面向最大交付能力的车载异构网络垂直切换方法

摘要

本发明公开了一种面向最大交付能力的车载异构网络垂直切换方法，解决了现有技术中存在的缺乏对异构网络实时状态和车载终端对网络系统影响的考虑的问题，以提高车载异构网络系统的整体效用与工作能力；与现有车载异构网络垂直切换算法相比，本发明能够提高车载异构网络中，车载自组织网络的利用率，降低应用面端到端传输时延和丢包率，提高异构网络整体通信性能。

说明书

技术领域

本发明属于车联网技术领域，涉及面向最大交付能力的车载异构网络垂直切换方法，用于车联网下车载设备选择不同承载网络完成通信传输业务。

背景技术

随着车联网技术的迅速发展，车联网即将迅速的从科学研究转向实际应用。相较于实验室场景，真实交通场景下车辆密度更高，车联网的信道争用等相关技术将成为车联网技术的瓶颈。由于时频资源的紧张，我们无法为单一车联网承载网络分配大量的频域资源，以保证车联网能够在高密度交通场景正常运行。为此，学术界提出了车载异构网络的概念，即将多种适用于车辆接入的承载网络共同组织成异构网络，供车辆完成网络接入，实现车联网应用。目前，包括4G-LTE在内的蜂窝网络、DSRC在内的车载自组织网络以及WiMAX等先进无线通信技术都被引入到车载通信系统中。

目前关于车载异构网络垂直切换方法的研究，主要以最低通信成本、通信时延和QoS为目的，仅针对如何提高切换效率，或针对不同数据服务进行研究，没有面向整个车载异构网络系统的最大承载能力。且考虑的网络性能参数较为单一，没有考虑车载终端和网络他拓扑动态变化对网络性能的动态影响，忽视了车载异构网络工作环境的复杂性和网络结构的特殊性，并不能全面的根据网络状态和环境做出切换决策，无法发挥车载异构网络的最大性能。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于，提供一种面向最大交付能力的车载异构网络切换方法，解决了现有技术中存在的缺乏对异构网络实时状态和车载终端对网络系统影响的考虑的问题，以提高车载异构网络系统的整体效用与工作能力。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

面向最大交付能力的车载异构网络垂直切换方法，包括以下步骤：

步骤1，引入初始值为0的切换计数器switch_counter1；

步骤2,某一车载终端以专用短程通信为初始通信方式，发布自身运动信息；所述车载终端同时在不同网络上接收其他车辆的运动信息，并根据接收到的运动信息得到不同网络上的车辆数目，并分别计算不同网络上的传输时延、丢包率以及时延抖动；

步骤3，利用步骤2得到的专用短程通信上的传输时延和丢包率，判断专用短程通信性能是否满足需求，若满足需求，则执行步骤4；若不满足需求，则切换计数器switch_counter1加1，并生成随机数j，当j小于switch_counter1/50时，执行步骤5，否则返回步骤2；

步骤4，利用步骤2中所述的车载终端接收到的来自专用短程通信的运动信息进行实时处理，若在一个广播周期内通过所述车载终端感知到的车用短程通信网络上的车辆数大于影响网络性能的阈值，执行切换判断流程；否则，返回步骤2；

所述切换判断流程：计算车载终端切换至非专用短程通信网络的概率，生成随机数j，若j小于切换概率，执行步骤5，否则返回步骤2；

步骤5，针对步骤2得到的不同网络上的传输时延、丢包率以及时延抖动，进行归一化处理，得到归一化后的不同网络上的传输时延、丢包率以及时延抖动；利用归一化后的不同网络上的传输时延、丢包率以及时延抖动采用层次分析法构造比较矩阵W；

