CN110248392A - 一种车联网中基于节点效能的机会转发方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种车联网中基于节点效能的机会转发方法，包括以下步骤：步骤1，请求车辆节点s产生消息并需要将该消息转发至目的节点d；所述需转发消息所携带的消息副本数为N，请求车辆节点s将N_i个消息副本分配给候选节点i，i＝1,2,...,n，N_i≤N；其中，候选节点为请求车辆节点s的通信范围内的所有节点；步骤2，候选节点i将所接收到的N_i个消息副本转发至目的节点d。本发明对现有Spray and Wait路由机制进行改进，提高了消息转发的效率。

Description

一种车联网中基于节点效能的机会转发方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种车联网中基于节点效能的机会转发方法。

背景技术

车联网(Vehicular Ad-hoc Networks,VANETs)是由移动自组织网络 (MANET)发展而来，可以在没有基础设施的情况下自主组织网络，并且以车辆作为网络节点，集成了Adhoc网络，无线和蜂窝通信技术的功能，其中DSRC(专用短程通信)的标准化使得车辆和路侧单元能够形成VANETs，是智能交通系统(ITS)的核心组成部分。该网络旨在交换相关交通服务信息，以提高道路交通系统的安全性和高效性，最终实现人、车、路、环境深度融合，提高交通出行效率。VANETs依靠无线短距离通信技术实现了多种通信模式，其中：(1)车与车通信(Vehicle-to-Vehicle Communication,V2V)；(2)车与路边单元(Vehicle-to-RSUCommunication, V2R)之间的通信；(3)路边单元与路边单元(RSU-to-RSU Communication,R2R)的通信；(4)V2X通信，即混合模式，由于交通环境的复杂性，为了更好地实现交数据服务信息共享，一般采用该混合模式。由于VANETs 的拓扑结构与道路布局、车辆节点运动、通信环境等因素密切相关，因此具体特征有：1)通信交通环境的复杂性：车辆节点方向的变化、车辆密度不均匀、建筑物等的影响需要更复杂的信息传播方式。2)网络拓扑具有高动态性与非均匀性：由于车辆移动速度较快、道路上车辆密度分布极不均匀，导致网络拓扑不断变化。3)节点的移动可预测性：车辆节点的移动受限于道路结构、交通法规、车辆密度、车流状况以及路段限速等因素的影响。综合考虑这些因素以及根据出行者的社会特征和历史轨迹信息，构建移动轨迹预测模型。4)交通信息的获取与处理能力较强：车载传感器设备的发展对于车载自组织网络路由获取交通信息提供了支持，其中GPS导航系统提供的定位数据、车辆速度检测仪提供的速度及方向等信息都可作为路由决策的重要依据。

针对不同交通场景和不同传输需求，目前主要的几种VANETs路由协议：1)基于地理位置信息的路由协议：通过GPS设备可以获取车辆节点自身、邻居和目的地的位置，以此为基础做出下一跳选择的路由判断。2)基于移动轨迹信息的路由算法：挖掘车辆的历史行驶轨迹或全球卫星导航 (GPS)系统，结合当前车辆的行驶路径、位置、速度、方向等信息便可以对车辆未来的行驶路径进行预测。3)基于洪泛控制的机会路由算法：通过复制拷贝的方式来增加同一份数据包的副本数量，并以洪泛的机制将数据包消息副本传递给尽可能多的节点。4)基于历史信息的机会转发算法：统计车辆节点的历史信息以及历史过程中数据包成功投递的概率的评估，有目的性地转发数据包到邻居节点。

通过对现有路由方法以及转发机制的分析，传统的路由算法没有考虑到转发节的有效性，以及忽视了中继节点的传递潜能、传输可靠性、节点自身资源利用情况等的不同而导致节点的差异性。盲目且均等的分发消息副本数量，该算法在可划分区域的网络中，消息的转发效率较低。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种车联网中基于节点效能的机会转发方法，解决现有技术消息转发效率低的技术问题。

为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：

一种车联网中基于节点效能的机会转发方法，包括以下步骤：

步骤1，请求车辆节点s将所携带的N个消息副本中的N_i个消息副本分配给候选节点i，i＝1,2,...,n，N_i≤N；其中，候选节点为请求车辆节点s的通信范围内的所有节点；

步骤2，候选节点i将所接收到的N_i个消息副本转发至目的节点d，包括以下步骤：

步骤2.1，将候选节点i作为当前待转发节点；

步骤2.2，将当前待转发节点遇到的第一个节点作为当前中继节点，若当前中继节点的运动方向与目的节点d的运动方向的夹角小于90°，则执行步骤2.4；否则，执行步骤2.3；

