CN117241317A - 一种车联网中信标消息传输自适应方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种车联网中信标消息传输自适应方法，属于车联网技术领域。其技术方案为：包括以下步骤：S1：车辆驶入车联网环境后，初始化车辆系统参数；S2：在每个控制信道间隔，各车辆节点统计信道竞争范围内车辆数量；S3：根据信道竞争范围内车辆数量，调节竞争窗口；S4：根据车辆周期性统计信道忙时比和发送缓冲区队列拥塞估计；S5：根据网络拥塞程度的不同，调节车辆节点发射功率和发送速率。本发明的有益效果为：本发明通过信道竞争范围内节点数量的统计调节竞争窗口值，根据信道忙时比和发送缓冲区队列拥塞估计综合评级网络通拥塞状况，调节车辆节点发射功率和发送速率，以降低信标消息的传输时延。
Description
技术领域
本发明涉及车联网通信技术领域，尤其涉及一种车联网中信标消息传输自适应算法。
背景技术
车联网(Internet of Vehicles，IOV)是一种特殊的移动自组织网络，它允许车辆之间进行直接的通信。这种通信可以用于各种应用，如交通管理，安全警告，导航，以及娱乐等。车联网中的是使车辆之间能够进行信息交流，从而提高对交通情况的感知。车辆之间通过定期传输信标信息，其中包括车辆的状态信息，如速度、方向和位置等。车辆可利用接收到的信标信息判断当前交通状况，同时避免车辆碰撞等交通事故的发生。
然而，由于车辆的高速移动和道路交通的复杂性，车联网通信面临着许多挑战，其中之一就是拥塞控制。车联网信道拥塞问题影响信息的准确性和网络的可靠性。当车辆通过网络的无线信道大量广播信息时，或者当多个节点在密集的环境中同时广播许多信息时，网络拥塞可能会导致数据包的丢失，延迟，以及通信的不稳定，从而影响车联网的性能和质量。
发明内容
本发明涉及一种车联网中信标消息传输自适应方法，主要涉及车联网中信标消息的拥塞控制；首先，车辆信道竞争范围节点数量的估计，车辆节点竞争窗口的调节；其次，基于网络拥塞状况的综合评价，进行车辆节点发射功率以及发送速率的联合调节，从而缓解信道拥塞，保证信标消息的快速到达。
一种车联网中信标消息传输自适应方法，包括以下步骤：
S1：车辆驶入车联网环境后，初始化车辆系统参数，包括竞争窗口、发射功率以及信标消息发送速率；
S2：在每个控制信道间隔(Control Channel Interval，CCHI)，各车辆节点统计信道竞争范围内车辆数量；
S3：根据信道竞争范围内车辆数量，调节竞争窗口；
S4：车辆节点周期性统计信道忙时比和发送缓冲区队列拥塞估计，综合评估当前网络拥塞程度；
S5：根据网络拥塞程度的不同，调节车辆节点发射功率和发送速率。
S2具体包括以下步骤：
在每个控制信道间隔内，车辆节点检测出信道内接收数据包和碰撞数据包的数量分别为Prp和Pcp，节点的平均信标发送速率Vavg。
其中监测到的碰撞包的数量由两部分组成，分别是由于干扰或其他原因而无法被接收车辆正确解码的数据包和两辆车同时广播消息发生碰撞的数据包，分别记为Pncp和Prcp。因此，在一个CCHI内信道中碰撞包的总数为：
Pcp＝Pncp+Prcp
由于同一时间广播数据包，监测周期内信道监测到碰撞数据包总数量Pcp和发生碰撞的数据包的数量Prcp的比例是一个常数，用ε表示，即：
Prcp＝Pcp×ε
则有：
Pncp＝Pcp×(1-ε)
因此，节点干扰范围内的车辆数量N为：
可进一步简化为式：
其中，Vavg为邻居节点的平均信标发送速率。Prp为信道内接收包的总数，Pcp为碰撞包的总数。
S3中根据车辆节点竞争范围内车辆数量调节车辆竞争窗，具体步骤如下；
车辆节点i监测到竞争范围内节点数量为Ni，将竞争窗口调节偏移量定义为Offseti，由竞争范围内节点的数量决定竞争窗口的调节范围，则
Offseti＝Ni
最后，新的更新为：
S4中信道忙时比(Channel Busy Ratio，CBR)定义如下，
其中，ωi为节点i的信道繁忙标识，当ω为1时表示信道繁忙，当ω为0时表示信道空闲；T为监测周期；δ为一个时隙间隔；T/δ为监测间隔内的监测次数。
S4中系统的队列拥塞估计(Queue congestion estimation，QCE)定义如下，
