CN104768131B - 一种基于车车通信的中继节点告警消息转发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于车车通信的中继节点告警消息转发方法，车载终端接收到告警消息以后，首先判断该告警消息是否过期。过期消息将被直接丢弃。对于未过期的消息，根据消息内消息源的GPS坐标和车辆自身GPS信息，判断车辆与消息源的相对位置关系，如果是正在接近，我们将进一步计算两者距离，并根据距离值设置车辆转发优先级。该方法提出了一种全新的告警消息转发机制，一方面，车辆只在消息未过期以及车辆正在接近消息源时处理消息，减少了紧急事件发生后网络中的冗余告警消息；另一方面，通过设置消息转发优先级，保证了告警消息以更快的速度在更大的范围传输，提高了消息的实时性和可靠性。

Description

一种基于车车通信的中继节点告警消息转发方法

技术领域

本发明属于物联网技术在安全驾驶和智能交通领域的应用领域，具体地涉及一种基于车车通信的中继节点告警消息转发方法。

背景技术

物联网(Internet of Things，缩写IOT)是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。随着物联网技术的迅速发展，其产业化推进速度也在不断加快，物联网在安全驾驶和智能交通领域发挥出越来越大的作用。在安全驾驶方面，物联网又被称为车联网(VANET，Vehicular Ad-hocNetwork)。车联网主要以车辆与路侧单元通信、车车之间通信以及车辆与网络通信为基础，通过交换实时可靠的安全相关消息实现安全驾乘。利用车联网技术，结合GPS、CAN总线技术，安全相关应用可以提前通知驾驶员可能发生的危险情况，降低事故发生率。

面向安全驾乘的车车通信技术是实现安全驾驶的重要支撑技术，也是实现智能交通的核心环节。车车通信主要以无线通信技术为基础，车辆间相互交换位置速度等状态信息以及告警消息，为驾驶决策提供辅助。目前，车车通信的相关研究主要集中在国外，如欧美国的VⅡ、IntelliDriveSM、CICAS、CVHAS、CarTalk等项目,日本的SmartWay、AHS等项目，这些项目侧重点不同，但是都涉及到车车通信技术的研发与产业化工作。

消息广播(Broadcast)技术是目前车车通信采用的主要通信方式。一方面，车辆会以心跳消息的形式向广播自身状态信息，如速度、位置等；另一方面，发生紧急事件后，车辆会广播告警消息，通知周边车辆。目前实现广播的方式主要有两种：(1)使用简单的洪泛(Flooding)方式；(2)引入IEEE 802.11协议中的RTS/CTS、ACK控制包，配合复杂的控制逻辑实现广播控制，如UMB、PCBB等。

以上两种方式中前者易于实现，后者可以保障消息实时性与可靠性，但两种方式都存在不足，对于洪泛法：(1)由于网络中大量车辆共享无线通信信道，发生紧急事件后告，告警消息很可能会由于消息过多导致竞争信道失败，出现丢包，导致告警消息可靠性降低；(2)由于所有车辆节点转发告警消息的优先级相同，当车辆密度较大时，告警消息会在距离告警源的一定区域内重复传播，导致告警消息实时性降低，难以覆盖足够的区域。对于第二种方式：其控制逻辑复杂，在计算能力有限的车载模块中实现，很难取得良好的效果。

发明内容

鉴于上述技术的不足，本发明目的是：提供一种基于车车通信的中继节点告警消息转发方法，在保证告警消息以最快的速度在尽可能大的范围传输的同时，减少了网络中冗余告警消息数量，有效提升了驾驶的安全性，简单高效。

本发明的技术方案是：

一种基于车车通信的中继节点告警消息转发方法，包括以下步骤：

S01：车载终端接收到告警消息之后，判断告警消息是否过期，丢弃过期消息，对于未过期消息执行步骤S02；

S02：根据车辆在δt时间内的GPS坐标变化，计算出车辆在δt时间内的位移向量根据车辆与告警消息源的GPS坐标，计算出位置向量计算根据的值判断车辆是接近还是远离告警消息源，丢弃正在远离的消息，对于正在接近的消息执行步骤S03；

