CN113347605A - 车辆信息传输网络组建方法、网络及bsm信息分发方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了车辆信息传输网络组建方法、网络及车辆BSM信息分发方法。组建方法包括：获取车辆密度；当车辆密度小于第一车辆密度阈值时，路侧单元RSU与目标区域内的车辆直接连接；当车辆密度不小于第一车辆密度阈值时，选取控制节点，划分与控制节点数量对应的虚拟计算单元，各成员节点通过控制节点与路侧单元RSU建立通信链路；获取与普通节点运动方向一致的控制节点集合，分别计算该普通节点加入所有控制节点所在虚拟计算单元的加入指标，将该普通节点加入最小加入指标对应的虚拟计算单元中。据车辆密度自适应建立信息传输网络，利用车辆动态变化属性的相似性将其快速聚类形成虚拟计算单元，提高RSU服务的连续性和覆盖率。

Description

车辆信息传输网络组建方法、网络及BSM信息分发方法
技术领域
本发明涉及车辆自组网技术领域，特别是涉及一种车辆信息传输网络组建方法、网络及车辆BSM信息分发方法。
背景技术
以专用短距离通信(Dedicated Short Range Communication，DSRC)作为关键技术的VANET(车辆自组织网络)主要包括三种基本的通信模式：车与车的通信(Vehicle toVehicle，V2V)、车与基础设施的通信(Vehicle to Infrastructure，V2I)、车与行人的通信(Vehicle to Pedestrian，V2P)，能够实现人、车、路的智能协同。车辆的高速移动使得V2I以及V2V的通信链路和网络拓扑非常不稳定，车辆密度的频繁变化和通信资源的短缺增加信息碰撞和拥塞，极大的影响了VANET的通信性能。
现有技术中为提高VANET的通信性能采取了以下几方面措施：
现有技术“Y.Wang，Y.Liu，J.Zhang，H.Ye，and Z.Tan，＂Cooperative Store－Carry－Forward Scheme for Intermittently Connected Vehicular Networks，＂IEEETransactions on Vehicular Technology，vol.PP，no.1，pp.1－1，2017.”为了提高V2I通信的稳定性和实时性，当车辆不在RSU覆盖范围时，协同存储转发(CSCF)将在同向车流和反向车流中各选择出一个中继节点，以便将数据从RSU转发到目标车辆。但是，反向中继节点对RSU服务连续性的提升效果并不能掩盖其在选取以及使用时的开销，同时在低密度RSU区域仅选择两个中继节点也无法很好地满足业务需求。另外链簇方案“H.Zhou，B.Liu，T.H.Luan，F.Hou，and X.Shen，＂ChainCluster：Engineering a Cooperative ContentDistribution Framework for Highway Vehicular Communications，＂IEEETransactions on Intelligent Transportation Systems，vol.15，no.6，pp.2644－2657，2014.”将沿线性拓扑移动的车辆组织成链簇。每个簇成员将从RSU下载标记车辆请求的文件的不同部分。离开RSU的覆盖范围后，簇成员将下载的部分转发给标记的车辆。但是这种方法会增加系统的整体开销，同时簇成员在将下载的部分转发给标记车辆时，又将出现新的问题，例如信道的选取，消息的碰撞以及数据的丢失等等。现有技术“B.L.Nguyen，D.T.Ngo，N.H.Tran，and H.L.Vu，＂Combining V2I with V2V Communications forService Continuity in Vehicular Networks，＂in 2019 IEEE IntelligentTransportation Systems Conference－ITSC，2019.”则提出了一种车辆间的多跳转发方案。不过这种方案选取转发器的时候没有考虑到应使该转发器能持续服务的时间最大化。此外，以上几个方案都未考虑到车辆处于多个RSU覆盖范围内的情况。
其次，由于RSU覆盖范围内可能存在的车辆数量较大，如果所有车辆都直接与RSU建立通信来发送和接收数据，这将会给RSU带来巨大的负荷。在现有的研究中，集群体系结构常被应用于管理VANET的通信，目的是将网络从扁平化结构转化为分层结构，建立稳定的网络拓扑、最大化通信链路的时间，从而提高网络的可扩展性和鲁棒性。
在过去的几年里，研究者们提出了大量的车辆聚类算法，这些算法可以分为三类：基于ID的，基于地理位置的，基于权重的。
基于ID的聚类算法：这类算法为车辆节点分配独一无二的ID，以节点ID作为簇头选择的基础。然而，这类基于ID的算法并未考虑车辆的行驶速度，集群的稳定性对车辆速度十分敏感。因此，面向ID的聚类算法通常与其他方法结合使用，如面向位置的方法、面向车辆间关系的方法等。
基于地理位置的聚类算法：这类算法关注的是车际空间关系。在现有技术“Q.Han，X.Zhanga，J.Zhang，L.Zeng，and X.Peng，＂Research on resource scheduling andallocation mechanism of computation and transmission under MEC framework，＂in2019IEEE Intelligent Transportation Systems Conference－ITSC，2019.”中，提出了一种基于区域的聚类机制，根据区域位置对车辆进行聚类，规定每300m内的车辆组成一个集群，以减少MAC协议中车辆接入通道引入的争用周期。然而，道路车辆聚类受到空间关系和车辆密度特征的双重影响。
