一種VANETs中V2V鏈路延遲的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法
【專利摘要】一種VANETs中V2V鏈路延遲的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法，本發(fā)明涉及一種VANETs中V2V鏈路延遲的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法。本發(fā)明是要解決不能精確地實(shí)際預(yù)測(cè)鏈路延遲；基于MANETs的方法不滿足車載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和應(yīng)用的需求以及駕駛員很難發(fā)現(xiàn)汽車節(jié)點(diǎn)速度變化的一般規(guī)律，進(jìn)而給預(yù)測(cè)鏈路延遲帶來了很大的困難的問題，而提出的一種VANETs中V2V鏈路延遲的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法。該方法是通過1、計(jì)算兩車的相對(duì)速度值△v；2、計(jì)算兩車車頭的相對(duì)位移值△S；3、計(jì)算出的速度差平均值u、方差σ2，4、計(jì)算相對(duì)距離為L；5、計(jì)算鏈路延遲的數(shù)學(xué)期望值ET；等步驟實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明應(yīng)用于VANETs中V2V鏈路延遲的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)領(lǐng)域。
【專利說明】-種VANETs中V2V鏈路延遲的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及VANETs中V2V鏈路延遲的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 鏈路延遲是VANETs中V2V信息傳輸應(yīng)用及其安全應(yīng)用的關(guān)鍵重要參數(shù)之一。然 而，理論上分析預(yù)測(cè)鏈路延遲是非常復(fù)雜的，先前的研究工作曾有人考慮過交通流中行駛 車輛節(jié)點(diǎn)的速度、密度、位置、方向、之間的距離、無線信號(hào)的傳輸范圍、交通燈的變化、交叉 口的汽車轉(zhuǎn)向等對(duì)鏈路延遲的影響，但假設(shè)車輛速度、交通密度是恒定的，交通燈獨(dú)立，因 而不能精確地實(shí)際預(yù)測(cè)鏈路延遲。
[0003] 實(shí)際上道路行駛的汽車速度都在隨機(jī)地變化著，VANETs的復(fù)雜環(huán)境和無線信道的 脆弱性為網(wǎng)絡(luò)的鏈路延遲理論分析帶來了巨大挑戰(zhàn)：城市環(huán)境和高速公路環(huán)境下，車輛速 度的快速變化會(huì)直接影響鏈路延遲理論分析。在城市環(huán)境下，帶有交叉口的道路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 交通燈的變化，交叉口的轉(zhuǎn)向等因素都會(huì)影響鏈路延遲分析。
[0004] VANETs中交通流中車輛的安全應(yīng)用這個(gè)課題已經(jīng)被許多研究人員、政府、交通部 門和駕乘人員研究了很久，因?yàn)樗兄Z保證道路交通的安全性、增強(qiáng)交通系統(tǒng)的運(yùn)行可靠 性、提高交通系統(tǒng)的運(yùn)行效率。先進(jìn)的無線通信技術(shù)和車載設(shè)備支持各種VANETs安全應(yīng) 用。安全應(yīng)用要求V2V數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、可靠、低延遲地傳輸，因此鏈路延遲就成了數(shù)據(jù)傳輸性能 的關(guān)鍵屬性和衡量指標(biāo)，也是多跳信息傳輸選擇中繼節(jié)點(diǎn)的重要指標(biāo)之一。
[0005] 從MANETs到VANETs中，鏈路延遲一直在研究，因?yàn)樗且粋€(gè)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 和最大化網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標(biāo)。在MANETs中，由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)不受方向和區(qū)域限制，速度 低，所以MANETs的分析方法不滿足車載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和應(yīng)用的需求。有些基于MANETs的方法 被應(yīng)用在簡單的高速公路環(huán)境，但是城市環(huán)境中需要考慮交通燈的影響，在交叉口前車速 的變化，車輛轉(zhuǎn)向等因素，所以基于MANETs的方法不再適用。研究了針對(duì)城市環(huán)境的鏈路 延遲和連接性的問題，當(dāng)然他們并沒有完全考慮城市交叉口鏈路延遲的影響因素。采用的 Manhanttan移動(dòng)模型產(chǎn)生車輛軌跡，假設(shè)車輛密度恒定、車輛速度恒定是不切合實(shí)際的。
