CN103338441A - 基于车辆轨迹的数据传输方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于车辆轨迹的数据传输方法及***。其中，基于车辆轨迹的数据传输方法包括：在所有车辆上设置移动节点，在部分交叉路口设置固定节点，在网络接入点设置源节点；源节点需要向目的车辆发送消息时，判断目的车辆的行进轨迹上是否有固定节点；若有则源节点在目的车辆的行进轨迹上查找传输消息尾节点；源节点根据各移动节点上报的车辆行进轨迹预测各时刻的各节点分布位置，然后按照最小消息传输时延原则，根据节点分布位置和节点的消息传输时延选择源节点到尾节点的传输节点序列；将消息沿传输节点序列传输到尾节点，尾节点再转发给目的车辆上的移动节点。本发明提高了数据传输的有效性和可靠性，同时还有效降低了数据传输成本。

Description

基于车辆轨迹的数据传输方法及***

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种基于车辆轨迹的数据传输方法及***。

背景技术

目前VANET（Vehicular Ad-hoc Network，车辆自组织网络）中infrastructure-to-vehicle（互联网接入点向移动车辆）数据传输方法主要有Tian等人提出的基于轨迹预测的infrastructure-to-vehicle数据传输算法，首次提出了基于目的车辆行进轨迹的infrastructure-to-vehicle数据传输方式。该算法假设每个交叉路口都有一个固定节点，有消息需要发送时，预测目的节点（即目的车辆上的移动节点）即将经过的一系列固定节点，并从中找到一个固定节点，使得源节点的消息到达该固定节点时，目的节点即将到达或刚好到达的概率最大化。该算法解决了infrastructure-to-vehicle传输时延抖动大和成功率低等问题，然而由于需要每个交叉路口都安装固定节点，对VANET网络建设需求较大，维护成本很高，其研究成果很难在现实中直接应用，不能成为解决问题的最终有效手段。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于车辆轨迹的数据传输方法及***，降低数据传输的成本。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于车辆轨迹的数据传输方法，包括：

步骤一，在所有车辆上设置移动节点，在部分交叉路口设置固定节点，在网络接入点设置源节点，各移动节点、各固定节点和所述源节点均能够计算自身到任一固定节点的消息传输时延，各移动节点会预先将所在车辆的行进轨迹上报给所述源节点；

步骤二，所述源节点需要向目的车辆发送消息时，判断所述目的车辆的行进轨迹上是否有固定节点，若有则执行步骤三；

步骤三，所述源节点在所述目的车辆的行进轨迹上查找传输消息的最后一个固定节点，称为尾节点，所述尾节点满足：所述源节点到所述尾节点的消息传输时延小于或等于所述目的车辆到所述尾节点的行进时延；

步骤四，所述源节点根据各移动节点上报的车辆行进轨迹预测各时刻的节点分布位置，所述源节点到所述尾节点的传输节点序列中的传输节点包括固定节点和移动节点，所述源节点按照最小消息传输时延原则，根据所述节点分布位置和节点的消息传输时延选择所述传输节点；

步骤五，将消息沿所述传输节点序列传输到所述尾节点，所述尾节点将消息转发给所述目的车辆上的移动节点。

进一步地，上述基于车辆轨迹的数据传输方法还可具有以下特点，所述步骤四中，所述根据所述各节点分布位置和各节点的消息传输时延选择由所述源节点到所述尾节点的传输节点序列包括：

步骤a，选择所述传输节点序列中的固定节点，称为固定传输节点，使得由所述源节点经各固定传输节点到所述尾节点的传输路径的总消息传输时延最小；

步骤b，依次判断由所述源节点经各固定传输节点到所述尾节点的传输路径上相邻两个固定传输节点间的通信范围是否有重合部分，若没有则执行步骤c，否则转向下一对相邻固定传输节点，重复步骤b，直到最后一对相邻固定传输节点判断完毕；

步骤c，设通信范围没有重合部分的相邻两个固定传输节点中处于所述传输路径上前面的节点为第一节点，另一节点为第二节点，根据所述节点分布位置，在所述第一节点的通信范围内找到到所述第二节点的消息传输时延最小的移动节点，将该移动节点作为所述第一节点和所述第二节点之间的第一中继节点；

步骤d，判断所述第一中继节点与所述第二节点的通信范围是否有重合部分，若有则转向下一对相邻固定传输节点，重复步骤b，否则用所述第一中继节点代替步骤c中的所述第一节点，重复步骤c。

进一步地，上述基于车辆轨迹的数据传输方法还可具有以下特点，步骤五中，所述将消息沿所述传输节点序列传输到所述尾节点包括：

传输过程中，若携带消息的当前移动节点遇到不在所述传输节点序列中的新移动节点，且所述新移动节点到所述传输节点序列中所述当前移动节点的下一个固定节点的消息传输时延小于所述当前移动节点到所述下一个固定节点的消息传输时延，则将所述新移动节点加入到所述传输节点序列中，并将消息传输给所述新移动节点。

进一步地，上述基于车辆轨迹的数据传输方法还可具有以下特点，步骤二中，若所述目的车辆的行进轨迹上没有固定节点，则搜索会与所述目的车辆在预设时限内相遇、且相遇前会经过固定节点的车辆作为间接目的车辆，以该间接目的车辆代替所述目的车辆，执行所述步骤三；则经过所述步骤五，所述间接目的车辆上的移动节点获得了消息，所述步骤五之后还包括：