显然，基于ID的聚类算法和基于位置的聚类算法是权值聚类算法的基础，因此，聚类算法的优化可以转化为权重因子优化问题。
基于权重的聚类算法：加权聚类算法WCA是非常经典的基于权重的算法，其主要思想是分析出可能影响簇头性能的参数，并给各个参数赋予不同的加权系数，最终根据权重数值选择节点作为簇头。但是此方法只考虑了低密度情况，当车辆密度变化较大时，稳定性较差。
最后，在车辆通信方面，DSRC在5.9GHz频段分配了75MHz的频谱资源作为车辆通信的专用频带，随着研究的深入和应用拓展，DSRC已发展成为车载无线环境接入(WirelessAccess in Vehicular Environments，WAVE)体系。一般情况下，DSRC节点采用基于竞争的方式获取通信资源，在车辆密度较低的情况下，车辆通信能够较为顺利的进行，然而一旦区域内车辆节点增多，网络中待传递的信息增加，有限的通信资源并不能应对突发性的信息风暴。TOMAR等人提出了一种根据请求优先级确定信息传输优先级的思想，并提出一种RSU中心信道分配方式，RSU将分配给区域的有限带宽划分为多个前缀重叠的空间簇，并且每个簇使用的信道被划分为多个时隙，RSU根据请求的优先级和信道的可用性将时隙分配给车辆。然而，文献“L.Zeng et al.，＂A Bus Oriented Mobile FCNs Infrastructure andIntra－cluster BSM Transmission Mechanism，＂IEEE Access，vol.PP，pp.1－1，2019.”在分析了车辆的机动特性后，得出结论RSU无法胜任的资源分配任务。为了高效利用信道资源，现有的分配方式主要分为三类：基于竞争的方式、基于分配的方式、混合的方式。基于CSMA机制的竞争方式会在车辆通信中引入较大的通信延迟，当车辆检测到信道冲突时，必须花费时间进行回退等待。其次，CSMA机制在车辆数目非常多的情况下，会因为数据包拥塞引发频繁的冲突，导致网络性能急剧下降。基于分配的方式需要有控制单元或节点进行统筹规划，并且要知道相邻车辆的运动状态，这在缺乏集中控制节点的情况下实现起来存在一定难度。混合方式将上述两种方式结合，在保证传输效率的同时，减少信息拥塞碰撞。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了车辆信息传输网络组建方法、网络及车辆BSM信息分发方法。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种车辆信息传输网络组建方法，包括：获取路侧单元RSU目标区域内的车辆密度；当所述车辆密度小于第一车辆密度阈值时，所述路侧单元RSU与目标区域内的车辆直接建立连接链路传输信息；当所述车辆密度不小于第一车辆密度阈值时，从目标区域内选取至少一个车辆作为控制节点，将未选中为控制节点的车辆作为普通节点，划分与控制节点数量对应的虚拟计算单元，一个虚拟计算单元中包含一个控制节点，将所有普通节点分别通过虚拟计算单元聚类方法作为成员节点加入相应的虚拟计算单元中，在虚拟计算单元中，各成员节点通过控制节点与路侧单元RSU建立通信链路传输信息；其中，所述虚拟计算单元聚类方法包括：对于每个普通节点，获取与该普通节点运动方向一致的控制节点集合，记为第一集合，分别计算该普通节点加入第一集合中所有控制节点所在虚拟计算单元的加入指标，将该普通节点作为成员节点加入最小加入指标对应的虚拟计算单元中；其中，某个普通节点加入某个虚拟计算单元的加入指标表示该普通节点与该虚拟计算单元的控制节点的位置、行驶速度和行驶加速度的差异程度。
上述技术方案：由于车辆密度不同，道路交通流状态不同，网络中传输的信息量也不相同，车辆密度的频繁变化和通信资源的短缺增加信息碰撞和拥塞，极大的影响了VANET的通信性能，对此，本方法根据车辆密度自适应地为路侧单元RSU和车辆建立信息传输网络模型，增强了网络稳定性。在车辆密度较大时，通过设置虚拟计算单元及其控制节点，能够适应不同规模信息量的传输和处理能力，利用车辆的速度、加速度、行驶方向等各种动态变化的属性的相似性建立了虚拟计算单元聚类方法，通过虚拟计算单元聚类方法能够将普通车辆快速聚类加入相应的虚拟计算单元，有利于提高虚拟计算单元的稳定性和耐久性，有效提高路侧单元RSU服务的连续性和覆盖率，提出的虚拟计算单元聚类方法使得控制节点更换频率降低，VirCC结构更稳定且覆盖特性更好，形成的网络拓扑稳定，进而提高VANET的通信性能。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种车辆信息传输网络，包括路侧单元RSU和位于所述路测单元RSU目标区域内的至少一个车辆，根据本发明所述的车辆信息传输网络组建方法建立路侧单元RSU和车辆的信息传输网络。
