CN112911544A - 一种面向高速路车联网的自适应路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向高速路车联网的自适应路由方法，包括如下步骤：S1、输入源节点和目的节点，源节点初始化路由进程，并将必要的信息插入到数据包中，此时源节点等于发送节点；S2、根据衡量指标Rank选出候选节点；S3、若发送节点通过1跳即可到达目的节点，则直接将数据包发送到目的节点；否则，根据发送节点的位置选择交点模式或者分段模式传输数据包，直到目的节点接收数据包。本发明采用交点模式和分段模式结合，对于不同位置的发送节点分别采取不同的转发策略，同时在选择下一跳转发节点时，考虑了下一跳节点间链路的质量以及链路的稳定性，从而有效提高数据包的递交率，减少数据包传输的延迟时间。

Description

一种面向高速路车联网的自适应路由方法

技术领域

本发明涉及车联网技术领域，特别涉及一种面向高速路车联网的自适应路由方法。

背景技术

在高速路车联网中，每一辆车都知道自己的地理位置，以及速度信息，在整个网络中每一辆车有且仅有唯一的ID，且每一个节点中保存一张邻居节点列表，每个节点通过周期性的向其邻居节点广播自己ID以及位置信息来更新邻居表。如图1所示，在一个道路宽为mW，其中车道宽度为W，车道数为m的，车辆密度为λ，且车辆节点的广播距离为固定的R，V_S节点要发送一个数据包给V_D节点。传统的贪婪路由算法的特点是在寻找出下一跳转发节点时总是寻找比当前节点距离目的节点更近的节点成为候选节点，由于车辆的运动都是按照固定的路线，这样就会形成一个候选节点域，贪婪路由算法，在属于发送节点的中继选择区域(RSR)的节点中选择中继，如图1中的灰色区域。由于只考虑下一跳转发节点与目的节点的距离，因此会选择V₁成为下一跳转发节点，但是由于车辆的快速运动以及信号的衰减就会出现V₁收到错误的数据包或由于能量小于数据包的阈值而被丢弃，从而影响链路质量以及稳定性。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种面向高速路车联网的自适应路由方法。

本发明采用以下技术方案：

一种面向高速路车联网的自适应路由方法，包括如下步骤：

S1、输入源节点和目的节点，源节点初始化路由进程，并将必要的信息插入到数据包中，此时源节点等于发送节点；

S2、根据衡量指标Rank选出候选节点；

S3、若发送节点通过1跳即可到达目的节点，则直接将数据包发送到目的节点；否则，根据发送节点的位置选择交点模式或者分段模式传输数据包，直到目的节点接收数据包。

进一步地，在步骤S2中，衡量指标Rank的计算公式如下：

其中，dis(s,i)为发送节点与邻居节点的距离，L_state(s,i)为发送节点与邻居节点的链路状态，ρ_avail(i)为邻居节点i的有效邻居节点度量；

当Rank的值大于0的时候，就选出了下一跳候选节点，否则发送节点继续携带数据包，直到下一个候选节点出现。

进一步地，所述链路状态L_state通过链路的稳定性L_stability和传输的质量L_quality这两个指标评估，具体计算为：L_state＝L_stability×L_quality。

进一步地，在步骤S3中所述交点模式或者分段模式的选择规则为：若发送节点位于交叉路口，则启动交点模式传输数据包；若发送节点位于路段上，则启动分段模式传输数据包。

进一步地，所述交叉模式即发送节点计算所有连接路段的权重ω，并选择权重最小的路段传输数据包。

进一步地，所述权重ω的计算如下：

ω＝κD_{segment,destination}+(1-κ)C_real；0≤κ＜1；

其中，D_{segment,destination}是连接路段与目的地之间的距离，C_real是连接路段的连通概率，κ是权重因子。

进一步地，所述分段模式传输数据包具体为：若发送节点有可用的邻居节点，则根据贪婪机会转发GOF方法进行跳转；若发送节点无可用的邻居节点，则发送节点在分组生存期内携带数据包，直到接触到可用的邻居节点，否则超过分组生存期后丢弃数据包并将报文发送回上一跳的中继节点。

进一步地，所述贪婪机会转发GOF方法具体为：输入发送节点，计算发送节点与最远层内邻居节点V_intra的间距X₁、发送节点与最远层间邻居节点V_inter的间距Y₁，若Y₁＞X₁+σ，则最远的层间邻居节点V_inter被选作下一个中继节点，否则采用最远层内邻居节点V_intra作为下一个中继节点，其中，

λ₁是最远层内邻居节点V_intra的节点密度，λ₂是最远层间邻居节点V_inter的节点密度，R是发送节点的广播半径。

采用上述技术方案后，本发明与背景技术相比，具有如下优点：

本发明采用两种转发模式即交点模式和分段模式的结合，对于不同位置的发送节点分别采取不同的转发策略，从而规避路口的独特挑战；在选择下一跳转发节点时，考虑了下一跳节点间链路的质量以及链路的稳定性，同时加入了有效节点度量，从而有效提高数据包的递交率，减少数据包传输的延迟时间。