S03：计算车辆与消息源之间的距离；根据车辆与消息源之间的距离设置转发优先级以及转发延迟。

优选的，步骤S01中告警消息是否过期的判断方法为：

当告警消息源发出一条告警消息时，在告警消息中附上告警消息源的***时间send_time，当车辆收到消息时，将车辆的***时间receive_time与send_time+t比较，其中t是消息生存周期，其中，receive_time≤send_time+t，表示告警消息未过期；receive_time＞send_time+t，表示告警消息未过期。

优选的，步骤S02中判断车辆与告警消息源相对位置关系的方法为：表示车辆远离告警消息源，表示车辆靠近告警消息源。

优选的，步骤S03中计算车辆与消息源之间的距离的公式为：

其中，α₁和α₂分别表示两车的经度(单位为弧度)，其中β₁和β₂分别表示两车的纬度(单位为弧度)，R表示地球的平均半径，其值为6371.4km。

优选的，所述根据车辆与消息源之间的距离设置转发优先级以及转发延迟包括：

若dis＜200m，设该车辆的转发优先级为10；

若200m＜dis＜400m，设该车辆的转发优先级为9；

若dis＞400m，设该车辆的转发优先级为7；

当车辆的转发优先级为7时，如果消息转发遇到信道阻塞，则将等待时间取0～2⁷(ms)之间的随机值；

当车辆的转发优先级为9时，如果消息转发遇到信道阻塞，则将等待时间取2⁷～2⁹(ms)之间的随机值；

当车辆的转发优先级为10时，如果消息转发遇到信道阻塞，则将等待时间取2⁹～2¹⁰(ms)之间的随机值。

本发明的一种基于车车通信的中继节点告警消息转发方法，为实现该应用，车辆的车载终端接收到告警消息以后，首先判断该告警消息是否过期。过期消息将被直接丢弃。对于未过期的消息，根据消息内消息源的GPS坐标和车辆自身GPS信息，判断车辆与消息源的相对位置关系，如果是正在接近，我们将进一步计算两者距离，并根据距离值设置车辆转发优先级。该方法提出了一种全新的告警消息转发机制，一方面，车辆只在消息未过期以及车辆正在接近消息源时处理消息，减少了紧急事件发生后网络中的冗余告警消息；另一方面，通过设置消息转发优先级，保证了告警消息以更快的速度在更大的范围传输，提高了消息的实时性和可靠性。

本发明的优点是：

1.实用性：本方法利用GPS数据信息进行计算，根据车辆与告警源的相对位置关系及距离确定车辆转发消息的优先级，计算简便，无需特殊设备；

2.可靠性：本方法利用车车通信技术以及CAN总线来获取相关信息，能够获取最新信息作为判断依据，使得误差较小；

3.高效性：本方法将消息是否过期以及车辆与告警源的相对位置关系作为转发告警消息的筛选条件，减少了紧急事件发生后网络中冗余告警消息的数量，提高了带宽利用率，增加了消息的可靠性。

4.灵活性：本方法的适用范围较大，在阴雨天等恶劣天气在都能可靠使用。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明基于车车通信的中继节点告警消息转发方法的GPS坐标转化为三维坐标的示意图；

图2为本发明基于车车通信的中继节点告警消息转发方法的根据GPS信息计算球面距离的示意图；

图3为本发明基于车车通信的中继节点告警消息转发方法的流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例：

本实施例基于中继节点告警信息转发方法，其中车辆是指当前接收到告警消息的车辆。告警消息源是指所有告警消息的源头，即发生故障的车辆。告警消息数据包中包含该消息被发送时消息源的***时间，告警消息源的GPS信息(经度、纬度以及海拔高度)等。