上述技术方案：该信息传输网络除了具有上述车辆信息传输网络组建方法的有益效果外，还具备对车辆进行分级管理建立稳定的网络拓扑，有助于缓解通信连通的不稳定性的有益效果。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第三个方面，本发明提供了一种基于本发明所述的车辆信息传输网络的车辆BSM信息分发方法，包括：将BSM信息分发周期划分为控制时段和服务时段；当车辆密度小于第一车辆密度阈值时，在控制时段，车辆通过争抢CCH信道与路侧单元RSU信息交互传输控制信息，在服务时段，路侧单元RSU为所有车辆分配一个公共SCH服务信道，所有车辆通过CSMA机制占用公共SCH服务信道传输BSM信息至路侧单元RSU；当车辆密度不小于第一车辆密度阈值时，在控制时段，所有车辆通过争抢CCH信道与路侧单元RSU进行信息交互，划分或维护或合并虚拟计算单元，为各虚拟计算单元分配SCH服务信道，每个控制节点为所在虚拟计算单元的成员节点划分传输时隙获得时隙分配表并广播所述时隙分配表，在服务时段，成员节点根据时隙分配表中指定的时隙占用所在虚拟计算单元的SCH服务信道上传BSM信息至路侧单元RSU。
上述技术方案：该车辆BSM信息分发方法对通信资源进行合理分配、设计可靠的信息传输机制，有助于减少消息冲突，能有效提高VANET的通信效率。
附图说明
图1是本发明一具体实施方式中车辆信息传输网络组建方法的流程示意图；
图2是本发明一具体实施方式中车辆密度小于第一车辆密度阈值时的网络模型结构示意图；
图3是本发明一具体实施方式中车辆密度不小于第一车辆密度阈值时的网络模型结构示意图；
图4是本发明一具体实施方式中中密度的虚拟计算单元划分框架示意图；
图5是本发明一具体实施方式中高密度的虚拟计算单元划分框架示意图；
图6是本发明一具体实施方式中虚拟计算单元维护过程示意图；
图7是本发明一具体实施方式中车辆密度小于第一车辆密度阈值时BSM信息分发周期示意图；
图8是本发明一具体实施方式中车辆密度不小于第一车辆密度阈值时BSM信息分发周期示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明公开了一种车辆信息传输网络组建方法，在一种优选实施方式中，如图1所示，车辆信息传输网络组建方法包括：
步骤S101，获取路侧单元RSU目标区域内的车辆密度。目标区域位于RSU处及其附近的路段，目标区域优选但不限于路侧单元RSU的全部或部分通信覆盖范围区域；或者除了包括路侧单元RSU的全部或部分通信覆盖范围外，还包括其他非RSU覆盖范围的区域。获取车辆密度的方法可采用现有技术，如采用公开号为CN102624896A的专利中所提供的技术方案。
在本实施方式中，优选的，获取路侧单元RSU目标区域内的车辆密度，包括：将目标区域内车辆与路侧单元RSU关联，路侧单元RSU统计与其关联的车辆数目获得目标区域的车辆密度，由于目标区域内的车辆密度与车辆数目呈正比，因此，通过车辆数目能够直接评估车辆密度。
在本实施方式中，公开了一种将目标区域内车辆与路侧单元RSU关联的方法，包括：
当车辆在单个路侧单元RSU通信范围内时，车辆直接与该路侧单元RSU建立链接并交互信息。
当车辆在两个及两个以上路侧单元RSU的通信重叠区域内时，为实现持续服务的时间最大化，该车辆结合接收到的路侧单元RSU的信号强度、车辆与路侧单元RSU的间距以及车辆与路侧单元RSU的相对位置判断接入某个路侧单元RSU。车辆与路侧单元RSU的间距优选但不限于为欧式距离。优选的，车辆与路侧单元RSU的相对位置为路侧单元RSU在车辆行驶方向的前面还是后面，如果车辆在接近路侧单元RSU，那么路侧单元RSU就在车辆的前面，反之若车辆远离路侧单元RSU，那么路侧单元RSU在车辆的后面。具体的，设置一个倾向系数，路侧单元RSU的信号强度越强倾向系数越大，车辆与路侧单元RSU的间距越小倾向系数越大，路侧单元RSU在车辆的前面比在车辆后面对应的倾向系数大，结合RSU的信号强度越强、车辆与路侧单元RSU的间距以及车辆与路侧单元RSU的相对位置得到各RSU的倾向系数，选取倾向系数最大的RSU作为车辆接入的RSU。
当车辆在无路侧单元RSU信号覆盖区域内时，将该车辆记作目标车辆，将目标车辆行驶的方向设定为正方向，通过一个或多个中继车辆与位于目标车辆前方的路侧单元RSU进行关联。考虑到车辆的移动性和通信链路的生存时间，实现持续服务的时间最大化，优选的，根据如下四个原则中的至少一个原则选择中继车辆：
原则一，中继车辆位于目标车辆或前一跳中继车辆的通信范围内，保证目标车辆与中继车辆可以直接建立V2V链路以进行数据传；
原则二，中继车辆与目标车辆运动方向一致且行驶速度相同或相近，行驶速相近可为中继车辆与目标车辆的行驶速度差的绝对值在0到中继车辆或目标测量行驶速度的10％之间，以保证目标车辆与中继车辆具有相似的运动特性；
原则三，非最后一跳的中继车辆与上一跳中继车辆的距离尽可能远，比如两者的距离为两者通信半径之和的80％到100％之间，以保证使用尽量少的中继车辆，减少信息传输的跳跃次数。
原则四，最后一跳的中继车辆位于待关联路侧单元RSU的通信范围边缘，以保证所建立的链路生存时间尽可能长。
步骤S102，包括步骤S102a和步骤S102b。
当车辆密度小于第一车辆密度阈值时执行步骤S102a。步骤S102a具体包括：路侧单元RSU与目标区域内的车辆直接建立连接链路传输信息，即路侧单元RSU为目标区域内的车辆的一跳节点。不需要为网络中的车辆划分虚拟计算单元(VirCC)，车辆直接与RSU进行交互。建立的网络模型如图2所示，包括Layer1和Layer2两层，Layer1包括RSU，Layer2包括目标区域内的所有车辆。
当所述车辆密度不小于第一车辆密度阈值时执行步骤S102b。步骤S102b具体包括：
步骤S102b1，从目标区域内选取至少一个车辆作为控制节点，将未选中为控制节点的车辆作为普通节点。
