CN116828423B - 一种车路通信协同信息传输路由节点选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种车路通信协同信息传输路由节点选择方法，包括：获取行驶方向上重要度最高的路侧单元节点；在相邻所述路侧单元节点之间，检测是否存在车辆中继节点，直至行程结束；基于所述车辆中继节点的检测结果和所述路侧单元节点，完成信息传输的路由节点选择。本发明能够最合理的选择出重要度最高的路由节点进行信息传输，本发明中的路由节点选择方法对于网络的性能、安全性、负载均衡、可靠性等方面都有着重要的影响，能够有效提高网络的性能和安全性，进一步提高实时共享和公布路况和交通信息的效率。

Description

一种车路通信协同信息传输路由节点选择方法

技术领域

本发明属于车路通信协同网络技术领域，尤其涉及一种车路通信协同信息传输路由节点选择方法。

背景技术

车路通信协同网络是基于车载自组网的通信网络。车载自组网是一种基于车辆间通讯技术的网络，车辆在行驶中相互连接，并通过无线通信技术共享信息。车载自组网可以实现车辆之间的信息共享、交通信息的实时收集和分析、车辆之间的交互式安全传输以及各种智能交通应用(如路况信息、电子收费等)等。车辆通过车载自组网拓扑结构，可以实时共享和公布路况和交通信息。车辆还可以通过车载自组网发送安全信息给其他车辆，例如车辆位置、速度、方向等等，以帮助另一个车辆预测它周围的环境。同时，车辆还可以在遇到危险时自动向其他车辆发送预警信号，提高交通的安全性。车辆之间的信息共享可以帮助自动驾驶车辆更好地理解周围环境和路况，提高自动驾驶的安全性和可靠性。

由于网络组织的便捷性与松散性，自组织成网过程中路由节点的选择便至关重要；路由节点选择策略是指在路由选择中，决定网络包在传输过程中选择哪些节点进行转发和传递的决策过程；但目前现有的选择策略是基于蜂窝或接续的通信节点选择；会有覆盖盲区、节点缺失、通信失效等缺点；会对实时车路通信及其安全保障带来严重危害。

通过选择合适的路由节点，可以减少网络包在传输过程中的延迟、丢包等问题，提高整个网络的传输效率；路由节点选择策略决定了网络包在传输过程中经过哪些节点，对保障网络安全具有很大的作用。因此，通过选择合适的路由节点，可以防止网络攻击，提高网络的安全性。路由节点选择策略还可以帮助网络实现负载均衡，平衡每个节点的负载压力，从而达到优化网络性能的目的，并促进网络可靠性。通过合理选择路由节点，可以减少网络节点的故障，从而提高网络的稳定性；快速实现车辆之间的信息共享、交通信息的实时收集和分析、车辆之间的交互式安全传输，进一步提高实时共享和公布路况和交通信息的效率。

综上，路由节点选择策略对于网络的性能、安全性、负载均衡、可靠性等方面都有着重要的影响。研究和优化路由节点选择策略能够有效提高网络的性能和安全性，因此，亟需提出一种车路通信协同信息传输路由节点选择方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种车路通信协同信息传输路由节点选择方法，可以防止网络攻击，提高网络的安全性，帮助网络实现负载均衡，平衡每个节点的负载压力，从而达到优化网络性能的目的，并促进网络可靠性，减少网络节点的故障，从而提高网络的稳定性。

为实现上述目的本发明提出了一种车路通信协同信息传输路由节点选择方法，包括：

基于车辆密度与路侧单元节点重要度的函数关系，确定行驶方向上重要度最高的路侧单元节点；

在相邻所述路侧单元节点之间，检测是否存在车辆中继节点，直至行程结束；

基于所述车辆中继节点的检测结果和所述路侧单元节点，完成信息传输的路由节点选择。

可选地，获取行驶方向上重要度最高的路侧单元节点包括：

基于物理空间上的道路几何距离和自组织网络中的无线链路质量，构建选择所述路侧单元节点的第一初始重要度函数；

对所述第一初始重要度函数添加车辆密度约束，构建第一重要度函数；

基于所述第一重要度函数，计算行驶方向上所有可通信范围内路侧单元节点的重要度，选择其中重要度最高的路侧单元节点。

可选地，所述无线链路质量的影响因素包括：车辆的分布状态和道路车辆密度；

所述道路车辆密度为：

其中，ρ_ij为道路R_ij上的车辆密度，R_ij为任意两个路侧单元节点V_i和V_j之间的连通路径，N_ij为道路R_ij上的车辆数量，L_ij为道路R_ij物理空间上的欧式几何距离；