步骤六，所述间接目的车辆上的移动节点将消息转发给所述目的车辆上的移动节点。

进一步地，上述基于车辆轨迹的数据传输方法还可具有以下特点，步骤五中，所述尾节点将消息转发给所述目的车辆上的移动节点包括：

消息到达所述尾节点后，若所述目的车辆到达所述尾节点的通信范围内，则所述尾节点直接将消息发送给所述目的车辆上的移动节点，否则所述尾节点将消息沿着所述目的车辆的行进轨迹反向传送给所述目的车辆上的移动节点。

为解决上述技术问题，本发明还提出了一种基于车辆轨迹的数据传输***，包括顺次相连的设置模块、判断模块、查找模块、选择模块和传输模块，其中：

设置模块，用于在所有车辆上设置移动节点，在部分交叉路口设置固定节点，在网络接入点设置源节点，各移动节点、各固定节点和所述源节点均能够计算自身到任一固定节点的消息传输时延，各移动节点会预先将所在车辆的行进轨迹上报给所述源节点；

判断模块，用于在所述源节点需要向目的车辆发送消息时，判断所述目的车辆的行进轨迹上是否有固定节点，若有则启动所述查找模块；

查找模块，用于在所述目的车辆的行进轨迹上查找传输消息的最后一个固定节点，称为尾节点，所述尾节点满足：所述源节点到所述尾节点的消息传输时延小于或等于所述目的车辆到所述尾节点的行进时延；

选择模块，用于根据各移动节点上报的车辆行进轨迹预测各时刻的各节点分布位置，所述源节点到所述尾节点的传输节点序列中的传输节点包括固定节点和移动节点，所述选择模块还用于按照最小消息传输时延原则，根据所述节点分布位置和节点的消息传输时延选择所述传输节点；

传输模块，用于将消息沿所述传输节点序列传输到所述尾节点，所述尾节点将消息转发给所述目的车辆上的移动节点。

进一步地，上述基于车辆轨迹的数据传输***还可具有以下特点，所述选择模块包括：

第一选择单元，用于选择所述传输节点序列中的固定节点，称为固定传输节点，使得由所述源节点经各固定传输节点到所述尾节点的传输路径的总消息传输时延最小；

第一判断单元，用于依次判断由所述源节点经各固定传输节点到所述尾节点的传输路径上相邻两个固定传输节点间的通信范围是否有重合部分，若没有则启动第二选择单元，否则转向下一对固定传输相邻节点，再次启动第一判断单元，直到最后一对相邻固定传输节点判断完毕；

第二选择单元，设通信范围没有重合部分的相邻两个固定传输节点中处于所述传输路径上前面的节点为第一节点，另一节点为第二节点，第二选择单元用于根据所述节点分布位置，在所述第一节点的通信范围内找到到所述第二节点的消息传输时延最小的移动节点，将该移动节点作为所述第一节点和所述第二节点之间的第一中继节点；

第二判断单元，用于判断所述第一中继节点与所述第二节点的通信范围是否有重合部分，若有则转向下一对相邻固定传输节点，再次启动第一判断单元，否则用所述第一中继节点代替所述第一节点，再次启动重复第二选择单元。

进一步地，上述基于车辆轨迹的数据传输***还可具有以下特点，所述传输模块包括：

更新单元，用于在传输过程中，若携带消息的当前移动节点遇到不在所述传输节点序列中的新移动节点，且所述新移动节点到所述传输节点序列中所述当前移动节点的下一个固定节点的消息传输时延小于所述当前移动节点到所述下一个固定节点的消息传输时延，将所述新移动节点加入到所述传输节点序列中，并将消息传输给所述新移动节点。

进一步地，上述基于车辆轨迹的数据传输***还可具有以下特点，所述判断模块包括：

搜索单元，用于在所述目的车辆的行进轨迹上没有固定节点时，搜索会与所述目的车辆在预设时限内相遇、且相遇前会经过固定节点的车辆作为间接目的车辆，以该间接目的车辆代替所述目的车辆，启动所述查找模块；

则经过所述传输模块的传输，所述间接目的车辆上的移动节点获得了消息，所述基于车辆轨迹的数据传输***还包括

转发模块，用于将消息由所述间接目的车辆上的移动节点转发给所述目的车辆上的移动节点。

进一步地，上述基于车辆轨迹的数据传输***还可具有以下特点，所述传输模块包括：

直接转发单元，用于在消息到达所述尾节点后，若所述目的车辆到达所述尾节点的通信范围内，则直接将消息发送给所述目的车辆上的移动节点；

反向传送单元，用于在消息到达所述尾节点后，若所述目的车辆未到达所述尾节点的通信范围内，则将消息沿着所述目的车辆的行进轨迹反向传送给所述目的车辆上的移动节点。

本发明的基于车辆轨迹的数据传输方法及***，适用于VANET通信中的infrastructure-to-vehicle数据通信，通过整合VANET中的固定节点和移动节点性能，并利用节点具备的计算能力，提高了数据传输的有效性和可靠性。同时，由于本发明不需要在所有交叉路口都安装固定节点，因此还大大节省了VANET网络的建设和维护费用，从而有效降低了数据传输成本。

附图说明

图1为本发明实施例基于车辆轨迹的数据传输方法的流程图；

图2为本发明实施例中部分固定节点覆盖下的互联网接入点向移动车辆数据传输节点模型示意图；

图3为本发明实施例中节点位置预测示意图；

图4为本发明实施例中传输节点更新流程图；

图5（a）为本发明实施例中遇到传输节点序列中下一个节点时的传输节点序列更新实例示意图;

