CN111194018A - 面向车辆自组网的移动边缘数据上传方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了面向车辆自组网的移动边缘数据上传方法及系统，请求上传数据的车辆向所属车辆簇的簇首车辆发送数据上传请求；簇首车辆接收数据上传请求，从多个路边单元中，确定响应数据上传请求的目标路边单元，规划请求上传数据的车辆与目标路边单元间的传输路径，并向请求上传数据的车辆反馈传输路径；请求上传数据的车辆根据传输路径上的车辆数目，将待上传数据划分为多个数据段，并将各数据段发送至传输路径上的各车辆；传输路径上的各车辆分别向目标路边单元发送不同的数据段。应用本发明，利用传输路径上的各车辆将数据上传到目标路边单元，可以减轻簇首车辆所承担的数据流量压力，提高车辆的数据上传效率。

Description

面向车辆自组网的移动边缘数据上传方法及系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种面向车辆自组网的移动边缘数据上传方法及系统。

背景技术

在车辆和路边装置都能够配备智能通信设备的情况下，车辆间以及车辆与路边装置相互通信形成车辆自组网(Vehicular Ad Hoc Networks，VANET)。目前，在车辆自组网中，一些路边装置配备有移动边缘计算服务器构成路边单元，在行驶过程中，车辆会不断产生一些需要将数据上传至路边单元进行计算的实时任务请求。为了提高数据上传效率，将车辆划分成不同的车辆簇，并设定一个车辆簇中只有一个车辆可以与路边单元进行通信，通常称这个车辆为簇首车辆，其他车辆称为成员车辆，车辆簇中成员车辆的数据上传全部需要通过簇首车辆完成。

现有的车辆聚簇策略中，簇首车辆承担着将数据上传到路边单元的任务，一旦簇首车辆负载能力不足，车辆簇中成员车辆的数据上传效率将大大降低。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种面向车辆自组网的移动边缘数据上传方法及系统，以提高车辆的数据上传效率。具体技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供一种面向车辆自组网的移动边缘数据上传方法，应用于车辆自组网系统，所述车辆自组网系统包括多个车辆簇及多个路边单元，所述车辆簇由多个车辆组成，所述方法包括：

请求上传数据的车辆向所属车辆簇的簇首车辆发送数据上传请求，其中，所述簇首车辆为所述车辆簇内进行数据上传的路径规划者；

所述簇首车辆接收所述数据上传请求，从所述多个路边单元中，确定响应所述数据上传请求的目标路边单元，规划所述请求上传数据的车辆与所述目标路边单元间的传输路径，并向所述请求上传数据的车辆反馈所述传输路径；

所述请求上传数据的车辆根据所述传输路径上的车辆数目，将待上传数据划分为多个数据段，并将各数据段发送至所述传输路径上的各车辆；

所述传输路径上的各车辆分别向所述目标路边单元发送不同的数据段。

特别的，在所述请求上传数据的车辆向所属车辆簇的簇首车辆发送数据上传请求之前，所述方法还包括：

针对第一车辆的第一邻居车辆，若所述第一邻居车辆不属于任何车辆簇，则所述第一车辆获取自身与所属车辆簇中各邻居车辆间的连接寿命以及所述第一车辆所属车辆簇中邻居车辆的数量，所述第一邻居车辆是在所述第一车辆的通行范围内与所述第一车辆进行通信的车辆，所述第一车辆为所述车辆簇中的任一车辆；

所述第一车辆根据所述与所属车辆簇中各邻居车辆间的连接寿命及所述数量，计算所述第一车辆所属车辆簇的第一平均邻域连接寿命，以及所述第一邻居车辆加入所述车辆簇后的第二平均邻域连接寿命；

