车辆自组织网络中基于接收节点的视频传输路由方法

摘要

本发明公开了一种车辆自组织网络中基于接收节点的视频传输路由方法，主要解决现有技术中不能最优确定下一跳节点的问题。其实现步骤为：1)所有节点初始化转发角和时间间隔门限，有数据发送的节点发送数据包；2)收到数据包的节点判断自己是否为目的节点，若是，则路由结束；否则继续判断是否位于转发域内，若是，则利用位置信息、链路质量和业务负载确定等待时间；3)当等待时间到达时节点转发数据包，收到其他节点转发该数据包的节点放弃对数据包的转发；4)上一跳节点根据数据包连续两次转发的时间间隔和被转发的次数，动态调整转发域大小。本发明能够确定最佳下一跳节点，降低传输时延，提高投递率，可用于节点间的视频传输。

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，主要涉及车辆自组织网络VANET中的路由方法，可 用于给定两个节点之间进行视频传输共享。

背景技术

VANET是一种面向服务和面向用户的自组织网络，通过车辆间以及车辆与路边 设备之间的通信为用户提供各种服务，其主要分为以下三种：安全型服务、便利型服 务和娱乐型服务。在以上三种应用中，视频图像的传输有着不可小觑的作用。图像视 频可以提供更精确的信息。更重要的一点在于，图像视频的容错性相对于文本信息要 高很多。由于无线信道本身存在的不稳定问题，在传输过程中出现丢包现象是非常常 见的，比如若仅仅传输通过文字来传输安全型信息，则一个数据包的丢失可能造成完 全相反的含义，其所造成的后果是不可估量的。由此，在VANET中设计一个能够保 证较低时延和较小丢包的视频传输路由协议尤为重要。

然而，VANET本身存在的一些特点并不适合于包含大量信息的视频数据包的传 输，最大的一个挑战是节点高动态变化。基于接收节点的路由协议被认为更加适合于 进行视频传输相比于基于发送节点的路由协议，因为它能够更好的适应高动态的场景， 并且不需要进行HELLO消息的交互，不需要维护邻节点列表。V3(Vehicle-to-Vehicle  live Video streaming)协议中节点判断自己是否位于转发域内，所有位于转发域内的节 点都可以作为下一跳节点转发数据包。这样存在的一个问题是，通常情况下会存在大 量节点位于转发域内，即多点中继的情况出现概率非常大。Fast Triggering协议引入 了等待时间的概念，每个节点根据与目的节点的距离计算自己的等待时间，然后在该 时间内随机选择一个时刻发送数据包。这样，随机的选择时间然后发送数据包很可能 会出现一个次优的节点选择的随机时间值小于最优的节点的问题。VRTUP(Video  Reactive Tracking-based Unicast protocol)协议中沿用了等待时间，在一个固定的转发 域内，由节点计算各自的等待时间，当等待时间消耗之后，节点直接发送数据包。但 是在计算等待时间的时候考虑了节点与目的节点的距离以及节点与上一跳节点之间 的链路生存时间。但是在一个固定大小的转发域内仅仅考虑链路生存时间和位置信息 所确定的下一跳节点通常不是最优的，这样会导致视频传输过程中时延过大并且丢包 率增加。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有协议中不能最优确定下一跳节点的不足，提出一 种车辆自组织网络中基于接收节点的视频传输路由方法，以避免出现由于固定的转发 域而导致的转发域内节点过多或者没有满足条件的下一跳节点出现，减小视频传输过 程中时延和丢包率。

为实现上述目的，本发明目的技术方案包括如下步骤：

(1)网络中所有节点将自己的转发角θ初始化为60°，并根据网络场景配置设置 数据包转发时间间隔门限T_th；

(2)需要发送数据的节点s，将所要发送的数据包以广播的形式发送出去；

(3)所有收到发送数据包的节点sn，首先判断自己是否是目的节点，若是，则发 送标志数据包被成功接收的控制分组，路由结束；否则，判定自己是否位于转发域内， 若在转发域内，则执行步骤(4)，否则，丢弃该数据包；

(4)位于转发域内的各个节点f_i，根据自己所处的当前位置和上一跳节点s的位 置以及目的节点的位置，计算位置影响因子f_geo，其中i>1；

(5)转发域内的各个节点f_i根据自己的移动速度和上一跳节点s的移动速度以及 该节点和上一跳节点s的位置信息，分别计算出本节点与上一跳节点s之间的链路生 存时间T_link和误包率PER；

(6)转发域内的各个节点f_i根据链路生存时间和链路的误包率，确定出链路质量 flink：

$f_{\mathrm{link}}=\omega \times (1-\frac{T_{\mathrm{link}}}{T_{\max }})+(1-\omega )\times \mathrm{PER},$

