CN103402179A - 基于自主协同的车载网络预警信息广播***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于自主协同的车载网络预警信息广播***及方法，该***包括邻居状态更新模块和自主决策模块。本发明利用车载网节点的位置信息，在不额外增加通信负担的基础上，实现了节点间的自主协同，有效地选择合适的节点进行预警信息的广播与转发，在提高预警信息传播效率的同时保障了传播的可靠性，帮助车载网络节点在紧急状况发生时迅速广播预警信息，避免连锁事故的产生，保障交通安全。

Description

基于自主协同的车载网络预警信息广播***及方法

技术领域

本发明涉及自组织车载网络预警信息广播技术领域，尤其涉及一种基于自主协同的车载网络预警信息广播***及方法。

背景技术

随着通信技术、传感器技术和嵌入式计算技术的快速发展和日益成熟，具有通信、传感和计算能力的车载网络通信节点（简称节点）开始出现，并且被逐渐的装备到车辆之中。利用车载网络通信节点，车辆之间可以彼此进行无线通信，并借此形成一个区域性的车载网络。车载网络能够协调地感知、采集、处理和监测网络覆盖区域内的各种车辆节点之间的运行信息，并发布给需要这些信息的用户。车载网络在提供交通信息，保障交通安全方面发挥着越来越重要的作用。预警信息的广播是车载网络的一项重要职能，当道路上发生事故或异常状况时，事故车辆或临近的车辆通过传感器及时感知到事故或异常状况的发生，然后将预警信息（包括发生的时间，发生的地点及发生的事件等信息）在车载网络中进行广播，并通过其它节点将消息迅速在网络中传播开。收到消息的车辆可以及时做出反应，避免连锁事故的发生。为了保障交通的安全，预警信息的广播需要保证可靠性，确保所有车辆都可以收到预警信息；同时，要在尽可能短的时间内将信息迅速送达各个车辆节点，便于司机做出及时的应对措施。因此，一个可靠性强、消息传播效率高的车载网广播方法是车载网络保障交通安全的关键所在。传统的车载网络预警信息广播方法采用泛洪式广播算法，即每一个节点收到邻居节点发来的预警信息后，都会立刻再次将该信息进行广播，以将信息传播到更广的范围内。然而，由于无线网络的特性，泛洪式算法将在节点之间造成大量的信号干扰乃至信号冲突，导致一部分节点由于干扰和冲突无法顺利接受到预警信息，无法保障可靠性。

基于可靠性和传播效率的要求，大量改进后的车载网络预警信息广播方法已经被研发出来。这些方法主要分为两类，基于发送端的转发者选择方法和基于接收端的转发计时方法。一、基于发送端的转发者选择方法。在基于发送端的转发者选择方法中，当一个节点对预警信息进行广播时，会通过计算在邻居节点中选择下一跳的转发者（通常是选择距离较远的邻居，以提高数据传播效率），并将做出的选择附在广播的数据包中。当邻居节点收到广播的数据包后，若其被选为下一跳的转发者，则该节点会重复上述过程，并进行数据的广播；若未被选中，则保持静默，避免造成信号干扰和冲突。这种方法可以保障较快的传播效率，但是，由于自组织车载网络的特殊性，节点移动性强，节点间链路变化较快，链路质量不稳定，当选择的转发者实际并未接收到数据包时，消息的传播可能会中断。因此这类方法的可靠性较差。二、基于接受端的转发计时方法。在基于接受端的转发计时方法中，广播信息的节点并不对下一跳的转发做出指示。当邻居节点接收到信息时，根据自身的信息设置一个随机的计时器，时间到后即进行再次广播（转发）；若时限未到而有邻居节点已经进行了转发，则取消计时并转入静默状态，避免造成信号干扰和冲突。由于在接收端做决策，因此可以确保每一跳都有节点进行广播，避免了消息传播的中断。通过引入ACK机制，节点间会互相检查邻居是否接收到了预警消息，并进行消息的重传，从而进一步保障了可靠性。然而这类方法，由于每一跳都要进行倒计时，从而导致了一定的延迟，造成消息传播的效率比较低。其中，ACK即确认字符，在数据通信中，接收站发给发送站的一种传输类控制字符。综上可知，上述两类方法都无法做到可靠性和传播效率的兼顾，其主要原因在于节点彼此之间独立进行决策，为了避免多个节点同时传输造成的信号冲突，或者牺牲可靠性，由发送端进行决策，或者牺牲传播效率，依据接收端的随机计时器来错开时间避免冲突。

发明内容

本发明的目的在于通过一种基于自主协同的车载网络预警信息广播***及方法，来解决以上背景技术部分提到的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于自主协同的车载网络预警信息广播***，其包括邻居状态更新模块和自主决策模块；