所述车辆的分布状态包括：车辆节点分布的方差和偏度：

所述车辆节点分布的方差为：

其中，σ_ij ²为车辆节点分布的方差，σ_ij为车辆节点分布的标准差，N为车辆节点总数量，k为车辆节点，C_ijk为车辆相对道路位置的关联参数；

所述车辆节点分布的偏度为：

其中，γ_ij为车辆节点分布的偏度。

可选地，车辆相对道路位置的所述关联参数，用于表征每个车辆节点位置取其相对于道路起始点的几何距离与总路段距离的百分比定义；

所述关联参数为：

其中，D_ijk为车辆节点k相对于道路R_ij起始点的欧式几何距离。

可选地，所述第一初始重要度函数为：

其中，θ_ij′为第一初始重要度函数，ρ_ij为道路R_ij上的车辆密度，σ_ij为车辆节点分布的标准差，|γ_ij|为偏度γ_ij的绝对值。

可选地，所述第一重要度函数为：

其中，θ_ij为第一重要度函数。

可选地，检测是否存在车辆中继节点包括：

基于所述路侧单元节点，在可通信范围内，检测是否存在相邻车辆节点，若存在所述相邻车辆节点，则将所述相邻车辆节点作为所述车辆中继节点，计算所有车辆中继节点的重要度，选取其中重要度最高的所述车辆中继节点；若不存在所述相邻车辆节点，保持携带预传输信息，继续检测所述路侧单元节点。

可选地，计算所有车辆中继节点的重要度包括：

基于车辆节点的速度重要度参数和车辆行驶方向，构建第二重要度函数；

基于所述第二重要度函数，计算所有车辆中继节点的重要度。

可选地，所述第二重要度函数为：

θ_k＝ε_k·T_k

其中，θ_k为车辆节点k的重要度，T_k为车辆节点k的速度重要度参数，ε_k为车辆行驶方向相关的二值变量。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明首先确定行驶方向上重要度最高的路侧单元节点，然后在相邻路侧单元节点之间，检测是否存在车辆中继节点，若存在则选择重要度最高的车辆中继节点，若不存在，保持携带预传输信息继续检测路侧单元节点，由此，本发明能够最合理的选择出重要度最高的路由节点进行信息传输，提高整个网络的传输效率；帮助网络实现负载均衡，平衡每个节点的负载压力，从而达到优化网络性能的目的，并促进网络可靠性，还可以减少网络节点的故障，从而提高网络的稳定性。本发明快速实现车辆之间的信息共享、交通信息的实时收集和分析、车辆之间的交互式安全传输，进一步提高实时共享和公布路况和交通信息的效率。通过本发明还能够减少网络包在传输过程中的延迟、丢包等问题，进一步提高整个网络的传输效率。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的一种车路通信协同信息传输路由节点选择方法流程示意图；

图2为本发明实施例的信协同网络信息传递示意图；

图3为本发明实施例的信息传输路由节点选择场景示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本实施例的研究场景设定为城市环境条件，车载自组织网中车辆可通过广播信标信息提供车辆当前所处位置，车辆唯一ID、当前运行速度和方向等。为研究需要，自组织网中道路虚拟数字孪生地图将抽象为有向图G(V,E)，对于任意两个路侧单元节点V_i和V_j，存在连通路径R_ij∈E，即车辆可通过道路R_ij从节点V_i行驶至V_j。信息传输路由节点选择场景如图3所示。

在自组织网中，车辆行驶目的地预先确定，车辆行驶路径即车载自组织网节点连接数据传输方向根据起终节点定义为连续的一系列路侧单元节点及路侧单元间的车辆中继节点。自组织网的节点链接过程可以分为两个阶段：第一阶段实现路侧单元节点选择；第二阶段实现中继车辆转发节点选择。

