CN111163454B - 一种车联网邻节点发现方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车联网邻节点发现方法，包括：初始化车联网中的某一节点S；接收所述节点S周围节点广播的第一发现消息以得到邻节点；按照一定的时间间隔向所述车联网中广播第二发现消息，同时根据所述第一发现消息和当前网络状态更新所述时间间隔；重复上述步骤直至所述节点S离开所述车联网。本发明提供的车联网邻节点发现方法在广播发现消息前，通过在上一个时间间隔收集的周围节点的状态信息来计算出适应于网络状态与移动性的广播发现消息的时间间隔，并综合考虑了网络状态变化与节点速度变化对广播发现消息的影响，有效地减小了网络开销，提高了邻节点发现的精度。

Description

一种车联网邻节点发现方法及系统

技术领域

本发明属于无线通讯技术领域，具体涉及一种车联网邻节点发现方法及系统。

背景技术

车联网(IOV)是车与车、车与路、车与人、车与传感设备等交互，实现车辆与公众网络通信的动态移动通信系统。在车联网中，智能车辆之间的协作感知能够让车与车之间实现信息共享，包括位置信息、速度信息、移动方向信息以及其他的车辆相关信息。智能车辆对收到的上述信息进行分析处理，为驾驶人员规划出一条最佳的行驶路径。邻节点发现是解决智能车辆协作感知的方案之一，也是网络初始化的必经阶段，它是指发现所有邻节点的过程，具体方法是每一个节点通过向周围节点广播发现消息来提供本节点的状态信息，且每个节点持续接收周围节点广播的发现消息，若一个节点收到了周围节点广播的发现消息，则将此节点标记为自己的邻节点，即该节点发现了其邻节点。

现有的邻节点发现方法主要有以下两种，一种是适用于车用通信的公平自适应信标速率算法，该方法通过控制每辆车的信标速率，解决了由于周期性信标活动而阻止了无线信道上其他类型消息的传输的问题，实现了网络资源的合理利用；另一种是移动自适应的邻节点发现方法，其考虑了节点的移动性对发现间隔的影响，根据节点的移动速度调整该节点广播发现消息的时间间隔，能够计算出一个合理的发现间隔以减小网络开销。但是并没有考虑到当两个或两个以上的节点同时广播发现消息时，信道发生冲突的情况

然而，方法一没有考虑到车辆的移动性，在智能车辆环境中，车辆的移动性高，对每一辆车来说，周围的车辆存在于它的无线传输范围内的时间非常短，所以为了能够及时发现这些邻节点，需要一个很大的广播频率，即发送间隔很小，这增大了网络开销；而方法二虽然考虑了车辆的移动性，但是并没有考虑到当两个或两个以上的节点同时广播发现消息时，信道发生冲突的情况，这减小了邻节点发现的精度。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种车联网邻节点发现方法及系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种车联网邻节点发现方法，包括：

初始化车联网中的某一节点S；

接收所述节点S周围节点广播的第一发现消息以得到邻节点；

按照一定的时间间隔向所述车联网中广播第二发现消息；同时根据所述第一发现消息和当前信道竞争情况更新所述时间间隔；

重复上述步骤直至所述节点S离开所述车联网。

在本发明的一个实施例中，所述初始化车联网中的某一节点S包括：

设置所述节点S的无线传输半径为R，初始时刻为t＝0，初始行驶速度为v₀，初始发送间隔为τ₀，初始位置为P₀，初始行驶方向为D₀，所述节点S感知当前行驶车道的限制速度为

在本发明的一个实施例中，接收所述节点S周围节点广播的第一发现消息以得到邻节点包括：

从初始时刻t＝0开始，持续接收所述节点S周围节点广播的第一发现消息；其中，所述第一发现消息的内容包括各节点自身的行驶速度、当前位置以及行驶方向；

响应于接收到所述第一发现消息，保存所述第一发现消息并将对应于该第一发现消息的节点记录为邻节点。

在本发明的一个实施例中，按照一定的时间间隔向所述车联网中广播第二发现消息；同时根据所述第一发现消息和当前网络状态更新所述时间间隔包括：

在初始时刻t＝0，向所述节点S周围第1次广播第二发现消息；并计算所述节点S第1次广播第二发现消息与第2次广播第二发现消息之间的时间间隔τ₁；其中，所述第二发现消息的内容包括所述初始行驶速度v₀、所述初始位置P₀以及所述初始行驶方向D₀；