图5（b）为本发明实施例中遇到不在传输节点序列中的新节点时的传输节点序列更新实例示意图;

图6为本发明实施例中基于车辆轨迹的数据传输***的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图1为本发明实施例基于车辆轨迹的数据传输方法的流程图。如图1所示，本实施例中，基于车辆轨迹的数据传输方法可以包括如下步骤：

步骤S101，在所有车辆上设置移动节点，在部分交叉路口设置固定节点，在网络接入点设置源节点；

各节点（包括各移动节点、各固定节点和源节点）均能够计算自身到任一固定节点的消息传输时延。

各移动节点会预先将所在车辆的行进轨迹上报给源节点。源节点为网络接入点AP，AP能够通过DSRC与固定节点或移动节点通信，且AP可与交通控制中心（TCC）连接，交通控制中心需要向某个车辆传送消息时，会将自身生成的消息发给AP，由AP通过传输节点序列发给接收消息的车辆，接收消息的车辆称为目的车辆。

由于不需要在所有交叉路口都设置固定节点，因此大大降低了网络的建设和维护成本，从而降低了数据传输的成本。

节点可以是传感器装置。所有固定节点和移动节点配置有GPS（GlobalPositioning System，全球定位***）装置，拥有VANET交通流量统计数据，具备计算处理能力。

GPS装置可以给出节点的当前位置信息。在一个VANET网络中的所有节点拥有各路段的交通流量统计数据。

所有固定节点和移动节点能够根据交通流量统计数据计算出从当前位置到某一固定节点的消息传输时延D。该时延D可以用以下的公式（3）计算得到。以下如无特别指明，时延均指消息传输时延。

车辆由当前位置到目标区域（传输节点序列上最后一个固定节点）的端到端时延分布g(v)可以描述为

V～Γ(κ_v,θ_v)， ${\mathrm{\κ}}_v=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\left(E\right[v_i\left]\right)}^2}{\mathrm{Var}\left[v_i\right]},$ ${\mathrm{\θ}}_v=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\mathrm{Var}\left[v_i\right]}{E\left[v_i\right]}$ 公式（1）

公式（1）中，g(v)表示车辆沿预定轨迹行进中时延变量V的分布函数，k_v、θ_v表示gamma的两个参数，设共有N段路，E[V_i]、Var[V_i]为根据交通统计数据得到的第i（1≤i≤N）段路gamma分布的期望和方差，g(v)的时延分布满足gamma分布时，记V～Γ(κ_v,θ_v)。

消息从源节点到某一区域的传输时延包括两个部分，即各交叉路口均有固定节点的部分和各交叉路口没有固定节点的部分。各交叉路口有固定节点时，传输时延期望为E[P]：

$E\left[P\right]=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{l_i-R-E\left[l_{f_i}\right]}{v_i}{\mathrm{\β}}_i+(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i}+\frac{l_i-R}{v_i})(1-{\mathrm{\β}}_i))$ 公式（2）

公式（2）中，设消息传输路径中共有N段路段两端存在固定节点，其中第i（1≤i≤N）段路的长度为l_i，车辆运行平均速度为v_i，消息转发传输的距离为

消息被直接传输的概率为β_i，车辆到达交叉路口的速率为λ_i。

各交叉路口无固定节点分布时，其时延可用如下的公式（3）估算。

$D=\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}(P_c*(C_{1j}+E_j))=\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}(\left(\underset{h=1}{\overset{j-1}{\mathrm{\Π}}}{P}_{h,h+1}^c\right)*(C_{1j}+\underset{k\∈N\left(j\right)}{\mathrm{\Σ}}{p}_{\mathrm{jk}}{D}_{\mathrm{jk}}))$ 公式（3）

公式（3）中，D为从携带消息的源节点当前位置到某一目标区域（固定位置）消息传输总的时延，从源节点到目标区域沿着源节点的行进轨迹一共有M个交叉路口，每个交叉路口记为j，1≤j≤M，N（j）表示路口j所有的邻居交叉路口，则一共有M-1条路段，记这些路段为路段h，1≤h≤M-1。p_jk为消息在j向这些路口转发的概率，D_jk为消息到达路口k后至目标区域的总时延，

表示消息在路口j从当前车辆转发后的时延；对每一路段h到h+1，

表示携带传输概率，则消息沿着车辆行进轨迹从路口1到路口j携带传输的概率为

消息携带传输的总时间为C_1j。源节点的行进轨迹由源节点规划，部分节点上报自己的轨迹信息到互联网接入点后，互联网接入点也可获取。其余数据可以从交通流量统计数据获得。“∑”表示求和运算，“∏”表示求积运算。

设总的传输时延要求（即对时延的限定）为TTL，交叉路口有固定节点时和无固定节点分布时总的传输时延为EDD＝E[P]＋D，当满足公式（4）时可以作为消息传输时延，即：

EDD=E[P]+D≤TTL            公式（4）

步骤S102，源节点需要向目的车辆发送消息时，判断目的车辆的行进轨迹上是否有固定节点，若有则执行步骤S104，否则执行步骤S103；

步骤S102中，如果源节点预测目的车辆在行进轨迹上能够遇到固定节点（也就是说目的车辆行进轨迹上有固定节点），就根据如下的公式（5）选择固最后一个定节点。

$P_1={\∫}_0^{\mathrm{EDD}}g\left(v\right)\mathrm{dv}\≥\mathrm{\α}$ 公式（5）

公式（5）中，α为用户要求的传输成功率，g（v）为车辆行进时延分布函数。

步骤S103，源节点寻找能与目的车辆在设定时限内相遇，且相遇前能经过固定节点的车辆，将该车辆称为间接目的车辆，用该间接目的车辆代替真实的目的车辆（以下称为直接目的车辆），执行步骤S104；

