车辆自组织网络转发节点选择与协作通信方法

摘要

本发明的目的是为了进一步优化车辆自组织网络(VANET)的通信机制，因此提出了一种动态选择转发节点和自主协作通信方法。车辆间如果有需要多跳转发的信息时，会根据车辆间的相互速度选出两个备选的转发节点，然后再根据这两个转发节点当前储存空间的大小确定选择用哪个节点转发，而另一个节点变为备用状态。同时为了尽可能的减少转发节点的负荷，当转发节点周围的其他节点成功监听到需要转发的信息并且自身在当前时刻没有信息要发送时，可以自发的进行协作发送，而转发节点相应的把该信息从储存队列中删除以方便接收其他信息。在车载网络中车辆行驶速度相对稳定时，该方法可以有效的降低丢包情况，网络的各项性能得到提升。

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种协作式车辆自组织网络数据发送方法。

背景技术

在智能交通系统中，车辆和基础设施是两个必不可少的要素。随着经济的发 展，快速增加的车辆数量与停滞不前的基础设施建设的矛盾日益加剧。据有效统 计，截至2013年，中国的汽车保有量为1.37亿，年均增量为10％左右，而基础 设施中城市道路增量为年均3％到5％。基础设施的短缺带来的问题也日益显现， 道路拥挤，运输效率低下。而基础设施的建设需要的土地资源是十分紧缺的，显 然不能为了改善交通环境而大肆占用土地建设道路，基站等基础设施。实现车辆 之间的高效通信可以有效的改善交通环境，因此成为了近年来的研究热点。

为车载网络设计MAC层协议时，节点的高速移动，分布密度动态变化等特 性都是需要考虑的问题，也是优化协议的关键。近年来，IEEE802.11p无疑是人 们最为了解的适合VANETs的MAC协议，但IEEE802.11p没有RTS/CTS交换 机制，不能提供可靠的广播服务，因此无法避免隐终端带来的问题。为了能够实 现可靠的广播服务，学者们逐渐开始研究基于TDMA的MAC接入协议，通过 在控制信道上进行可靠的一跳广播可以有效的避免隐终端带来的问题。这类协议 为车载网提供了可靠广播和点对点通信。但节点高密度分布时会导致时隙资源不 够分配，而且随着车辆的移动带来的时隙冲突问题更加导致了时隙资源的浪费。 一旦节点失去时隙，意味着数据无法发送而导致队列堆积。车载网中数据的时效 性是十分重要的，因此采用协作通信的方式成为了弥补车载网络时隙资源不够时 的一种解决方式。一般的协作协议都是利用网络中可能存在的空闲时隙来进行数 据发送，以提高系统的整体吞吐量。但这种协作协议存在一个缺点，就是需要足 够的空余时隙来支持协作转播，而在车载网中，时隙资源往往十分有限，在高密 度情况下，时隙资源更是不够合理分配。

考虑到未来车辆间的通信不仅仅是为了安全交通，同时还可以进行一些数据 业务的传输，因此本方法考虑数据到达率变化而节点处理能力固定情况下的协作 通信场景，当节点间通信范围超过一跳时会根据给定规则选择一个合适的转发节 点用来转发数据，而发节点周围的节点根据自身队列的情况考虑帮助协作完成转 发或不参与转发，这种协作转发是在自身占用的时隙上进行的，无需新的空闲时 隙。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种在车辆自组织网络情况下，节点在发送 多跳数据时合理选择转发节点，空闲节点提供自发的转发服务，提高网络总体吞 吐量，降低丢包率的协作式车辆自组织网络通信方法。

技术方案：本发明是车辆自组织网络转发节点选择与协作通信方法。

本发明提出的方法中，每个节点需要在控制信道上预约一个时隙并始终使用 该时隙直到发生移动冲突而丢失时隙，帧结构图如图1所示。当节点成功占用时 隙时，无论是否有数据要在数据服务信道上发送，节点在每帧自身占用的时隙到 达时在控制信道发送控制报文，用来保证与邻居节点数据的交换与信息更新。