如图1所示，本实施例提供了一种车路通信协同信息传输路由节点选择方法，车路通信协同网络的建立需要预先确立所有通信节点。在这一过程中，首先需要计算行驶方向上所有可通信范围内路侧单元节点的重要度，选择其中重要度最高的路侧单元节点。节点选取成功后，需要检测是否有相邻车辆节点在可通信范围内。若存在相邻车辆节点，则计算所有可通信车辆中继节点重要度，选取其中重要度最高的车辆中继节点；若不存在，保持携带预传输信息，继续检测路侧单元节点。无论车辆中继节点建立成功与否，需要继续确认与行驶方向上已建立路侧单元节点通信范围外下一路侧单元节点建立连接，如此循环直至结束行驶过程。在上述的网络构建成功后，各单元信息传输流程可由图2所示。

更为具体地，首先进行路侧单元节点选择；

路侧单元的选择主要考虑两方面的因素，物理空间上的道路几何距离及自组织网络中的无线链路质量。无线链路的数据传输质量影响因素众多，如车辆的分布状态、道路车辆密度等。其中，道路R_ij上的车辆密度ρ_ij可表示为：

其中，N_ij为道路R_ij上的车辆数量，L_ij为道路R_ij物理空间上的欧式几何距离。

由于路侧单元间往往超出直接通信距离，需要车辆中继节点进行中转，而信息传输速度近乎为光速，远高于车辆行驶速度，因此通常来说，更大的道路车辆密度意味着更多的通信中继节点，更完整的通信连接链路，更低的数据传输延迟。

为了表示车辆在道路上的分布状况，需要引入关于车辆相对道路位置的关联参数，这里对于每个车辆节点位置取其相对于道路起始点的几何距离与总路段距离的百分比定义相对位置参数C_ijk为：

其中，D_ijk为车辆节点k相对于道路R_ij起始点的欧式几何距离。

由此，可根据式(2)计算得到统计意义上道路R_ij的车辆节点分布状态指标参数，考虑到方差与偏度的无量纲性，这里选取二者作为参考指标，其方差σ_ij ²为：

其中N为车辆节点总数量。

偏度γ_ij为：

其中，σ_ij为车辆节点分布的标准差。

一般而言，车辆密度ρ_ij越大，数据转发延迟越少；车辆节点分布方差σ_ij ²越小，偏度的绝对值|γ_ij|越小，车辆分布越均匀，无线链路的质量越高。

由此，根据式(1)、(3)、(4)计算得到路侧单元节点的重要度函数θ_ij(路侧单元j相对于起始点i的重要度)：

事实上，车辆密度并非越大越好，根据《公路工程适应自动驾驶附属设施总体技术规范(征求意见稿)》，路侧通信设施进行I2V业务传输时，至少应满足如下表1所示无线传输指标要求：

表1公路工程适应自动驾驶附属设施总体技术规范无线传输指标

注：多用户通讯指每个路侧通信设施下3～4用户；

因此为满足一定的无线传输质量，对式(5)通过密度加以约束得到：

车辆中继节点选择

当车辆已经选定下一路侧单元节点时，需要从相邻车辆ID中确认可行的下一车辆中继节点，以实现信息的快速传递。与路侧单元节点选择相同，同一时间往往存在多个可行的车辆中继节点，将采用相同的方式通过评估车辆节点k的重要度θ_k对多个节点从中进行选择。

由于车辆速度相对于信息传输速度忽略不计，因此车速带给信息传送速率的正反馈几乎为0。相反，车辆行驶速度会极大影响车通信网络高动态拓扑的稳定性与速度，因此更低的行车速度往往意味着更高的车辆中继节点选择优先级。由此定义相邻节点k的速度重要度参数T_k为：

其中v_k为车辆节点k的运行速度，v_max为当前网络中所有可选择节点的最高速度。

然而，除车辆速度外，车辆行驶方向是更为重要的决定性参数，如果中继节点的行驶方向与发出者方向相反，那么中继节点将毫无意义。因此引入二值变量ε_k对重要度进行修正，得到最终车辆节点k的重要度θ_k为：

θ_k＝ε_k·T_k (8)