在t＝t+τ_j时刻，向所述节点S周围第j+1次广播第二发现消息；同时根据τ_j时间段内所述节点S接收第一发现消息的情况和当前网络状态计算所述节点S第j+1次广播第二发现消息与第j+2次广播第二发现消息之间的时间间隔；其中，τ_j表示第j次广播第二发现消息与第j+1次广播第二发现消息之间的时间间隔；j为正整数且j≥1。

在本发明的一个实施例中，所述节点S第1次广播第二发现消息与第2次广播第二发现消息之间的时间间隔τ₁的计算公式为：

其中，

为节点S在初始时刻竞争信道成功的概率，

为节点S在初始时刻竞争信道成功并且成功发送发现消息的概率，Δv₀为节点S在初始时刻的相对移动速度。

在本发明的一个实施例中，根据τ_j时间段内所述节点S接收第一发现消息的情况和当前网络状态计算所述节点S第j+1次广播第二发现消息与第j+2次广播第二发现消息之间的时间间隔包括：

计算所述节点S在t＝t+τ_j时刻竞争信道成功的概率和所述节点S在t＝t+τ_j时刻竞争信道成功并且成功发送第二发现消息的概率；

根据所述节点S在τ_j时间段内接收第一发现消息的情况计算所述节点S在t＝t+τ_j时刻的相对移动速度；

根据所述节点S在t＝t+τ_j时刻竞争信道成功的概率、所述节点S在t＝t+τ_j时刻竞争信道成功并且成功发送第二发现消息的概率以及所述节点S在t＝t+τ_j时刻的相对速度计算所述节点S第j+1次广播第二发现消息与第j+2次广播第二发现消息之间的时间间隔。

在本发明的一个实施例中，根据所述节点S在τ_j时间段内接收第一发现消息的情况计算所述节点S在t＝t+τ_j时刻的相对移动速度包括：

若所述节点S在τ_j时间间隔内接收并保存了所述第一发现消息，则所述节点S在t＝t+τ_j时刻的相对移动速度Δv_j为：

其中，v_j为节点S在t＝t+τ_j时刻的移动速，

为第一发现消息中各节点自身移动速度的平均速度；

若所述节点S在τ_j时间间隔内的没有接收到所述第一发现消息，则所述节点S在t＝t+τ_j时刻的相对移动速度Δv_j为：

其中，

为t＝t+τ_j时刻当前行驶道路的限制速度。

在本发明的一个实施例中，所述节点S第j+1次广播第二发现消息与第j+2次广播第二发现消息之间的时间间隔的计算公式为：

其中，

为节点S在t＝t+τ_j时刻竞争信道成功的概率，

为节点S在t＝t+τ_j时刻竞争信道成功并且成功发送发现消息的概率。

本发明的另一个实施例提供了一种车联网邻节点发现系统，包括：

初始化模块，用于初始化车联网中的某一节点S；

数据接收模块，用于接收所述节点S周围节点广播的第一发现消息以得到邻节点；

数据发送更新模块，用于按照一定的时间间隔向所述车联网中广播第二发现消息；同时根据所述第一发现消息更新所述时间间隔。

本发明的有益效果：

本发明提供的车联网邻节点发现方法在广播发现消息前，通过在上一个时间间隔收集的周围节点的状态信息来计算出适应于网络状态与移动性的广播发现消息的时间间隔，并综合考虑了网络状态变化与节点速度变化对广播发现消息的影响，有效地减小了网络开销，提高了邻节点发现的精度。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种车联网邻节点发现方法流程图；

图2是本发明实施例提供的车联网场景示意图；

图3是本发明实施例提供的一种车联网邻节点发现系统结构示意图；

图4是本发明实施例提供的车联网邻节点发现系统工作流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种车联网邻节点发现方法流程图；