步骤S102b2，划分与控制节点数量对应的虚拟计算单元，一个虚拟计算单元中包含一个控制节点。控制节点对所在虚拟计算单元VirCC区域进行统一管理，其级别和功能都要高于所在VirCC的成员节点。
步骤S102b3，将所有普通节点分别通过虚拟计算单元聚类方法作为成员节点加入相应的虚拟计算单元中。
步骤S102b4，在虚拟计算单元中，各成员节点通过控制节点与路侧单元RSU建立通信链路传输信息。
具体的网络模型如图3所示，包括Layer1、Layer2和Layer3三层，Layer1包括RSU，Layer2包括所有控制节点，Layer2包括所有普通节点。最顶层Layer1仍然是由RSU组成的控制层；中间层Layer2则是由选定的控制节点组成的信息汇总层；最底层Layer3是由除控制节点以外的所有普通车辆节点组成的普通车辆层，即成员节点层。各VirCC内的成员节点通过控制节点与RSU进行信息交互。
本发明还公开了一种虚拟计算单元聚类方法，在一种优选实施方式中，该方法具体包括：对于每个普通节点，获取与该普通节点运动方向一致的控制节点集合，记为第一集合，分别计算该普通节点加入第一集合中所有控制节点所在虚拟计算单元的加入指标，将该普通节点作为成员节点加入最小加入指标对应的虚拟计算单元中。
在本实施方式中，优选的，当车辆密度不小于第一车辆密度阈值时，车辆密度越大从目标区域内选取的控制节点数量越多，以保证每个虚拟计算单元内的成员节点都能分配到信息传输时隙，保证每个虚拟计算单元稳定可靠工作。进一步优选的，预设第二车辆密度阈值，第二车辆密度阈值大于第一车辆密度阈值，设置中密度场景和高密度场景，在中密度场景中车辆密度大于第一车辆密度阈值且小于第二车辆密度阈值时，在高密度场景中车辆密度大于第二车辆密度阈值。当车辆处于中密度场景时，VirCC划分框架如图4所示。当车辆处于高密度场景时，此时道路中车辆数目达到道路可承受的最大限度，最大限度优选但不限于为SCH信道最大个数和传输信息时的时隙个数的乘积值，网络中待传输的信息量几乎呈爆炸式增长，各个VirCC内的车辆数目以及信息量都非常饱和。因此，需要对各VirCC内的车辆做进一步划分，以保证控制节点的管理能力，并减少VirCC内部由于信息量增大出现的碰撞和拥塞现象。此时，RSU将各VirCC内部的车辆节点做进一步划分，根据车辆数目将一个VirCC区域分裂为多个VirCC，并为这些VirCC选定出相应的控制节点。这种情况下，对应的网络模型与中密度时的基本相同，唯一的区别在于，原本中等密度下的一个VirCC由于车辆过多，被分裂成了多个VirCC，并且这些VirCC相互独立，拥有不同的控制节点分别进行管理。此时VirCC划分框架如图5所示。
在本实施方式中，某个普通节点加入某个虚拟计算单元的加入指标表示该普通节点与该虚拟计算单元的控制节点的位置、行驶速度和行驶加速度的差异程度。VANET中的车辆具有速度、加速度、行驶方向等各种动态变化的属性，考虑车辆的这些特殊属性，利用虚拟计算单元聚类方法使具有相似属性的车辆快速形成VirCC，有利于提高VirCC的稳定性和耐久性。
在本实施方式中，优选的，通过如下公式获取第i个普通节点加入第j个虚拟计算单元的加入指标VirCCindex：
Figure BDA0003128829810000121
其中，(xi,yi)表示第i个普通节点的位置坐标；veci表示第i个普通节点的行驶速度；accei表示第i个普通节点的行驶加速度；(xCN,yCN)表示第j个虚拟计算单元的控制节点的位置坐标；vecCN表示第j个虚拟计算单元的控制节点的行驶速度；acceCN表示第j个虚拟计算单元的控制节点的行驶加速度；i和j均为正整数。
在一种优选实施方式中，从目标区域内选取至少一个车辆作为控制节点，包括：
为选择出合理并且稳定的控制节点，以及保证整个VirCC稳定，结合候选车辆距离路侧单元RSU的距离、候选车辆与邻居车辆的运动相似性、以及候选车辆与邻居车辆的平均距离判断所述候选车辆能否被选作控制节点，具体为：
候选车辆距离路侧单元RSU越近越容易被选作控制节点；
候选车辆与邻居车辆的运动相似性越高越容易被选作控制节点
候选车辆与邻居车辆的平均距离越小越容易被选作控制节点。
在本实施方式中，候选车辆优选但不限于为公共汽车车也可以为非公共汽车车辆。候选车辆的邻居车辆是以候选车辆为中心邻域半径内的所有车辆，领域半径可预设，优选但不限于为候选车辆的通信半径。
在本实施方式中，优选的，从目标区域内选取至少一个车辆作为控制节点的过程具体包括初建阶段获取步骤，初建阶段获取步骤包括：
步骤S1，根据当前车辆密度确定控制节点和虚拟计算单元个数K，K为正整数；控制节点和虚拟计算单元的个数相等均为K，优选的，当获得目标区域内的车辆数量时，根据BSM信息分发周期中服务时段包含的最大时隙数，将车辆数量除以最大时隙数的结果向上取整获得的数值作为K。
步骤S2，在目标区域内随机选择K个候选车辆作为控制节点，将目标区域内剩余的车辆作为普通节点，为每个控制节点分配一个虚拟计算单元；优选的，候选车辆为公共汽车。
步骤S3，对于每个普通节点，获取与该普通节点运动方向一致的控制节点集合，记为第一集合，分别计算该普通节点加入第一集合中所有控制节点所在虚拟计算单元的加入指标，将该计算节点加入最小加入指标对应的虚拟计算单元。
步骤S4，计算每个虚拟计算单元中所有候选车辆的控制节点选择因子，选择具有最大控制节点选择因子的候选车辆作为该虚拟计算单元的新控制节点；其中，控制节点选择因子与距离路侧单元RSU的距离，以及候选车辆与邻居车辆的平均距离成正比，控制节点选择因子与候选车辆与邻居车辆的运动相似因子成反比。
