本發(fā)明屬于車載自組織網(wǎng)絡技術領域，涉及一種車載自組織網(wǎng)絡中基于距離和速度的自適應廣播協(xié)議。

背景技術：

車載自組織網(wǎng)絡VANET(VehicularAd Hoc Networks)，是為了避免或減緩交通事故所帶來的危害，將先進的通信技術、傳感技術及計算機技術等科學技術手段與道路交通管理系統(tǒng)相結合而形成的一種網(wǎng)絡，能夠保障行車安全及道路的通行效率。作為新型的無線通信技術發(fā)展產(chǎn)物，在車載自組織網(wǎng)絡在面向交通安全的路由協(xié)議研究中，危險事件觸發(fā)的緊急消息由于信息本身的緊急性，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性要求嚴格。另外，由于車輛節(jié)點的通信范圍有限，為了將安全消息傳播到較遠距離，通常需要采用多跳廣播路由協(xié)議。

現(xiàn)有的路由協(xié)議不能夠充分的適應車載組織網(wǎng)絡中網(wǎng)絡拓撲頻繁變化以及車輛節(jié)點高速移動的特征，為充分適應車載自組織網(wǎng)絡中網(wǎng)絡拓撲頻繁變化以及車輛節(jié)點高速移動的特征，本發(fā)明在基于距離的自適應路由協(xié)議基礎上，同時考慮車輛節(jié)點的移動性，具有很好的現(xiàn)實意義。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種車載自組織網(wǎng)絡中基于距離和速度的自適應廣播協(xié)議，在該協(xié)議中，每個車輛節(jié)點由于位置、移動速度及移動方向的不同，擁有不同的轉發(fā)等待時間。在該協(xié)議中，針對路段模型和路口模型設計了不同的中繼轉發(fā)策略。最后為了提高傳輸?shù)目煽啃?，在整個數(shù)據(jù)轉發(fā)過程中引入了基于數(shù)據(jù)包的轉發(fā)確認機制，在不增加額外報文對網(wǎng)絡資源占用的前提下，利用數(shù)據(jù)包進行轉發(fā)確認，在一定程度上提高傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：

一種車載自組織網(wǎng)絡中基于距離和速度的自適應廣播協(xié)議，在該協(xié)議中，包括：步驟一：對于車載自組織網(wǎng)絡，判斷道路類型，分別針對路段模型和路口模型采用不同的中繼轉發(fā)策略；步驟二：采用路口誤判恢復策略解決路段模型中基于距離的自適應廣播協(xié)議存在的路口誤判問題；步驟三：同時，引入基于數(shù)據(jù)包的轉發(fā)確認機制，進一步提高廣播的可靠性。

進一步，在步驟一中，首先判斷在此之前是否收到具有相同序列號的數(shù)據(jù)包以及該數(shù)據(jù)包生存時間是否大于1，只有同時滿足節(jié)點第一次接收到該數(shù)據(jù)包且數(shù)據(jù)包的生存時間大于1這兩個條件時，節(jié)點才攜帶數(shù)據(jù)進入待轉狀態(tài)，否則節(jié)點直接丟棄該數(shù)據(jù)包。場景中的所有車輛節(jié)點由于安裝了GPS系統(tǒng)，故可實時獲得自身的坐標位置，再結合GIS地圖的使用，便可方便獲知自身所處的道路拓撲結構，判斷出自身是否處于路口區(qū)域?；谠撆袛?，車輛節(jié)點再啟用不同的中繼轉發(fā)策略。

在路段情況下，由于車輛都配備有GPS系統(tǒng)，故可方便得到自身位置相關信息，而利用鄰居節(jié)點間信標消息的周期廣播，節(jié)點可獲得鄰居節(jié)點位置、速度、行駛方向等信息，并利用獲得消息完成自身鄰居列表的建立和維護。然而為了降低信標消息對網(wǎng)絡資源的消耗，車輛節(jié)點對信標消息的廣播通常采用周期性廣播方式，且廣播的周期不宜過小。基于此，當數(shù)據(jù)節(jié)點在分析鄰居節(jié)點位置時應考慮車輛的移動所導致的過時位置信息，因此需對鄰居節(jié)點的位置進行預測，再根據(jù)預測的位置信息計算節(jié)點間沿道路方向上的相對距離。各參數(shù)計算公式如下：

X_{pre_C}＝X_{rec_C}+V_{rec_C}·cosθ(T_now-T_rec)