步骤2.3，若当前中继节点的相遇指数大于当前待转发节点的相遇指数，执行步骤2.4；

步骤2.4，当前待转发节点将N_i个消息副本转发给当前中继节点；

步骤2.5，将当前中继节点作为当前待转发节点，重复步骤2.2至步骤 2.4，直至N_i个消息副本转发给目的节点d。

进一步地，所述步骤1中请求车辆节点s将N_i个消息副本分配给候选节点i，包括以下步骤：

步骤1.1，通过公式一计算候选节点i的传输消息效用值U_i：

其中，ω表示可调参数，ω∈(0,1)；

表示候选节点i与目的节点d在T时间段内的连接效用值；

表示候选节点i与目的节点d在T时间段内的连接次数

表示n个候选节点在T时间段内与目的节点d的连接次数，l表示连接到节点的个数；

表示候选节点i将消息传递到目的节点d的概率预测效用值；

其中P(i,d)表示候选节点i与目的节点d的相遇概率预测值，P(j,d)表示候选节点j与目的节点d的相遇概率预测值，表示n个候选节点与目的节点d的相遇概率预测值的总和；

步骤1.2，根据候选节点i的传输消息效用值U_i，通过公式二得到请求车辆节点s分配给候选节点i的消息副本数N_i：

其中，U_s表示请求车辆节点s的传输消息效用值。

进一步地，通过公式三计算候选节点i与目的节点d的相遇概率预测值 P(i,d)：

P(i,d)＝P(i,d)_old+[(1-P(i,d)_old)×P_init×k^μ] 公式三

其中，P(i,d)_old为候选转发节点r和目的节点d上一次更新的相遇概率值； k为相遇持续时间内对转发概率的影响因子，k>1；P_init为初始常量，0≤P_init≤1；

μ为节点间相遇持续时间影响因子， 为候选节点i和目的节点d相遇q次的总时长；为候选节点 i与车联网中除目的节点d以外的其他节点之间相遇的总时长；为目的节点d与车联网中除目的节点d以外的其他节点之间相遇的总时长。

进一步地，通过公式四计算所述步骤2.3中当前中继节点的相遇指数

其中，Hops_(i,d)表示当前中继节点i到目的节点d所经历的跳数；表示当前中继节点在过去的单位时间T内所接触到的节点数；表示当前中继节点在过去的单位时间T内所接触到的节点数均值。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

1、本发明通过节点之间携带的多跳信息以及对历史运动过程的统计信息选择合适的中继节点进行转发，以此方式快速的实现移动车辆节点之间数据传输与信息共享。

2、本发明以节点的传输效能动态分配消息副本数量，不仅可以更好地提升消息的成功传输效率，也可避免传递能力较弱的节点传输消息产生的网络资源浪费。

3、本发明引入车辆节点的概率预测信息、地理位置信息、节点的运动属性以及相遇指数作为判断依据，选择更适合的中继节点，以提高车联网中的消息传输率、降低消息传输时延、网络负载和平均跳数等网络链路整体性能。

附图说明

图1为节点间相遇连接时间过程图；

图2为Spray阶段数据转发流程图；

图3为预测值比较过程示意图；

图4为Wait阶段数据转发流程图；

图5为节点运动场景示意图；

图6为节点运动方向示意图。

以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例：

本实施例给出一种车联网中基于节点效能的机会转发方法，本发明中请求车辆节点s产生消息并需要将该消息转发至目的节点d，请求车辆节点s 可以为车联网中任一车辆节点，包括以下步骤：

步骤1，请求车辆节点s将所携带的N个消息副本中的N_i个消息副本分配给候选节点i，i＝1,2,...,n，N_i≤N；其中，候选节点为请求车辆节点s的通信范围内的所有节点；

本发明中的车联网可以是城市道路交通的车联网网络，其中所有的节点均为车联网网络中的车辆。

如图2所示，包括以下步骤：

步骤1.1，通过公式一计算候选节点i的传输消息效用值U_i：

其中，ω表示可调参数，用于调节两个效用值的相对重要性，ω∈(0,1)；

表示候选节点i与目的节点d在T时间段内的连接效用值；

表示候选节点i与目的节点d在T时间段内的连接次数，

表示n个候选节点在T时间段内与目的节点d的连接次数，l表示连接到节点的个数；

表示候选节点i将消息传递到目的节点d的概率预测效用值；

其中P(i,d)表示候选节点i与目的节点d的相遇概率预测值，P(j,d)表示候选节点j与目的节点d的相遇概率预测值，表示n个候选节点与目的节点d的相遇概率预测值的总和；