其中，ω表示影响因子权重值，取值为0.5，T_max表示链路的最长生存时间；

(7)转发域内的各个节点f_i通过下式确定自己的业务负载因子f_ld：

$f_{\mathrm{ld}}=\frac{n_{\mathrm{ld}}}{l_{\mathrm{bf}}},$

其中，n_ld表示节点f_i当前的缓冲区实际存储的数据包个数，l_bf表示节点f_i的缓冲区容 量；

(8)转发域内的各个节点f_i根据位置影响因子f_geo、链路质量f_link以及业务负载因 子f_ld确定各自的优先级，即各自的等待时间T：

T＝(α×f_geo+β×f_link+γf_ld)×T_wait，

其中α,β,γ为影响因子权重值，且α+β+γ＝1，T_wait表示给定的最大等待时间；

(9)当某个节点的等待时间到达并且没有接收到其他节点转发该数据包时，该节 点将其广播出去，接收到其他节点发送该数据包的节点将不再转发相同的数据包，同 时上一跳节点s根据该节点发送数据包的时间，计算出该数据包连续两次转发的时间 间隔T_int，并记录该数据包被转发的次数n，n≥1；

(10)上一跳节点s根据时间间隔T_int和数据包的转发次数n，动态调整转发角θ， 得到调整后转发角θ′：

其中，Δθ表示转发角的变化步长，其取值为15°，且60°≤θ′≤180°；

(11)当前节点继续转发数据包，返回步骤(2)。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明能够自适应的调整转发域的大小，即当出现多个中继节点时，将转发 域减小；当所竞选出的下一跳节点不是最佳节点时，扩大转发域范围，克服了现有技 术中采用固定大小的转发域导致的多点中继或者不包含最佳下一跳的问题，保证了最 佳的下一节点有资格参与竞争成为下一跳节点，同时也尽可能的避免了多点中继。

2、本发明在邻节点竞选下一跳节点的时候充分考虑了与目的节点的距离、节点 间链路生存时间和误包率、节点当前业务，克服了现有技术中仅仅考虑与目的节点的 距离以及链路生存时间而导致不能够选出最佳下一跳的问题，降低了传输过程中的丢 包率以及时延等。

附图说明

图1为本发明的实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明作进一步的详细描述。

步骤1，初始化。

车辆自组网中的所有节点从自身配备的GPS接收机中获取自身的节点信息，包 括节点的位置信息(x,y)和速度信息(v_x,v_y)；

将网络中所有节点的转发角θ初始化为60°，并且按照实际网络场景设置数据 包转发时间间隔门限T_th。

步骤2，需要发送数据包的节点s将自己以及目的节点的位置信息和速度信息写 入数据包头中，然后以广播的形式发送出去。

步骤3，确定数据包是否已发送至目的节点。

所有收到数据包的节点查看数据包头，判定自己是否为目的节点，如果是，则发 送控制分组，以标志数据包被成功接收，路由结束；否则，转入步骤4。

步骤4，确定节点是否位于转发域内。

接收到数据包的节点按照以下方式计算自己是否位于转发域内。

$\arccos \frac{|y_r-y_{\mathrm{lh}}|}{\sqrt{{(x_r-x_{\mathrm{lh}})}^2+{(y_r-y_{\mathrm{lh}})}^2}}\le \frac{\theta }{2},$

其中x_r表示当前节点位置的横坐标，y_r表示当前节点位置的纵坐标，x_lh表示上一跳 节点s的位置的横坐标，y_lh表示上一跳节点s的位置的纵坐标；

如果满足上式，则节点被认为位于转发域内，继续执行步骤5，否则，直接丢弃 数据包，返回步骤1。

步骤5，确定节点的等待时间。

本发明通过设置不同节点的等待时间来选择最佳下一跳节点，而影响等待时间的 因素主要有三种：一是节点的位置影响因子，二是上一跳节点与当前节点之间的链路 质量，三是节点的业务负载。

5a)确定节点的位置影响因子f_geo。

节点的位置影响因子f_geo由当前节点与上一跳节点s的距离、当前节点与目的节 点的距离和节点的通信范围决定，其计算公式如下：

$f_{\mathrm{geo}}=1-\frac{\mathrm{dis}(n_{\mathrm{lh}},n_d)-\mathrm{dis}(n_r,n_d)}{R},$

其中，dis(n_lh,n_d)表示上一跳节点n_lh与目的节点n_d的距离，dis(n_r,n_d)表示当前节点n_r距离目的节点n_d的距离，R表示节点的通信范围，取值为250米。

根据上式可知，距离目的节点较近，且与上一跳节点s较远的节点应该优先被选 择为下一跳节点。因为选择距离上一跳节点越远且距离目的节点越近的节点，在传输 的过程中，传输跳数越少，相应的端到端时延越小。