附图说明

图1为现有基本车载网络模型示意图；

图2为忽略道路宽度的车载模型示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1所示，一种面向高速路车联网的自适应路由方法，包括如下步骤：

S1、输入源节点和目的节点，源节点初始化路由进程，并将必要的信息插入到数据包中，此时源节点等于发送节点；

S2、根据衡量指标Rank选出候选节点；

S3、若发送节点通过1跳即可到达目的节点，则直接将数据包发送到目的节点；否则，根据发送节点的位置选择交点模式或者分段模式传输数据包，直到目的节点接收数据包。

在步骤S2中，衡量指标Rank的计算公式如下：

其中，dis(s,i)为发送节点s与邻居节点i的距离，L_state(s,i)为发送节点与邻居节点的链路状态，ρ_avail(i)为邻居节点i的有效邻居节点度量；

当Rank的值大于0的时候，就选出了下一跳候选节点，否则发送节点继续携带数据包，直到下一个候选节点出现。

上述，链路状态L_state通过链路的稳定性L_stability和传输的质量L_quality这两个指标来评估，具体计算为：L_state＝L_stability×L_quality。

(1)链路的稳定性评估

利用相对位移的变化量来衡量节点间链路的稳定性，节点间的距离公式如下：

在这里(x，y)表示发送节点，(x_i，y_i)一跳邻居节点，那么节点间的相对位移可以利用以下公式来得到：

其中R为广播半径，为一个固定常量。d_i(t)表示t时刻发送节点与一跳邻居节点的距离。通过评估节点间相对位移的变化量，我们可以知道变化量越小，那么链路就越稳定。

(2)链路质量评估

由于发送节点发送的数据包远大于信标数据包，所以我们给出一种利用基于视频传输的模型，利用节点接收的包错误率来评估节点间的链路质量。每个节点接收到的信号的能量为：

其中，P_r为接收到的能量，P_t为发送的能量，λ₃为传输的信号的波长，r为路径衰减因子，h为天线高度，η为地面反射系数，d为节点间的距离，然后计算接收到的信号的信噪比：

其中P_A表示接收到的所有能量，包含噪声。利用以下公式来计算误码率：

其中，

因此，我们可以计算出包的错误率l_per

l_pet＝1-(1-BER)^L

由于节点速度以及方向所引起的链路拓扑的变化，很容易当我们要发送一个数据包时链路已经断裂。使得计算出一跳链路的可靠维持时间是至关重要的。当发送节点收到邻居节点i发来的一个hello信标数据包时，来计算发送节点与节点i间的链路维持时间t_i。

R²＝((x_i+v×t_i)-x)²+((y_i+v×t_i)-y)²

其中，(x，y)表示发送节点，(x_i，y_i)一跳邻居节点，R为广播半径，v为相对速度，由以下公式计算得到。

v＝v_i-v_s

v_i为邻居节点的速度，v_s发送数据包节点的速度。我们知道，发送一个数据包时端到端的时延为：

T_delay＝delay_trans+delay_prop+delay_proc

其中，delay_trans为数据包的传输时延，delay_prop为数据包的传播延时，delay_proc为数据包的处理延时，而且很容易得到。当

时，这样的链路是极其脆弱而且不可靠的，所以链路的维持时间是一个要考虑的重要部分，我们将链路的维持时间归一化为一个度量：

l_duration＝t_i/T_max

得到时间因子。其中，T_max为最大持续时间。通过考察以上3个指标，我们就可以确定出一跳链路的质量：

L_quality＝(ω×l_duration+(1-ω)×l_per)

其中，ω为权重值，我们取0.5。利用以上的两个指标，我们就可以计算出一跳链路状态，并将其作为一个下一跳转发节点的衡量指标。

在步骤S3中所述交点模式或者分段模式的选择规则为：若发送节点位于交叉路口，则启动交点模式传输数据包；若发送节点位于路段上，则启动分段模式传输数据包。

所述交叉模式即发送节点计算所有连接路段的权重ω，并选择权重最小的路段传输数据包。

所述权重ω的计算如下：

ω＝κD_{segment，destination}+(1-κ)C_real；0≤κ＜1；

其中，D_segment，_destination是连接路段与目的地之间的距离，C_real是连接路段的连通概率，κ是权重因子。

连通概率作为高速路场景车联网动态自适应路由方法的重要参数同时也是地理路由协议方向选择的重要因素，本实施例提出了新的计算连通概率的方法，该方法依据发送节点和它的最近节点的间距(间距的分布按照指数分布)，即当发送节点与最近节点的间距有解，则表示路段连通，此时的连通概率为99.99％。因此，如果我们具有间距的分布就可以计算。然而，在多层次结构中，节点在网络中具有两种邻居节点，导致两种间距，分别计算如下：

