车载网络中基于地理位置的优化数据传输方法

摘要

一种开车载网络中基于地理位置的优化数据传输方法，有：源节点发送目的节点位置请求信息：目的节点响应目的节点位置请求信息，周期性的更新各个节点上的目的节点的位置信息；邻居请求消息的发送；邻居应答消息的发送，位置信息通过车上的GPS系统得到；数据包的转发：数据按照一般地理位置路由协议中的贪婪转发算法进行包的转发；数据转发过程中的两种重试机制：当数据转发时使用贪婪转发找不到合适的下一跳时启动重试机制，该机制有两个阶段：一个只是增加预留的等待邻居表建立的时间；二个是发出新的邻居请求消息，完全重新开始建立邻居表。本发明很好的保留了现有成熟路由协议的许多优点，无需经过大范围的变更就可以被简易应用在现有网络中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种网络通信技术。特别是涉及一种车载自组织网络中按需的获取地理位置消息、可靠的传输数据包的路由计算方法的车载网络中基于地理位置的优化数据传输方法。

背景技术

当代社会中，车辆发挥着巨大的作用。车辆的使用在给人们的生活带来便利的同时，也带来一些让人头疼的问题，如频繁发生的交通事故，交通拥堵等。这些问题直接威胁着人们的生命，给人们的生活带来很大的困扰，成为各国政府亟待解决的问题。随着无线通信技术的迅速发展和汽车电子技术的不断进步，很多政府和研究机构都尝试通过建立车辆间的通信(Inter-vehicle communication，IVC)系统来解决这些问题。车辆间通信的需求和蕴含的巨大价值，推动了车载自组织网络(Vehicle Ad hoc Network，VANET)的出现和发展。

车辆间通信在时间和地点上具有很大的随意性，因此VANET网络是以ad hoc模式建立起来的一种车辆间通信系统。具体的说，VANET是由装备了无线通信收发装置的车辆组成的一个多跳的临时性的自组织网络。VANET网络的目的是为了提高行车的安全性和效率。VANET具有极高的应用前景和研究价值。

当前，对于Ad Hoc网络比较成熟的路由协议，VANET网路中路由算法的研究主要集中在两种类型，第一种是基于拓扑的路由协议；第二种是基于地理位置的路由协议。第一种协议通用的标准大多基于跳数或延迟的考虑，在源节点和目的节点间寻找具有最少跳数或最小延迟的路由，未考虑到网络中的节点由于快速移动，造成的某些节点离开最初位置而导致路径失效的问题。第二种协议典型代表为贪婪的周边状态路由协议(GPSR)，该协议独立地实时地决定一个数据分组从源节点路由到目的节点的过程中的每一跳。但是在VANET网络中，由于节点的快速移动造成的节点间邻居关系的不稳定，使得路由时使用的位置信息都是过时的。即它保证不了信息的准确性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够及时的获取和维护目的节点的位置信息，并按需的获得和建立邻居节点的位置信息，实现数据包的可靠传送的车载网络中基于地理位置的优化数据传输方法。

本发明所采用的技术方案是：车载网络中基于地理位置的优化数据传输方法，包括依次完成下列几个组成部分：

(1)源节点发送目的节点位置请求信息：源节点以盲目泛洪的广播方式发送目的节点的位置信息，该消息到达所请求的目的节点时终结；

(2)目的节点响应目的节点位置请求信息：由源节点发出的目的节点位置请求信息到达所请求的目的节点时，该目的节点就会启动目的节点的位置信息更新消息的传播，开始周期性的更新各个节点上的目的节点的位置信息；

(3)邻居请求消息的发送：当节点有数据包传送，按需的建立邻居表时，发送邻居请求消息；

(4)邻居应答消息的发送：当节点收到邻居请求消息后，它以单播的方式返回一个邻居应答消息，该消息中包含了它的位置信息，位置信息通过车上的GPS系统得到；

(5)数据包的转发：数据按照一般地理位置路由协议中的贪婪转发算法进行包的转发；

(6)数据转发过程中的两种重试机制：当数据转发时使用贪婪转发找不到合适的下一跳时启动重试机制，该机制包括两个阶段：

第一阶段只是增加预留的等待邻居表建立的时间；

第二阶段是发出新的邻居请求消息，完全重新开始建立邻居表。

所述的部分(1)源节点发送目的节点位置请求信息，包括以下步骤：

(1.1)当源节点有数据分组要发送时，如果源节点还没有获取数据分组预计到达的目的节点的位置信息，源节点就会向指定的目的节点发出一个目的节点位置请求；

(2.2)如果源节点搜索其目的节点列表，发现已经存在目的节点的较新位置信息时，则不用发送目的节点位置请求信息，直接用它现存的目的位置信息判断。

所述的部分(2)包括以下步骤：

(2.1)当目的节点收到位置请求消息后，它就会周期性的向其直接邻居节点广播目的节点位置更新消息，各邻居节点根据这个消息通过检索它的目的节点列表来创建或更新相应的位置信息记录；