5b)确定上一跳节点s与当前节点之间的链路质量f_link。

上一跳节点s与当前节点之间的链路质量f_link，包括链路的持续时间T_link和链路 的误包率PER，其计算步骤如下：

5b1)通过下式计算上一跳节点s与当前节点之间的链路持续时间T_link：

R²＝((x_lh+v_lh-x×T_link)-(x_r+v_r-x×T_link))²+

((y_lh+v_lh-y×T_link)-(y_r+v_r-y×T_link))²，

其中v_{lh_x}表示上一跳节点s的x轴速度分量，v_{lh_y}表示上一跳节点s的y轴速度分量， v_{r_x}表示当前节点的x轴速度分量，v_{r_y}表示当前节点的y轴速度分量。求解该式所得 T_link就是两节点之间距离保持小于等于通信范围R的时间，即两节点之间的链路持续 时间。

5b2)通过下式计算上一跳节点s与当前节点之间的链路误包率PER：

PER＝1-(1-BER)^L，

其中，L表示数据包中包含的比特数，BER表示链路的误比特率，利用Q函数计算如 下：

$\mathrm{NER}=Q\left(\sqrt{2·\mathrm{SINR}}\right),$

其中，SINR为信干燥比，通过下式计算：

$\mathrm{SINR}=101{\log }_{10}\left(\frac{P_r}{P_0+\underset{i=0}{\overset{N_{\mathrm{INT}}}{\Sigma }}{P}_{\mathrm{INT}}^i}\right),$

其中，P₀表示热噪声，Pⁱ_INT表示来自节点i的干扰，N_INT表示潜在的干扰节点个数， P_r表示接收功率，为简单起见，在求解接收功率时P_r，采用视距传输模型，公式如 下：

$P_r=\frac{P_t}{{\left(4\pi \right)}^2{\left(\frac{d}{\lambda }\right)}^2}[1+{\eta }^2+2\eta \cos \left(\frac{{4\mathrm{\pi h}}^2}{\mathrm{d\lambda }}\right)],$

其中，P_t表示传输功率，d表示上一跳节点与当前节点之间的距离，λ表示传输信号 的波长，η表示地面反射系数，γ表示路劲损耗因子，h表示天线长度。

5b3)利用链路持续时间T_link和误包率PER计算链路质量f_link：

$f_{\mathrm{link}}=\omega \times (1-\frac{T_{\mathrm{link}}}{T_{\max }})+(1-\omega )\times \mathrm{PER},$

其中，ω表示影响因子权值，取值为0.5，T_max表示最大链路持续时间。

两节点之间的链路持续时间越长，其传输过程中产生的误包率越低少，投递率越 高，则该链路越稳定，链路质量越高。因此，应当优先选择与上一跳节点所构成的链 路稳定的节点作为下一跳节点。

5c)确定节点的业务负载f_ld

本发明确定等待时间时考虑的第三个因素是节点的业务负载，也就是考虑数据包 的排队时延，该因素由节点的缓冲区容量以及节点的缓冲区中实际存储数据包的个数 确定，其计算公式如下：

$f_{\mathrm{ld}}=\frac{n_{\mathrm{ld}}}{l_{\mathrm{bf}}},$

其中，l_bf代表缓冲区容量，n_ld表示当前缓冲区队列的实际长度，即所存储的数据包 个数。节点缓冲区队列中数据包个数越多，数据包的排队时延越长，则传输数据包的 端到端时延也长。

5d)根据上述三种影响因素计算出节点的等待时间T：

T＝(α×f_geo+β×f_link+γf_ld)×T_wait，

其中，α为位置影响因子权重值，β为链路质量因素权重值,γ为节点业务负载权重值， 且α+β+γ＝1，T_wait表示最大等待时间。

当节点的等待时间耗尽时，若节点没有接收到来自其他节点转发的同一数据包， 则认为自己是最佳下一跳节点，然后转发数据包；若节点接收到来自其他节点发送的 同一数据包时，则表明该数据包已经被更优的节点转发，此时节点放弃对数据包的转 发。可见，等待时间越短的节点其优先级越高，应该作为下一跳转发节点。

步骤6，对上一跳节点s的转发角进行调整。

上一跳节点s做为当前节点的邻接点，因而能够接收到当前节点转发的数据包， 因此，上一跳节点可以获知数据包连续两次转发的时间间隔T_int和转发次数n，并可 根据T_int和n动态调整转发角θ：

当数据包连续两次转发的时间间隔T_int大于门限值T_th且转发次数n等于1时， 表明当前的转发域过小，出现没有包含最佳下一跳节点的情况，因而应增大转发角；

当数据包连续两次转发的时间间隔T_int小于门限值T_th且转发次数n大于1时， 由于转发域过大而出现多点中继的情况，故应减小转发角；

当以上两种情况均不满足时，转发角度保持不变。

通过对上述几种情况的调整得到新的转发角θ′：

其中，Δθ表示转发角的变化步长，其取值为15°，且60°≤?′≤180°，T_int=t2-t1， t1为上一跳节点s发送数据包的时刻，t2为上一跳节点记录的转发节点第一次转发该 数据包的时刻。

步骤7，当前节点返回步骤(2)，继续转发数据包。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解 了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细 节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要 求保护范围之内。