控制报文格式如图2所示：其中时隙占用信息可以清楚的记录两跳范围内时 隙被占用的情况，图中时隙S₁被节点x占用，时隙S₂未被占用，可以预约，而 时隙S_M标记的-1表示时隙S_M处有预约冲突。新模块W_CH记录的是各个节点根据 车辆速度计算得到的自身的权重值。而模块R_M用不同的值区别节点的不同类型， 如果该值为0，则节点是普通节点，如果为1，则节点是可用的转发节点，如果 车辆自身W_CH值是一跳范围内车辆W_CH值中最小或次小的，则将R_M值改写为1。 头文件记录了车辆位置、速度、移动方向等一系列车辆移动相关数据。

本发明方法包括以下步骤：

(1)初始化时刻t＝1，各车辆节点的W_CH,R_M置为0(其中W_CH用来衡量车辆之 间相对速度，R_M是车辆是否为转发节点的标记)，各车辆节点W_CH(0)置为0；

(2)当车辆节点对应的发送时刻没有到达时，节点保持监听信道，同时将数据 依次存入储存队列；

(3)车辆节点计算自身的W_CH值；

3-1)计算影响因子$W\left(t\right)=\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}|V_i-V_j|}{\max \left\{\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}\right|V_1-V_j|,\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}|V_2-V_j|,\mathrm{...},\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}|V_n-V_j\left|\right\}},$其中，V_i是 该节点自身的速度，V_j是该节点一跳范围内其他节点的速度，n是该节点周围车 辆节点的数量；

3-2)计算节点W_CH(t)＝β·W(t)+(1-β)·W_CH(t-1)，其中β是调节因子用来调节 当前时刻和前一时刻影响因子对计算W_CH(t)的权重，并将计算得到的数值写入控 制报文中W_CH；

(4)当车辆节点对应的发送时刻到达后，节点通过控制报文向相邻节点传达各 自占用时隙的同时传达各自的权重W_CH，节点判断储存队列中是否有数据要发 送，如果有数据发送，则进入(5)，否则进入(7)；

(5)车辆节点判断储存队列队首的数据需要发送的距离，如果在一跳范围之内， 则可以直接发送至相应接收节点，否则进入(6)；

(6)车辆节点储存队列队首的数据需要发送到一跳范围外，则必须选择转发节 点实现多跳发送。

6-1)根据每个两跳集合中节点的W_CH值，选出最小和次小的两个节点作为该两 跳集合的可能的转发节点，并将R_M由初值0改为1。并且根据这两个节点当前 时刻储存队列长度大小，选择队长短的一个节点作为转发节点发送数据。

6-2)由于车辆移动的特性，当出现两个转发节点距离缩小到一跳通信范围r之内， 需要合并转发节点，即根据各自的W_CH值确定唯一的转发节点，W_CH值较大的节 点将R_M由1改为0，表示不在储存转发数据；

6-3)当出现两个相邻的转发节点距离超过两跳通信范围2r，即出现部分区域无 转发节点覆盖，该区域内的车辆会选择一个车辆节点临时变为转发节点，通过再 次监听信道后确定是否变成正式转发节点或者与其他转发节点合并；

(7)节点当前时刻储存队列空闲，没有数据需要发送。节点根据监听信道其他 节点发送的数据来决定是否要协作发送。如果该节点没有监听到需要转发的数 据，则节点在当前时刻保持空闲。并在发送时刻结束后时间计数器t＝t+1，回 到(2)，否则进入(8)；

(8)节点当前时刻储存队列空闲，没有数据需要发送，但监听到转发节点接收 到了新的多跳信息。该节点自发的协作转发该消息，当其他节点监听到该消息已 经被转发后，选择将该消息从储存队列中删除，不再转发。当发送时刻结束后， 时间计数器t＝t+1，回到(2)；

有益效果

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.在数据需要多跳转发时，更加合理的选择转发节点。由于车载网中车辆 的移动特性，固定使用同一转发节点往往是不合适的，本发明在考虑车辆间相互 速度的基础上选择与周围车辆相对稳定的车辆作为转发节点，提高了网络链路的 稳定性。

2.普通节点在空闲时自发进行协作转发。普通节点如果在自身发送时刻到 达而没有数据需要发送时，如果监听到了其他节点发送的需要多跳转发的数据， 可以自发的发送该数据给目的节点。这种方法在不使用额外的空余时隙的前提 下，减小了转发节点的负荷，并有效提升了系统吞吐量。

