素
Figure BDA0002089760410000045
标记为0，即
Figure BDA0002089760410000046
图1描述了车辆vi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；虚线表示通信链路是不稳定的；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vi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vi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vi在该时隙内广播时，它们是否接收到vi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
Figure BDA0002089760410000047
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
Figure BDA0002089760410000051
(图1(c)中阴影)和车辆v4在时隙(t-4)生成的位图
Figure BDA0002089760410000052
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
Figure BDA0002089760410000053
与接收到的位图
Figure BDA0002089760410000054
进行逻辑对齐。首先，在位图
Figure BDA0002089760410000055
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
Figure BDA0002089760410000056
的末尾对齐，使得位图
Figure BDA0002089760410000057
和
Figure BDA0002089760410000058
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
Figure BDA0002089760410000059
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
Figure BDA00020897604100000510
和
Figure BDA00020897604100000511
能够辐射同一个广播周期(图1(c)中灰色矩形框)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。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、接收到位图情况下的隐藏终端检测
如果车辆能够接收到包含位图的数据包，则需要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。具体而言，可根据接收到的位图比特位的值(0或1)将隐藏终端的检测分为如下两种情况。
(1)接收到位图且比特位标记为0
如图2(a)所示，假设车辆vi于时隙(t-6)内接收到车辆vj发送的位图
Figure BDA00020897604100000512
且在该位图中，车辆vi的广播时隙(t-5)对应的比特位被标记为0，出现了非对称数据丢包，即车辆vi收到了车辆vj的数据包，而车辆vj未收到车辆vi的数据包。
由于车辆vj将车辆vi的广播时隙(t-5)对应的比特位标记为0，表明车辆vj在时隙(t-5)中未接收到任何数据包。造成该非对称数据丢包的原因主要有三类，分别为隐藏终端造成的数据冲突、车辆vj驶离车辆vi的广播范围造成网络拓扑结构的变化，以及车体、楼宇、信号干扰造成的通信链路不稳定。为统一解决上述三种原因导致的非对称数据丢包，可以通过试探静默法进行冲突检测。其具体过程可描述为：如果车辆vi通过比对位图的比特位发现非对称数据丢包，则在其数据包引入一个静默标记位Flag_Temp_Silence，并将其设置为1，用于告知其他车辆将进行试探静默对潜在的隐藏终端冲突进行检测。在静默过程中，如果非对称数据丢包消失，即接收到的位图中比特位被重新标记为1，则表明车辆vi的广播与其他车辆的广播产生冲突，需要重新占用一个新的时隙来解决隐藏终端冲突问题，同时车辆vi将静默标记重置为0，以表征当前静默检测结束。如果非对称数据丢包未消失，即接收到的位图中比特位仍然被标记为0，则表明车辆vi的广播没有与其他车辆的广播产生冲突。此时，车辆vi无需占用新的时隙，且将静默标记位Flag_Temp_Silence重置为0。
试探静默法的优势在于，它不需对具体是何种问题引起的丢包进行甄别，车辆仅需检测位图中比特位的状态变化即可判断是否存在潜在的隐藏终端冲突，相较于其他冲突检测方法，静默法省去了大量的跳隙操作，避免了频繁更换时隙可能带来的碰撞冲突问题，并在一定程度上节约了大量的通信开销。
(2)接收到位图且比特位标为1
如图2(b)所示，假设车辆vi于时隙(t-6)内接收到车辆vj发送的位图
Figure BDA0002089760410000061
且在该位图中，车辆vi的广播时隙(t-5)对应的比特位被标记为1。