如果目的车辆行进轨迹上不存在固定节点时（也就是说目的车辆行进轨迹上没有固定节点），源节点寻找能与目的车辆在设定时限内相遇，且相遇前能经过固定节点的车辆V_j，同时满足如下的公式（6）和公式（7），将车辆V_j上的移动节点作为最后一个消息转发节点。

$P_1={\∫}_0^{\mathrm{EDD}}g\left(v_j\right){\mathrm{dv}}_j\≥\mathrm{\α}$ 公式（6）

$P_2={\∫}_0^{\mathrm{TTL}}{\∫}_0^{v}g\left(v\right)g\left(v_j\right)\mathrm{dvd}{v}_j\≥\mathrm{\α}$ 公式（7）

公式（6），（7）中，g(v_j)为互联网接入点选定的目的车辆v_j的行进轨迹时延分布函数，同公式（1），目的车辆v_j上的移动节点将消息转发到目的车辆（即转发给目的车辆上的移动节点）。

也就是说，如果目的车辆行进轨迹上没有固定节点，就选一个能经过固定节点的车辆V_j（车辆V_j满足：能与目的车辆在设定时限内相遇，且相遇前能经过固定节点），将车辆V_j作为目的车辆，此时就变成了目的车辆行进轨迹上有固定节点的情况，按照这种情况先选择传输节点序列将消息按照该传输节点序列传输给车辆V_j，再由车辆V_j将消息转发给目的车辆（车辆发送和接收消息都通过车辆上的移动节点进行）。

步骤S104，源节点在目的车辆的行进轨迹上查找传输消息的最后一个固定节点，为了方便，将这最后一个固定节点称为尾节点，尾节点满足如下条件：源节点到尾节点的消息传输时延小于或等于目的车辆到尾节点的行进时延；

目的车辆到尾节点的行进时延指是目的车辆行进到尾节点所用的时间。

尾节点所满足的条件使得消息能够在目的车辆达到尾节点之前传输到尾节点，或者在目的车辆达到尾节点的同时传输到尾节点，从而使目的车辆能够收到消息。

步骤S105，源节点根据各移动节点上报的车辆行进轨迹预测各时刻的各节点分布位置，源节点到所述尾节点的传输节点序列中的传输节点包括固定节点和移动节点，源节点按照最小消息传输时延原则，根据节点分布位置和节点的消息传输时延选择传输节点序列中的传输节点；

各节点分布位置可以通过VANET网络图G=（E，I，S）)表示，其中，E代表实际路段，I表示交叉路口，S表示位于交叉路口的固定节点。VANET网络图是源节点预测某时刻节点分布的基础，有了VANET网络图和各移动节点上报的轨迹，互联网接入点就能够预测出每一时刻的节点分布情况，从而找出所有的传输节点，确定传输节点序列。

确定传输节点序列时，源节点根据各移动节点上报的轨迹情况，按照时间先后顺序实时构建VANET网络节点图G=(E，I，S，V)，V代表源节点所预测的某时刻移动节点所处位置集合，如图3所示，为某一时刻所有节点分布情况。源节点每隔一定的时间间隔t（例如设置为1秒）根据该网络节点图选择传输消息的传输节点，确定一条从源节点到尾节点的传输节点序列。

具体地，步骤S105中，源节点按照最小消息传输时延原则，根据节点分布位置和节点的消息传输时延选择传输节点序列中的传输节点可以包括如下的步骤a至步骤d：

步骤a，选择传输节点序列中的固定节点，称为固定传输节点，使得由源节点经各固定传输节点到尾节点的传输路径的总消息传输时延最小；

由源节点经各固定传输节点到尾节点的传输路径的总消息传输时延等于该传输路径上由固定传输节点分开的各段路径的消息传输时延的总和，其中，每一段路径的消息传输时延等于处于该段路径的两端点处的固定传输节点之间的消息传输时延。

步骤b，依次判断由源节点经各固定传输节点到尾节点的传输路径上相邻两个固定传输节点间的通信范围是否有重合部分，若没有则执行步骤c，否则转向下一对相邻固定传输节点，重复步骤b，直到最后一对相邻固定传输节点判断完毕；

步骤c，设通信范围没有重合部分的相邻两个固定传输节点中处于传输路径上前面的节点为第一节点，另一节点为第二节点，根据节点分布位置，在第一节点的通信范围内找到到第二节点的消息传输时延最小的移动节点，将该移动节点作为第一节点和所述第二节点之间的第一中继节点；

步骤d，判断第一中继节点与第二节点的通信范围是否有重合部分，若有则转向下一对相邻固定传输节点，重复步骤b，否则用第一中继节点代替步骤c中的第一节点，重复步骤c。

源节点找到的固定传输节点序列（由传输节点序列中所有的固定传输节点组成）为V_n=(v₁,v₂,...,v_n)。源节点到传输节点序列中各固定节点的时延值为S_n＝（s₁，s₂,…,s_n）。其中，S_n是源节点到各固定节点的时延值，s_i是源节点到其中一个固定节点的时延值，确定从源节点到固定节点的时延值，是为了在实际传输中，挑选出时延值更低的传输节点。