若所述第二平均邻域连接寿命大于所述第一平均邻域连接寿命，则所述第一车辆将所述第一邻居车辆添加至所属车辆簇，得到新的车辆簇。

特别的，所述第一车辆获取自身与所属车辆簇中各邻居车辆间的连接寿命，包括：

所述第一车辆按照第一预设周期，接收所属车辆簇中各邻居车辆发送的第一数据包；

所述第一车辆根据所述第一数据包，计算与所属车辆簇中各邻居车辆的连接寿命。

特别的，所述请求上传数据的车辆向所属车辆簇的簇首车辆发送数据上传请求之前，所述方法还包括：

第一车辆获取自身的速度、所属车辆簇中除自身以外的其他车辆的速度以及所属车辆簇中除自身以外的其他车辆的数目，所述第一车辆为所述车辆簇中的任一车辆；

所述第一车辆根据所述自身的速度、所属车辆簇中除自身以外的其他车辆的速度以及所述数目，计算所述第一车辆自身相对于所属车辆簇中其他车辆的平均相对速度；

所述第一车辆获取所属车辆簇中其余各车辆的平均相对速度；

当所述第一车辆自身的平均相对速度小于所属车辆簇中其余各车辆的平均相对速度时，所述第一车辆确定自身为所述车辆簇的簇首车辆；

所述第一车辆将自身的信息发送至所述车辆簇中的各车辆。

特别的，在所述簇首车辆规划所述请求上传数据的车辆与所述目标路边单元间的传输路径之前，所述方法还包括：

所述簇首车辆按照第二预设周期，接收所属车辆簇中各车辆发送的信标数据包，所述信标数据包中包括所述各车辆的运行信息与连接信息；

所述簇首车辆根据所述各车辆的运行信息确定所述车辆簇的行驶方向，并根据所述各车辆的连接信息确定所述各车辆之间的连接寿命；

所述簇首车辆确定响应所述数据上传请求的目标路边单元，规划所述请求上传数据的车辆与所述目标路边单元间的传输路径，包括：

确定所述行驶方向上的第一个路边单元为目标路边单元；

根据各连接寿命，选择所述目标路边单元的通信范围内，所述请求上传数据的车辆与所述目标路边单元间的多条路径中的连接寿命累加结果最大的路径作为传输路径。

第二方面，本发明实施例提供一种车辆自组网系统，所述车辆自组网系统包括多个车辆簇及多个路边单元，所述车辆簇由多个车辆组成；

请求上传数据的车辆，用于向所属车辆簇的簇首车辆发送数据上传请求，其中，所述簇首车辆为所述车辆簇内进行数据上传的路径规划者；

所述簇首车辆，用于接收所述数据上传请求，从所述多个路边单元中，确定响应所述数据上传请求的目标路边单元，规划所述请求上传数据的车辆与所述目标路边单元间的传输路径，并向所述请求上传数据的车辆反馈所述传输路径；

所述请求上传数据的车辆，还用于根据所述传输路径上的车辆数目，将待上传数据划分为多个数据段，并将各数据段发送至所述传输路径上的各车辆；

所述传输路径上的各车辆，用于分别向所述目标路边单元发送不同的数据段。

特别的，所述车辆簇中的第一车辆，用于：

针对所述第一车辆的第一邻居车辆，若所述第一邻居车辆不属于任何车辆簇，则获取自身与所属车辆簇中各邻居车辆间的连接寿命以及所述第一车辆所属车辆簇中邻居车辆的数量，所述第一邻居车辆是在所述第一车辆的通行范围内与所述第一车辆进行通信的车辆，所述第一车辆为所述车辆簇中的任一车辆；

根据所述与所属车辆簇中各邻居车辆间的连接寿命及所述数量，计算所述第一车辆所属车辆簇的第一平均邻域连接寿命，以及所述第一邻居车辆加入所述车辆簇后的第二平均邻域连接寿命；

若所述第二平均邻域连接寿命大于所述第一平均邻域连接寿命，则将所述第一邻居车辆添加至所属车辆簇，得到新的车辆簇。

特别的，所述第一车辆具体用于：

按照第一预设周期，接收所属车辆簇中各邻居车辆发送的第一数据包；

根据所述第一数据包，计算与所属车辆簇中各邻居车辆的连接寿命。

特别的，所述车辆簇中的第一车辆，用于：

获取自身的速度、所属车辆簇中除自身以外的其他车辆的速度以及所属车辆簇中除自身以外的其他车辆的数目，所述第一车辆为所述车辆簇中的任一车辆；

根据所述自身的速度、所属车辆簇中除自身以外的其他车辆的速度以及所述数目，计算所述第一车辆自身相对于所属车辆簇中其他车辆的平均相对速度；

获取所属车辆簇中其余各车辆的平均相对速度；

当所述第一车辆自身的平均相对速度小于所属车辆簇中其余各车辆的平均相对速度时，确定自身为所述车辆簇的簇首车辆；

将自身的信息发送至所述车辆簇中的各车辆。

特别的，所述簇首车辆，还用于：

按照第二预设周期，接收所属车辆簇中各车辆发送的信标数据包，所述信标数据包中包括所述各车辆的运行信息与连接信息；

根据所述各车辆的运行信息确定所述车辆簇的行驶方向，并根据所述各车辆的连接信息确定所述各车辆之间的连接寿命；

所述簇首车辆具体用于：

确定所述行驶方向上的第一个路边单元为目标路边单元；

根据各连接寿命，选择所述目标路边单元的通信范围内，所述请求上传数据的车辆与所述目标路边单元间的多条路径中的连接寿命累加结果最大的路径作为传输路径。

本发明实施例提供了面向车辆自组网的移动边缘数据上传方法及系统，请求上传数据的车辆向所属车辆簇的簇首车辆发送数据上传请求，其中，簇首车辆为车辆簇内进行数据上传的路径规划者；簇首车辆接收数据上传请求，从多个路边单元中，确定响应数据上传请求的目标路边单元，规划请求上传数据的车辆与目标路边单元间的传输路径，并向请求上传数据的车辆反馈传输路径；请求上传数据的车辆根据传输路径上的车辆数目，将待上传数据划分为多个数据段，并将各数据段发送至传输路径上的各车辆；传输路径上的各车辆分别向目标路边单元发送不同的数据段。

本发明实施例中，簇首车辆在接收到车辆的数据上传请求后，没有将待上传数据直接上传到目标路边单元，而是为车辆规划一条数据传输路径，从而车辆将待上传数据划分为多个数据段，并将各数据段发送至传输路径上的各车辆，利用传输路径上的各车辆将数据上传到目标路边单元，因此，应用本发明，可以减轻簇首车辆所承担的数据流量压力，提高车辆的数据上传效率。当然，实施本发明的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种面向车辆自组网的移动边缘数据上传方法流程图。