[0006] 鏈路延遲早在MANETs中曾有過許多研究，但是MANETs中的這些關(guān)于鏈路延遲或 鏈路連接性的研究都不適合VANETs，路由協(xié)議方面的研究（比如：DSR，A0DV，GPSR)也不適 合動(dòng)態(tài)變化的VANETs的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于受道路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和信息傳播方向的限制，目 前對(duì)于VANETs中對(duì)鏈路延遲的研究只限于一維的高速公路環(huán)境和二維的城市環(huán)境，因此 VANETs中鏈路延遲的分析方法，不僅需要區(qū)分城市場(chǎng)景和高速公路場(chǎng)景，還要考慮影響該 鏈路延遲的各種因素。在道路上行駛的車輛，其行駛速度會(huì)受到如駕駛員的駕駛習(xí)慣、周圍 車輛的數(shù)量、周圍車輛的速度和紅綠燈等各種因素的影響，導(dǎo)致很難發(fā)現(xiàn)汽車節(jié)點(diǎn)速度變 化的一般規(guī)律，進(jìn)而給預(yù)測(cè)鏈路延遲帶來了很大的困難。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是為了解決一、在城市環(huán)境下受到交叉口的道路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，交通 燈的變化，交叉口的轉(zhuǎn)向等因素影響鏈路延遲分析，不能精確地實(shí)際預(yù)測(cè)鏈路延遲；二、 MANETs的分析方法不滿足車載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和應(yīng)用的需求；基于MANETs的方法關(guān)于鏈路延遲 或鏈路連接性的研究都不適合VANETs、路由協(xié)議方面的研究和動(dòng)態(tài)變化的VANETs的網(wǎng)絡(luò) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；三、駕駛員很難發(fā)現(xiàn)汽車節(jié)點(diǎn)速度變化的一般規(guī)律，進(jìn)而給預(yù)測(cè)鏈路延遲帶來了 很大的困難的問題，而提出了一種VANETs中V2V鏈路延遲的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法。
[0008] 上述的發(fā)明目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0009] 步驟一、假設(shè)有第i號(hào)車輛的速度為$?第j號(hào)車輛速度為則相對(duì)速度為 根據(jù)相對(duì)速度計(jì)算兩車的相對(duì)速度值Λ v ;
[0010] 步驟二、計(jì)算第i號(hào)車輛與第j號(hào)車輛兩車車頭的相對(duì)位移值Λ S ;
[0011] 步驟三、根據(jù)步驟一計(jì)算的相對(duì)速度值Λ V計(jì)算出Λ V服從一般正態(tài)分布即高斯 分布4;.+;相·的速度差平均值u、方差σ2,其中，\為服從正態(tài)分布的i號(hào)車速度的隨機(jī) 變量，'為服從正態(tài)分布j號(hào)車速度的隨機(jī)變量，Vi為第i號(hào)車輛的速度值，\為第j號(hào)車 輛速度值；
[0012] 步驟四、根據(jù)步驟二計(jì)算的相對(duì)位移值Λ S計(jì)算出第i號(hào)車輛與第j號(hào)車輛從開 始預(yù)測(cè)起到達(dá)鏈路斷開狀態(tài)需要走過的相對(duì)距離為L ;其中，鏈路斷開狀態(tài)為兩車頭距離 大于無線通信半徑r ;

【權(quán)利要求】
1. 一種VANETs中V2V鏈路延遲的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法，其特征在于一種VANETs中V2V鏈路 延遲的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法具體是按照以下步驟進(jìn)行的： 步驟一、假設(shè)有第i號(hào)車輛的速度為·^，第j號(hào)車輛速度為￠,.則相對(duì)速度為g -?，根 據(jù)相對(duì)速度Δ?Η十算兩車的相對(duì)速度值Λ v ; 步驟二、計(jì)算第i號(hào)車輛與第j號(hào)車輛兩車車頭的相對(duì)位移值Λ S ; 步驟三、根據(jù)步驟一計(jì)算的相對(duì)速度值Λ ν計(jì)算出Λ ν服從一般正態(tài)分布即高斯分布 我-r/和?以的速度差平均值U、方差σ 2,其中，Vi為服從正態(tài)分布的i號(hào)車速度的隨機(jī)變量， Vj為服從正態(tài)分布j號(hào)車速度的隨機(jī)變量，Vi為第i號(hào)車輛的速度值，Vj為第j號(hào)車輛速 度值； 步驟四、根據(jù)步驟二計(jì)算的相對(duì)位移值Λ S計(jì)算出第i號(hào)車輛與第j號(hào)車輛從開始預(yù) 測(cè)起到達(dá)鏈路斷開狀態(tài)需要走過的相對(duì)距離為L ;其中，鏈路斷開狀態(tài)為兩車頭距離大于 無線通信半徑r ;