由于车辆vj将车辆vi的广播时隙(t-5)对应的比特位标记为1，表明车辆vj在时隙(t-5)中已经成功接收到一个数据包，车辆vi和vj之间的通信链路是可靠的，不存在隐藏冲突。在极少数情况下，车辆vj接收到的数据包可能源于其他车辆。例如，车辆vi与车辆vk不在彼此广播范围内且在同一时隙广播，车辆vj未能接收到车辆vi的数据包而接收到车辆vk的数据包。该问题同样可以通试探静默法来解决，即车辆vi将静默标记位Flag_Temp_Silence设置为1并进入静默状态，如果车辆vj将位图标记位修改为0，则表示该数据包源于车辆vi。反之，如果车辆vi在静默时，车辆vj的位图标记位仍然为1，则表明该数据包源于其他车辆。考虑到该场景出现的概率较低，在本发明中对位图标记为1的状态不作处理，一旦车辆vi和vj之间的通信链路恢复，车辆vi和vk的并发广播会在车辆vj处产生隐藏冲突，则可以通过“接收到位图且比特位标记为0”的方法进行检测诊断。
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 (1)

1.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vi在t时刻被调度进行CAM广播时，生成一个位图
Figure FDA0003516011250000011
该位图
Figure FDA0003516011250000012
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vi对数据包的接收状态，即每个向量元素
Figure FDA0003516011250000013
表征车辆vi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vi在该时隙中被调度进行CAM广播，则将其对应的向量元素
Figure FDA0003516011250000014
恒定标记为1，即
Figure FDA0003516011250000015
(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vi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
Figure FDA0003516011250000016
标记为1，即
Figure FDA0003516011250000017
-如果车辆vi在该时隙内未接收到任何数据包，则将其对应的元素
Figure FDA0003516011250000018
标记为0，即
Figure FDA0003516011250000019
2、位图检测方法
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；如果车辆能够接收到包含位图的数据包，则需要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，具体而言，根据接收到的位图比特位的值0或1将隐藏终端的检测分为如下两种情况：
(1)接收到位图且比特位标记为0
假设车辆vi于时隙(t-6)内接收到车辆vj发送的位图
Figure FDA00035160112500000110
且在该位图中，车辆vi的广播时隙(t-5)对应的比特位被标记为0，出现了非对称数据丢包，即车辆vi收到了车辆vj的数据包，而车辆vj未收到车辆vi的数据包，由于车辆vj将车辆vi的广播时隙(t-5)对应的比特位标记为0，表明车辆vj在时隙(t-5)中未接收到任何数据包，造成该非对称数据丢包的原因主要有三类，分别为隐藏终端造成的数据冲突、车辆vj驶离车辆vi的广播范围造成网络拓扑结构的变化，以及车体、楼宇、信号干扰造成的通信链路不稳定，为统一解决上述三种原因导致的非对称数据丢包，通过试探静默法进行冲突检测；
(2)接收到位图且比特位标为1
假设车辆vi于时隙(t-6)内接收到车辆vj发送的位图
Figure FDA0003516011250000021
且在该位图中，车辆vi的广播时隙(t-5)对应的比特位被标记为1，由于车辆vj将车辆vi的广播时隙(t-5)对应的比特位标记为1，表明车辆vj在时隙(t-5)中已经成功接收到一个数据包，车辆vi和vj之间的通信链路是可靠的，不存在隐藏冲突；
所述通过试探静默法进行冲突检测过程为：如果车辆vi通过比对位图的比特位发现非对称数据丢包，则在其数据包引入一个静默标记位Flag_Temp_Silence，并将其设置为1，用于告知其他车辆将进行试探静默对潜在的隐藏终端冲突进行检测，在静默过程中，如果非对称数据丢包消失，即接收到的位图中比特位被重新标记为1，则表明车辆vi的广播与其他车辆的广播产生冲突，需要重新占用一个新的时隙来解决隐藏终端冲突问题，同时车辆vi将静默标记重置为0，以表征当前静默检测结束，如果非对称数据丢包未消失，即接收到的位图中比特位仍然被标记为0，则表明车辆vi的广播没有与其他车辆的广播产生冲突；此时，车辆vi无需占用新的时隙，且将静默标记位Flag_Temp_Silence重置为0。
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