附图说明

图1为帧结构示意图。

图2为控制报文结构示意图。

图3为本发明方法的流程示意图。

图4为高速公路场景下吞吐量的仿真结果图。

图5为高速公路场景下丢包率的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对发明的技术方案进行详细说明：

本发明的思路是根据车辆速度合理选择转发节点以提升网络链路的稳定性， 让其他节点在空闲时自发的提供协作转发服务以减轻转发节点的负荷并提升网 络性能。

车辆自组织网络转发节点选择与协作通信方法具体流程见附图3。

本发明的车辆自组织网络转发节点选择与协作通信方法，包括以下步骤：

(1)初始化时刻t＝1，各车辆节点的W_CH,R_M置为0(其中W_CH用来衡量车辆之 间相对速度，R_M是车辆是否为转发节点的标记)，各车辆节点W_CH(0)置为0；

(2)当车辆节点对应的发送时刻没有到达时，节点保持监听信道，同时将数据 依次存入储存队列；

(3)车辆节点计算自身的W_CH值；

3-1)计算影响因子$W\left(t\right)=\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}|V_i-V_j|}{\max \left\{\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}\right|V_1-V_j|,\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}|V_2-V_j|,\mathrm{...},\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}|V_n-V_j\left|\right\}},$其中，V_i是 该节点自身的速度，V_j是该节点一跳范围内其他节点的速度，n是该节点周围车 辆节点的数量；

3-2)计算节点W_CH(t)＝β·W(t)+(1-β)·W_CH(t-1)，其中β是调节因子用来调节 当前时刻和前一时刻影响因子对计算W_CH(t)的权重，并将计算得到的数值写入控 制报文中W_CH；

(4)当车辆节点对应的发送时刻到达后，节点通过控制报文向相邻节点传达各 自占用时隙的同时传达各自的权重W_CH，节点判断储存队列中是否有数据要发 送，如果有数据发送，则进入5)，否则进入7)；

(5)车辆节点判断储存队列队首的数据需要发送的距离，如果在一跳范围之内， 则可以直接发送至相应接收节点，否则进入6)；

(6)车辆节点储存队列队首的数据需要发送到一跳范围外，则必须选择转发节 点实现多跳发送。

6-1)根据每个两跳集合中节点的W_CH值，选出最小和次小的两个节点作为该两 跳集合的可能的转发节点，并将R_M由初值0改为1。并且根据这两个节点当前 时刻储存队列长度大小，选择队长短的一个节点作为转发节点发送数据。

6-2)由于车辆移动的特性，当出现两个转发节点距离缩小到一跳通信范围r之内， 需要合并转发节点，即根据各自的W_CH值确定唯一的转发节点，W_CH值较大的节 点将R_M由1改为0，表示不在储存转发数据；

6-3)当出现两个相邻的转发节点距离超过两跳通信范围2r，即出现部分区域无 转发节点覆盖，该区域内的车辆会选择一个车辆节点临时变为转发节点，通过再 次监听信道后确定是否变成正式转发节点或者与其他转发节点合并；

(7)节点当前时刻储存队列空闲，没有数据需要发送。节点根据监听信道其他 节点发送的数据来决定是否要协作发送。如果该节点没有监听到需要转发的数 据，则节点在当前时刻保持空闲。并在发送时刻结束后时间计数器t＝t+1，回 到2)，否则进入8)；

(8)节点当前时刻储存队列空闲，没有数据需要发送，但监听到转发节点 接收到了新的多跳信息。该节点自发的协作转发该消息，当其他节点监听到该消 息已经被转发后，选择将该消息从储存队列中删除，不再转发。当发送时刻结束 后，时间计数器t＝t+1，回到2)；

综上所述，本发明给出了车载网中转发节点的合理选择方式，并让空闲节点 提供自发的协作转发服务，能够有效提升网络稳定性和吞吐量。如附图4所示是 在高速公路场景下吞吐量的仿真结果，附图5所示是在高速公路场景下丢包率的 仿真结果。车辆自组织网络协作通信方法明显优于传统的时隙预约方式，有效降 低了丢包率并提升了网络总体吞吐量。