图2为本发明实施例提供的一种面向车辆自组网的车辆簇形成方法流程图。

图3为本发明实施例提供的一种面向车辆自组网的簇首车辆确定方法流程图。

图4为本发明实施例提供的一种车辆自组网的系统示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

随着物联网(Internet of Things，IoT)在汽车领域的应用，智能交通系统(Intelligent Transport System，ITS)的概念逐渐兴起，车辆自组网(Vehicular Ad HocNetworks，VANET)随之成为车联网研究领域的热点。如今，在车辆和道路都能够配备智能通信设备的情况下，VANET使得用户在车辆行驶过程中能够获得更加安全高效、舒适节能的综合服务。

在行驶过程中，车辆会不断产生一些需要卸载至服务器进行计算的实时任务请求。为了快速响应这些请求，具有高带宽、低延迟特点的移动边缘计算(Mobile EdgeComputing，MEC)被广泛应用于VANET中。在行驶过程中车辆产生的大量数据会从车载单元上传到配备有移动边缘计算服务器的路边单元(Roadside Unit，RSU)进行计算，然而车辆的高速移动性使得车辆可能在极短的时间内经过一个路边单元，并在完整的数据上传完成之前驶离这一路边单元的通信覆盖范围。因此，同一个任务请求的大量数据可能不会被上传至同一个路边单元，而是被不规则地分割上传到车辆行驶轨迹中的多个路边单元，这将导致路边单元之间会进行频繁的数据迁移。相邻的路边单元之间的通信是通过无线回程网建立的，由于城市环境的遮蔽影响和无线链路的干扰，无线回程网具有不可预测的延迟和较低的数据传输速率。因此，路边单元之间进行的数据迁移会大大增加整个数据传输过程的时延。在这样的动态拓扑环境下，提高车辆到路边单元的数据上传效率的首要步骤之一就是先对车辆进行聚簇。VANET中使用的车辆聚簇方法是以某一特征为标准，将具有类似特征的车辆划分到同一个集合中，具有不同特征的车辆划分到相异的集合中。针对车辆所具有的机动性，通常聚簇使用的特征标准与车辆之间的相对距离以及相对速度有关。以往的技术大多只集中在聚簇策略上，而对于车辆簇形成之后具体的数据上传过程缺乏清晰的描述。此外，车辆划分成不同的车辆簇之后需要选出一个车辆作为簇首车辆，簇首车辆的作用是掌握整个车辆簇内的车辆分布情况并与路边单元进行通信，同时协助车辆簇内的车辆进行数据上传。而现有的聚簇策略中的簇首车辆往往承担着过重的流量负担，即一个车辆簇内只有簇首车辆能够与路边单元进行通信，车辆簇内车辆的数据上传全部需要通过簇首车辆完成。这就使得一旦簇首车辆发生变化或是超出负载能力，车辆的数据上传效率将被大大降低。

本发明的目的是提高VANET中车辆在动态拓扑下的数据上传效率。在提出一种基于车辆间稳定性的新型聚簇策略的同时，对聚簇形成之后的数据上传过程进行了清晰的描述。同时为平衡车辆簇中簇首车辆的承载数据量，本发明提出了一种簇内车辆基于协作的数据上传方法，使得簇首车辆成为了簇内车辆数据上传的路径规划者而不是唯一执行者。

下面将对本发明实施例提供的方案进行详细说明。

第一方面，本发明实施例提供一种面向车辆自组网的移动边缘数据上传方法，参见图1，该方法应用于车辆自组网系统，车辆自组网系统包括多个车辆簇及多个路边单元，车辆簇由多个车辆组成，该方法包括：

S101：请求上传数据的车辆向所属车辆簇的簇首车辆发送数据上传请求，其中，簇首车辆为车辆簇内进行数据上传的路径规划者。

S102：簇首车辆接收数据上传请求，从多个路边单元中，确定响应数据上传请求的目标路边单元，规划请求上传数据的车辆与目标路边单元间的传输路径，并向请求上传数据的车辆反馈传输路径。

S103：请求上传数据的车辆根据传输路径上的车辆数目，将待上传数据划分为多个数据段，并将各数据段发送至传输路径上的各车辆。

S104：传输路径上的各车辆分别向目标路边单元发送不同的数据段。

本发明实施例中，簇首车辆在接收到车辆的数据上传请求后，没有将待上传数据直接上传到目标路边单元，而是为车辆规划一条数据传输路径，从而车辆将待上传数据划分为多个数据段，并将各数据段发送至传输路径上的各车辆，利用传输路径上的各车辆将数据上传到目标路边单元，因此，应用本发明，可以减轻簇首车辆所承担的数据流量压力，提高车辆的数据上传效率。

本发明实施例中，当需要上传数据到路边单元时，车辆会被分配一小段数据传输带宽，当通过一段有限的带宽上传大量数据时，将会产生较长的传输时延。此外，由于路边单元之间的数据传输速率较低，若同一车辆不能将数据上传至同一路边单元，那么路边单元间的数据迁移对数据上传的时延也会造成很大影响。因此，本发明实施例提出了一种能够降低数据上传时延、提高上传效率的簇内协作数据上传(Intra-cluster CooperationData Upload，ICDU)方法。