步骤S106，将消息沿步骤S105所确定的传输节点序列传输到尾节点；

传输过程中，若携带消息的当前移动节点v_i遇到不在传输节点序列中的新移动节点，且该新移动节点到传输节点序列中当前移动节点v_i的下一个固定节点的消息传输时延D_new小于当前移动节点v_i到该下一个固定节点的消息传输时延，则将新移动节点加入到传输节点序列中，并将消息传输给新移动节点。同时要保证将该新移动节点加入到传输节点序列中后，消息到下一个固定节点的总延时小于加入前由当前移动节点v_i传输到下一个固定节点的总时延。

步骤S107，尾节点将消息转发给目的车辆上的移动节点；

消息到达最后一个消息转发节点后，若目的车辆正好经过最后一个消息转发节点，则最后一个消息转发节点直接将消息发送给目的车辆，若目的车辆尚未经过最后一个消息转发节点，则最后一个消息转发节点将消息沿着目的车辆的行进轨迹反向传送给目的车辆。

步骤S107中的目的车辆可能是直接目的车辆，也可能是间接目的车辆。

步骤S108，判断接收消息的目的车辆是否是直接目的车辆，若是则执行步骤S110，否则接收消息的目的车辆是间接目的车辆，执行步骤S109；

步骤S109，间接目的车辆上的移动节点将消息转发给直接目的车辆上的移动节点，然后执行步骤S110；

步骤S110，结束。

下面结合具体示例对本发明的原理作进一步说明。

在本实施例中，将实际场景中部署的节点分为两类，部署在部分交叉路口的节点，称为固定节点；部署在移动车辆上的节点，称为移动节点。各节点为MicaZ传感器，安装GPS设备，具备计算能力；各移动节点能够通过VADD（Vehicle-Assisted Data Delivery，车辆辅助数据传输）、TBD（Trajectory-Based Data Forwarding，基于轨迹的数据转发）等方式将自己的行进轨迹向接入点AP汇报。各节点拥有交通流量统计数据和网络模型图G=(E,I,S)，E代表实际路段集合，I表示交叉路口集合，S表示位于各交叉路口的固定节点集合，如图2所示，图2为本发明实施例中部分固定节点覆盖下的互联网接入点向移动车辆数据传输节点模型示意图，图2中，SN代表固定节点，MN代表移动节点，AP代表互联网接入。并且，模型图G中的各节点满足以下规则：

规则1.任意移动节点能够将自己的轨迹信息传递给AP，但并不是所有的节点都传递此消息；AP能够通过DSRC（Dedicated Short RangeCommunications，超短距离通信，传输距离一般为200米）与固定节点或移动节点通信，且AP可与交通控制中心（TCC）直接连接。

规则2.各节点之间通过DSRC实现多跳通信，其中固定节点位置不变，能够保持或转发消息，移动节点位置按照自己的行进轨迹变化，能够携带或转发消息。

规则3.计算最后一个节点位置有两种方式：一是，按照上述的公式（5） $P_1={\∫}_0^{\mathrm{EDD}}g\left(v\right)\mathrm{dv}\≥\mathrm{\α},$ 二是同时满足上述的公式（6） $P_1={\∫}_0^{\mathrm{EDD}}g\left(v_j\right){\mathrm{dv}}_j\≥\mathrm{\α}$ 和公式（7） $P_2={\∫}_0^{\mathrm{TTL}}{\∫}_0^{v}g\left(v\right)g\left(v_j\right)\mathrm{dvd}{v}_j\≥\mathrm{\α}$ 计算。

规则4.确定传输节点序列时，AP根据移动节点上报的轨迹情况，按照时间先后顺序实时构建网络节点图G=(E,I,S，V)，V代表AP所预测的某时刻移动节点所处位置集合，如图3所示。图3为本发明实施例中节点位置预测示意图。图3中，虚线表示每个节点的DSRC通信范围。AP每隔一定的时间间隔t（可以设置为1秒）根据该节点位置图选择传输节点，确定一条从源节点到最后一个消息转发节点（为固定节点）的传输节点序列V_n=(v₁,v₂,…v_n)，并确定传输节点序列中各传输节点到各固定节点的延时S_n=(s₁,s₂,...,s_n)。

规则5．更新传输节点序列时，携带消息的移动节点v_i每遇到一个邻居节点时，若邻居节点在传输节点序列里，即为v_i+1，则直接传送；若邻居节点不在传输节点序列里，即为新节点v_new，则v_new计算到传输节点序列中v_i的下一固定节点的时延值D_new,若D_new<D_i,则将消息传给新节点，D_i为当前节点v_i到下一固定节点的时延值。

消息的源节点为AP，目的节点为移动车辆，一个完整的AP到移动车辆的传输过程包括：

初始化阶段：当有消息需要发送时，AP根据移动节点上报轨迹，通过上述的规则3计算出最后一个消息转发节点（为固定节点），通过规则4确定固定传输节点序列V_n=(v₁,v₂,…v_n)，并确定AP到固定传输节点序列中各固定传输节点的延时S_n=(s₁,s₂,...,s_n)，完成初始化。

数据传输阶段：本实施例传输序列更新过程参考图4，传输序列中节点更新操作参考图5，图4为本发明实施例中传输节点更新流程图，图5为本发明实施例中传输序列更新实例示意图。图3中的虚线表示DSRC传输范围，所有传输范围有重合的节点为邻居节点，更新时间为遇到新的邻居节点时。

如图4所示，本实施例中，传输节点序列中移动节点的更新过程包括如下步骤：

步骤S401，当前节点（传输节点序列中的移动节点）遇到新的邻居节点（邻居节点为移动节点），进行节点性质判断，若在传输序列则执行步骤S402，若不在传输序列则执行步骤S405；