初始化车联网中的某一节点S。

由于在车联网中，每个节点都是相同的，均通过无线收发设备进行信息的发送与接收。因此，本实施例将其中某一节点S作为参考点，通过分析节点S的行为来预测其他节点的行为。

请参见图2，图2是本发明实施例提供的车联网场景示意图；在实际车联网中，至少要有两个节点才能实现邻节点发现方法，在图2为车辆在一个双向四车道高速公路上行驶的交通场景，选取节点数量为5。

进一步地，所述初始化车联网中的某一节点S包括：

设置所述节点S的无线传输半径为R，初始时刻为t＝0，初始行驶速度为v₀，初始发送间隔为τ₀，初始位置为P₀，初始行驶方向为D₀，所述节点S感知当前行驶车道的限制速度为

接收所述节点S周围节点广播的第一发现消息以得到邻节点。

在本实施例中，从初始时刻t＝0开始，持续接收所述节点S周围节点广播的第一发现消息；其中，所述第一发现消息的内容包括各节点自身的行驶速度、当前位置以及行驶方向；

响应于接收到所述第一发现消息，保存所述第一发现消息并将对应于该第一发现消息的节点记录为邻节点。

具体的，节点S从t＝0时刻开始，持续接收周围节点广播的发现消息，即第一发现消息，发现消息的内容为广播发现消息的每个节点自身的行驶速度、当前位置、行驶方向。若节点S接收到了上述状态信息，则对应于该消息的周围节点是节点S的邻节点；否则，称节点S没有发现邻节点。

节点S持续接收周围节点广播的发现消息，并且将收到的状态信息保存下来用以计算节点S广播发现消息的时间间隔，直至其离开当前车联网。

按照一定的时间间隔向所述车联网中广播第二发现消息；同时根据所述第一发现消息和当前网络状态更新所述时间间隔。

在本实施例中，第二发现消息为节点S向其周围广播的关于节点S自身的发现消息，其包括节点S的当前的行驶速度、当前位置以及当前行驶方向。

具体的，在初始时刻t＝0，节点S向周围节点广播第1个发现消息，发现消息的内容为初始行驶速度v₀、初始位置P₀以及初始行驶方向D₀。

计算所述节点S第1次广播第二发现消息与第2次广播第二发现消息之间的时间间隔τ₁，则

其中，

为节点S在初始时刻竞争信道成功的概率，

为节点S在初始时刻竞争信道成功并且成功发送发现消息的概率，Δv₀为节点S在初始时刻的相对移动速度。

一般而言，在一个无线传输范围内，当两个或两个以上的节点同时广播发现消息时，信道就会产生冲突，从而导致数据包丢失。所以，如果一个节点在某一时刻广播的发现消息与此刻其他节点广播的发现消息产生了冲突，那么该节点在这一时刻将无法发现其邻节点，于是在该节点的真实邻节点中被发现的邻节点数量减少，为了能够尽可能多的发现邻节点，需要增大广播频率，但这会加重网络的业务负载。而在本实施例中，考虑了节点广播发现消息的当前网络状态，在计算时间间隔时，增加了信道竞争的概率，这使得时间间隔设置更为合理，在减小网络开销的同时，提高了邻节点发现的精度。

CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid，即带有冲突避免的载波侦听多路访问)协议是一种数据传输时避免各站点之间数据传输冲突的算法，其主要用于无线局域网中。