(1)在发送节点和最近层内节点之间的间距(即X_near)的累积分布函数

(2)在发送节点和最近层间节点之间的间距(即Y_near)的累积分布函数

所述分段模式传输数据包具体为：若发送节点有可用的邻居节点，则根据贪婪机会转发GOF方法进行跳转；若发送节点无可用的邻居节点，则发送节点在分组生存期内携带数据包，直到接触到可用的邻居节点，否则超过分组生存期后丢弃数据包并将报文发送回上一跳的中继节点。

所述贪婪机会转发GOF方法具体为：输入发送节点，计算发送节点与最远层内邻居节点V_intra的间距X₁、发送节点与最远层间邻居节点V_inter的间距Y₁，若Y₁＞X₁+σ，则最远的层间邻居节点V_inter被选作下一个中继节点，否则采用最远层内邻居节点V_intra作为下一个中继节点，其中，

λ₁是最远层内邻居节点V_intra的节点密度，λ₂是最远层间邻居节点V_inter的节点密度，R是发送节点的广播半径。

由于道路宽度可以忽略，本实施例提出的路由算法在评估一跳链路质量时，充分考虑了节点间的相对位移、包准确率以及链路的维持时间，使得当V_s与V₃满足数据包转发时的最低链路要求时，也会成为下一跳转发节点的候选节点。同时为了减小数据包传输的延迟时间，通过加入了对转发节点的有效邻居节点密度的考察。如图2所示，当V₃满足数据包转发的要求时，由于V₃的一跳邻居节点中有不包含在V_s范围中的节点V₄，而V₂的所有邻居节点都包含在V_s中，当选择V₃时，可以极大的减少数据包传输的延迟时间。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种面向高速路车联网的自适应路由方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、输入源节点和目的节点，源节点初始化路由进程，并将必要的信息插入到数据包中，此时源节点等于发送节点；

S2、根据衡量指标Rank选出候选节点；

S3、若发送节点通过1跳即可到达目的节点，则直接将数据包发送到目的节点；否则，根据发送节点的位置选择交点模式或者分段模式传输数据包，直到目的节点接收数据包。

2.如权利要求1所述的一种面向高速路车联网的自适应路由方法，其特征在于：在步骤S2中，衡量指标Rank的计算公式如下：

α+β+γ＝1；

其中，dis(s,i)为发送节点与邻居节点的距离，L_state(s,i)为发送节点与邻居节点的链路状态，ρ_avail(i)为邻居节点i的有效邻居节点度量；

当Rank的值大于0的时候，就选出了下一跳候选节点，否则发送节点继续携带数据包，直到下一个候选节点出现。

3.如权利要求2所述的一种面向高速路车联网的自适应路由方法，其特征在于：所述链路状态L_state通过链路的稳定性L_stability和传输的质量L_quality这两个指标评估，具体计算为：L_state＝L_stability×L_quality。

4.如权利要求3所述的一种面向高速路车联网的自适应路由方法，其特征在于：在步骤S3中所述交点模式或者分段模式的选择规则为：若发送节点位于交叉路口，则启动交点模式传输数据包；若发送节点位于路段上，则启动分段模式传输数据包。

5.如权利要求4所述的一种面向高速路车联网的自适应路由方法，其特征在于：所述交叉模式即发送节点计算所有连接路段的权重ω，并选择权重最小的路段传输数据包。

6.如权利要求5所述的一种面向高速路车联网的自适应路由方法，其特征在于：所述权重ω的计算如下：

ω＝κD_{segment,destination}+(1-κ)C_real；0≤κ＜1；

其中，D_{segment,destination}是连接路段与目的地之间的距离，C_real是连接路段的连通概率，κ是权重因子。

7.如权利要求6所述的一种面向高速路车联网的自适应路由方法，其特征在于：所述分段模式传输数据包具体为：若发送节点有可用的邻居节点，则根据贪婪机会转发GOF方法进行跳转；若发送节点无可用的邻居节点，则发送节点在分组生存期内携带数据包，直到接触到可用的邻居节点，否则超过分组生存期后丢弃数据包并将报文发送回上一跳的中继节点。

8.如权利要求7所述的一种面向高速路车联网的自适应路由方法，其特征在于：所述贪婪机会转发GOF方法具体为：输入发送节点，计算发送节点与最远层内邻居节点V_intra的间距X₁、发送节点与最远层间邻居节点V_inter的间距Y₁，若Y₁＞X₁+σ，则最远的层间邻居节点V_inter被选作下一个中继节点，否则采用最远层内邻居节点V_intra作为下一个中继节点，其中，

λ₁是最远层内邻居节点V_intra的节点密度，λ₂是最远层间邻居节点V_inter的节点密度，R是发送节点的广播半径。

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