Y_{pre_C}＝Y_{rec_C}+V_{rec_C}·sinθ(T_now-T_rec)

a、c表示源節(jié)點距離車輛節(jié)點的距離，b表示兩個車輛節(jié)點之間的距離，定義為：

$a=\sqrt{{(X_{pre\_C}-X_S)}^2+{(Y_{pre\_C}-Y_S)}^2}$

$b=\sqrt{{(X_{pre\_C}-X_{rec\_S})}^2+{(Y_{pre\_C}-Y_{rec\_S})}^2}$

$c=\sqrt{{(X_{rec\_C}-X_S)}^2+{(Y_{rec\_C}-Y_S)}^2}$

節(jié)點之間沿道路方向的距離為：

$d=\frac{a^2+b^2-c^2}{2b}$

式中，(X_{pre_C},Y_{pre_C})，表示經(jīng)過預測后的鄰居節(jié)點C的位置坐標，(X_{rec_C},Y_{rec_C})表示最近一次收到的信標消息中記錄的節(jié)點C的位置坐標，(X_S,Y_S)數(shù)據(jù)攜帶節(jié)點S的位置坐標，θ表示節(jié)點C行駛方向與道路方向的夾角

由于VANET的網(wǎng)絡拓撲結構通常是沿著道路形成，數(shù)據(jù)攜帶節(jié)點根據(jù)上述預測方法獲得其通信范圍內(nèi)所有鄰居節(jié)點的預測位置信息，并且獲取分級區(qū)域的分界值d₁和d₂并將該值加入到數(shù)據(jù)報文頭部。當節(jié)點在計時器超時之前都未收到擁有相同消息序列號的數(shù)據(jù)包時，節(jié)點將在計時器減為零時對外廣播數(shù)據(jù)包。與此對應，當通信范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點接收到該數(shù)據(jù)包時，利用數(shù)據(jù)包中加入的上一跳節(jié)點ID信息，在鄰居節(jié)列中找到與之對應的位置、速度和方向等信息，利用同樣的位置預測機制計算出本節(jié)點與上一跳節(jié)點沿道路方向的映射距離。根據(jù)計算結果，判定節(jié)點所處的轉發(fā)等級域，進而選擇不同的轉發(fā)等待時間計算公式，最后進行計時器設置。自適應轉發(fā)等待時間計算公式如下所示：

當0≤d≤d₁時，

$AWT=\frac{MaxIWT-MaxWT}{R}\·d+MaxWT$

當d₁＜d≤d₂時，

$\frac{MaxIWT-MaxWT}{R}\·(d+R-d_2)+MaxWT$

當d₂＜d≤R時，

$\frac{MaxWT-MaxIWT}{R}\·(d-R-d_1)+MaxWT$

式中，MaxIWT表示處于路口的節(jié)點的最大轉發(fā)等待時間，MaxWT表示處于路段的節(jié)點的最大轉發(fā)等待時間，R表示節(jié)點的通信半徑，d₁,d₂表示等級區(qū)域分界值。

在路口模型下，考慮到路口存在的建筑物對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，當?shù)據(jù)包傳播至路口區(qū)域時，為了減少數(shù)據(jù)包轉發(fā)沖突的概率，同時降低路口周圍障礙物的影響，采用改進的基于路口中心距離的自適應轉發(fā)等待機制；節(jié)點越接近路口區(qū)域的中心點，計算出的轉發(fā)等待時間就越短，并且處于路口區(qū)域的節(jié)點相比于處于路段區(qū)域的節(jié)點擁有更短的轉發(fā)等待時間。

進一步，在步驟二中，在基于距離的中繼轉發(fā)策略中，當節(jié)點在等待轉發(fā)過程中收到具有相同數(shù)據(jù)包序列號的廣播數(shù)據(jù)包時，此時節(jié)點便認為在上一跳節(jié)點的鄰居范圍內(nèi)，存在比自己擁有更優(yōu)轉發(fā)條件的節(jié)點，并且該節(jié)點已成功轉發(fā)此廣播包，故放棄自己的轉發(fā)機會。但是需要注意，當路口區(qū)域附近不存在障礙物時，此時將可能引起節(jié)點誤判問題的產(chǎn)生。

為了解決這些問題，我們?yōu)槁房谘馗鱾€方向延伸的路段設置不同的Link_ID，路口區(qū)域的Link_ID＝0。詳細解決方案如下：

(1)當處于路口區(qū)域之外的車輛節(jié)點(例如V4)在等待轉發(fā)一個來自于路口區(qū)域內(nèi)節(jié)點所轉播的數(shù)據(jù)包時，在轉發(fā)等待過程中若收到具有相同消息序列號的數(shù)據(jù)包，此時節(jié)點首先判斷數(shù)據(jù)包中Link_ID字段的內(nèi)容，若Link_ID既不等于Link0也不等于自身所處的路段編號，則該節(jié)點不會放棄轉發(fā)機會而是選擇繼續(xù)進行轉發(fā)等待計時；