在该方法中，当车辆簇划分完成之后，请求上传数据的车辆(以下简称为请求车辆)会向自身所属车辆簇的簇首车辆发送数据上传请求。簇首车辆收到该请求之后，从多个路边单元中，确定出一个响应数据上传请求的目标路边单元，在该目标路边单元进行数据边缘计算，并为该请求车辆规划出一条稳定的传输路径，这一传输路径是请求车辆与目标路边单元之间进行数据传输及上传的路径，传输路径上的车辆(以下简称为协作车辆)是请求车辆进行数据上传的协作者。簇首车辆将规划出的传输路径反馈给请求车辆。该请求车辆根据协作车辆的数目，将待上传数据均匀划分为多个数据段，然后通过多跳V2V通信(Vehicle-to-Vehicle Communication，车辆与车辆之间的通信)将各数据段发送给各协作车辆。协作车辆分别向目标路边单元发送不同的数据段，即分别将自身接收到的一个数据段上传到目标路边单元，每个协作车辆接收到的数据段是不同的，从而提高数据上传效率。

V2V通信是车辆与车辆之间的通信，V2V通信技术是一种不受限于固定式基站的通信技术，为移动中的车辆提供直接的一端到另一端的无线通信，即通过V2V通信技术，车辆终端彼此直接交换无线信息，无需通过基站转发。车辆跳数指一个车与另一个车不能直接进行通信时，二者通信路径上经过的中继车辆的数目。

例如，协作车辆的数目为5，则请求车辆将待上传数据均匀划分为5个数据段，假设协作车辆分别为A、B、C、D、E，对应的数据段分别为数据段1、数据段2、数据段3、数据段4、数据段5，请求车辆通过多跳V2V通信将各数据段发送给各协作车辆，就是说，请求车辆将数据段1-5发送给A，A接收到数据段之后将数据段1留下，将数据段2-5发送给B，B接收到数据段之后将数据段2留下，将数据段3-5发送给C，请求车辆不是直接将数据段发送给B，而是经过A作为中转，从请求车辆到A为第一跳，从A到B为第二跳，依次类推，从而将各数据段发送给各协作车辆，然后A将数据段1上传到目标路边单元，B将数据段2上传到目标路边单元，依次类推，将请求车辆的数据全部上传，实现协作数据上传。

特别的，在步骤S101之前，需要确定车辆所属的车辆簇，因此，参见图2，本发明实施例提供的方法还包括：

S201：针对第一车辆的第一邻居车辆，若第一邻居车辆不属于任何车辆簇，则第一车辆获取自身与所属车辆簇中各邻居车辆间的连接寿命以及第一车辆所属车辆簇中邻居车辆的数量，第一邻居车辆是在第一车辆的通行范围内与第一车辆进行通信的车辆，第一车辆为车辆簇中的任一车辆。

S202：第一车辆根据与所属车辆簇中各邻居车辆间的连接寿命及数量，计算第一车辆所属车辆簇的第一平均邻域连接寿命，以及第一邻居车辆加入车辆簇后的第二平均邻域连接寿命。

S203：若第二平均邻域连接寿命大于第一平均邻域连接寿命，则第一车辆将第一邻居车辆添加至所属车辆簇，得到新的车辆簇。

本发明实施例提出了一种基于邻域筛选的车辆聚簇策略。第一车辆会维护一个信息表，信息表中存有与所属车辆簇中邻居车辆间的连接寿命(即V2V连接寿命)，第一车辆与第一邻居车辆是直接进行通信的，即第一邻居车辆是第一车辆的一跳连接车辆。每辆车通过筛选自己的邻居车辆并计算当前车辆簇的平均邻域连接寿命(Average Adjacent LinkTime，AALT)来决定是否接纳邻居车辆入簇，平均邻域连接寿命的计算公式如下所示：

其中，AALT_c表示平均邻域连接寿命，LT_v2v表示第一车辆与所属车辆簇中邻居车辆间的连接寿命；vehicle_num表示第一车辆所属车辆簇中邻居车辆的数量。

第一车辆将通过能够达到最大平均邻域连接寿命的标准来聚集成车辆簇，同时受到车辆簇的最大跳数(MAX_HOP)的限制来避免车辆簇过大。具体来说，第一车辆对自身信息表中的邻域车辆进行筛选，若相邻车辆没有加入任何簇，计算第一车辆所属车辆簇的第一平均邻域连接寿命，以及第一邻居车辆加入车辆簇后的第二平均邻域连接寿命，若第二平均邻域连接寿命大于第一平均邻域连接寿命，即第一邻居车辆的加入不会使得当前车辆簇的平均邻域连接寿命减小，则第一车辆将第一邻居车辆添加至所属车辆簇，得到新的车辆簇。当第一车辆完成对其邻域内所有第一邻居车辆的筛选后，第一邻居车辆又会开始扫描自身的邻域并通过计算平均邻域连接寿命筛选符合条件的第二邻居车辆加入车辆簇，第一车辆与第二邻居车辆是通过第一邻居车辆进行通信的，即第二邻居车辆是第一邻居车辆的邻居车辆，第二邻居车辆是第一车辆的二跳连接车辆。新入簇的车辆不断引入邻居车辆加入车辆簇，直到没有满足条件的邻居车辆或车辆簇已达到预设最大跳数的限制为止。

值得注意的是，当车辆对其邻居车辆进行筛选时，首先会选择与自身速度相同的邻居车辆加入车辆簇，原因是速度相同的邻居车辆间的连接寿命被视作∞(无穷大)。因此在计算平均邻域连接寿命时，速度相同的车辆不会参与计算。