步骤S5，重复执行步骤S3、步骤S4直到在每个虚拟计算单元内控制节点都不再变化，输出所有虚拟计算单元的控制节点和成员节点集合。
在本实施方式中，优选的，通过如下公式计算各候选车辆的控制节点选择因子：
Wi'＝α1×(1-Msimilarity)+α2×fposition+α3×Disi'；
其中，Wi'表示第i'个候选车辆的控制节点选择因子，i'为正整数；α1、α2、α3均大于等于0，分别为预设的第一加权系数、第二加权系数、第三加权系数，且α1+α2+α3＝1，Wi'∈[0,1]；Msimilarity表示第i'个候选车辆与其周边N个邻居车辆的运动相似因子，
Figure BDA0003128829810000141
Mspeed、Macceleration、Mdirection分别表示第i'个候选车辆与任一相邻车辆之间的速度相似特征、加速度相似特征、行驶方向相似特征，Msimilarity∈[0,1]，Msimilarity越大第i'个候选车辆与其邻居车辆的移动相似性越高；fposition表示第i'个候选车辆的相对位置因子，fposition表征了候选车辆与其关联RSU距离的远近，其数值越小，候选车辆与RSU距离越近，
Figure BDA0003128829810000142
fposition∈[0,1]，(xi',yi')表示第i'个候选车辆的位置坐标，(xrsu,yrsu)表示路侧单元RSU的位置坐标；Disi'表示第i'个候选车辆与邻居车辆的平均间距，Disi'表征了候选车辆与其邻居节点之间的平均距离，其数值越小表示该候选节点与周围车辆距离越近，结构越紧凑，
Figure BDA0003128829810000151
Disi'∈[0,1]，Di'j'表示第i'个候选车辆与第i'个候选车辆的第j'个邻居车辆的归一化距离，
Figure BDA0003128829810000152
(xj',yj')表示第i'个候选车辆的的第j'个邻居车辆的位置坐标，TR表示第i'个候选车辆的的通信半径。
在本实施方式中，可见，控制节点选择因子数值越小，则候选车辆与邻居车辆具有更相似的运动状态，与关联RSU距离越近且邻居节点越紧凑，此候选车辆具有更高的稳定性和并且越适合作为VirCC的控制节点。
在一种优选实施方式中，在VANET环境中，由于控制节点和VirCC成员节点具有流动性，VirCC也会更迭变化，或许是原有成员节点离开VirCC、新车辆加入VirCC，或许是控制节点的更换，还可能涉及到某些VirCC区域的合并，这些情况对维护VirCC结构的稳定是十分不利的。因此，需要定期对VirCC进行更新和维护，保持VirCC结构的稳定性。首先要考虑的是VirCC的合并，因为某些VirCC可能有大量车辆驶离，并且没有新的车辆节点加入，导致该VirCC中仅剩下较少车辆。此时，控制节点管理的VirCC成员车辆很少，而该VirCC的成员节点仍然共同占用一个无线信道进行信息传输，无法充分利用通信资源和控制节点的计算资源。这种情况下，可以将这些成员节点较少的VirCC合并，方便管理且节省资源。因此，优选的，在初建阶段获取步骤之后，还包括虚拟计算单元合并步骤，具体包括：
若存在一个以上待合并虚拟计算单元，并且待合并虚拟计算单元的控制节点位于彼此通信范围内，则合并相邻且时隙利用率之和小于1的虚拟计算单元，在所有待合并虚拟计算单元的控制节点中选择控制节点选择因子最大的控制节点作为合并后新的虚拟计算单元的控制节点，将合并后新的虚拟计算单元中无法与新的控制节点通信的普通节点脱离新的虚拟计算单元，并将脱离的普通节点加入合并的虚拟计算单元之外的虚拟计算单元中；待合并虚拟计算单元定义为时隙利用率小于P的虚拟计算单元，优选的，P∈[0.5,0.6]。
若待合并虚拟计算单元周围没有相邻的待合并虚拟计算单元，即该待合并虚拟计算单元是孤立的，则将该待合并虚拟计算单元与相邻的第一虚拟计算单元合并，其中，所述第一虚拟计算单元满足：待合并虚拟计算单元的控制节点在第一虚拟计算单元的控制节点通信范围内，并且待合并虚拟计算单元内车辆平均速度与第一虚拟计算单元内的车辆平均速度差异最小，即将待合并虚拟计算单元内的车辆平均速度与目标区域内除该待合并虚拟计算单元之外的其它虚拟计算单元内的车辆平均速度比较，获得多个速度差值，选取速度差值最小的虚拟计算单元作为第一虚拟计算单元。
在一种优选实施方式中，在初建阶段获取步骤之后，还包括虚拟计算单元维护步骤，如图6所示，包括：
定期计算各虚拟计算单元中所有候选车辆节点的控制节点选择因子，选择控制节点选择因子最大的候选车辆节点作为该虚拟计算单元的新控制节点，更新所有控制节点后，更新各虚拟计算单元的成员集合。
在本实施方式中，在对VirCC进行维护的过程中，可能出现两种特殊情况：
①某个VirCC中除了原本的控制节点以外暂时没有其他公交车节点，此时无法进行控制节点的更新，则不更换控制节点。
②某个VirCC首次划分VirCC时，区域中没有公交车，且一直未有公交车行驶进入该区域，在这种情况下，则在该区域的普通节点中选择新控制节点以完成VirCC更新维护的过程，一旦检测到有公交车进入该区域后，充当控制节点的普通车辆将VirCC控制权移交给公交车。
本发明还公开了一种车辆信息传输网络，在一种优选实施方式中，该网络包括路侧单元RSU和位于所述路测单元RSU目标区域内的至少一个车辆，根据上述车辆信息传输网络组建方法建立路侧单元RSU和车辆的信息传输网络。