其中，

如果没有合适的中继节点，如车辆处于密度极低路段，无任何可选择节点，则该车辆将独自携带消息直到有其他车辆中继节点进入通信范围之内。

本实施例研究了通信协同网络构建过程中所需要考虑的网络节点选取问题，提出了相应的节点选择策略，完善了通信协同网络的结构组成。

本实施例所提出一种车路通信协同信息传输路由节点选择方法，能够减少网络包在传输过程中的延迟、丢包等问题，提高整个网络的传输效率；还可以帮助网络实现负载均衡，平衡每个节点的负载压力，从而达到优化网络性能的目的，并促进网络可靠性。通过合理选择路由节点，还可以减少网络节点的故障，从而提高网络的稳定性。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种车路通信协同信息传输路由节点选择方法，其特征在于，包括：

获取行驶方向上重要度最高的路侧单元节点；

在相邻所述路侧单元节点之间，检测是否存在车辆中继节点，直至行程结束；

基于所述车辆中继节点的检测结果和所述路侧单元节点，完成信息传输的路由节点选择；

获取行驶方向上重要度最高的路侧单元节点包括：

基于物理空间上的道路几何距离和自组织网络中的无线链路质量，构建选择所述路侧单元节点的第一初始重要度函数；

对所述第一初始重要度函数添加车辆密度约束，构建第一重要度函数；

基于所述第一重要度函数，计算行驶方向上所有可通信范围内路侧单元节点的重要度，选择其中重要度最高的路侧单元节点；

所述第一初始重要度函数为：

其中，θ_ij′为第一初始重要度函数，ρ_ij为道路R_ij上的车辆密度，σ_ij为车辆节点分布的标准差，|γ_ij|为偏度γ_ij的绝对值；

所述第一重要度函数为：

其中，θ_ij为第一重要度函数。

2.根据权利要求1所述的车路通信协同信息传输路由节点选择方法，其特征在于，所述无线链路质量的影响因素包括：车辆的分布状态和道路车辆密度；

所述道路车辆密度为：

其中，ρ_ij为道路R_ij上的车辆密度，R_ij为任意两个路侧单元节点V_i和V_j之间的连通路径，N_ij为道路R_ij上的车辆数量，L_ij为道路R_ij物理空间上的欧式几何距离；

所述车辆的分布状态包括：车辆节点分布的方差和偏度：

所述车辆节点分布的方差为：

其中，σ_ij ²为车辆节点分布的方差，σ_ij为车辆节点分布的标准差，N为车辆节点总数量，k为车辆节点，C_ijk为车辆相对道路位置的关联参数；

所述车辆节点分布的偏度为：

其中，γ_ij为车辆节点分布的偏度。

3.根据权利要求2所述的车路通信协同信息传输路由节点选择方法，其特征在于，车辆相对道路位置的所述关联参数，用于表征每个车辆节点位置取其相对于道路起始点的几何距离与总路段距离的百分比定义；

所述关联参数为：

其中，D_ijk为车辆节点k相对于道路R_ij起始点的欧式几何距离。

4.根据权利要求1所述的车路通信协同信息传输路由节点选择方法，其特征在于，检测是否存在车辆中继节点包括：

基于所述路侧单元节点，在可通信范围内，检测是否存在相邻车辆节点，若存在所述相邻车辆节点，则将所述相邻车辆节点作为所述车辆中继节点，计算所有车辆中继节点的重要度，选取其中重要度最高的所述车辆中继节点；若不存在所述相邻车辆节点，保持携带预传输信息，继续检测所述路侧单元节点。

5.根据权利要求4所述的车路通信协同信息传输路由节点选择方法，其特征在于，计算所有车辆中继节点的重要度包括：

基于车辆节点的速度重要度参数和车辆行驶方向，构建第二重要度函数；

基于所述第二重要度函数，计算所有车辆中继节点的重要度。

6.根据权利要求5所述的车路通信协同信息传输路由节点选择方法，其特征在于，所述第二重要度函数为：

θ_k＝ε_k·T_k

其中，θ_k为车辆节点k的重要度，T_k为车辆节点k的速度重要度参数，ε_k为车辆行驶方向相关的二值变量。