(2)當處于路口區(qū)域之外的節(jié)點在等待轉發(fā)一個來自于路口區(qū)域外節(jié)點所轉播的數(shù)據(jù)包時，此時若收到來自于路口節(jié)點所發(fā)的具有相同消息序列號的數(shù)據(jù)包時，除非該數(shù)據(jù)包的Link ID與自身所處的路段編號相同，否則該節(jié)點丟棄之前所接收到的數(shù)據(jù)包，針對新接收到的數(shù)據(jù)包重新計算并設置轉發(fā)等待時間，進入轉發(fā)計時狀態(tài)。

該解決方案不僅可以達到解決問題的目的，同時還保證了路口區(qū)域內(nèi)節(jié)點的轉發(fā)優(yōu)先級，始終堅持處于路口區(qū)域的節(jié)點相比于處于路段區(qū)域的節(jié)點擁有更短的轉發(fā)時間的原則。

進一步，步驟三中，引入了基于數(shù)據(jù)包的轉發(fā)確認機制，在不額外增加數(shù)據(jù)開銷的基礎上，實現(xiàn)利用數(shù)據(jù)包進行轉發(fā)確認；上一跳轉發(fā)節(jié)點可根據(jù)在預定的時間內(nèi)是否收到具有相同消息序列號的數(shù)據(jù)來判斷數(shù)據(jù)包是否發(fā)送成功；因為無論節(jié)點是處于路口區(qū)域或是路段區(qū)域，其最大轉發(fā)等待時間為MaxWT，所以當上一跳節(jié)點在轉發(fā)一個數(shù)據(jù)包后，若在MaxWT時間內(nèi)收到相同的數(shù)據(jù)包，則判定該數(shù)據(jù)包已轉發(fā)成功，否者判定該數(shù)據(jù)包轉發(fā)失敗，需要對數(shù)據(jù)包的相關參數(shù)進行調(diào)整并重新發(fā)送數(shù)據(jù)包，進一步提高了協(xié)議的可靠性。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明針對路段模型和路口模型設計不同的中繼轉發(fā)策略，同時，為了提高傳輸?shù)目煽啃?，在整個數(shù)據(jù)轉發(fā)過程中引入了基于數(shù)據(jù)包的轉發(fā)確認機制，在不增加額外報文對網(wǎng)絡資源占用的前提下，利用數(shù)據(jù)包進行轉發(fā)確認，在一定程度上提高了傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進行說明：

圖1為ABP-DS協(xié)議流程圖；

圖2為路段場景一；

圖3為路段場景二；

圖4為轉發(fā)區(qū)域優(yōu)先級的劃分；

圖5為路口模型下障礙物對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懀?/p>

圖6為路口區(qū)域的界定；

圖7為路口誤判問題。

具體實施方式

下面將結合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。

參見圖1，在該協(xié)議中，通過對道路類型的判斷，分別針對路段和路口提出了不同的中繼轉發(fā)策略；另外，針對路段模型中基于距離的自適應廣播協(xié)議存在的路口誤判問題，提出了路口誤判恢復策略；最后，通過引入基于數(shù)據(jù)包的轉發(fā)確認機制，進一步提高了廣播的可靠性，采用了基于數(shù)據(jù)包的轉發(fā)確認機制，該算法針對消息的每一跳轉發(fā)都設計了一個“回傳”機制，以保證傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

參見圖2，節(jié)點S需要對外廣播數(shù)據(jù)，此時雖然A、B、C、D、E均處于S的通信范圍，但節(jié)點A由于處于S運動方向的前方，所以不能獲得轉發(fā)機會。為了減少消息在傳輸過程中冗余數(shù)據(jù)的生成，同時保證消息的傳輸滿足可靠性和實時性的要求，本發(fā)明對轉發(fā)等待算法進行設計時，在slotted 1-persist算法的基礎上，加入了對節(jié)點移動性以及道路寬度的考慮，避免因車輛節(jié)點的移動造成過時的位置消息同時保證即使在道路寬度相比于節(jié)點通信半徑不能忽略時，仍然能夠選擇到最優(yōu)的轉發(fā)節(jié)點。

路段模型下：

1、鄰居節(jié)點的位置預測機制

為了降低信標消息對網(wǎng)絡資源的消耗，車輛節(jié)點對信標消息的廣播通常采用周期性廣播方式，且廣播的周期不宜過小?；诖?，當數(shù)據(jù)節(jié)點在分析鄰居節(jié)點位置時應考慮車輛的移動所導致的過時位置信息，因此需對鄰居節(jié)點的位置進行預測，再根據(jù)預測的位置信息計算節(jié)點間沿道路方向上的相對距離。如圖3所示，各參數(shù)計算公式如下：