本发明还公开了一种车辆BSM信息分发方法，在一种优选实施方式中，包括：如图7和图8所示，将BSM信息分发周期划分为控制时段Control Interval和服务时段ServiceInterval，优选的，两个时段分别为50ms。如下表1所示，为控制时段Control Interval分配CCH信道，优选的，为CH178信道，用于传输车辆控制信息。
表1信道分配表
DSRC信道 信道名称 信道功能
CH178 CCH 车辆控制信息传输
CH172，174，176，180，182，184 SCH BSM传输
当车辆密度小于第一车辆密度阈值时，为低密度场景，没有划分VirCC，控制节点也不存在，时隙分配如图7所示，在控制时段，普通车辆通过争抢CCH信道与路侧单元RSU信息交互传输控制信息。由于不涉及VirCC的划分维护等操作，在传输控制信息的CCHI阶段，车辆只需要于该时段在CCH信道中完成与RSU交互自身的行驶状态信息DSMvehicle。因此，DM时隙占据了整个CCHI，道路所有车辆节点通过竞争方式争抢CCH信道广播DSMvehicle，由本地RSU接收后动态监控车辆行驶状态和车辆密度。在服务时段，由于车辆少，待发送的信息也较少，因此路侧单元RSU为所有车辆分配一个公共SCH服务信道，所有车辆通过CSMA机制以竞争的方式占用公共SCH服务信道传输BSM信息至路侧单元RSU。
当车辆密度不小于第一车辆密度阈值时，即处于中密度或高密度场景，车辆节点被划分为多个VirCC，成员节点由本地控制节点(即所在VirCC的控制节点)统一管理。每个虚拟计算单元内的控制节点作为该虚拟计算单元的资源分配器。采用混合方式分配CCH信道以及s个SCH信道，s为正整数，优选但不限于为6。CCH信道通过竞争方式被占用以传输控制信息，相应的，CCHI被用来完成VirCC划分、维护和合并，以及确定VirCC的信道资源分配方案、生成VirCC成员节点的BSM发送时隙分配表。而在SCHI中，不同的VirCC被RSU分配不同SCH信道，每个SCH信道通过划分好的时隙分配表被VirCC成员节点依次占用，各VirCC成员节点按照时隙分配表的时隙次序占用相应的信道依次完成车辆BSM的传输。
在控制时段，所有车辆通过争抢CCH信道与路侧单元RSU进行信息交互，划分或维护或合并虚拟计算单元，为各虚拟计算单元分配SCH服务信道，每个控制节点为所在虚拟计算单元的成员节点划分传输时隙获得时隙分配表并广播所述时隙分配表，在服务时段，成员节点根据时隙分配表中指定的时隙占用所在虚拟计算单元的SCH服务信道上传BSM信息至路侧单元RSU。在基于时隙划分的BSM信息传输阶段，各VirCC的成员节点根据控制节点发送的时隙分配表SlotTable的顺序，在指定的时隙占用本地VirCC被分配的SCH服务信道传输BSM信息，同时也接收其他节点的BSM信息。这里，不同的VirCC被分配不同的SCH信道。
在本实施方式中，优选的，每个控制节点为所在虚拟计算单元中的成员节点划分传输时隙的过程包括：
计算成员节点的虚拟计算单元关联度，根据成员节点的虚拟计算单元关联度的大小设置优先级，虚拟计算单元关联度越小的节点获得越高的优先级，其中，虚拟计算单元关联度表示了成员节点与所在虚拟计算单元整体的速度相似性和位置紧密程度；根据成员节点的优先级分配时隙，成员节点的优先级越高分配的时隙越靠前。
在本实施方式中，优选的，通过如下公式计算成员节点的虚拟计算单元关联度VirCCcorrelation：VirCCcorrelation＝Evec+(1-Enei)；其中，Evec表示成员节点与所在虚拟计算单元整体的速度关联度，
Figure BDA0003128829810000191
ave_vec表示成员节点所在虚拟计算单元的整体平均速度，vec表示成员节点的行驶速度，vecmax表示预设的最大允许速度，Evec∈[0,1]；Enei表示成员节点与成员节点所在虚拟计算单元内车辆的精密程度，
Figure BDA0003128829810000192
N'表示成员节点所在虚拟计算单元内车辆的总数，nneighbor表示成员节点的邻居车辆数目。
在本实施方式中，优选的，当车辆密度不小于第一车辆密度阈值时，虚拟计算单元构建阶段的控制时段包括：
DM时隙，路侧单元RSU目标区域内所有车辆发送自身行驶状态信息DSMvehicle至路侧单元RSU。
VM时隙：路侧单元RSU划分虚拟计算单元，确定每个虚拟计算单元的控制节点和成员节点，并广播虚拟计算单元的划分结果，所有车辆接收所述划分结果。
OM时隙：成员节点向所在虚拟计算单元的控制节点广播DSMvehicle。
TSM时隙：控制节点整理收到的成员节点的DSMvehicle，为所在虚拟计算单元中的成员节点划分传输时隙得到时隙分配表并广播所述时隙分配表，所述时隙分配表仅控制节点所在虚拟计算单元的成员节点接收。
在本实施方式中，优选的，虚拟计算单元维护阶段的控制时段包括：
DM时隙：目标区域内所有非候选车辆发送自身行驶状态信息DSMvehicle至目标区域中的候选车辆。
BM时隙：候选车辆计算自身的控制节点选择因子并广播DSMbus，仅候选车辆所在虚拟计算单元的控制节点接收DSMbus。
CM时隙：控制节点确定新控制节点并移交控制权，新控制节点广播DSMvehicle，仅普通节点接收DSMvehicle。
OM时隙：普通节点根据虚拟计算单元加入指标选定控制节点并向选定的控制节点广播DSMvehicle，仅选定的控制节点接收。
TSM时隙：选定的控制节点整理收到的成员节点的DSMvehicle，为所在虚拟计算单元中的成员节点划分传输时隙得到时隙分配表并广播所述时隙分配表，仅控制节点所在虚拟计算单元的成员节点接收所述时隙分配表。