在本实施例中，主要通过使用二维马尔可夫链对CSMA/CA协议的二元指数后退算法建模来计算竞争信道成功的概率

和竞争信道成功并且成功发送发现消息的概率

具体的，采用二维马尔可夫链对CSMA/CA协议的二元指数后退算法建模如下：

p_c＝1-(1-p_tr)ⁿ

其中，各参数分别表示：

p_s表示节点竞争信道成功并且成功发送发现消息的概率；

p_tr表示节点竞争信道成功的概率；

p_c表示信道中发生冲突的概率；

p_b表示信道在一个时隙内繁忙的概率；

p_a表示一个节点至少有一个数据包等待着发送的概率；

p_tr0表示p_a＝1时，节点S竞争信道成功的概率；

m表示二元指数后退算法允许的最大后退次数；

n表示节点在某一时刻的真实邻节点数；

r表示n个节点中，有r个节点至少有一个数据包等待着发送；

W_i表示后退次数为i时的竞争窗口大小；

表示二元指数后退算法的所有状态的平均竞争窗口大小，且

λ_a表示除了HELLO包以外的其他数据包的到达强度；

b(0,0)_e与b(0,0)分别是二元指数后退算法模型中的状态(0,0)_e与(0,0)的概率。

联立上述等式，可以解出p_tr关于时间间隔τ与邻节点数量n的表达式，即p_tr＝f(τ,n)，则：

进一步地，在本实施例中，节点S在某一时刻的真实邻节点数为当前所有车道上的节点分布密度与无线传输半径R乘积的2倍。例如，选取东西两条车道，则n＝2R(λ_e+λ_w)，其中λ_e表示东车道上的节点分布密度，λ_w表示西车道上的节点分布密度。

进一步地，由于p_tr是跟有包的概率p_a相关的，在考虑节点S广播消息时，就说明S是一定有包的。在公式

中，令p_a＝1，则可以得到节点S在初始时刻竞争信道成功的概率

由于在初始时刻，节点S还没有接收到周围节点广播的发现消息，所以节点S在初始时刻的相对移动速度Δv₀可以表示为：

其中，

表示当前行驶车道在初始时刻的限制速度。

由此得到

p_s ⁰以及Δv₀，从而计算出节点S第1次广播第二发现消息与第2次广播第二发现消息之间的时间间隔τ₁，并在t＝t+τ₁时，节点S第2次广播发现消息。

在t＝t+τ_j时刻，向所述节点S周围第j+1次广播第二发现消息，同时根据τ_j时间段内所述节点S接收第一发现消息的情况和当前网络状态计算所述节点S第j+1次广播第二发现消息与第j+2次广播第二发现消息之间的时间间隔；其中，τ_j表示第j次广播第二发现消息与第j+1次广播第二发现消息之间的时间间隔；j为正整数且j≥1。

进一步地，根据τ_j时间段内所述节点S接收第一发现消息的情况和当前网络状态计算所述节点S第j+1次广播第二发现消息与第j+2次广播第二发现消息之间的时间间隔包括：

计算所述节点S在t＝t+τ_j时刻竞争信道成功的概率和所述节点S在t＝t+τ_j时刻竞争信道成功并且成功发送第二发现消息的概率；

同样的，由二维马尔可夫链对CSMA/CA协议的二元指数后退算法建模可得p_tr关于时间间隔τ与邻节点数量n的表达式，即p_tr＝f(τ,n)，则：

在公式

中，令p_a＝1，则可以得到节点S在t＝t+τ_j时刻竞争信道成功的概率

根据所述节点S在τ_j时间段内接收第一发现消息的情况计算所述节点S在t＝t+τ_j时刻的相对移动速度，包括：

若所述节点S在τ_j时间间隔内接收并保存了所述第一发现消息，说明节点S在τ_j时间内发现了邻节点，则所述节点S在t＝t+τ_j时刻的相对移动速度Δv_j为：

其中，v_j为节点S在t＝t+τ_j时刻的移动速度，

为第一发现消息中各节点自身移动速度的平均速度；

若所述节点S在τ_j时间间隔内的没有接收到所述第一发现消息，说明节点S在τ_j时间内没有发现邻节点，即没有得到其邻节点的速度信息，则所述节点S在t＝t+τ_j时刻的相对移动速度Δv_j为：

其中，

为t＝t+τ_j时刻当前行驶道路的限制速度。

根据所述节点S在t＝t+τ_j时刻竞争信道成功的概率

所述节点S在t＝t+τ_j时刻竞争信道成功并且成功发送第二发现消息的概率p_s ^j以及所述节点S在t＝t+τ_j时刻的相对速度Δv_j计算所述节点S第j+1次广播第二发现消息与第j+2次广播第二发现消息之间的时间间隔τ_j+1，计算公式为：