特别的，第一车辆获取自身与所属车辆簇中各邻居车辆间的连接寿命，包括：

第一车辆按照第一预设周期，接收所属车辆簇中各邻居车辆发送的第一数据包；

第一车辆根据第一数据包，计算与所属车辆簇中各邻居车辆的连接寿命。

本发明实施例中，第一数据包内包括各邻居车辆的位置与速度，用以第一车辆计算与邻居车辆的连接寿命。VANET中车辆的通信方式有车辆与车辆之间的通信(V2V通信)和车辆与基础设施之间的通信，其中基础设施是指配备有MEC服务器的路边单元。由于车辆具有移动性，某一车辆会渐渐行驶出其他车辆的通信范围从而断开车辆间的通信，因此V2V通信是快速但相对不稳定的。本发明实施例计算车辆与车辆之间的连接寿命，以此作为聚集相对稳定的车辆簇的标准。

两车辆之间的连接寿命是根据车辆的相对距离以及相对速度计算的。车辆在道路行驶过程中会涉及到更换车道的行为，因此将每辆车的速度划分为一个二维向量，同时将两车辆的相对距离变量分解为与速度分量相对应的二维向量。假设车辆在东西方向上直线行驶，基于更换车道的问题，将速度分解为东西方向的速度分量和南北方向的速度分量，将距离分解为东西方向的距离分量和南北方向的距离分量。

当车辆行驶出另一车辆的V2V通信范围时，视作其V2V连接断开。那么在计算两车辆之间的连接寿命时，会有三种情况：一是位于后方的车辆的速度快于位于前方的车辆的速度；二是位于后方的车辆的速度慢于位于前方的车辆的速度；三是位于后方的车辆的速度与位于前方的车辆的速度相等。在这三种情况下两车辆之间的连接寿命的计算公式如下所示：

其中，

LT_rf表示车辆r和车辆f之间的连接寿命，v_r表示位于后方的车辆的速度，v_f表示位于前方的车辆的速度，Δt_c表示所述后方的车辆追上所述前方的车辆的时间，Δt_b表示当前所述前方的车辆驶出所述后方的车辆通信范围的时间，WE表示车辆行驶方向，

表示所述车辆r和所述车辆f在东西方向上的相对距离，

表示所述车辆f在东西方向上的速度，

表示所述车辆r在东西方向上的速度，t为时间参数。

在确定车辆所属的车辆簇之后，需要选出一个车辆作为簇首车辆，因此，在步骤S101之前，参见图3，本发明实施例提供的方法还包括：

S301：第一车辆获取自身的速度、所属车辆簇中除自身以外的其他车辆的速度以及所属车辆簇中除自身以外的其他车辆的数目，第一车辆为车辆簇中的任一车辆。

S302：第一车辆根据自身的速度、所属车辆簇中除自身以外的其他车辆的速度以及数目，计算第一车辆自身相对于所属车辆簇中其他车辆的平均相对速度。

S303：第一车辆获取所属车辆簇中其余各车辆的平均相对速度。

S304：当第一车辆自身的平均相对速度小于所属车辆簇中其余各车辆的平均相对速度时，第一车辆确定自身为车辆簇的簇首车辆。

S305：第一车辆将自身的信息发送至车辆簇中的各车辆。

本发明实施例中，一个车辆簇由两个角色组成：一个簇首车辆和多个簇成员车辆。每个车辆簇必须有一个唯一的簇首车辆来进行簇的整合以及簇成员车辆上传数据的传输路径规划，当簇成员车辆有数据上传请求时就作为请求车辆，当簇成员车辆位于传输路径中时就作为协作车辆。因此，需要在车辆簇内选择一个合适的车辆作为簇首车辆，而簇首车辆需要与车辆簇保持相对稳定，即避免车辆簇占用额外的带宽来频繁地更换簇首车辆。

为了保证簇首车辆的稳定性，本发明实施例中，车辆簇形成之后，第一车辆计算自身在簇中的平均相对速度(Average Relative Speed，ARS)，各车辆算得自身的平均相对速度后进行竞争，竞争时需要与其他车辆的平均相对速度进行比较，此时可以车辆两两之间进行通信，比较二者的平均相对速度，二者之间平均相对速度较小者再与其他车辆进行通信并比较，直到确定出最小的平均相对速度，或者各车辆分别将自身的平均相对速度进行广播，从而第一车辆可以获取所属车辆簇中其余各车辆的平均相对速度，进而确定自身的平均相对速度是否最小。拥有最小平均相对速度的车辆获胜成为簇首车辆，簇首车辆在获胜之后将自身信息发送给车辆簇的各个簇成员车辆，从而选择出最稳定的车辆作为簇首车辆。平均相对速度的计算公式如下所示：

其中，ARS_i表示簇内车辆n_i的平均相对速度，Re(n_i)表示除车辆n_i外的车辆簇内剩余车辆的个数，v_i(t)表示簇内车辆n_i的速度，v_j(t)表示车辆簇内剩余车辆的速度。则簇首车辆n_k的平均相对速度满足下式：