设发送缓冲区队列的阈值设置为K，系统监测缓冲区队列长度，当队列长队超过K时，队列繁忙标记为1，否则记为0；一个监控周期间监测次数为M，其中被队列繁忙状态被标记为1的次数为m，则此时队列拥塞估计QCE的值为，
在一个监测间隔内监测到队列拥塞估计为QCE，上一个监测间隔内检测到的队列拥塞估计值为QCEOLD，则当前系统的队列拥塞估计为QCEn。
QCEn＝h*QCE+(1-h)*QCEOLD
其中h在0-1之间，是当前监测周期监测的队列拥塞估计值对系统队列拥塞估计值的更新权重。
S4中所述网络拥塞程度(Network congestion level，NCL)定义如下，
NCL＝α·CBR+β·QCEn
其中α和β分别为对应表示CBR和QCEn的加权因子，α+β＝1，NCL表示监测间隔时间内的网络拥塞程度，CBR表示监测间隔时间内的信道忙时比，QCEn表示系统的队列拥塞估计。
S5中根据网络拥塞状况对发射功率以及发送速率进行调节，步骤如下，
网络拥塞程度达到70％以上时，如图2所示，假设在车辆节点Node0周围有6个节点，将Node0的传播范围划分为四个区，第1区有两个节点Node1和Node2，第2区有节点号Node3，Node4第3区只有一个Node5号，第4区包含节点号Node6。
同时，在每个区段中，根据图2所示的距中心车辆节点Node0的估计距离(d1、d2、d3、d4、d5、d6)，在每个区域选择与中心车辆节点Node0最近的节点。因此，相邻节点将计算到源节点的距离。在每个扇区(Node1，Node3，Node5和Node6)中确定最近的节点后。在就近节点(d1，d4，d5，d6)在四个扇区中选取最大距离dmax，以此距离更新发射功率，发射功率P调整公式如下：
其中Gt，Gr分别为发射、接收天线增益，Pr为接收节点的接收阈值，dmax为所需调节距离，L为传播损耗因子，λ为载波波长；
网络拥塞程度在30％-70％之间时，根据当前网络拥塞值调整节点发射功率和发送速率。发射功率调整公式如下：
Pi(t)＝Pmax-(Pmax-Pmin)×NCL
其中，NCL为当前网络拥塞程度，Pmax为最大发射功率，本发明设置为33dBm，Pmin为最小发射功率，本发明设置为-10dBm。
发送速率调整公式如下：
Ri(t)＝(1-θ)×Ri(t-1)+η×(Rg-Rc(t-1))
其中，Ri(t-1)为上一时刻节点i的发送速率，Rg＝0.6是满足最佳网络状况的消息速率，θ和η为收敛因子，本文分别取0.1和1/150。车辆节点i在t-1时刻测得网络内所有节点消息速率总和为Rc(t-1)。
网络拥塞程度在30％以下时，表示当前网络负载较轻，数据冲突的机会也相对较小。因此最大化发送速率提高发送速率可以确保更多的数据在较短的时间内被成功传输，提高数据吞吐量。最大化发射功率，使得车辆能够与更远距离的车辆通信，从而增加通信的机会和覆盖范围。为设置车辆发射功率调为33dBm，发送速率设置为0.1。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、根据车辆竞争范围内节点数量动态调节车辆竞争窗口值，在高密度的环境中，较大的窗口值可以降低数据冲突的可能性，而在低密度环境中，较小的窗口值则可以加速数据传输。这种自适应方法旨在优化整体的网络性能，确保在各种交通条件下都能实现高效的数据通信。
2、采用信道忙时比和队列拥塞估计综合评价当前网络状况，结合了两种不同的指标来获取更准确的网络概览。信道忙时比为我们提供信道占用情况，反映了当前信道的拥塞程度。而队列拥塞估计则从数据流的角度给出了网络的状态，告诉我们有多少数据正在等待传输。通过综合这两个指标，排除了单一指标网络拥塞监测的偶然性，对拥塞的判断更加精准。
3、本发明根据网络拥塞程度动态调整车辆节点的发射功率和发送速率。在网络拥塞程度较高时，通过对车辆范围内节点距离判断选择，保证车辆对各方位车辆节点的连通性；中等网络拥塞情况下，动态调节车辆节点发射功率和发送速率维持网络拥塞；低网络拥塞时增加车辆节点通信机会和覆盖范围。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明方法流程示意图。
图2为本发明中估算最近邻居的最大距离示例图。
图3为本发明与默认方法的信标消息传输时延对比示意图。