通过公式三计算候选节点i与目的节点d的相遇概率预测值P(i,d)：

P(i,d)＝P(i,d)_old+[(1-P(i,d)_old)×P_init×k^μ] 公式三

其中，P(i,d)_old为候选转发节点r和目的节点d上一次更新的相遇概率值；k为相遇持续时间内对转发概率的影响因子，k>1；P_init为初始常量，0≤P_init≤1；

μ为节点间相遇持续时间影响因子， 为候选节点i和目的节点d相遇q次的总时长；为候选节点 i与车联网中除目的节点d以外的其他节点之间相遇的总时长；为目的节点d与车联网中除目的节点d以外的其他节点之间相遇的总时长。

图1说明了相遇持续时间表示的是两节点建立的通信链路能够保持持续连接状态的时间，该设置是允许两个节点彼此发送数据包的最小相遇连接时间，从而防止两个节点在没有足够通信时间的情况下开始向其他车辆节点发送数据包。

本发明中，如图1(a)，如果节点的相遇持续连接时间小于该算法定义的最小阈值则该连接节点被立即丢弃，请求车辆节点继续移动并选择具有较高估计相遇接触时间的邻居节点发送数据包消息，如果没有车辆节点的估计相遇接触时间大于或等于最小阈值则节点i返回空闲状态。如图1(b)所示，节点间的连接时间大于最小阈值则可以建立相对稳定的通信链接。如图1(c)所示，节点间的连接时间相对较长，该节点在历史过程中能够满足通信链路可靠性和稳定性。

步骤1.2，根据候选节点i的传输消息效用值U_i，通过公式二得到请求车辆节点s分配给候选节点i的消息副本数N_i：

其中，U_s表示请求车辆节点s的传输消息效用值。

本发明在消息传输的过程中，考虑到车联网环境的节点具有移动性，中继节点的传递潜能、传输可靠性、节点自身资源利用情况等的不同而导致节点的差异性。由于Sprayand Wait路由机制的Spray阶段，忽视了每个节点传输消息的能力不同、错综复杂的网络拓扑结构、节点的历史相遇信息等因素，使得该传输过程盲目且不够灵活。所以，综合考虑车辆节点的基于相遇连接时间的概率预测效用值、以及对节点在历史过程中的连接统计效用值，共同评价节点的消息传输能力，对于不同的节点区别对待，使得消息副本的分配更加合理高效。尽可能把消息发送给与自身节点能够建立可靠连接以及保持良好通信链路的下一跳节点，从而增强消息传输的有效性。

另外，本发明提出一种根据节点传输能力的不同动态分配消息副本数量的机制，在Spray and Wait路由机制的Spray阶段，由于其固定且均等的给相遇节点分发消息副本，该过程没能考虑到相遇节点的差异性。因此，引入节点传输能力的计算模型，通过该模型计算的节点效能值来动态分配其消息副本的数量。具体的，中继节点传递消息的能力值越大，应该分配给该节点更多的消息副本，改变了原来传统Spray and Wait路由算法在Spray阶段盲目均等的散发机制。本发明充分考虑了链路传输的可靠性和有效性，使该过程中的转发决策更为合理和高效，并以更快的速度完成消息副本的传输。同时，该方法的散发机制使得移动车辆节点能够更好的适应不断动态变化的网络环境。

步骤2，候选节点i将所接收到的N_i个消息副本转发至目的节点d，如图 4，包括以下步骤：

步骤2.1，将候选节点i作为当前待转发节点；

步骤2.2，将当前待转发节点遇到的第一个节点作为当前中继节点，若当前中继节点的运动方向与目的节点d的运动方向的夹角小于90°，则执行步骤2.4；否则，执行步骤2.3；

如图6中为节点j的运动方向、目的节点d的运动方向，其中节点j的位置坐标为目的节点d的位置坐标为则节点j与目的节点d的运动位置夹角为θ，

本实施例中的运动方向还可以为运动速度等运动属性。

步骤2.3，若当前中继节点的相遇指数大于当前待转发节点的相遇指数，执行步骤2.4；若当前待转发节点所遇到的当前中继节点均不满足上述两个条件，则当前待转发节点携带的消息副本就转发失败。