特别的，在簇首车辆规划请求上传数据的车辆与目标路边单元间的传输路径之前，本发明实施例提供的方法还包括：

簇首车辆按照第二预设周期，接收所属车辆簇中各车辆发送的信标数据包，信标数据包中包括各车辆的运行信息与连接信息；

簇首车辆根据各车辆的运行信息确定车辆簇的行驶方向，并根据各车辆的连接信息确定各车辆之间的连接寿命；

确定响应数据上传请求的目标路边单元，规划请求上传数据的车辆与目标路边单元间的传输路径，包括：

确定车辆簇行驶方向上的第一个路边单元为目标路边单元；

根据各连接寿命，选择目标路边单元的通信范围内，请求上传数据的车辆与目标路边单元间的多条路径中的连接寿命累加结果最大的路径作为传输路径。

本发明实施例中，车辆簇内的车辆需要定期向簇首车辆发送信标数据包，其中，运行信息包括车辆位置、速度、方向、相对距离等信息，连接信息包括车辆与邻居车辆的连接寿命等，设车辆i向簇首车辆发送信标数据包的时间间隔是δ_b，并假定车辆在δ_b期间以恒定速度行驶。车辆i发送给簇首车辆的信标数据包格式表示为：

其中l_i(t)是车辆i当前所处的位置，v_i(t)是车辆i当前的速度，

是车辆i与其邻居车辆的相对距离，

是车辆i与其邻居车辆的连接寿命。

当簇首车辆接收到车辆簇内其他车辆的请求之后，根据其接收到的各车辆的运行信息可以确定车辆簇的行驶方向，一个车辆簇中各车辆的行驶方向是相同的，根据各车辆的连接信息可以确定各车辆之间的连接寿命。在确实目标路边单元时，根据整个车辆簇的位置选择行驶方向上的第一个路边单元为目标路边单元，目的是使目标路边单元可以连接到更多的车辆。车辆簇内的各车辆的速度可能不相同，为了使同一车辆的数据能够上传至同一路边单元，从而降低数据上传时延、提高上传效率，在目标路边单元的通信范围内，请求上传数据的车辆与目标路边单元间有多条路径，选择其中一条连接寿命累加结果最大的路径作为传输路径，即在选择路径上的协作车辆时以路径总体连接寿命最长为准则，选择的原理类似于“木桶原理”，一只桶的最大容量取决于桶壁上最短板的高度，而不是取决于最长板。

具体而言，从簇首车辆的角度来讲，簇首车辆接收簇成员车辆i的数据上传请求，然后根据整个车辆簇的位置选择目标路边单元，设定i的传输路径为PATH_i，对于簇成员车辆j，其中i与j不是同一个车辆，如果车辆j是车辆i的邻居车辆，则连接车辆i与车辆j，且两车辆之间的连接权重link_ij为连接寿命LT_ij，否则将连接权重link_ij设为-1，遍历所有簇成员车辆，确定车辆i的与车辆j的连接权重，循环结束后，将车辆簇抽象为了一个无向带权图。在传输路径PATH_i没有完成规划时，遍历簇成员车辆寻找路径，如果车辆j还未被遍历过，并且车辆j是车辆簇中与车辆i的连接寿命link_ij最长的车辆，车辆j在目标路边单元的覆盖范围内，则将车辆j加入到遍历过的车辆集合中。对于任一簇成员车辆k，车辆k是车辆j的邻居车辆，若k已经遍历过，但车辆i的与车辆j的连接寿命link_ij和车辆j与车辆k的连接寿命LT_jk之间的最小值，大于车辆i与车辆k间的连接寿命link_ik，则link_ik的值为link_ij与LT_jk间的最小值。如果当前选择的路径寿命不会引起上一步选择后的路径寿命发生回滚，则将车辆j加入到当前传输路径中形成新的传输路径。循环遍历簇中车辆，直到不存在车辆j还未被遍历过，并且车辆j是车辆簇中与车辆i的连接寿命link_ij最长的车辆，车辆j在目标路边单元的覆盖范围内，车辆i的传输路径规划完成。

从簇成员车辆(Cluster Member,CM)的角度来讲，簇成员车辆i接收簇首车辆发送的传输路径，表示为Path，传输路径上的协作车辆个数为N，如果簇成员车辆i在目标路边单元的覆盖范围内，则将数据划分为N+1份，即车辆i自身上传一段数据，否则划分为N段，即车辆i自身不承担数据上传工作，然后车辆i将数据段发送给协作车辆，协作车辆接收到来自车辆i的数据段，并将该数据段上传到目标路边单元。

总的来说，本发明实施例中，簇首车辆(Cluster Head,CH)进行的ICDU方法(ICDU-CH)主要功能有：选定一个目标路边单元，发出数据上传请求的车辆的待上传数据将会全部上传至该目标路边单元；基于车辆簇内车辆之间的V2V连接寿命选择出该目标路边单元通信范围内具有最长V2V连接寿命的多跳V2V传输路径，该路径上的车辆为请求车辆的协作者；将协作指示以及规划出的传输路径发回给请求车辆。

本发明实施例针对车辆自组织网VANET的动态拓扑环境，提出了一种基于邻域筛选的车辆聚簇策略，该策略能够在动态环境下基于车辆间V2V的连接寿命来进行相对稳定的车辆簇的划分，提高车辆聚簇的稳定性。车辆完成聚簇后，本发明实施例还提出了一种基于协作的簇内数据上传方法，使得车辆簇中的簇首车辆为待上传数据的车辆规划出一条数据上传的传输路径，即待上传数据的请求车辆将数据均匀分割成数据段并将各数据段分配给传输路径上的所有协作车辆，所有分配到数据段的协作车辆共同上传数据至指定的同一个目标路边单元，能够有效利用尽可能多的簇内车辆所分配到的带宽资源，通过使用协作的方式来提高数据上传过程中的上传吞吐量，从而减轻了簇首车辆所承担的数据流量压力。