当t＝t+τ_j+1时，节点S第j+2次广播发现消息，更新时间间隔，重复广播发送消息，直至节点S离开当前网络。

本实施例节点S在t＝t+τ_j时刻利用在τ_j时间内接收到的状态信息计算适应于此时网络状态以及行驶速度的自身的下一个发现间隔，在此过程中，综合考虑了网络状态变化与节点速度变化对广播发现消息的影响，有效地减小了网络开销，提高了邻节点发现的精度。

实施例二

本实施例提供了一种车联网邻节点发现系统，请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种车联网邻节点发现系统结构示意图，包括：

初始化模块，用于初始化车联网中的某一节点S；

数据接收模块，用于接收所述节点S周围节点广播的第一发现消息以得到邻节点；

数据发送更新模块，用于按照一定的时间间隔向所述车联网中广播第二发现消息；同时根据所述第一发现消息更新所述时间间隔。

本实施例所称的第一发现消息为节点S接收的周围节点广播的发现消息；第二发现消息为节点S向其周围广播的关于节点S自身的发现消息。

本实施例提供的车联网邻节点发现系统能够实现上述实施例一的车联网邻节点发现方法。

请参见图4，图4是本发明实施例提供的车联网邻节点发现系统工作流程图；

具体的，初始化模块设置节点S的无线传输半径为R，初始时刻为t＝0，初始行驶速度为v₀，初始发送间隔为τ₀，初始位置为P₀，初始行驶方向为D₀，所述节点S感知当前行驶车道的限制速度为

数据接收模块从初始时刻开始，接收周围节点广播的发现消息，并在有发现消息到达时保存发现消息，并记录此节点为邻节点，直至接收到停止信号，即节点S离开当前车联网。

数据发送更新模块在初始时刻向车联网中广播第一个发现消息，并根据接收的发现消息中其他节点的速度计算下一次广播发现消息的时间间隔τ_j并在t＝t+τ_j时刻，进行第j+1次广播发现消息，直至节点S离开该车辆网。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种车联网邻节点发现方法，其特征在于，包括：

初始化车联网中的某一节点S，包括：设置所述节点S的无线传输半径为R，初始时刻为t＝0，初始行驶速度为v₀，初始发送间隔为τ₀，初始位置为P₀，初始行驶方向为D₀，所述节点S感知当前行驶车道的限制速度为

接收所述节点S周围节点广播的第一发现消息以得到邻节点，包括：从初始时刻t＝0开始，持续接收所述节点S周围节点广播的第一发现消息；其中，所述第一发现消息的内容包括各节点自身的行驶速度、当前位置以及行驶方向；

响应于接收到所述第一发现消息，保存所述第一发现消息并将对应于该第一发现消息的节点记录为邻节点；

按照一定的时间间隔向所述车联网中广播第二发现消息，同时根据所述第一发现消息和当前网络状态更新所述时间间隔，包括：

在初始时刻t＝0，向所述节点S周围第1次广播第二发现消息，并计算所述节点S第1次广播第二发现消息与第2次广播第二发现消息之间的时间间隔τ₁；其中，所述第二发现消息的内容包括所述初始行驶速度v₀、所述初始位置P₀以及所述初始行驶方向D₀；所述节点S第1次广播第二发现消息与第2次广播第二发现消息之间的时间间隔τ₁的计算公式为：

其中，

为节点S在初始时刻竞争信道成功的概率，

为节点S在初始时刻竞争信道成功并且成功发送发现消息的概率，Δv₀为节点S在初始时刻的相对移动速度；

在t＝t+τ_j时刻，向所述节点S周围第j+1次广播第二发现消息；

计算所述节点S在t＝t+τ_j时刻竞争信道成功的概率和所述节点S在t＝t+τ_j时刻竞争信道成功并且成功发送第二发现消息的概率；

根据所述节点S在τ_j时间段内接收第一发现消息的情况计算所述节点S在t＝t+τ_j时刻的相对移动速度；

根据所述节点S在t＝t+τ_j时刻竞争信道成功的概率、所述节点S在t＝t+τ_j时刻竞争信道成功并且成功发送第二发现消息的概率以及所述节点S在t＝t+τ_j时刻的相对速度计算所述节点S第j+1次广播第二发现消息与第j+2次广播第二发现消息之间的时间间隔；