(2.2)除了目的节点之外的各节点周期性的向它们的直接邻居节点广播目的节点位置交互消息，通过该消息各个节点相互交流它们保存的关于某个目的节点的位置信息，使得各个节点都能保存一份“相对最新”的关于该目的节点的位置信息的记录；

(2.3)目的节点的任何一个直接邻居节点在接收到节点位置更新消息之后，所执行的动作是：在它们的目的节点列表中为指定的目的节点创建或更新相应的位置信息记录；

(2.4)在一个节点收到节点位置交互消息后，用接收到的节点位置交互消息中携带的目的节点的标识符ID，检索在该节点上保存的目的节点列表，寻找相对应的节点的记录；然后，比较该节点位置交互消息中的时间戳ts1和刚检索到的目的节点记录中的时间戳ts2；如果ts1>ts2，则说明节点位置交互消息中的目的位置信息是相对更新的，则用节点位置交互消息中携带的目的位置信息来更新该节点的目的节点列表中的相应位置信息，否则不作任何出理。

所述的部分(5)包括以下步骤：

(5.1)当节点有数据要发送时，并且重新按需的建立了邻居表，从邻居表中搜索目的节点是否在自己的一跳范围内，如果在就直接转发；

(5.2)如果目的节点不在自己的一跳范围内，则按照一般地理位置中的贪婪转发策略进行转发。

所述的部分(6)包括以下步骤：

(6.1)通常情况下，大多数节点都能够在一个有限的时间间隔内建立起准确的邻居表，同时，如果一个请求节点由于这个有限的时间间隔没能接收到所有邻居节点的邻居应答消息，并出现确定下一跳路由的操作失败的情况，则转入第一阶段的重试，

第一阶段的重试如下进行：为了等待那些还没有到达请求节点的邻居应答消息，按需地理位置路由协议算法将重新启动一个计时器，进一步等待一个额外的时间；当这个时间超时的时候，继续尝试从当前建立的邻居表中确定下一跳；上述步骤可以在一个能够容忍的时间期限内迭代进行有限次，如果最终仍然不能确定下一跳路由，则进行第二阶段的重试。

(6.2)第二阶段重试机制具体如下：在这个阶段的重试开始时，首先它会清空当前的邻居表，然后发出一个新的邻居请求，从头开始建立一个新的邻居表，这个步骤也会在一个设定的时间内，被进行有限次数的迭代；如果最终仍然失败，则丢掉当前的数据分组队列中的分组。

本发明的车载网络中基于地理位置的优化数据传输方法，具有下列优点：

1.本发明提出了按需地理位置路由协议，不需要预先建立一条完整的路径，不需要路由建立和路由维护的过程。

2.算法使用按需的方式建立临时的邻居表。不存在以往的基于位置的路由协议所面临的因邻居表中信息更新不够实时而带来的位置信息不准确问题。ODGR算法可以确保邻居表中信息的准确性和时效性，从而能够从容的应对VANET网络中节点的高速移动特性造成的节点间邻居关系的频繁改变。

3.算法使用两种相互独立的消息机制对目的节点的位置信息进行维护和更新。这种更新信息的方式，能够应对可能出现的网络分割的情况。即使出现网络分割，也可以确保各个节点上维护一份相对最新的目的节点位置信息。因此，ODGR算法从最大程度上确保了计算路由时使用的目的节点位置信息的准确性和一致性，提高了数据传输的质量。

4.本发明由当前车载Ad Hoc网络内典型的基于位置的路由协议GPSR发展而来，在其基础上对其路由准则加以该进，引进了传统标准路由协议AODV的按需思想，进而实现了可靠性和信息的准确性。这种与传统标准路由协议相结合的方式，使得本发明很好的保留了现有成熟路由协议的许多优点，同时无需经过大范围的变更就可以被简易应用在现有网络中，效果理想，应用前景看好。

附图说明

图1是本发明基本构架原理的示意图；

图2是本发明两种消息机制应用的示意图；

图3是本发明使用的请求目的节点位置的消息格式；

图4是本发明使用的更新目的节点位置的消息格式；

图5是本发明使用的交互目的节点位置的消息格式；

图6是本发明按需地建立邻居表的流程图；

图7是本发明中使用的邻居请求消息的格式；

图8是本发明中使用的邻居应答消息的格式；

图9是本发明使用的重试机制两个阶段流程图；

图10是本发明实验阶段使用的网络示例拓扑图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的做出详细说明的车载网络中基于地理位置的优化数据传输方法。