步骤6，求比较矩阵W的最大特征值，根据最大特征值计算时延权重、丢包率权重和时延抖动权重；

步骤7，根据时延权重、丢包率权重和时延抖动权重选择切换的目标网络；

步骤8，将当前网络切换至目标网络；

步骤9，引入初始值为0的切换计数器switch_counter2；

步骤10，计算专用短程通信上的传输时延和丢包率，判断专用短程通信性能是否满足需求，若不满足需求且switch_counter2不为0，switch_counter2减1，进入步骤11，若switch_counter2为0则直接进入步骤11；若满足需求，则switch_counter2加1，车载终端生成随机数r，若r<(switch_counter2/50),则切换至专用短程通信，并返回步骤1，否则进入步骤11；

步骤11，计算当前网络上的传输时延和丢包率，判断当前网络性能是否满足需求，若满足，则返回步骤5，否则执行步骤10。

具体地，所述步骤2中的计算不同网络上的传输时延、丢包率以及时延抖动，采用的公式如下：

其中，t₀为车载终端收到的信标的本地时间；t_j为第i个网络内第j辆车的信标内包含的时间戳；n_iamount为最近1s内车载终端通过信标感知到第i个网络内的车辆总数；n_i为当前0.1s周期内载终端通过信标感知到第i个网络内的车辆数；f_jtRTT为当前周期内车载终端与第i个网络内第j辆车的通信时延，f_j(t-1)RTT为上一个beacon周期车载终端与第i个网络内第j辆车的通信时延；f_iRTT为第i个网络上的传输时延，f_iPLR为第i个网络上的丢包率，f_i(jit)为第i个网络上的时延抖动。

具体地，所述步骤3中的利用步骤2得到的专用短程通信上的传输时延和丢包率，判断专用短程通信性能是否满足需求，具体方法如下：

若专用短程通信上的传输时延大于车载异构网络所能接受的最大RTT时延且专用短程通信上的丢包率大于车载异构网络所能接受的最大丢包率，则专用短程通信性能不满足需求；否则，专用短程通信性能满足需求。

具体地，所述步骤5中的针对步骤2得到的不同网络上的传输时延、丢包率以及时延抖动，进行归一化处理，得到归一化后的不同网络上的传输时延、丢包率以及时延抖动；采用公式如下：

其中，F_RTT为车载异构网络所能接受的最大RTT时延；F_PLR为车载异构网络所能接受的最大丢包率；和分别为归一化后的不同网络上的传输时延、丢包率以及时延抖动。

具体地，所述步骤7中的根据时延权重、丢包率权重和时延抖动权重选择切换的目标网络；具体包括以下步骤：

计算各个网络对应的效用值：

其中W₁为时延权重，W₂为丢包率权重，W₃为时延抖动权重。

选取最大的效用值对应的网络，作为目标网络。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1)本发明利用车联网中车载终端广播包含车辆运动数据的Beacon信息，对车载异构网络状态进行实时跟踪，判断异构网络中不同承载网络真实条件下的网络性能，而不是利用网络的固有特性和性能，依据经验对网络进行评价。车联网承载网络的实时状态不仅是承载网络性能的反映，也是车辆运动状态和网络环境的体现。通过本发明的车载异构网络切换方法，车联网消息能够在不同场景、环境下选择性能更佳的承载网络进行传输，同时兼顾其他车载异构网络终端，以达到异构网络条件下不同网络的负载均衡。

2)本发明所采用的异构网络切换方式中，每个车载设备自主选择承载网络接入车载异构网络系统，完成车联网应用。不同车载设备由于所处环境和自身状态的不同，将会选择不同的接入网络，从而降低了单一网络接入导致的网络拥堵，提高系统性能。

3)本发明为了尽可能的减少由于网络垂直切换造成的不必要损失，设计了一种网络切换概率函数，减少切换次数，提升终端附着承载网络的准确性，减少多次切换造成的乒乓效应对承载网络的压力。

