一种基于车流密度和跨层信息的有效广播周期信息的方法

摘要

本发明公开了一种基于车流密度和跨层信息的有效广播周期信息的方法，包括检测车流密度ρ(辆/m)；在n个周期广播时间间隔下，统计MAC层和PHY层相关发送信息的状态；根据车流密度、MAC层和PHY层相关发送状态等信息，动态调整车辆自身的发送功率，从而控制车辆节点的有效发送距离，实现周期广播信息的有效发送。本发明根据车流密度和跨层信息，动态调整信息发送功率，进而调整周期广播信息发送距离，在车流密度较高的情况下，降低信息发送功率，在车流密度较低的情况下，提高发信息送功率，达到在不同车流密度的情况下广播周期信息仍然保持低时延、低碰撞率、高传输率的效果，同时有利于提高车联网网络资源的利用率，提高车联网单播，多播路由投递率。

说明书

技术领域

本发明涉及车联网通信技术领域，具体涉及一种基于车流密度和跨层信息有效广播周期信息的方法。

背景技术

车载自组织网络(Vehicular Ad Hoc Network,VANET)是ITS中重要的组成部分，通常由车载单元(on board unit,OBU)和路侧单元(roadside unit,RSU)组成，VANET中支持车车通信(Vehicle to Vehicle,V2V)以及车辆与路边固定基础设施之间的通信(Vehicle to Infrastructure,V2I)，使得智能驾驶、道路状况预告、安全预警、资源共享等服务都可以成为现实。

机会网络(Opportunistic Network)是一种不需要源节点和目的节点之间存在完整路径，利用移动节点的相遇机会实现通信的自组织网络，这与车载自组织网络网络拓扑结构变化剧烈、长时间处于间歇性连通状态的特性相符，目前机会网络的研究成果被广泛应用于车载通信，这种依赖于相遇机会进行通信的车载自组织网络称为车载机会网络。

路由是车载网络中实现可靠多跳传输的关键，可以利用道路拓扑、节点位置、速度、方向等信息来辅助路由决策已经成为研究热点。车载自组织网络中典型的机会路由有GPSR、GPCR、GeOpps和GeoDTN+Nav等。

广播周期信息在车联网机会路由扮演重要的角色，比如LBS需要实时更新节点的位置信息、交通安全Beacons消息、邻居发现等，一旦广播周期信息发生碰撞或传输失败，可能存在严重的安全隐患、导致网络资源浪费。然而，目前已有的机会网络节点广播周期信息都是尽最大能力地扩散消息，并未考虑最大可能转发消息对网络的负面影响。针对VANET中节点以固定功率周期广播导致的网络资源无法优化分配的问题，考虑不同的网络环境，如何在一定程度上保持低时延、低碰撞率、高传输率的周期广播，提高网络性能，是我们需要解决的问题。

发明内容

本发明提出一种基于车流密度和跨层信息的有效广播周期信息的方法，旨在解决广播周期信息碰撞率高、传输时延大、传输成功率低、网络资源利用率不高的问题。

为实现以上目的，本发明的采用如下的技术方案。

一种基于车流密度和跨层信息的有效广播周期信息的方法，该方法采用车载单元OBU和路侧单元RSU，具体：包括以下步骤：

(1)在路侧单元RSU的协作下检测车流密度ρ，单位为辆/m；

(2)RSU将车流密度ρ转换成车流密度等级L，|L|∈N，N为正整数，并把该车流密度等级L广播给进入当前区域S_i的车辆；L是以0为对称中心的整数序列，最大值为L_max，则车流密度等级L的个数Lnum＝2L_max+1；车流密度间隔为其中ρ_max和ρ_min分别为车流密度的最大值和最小值；车流密度等级计算公式当L为正值时，表示区域S_i中道路交通相对密集，当L为负值时，表示区域S_i中道路交通相对稀疏；

(3)每个车辆节点的OBU在n个(n的取值范围为3～15)固定周期广播信息的时间间隔内，分别统计媒体访问控制层即MAC层和物理层即PHY层消息发送失败次数M和P，由M和P加权计算该车辆节点MAC层与PHY层的发送状态信息S_fail＝λM+μP，其中且λ+μ＝1(当MAC层与PHY层的发送状态一样重要时，λ＝0.5，μ＝0.5)；