如图1所示，本发明的车载网络中基于地理位置的优化数据传输方法的基本构架原理是，节点有数据发送时，先按需的实时建立起临时的邻居表，并且根据收到的目的节点定期发送的目的节点位置更新消息来更新目的节点的位置信息。之后采取贪婪转发的策略进行包的转发，如果没有找到合适的下一跳，则进入重试机制重新寻找下一跳。重试机制最终失败后则丢弃该数据分组，继续处理数据分组队列中其它数据分组。

如图2所示，目的节点和它的一跳邻居节点之间用目的节点位置更新消息q(query消息)进行交互。而在除目的节点之外的其他节点间用目的节点位置交互消息d(destInfo消息)进行交互来更新目的节点的位置信息。并且当网络出现分割的情况时，其他节点间还可以用destInfo消息来传播最新的目的节点的位置信息。位置信息都由车上的GPS系统得到。这就保证了在网络中的各节点都保存了一份相对一致的目的节点信息。图中H，I，J节点是目的节点D的一跳邻居节点。节点K，L，M是节点A的一跳邻居节点。

如图6所示，节点有数据包传输时，按需实时地建立邻居表。保证了节点的邻居表信息是最新的。

如图9所示，节点转发数据包时，如果没有找到合适的下一跳，则转入重试机制。

本发明的车载网络中基于地理位置的优化数据传输方法，包括依次完成下列几个组成部分：

(1)源节点发送目的节点位置请求信息：源节点以盲目泛洪的广播方式发送目的节点的位置信息，该消息到达所请求的目的节点时终结；具体包括以下步骤：

(1.1)当源节点有数据分组要发送时，如果源节点还没有获取数据分组预计到达的目的节点的位置信息，源节点就会向指定的目的节点发出一个目的节点位置请求；消息格式如图3所示，其中字段id给出了请求其位置信息的目的节点的编号。

(1.2)如果源节点搜索其目的节点列表，发现已经存在目的节点的较新位置信息时，则不用发送目的节点位置请求信息，直接用它现存的目的位置信息判断。

(2)目的节点响应目的节点位置请求信息：由源节点发出的目的节点位置请求信息到达所请求的目的节点时，该目的节点就会启动目的节点的位置信息更新消息(query消息)的传播，开始周期性的更新各个节点上的目的节点的位置信息；具体包括以下步骤：

(2.1)当目的节点收到位置请求消息后，它就会周期性的向其直接一跳邻居节点广播目的节点位置更新消息(query消息)，消息格式如图4所示，其中字段x，y中指出了发送位置更新消息的目的节点的坐标值，该值由GPS系统提供。各邻居节点根据这个消息通过检索它的目的节点列表来创建或更新相应的位置信息记录，即，建立和更新目的位置信息列表。

(2.2)除了目的节点之外的各节点周期性的向它们的直接邻居节点广播目的节点位置交互消息(destInfo消息)，消息格式如图5所示，其中字段id指出了交互消息中的节点的编号；字段x，y中指出了交互消息中目的节点的坐标值，坐标值由车上GPS系统提供；字段time stamp指出了交互消息中目的节点的位置信息对应的更新时间。通过该消息各个节点相互交流它们保存的关于某个目的节点的位置信息，使得各个节点都能保存一份“相对最新”的关于该目的节点的位置信息的记录；

(2.3)目的节点的任何一个直接邻居节点在接收到节点位置更新消息之后，所执行的动作是：在它们的目的节点列表中为指定的目的节点创建或更新相应的位置信息记录；

(2.4)在一个节点收到节点位置交互消息后，用接收到的节点位置交互(destInfo)消息中携带的目的节点的标识符ID，检索在该节点上保存的目的节点列表，寻找相对应的节点的记录；然后，比较该节点位置交互消息中的时间戳ts1和刚检索到的目的节点记录中的时间戳ts2；如果ts1>ts2，则说明节点位置交互消息中的目的位置信息是相对更新的，则用节点位置交互消息中携带的目的位置信息来更新该节点的目的节点列表中的相应位置信息，否则不作任何出理。