所述邻居状态更新模块用于实时维护已接收到的预警信息数据包集合M、M中每个预警信息数据包m的邻居接收状态、邻居节点b的最新位置信息L（b）及内容分发服务（CDS）状态，其中，所述每个预警信息数据包m的邻居接收状态包括：已接收到m的邻居节点集合R(m)、可能接收到m的邻居节点集合P(m)及未接收到m的邻居节点集合N(m)；

所述自主决策模块用于在接收到预警信息数据包m时，根据N（m）中所有节点的位置信息L，计算其几何中心I，并对P（m）和R（m）中所有节点，按其到I的距离由短到长进行排序，令r为本节点c的排名，则本节点c在r个时隙后转发预警信息数据包m，即若本节点c排名第一，则立刻转发m。

本发明还公开了一种基于自主协同的车载网络预警信息广播方法，其包括如下步骤：

A、邻居状态更新模块实时维护已接收到的预警信息数据包集合M、M中每个预警信息数据包m的邻居接收状态、邻居节点最新的位置信息L及内容分发服务（CDS）状态，其中，所述每个预警信息数据包m的邻居接收状态包括：已接收到m的邻居节点集合R(m)、可能接收到m的邻居节点集合P(m)及未接收到m的邻居节点集合N(m)；

B、自主决策模块在接收到预警信息数据包m时，根据N（m）中所有节点的位置信息L，计算其几何中心I，并对P（m）和R（m）中所有节点，按其到I的距离由短到长进行排序，令r为本节点c的排名，则本节点c在r个时隙后转发预警信息数据包m，即若本节点c排名第一，则立刻转发m。

特别地，所述步骤A具体包括：

A1、对每个预警信息数据包m，初始化N(m)，R(m)为空集，P(m)为已知邻居节点的集合；

A2、广播包含节点自身位置信息L及已接收到的预警信息数据包集合M={m₁,m₂,…,m_n}的beacon包；

A3、接收邻居节点B发送的beacon包，并检查其中的位置信息L(B)和已接收到的预警信息数据包集合M(B)={m_B1,m_B2,…,m_Bk}；

A4、对于M中每个m_i，更新N(m_i)、R(m_i)及P(m_i)；

A5、对于M（B）中每个m_Bj，若m_Bj不在M中，则初始化N（m_Bj）为空集，R（m_Bj）={B}，P（m_Bj）为所有邻居节点；

A6、当收到节点S广播的预警信息m时，若m不在M中，初始化R(m),P(m),N(m)为空集，将节点S加入R(m)中并从P(m),N(m)中移除，并根据每个邻居节点B的位置信息L(B)，若其处于节点S的通讯范围内，则将邻居节点B移入P(m)，将每个既不属于R(m)也不属于P(m)的邻居节点移入N(m)。

特别地，所述步骤A4具体包括：

A41、若m_i在M（B）中，则将邻居节点B从P(m_i)中移除，加入R(m_i)；

A42、若m_i不在M（B）中，则将邻居节点B从P(m_i)中移除，加入N(m_i)。

特别地，所述步骤B具体包括：

B1、在接收到预警信息数据包m时，使用步骤A的方法更新N（m）、P（m）及R（m）；

B2、若N（m）为空集，则放弃转发预警信息数据包m；

B3、根据N（m）中所有节点的位置信息L，计算其几何中心I；

B4、对P（m）和R（m）中所有节点，按其到I的距离由短到长进行排序；

B5、根据步骤B4的排序结果，若令r为本节点c的排名，则本节点将在r个时隙后转发预警信息数据包m，即若本节点c排名第一，则立刻转发m。

特别地，所述步骤B还包括：

B6、在等待转发的过程中，若R(m)、N(m)及P(m)状态发生变化，则重新计算节点的排序或放弃原有的预警信息数据包转发计划。

本发明利用车载网节点的位置信息，在不额外增加通信负担的基础上，实现了节点间的自主协同，有效地选择合适的节点进行预警信息的广播与转发，在提高预警信息传播效率的同时保障了传播的可靠性，帮助车载网络节点在紧急状况发生时迅速广播预警信息，避免连锁事故的产生，保障交通安全。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于自主协同的车载网络预警信息广播***结构框图；

图2为本发明实施例提供的基于自主协同的车载网络预警信息广播方法流程图；

图3为本发明实施例提供的车载网络预警信息广播方法的实际应用范例。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

请参照图1所示，图1为本发明实施例提供的基于自主协同的车载网络预警信息广播***结构框图。

本实施例中基于自主协同的车载网络预警信息广播***包括邻居状态更新模块101和自主决策模块102。

所述邻居状态更新模块101用于实时维护已接收到的预警信息数据包集合M、M中每个预警信息数据包m的邻居接收状态、邻居节点b的最新位置信息L（b）及内容分发服务（CDS）状态，其中，所述每个预警信息数据包m的邻居接收状态包括：已接收到m的邻居节点集合R(m)、可能接收到m的邻居节点集合P(m)及未接收到m的邻居节点集合N(m)。