步骤S402，在传输序列；

步骤S403，判断该新节点（即步骤S401中新的邻居节点）是否为序列（指传输节点序列）中下一个节点，若是则执行步骤S404，否则执行步骤S405；

步骤S404，将消息传送至该新节点；

步骤S405，不在传输序列；

步骤S406，判断该新节点到传输节点序列中下一固定节点的时延值是否小于当前节点到下一固定节点的时延值，若是则执行步骤S407，否则执行步骤S408；

步骤S407，传送消息至新节点，执行步骤S409；

步骤S408，不做处理，执行步骤S409；

步骤S409，到达最后一个固定节点，即尾节点。

步骤S401至步骤S409中，未特别指明的节点均指移动节点。

图5（a）为本发明实施例中遇到传输节点序列中下一个节点时的传输节点序列更新实例示意图。图5（a）中，虚线①为消息传输路径，虚线②为目的车辆行进轨迹，v_i为传输过程中携带消息的车辆，v_i＋1为携带消息的车辆遇到的传输序列中的下一车辆，DN(Destination Node)为目的车辆，LSN(LastStationary Node)为最后一个固定节点。图5（b）为本发明实施例中遇到不在传输节点序列中的新节点时的传输节点序列更新实例示意图。图5（b）中，虚线③为消息传输路径，虚线④为目的车辆行进轨迹，v_i为传输过程中携带消息的车辆，v_new为携带消息的车辆遇到的不在传输节点序列中的车辆，DN为目的车辆，LSN为最后一个固定节点。

根据本发明的方法将首先确定新的邻居节点是否在传输节点序列中。以节点v_i为例，v_i携带消息,根据自己携带的传输节点序列V_n和时延值S_n作为判断依据,v_i到下一固定节点的时延值D_i满足到第i个固定节点处消息总的传输时延小于或等于s_i。若v_i邻居节点中有v_i＋1，则直接向v_i＋1传递消息，完成一次更新，如图5(a)所示；若邻居节点中没有v_i＋1，则计算邻居节点到下一固定节点的时延，从中选择最小的时延值D_new,如果D_new小于当前携带消息节点的时延值D_i,则该邻居节点成为v_i，携带消息，如图5(b)所示。直到消息到达目标节点，即图5中LSN，再向目的节点DN传送。完整的过程包括：

1)当前携带消息节点沿着图5(a)中线①或图5(b)中线③传送，v_i遇到如图5(a)所示位于传输节点序列中下一节点即v_i＋1时，则直接传送消息到v_i＋1。

2)如果如图5(b)所示,v_i遇到的节点（一个或多个）是传输节点序列里没有的节点v_new：

a)新节点计算到下一固定节点的时延D_new,若D_new>D_i,则携带消息的节点v_i不作任何操作。

b)若D_new<D_i,则将v_new加入传输节点序列，消息由v_new携带，变为v_i。

3)消息到达图5中最后一个固定节点LSN，则向目的节点发送消息：

a)若LSN为目的节点行进轨迹上最后一个固定节点，则消息向目的节点行进轨迹反方向传送如图5(a)中线②或图5(b)中线④的反方向，消息到达目的节点DN，完成传送。

b)若LSN为目标节点v_j行进轨迹上最后一个固定节点，则消息先沿着v_j的行进轨迹反方向传送，到达v_j，再由v_j将消息沿着目的节点行进轨迹反方向传送至目的节点DN，完成传送。

本发明的基于车辆轨迹的数据传输方法，适用于VANET通信中的infrastructure-to-vehicle数据通信，通过整合VANET中的固定节点和移动节点性能，并利用节点具备的计算能力，提高了数据传输的有效性和可靠性。同时，由于本发明不需要在所有交叉路口都安装固定节点，因此还大大节省了VANET网络的建设和维护费用，从而有效降低了数据传输成本。

本发明还提出了一种基于车辆轨迹的数据传输***，用以执行上述的基于车辆轨迹的数据传输方法。

图6为本发明实施例中基于车辆轨迹的数据传输***的结构框图。如图6所示，本实施例中，基于车辆轨迹的数据传输***包括顺次相连的设置模块610、判断模块620、查找模块630、选择模块640和传输模块650。其中，设置模块610，用于在所有车辆上设置移动节点，在部分交叉路口设置固定节点，在网络接入点设置源节点，各移动节点、各固定节点和所述源节点均能够计算自身到任一固定节点的消息传输时延，各移动节点会预先将所在车辆的行进轨迹上报给所述源节点。判断模块620用于在源节点需要向目的车辆发送消息时，判断目的车辆的行进轨迹上是否有固定节点，若有则启动查找模块630。查找模块630用于在目的车辆的行进轨迹上查找传输消息的最后一个固定节点，称为尾节点，尾节点满足：源节点到尾节点的消息传输时延小于或等于目的车辆到尾节点的行进时延。选择模块640用于根据各移动节点上报的车辆行进轨迹预测各时刻的各节点分布位置，源节点到尾节点的传输节点序列中的传输节点包括固定节点和移动节点，选择模块640还用于按照最小消息传输时延原则，根据源节点预测的节点分布位置和节点的消息传输时延选择传输节点。传输模块650用于将消息沿传输节点序列传输到尾节点，尾节点将消息转发给目的车辆上的移动节点。