(4)车辆节点通过车流密度等级L，结合车辆节点MAC层与PHY层发送状态信息S_fail的反馈，设定初始单位步进距离γ和参考发送功率P_ref，然后动态调整车辆节点的瞬时发送功率P_n。

进一步地，步骤(4)所述动态调整车辆节点的瞬时发送功率P_n具体包括：

步骤1、车辆节点获取当前所在区域的车流密度等级L后，设置瞬时发送功率为P_n＝P_ref-Lγ；

步骤2、车辆节点将瞬时发送功率P_n之前的S_fail即S_faila与瞬时发送功率P_n之后的S_fail即S_failb进行对比，若S_faila>S_failb，则发送功率重新调整为其中，γ_min为系统允许的最小步进功率；若S_faila＜S_failb,则发送功率重新调整为若S_faila＝S_failb，或者P_n已达到系统边界最小者或最大值，则维持当前节点的发送功率P_n；

步骤3、车辆节点每一次接收RSU更新的L后，如果L发生改变，则返回步骤1，否则返回步骤2；没有接收到L的更新信息时，则返回步骤2。

进一步地，所述车载单元OBU安装在车内，包括用于接入车联网的车载无线自组织网络模块、用于采集车辆状态信息的数据采集模块和用于控制协调系统的ARM嵌入式主控模块。

进一步地，路侧单元RSU包括用于收发信息的射频单元和用于数据处理的控制单元，其中，用于数据处理的控制单元包含数据处理模块和网络同步模块，各个方向上相邻的路侧单元RSU互为协同RSU，将道路划分为不重叠的封闭区域S_i，i≥1且i∈N，N为正整数；当车辆进入RSU唤醒区域后，RSU通过内部检测模块使用邻居发现方法检测车辆节点时，车辆节点会向RSU共享自身的位置和方向信息；当用于数据处理的控制单元的数据处理模块利用共享到的车辆位置和方向信息，发现车辆节点处于切换区域时，触发RSU计数器；当车辆节点离开区域S_i时，RSU计数器Cs_i减1，当车辆节点进入区域S_i时，RSU计数器Cs_i加1；同时区域S_i中的RSU通过内部的网络同步模块与同一区域中的协同RSU通过有线网络进行计数更新；每个区域S_i中的RSU协作检测到车辆计数更新后，根据计数Cs_i和道路长度d计算车流密度单位为辆/m。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1、根据车流密度和跨层信息，动态调整信息发送功率，进而调整周期广播信息发送距离，在车流密度较高的情况下，降低信息发送功率，在车流密度较低的情况下，提高发信息送功率，达到在不同车流密度的情况下广播周期信息仍然保持低时延、低碰撞率、高传输率的效果，同时有利于提高车联网网络资源的利用率，提高车联网单播，多播路由投递率。

2、充分发挥路侧单元辅助作用，能有效稳定地检测车流密度。

3、结合车辆节点MAC层与PHY层发送状态信息的反馈，实时微调车辆节点的发送功率。

附图说明

图1是本发明的路侧单元布置示例图；

图2是本发明实例中基于车流密度和跨层信息的有效广播周期信息的方法流程图；

图3是在路侧单元的协作下检测车流密度ρ(辆/m)的流程示意图。

具体实施方式

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合一个较优具体实施例对上述方案做进一步说明；应理解，这些实施例是用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本实施例中，如图1所示，RSU将道路划分为不重叠的封闭区域，图示中有两个封闭区域，以RSU1、RSU2、RSU3、RSU4划分的区域S₁和以RSU4、RSU5划分的区域S₂，当车辆节点从S₁驶出，进入S₂时，由RSU4计数，Cs₁减1，Cs₂增1。