邻居状态更新模块101主要基于DSRC（Dedicated Short RangeCommunications，专用短程通讯）协议中周期性广播的信标（beacon）包信息，对邻居状态进行更新。同时，将数据包的ACK状态附加在beacon包中，实现邻居间的信息共享。

所述自主决策模块102用于在接收到预警信息数据包m时，根据N（m）中所有节点的位置信息L，计算其几何中心I，并对P（m）和R（m）中所有节点，按其到I的距离由短到长进行排序，令r为本节点c的排名，则本节点c在r个时隙后转发预警信息数据包m，即若本节点c排名第一，则立刻转发m。

如图2所示，图2为本发明实施例提供的基于自主协同的车载网络预警信息广播方法流程图。

本实施例中基于自主协同的车载网络预警信息广播方法包括如下步骤：

步骤S201、邻居状态更新模块实时维护已接收到的预警信息数据包集合M、M中每个预警信息数据包m的邻居接收状态、邻居节点最新的位置信息L及内容分发服务（CDS）状态，其中，所述每个预警信息数据包m的邻居接收状态包括：已接收到m的邻居节点集合R(m)、可能接收到m的邻居节点集合P(m)及未接收到m的邻居节点集合N(m)。于本实施例，所述步骤S201具体包括：

步骤S2011、对每个预警信息数据包m，初始化N(m)，R(m)为空集，P(m)为已知邻居节点的集合。

步骤S2012、广播包含节点自身位置信息L及已接收到的预警信息数据包集合M={m₁,m₂,…,m_n}的beacon包。

步骤S2013、接收邻居节点B发送的beacon包，并检查其中的位置信息L(B)和已接收到的预警信息数据包集合M(B)={m_B1,m_B2,…,m_Bk}。

步骤S2014、对于M中每个m_i，更新N(m_i)、R(m_i)及P(m_i)。

若m_i在M（B）中，则将邻居节点B从P(m_i)中移除，加入R(m_i)；若m_i不在M（B）中，则将邻居节点B从P(m_i)中移除，加入N(m_i)。

步骤S2015、对于M（B）中每个m_Bj，若m_Bj不在M中，则初始化N（m_Bj）为空集，R（m_Bj）={B}，P（m_Bj）为所有邻居节点。

步骤S2016、、当收到节点S广播的预警信息m时，若m不在M中，初始化R(m),P(m),N(m)为空集，将节点S加入R(m)中并从P(m),N(m)中移除，并根据每个邻居节点B的位置信息L(B)，若其处于节点S的通讯范围内，则将邻居节点B移入P(m)，将每个既不属于R(m)也不属于P(m)的邻居节点移入N(m)。

步骤S202、自主决策模块在接收到预警信息数据包m时，根据N（m）中所有节点的位置信息L，计算其几何中心I，并对P（m）和R（m）中所有节点，按其到I的距离由短到长进行排序，根据排序结果，若令r为本节点c的排名，则本节点c在r个时隙后转发预警信息数据包m，即若本节点c排名第一，则立刻转发m。于本实施例，所述步骤S202具体包括：

步骤S2021、在接收到预警信息数据包m时，使用步骤S201的方法更新N（m）、P（m）及R（m）。

步骤S2022、若N（m）为空集，则放弃转发预警信息数据包m。

步骤S2023、根据N（m）中所有节点的位置信息L，计算其几何中心I。

步骤S2024、对P（m）和R（m）中所有节点，按其到I的距离由短到长进行排序。

步骤S2025、根据步骤S2024的排序结果，若令r为本节点c的排名，则本节点将在r个时隙后转发预警信息数据包m，即若本节点c排名第一，则立刻转发m。

步骤S2026、在等待转发的过程中，若R(m)、N(m)及P(m)状态发生变化，则重新计算节点的排序或放弃原有的预警信息数据包转发计划。

如图3所示，图3为本发明实施例提供的车载网络预警信息广播方法的实际应用范例，图中1代表第一个时隙，2代表第二个时隙，3代表第三个时隙，4代表第四个时隙，5代表第五个时隙。

最先由节点S发出预警信息数据包m，在第一个时隙中，节点S进行广播，节点B、节点F及节点M节点接收到m。进行步骤S202的排序后，节点F排名第一，在第二个时隙中进行m的转发广播，节点A、节点G及节点F接收到预警信息数据包m。在新一轮排序中，由于节点A和节点G覆盖的邻居集合不尽相同，为保证效率，节点A和节点G同时在第三个时隙中进行广播，节点D、节点I和节点L接收到预警信息数据包m，节点H由于冲突，在这一轮没有接收到预警信息数据包m。第四个时隙中，节点I和节点L同时广播，将预警信息数据包m送达节点J和节点K。之后，节点H进行一次beacon包的广播，节点G接收到了该beacon包并得知节点H并未接收到m，进行m的重传。最终所有节点都接收到了预警信息数据包m。

