CN110855563B - 一种基于链路可靠性和稳定性的车辆分簇方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了车联网信息传输技术领域的一种基于链路可靠性和稳定性的车辆分簇方法，旨在解决现有技术中车联网采用DSRC技术进行信息交互，数据量小，但交互频率高，会在一定程度上造成网络拥塞，进而对车联网的连通性和信息的实时性造成不利影响的技术问题。所述方法包括如下步骤：基于所获取的车辆动态信息进行车辆分簇；基于所获取的车辆动态信息计算簇内车辆的链路可靠性和链路稳定性；基于所述链路可靠性和链路稳定性，建立簇头选择优先指数；提取簇头选择优先指数最大的簇内车辆作为簇头。

Description

一种基于链路可靠性和稳定性的车辆分簇方法

技术领域

本发明涉及一种基于链路可靠性和稳定性的车辆分簇方法，属于车联网信息传输技术领域。

背景技术

目前，在车联网中，通常采用专用短程通信(Dedicated Short RangeCommunication，DSRC)技术进行信息交互，车辆需要周期性地把自己的行驶信息报告给基站，数据量小，但交互频率高，会在一定程度上造成网络拥塞，进而对车联网的连通性和信息的实时性造成不利影响。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于链路可靠性和稳定性的车辆分簇方法，以解决现有技术中车联网采用DSRC技术进行信息交互，数据量小，但交互频率高，会在一定程度上造成网络拥塞，进而对车联网的连通性和信息的实时性造成不利影响的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于链路可靠性和稳定性的车辆分簇方法，包括如下步骤：

基于所获取的车辆动态信息进行车辆分簇；

基于所获取的车辆动态信息计算簇内车辆的链路可靠性和链路稳定性；

基于所述链路可靠性和链路稳定性，建立簇头选择优先指数；

提取簇头选择优先指数最大的簇内车辆作为簇头。

进一步地，所述车辆动态信息，包括车辆位置、车辆速度。

进一步地，基于所获取的车辆动态信息进行车辆分簇，包括：

基于所获取的车辆位置进行初始分簇，获取初始簇；

基于所获取的车辆速度求取初始簇内车辆的入簇因子；

剔除初始簇内所述入簇因子大于预设阈值的车辆。

进一步地，所述预设阈值为0.5，所述入簇因子的计算公式如下：

式中，

为车辆u_i的入簇因子，μ_i为车辆u_i的车辆速度的平均值，v_{avg_m}为初始簇的平均速度。

进一步地，簇内车辆的链路可靠性的计算公式如下：

其中，

c_i＝count{D_i,j≤R}，

μ_i,j＝|μ_i-μ_j|；

式中，r_i为车辆u_i的链路可靠性，c_i为车辆u_i的邻居车辆数，D_i,j为车辆u_i与u_j之间的物理距离，R为车辆之间D2D的通信距离，(x_i,y_i)为车辆u_i的车辆位置，(x_j,y_j)为车辆u_j的车辆位置，x_i为车辆u_i沿其行驶方向的坐标，y_i为车辆u_i垂直于其行驶方向的坐标，x_j为车辆u_j沿其行驶方向的坐标，y_j为车辆u_j垂直于其行驶方向的坐标，r_i,j为车辆u_i相对于u_j的链路可靠性，T_i,j为车辆u_i与u_j之间的连通时间，f(t)为车辆u_i与u_j连通时间的概率密度函数，t为时间，v_i为车辆u_i的车辆速度，v_j为车辆u_j的车辆速度，

为车辆u_i相对于u_j的相对速度的方差，

为车辆u_i的车辆速度的方差，

为车辆u_j的车辆速度的方差，μ_i,j为车辆u_i相对于u_j的相对速度的平均值，μ_i为车辆u_i的车辆速度的平均值，μ_j为车辆u_j的车辆速度的平均值。

进一步地，簇内车辆的链路稳定性的计算公式如下：

其中，

c_i＝count{D_i,j≤R}，

式中，s_i为车辆u_i的链路稳定性，v_{ar_i}为车辆u_i在簇内的相对速度，c_i为车辆u_i的邻居车辆数，k_m为车辆的总数，v_i为车辆u_i的车辆速度，v_j为车辆u_j的车辆速度，D_i,j为车辆u_i与u_j之间的物理距离，R为车辆之间D2D的通信距离，(x_i,y_i)为车辆u_i的车辆位置，(x_j,y_j)为车辆u_j的车辆位置，x_i为车辆u_i沿其行驶方向的坐标，y_i为车辆u_i垂直于其行驶方向的坐标，x_j为车辆u_j沿其行驶方向的坐标，y_j为车辆u_j垂直于其行驶方向的坐标。