如图2所示，本实施例包括如下步骤：

(1)在路侧单元的协作下检测车流密度ρ(辆/m)。此检测方法包括两个单元，车载单元OBU和路侧单元RSU。车载单元安装在车内，包括用于接入车联网的车载无线自组织网络模块、用于采集车辆状态信息的数据采集模块和用于控制协调系统的ARM嵌入式主控模块；RSU包括用于收发信息的射频单元和用于数据处理的控制单元，其将道路划分为不重叠的封闭区域S_i(i≥1且i∈N)。当车辆进入RSU唤醒区域后，RSU通过内部检测模块使用邻居发现方法检测车辆节点时，车辆节点会向RSU共享自身的位置和方向信息；当RSU控制单元的数据处理模块利用共享到的车辆位置和方向信息，发现车辆节点处于切换区域时，触发RSU计数器；当车辆节点离开区域S_i时，RSU计数器Cs_i减1，当车辆节点进入区域S_i时，RSU计数器Cs_i加1。同时区域S_i中的RSU通过内部的网络同步模块与同一区域中的协同RSU通过有线网络进行计数更新。每个区域S_i中的RSU协作检测到车辆计数更新后，根据计数Cs_i和道路长度d计算车流密度单位为辆/m。

结合图1和图3，当车辆V进入RSU4唤醒区域后，RSU4通过内部检测模块使用邻居发现方法检测车辆节点V时，车辆节点V会向RSU4共享自身的位置和方向信息；当RSU4控制单元的数据处理模块利用共享到的车辆位置和方向信息，发现车辆节点V处于切换区域时，触发RSU4计数器；当车辆节点V离开区域S₁时，RSU4计数器减1，当车辆节点进入区域S₂时，RSU4计数器加1。同时区域S₁中的RSU4通过内部的网络同步模块与同一区域中的协同RSU1、RSU2、RSU3通过有线网络进行计数更新，区域S₂中的RSU4与同一区域中的协同RSU5通过有线网络进行计数更新。每个区域中的RSU协作检测到车辆计数更新后，根据计数和道路长度d计算车流密度单位为辆/m。作为例子，若在车辆V经过RSU4从区域S₁进入区域S₂后，取a＝500m，b＝200m，c＝200m，d＝300m，则区域S₁的车流密度为区域S₂的车流密度为

(2)RSU将车流密度ρ转换成车流密度等级L(|L|∈N)，并把该车流密度等级L广播给进入当前区域S_i的车辆。L是以0为对称中心的整数序列，最大值为L_max，则车流密度等级L的个数Lnum＝2L_max+1；车流密度间隔为其中ρ_max和ρ_min分别为车流密度的最大值和最小值；车流密度等级计算公式当L为正值时，表示区域S_i中道路交通相对密集，当L为负值时，表示区域S_i中道路交通相对稀疏。

如图1所示，区域S₁中的车辆节点V经过RSU4进入区域S₂时，RSU4把该L广播给进入当前区域S₂的车辆V。

(3)每个车辆节点的OBU在n个固定周期广播信息的时间间隔内，分别统计MAC层和PHY层消息发送失败次数M和P，由M和P加权计算该车辆节点MAC层与PHY层的发送状态信息S_fail＝λM+μP，其中且λ+μ＝1。

如图1所示，车辆V统计MAC层与PHY层的发送状态信息并计算出S_fail，按需分配λ和μ的值，达到对MAC层和PHY层信息发送状态不同的侧重程度，当MAC层与PHY层的发送状态一样重要时，取λ＝0.5，μ＝0.5。

(4)车辆节点通过车流密度等级L，结合车辆节点MAC层与PHY层发送状态信息S_fail的反馈，设定初始单位步进距离γ和参考发送功率P_ref，然后按照以下步骤动态调整车辆节点的瞬时发送功率P_n：

步骤1、车辆节点获取当前所在区域的车流密度等级L后，设置瞬时发送功率为P_n＝P_ref-Lγ。

步骤2、车辆节点将瞬时发送功率P_n之前的S_fail(记为S_faila)和瞬时发送功率P_n之后的S_fail(记为S_failb)对比，若S_faila>S_failb，则发送功率重新调整为其中，γ_min为系统允许的最小步进功率；若S_faila＜S_failb,则发送功率重新调整为若S_faila＝S_failb，或者P_n′已达到系统边界最小者或最大值，则维持当前节点的发送功率P_n。

步骤3、车辆节点每一次接收RSU更新的L后，如果L发生改变，则返回步骤1，否则返回步骤2；没有接收到L的更新信息时，则返回步骤2。