(3)邻居请求消息的发送：当节点有数据包传送，按需的建立邻居表时，发送邻居请求消息；

(3.1)当节点有数据要发送时，先判断它是否正在请求邻居表，如果是，则再判断请求的计时器是否超时，如果计时器超时，则将数据分组出队列，确定下一跳，转发数据分组。

(3.2)如果邻居请求的计时器没有超时，则继续让接收到的数据分组进队列，并判断是否正在请求邻居表。

(3.3)如果该节点没有请求邻居表，则发送邻居请求，并启动计时器。邻居请求消息的格式如图7所示。

(4)邻居应答消息的发送：当节点收到邻居请求消息后，它以单播的方式返回一个邻居应答消息，该消息中包含了它的位置信息，位置信息通过车上的GPS系统得到；在等待一段时间后，该节点收到其邻居节点发送的邻居应答消息，根据这些消息重新建立邻居表，邻居应答消息的格式如图8所示，其中字段x，y表示发出邻居应答消息的节点的位置坐标值，坐标值由车上GPS系统提供。

(5)数据包的转发：数据按照一般地理位置路由协议中的贪婪转发算法进行包的转发；具体包括以下步骤：

(5.1)当节点有数据要发送时，并且重新按需的建立了邻居表，从邻居表中搜索目的节点是否在自己的一跳范围内，如果在就直接转发；

(5.2)如果目的节点不在自己的一跳范围内，则按照一般地理位置中的贪婪转发策略进行转发。

用贪婪转发策略确定指定目的的下一跳，如果没找到合适的下一跳，则进入重试机制。

(6)数据转发过程中的两种重试机制：当数据转发时使用贪婪转发找不到合适的下一跳时启动重试机制，即，判断当前的等待建立邻居表时间是否超过最大值，如果没有超过，则增加等待邻居表建立的时间，并启动计时器。等待计时器超时后继续用贪婪转发策略寻找下一跳。如果当前等待建立邻居表的时间超过最大值，则判断当前时间是否超过最大重试时间，如果是，则丢弃队列中的分组。如果否，则重新发送新的邻居请求，并启动计时器。重试机制的原理如图9所示。该机制包括两个阶段：

第一阶段只是增加预留的等待邻居表建立的时间；

第二阶段是发出新的邻居请求消息，完全重新开始建立邻居表。

具体包括以下步骤：

(6.1)通常情况下，大多数节点都能够在一个有限的时间间隔内建立起准确的邻居表，同时，如果一个请求节点由于这个有限的时间间隔没能接收到所有邻居节点的邻居应答消息，并出现确定下一跳路由的操作失败的情况，则转入第一阶段的重试，

第一阶段的重试如下进行：为了等待那些还没有到达请求节点的邻居应答消息，按需地理位置路由协议(ODGR)算法将重新启动一个计时器，进一步等待一个额外的时间；当这个时间超时的时候，继续尝试从当前建立的邻居表中确定下一跳；上述步骤可以在一个能够容忍的时间期限内迭代进行有限次，如果最终仍然不能确定下一跳路由，则进行第二阶段的重试。

(6.2)第二阶段重试机制具体如下：在这个阶段的重试开始时，首先它会清空当前的邻居表，然后发出一个新的邻居请求，从头开始建立一个新的邻居表，这个步骤也会在一个设定的时间内，被进行有限次数的迭代；如果最终仍然失败，则丢掉当前的数据分组队列中的分组。

以图10的网络场景为例，配合之前描述的机制，简要介绍本发明的工作流程：

(1)车辆节点以一定的加速度，行驶在最高速度约为50m/s的公路上，公路路段使用2个车道。

(2)使用的业务流为CBR业务流，发送的分组的大小(packetSize)为256字节，每秒发送4个数据分组。这里定义的业务流对应的是车载自组织网络中的Internet多媒体应用。

(3)假设节点8向节点15发送数据包，节点8先广播邻居请求消息，并判断泛洪广播目的节点位置请求消息。由图10可知，节点4和节点26是节点8的一跳邻居，它们分别发送邻居应答消息，通过GPS把自己的位置信息告诉源节点。而目的节点收到目的节点位置请求消息后定时地发送的自己的位置消息，其他节点定时发送目的位置交互消息，及时更新目的节点的位置信息，这些位置信息都是通过GPS获得。用d1、d2分别代表节点4和节点26到目的节点15的距离，可知此时刻，d1<d2。则根据贪婪转发策略，数据包先转发给节点4，在之后的时间内根据同样的判断，进行数据包的转发，最终传到目的节点15。

(4)如果在其中某一跳中未找到合适的下一跳，则用阶段(2)提到的重试机制重新寻找下一跳。

(5)车辆作为移动节点不受能量条件的限制，所以无线传输的发送功率可以在现实可满足的情况下应用较大的功率。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。