4)本发明切换函数等条件均可通过车载异构网络beacon信息获得，相较于其他异构网络垂直切换方法，不增加网络的额外开销，有更强的可行性和实用性。

与现有车载异构网络垂直切换算法相比，本发明能够提高车载异构网络中，车载自组织网络的利用率，降低应用面端到端传输时延和丢包率，提高异构网络整体通信性能。

附图说明

图1是本发明适用的基本车载异构网络场景图；

下面结合附图和具体实施方式对本发明的方案作进一步详细地解释和说明。

具体实施方式

本发明提供的面向最大交付能力的车载异构网络垂直切换方法，以使车载异构网络能够随时适应复杂的交通道路环境，满足车联网下不同应用复杂的承载网络需求，从而为交通参与者提供安全可靠的交通应用服务。

为清楚说明本发明中的方法，下面给出了应用场景图，并结合附图进行说明。

本发明应用在如图1所示的车载异构网络场景中，该场景为在一个由专用短程通信、第四代移动通信技术长期演进(4G-LTE)、广带无线接入网络(WiMAX)和无线保真(Wi-Fi)组成的交通场景下。四种网络覆盖范围互相重叠。车载网络终端以使其他车辆感知到自身为目的，以10Hz的频率向周围车辆广播自身运动信息，运动信息至少包括通过GPS时钟同步获得的发送信息时的时间戳。整个过程中，由于车辆运动状态、周围电磁环境以及车辆密度等的变化，单一网络难以满足车辆交换信息的需求。车辆同时具备4种网络连接中的一种或以上，并从这些网络组织成的异构网络中获取其他车辆的运动信息。对于车辆个体，专用短程通信可以提供最低时延，最高可靠的信息，但终端数量增加会导致网络拥堵，降低传输效率。为此，车辆需要选择不同的网络广播自身运动信息，在保证自身运动信息得到及时有效传输的同时，最大化的提高整个车载异构网络的交付能力。

本发明的面向最大交付能力的车载异构网络垂直切换方法，步骤如下：

步骤1，引入初始值为0的切换计数器switch_counter1。

步骤2，某一车载终端以专用短程通信为初始通信方式，通过周期性广播Beacon(信标)的方式发布自身运动信息，其运动信息中包含根据GPS确定的消息时间戳和车辆位置。同时在四种不同网络上接收其他车辆的运动信息。根据接收的Beacon中的固有信息可得出有效传输距离内不同网络上车辆数目n_i和传输时延f_iRTT、丢包率f_iPLR以及时延抖动f_i(jit)，其中i代表不同网络编号，i＝1表示专用短程通信，i＝2表示第四代移动通信技术长期演进(4G-LTE)，i＝3表示广带无线接入网络(WiMAX)，i＝4表示无线保真(Wi-Fi)。

具体计算方法如下：

其中，t₀为车载终端收到的beacon的本地时间，t_j为第i个网络内第j辆车的beacon内包含的时间戳。n_iamount为最近1s内车载终端通过beacon感知到第i个网络内的车辆总数。n_i为当前0.1s周期内载终端通过beacon感知到第i个网络内的车辆数。f_jtRTT为当前beacon周期车载终端与第i个网络内第j辆车的通信时延，f_j(t-1)RTT为上一个beacon周期车载终端与第i个网络内第j辆车的通信时延。

步骤3，判断DSRC性能是否满足需求，若f_iRTT＞F_RTT且f_iPLR＞F_PLR，其中i＝1，则DSRC性能(专用短程通信性能)不满足需求，切换计数器switch_counter1加1，并生成随机数j属于(0,，当j小于switch_counter1/50时，执行步骤5，否则返回步骤2；当DSRC性能满足需求时，switch_counter1计数器减半，进入步骤4。

步骤4，对车载终端收取的来自专用短程通信的车辆运动信息进行实时处理，若在一个广播周期(0.1s)内通过车载终端感知到的采用专用短程通信的车辆数大于可能影响网络性能的阈值，即专用短程通信时频资源已经紧张可能造成拥堵时，进入切换判断流程；否则返回步骤2。切换判断流程：首先建立概率函数，车载终端切换至非专用短程通信的概率为x为阈值，其中p为概率修正参数，i＝1，以保证尽可能多的车辆保持在车载异构网络中。生成随机数j属于(0,1)，当j小于切换概率时进行切换，即执行步骤5，否则返回步骤2；