通过公式四计算所述步骤2.3中当前中继节点的相遇指数

其中，Hops_(i,d)表示当前中继节点i到目的节点d所经历的跳数；表示当前中继节点在过去的单位时间T内所接触到的节点数；表示当前中继节点在过去的单位时间T内所接触到的节点数均值，T表示节点相遇指数更新时间。

步骤2.4，当前待转发节点将N_i个消息副本转发给当前中继节点；

步骤2.5，将当前中继节点作为当前待转发节点，重复步骤2.2至步骤 2.4，直至N_i个消息副本转发给目的节点d。

本发明通过车辆节点的节点运动属性和相遇指数来建立消息的传输选择模型，使得原来被动等待目的节点的方式变为主动寻找下一跳节点，即当前节点在其通信范围内存在邻居节点时，选择更有效的中继节点将消息更快速的传输到目的地。特别的，数据转发的决策中移动车辆的运动属性非常重要，所以利用车联网中的车辆节点的运动特性可以有效地提高数据包的传输效率，降低消息转发时延。其中节点相遇指数作为节点运动属性的补充，如果节点的运动属性不符合要求，则进行节点相遇指数判断以增加中继节点的选择维度。Wait阶段的数据转发模型具体过如图5所示。

Claims (4)

1.一种车联网中基于节点效能的机会转发方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，请求车辆节点s将所携带的N个消息副本中的N_i个消息副本分配给候选节点i，i＝1,2,...,n，N_i≤N；其中，候选节点为请求车辆节点s的通信范围内的所有节点；

步骤2，候选节点i将所接收到的N_i个消息副本转发至目的节点d，包括以下步骤：

步骤2.1，将候选节点i作为当前待转发节点；

步骤2.2，将当前待转发节点遇到的第一个节点作为当前中继节点，若当前中继节点的运动方向与目的节点d的运动方向的夹角小于90°，则执行步骤2.4；否则，执行步骤2.3；

步骤2.3，若当前中继节点的相遇指数大于当前待转发节点的相遇指数，执行步骤2.4；

步骤2.4，当前待转发节点将N_i个消息副本转发给当前中继节点；

步骤2.5，将当前中继节点作为当前待转发节点，重复步骤2.2至步骤2.4，直至N_i个消息副本转发给目的节点d。

2.如权利要求1所述的车联网中基于节点效能的机会转发方法，其特征在于，所述步骤1中请求车辆节点s将N_i个消息副本分配给候选节点i，包括以下步骤：

步骤1.1，通过公式一计算候选节点i的传输消息效用值U_i：

其中，ω表示可调参数，ω∈(0,1)；

表示候选节点i与目的节点d在T时间段内的连接效用值；

表示候选节点i与目的节点d在T时间段内的连接次数

表示n个候选节点在T时间段内与目的节点d的连接次数，l表示连接到节点的个数；

表示候选节点i将消息传递到目的节点d的概率预测效用值；

其中P(i,d)表示候选节点i与目的节点d的相遇概率预测值，P(j,d)表示候选节点j与目的节点d的相遇概率预测值，表示n个候选节点与目的节点d的相遇概率预测值的总和；

步骤1.2，根据候选节点i的传输消息效用值U_i，通过公式二得到请求车辆节点s分配给候选节点i的消息副本数N_i：

其中，U_s表示请求车辆节点s的传输消息效用值。

3.如权利要求2所述的车联网中基于节点效能的机会转发方法，其特征在于，通过公式三计算候选节点i与目的节点d的相遇概率预测值P(i,d)：

P(i,d)＝P(i,d)_old+[(1-P(i,d)_old)×P_init×k^μ]公式三

其中，P(i,d)_old为候选转发节点r和目的节点d上一次更新的相遇概率值；k为相遇持续时间内对转发概率的影响因子，k>1；P_init为初始常量，0≤P_init≤1；

μ为节点间相遇持续时间影响因子， 为候选节点i和目的节点d相遇q次的总时长；为候选节点i与车联网中除目的节点d以外的其他节点之间相遇的总时长；为目的节点d与车联网中除目的节点d以外的其他节点之间相遇的总时长。

4.如权利要求1所述的车联网中基于节点效能的机会转发方法，其特征在于，通过公式四计算所述步骤2.3中当前中继节点的相遇指数

其中，Hops_(i,d)表示当前中继节点i到目的节点d所经历的跳数；表示当前中继节点在过去的单位时间T内所接触到的节点数；表示当前中继节点在过去的单位时间T内所接触到的节点数均值。