在本发明实施例中，选择模块640中可以进一步包括第一选择单元、第一判断单元、第二选择单元和第二判断单元。第一选择单元用于选择传输节点序列中的固定节点，称为固定传输节点，使得由源节点经各固定传输节点到尾节点的传输路径的总消息传输时延最小。第一判断单元用于依次判断由源节点经各固定传输节点到尾节点的传输路径上相邻两个固定传输节点间的通信范围是否有重合部分，若没有则启动第二选择单元，否则转向下一对相邻固定传输节点，再次启动第一判断单元，直到最后一对相邻固定传输节点判断完毕。设通信范围没有重合部分的相邻两个固定传输节点中处于传输路径上前面的节点为第一节点，另一节点为第二节点，第二选择单元用于根据节点分布位置，在第一节点的通信范围内找到到第二节点的消息传输时延最小的移动节点，将该移动节点作为第一节点和第二节点之间的第一中继节点。第二判断单元用于判断第一中继节点与第二节点的通信范围是否有重合部分，若有则转向下一对相邻固定传输节点，再次启动第一判断单元，否则用第一中继节点代替所述第一节点，再次启动重复第二选择单元。

在本发明实施例中，传输模块650中可以进一步包括更新单元。更新单元用于在传输过程中，若携带消息的当前移动节点遇到不在传输节点序列中的新移动节点，且新移动节点到传输节点序列中当前移动节点的下一个固定节点的消息传输时延小于当前移动节点到下一个固定节点的消息传输时延，将新移动节点加入到传输节点序列中，并将消息传输给新移动节点。

在本发明实施例中，判断模块620中可以进一步包括搜索单元。搜索单元用于在目的车辆的行进轨迹上没有固定节点时，搜索会与目的车辆在预设时限内相遇、且相遇前会经过固定节点的车辆作为间接目的车辆，以该间接目的车辆代替目的车辆，启动查找模块630。则经过传输模块650的传输，间接目的车辆上的移动节点获得了消息，此时，基于车辆轨迹的数据传输***还包括转发模块。转发模块用于将消息由间接目的车辆上的移动节点转发给目的车辆上的移动节点。

在本发明实施例中，传输模块650中可以进一步包括直接转发单元和反向传送单元。直接转发单元用于在消息到达尾节点后，若目的车辆到达尾节点的通信范围内，则直接将消息发送给目的车辆上的移动节点。反向传送单元用于在消息到达尾节点后，若目的车辆未到达尾节点的通信范围内，则将消息沿着目的车辆的行进轨迹反向传送给目的车辆上的移动节点。

本发明的基于车辆轨迹的数据传输***，适用于VANET通信中的infrastructure-to-vehicle数据通信，通过整合VANET中的固定节点和移动节点性能，并利用节点具备的计算能力，提高了数据传输的有效性和可靠性。同时，由于本发明不需要在所有交叉路口都安装固定节点，因此还大大节省了VANET网络的建设和维护费用，从而有效降低了数据传输成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于车辆轨迹的数据传输方法，其特征在于，包括：

步骤一，在所有车辆上设置移动节点，在部分交叉路口设置固定节点，在网络接入点设置源节点，各移动节点、各固定节点和所述源节点均能够计算自身到任一固定节点的消息传输时延，各移动节点会预先将所在车辆的行进轨迹上报给所述源节点；

步骤二，所述源节点需要向目的车辆发送消息时，判断所述目的车辆的行进轨迹上是否有固定节点，若有则执行步骤三；

步骤三，所述源节点在所述目的车辆的行进轨迹上查找传输消息的最后一个固定节点，称为尾节点，所述尾节点满足：所述源节点到所述尾节点的消息传输时延小于或等于所述目的车辆到所述尾节点的行进时延；

步骤四，所述源节点根据各移动节点上报的车辆行进轨迹预测各时刻的节点分布位置，所述源节点到所述尾节点的传输节点序列中的传输节点包括固定节点和移动节点，所述源节点按照最小消息传输时延原则，根据所述节点分布位置和节点的消息传输时延选择所述传输节点；

步骤五，将消息沿所述传输节点序列传输到所述尾节点，所述尾节点将消息转发给所述目的车辆上的移动节点。

2.根据权利要求1所述的基于车辆轨迹的数据传输方法，其特征在于，所述步骤四中，所述源节点按照最小消息传输时延原则，根据所述节点分布位置和节点的消息传输时延选择所述传输节点包括：

步骤a，选择所述传输节点序列中的固定节点，称为固定传输节点，使得由所述源节点经各固定传输节点到所述尾节点的传输路径的总消息传输时延最小；

步骤b，依次判断由所述源节点经各固定传输节点到所述尾节点的传输路径上相邻两个固定传输节点间的通信范围是否有重合部分，若没有则执行步骤c，否则转向下一对相邻固定传输节点，重复步骤b，直到最后一对相邻固定传输节点判断完毕；

步骤c，设通信范围没有重合部分的相邻两个固定传输节点中处于所述传输路径上前面的节点为第一节点，另一节点为第二节点，根据所述节点分布位置，在所述第一节点的通信范围内找到到所述第二节点的消息传输时延最小的移动节点，将该移动节点作为所述第一节点和所述第二节点之间的第一中继节点；

步骤d，判断所述第一中继节点与所述第二节点的通信范围是否有重合部分，若有则转向下一对相邻固定传输节点，重复步骤b，否则用所述第一中继节点代替步骤c中的所述第一节点，重复步骤c。