进一步地，簇头选择优先指数的计算公式如下：

λ_i＝αr_i+βs_i；

式中，λ_i为车辆μ_i的簇头选择优先指数，α和β为加权系数，r_i为车辆μ_i的链路可靠性，s_i为车辆μ_i的链路稳定性。

进一步地，还包括：提取簇头选择优先指数次大的簇内车辆作为备用簇头。

进一步地，还包括：

簇头接收基站发送的交通安全信息，并向簇内其余车辆广播；

簇头接收簇内其余车辆发送的车辆行驶信息，并向基站发送。

进一步地，所述交通安全信息包括前方路况信息、前方安全信息、突发紧急情况中的至少任一项，所述车辆行驶信息包括当前速度、运动轨迹、当前位置中的至少任一项。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

(1)本发明方法按位置对一定距离内的车辆进行分簇，为增加分簇的稳定性，在进行分簇时，定义了入簇因子，把平均相对速度比较大的车辆节点从簇内删除，避免由于该车辆与簇内其余车辆运动不一致而造成整体不稳定，因而提高了分簇通信链路的稳定性；

(2)本发明方法在选择簇头时，考虑了簇头与簇内其余车辆的通信时间、簇头的邻居车辆数、簇头与簇内其余车辆的链路稳定性以及簇头与簇内其余车辆的相对速度，不仅保证了簇头的稳定性，还保证了簇头的可靠性；

(3)本发明方法考虑到所选择的簇头可能会出现故障，因而还选取了一个备用簇头，一旦簇头出现故障，备用簇头可以立即投入使用，保证了车联网对于实时性的高要求；

(4)本发明方法在车联网中基于D2D技术的簇内消息传输，代替车联网中传统的DSRC技术，由于D2D通信方式的数据流量不经过基站和核心网，因而可以很好地优化运营商蜂窝网络负载，更具有可靠性和高性能的优势。

附图说明

图1是本发明方法实施例的流程图；

图2是应用本发明方法的车联网架构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，是本发明方法实施例的流程图。一种基于链路可靠性和稳定性的车辆分簇方法，包括如下步骤：

步骤1，车辆u_i在行驶过程中周期性地获取自己的动态信息，包括车辆位置(x_i,y_i)、车辆速度v_i、行驶车道(R₁、R₂……)，其中x_i为车辆u_i沿其行驶方向的坐标，y_i为车辆u_i垂直于其行驶方向的坐标。根据车辆位置，对行驶车辆进行初始分簇，获取初始簇。假设共存在N辆车，分别为u_i,i＝1,2,......,N，该N辆车共分为M个初始簇。