本专利提出了基于VirCC划分的车辆BSM的分发机制。旨在通过对车辆进行稳定的自适应VirCC划分以及VirCC内信道资源的合理分配，再根据本发明提出的信息传输优先级确定各成员节点发送信息的先后顺序，获得时隙分配表，使得VANET能够高效地为车辆驾驶人和道路使用者提供安全有效的服务。
首先，通过仿真实验，本发明提出的RSU关联策略能有效提高RSU服务的连续性和覆盖率。
其次，本发明提出的VirCC划分算法使得控制节点更换频率降低，VirCC结构更稳定且覆盖特性更好，形成的网络拓扑稳定。
第三，本发明可以解决VANET通信性能由于不同车辆密度导致的波动问题，目前提出的很多资源分配方法都只适合低密度的车辆环境，不适合高密度车辆环境。本发明所提出的方法无论是低密度还是高密度通信性能都很好。
最后，本发明根据上述技术基础设计的BSM分发机制能明显增加车辆的通信收包率、降低时延，可以有效提高车辆通信效率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (11)

1.一种车辆信息传输网络组建方法，其特征在于，包括：
获取路侧单元RSU目标区域内的车辆密度；
当所述车辆密度小于第一车辆密度阈值时，所述路侧单元RSU与目标区域内的车辆直接建立连接链路传输信息；
当所述车辆密度不小于第一车辆密度阈值时，从目标区域内选取至少一个车辆作为控制节点，将未选中为控制节点的车辆作为普通节点，划分与控制节点数量对应的虚拟计算单元，一个虚拟计算单元中包含一个控制节点，将所有普通节点分别通过虚拟计算单元聚类方法作为成员节点加入相应的虚拟计算单元中，在虚拟计算单元中，各成员节点通过控制节点与路侧单元RSU建立通信链路传输信息；
其中，所述虚拟计算单元聚类方法包括：对于每个普通节点，获取与该普通节点运动方向一致的控制节点集合，记为第一集合，分别计算该普通节点加入第一集合中所有控制节点所在虚拟计算单元的加入指标，将该普通节点作为成员节点加入最小加入指标对应的虚拟计算单元中；其中，某个普通节点加入某个虚拟计算单元的加入指标表示该普通节点与该虚拟计算单元的控制节点的位置、行驶速度和行驶加速度的差异程度。
2.如权利要求1所述的车辆信息传输网络组建方法，其特征在于，通过如下公式获取第i个普通节点加入第j个虚拟计算单元的加入指标VirCCindex：
Figure FDA0003128829800000011
其中，(xi,yi)表示第i个普通节点的位置坐标；veci表示第i个普通节点的行驶速度；accei表示第i个普通节点的行驶加速度；(xCN,yCN)表示第j个虚拟计算单元的控制节点的位置坐标；vecCN表示第j个虚拟计算单元的控制节点的行驶速度；acceCN表示第j个虚拟计算单元的控制节点的行驶加速度；i和j均为正整数。
3.如权利要求1所述的车辆信息传输网络组建方法，其特征在于，从目标区域内选取至少一个车辆作为控制节点，包括：
结合候选车辆距离路侧单元RSU的距离、候选车辆与邻居车辆的运动相似性、以及候选车辆与邻居车辆的平均距离判断所述候选车辆能否被选作控制节点，具体为：
候选车辆距离路侧单元RSU越近越容易被选作控制节点；
候选车辆与邻居车辆的运动相似性越高越容易被选作控制节点
候选车辆与邻居车辆的平均距离越小越容易被选作控制节点。
4.如权利要求3所述的车辆信息传输网络组建方法，其特征在于，从目标区域内选取至少一个车辆作为控制节点的过程具体包括初建阶段获取步骤，所述初建阶段获取步骤包括：
步骤S1，根据当前车辆密度确定控制节点和虚拟计算单元个数K，K为正整数；
步骤S2，在目标区域内随机选择K个候选车辆作为控制节点，将目标区域内剩余的车辆作为普通节点，为每个控制节点分配一个虚拟计算单元；
步骤S3，对于每个普通节点，获取与该普通节点运动方向一致的控制节点集合，记为第一集合，分别计算该普通节点加入第一集合中所有控制节点所在虚拟计算单元的加入指标，将该计算节点加入最小加入指标对应的虚拟计算单元；
步骤S4，计算每个虚拟计算单元中所有候选车辆的控制节点选择因子，选择具有最大控制节点选择因子的候选车辆作为该虚拟计算单元的新控制节点；其中，所述控制节点选择因子与距离路侧单元RSU的距离，以及候选车辆与邻居车辆的平均距离成正比，所述控制节点选择因子与候选车辆与邻居车辆的运动相似因子成反比；
步骤S5，重复执行步骤S3、步骤S4直到在每个虚拟计算单元内控制节点都不再变化，输出所有虚拟计算单元的控制节点和成员节点集合。
5.如权利要求4所述的车辆信息传输网络组建方法，其特征在于，通过如下公式计算各候选车辆的控制节点选择因子：
Wi'＝α1×(1-Msimilarity)+α2×fposition+α3×Disi'；
其中，Wi'表示第i'个候选车辆的控制节点选择因子，i'为正整数；α1、α2、α3均大于等于0，分别为预设的第一加权系数、第二加权系数、第三加权系数，且α1+α2+α3＝1；Msimilarity表示第i'个候选车辆与其周边N个邻居车辆的运动相似因子，所述
Figure FDA0003128829800000031
Mspeed、Macceleration、Mdirection分别表示第i'个候选车辆与任一相邻车辆之间的速度相似性、加速度相似性、行驶方向相似性，Msimilarity∈[0,1]；fposition表示第i'个候选车辆的相对位置因子，
Figure FDA0003128829800000032