3.根据权利要求1所述的基于车辆轨迹的数据传输方法，其特征在于，步骤五中，所述将消息沿所述传输节点序列传输到所述尾节点包括：

传输过程中，若携带消息的当前移动节点遇到不在所述传输节点序列中的新移动节点，且所述新移动节点到所述传输节点序列中所述当前移动节点的下一个固定节点的消息传输时延小于所述当前移动节点到所述下一个固定节点的消息传输时延，则将所述新移动节点加入到所述传输节点序列中，并将消息传输给所述新移动节点。

4.根据权利要求1所述的基于车辆轨迹的数据传输方法，其特征在于，步骤二中，若所述目的车辆的行进轨迹上没有固定节点，则搜索会与所述目的车辆在预设时限内相遇、且相遇前会经过固定节点的车辆作为间接目的车辆，以该间接目的车辆代替所述目的车辆，执行所述步骤三；则经过所述步骤五，所述间接目的车辆上的移动节点获得了消息，所述步骤五之后还包括：

步骤六，所述间接目的车辆上的移动节点将消息转发给所述目的车辆上的移动节点。

5.根据权利要求1所述的基于车辆轨迹的数据传输方法，其特征在于，步骤五中，所述尾节点将消息转发给所述目的车辆上的移动节点包括：

消息到达所述尾节点后，若所述目的车辆到达所述尾节点的通信范围内，则所述尾节点直接将消息发送给所述目的车辆上的移动节点，否则所述尾节点将消息沿着所述目的车辆的行进轨迹反向传送给所述目的车辆上的移动节点。

6.一种基于车辆轨迹的数据传输***，其特征在于，包括顺次相连的设置模块、判断模块、查找模块、选择模块和传输模块，其中：

设置模块，用于在所有车辆上设置移动节点，在部分交叉路口设置固定节点，在网络接入点设置源节点，各移动节点、各固定节点和所述源节点均能够计算自身到任一固定节点的消息传输时延，各移动节点会预先将所在车辆的行进轨迹上报给所述源节点；

判断模块，用于在所述源节点需要向目的车辆发送消息时，判断所述目的车辆的行进轨迹上是否有固定节点，若有则启动所述查找模块；

查找模块，用于在所述目的车辆的行进轨迹上查找传输消息的最后一个固定节点，称为尾节点，所述尾节点满足：所述源节点到所述尾节点的消息传输时延小于或等于所述目的车辆到所述尾节点的行进时延；

选择模块，用于根据各移动节点上报的车辆行进轨迹预测各时刻的各节点分布位置，所述源节点到所述尾节点的传输节点序列中的传输节点包括固定节点和移动节点，所述选择模块还用于按照最小消息传输时延原则，根据所述节点分布位置和节点的消息传输时延选择所述传输节点；

传输模块，用于将消息沿所述传输节点序列传输到所述尾节点，所述尾节点将消息转发给所述目的车辆上的移动节点。

7.根据权利要求6所述的基于车辆轨迹的数据传输***，其特征在于，所述选择模块包括：

第一选择单元，用于选择所述传输节点序列中的固定节点，称为固定传输节点，使得由所述源节点经各固定传输节点到所述尾节点的传输路径的总消息传输时延最小；

第一判断单元，用于依次判断由所述源节点经各固定传输节点到所述尾节点的传输路径上相邻两个固定传输节点间的通信范围是否有重合部分，若没有则启动第二选择单元，否则转向下一对相邻固定传输节点，再次启动所述第一判断单元，直到最后一对相邻固定传输节点判断完毕；

第二选择单元，设通信范围没有重合部分的相邻两个固定传输节点中处于所述传输路径上前面的节点为第一节点，另一节点为第二节点，第二选择单元用于根据所述节点分布位置，在所述第一节点的通信范围内找到到所述第二节点的消息传输时延最小的移动节点，将该移动节点作为所述第一节点和所述第二节点之间的第一中继节点；

第二判断单元，用于判断所述第一中继节点与所述第二节点的通信范围是否有重合部分，若有则转向下一对相邻固定传输节点，再次启动第一判断单元，否则用所述第一中继节点代替所述第一节点，再次启动重复所述第二选择单元。

8.根据权利要求6所述的基于车辆轨迹的数据传输***，其特征在于，所述传输模块包括：

更新单元，用于在传输过程中，若携带消息的当前移动节点遇到不在所述传输节点序列中的新移动节点，且所述新移动节点到所述传输节点序列中所述当前移动节点的下一个固定节点的消息传输时延小于所述当前移动节点到所述下一个固定节点的消息传输时延，将所述新移动节点加入到所述传输节点序列中，并将消息传输给所述新移动节点。

9.根据权利要求6所述的基于车辆轨迹的数据传输***，其特征在于，所述判断模块包括：

搜索单元，用于在所述目的车辆的行进轨迹上没有固定节点时，搜索会与所述目的车辆在预设时限内相遇、且相遇前会经过固定节点的车辆作为间接目的车辆，以该间接目的车辆代替所述目的车辆，启动所述查找模块；

则经过所述传输模块的传输，所述间接目的车辆上的移动节点获得了消息，所述基于车辆轨迹的数据传输***还包括

转发模块，用于将消息由所述间接目的车辆上的移动节点转发给所述目的车辆上的移动节点。

10.根据权利要求6所述的基于车辆轨迹的数据传输***，其特征在于，所述传输模块包括：

直接转发单元，用于在消息到达所述尾节点后，若所述目的车辆到达所述尾节点的通信范围内，则直接将消息发送给所述目的车辆上的移动节点；

反向传送单元，用于在消息到达所述尾节点后，若所述目的车辆未到达所述尾节点的通信范围内，则将消息沿着所述目的车辆的行进轨迹反向传送给所述目的车辆上的移动节点。

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