其中，τ_j表示第j次广播第二发现消息与第j+1次广播第二发现消息之间的时间间隔；j为正整数且j≥1；重复上述步骤直至所述节点S离开所述车联网。

2.根据权利要求1所述的车联网邻节点发现方法，其特征在于，根据所述节点S在τ_j时间段内接收第一发现消息的情况计算所述节点S在t＝t+τ_j时刻的相对移动速度包括：

若所述节点S在τ_j时间间隔内接收并保存了所述第一发现消息，则所述节点S在t＝t+τ_j时刻的相对移动速度Δv_j为：

其中，v_j为节点S在t＝t+τ_j时刻的移动速度，

为第一发现消息中各节点自身移动速度的平均速度；

若所述节点S在τ_j时间间隔内的没有接收到所述第一发现消息，则所述节点S在t＝t+τ_j时刻的相对移动速度Δv_j为：

其中，

为t＝t+τ_j时刻当前行驶道路的限制速度。

3.根据权利要求1所述的车联网邻节点发现方法，其特征在于，所述节点S第j+1次广播第二发现消息与第j+2次广播第二发现消息之间的时间间隔的计算公式为：

其中，

为节点S在t＝t+τ_j时刻竞争信道成功的概率，

为节点S在t＝t+τ_j时刻竞争信道成功并且成功发送发现消息的概率。

4.一种车联网邻节点发现系统，其特征在于，包括：

初始化模块，用于初始化车联网中的某一节点S，具体用于：设置所述节点S的无线传输半径为R，初始时刻为t＝0，初始行驶速度为v₀，初始发送间隔为τ₀，初始位置为P₀，初始行驶方向为D₀，所述节点S感知当前行驶车道的限制速度为

数据接收模块，用于接收所述节点S周围节点广播的第一发现消息以得到邻节点；具体用于从初始时刻t＝0开始，持续接收所述节点S周围节点广播的第一发现消息；其中，所述第一发现消息的内容包括各节点自身的行驶速度、当前位置以及行驶方向；

响应于接收到所述第一发现消息，保存所述第一发现消息并将对应于该第一发现消息的节点记录为邻节点；

数据发送更新模块，用于按照一定的时间间隔向所述车联网中广播第二发现消息，同时根据所述第一发现消息更新所述时间间隔；具体用于：

在初始时刻t＝0，向所述节点S周围第1次广播第二发现消息，并计算所述节点S第1次广播第二发现消息与第2次广播第二发现消息之间的时间间隔τ₁；其中，所述第二发现消息的内容包括所述初始行驶速度v₀、所述初始位置P₀以及所述初始行驶方向D₀；其中，所述节点S第1次广播第二发现消息与第2次广播第二发现消息之间的时间间隔τ₁的计算公式为：

其中，

为节点S在初始时刻竞争信道成功的概率，

为节点S在初始时刻竞争信道成功并且成功发送发现消息的概率，Δv₀为节点S在初始时刻的相对移动速度；

所述数据发送更新模块还用于：

在t＝t+τ_j时刻，向所述节点S周围第j+1次广播第二发现消息；

计算所述节点S在t＝t+τ_j时刻竞争信道成功的概率和所述节点S在t＝t+τ_j时刻竞争信道成功并且成功发送第二发现消息的概率；

根据所述节点S在τ_j时间段内接收第一发现消息的情况计算所述节点S在t＝t+τ_j时刻的相对移动速度；

根据所述节点S在t＝t+τ_j时刻竞争信道成功的概率、所述节点S在t＝t+τ_j时刻竞争信道成功并且成功发送第二发现消息的概率以及所述节点S在t＝t+τ_j时刻的相对速度计算所述节点S第j+1次广播第二发现消息与第j+2次广播第二发现消息之间的时间间隔；

其中，τ_j表示第j次广播第二发现消息与第j+1次广播第二发现消息之间的时间间隔；j为正整数且j≥1。

Images