步驟五、根據(jù)步驟二得到的平均值u、方差〇2以及步驟四得到的相對(duì)距離L計(jì)算鏈路 延遲的數(shù)學(xué)期望值 2d其中，t為產(chǎn)生相對(duì)位移AS所需要的時(shí) 4<1 間；即完成了一種VANETs中V2V鏈路延遲的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種VANETs中V2V鏈路延遲的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法，其特征在于：步 驟一中假設(shè)有第i號(hào)車輛的速度為?，第j號(hào)車輛速度為^，則相對(duì)速度為g-巧,根據(jù)相 對(duì)速度Λν計(jì)算任意兩車的相對(duì)速度值Λ v具體為： Λ V是i號(hào)車輛與j號(hào)車輛兩車的相對(duì)速度值，則
式中，diri代表i號(hào)車輛行駛的方向，dir j代表j號(hào)車輛行駛的方向，其中在街道地圖 上，由西向東和由南向北行駛的車輛為正向行駛。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種VANETs中V2V鏈路延遲的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法，其特征在于：步 驟二中計(jì)算第i號(hào)車輛與第j號(hào)車輛兩車車頭的相對(duì)位移值Λ S為：
i號(hào)車輛的位移為5,，j號(hào)車輛位移為。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種VANETs中V2V鏈路延遲的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法，其特征在于： 步驟三中根據(jù)步驟一計(jì)算的相對(duì)速度值Λv計(jì)算出Λv服從一般正態(tài)分布即高斯分布 的速度差平均值u、方差。2的具體過程為： i號(hào)車輛與j號(hào)車輛兩車速度差的概率密度函數(shù)為：
其中，Vi為服從正態(tài)分布的i號(hào)車速度的隨機(jī)變量，Vj為服從正態(tài)分布j號(hào)車速度的 隨機(jī)變量，第i號(hào)車輛速度平均值Ui與第j號(hào)車輛速度平均值Uj ; 上式中令：
其中，為第i號(hào)車服從一般正態(tài)分布的方差，erf為第j號(hào)車服從一般正態(tài)分布的方 差； 對(duì)向行駛的第i號(hào)車與第j號(hào)車兩車的速度和獨(dú)立服從正態(tài)分布，同理可得下式：
由于車輛速度均值ρ=-為u的無偏估計(jì)，即："=-Σν\. (18) 其中，η為i號(hào)車輛或j號(hào)車輛從開始預(yù)測(cè)到鏈接斷開所用的總時(shí)間，vk為i號(hào)車輛或 j號(hào)車輛在k時(shí)刻的速度； 而樣本方差
米用EMA(Exponentialmovingaverage)法平滑平均值u的變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種VANETs中V2V鏈路延遲的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法，其特征在于步驟 四中根據(jù)步驟二計(jì)算的相對(duì)位移值Λ S計(jì)算出第i號(hào)車輛與第j號(hào)車輛從開始預(yù)測(cè)起到達(dá) 鏈路斷開狀態(tài)需要走過的相對(duì)距離為L具體過程為： (1) 選擇j號(hào)車輛即中繼節(jié)點(diǎn)為參考系，i號(hào)車輛是中繼節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)的任一車輛節(jié) 點(diǎn)假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)是靜止的，則i號(hào)車輛的相對(duì)速度為Λ v = Vi-\，i號(hào)車與j號(hào)車從當(dāng)前時(shí) 刻到鏈路斷開時(shí)產(chǎn)生的相對(duì)位移Λ S = (d+D+r)-D = d+r ;其中，d為開始預(yù)測(cè)時(shí)刻i號(hào)車 與j號(hào)車的距離，D為j號(hào)車從開始預(yù)測(cè)時(shí)刻到鏈路斷開時(shí)刻的所行駛路程； (2) 在以j號(hào)車輛為參照物的參考系中，i號(hào)車輛即i號(hào)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)速度Λ v不變，產(chǎn) 生相對(duì)位移Λ S所需要的時(shí)間t為：