本发明提供的基于自主协同的车载网络预警信息广播***及方法具体有如下优点：一、可靠性高。通过ACK保障每个节点都能收到全部预警信息。二、更加高效；消息传播的延迟很小，可以在很短时间内将消息传播到网络中的大部分节点。三、更加节能。大大减少网络中广播次数，减少冗余广播带来的能量消耗。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (6)

1.一种基于自主协同的车载网络预警信息广播***，其特征在于，包括邻居状态更新模块和自主决策模块；

所述邻居状态更新模块用于实时维护已接收到的预警信息数据包集合M、M中每个预警信息数据包m的邻居接收状态、邻居节点b的最新位置信息L（b）及内容分发服务（CDS）状态，其中，所述每个预警信息数据包m的邻居接收状态包括：已接收到m的邻居节点集合R(m)、可能接收到m的邻居节点集合P(m)及未接收到m的邻居节点集合N(m)；

所述自主决策模块用于在接收到预警信息数据包m时，根据N（m）中所有节点的位置信息L，计算其几何中心I，并对P（m）和R（m）中所有节点，按其到I的距离由短到长进行排序，令r为本节点c的排名，则本节点c在r个时隙后转发预警信息数据包m，即若本节点c排名第一，则立刻转发m。

2.一种基于自主协同的车载网络预警信息广播方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、邻居状态更新模块实时维护已接收到的预警信息数据包集合M、M中每个预警信息数据包m的邻居接收状态、邻居节点最新的位置信息L及内容分发服务（CDS）状态，其中，所述每个预警信息数据包m的邻居接收状态包括：已接收到m的邻居节点集合R(m)、可能接收到m的邻居节点集合P(m)及未接收到m的邻居节点集合N(m)；

B、自主决策模块在接收到预警信息数据包m时，根据N（m）中所有节点的位置信息L，计算其几何中心I，并对P（m）和R（m）中所有节点，按其到I的距离由短到长进行排序，令r为本节点c的排名，则本节点c在r个时隙后转发预警信息数据包m，即若本节点c排名第一，则立刻转发m。

3.根据权利要求2所述的基于自主协同的车载网络预警信息广播方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：

A1、对每个预警信息数据包m，初始化N(m)，R(m)为空集，P(m)为已知邻居节点的集合；

A2、广播包含节点自身位置信息L及已接收到的预警信息数据包集合M={m₁,m₂,…,m_n}的beacon包；

A3、接收邻居节点B发送的beacon包，并检查其中的位置信息L(B)和已接收到的预警信息数据包集合M(B)={m_B1,m_B2,…,m_Bk}；

A4、对于M中每个m_i，更新N(m_i)、R(m_i)及P(m_i)；

A5、对于M（B）中每个m_Bj，若m_Bj不在M中，则初始化N（m_Bj）为空集，R（m_Bj）={B}，P（m_Bj）为所有邻居节点；

A6、当收到节点S广播的预警信息m时，若m不在M中，初始化R(m),P(m),N(m)为空集，将节点S加入R(m)中并从P(m),N(m)中移除，并根据每个邻居节点B的位置信息L(B)，若其处于节点S的通讯范围内，则将邻居节点B移入P(m)，将每个既不属于R(m)也不属于P(m)的邻居节点移入N(m)。

4.根据权利要求3所述的基于自主协同的车载网络预警信息广播方法，其特征在于，所述步骤A4具体包括：

A41、若m_i在M（B）中，则将邻居节点B从P(m_i)中移除，加入R(m_i)；

A42、若m_i不在M（B）中，则将邻居节点B从P(m_i)中移除，加入N(m_i)。

5.根据权利要求2所述的基于自主协同的车载网络预警信息广播方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：

B1、在接收到预警信息数据包m时，使用步骤A的方法更新N（m）、P（m）及R（m）；

B2、若N（m）为空集，则放弃转发预警信息数据包m；

B3、根据N（m）中所有节点的位置信息L，计算其几何中心I；

B4、对P（m）和R（m）中所有节点，按其到I的距离由短到长进行排序；

B5、根据步骤B4的排序结果，若令r为本节点c的排名，则本节点将在r个时隙后转发预警信息数据包m，即若本节点c排名第一，则立刻转发m。

6.根据权利要求5所述的基于自主协同的车载网络预警信息广播方法，其特征在于，所述步骤B还包括：

B6、在等待转发的过程中，若R(m)、N(m)及P(m)状态发生变化，则重新计算节点的排序或放弃原有的预警信息数据包转发计划。

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