第二方面，本发明实施例提供一种车辆自组网系统，参见图4，车辆自组网系统包括多个车辆簇410及多个路边单元420，车辆簇由多个车辆430组成；

请求上传数据的车辆，用于向所属车辆簇的簇首车辆发送数据上传请求，其中，簇首车辆为车辆簇内进行数据上传的路径规划者；

簇首车辆，用于接收数据上传请求，从多个路边单元中，确定响应数据上传请求的目标路边单元，规划请求上传数据的车辆与目标路边单元间的传输路径，并向请求上传数据的车辆反馈传输路径；

请求上传数据的车辆，还用于根据传输路径上的车辆数目，将待上传数据划分为多个数据段，并将各数据段发送至传输路径上的各车辆；

传输路径上的各车辆，用于分别向目标路边单元发送不同的数据段。

特别的，车辆簇中的第一车辆，用于：

针对第一车辆的第一邻居车辆，若第一邻居车辆不属于任何车辆簇，则第一车辆获取自身与所属车辆簇中各邻居车辆间的连接寿命以及第一车辆所属车辆簇中邻居车辆的数量，第一邻居车辆是在第一车辆的通行范围内与第一车辆进行通信的车辆，第一车辆为车辆簇中的任一车辆；

根据与所属车辆簇中各邻居车辆间的连接寿命及数量，计算第一车辆所属车辆簇的第一平均邻域连接寿命，以及第一邻居车辆加入车辆簇后的第二平均邻域连接寿命；

若第二平均邻域连接寿命大于第一平均邻域连接寿命，则将第一邻居车辆添加至所属车辆簇，得到新的车辆簇。

特别的，第一车辆具体用于：

按照第一预设周期，接收所属车辆簇中各邻居车辆发送的第一数据包；

根据第一数据包，计算与所属车辆簇中各邻居车辆的连接寿命。

特别的，车辆簇中的第一车辆，还用于：

获取自身的速度、所属车辆簇中除自身以外的其他车辆的速度以及所属车辆簇中除自身以外的其他车辆的数目，第一车辆为车辆簇中的任一车辆；

根据所自身的速度、所属车辆簇中除自身以外的其他车辆的速度以及数目，计算第一车辆自身相对于所属车辆簇中其他车辆的平均相对速度；

获取所属车辆簇中其余各车辆的平均相对速度；

当第一车辆自身的平均相对速度小于所属车辆簇中其余各车辆的平均相对速度时，确定自身为车辆簇的簇首车辆；

将自身的信息发送至车辆簇中的各车辆。

特别的，簇首车辆，还用于：

按照第二预设周期，接收所属车辆簇中各车辆发送的信标数据包，信标数据包中包括各车辆的运行信息与连接信息；

根据各车辆的运行信息确定车辆簇的行驶方向，并根据各车辆的连接信息确定各车辆之间的连接寿命；

簇首车辆具体用于：

确定行驶方向上的第一个路边单元为目标路边单元；

根据各连接寿命，选择目标路边单元的通信范围内，请求上传数据的车辆与目标路边单元间的多条路径中的连接寿命累加结果最大的路径作为传输路径。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其中计算机可读存储介质内存储有计算机程序，各个车辆上的处理器通过调用计算机程序，至少可以实现上述第一方面所述的方法。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统、计算机可读存储介质实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种面向车辆自组网的移动边缘数据上传方法，其特征在于，应用于车辆自组网系统，所述车辆自组网系统包括多个车辆簇及多个路边单元，所述车辆簇由多个车辆组成，所述方法包括：

请求上传数据的车辆向所属车辆簇的簇首车辆发送数据上传请求，其中，所述簇首车辆为所述车辆簇内进行数据上传的路径规划者；

所述簇首车辆接收所述数据上传请求，从所述多个路边单元中，确定响应所述数据上传请求的目标路边单元，规划所述请求上传数据的车辆与所述目标路边单元间的传输路径，并向所述请求上传数据的车辆反馈所述传输路径；

所述请求上传数据的车辆根据所述传输路径上的车辆数目，将待上传数据划分为多个数据段，并将各数据段发送至所述传输路径上的各车辆；

所述传输路径上的各车辆分别向所述目标路边单元发送不同的数据段。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在所述请求上传数据的车辆向所属车辆簇的簇首车辆发送数据上传请求之前，所述方法还包括：

针对第一车辆的第一邻居车辆，若所述第一邻居车辆不属于任何车辆簇，则所述第一车辆获取自身与所属车辆簇中各邻居车辆间的连接寿命以及所述第一车辆所属车辆簇中邻居车辆的数量，所述第一邻居车辆是在所述第一车辆的通行范围内与所述第一车辆进行通信的车辆，所述第一车辆为所述车辆簇中的任一车辆；

所述第一车辆根据所述与所属车辆簇中各邻居车辆间的连接寿命及所述数量，计算所述第一车辆所属车辆簇的第一平均邻域连接寿命，以及所述第一邻居车辆加入所述车辆簇后的第二平均邻域连接寿命；

若所述第二平均邻域连接寿命大于所述第一平均邻域连接寿命，则所述第一车辆将所述第一邻居车辆添加至所属车辆簇，得到新的车辆簇。

3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述第一车辆获取自身与所属车辆簇中各邻居车辆间的连接寿命，包括：