(xi',yi')表示第i'个候选车辆的位置坐标，(xrsu,yrsu)表示路侧单元RSU的位置坐标；Disi'表示第i'个候选车辆与邻居车辆的平均间距，
Figure FDA0003128829800000033
Di'j'表示第i'个候选车辆与第i'个候选车辆的第j'个邻居车辆的归一化距离，
Figure FDA0003128829800000041
(xj',yj')表示第i'个候选车辆的的第j'个邻居车辆的位置坐标，TR表示第i'个候选车辆的的通信半径；
和/或在初建阶段获取步骤之后，还包括虚拟计算单元合并步骤，具体包括：
若存在一个以上待合并虚拟计算单元，并且待合并虚拟计算单元的控制节点位于彼此通信范围内，则合并相邻且时隙利用率之和小于1的虚拟计算单元，在所有待合并虚拟计算单元的控制节点中选择控制节点选择因子最大的控制节点作为合并后新的虚拟计算单元的控制节点，将合并后新的虚拟计算单元中无法与新的控制节点通信的普通节点脱离新的虚拟计算单元，并将脱离的普通节点加入合并的虚拟计算单元之外的虚拟计算单元中；
若待合并虚拟计算单元周围没有相邻的待合并虚拟计算单元，则将该待合并虚拟计算单元与相邻的第一虚拟计算单元合并，其中，所述第一虚拟计算单元满足：待合并虚拟计算单元的控制节点在第一虚拟计算单元的控制节点通信范围内，并且待合并虚拟计算单元内车辆平均速度与第一虚拟计算单元内的车辆平均速度差异最小；和/或在初建阶段获取步骤之后，还包括虚拟计算单元维护步骤，包括：
定期计算各虚拟计算单元中所有候选车辆节点的控制节点选择因子，选择控制节点选择因子最大的候选车辆节点作为该虚拟计算单元的新控制节点，更新所有控制节点后，更新各虚拟计算单元的成员集合。
6.如权利要求1所述的车辆信息传输网络组建方法，其特征在于，获取路侧单元RSU目标区域内的车辆密度，包括：
将目标区域内车辆与路侧单元RSU关联，路侧单元RSU统计与其关联的车辆数目获得目标区域的车辆密度；
其中，将目标区域内车辆与路侧单元RSU关联，包括：
当车辆在单个路侧单元RSU通信范围内时，所述车辆直接与该路侧单元RSU建立链接并交互信息；
当车辆在两个及两个以上路侧单元RSU的通信重叠区域内时，该车辆结合接收到的路侧单元RSU的信号强度、车辆与路侧单元RSU的间距以及车辆与路侧单元RSU的相对位置判断接入某个路侧单元RSU；
当车辆在无路侧单元RSU信号覆盖区域内时，将该车辆记作目标车辆，将目标车辆行驶的方向设定为正方向，通过一个或多个中继车辆与位于目标车辆前方的路侧单元RSU进行关联。
7.如权利要求6所述的车辆信息传输网络组建方法，其特征在于，当车辆在无路侧单元RSU信号覆盖区域内时，根据如下四个原则中的至少一个选择中继车辆：
原则一，中继车辆位于目标车辆或前一跳中继车辆的通信范围内；
原则二，中继车辆与目标车辆运动方向一致且行驶速度相同或相近；
原则三，非最后一跳的中继车辆与上一跳中继车辆的距离尽可能远；
原则四，最后一跳的中继车辆位于待关联路侧单元RSU的通信范围边缘。
8.一种车辆信息传输网络，其特征在于，包括路侧单元RSU和位于所述路测单元RSU目标区域内的至少一个车辆，根据权利要求1－7之一所述的车辆信息传输网络组建方法建立路侧单元RSU和车辆的信息传输网络。
9.一种基于如权利要求8所述的车辆信息传输网络的车辆BSM信息分发方法，其特征在于，包括：
将BSM信息分发周期划分为控制时段和服务时段；
当车辆密度小于第一车辆密度阈值时，在控制时段，车辆通过争抢CCH信道与路侧单元RSU信息交互传输控制信息，在服务时段，路侧单元RSU为所有车辆分配一个公共SCH服务信道，所有车辆通过CSMA机制占用公共SCH服务信道传输BSM信息至路侧单元RSU；
当车辆密度不小于第一车辆密度阈值时，在控制时段，所有车辆通过争抢CCH信道与路侧单元RSU进行信息交互，划分或维护或合并虚拟计算单元，为各虚拟计算单元分配SCH服务信道，每个控制节点为所在虚拟计算单元的成员节点划分传输时隙获得时隙分配表并广播所述时隙分配表，在服务时段，成员节点根据时隙分配表中指定的时隙占用所在虚拟计算单元的SCH服务信道上传BSM信息至路侧单元RSU。
10.如权利要求9所述的车辆BSM信息分发方法，其特征在于，每个控制节点为所在虚拟计算单元中的成员节点划分传输时隙的过程包括：
计算成员节点的虚拟计算单元关联度，根据成员节点的虚拟计算单元关联度的大小设置优先级，虚拟计算单元关联度越小的节点获得越高的优先级，其中，虚拟计算单元关联度表示了成员节点与所在虚拟计算单元整体的速度相似性和位置紧密程度；
根据成员节点的优先级分配时隙，成员节点的优先级越高分配的时隙越靠前。
11.如权利要求10所述的车辆BSM信息分发方法，其特征在于，通过如下公式计算成员节点的虚拟计算单元关联度VirCCcorrelation：
VirCCcorrelation＝Evec+(1-Enei)；
其中，Evec表示成员节点与所在虚拟计算单元整体的速度关联度，
Figure FDA0003128829800000071
ave_vec表示成员节点所在虚拟计算单元的整体平均速度，vec表示成员节点的行驶速度，vecmax表示预设的最大允许速度，Evec∈[0,1]；Enei表示成员节点与成员节点所在虚拟计算单元内车辆的精密程度，
Figure FDA0003128829800000072
N'表示成员节点所在虚拟计算单元内车辆的总数，nneighbor表示成员节点的邻居车辆数目。
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