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。当然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供的技术方案为：一种车联网中信标消息传输自适应方法，包括以下步骤：
S1：车辆驶入车联网环境后，初始化车辆系统参数，包括竞争窗口、发射功率以及信标消息发送速率；
S2：在每个控制信道间隔(Control Channel Interval，CCHI)，各车辆节点统计信道竞争范围内车辆数量；
S3：根据信道竞争范围内车辆数量，调节竞争窗口；
S4：车辆节点周期性统计信道忙时比和发送缓冲区队列拥塞估计，综合评估当前网络拥塞程度；
S5：根据网络拥塞程度的不同，调节车辆节点发射功率和发送速率。
S2具体包括以下步骤：
在每个控制信道间隔内，车辆节点检测出信道内接收数据包和碰撞数据包的数量分别为Prp和Pcp，节点的平均信标发送速率Vavg。
其中监测到的碰撞包的数量由两部分组成，分别是由于干扰或其他原因而无法被接收车辆正确解码的数据包和两辆车同时广播消息发生碰撞的数据包，分别记为Pncp和Prcp。因此，在一个CCHI内信道中碰撞包的总数为：
Pcp＝Pncp+Prcp
由于同一时间广播数据包，监测周期内信道监测到碰撞数据包总数量Pcp和发生碰撞的数据包的数量Prcp的比例是一个常数，用ε表示，即：
Prcp＝Pcp×ε
则有：
Pncp＝Pcp×(1-ε)
因此，节点干扰范围内的车辆数量N为：
可进一步简化为式：
其中，Vavg为邻居节点的平均信标发送速率。Prp为信道内接收包的总数，Pcp为碰撞包的总数。
S3中根据车辆节点竞争范围内车辆数量调节车辆竞争窗，具体步骤如下；
车辆节点i监测到竞争范围内节点数量为Ni，将竞争窗口调节偏移量定义为Offseti，由竞争范围内节点的数量决定竞争窗口的调节范围，则
Offseti＝Ni
最后，新的更新为：
S4中信道忙时比(Channel Busy Ratio，CBR)定义如下，
其中，ωi为节点i的信道繁忙标识，当ω为1时表示信道繁忙，当ω为0时表示信道空闲；T为监测周期；δ为一个时隙间隔；T/δ为监测间隔内的监测次数。
S4中队列拥塞估计(Queue congestion estimation，QCE)定义如下，
设发送缓冲区队列的阈值设置为K，系统监测缓冲区队列长度，当队列长队超过K时，队列繁忙标记为1，否则记为0；一个监控周期间监测次数为M，其中被队列繁忙状态被标记为1的次数为m，则此时队列拥塞估计QCE的值为，
在一个监测间隔内监测到队列拥塞估计为QCE，上一个监测间隔内检测到的队列拥塞估计值为QCEOLD，则当前系统的队列拥塞估计为QCEn。
QCEn＝h*QCE+(1-h)*QCEOLD
其中h在0-1之间，是当前监测周期监测的队列拥塞估计值对系统队列拥塞估计值的更新权重。
S4中所述网络拥塞程度(Network congestion level，NCL)定义如下，
NCL＝α·CBR+β·QCEn
其中α和β分别为对应表示CBR和QCEn的加权因子，α+β＝1，NCL表示监测间隔时间内的网络拥塞程度，CBR表示监测间隔时间内的信道忙时比，QCEn表示系统的队列拥塞估计。
S5中根据网络拥塞状况对发射功率以及发送速率进行调节，步骤如下，
网络拥塞程度达到70％以上时，如图2所示，假设在车辆节点Node0周围有6个节点，将Node0的传播范围划分为四个区，第1区有两个节点Node1和Node2，第2区有节点号Node3，Node4第3区只有一个Node5号，第4区包含节点号Node6。
同时，在每个区段中，根据图2所示的距中心车辆节点Node0的估计距离(d1、d2、d3、d4、d5、d6)，在每个区域选择与中心车辆节点Node0最近的节点。因此，相邻节点将计算到源节点的距离。在每个扇区(Node1，Node3，Node5和Node6)中确定最近的节点后。在就近节点(d1，d4，d5，d6)在四个扇区中选取最大距离dmax，以此距离更新发射功率，发射功率P调整公式如下：
其中Gt，Gr分别为发射、接收天线增益，Pr为接收节点的接收阈值，dmax为所需调节距离，L为传播损耗因子，λ为载波波长；
网络拥塞程度在30％-70％之间时，根据当前网络拥塞值调整节点发射功率和发送速率。发射功率调整公式如下：