(3) 忽略路上橫向行駛的i號(hào)車與j號(hào)車兩個(gè)車輛之間的縱向定義y軸方向的距離為 W ; 即：
屯為i號(hào)車與j號(hào)車兩個(gè)車輛之間的縱向定義X軸方向 (5) 的距離； (4) 令d = Xi-Xj，Xi為i號(hào)車所在位置的橫向坐標(biāo)、X」為j號(hào)車所在位置的橫向坐標(biāo)， r是無線信號(hào)傳輸半徑； 則i號(hào)車與j號(hào)車從開始預(yù)測(cè)起到鏈路斷開時(shí)的相對(duì)距離L分以下①和②兩種情況： ① 、當(dāng)仙>0時(shí)，即兩車相對(duì)速度向右： Xi〈Xj，所以d = Xi-XjXO,這時(shí)i號(hào)車開始預(yù)測(cè)起到達(dá)鏈路斷開狀態(tài)需要走過的相對(duì)距 離為L = r-d ; Xi>Xj，所以d = Xi-XjX)，這時(shí)i號(hào)車開始預(yù)測(cè)起到達(dá)鏈路斷開狀態(tài)需要走過的相對(duì)距 離是L = r-d ; ② 、當(dāng)Awn時(shí)，g卩i號(hào)車與j號(hào)車的相對(duì)速度向左： Xi>Xj，所以d = Xi-XjX)，這時(shí)i號(hào)車開始預(yù)測(cè)起到達(dá)鏈路斷開狀態(tài)需要走過的相對(duì)距 離為L = r+d ; Xi〈Xj，所以d = Xi-XjXO,這時(shí)i號(hào)車開始預(yù)測(cè)起到達(dá)鏈路斷開狀態(tài)需要走過的相對(duì)距 離為L = r+d ; 綜上①和②分析，結(jié)論得到如下通用公式：
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種VANETs中V2V鏈路延遲的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法，其特征在于步驟 五中根據(jù)步驟二得到的平均值u、方差〇2以及步驟四得到的相對(duì)距離L計(jì)算鏈路延遲的數(shù)
學(xué)期望值/: 的具體過程為： u<l (1) 通信范圍內(nèi)r (r為0?300m)的任意V2V兩車任意時(shí)刻預(yù)測(cè)產(chǎn)生相對(duì)位移L所需 要的時(shí)間由（4)式推導(dǎo)成下式（7)計(jì)算出兩車鏈路延遲時(shí)間T為：
鏈路延遲是指從開始預(yù)測(cè)時(shí)刻到兩車鏈路斷開時(shí)刻的時(shí)間； (2) i號(hào)車與j號(hào)車進(jìn)入通信范圍內(nèi)的每秒進(jìn)行預(yù)測(cè)兩車鏈路延遲時(shí)間T，假設(shè)兩車處 于第k秒狀態(tài)時(shí)，i號(hào)車與j號(hào)車保持此時(shí)第k秒的車輛相對(duì)速度的平均值和方差u k，〇 k2 不變行駛到鏈路斷開的距離Lk ; (3) 每次預(yù)測(cè)時(shí)，根據(jù)兩車鏈路延遲時(shí)間T與隨機(jī)變量V的關(guān)系*隨機(jī)變量V的 r 分布為正態(tài)分布，由分布函數(shù)F(t)定義得： _)=，(Γ年命)=-今=1-，_ (22) P表示發(fā)生的概率 兩邊對(duì)t求導(dǎo)有
將（15)式帶入（23)式得

(4) 采用平均鏈路延遲公式，從開始預(yù)測(cè)到鏈路斷開中的每一秒預(yù)測(cè)一次第i號(hào)車與 第j號(hào)車兩車鏈路延遲的數(shù)學(xué)期望值：
(5) 根據(jù)相對(duì)速度正態(tài)分布的概率密度函數(shù)確= t>0的時(shí)間T的期望的 ?j〇 積分上限up_bound和下限low_bound ;
low_bound = L/ (u+4 〇 ) (29) 所以（27)式被推導(dǎo)成下式：
將（24)式帶入（30)式得到（31)式：
當(dāng)u〈l時(shí)，采用前1秒計(jì)算的ΕΤ值，S卩（31)式被推導(dǎo)成公式（32):
當(dāng)u〈l時(shí)，公式（32)將采用前1秒u > 1計(jì)算的ET值；如果i號(hào)與j號(hào)兩個(gè)車輛鏈路 開始連接時(shí)的u〈l，則賦給ET -個(gè)大于100?300的隨機(jī)值。
【文檔編號(hào)】G08G1/01GK104064029SQ201410318558
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年7月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月7日
【發(fā)明者】崔剛, 王秀峰, 王春萌, 付忠傳, 吳翔虎, 暴建民, 莫毓昌, 朱東杰, 張策, 張必英 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)