步骤2，假设车辆速度符合高斯分布，即车辆u_i服从

式中，μ_i为车辆u_i的车辆速度的平均值，

为车辆u_i的车辆速度的方差。计算初始簇的平均速度v_{avg_m}，其中m＝1,2,......,M。

步骤3，定义入簇因子如下：

式中，

为车辆u_i的入簇因子。如果

将该车辆u_i从初始簇内剔除，否则将该车辆u_i继续保留在其所属簇内。

步骤4，计算簇内车辆的链路可靠性，具体顺序如下：

(1)假设车辆之间设备到设备(Device-to-Device，D2D)的通信距离为R，簇内另一车辆u_j，服从于

其沿道路方向的位置、垂直于道路方向的位置、车辆速度以及平均速度分别为x_j、y_j、v_j和μ_j，

为车辆u_j的车辆速度的方差；

(2)计算车辆u_i与u_j之间的物理距离D_i,j，定义如下：

(3)计算车辆u_i与u_j之间的连通时间T_i,j，定义如下：

(4)计算车辆u_i与u_j连通时间的概率密度函数f(t)，定义如下：

其中，

μ_i,j＝|μ_i-μ_j|；

式中，

为车辆u_i相对于u_j的相对速度的方差，e为自然常数，t为时间，μ_i,j为车辆u_i相对于u_j的相对速度的平均值；

(5)计算车辆u_i相对于u_j的链路可靠性r_i,j，定义如下：

(6)计算车辆u_i的邻居车辆数c_i，定义如下：

c_i＝count{D_i,j≤R}；

(7)计算车辆u_i的链路可靠性r_i，定义如下：

步骤5，计算簇内车辆的链路稳定性，具体顺序如下：

(1)假设分簇后簇内车辆的总数为k_m，其中m＝1,2,......,M，定义车辆u_i在簇内的相对速度v_{ar_i}如下：

(2)计算车辆u_i在簇内的链路稳定性s_i，定义如下：

步骤6，建立簇头选择优先指数λ_i，定义如下：

λ_i＝αr_i+βs_i

式中，α和β为加权系数，可以根据实际的交通场景进行设置，通常情况下均设为0.5。

步骤7，对每台车辆的簇头选择优先指数按由小到大排序，将簇头选择优先指数最大的车辆选为簇头，考虑到车辆行驶的动态性，把簇头选择优先指数次大的车辆选为备用簇头。

步骤8，簇头接收基站发送的交通安全信息后，将其向簇内其余车辆广播，其余成员收到广播包后，自动定义自己为成员节点。

步骤9，簇内成员节点与簇头之间使用D2D通信，成员节点周期性地发送自己的行驶信息给簇头，包括当前速度、运动轨迹、当前位置等；簇头将所接收到的行驶信息向基站发送。

如图2所示，是应用本发明方法的车联网架构示意图，图中，CH为簇头，CH2为备用簇头，其余车辆为成员节点。簇头与基站之间采用蜂窝通信方式，簇头与各成员节点之间采用D2D通信方式，成员节点周期性地将当前速度、运动轨迹、当前位置等行驶信息发送给簇头，簇头收集并维护这些信息，周期性地汇报给基站；同时，簇头基于从基站接收到的信息，也会向各成员节点广播数据，包括前方路况信息、安全信息以及突发的紧急情况等，从而辅助车辆安全行驶，降低交通事故的发生率。由于D2D通信方式的数据流量不经过基站和核心网，因而可以很好地优化运营商蜂窝网络负载。当簇头出现故障时，备用簇头立即投入使用，从而保证了车联网实时通信的可靠性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于链路可靠性和稳定性的车辆分簇方法，其特征是，包括如下步骤：

基于所获取的车辆动态信息进行车辆分簇；

基于所获取的车辆动态信息计算簇内车辆的链路可靠性和链路稳定性；

基于所述链路可靠性和链路稳定性，建立簇头选择优先指数；

提取簇头选择优先指数最大的簇内车辆作为簇头；

所述车辆动态信息，包括车辆位置、车辆速度；

基于所获取的车辆动态信息进行车辆分簇，包括：

基于所获取的车辆位置进行初始分簇，获取初始簇；

基于所获取的车辆速度求取初始簇内车辆的入簇因子；

剔除初始簇内所述入簇因子大于预设阈值的车辆；

所述预设阈值为0.5，所述入簇因子的计算公式如下：

式中，

为车辆u_i的入簇因子，μ_i为车辆u_i的车辆速度的平均值，v_{avg_m}为初始簇的平均速度；

簇内车辆的链路可靠性的计算公式如下：

其中，

c_i＝count{D_i,j≤R}，

μ_i,j＝|μ_i-μ_j|；

式中，r_i为车辆u_i的链路可靠性，c_i为车辆u_i的邻居车辆数，D_i,j为车辆u_i与u_j之间的物理距离，R为车辆之间设备到设备的通信距离，(x_i,y_i)为车辆u_i的车辆位置，(x_j,y_j)为车辆u_j的车辆位置，x_i为车辆u_i沿其行驶方向的坐标，y_i为车辆u_i垂直于其行驶方向的坐标，x_j为车辆u_j沿其行驶方向的坐标，y_j为车辆u_j垂直于其行驶方向的坐标，r_i,j为车辆u_i相对于u_j的链路可靠性，T_i,j为车辆u_i与u_j之间的连通时间，f(t)为车辆u_i与u_j连通时间的概率密度函数，t为时间，v_i为车辆u_i的车辆速度，v_j为车辆u_j的车辆速度，

为车辆u_i相对于u_j的相对速度的方差，

为车辆u_i的车辆速度的方差，

为车辆u_j的车辆速度的方差，μ_i,j为车辆u_i相对于u_j的相对速度的平均值，μ_i为车辆u_i的车辆速度的平均值，μ_j为车辆u_j的车辆速度的平均值；

簇内车辆的链路稳定性的计算公式如下：

其中，

c_i＝count{D_i,j≤R}，

式中，s_i为车辆u_i的链路稳定性，v_{ar_i}为车辆u_i在簇内的相对速度，k_m为车辆的总数；

簇头选择优先指数的计算公式如下：

λ_i＝αr_i+βs_i；

式中，λ_i为车辆μ_i的簇头选择优先指数，α和β为加权系数，r_i为车辆μ_i的链路可靠性，s_i为车辆μ_i的链路稳定性。

2.根据权利要求1所述的基于链路可靠性和稳定性的车辆分簇方法，其特征是，还包括：提取簇头选择优先指数次大的簇内车辆作为备用簇头。

3.根据权利要求1所述的基于链路可靠性和稳定性的车辆分簇方法，其特征是，还包括：

簇头接收基站发送的交通安全信息，并向簇内其余车辆广播；

簇头接收簇内其余车辆发送的车辆行驶信息，并向基站发送。

4.根据权利要求3所述的基于链路可靠性和稳定性的车辆分簇方法，其特征是，所述交通安全信息包括前方路况信息、前方安全信息、突发紧急情况中的至少任一项，所述车辆行驶信息包括当前速度、运动轨迹、当前位置中的至少任一项。

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