X_{pre_C}＝X_{rec_C}+V_{rec_C}·cosθ(T_now-T_rec)

Y_{pre_C}＝Y_{rec_C}+V_{rec_C}·sinθ(T_now-T_rec)

a、c表示源節(jié)點距離車輛節(jié)點的距離，b表示兩個車輛節(jié)點之間的距離：

$a=\sqrt{{(X_{pre\_C}-X_S)}^2+{(Y_{pre\_C}-Y_S)}^2}$

$b=\sqrt{{(X_{pre\_C}-X_{rec\_S})}^2+{(Y_{pre\_C}-Y_{rec\_S})}^2}$

$c=\sqrt{{(X_{rec\_C}-X_S)}^2+{(Y_{rec\_C}-Y_S)}^2}$

節(jié)點之間沿道路方向的距離為：

$d=\frac{a^2+b^2-c^2}{2b}$

2、自適應轉發(fā)等待時間AWT

由于VANET的網(wǎng)絡拓撲結構通常是沿著道路形成，數(shù)據(jù)攜帶節(jié)點根據(jù)上述預測方法獲得其通信范圍內(nèi)所有鄰居節(jié)點的預測位置信息，再利用表1所描述的算法過程獲得分級區(qū)域的分界值d₁和d₂，并將該值加入到數(shù)據(jù)報文頭部。當節(jié)點在計時器超時之前都未收到擁有相同消息序列號的數(shù)據(jù)包時，節(jié)點將在計時器減為零時對外廣播數(shù)據(jù)包。與此對應，當通信范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點接收到該數(shù)據(jù)包時，利用數(shù)據(jù)包中加入的上一跳節(jié)點ID信息，在鄰居節(jié)列中找到與之對應的位置、速度和方向等信息，利用同樣的位置預測機制計算出本節(jié)點與上一跳節(jié)點沿道路方向的映射距離。根據(jù)計算結果，判定節(jié)點所處的轉發(fā)等級域，進而選擇不同的轉發(fā)等待時間計算公式，最后進行計時器設置。

表1轉發(fā)區(qū)域優(yōu)先級邊界值的確定

3、數(shù)據(jù)廣播過程

多跳廣播數(shù)據(jù)包的發(fā)送流程如圖1所示，當廣播車輛完成數(shù)據(jù)的廣播后，數(shù)據(jù)包是否被轉發(fā)或被哪輛車轉發(fā)不再受廣播車輛的干預，廣播車輛只需要監(jiān)聽廣播數(shù)據(jù)包在一定的時間t(由于場景中車輛節(jié)點的最大轉發(fā)等待時間為MaxWT，所以取t＝MaxWT)內(nèi)是否被成功轉發(fā)。當車輛收到數(shù)據(jù)包，首先判斷其是否滿足life_time大于1且該數(shù)據(jù)包為首次接收。在滿足該約束條件基礎上再利用數(shù)據(jù)包內(nèi)的廣播節(jié)點ID、d₁、d₂以及自身的鄰居列表信息，采用上述位置預測機制，計算出自身與上一跳車輛節(jié)點間的直接距離和沿道路方向的映射距離d。如圖4節(jié)點根據(jù)自身位置所處的等級區(qū)域范圍，利用公式選擇不同的轉發(fā)等待時間計算公式。當某個車輛的轉發(fā)等待時間耗盡，且在此之前未收到過具有相同序列號的數(shù)據(jù)包，則此時車輛將轉發(fā)該數(shù)據(jù)包，隨后其它處于待轉狀態(tài)的車輛節(jié)點由于收到了該數(shù)據(jù)包，將停止轉發(fā)計時，放棄轉發(fā)權限。若具有最短轉發(fā)等待時間的車輛由于鏈路斷裂或數(shù)據(jù)包沖突等原因導致未能轉發(fā)成功，則具有次優(yōu)轉發(fā)權限的轉發(fā)節(jié)點繼續(xù)承擔數(shù)據(jù)轉發(fā)任務，直至數(shù)據(jù)被成功廣播出去。但是當所有的候選轉發(fā)節(jié)點均未成功轉發(fā)數(shù)據(jù)包時，上一跳節(jié)點將在預設的時間段后對數(shù)據(jù)包進行重新廣播。

路口模型下的中繼轉發(fā)策略：

如圖5，另外，本發(fā)明在AWT的計算公式中引入了冪指數(shù)衰減因子，這樣的公式優(yōu)化可以保證候選待轉節(jié)點擁有更短的轉發(fā)等待時間。