Pi(t)＝Pmax-(Pmax-Pmin)×NCL
其中，NCL为当前网络拥塞程度，Pmax为最大发射功率，本发明设置为33dBm，Pmin为最小发射功率，本发明设置为-10dBm。
发送速率调整公式如下：
Ri(t)＝(1-θ)×Ri(t-1)+η×(Rg-Rc(t-1))
其中，Ri(t-1)为上一时刻节点i的发送速率，Rg＝0.6是满足最佳网络状况的消息速率，θ和η为收敛因子，本文分别取0.1和1/150。车辆节点i在t-1时刻测得网络内所有节点消息速率总和为Rc(t-1)。
网络拥塞程度在30％以下时，表示当前网络负载较轻，数据冲突的机会也相对较小。因此最大化发送速率提高发送速率可以确保更多的数据在较短的时间内被成功传输，提高数据吞吐量。最大化发射功率，使得车辆能够与更远距离的车辆通信，从而增加通信的机会和覆盖范围。为设置车辆发射功率调为33dBm，发送速率设置为0.1。
实施例2
在实施例1的基础上进行仿真实验；
本实施例使用仿真软件NS2对本发明所提出车联网中信标消息传输自适应方法(Adaptive Method for Beacon Message Transmission，AMBMT)进行性能验证，仿真采用IEEE 802.11p通信协议，仿真开始时，环境中车流量密度为20vehicle/km，在仿真时间到达第20s时，车流量密度提升至80vehicle/km，具体实验参数如表1所示：
表1仿真实验参数
通过分析图3发现，实验在20s后车辆密度由20vehicle/km提升至80vehicle/km，随着车辆密度的升高，802.11p默认方法和AMBMT方法的信标消息时延均增加，这是因为随着环境中车辆密度的增加，车辆节点对信道的竞争更加激烈，导致信标消息传输不及时。AMBMT方法在车辆密度升高时，车辆节点检测周围密度并根据密度调整各节点竞争窗口值，减少节点之间的竞争，降低碰撞的概率；同时本文方法根据网络拥塞程度对车辆节点发射功率以及发送速率进行调节。通过图3可知，本发明发送的信息传输时延优于802.11p算法。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种车联网中信标消息传输自适应方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：车辆驶入车联网环境后，初始化车辆系统参数，包括竞争窗口、发射功率以及信标消息发送速率；
S2：在每个控制信道间隔，各车辆节点统计信道竞争范围内车辆数量；
S3：根据信道竞争范围内车辆数量，调节竞争窗口；
S4：车辆节点周期性统计信道忙时比和发送缓冲区队列拥塞估计，综合评估当前网络拥塞程度；
S5：根据网络拥塞程度的不同，调节车辆节点发射功率和发送速率。
2.根据权利要求1所述的一种车联网中信标消息传输自适应方法，其特征在于，步骤S2包括以下步骤：
在每个控制信道间隔内，车辆节点检测出信道内接收数据包和碰撞数据包的数量分别为Prp和Pcp，节点的平均信标发送速率Vavg；
其中，监测到的碰撞包的数量由两部分组成，分别是由于干扰或其他原因而无法被接收车辆正确解码的数据包和两辆车同时广播消息发生碰撞的数据包，分别记为Pncp和Prcp，在一个CCHI内信道中碰撞包的总数为：
Pcp＝Pncp+Prcp
由于同一时间广播数据包，监测周期内信道监测到碰撞数据包总数量Pcp和发生碰撞的数据包的数量Prcp的比例是一个常数，用ε表示，即：
Prcp＝Pcp×ε
则有：
Pncp＝Pcp×(1-ε)
节点干扰范围内的车辆数量N为：
其中，Vavg为邻居节点的平均信标发送速率，Prp为信道内接收包的总数，Pcp为碰撞包的总数。
3.根据权利要求1所述的一种车联网中信标消息传输自适应方法，其特征在于，步骤S3包括以下步骤：
车辆节点i监测到竞争范围内节点数量为Ni，将竞争窗口调节偏移量定义为Offseti，由竞争范围内节点的数量决定竞争窗口的调节范围，则
Offseti＝Ni
新的更新为：
4.根据权利要求1所述的一种车联网中信标消息传输自适应方法，其特征在于，步骤S4中信道忙时比定义如下，
其中，ωi为节点i的信道繁忙标识，当ω为1时表示信道繁忙，当ω为0时表示信道空闲；T为监测周期；δ为一个时隙间隔；T/δ为监测间隔内的监测次数。