所述第一车辆按照第一预设周期，接收所属车辆簇中各邻居车辆发送的第一数据包；

所述第一车辆根据所述第一数据包，计算与所属车辆簇中各邻居车辆的连接寿命。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述请求上传数据的车辆向所属车辆簇的簇首车辆发送数据上传请求之前，所述方法还包括：

第一车辆获取自身的速度、所属车辆簇中除自身以外的其他车辆的速度以及所属车辆簇中除自身以外的其他车辆的数目，所述第一车辆为所述车辆簇中的任一车辆；

所述第一车辆根据所述自身的速度、所属车辆簇中除自身以外的其他车辆的速度以及所述数目，计算所述第一车辆自身相对于所属车辆簇中其他车辆的平均相对速度；

所述第一车辆获取所属车辆簇中其余各车辆的平均相对速度；

当所述第一车辆自身的平均相对速度小于所属车辆簇中其余各车辆的平均相对速度时，所述第一车辆确定自身为所述车辆簇的簇首车辆；

所述第一车辆将自身的信息发送至所述车辆簇中的各车辆。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在所述簇首车辆规划所述请求上传数据的车辆与所述目标路边单元间的传输路径之前，所述方法还包括：

所述簇首车辆按照第二预设周期，接收所属车辆簇中各车辆发送的信标数据包，所述信标数据包中包括所述各车辆的运行信息与连接信息；

所述簇首车辆根据所述各车辆的运行信息确定所述车辆簇的行驶方向，并根据所述各车辆的连接信息确定所述各车辆之间的连接寿命；

所述簇首车辆确定响应所述数据上传请求的目标路边单元，规划所述请求上传数据的车辆与所述目标路边单元间的传输路径，包括：

确定所述行驶方向上的第一个路边单元为目标路边单元；

根据各连接寿命，选择所述目标路边单元的通信范围内，所述请求上传数据的车辆与所述目标路边单元间的多条路径中的连接寿命累加结果最大的路径作为传输路径。

6.一种车辆自组网系统，其特征在于，所述车辆自组网系统包括多个车辆簇及多个路边单元，所述车辆簇由多个车辆组成；

请求上传数据的车辆，用于向所属车辆簇的簇首车辆发送数据上传请求，其中，所述簇首车辆为所述车辆簇内进行数据上传的路径规划者；

所述簇首车辆，用于接收所述数据上传请求，从所述多个路边单元中，确定响应所述数据上传请求的目标路边单元，规划所述请求上传数据的车辆与所述目标路边单元间的传输路径，并向所述请求上传数据的车辆反馈所述传输路径；

所述请求上传数据的车辆，还用于根据所述传输路径上的车辆数目，将待上传数据划分为多个数据段，并将各数据段发送至所述传输路径上的各车辆；

所述传输路径上的各车辆，用于分别向所述目标路边单元发送不同的数据段。

7.根据权利要求6所述系统，其特征在于，所述车辆簇中的第一车辆，用于：

针对所述第一车辆的第一邻居车辆，若所述第一邻居车辆不属于任何车辆簇，则获取自身与所属车辆簇中各邻居车辆间的连接寿命以及所述第一车辆所属车辆簇中邻居车辆的数量，所述第一邻居车辆是在所述第一车辆的通行范围内与所述第一车辆进行通信的车辆，所述第一车辆为所述车辆簇中的任一车辆；

根据所述与所属车辆簇中各邻居车辆间的连接寿命及所述数量，计算所述第一车辆所属车辆簇的第一平均邻域连接寿命，以及所述第一邻居车辆加入所述车辆簇后的第二平均邻域连接寿命；

若所述第二平均邻域连接寿命大于所述第一平均邻域连接寿命，则将所述第一邻居车辆添加至所属车辆簇，得到新的车辆簇。

8.根据权利要求7所述系统，其特征在于，所述第一车辆具体用于：

按照第一预设周期，接收所属车辆簇中各邻居车辆发送的第一数据包；

根据所述第一数据包，计算与所属车辆簇中各邻居车辆的连接寿命。

9.根据权利要求6所述系统，其特征在于，所述车辆簇中的第一车辆，用于：

获取自身的速度、所属车辆簇中除自身以外的其他车辆的速度以及所属车辆簇中除自身以外的其他车辆的数目，所述第一车辆为所述车辆簇中的任一车辆；

根据所述自身的速度、所属车辆簇中除自身以外的其他车辆的速度以及所述数目，计算所述第一车辆自身相对于所属车辆簇中其他车辆的平均相对速度；

获取所属车辆簇中其余各车辆的平均相对速度；

当所述第一车辆自身的平均相对速度小于所属车辆簇中其余各车辆的平均相对速度时，确定自身为所述车辆簇的簇首车辆；

将自身的信息发送至所述车辆簇中的各车辆。

10.根据权利要求6所述系统，其特征在于，所述簇首车辆，还用于：

按照第二预设周期，接收所属车辆簇中各车辆发送的信标数据包，所述信标数据包中包括所述各车辆的运行信息与连接信息；

根据所述各车辆的运行信息确定所述车辆簇的行驶方向，并根据所述各车辆的连接信息确定所述各车辆之间的连接寿命；

所述簇首车辆具体用于：

确定所述行驶方向上的第一个路边单元为目标路边单元；

根据各连接寿命，选择所述目标路边单元的通信范围内，所述请求上传数据的车辆与所述目标路边单元间的多条路径中的连接寿命累加结果最大的路径作为传输路径。

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