步骤5，采用层次分析法，对性能参数进行归一化处理，得到归一化处理后的传输时延、丢包率和时延抖动。

其中，F_RTT为车载异构网络所能接受的最大RTT时延，F_PLR为车载异构网络所能接受的最大丢包率，对于时延抖动，并没有固定的性能需求，即取两倍最大可接受时延为最大时延抖动，进行归一化处理。

根据归一化处理后的三种网络参数运用到层次分析法中。根据传输时延、丢包率和时延抖动对车载异构网络性能的不同影响程度分配影响程度等级，各等级的取值范围为1～9.影响程度越高，数值越小，影响程度越低，取值越大。c_ij代表第i个性能相较于第j个性能的重要程度，i,j属于{1,2,3}，分别代表传输时延、丢包率和时延抖动。若前者和后者同等重要，则量化值c_ij为1；若前者较后者稍微重要则量化值为3；较强重要则量化值为5；强烈重要则量化值为7；极端重要则量化值为9；两相邻判断的中间值为2,4,6,8。c_ji为c_ij的倒数。影响程度参数值c₁₁,c₁₂,c₁₃,c₂₁,c₂₂,c₂₃,c₃₁,c₃₂,c₃₃共同可构成由影响程度等级构成的比较矩阵W。W为正互反矩阵。

步骤6，求出比较矩阵W的最大特征值λ_max，根据一致性公式求出CI，其中n为W的维数，此处取3。再由一致性比率指标公式CR＝CI/RI求出CR，RI为随机一致性指标，可通过查找随机一致性指标表得到。当CR＜0.1时认为比较矩阵W可以接受，通过求出最大特征值λ_max对应的特征向量X＝(x₁,x₂,x₃)^T，将求得的x₁,x₂,x₃作为时延、丢包率和抖动的权重值W₁,W₂,W₃，完成各个状态的权重值求解过程。当CR≥0.1时，认为比较矩阵W不能接受，重新选择可以接受的比较矩阵W再次计算权重值，直到计算得到CR＜0.1。

步骤7，根据获得的权重值W₁,W₂,W₃，采用基于多参数的效用函数，综合各种参数对车载异构网络选取的承载网络进行选择，通过以下函数式，选择效用值最大的网络并将对应的网络序号存储在net_num中：

计算各个网络对应的效用值：

其中W₁为时延权重，W₂为丢包率权重，W₃为时延抖动权重。

选取最大的效用值对应的网络，作为目标网络。

步骤8，本地网络终端切换至目标网络。

步骤9，引入初始值为0的切换计数器switch_counter2。

步骤10,车载终端继续跟踪四种承载网络性能，利用步骤2中的方法计算专用短程通信上的传输时延f_iRTT、丢包率f_iPLR以及时延抖动f_i(jit)，i＝1；

判断DSRC性能是否符合f_iRTT＜F_iRTT且f_iPLR＜F_iPLR，i＝1，即DSRC性能是否满足车载异构网络性能需求。若DSRC满足性能需求，则switch_counter2加1，车载终端在[0，1]区间内生成随机数r，若r<switch_counter2/50,则切换至专用短程通信，之后从步骤1开始执行，否则进入步骤11；

当DSRC不满足需求且switch_counter2不为0，switch_counter2减1，进入步骤11，若为0则直接进入步骤11。

步骤11，利用步骤2中的方法计算当前网络上的传输时延f_iRTT、丢包率f_iPLR以及时延抖动f_i(jit)，i＝2,3,4,判断是否满足f_iRTT＜F_iRTT且f_iPLR＜F_iPLR，即当前网络性能是否满足需求，若满足，则返回步骤5，否则执行步骤10。