5.根据权利要求1所述的一种车联网中信标消息传输自适应方法，其特征在于，步骤S4中队列拥塞估计定义如下，
设发送缓冲区队列的阈值设置为K，系统监测缓冲区队列长度，当队列长队超过K时，队列繁忙标记为1，否则记为0；一个监控周期间监测次数为M，其中被队列繁忙状态被标记为1的次数为m，则此时队列拥塞估计QCE的值为，
在一个监测间隔内监测到队列拥塞估计为QCE，上一个监测间隔内检测到的队列拥塞估计值为QCEOLD，则当前系统的队列拥塞估计为QCEn，
QCEn＝h*QCE+(1-h)*QCEOLD
其中h在0-1之间，是当前监测周期监测的队列拥塞估计值对系统队列拥塞估计值的更新权重。
6.根据权利要求1所述的一种车联网中信标消息传输自适应方法，其特征在于，步骤S4中所述网络拥塞程度定义如下，
NCL＝α·CBR+β·QCEn
其中α和β分别为对应表示CBR和QCEn的加权因子，α+β＝1，NCL表示监测间隔时间内的网络拥塞程度，CBR表示监间隔时间内的信道忙时比，QCEn表示系统的队列拥塞估计。
7.根据权利要求1所述的一种车联网中信标消息传输自适应方法，其特征在于，步骤S5中当网络拥塞程度达到70％以上，
距中心车辆节点Node0的估计距离(d1、d2、d3、d4、d5、d6)，在每个区域选择与中心车辆节点Node0最近的节点，相邻节点将计算到源节点的距离，在每个扇区(Node1，Node3，Node5和Node6)中确定最近的节点后，在就近节点(d1，d4，d5，d6)在四个扇区中选取最大距离dmax，以此距离更新发射功率，发射功率P调整公式如下：
其中Gt，Gr分别为发射、接收天线增益，Pr为接收节点的接收阈值，dmax为所需调节距离，L为传播损耗因子，λ为载波波长。
8.根据权利要求1所述的一种车联网中信标消息传输自适应方法，其特征在于，步骤S5中当网络拥塞程度在30％-70％之间，
根据当前网络拥塞值调整节点发射功率和发送速率，发射功率调整公式如下：
Pi(t)＝Pmax-(Pmax-Pmin)×NCL
其中，NCL为当前网络拥塞程度，Pmax为最大发射功率，Pmin为最小发射功率；
发送速率调整公式如下：
Ri(t)＝(1-θ)×Ri(t-1)+η×(Rg-Rc(t-1))
其中，Ri(t-1)为上一时刻节点i的发送速率，Rg＝0.6是满足最佳网络状况的消息速率，θ和η为收敛因子，车辆节点i在t-1时刻测得网络内所有节点消息速率总和为Rc(t-1)。
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| CN202311325727.2A CN117241317A (zh) | 2023-10-13 | 2023-10-13 | 一种车联网中信标消息传输自适应方法 |
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|---|---|
| CN (1) | CN117241317A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117545014A (zh) * | 2024-01-04 | 2024-02-09 | 深圳大学 | 基于忙音信标的高能效LoRa MAC协议 |
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2023
- 2023-10-13 CN CN202311325727.2A patent/CN117241317A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117545014A (zh) * | 2024-01-04 | 2024-02-09 | 深圳大学 | 基于忙音信标的高能效LoRa MAC协议 |
| CN117545014B (zh) * | 2024-01-04 | 2024-05-28 | 深圳大学 | 基于忙音信标的高能效LoRa MAC协议 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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