1、路口區(qū)域的界定

如圖6，路口區(qū)域的中心點O可由虛線四邊形所繪制的對角線交點來確定，再以此為圓心，以圓心到達各路口邊界線的最遠距離為半徑，所繪制的圓形區(qū)域覆蓋范圍，即為路口區(qū)域。利用該方法不僅可以對常規(guī)十字路口的路口區(qū)域進行界定，對于不對稱路口(例如T型路口)同樣適用。

2、自適應轉發(fā)等待時間AWT

處于路口區(qū)域的車輛在對數(shù)據(jù)進行轉發(fā)時，將利用車輛距路口中心節(jié)點的距離來計算自己的AWT值。由于路口中心節(jié)點的位置是靜止固定的，所以相比于路段場景中車輛的轉發(fā)等待時間計算公式，路口場景中的車輛對AWT的計算更加簡單。以圖6中車輛節(jié)點A為例，假設路口中心節(jié)點O的坐標為(x_o,y_o)，節(jié)點A的位置坐標為(x_a,y_a)，路口區(qū)域半徑為，節(jié)點A到路口區(qū)域邊界的距離為d，則節(jié)點A的轉發(fā)等待時間計算公式為：

$d=R-\sqrt{{(x_a-x_o)}^2+{(y_a-y_0)}^2}$

$T^{\′}=\frac{-MaxIWT}{R}\·d+MaxIWT$

AWT＝T'·e^-px

式中，MaxIWT表示路口區(qū)域內(nèi)節(jié)點的最大轉發(fā)等待時間，p指數(shù)常數(shù)，

路口誤判恢復策略：

如圖7，假設車輛V1轉發(fā)了數(shù)據(jù)包，而V2和V5既處于消息的傳輸方向且都在V1的通信范圍內(nèi)，所以V2和V5共同競爭轉發(fā)機會。根據(jù)公式可知，車輛V2由于距離路口中心點的距離更近，所以擁有更短的轉發(fā)等待時間，故V2將提前把數(shù)據(jù)廣播給處于V2通信范圍內(nèi)的車輛節(jié)點V3、V4和V5。首先針對處于道路Link3上的車輛V5，由于該數(shù)據(jù)包為第二次被接受，這會致使車輛V5認為已有比自己具有更好條件的車輛完成了轉發(fā)，所以V5將停止計時并放棄轉發(fā)機會，這會導致數(shù)據(jù)包沿著Link3道路上的傳輸中斷。另一方面，對于分別處于道路Link1和Link2的車輛V3和V4，為了解決這些問題，我們?yōu)槁房谘馗鱾€方向延伸的路段設置不同的Link_ID，路口區(qū)域的Link_ID＝0。詳細解決方案如下：

(1)當處于路口區(qū)域之外的車輛節(jié)點(例如V4)在等待轉發(fā)一個來自于路口區(qū)域內(nèi)節(jié)點(例如V2)所轉播的數(shù)據(jù)包時，在轉發(fā)等待過程中若收到具有相同消息序列號的數(shù)據(jù)包，在轉發(fā)等待過程中若收到具有相同消息序列號的數(shù)據(jù)包，此時節(jié)點(例如V4)首先判斷數(shù)據(jù)包中Link ID字段的內(nèi)容，若Link_ID既不等于Link0也不等于自身所處的路段編號，則該節(jié)點(例如V4)不會放棄轉發(fā)機會而是選擇繼續(xù)進行轉發(fā)等待計時；

(2)當處于路口區(qū)域之外的節(jié)點(例如V5)在等待轉發(fā)一個來自于路口區(qū)域外節(jié)點(例如V1)所轉播的數(shù)據(jù)包時，此時若收到來自于路口節(jié)點(例如V2)所發(fā)的具有相同消息序列號的數(shù)據(jù)包時，除非該數(shù)據(jù)包的Link ID與自身所處的路段編號相同，否則該節(jié)點(例如V5)丟棄之前所接收到的數(shù)據(jù)包，針對新接收到的數(shù)據(jù)包重新計算并設置轉發(fā)等待時間，進入轉發(fā)計時狀態(tài)。

該解決方案不僅可以達到解決問題的目的，同時還保證了路口區(qū)域內(nèi)節(jié)點的轉發(fā)優(yōu)先級，始終堅持處于路口區(qū)域的節(jié)點相比于處于路段區(qū)域的節(jié)點擁有更短的轉發(fā)時間的原則。

最后說明的是，以上優(yōu)選實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權利要求書所限定的范圍。