该方法包括以下步骤：

(1)车辆的车载终端接收到告警消息以后，首先判断该告警消息是否过期。如果消息未过期，进入(2)，否则，丢弃；

(2)根据车辆在δt时间内的GPS坐标变化，计算出车辆在δt时间内的位移向量根据车辆的GPS坐标以及消息源的GPS坐标，计算出位置向量计算向量与向量的点乘值

(3)判断车辆是接近还是远离消息源，如果车辆是接近消息源，进入(4)，如果车辆是远离告警消息源，丢弃消息；

(4)根据车辆的GPS坐标和告警消息源的GPS坐标计算车辆到告警消息源之间的距离；

(5)根据车辆到告警消息源之间的距离赋予车载终端特定的转发优先级。

(6)根据步骤(5)中计算所得的转发优先级来计算消息转发遇到阻塞后的等待时间值back_off_time的取值范围。

具体的，故障车辆在检测到故障发生后，故障车辆上的车载终端需持续地向周围的车辆发送告警消息。同时需要在每一个告警消息包中附上该包被发出时故障车辆的***时间以及故障车辆的GPS信息。

其他车辆的车载终端在接受到告警消息以后，首先需要比较receive_time和send_time+t的大小以判断该告警消息是否有意义。

其中，send_time是该告警消息被发送时，告警消息源的***时间，其中send_time+t是该告警消息被接收时，接收车辆的***时间，其中，t是消息生存周期。

对于未过期的告警消息，进行下一步的处理。丢弃无意义的告警消息。

然后，根据车辆δt时间内的GPS坐标变化，计算出车辆在δt时间内的位移向量根据车辆的GPS坐标以及告警消息源的GPS坐标，计算出位置向量计算向量与向量的点乘值，以判断车辆是接近还是远离告警源。

如果告警消息源的GPS坐标为(α₁，β₁，h₁),

通过计算可得到的三维坐标为(x₁，y₁，z₁)。

如果车辆t时刻的GPS坐标为(α₂，β₂，h₂)，

通过计算可得到的三维坐标为(x₂，y₂，z₂)。

如果车辆t+Δt时刻的GPS坐标为(α₃，β₃，h₃)，

通过计算可得到的三维坐标为(x₃，y₃，z₃)。

三维坐标的计算方法如下：

由于地球的极半径与赤道半径相差不大，所有我们将地球视为一个规则球体。本文中，将三维坐标原点建立在地心处，让X轴与(90E，90W)经线圈0度纬线的直径重合，让Y轴与(0，180)经线圈0度纬线的直径重合，让Z轴与地轴重合，如图1所示。

点A是北半球的一点，B是与点A同一海拔，同一经度，纬度为0的点。则海拔H_alti＝hm＝h/1000km。令地球平均半径为R，点B与地心距离为H_dis，则有H_dis＝R+h/1000≈6371.4+h/1000km。

作AC⊥BO，C为垂足，可以推出

|CO|＝|AO|*cos∠AOC＝(6371.4+h/1000)*cos∠AOC

可以得到点A三维坐标

x＝|CO|*sin∠COD＝(6371.4+h/1000)*cos∠AOC*sin∠COD

y＝|CO|*cos∠COD＝(6371.4+h/1000)*cos∠AOC*cos∠COD

z＝|AC|＝|AO|*sin∠AOC＝(6371.4+h/1000)*sin∠AOC

下面分别对地球的南北纬，东西经进行分类讨论。

设α为纬度，β为经度，h为海拔，且均为正值。

对于北纬：

z＝(6371.4+h/1000)*sinα

对于南纬：

z＝-(6371.4+h/1000)*sinα

对于东经：

x＝(6371.4+h/1000)*cosα*sinβ

y＝(6371.4+h/1000)*cosα*cosβ

对于西经：

x＝(6371.4+h/1000)*cosα*sin(-β)

y＝(6371.4+h/1000)*cosα*cos(-β)

综上，对于给定的GPS坐标，通过计算，可以得出对应的三维坐标。

知道坐标后，则车辆行驶的方向向量为：

则车辆与告警消息源的相对位置向量为：

计算并判断，如果则车辆远离告警消息源，丢弃告警消息，反之，如果则车辆靠近告警消息源，进行下一步处理。

然后，根据车辆的GPS坐标和告警消息源的GPS坐标计算车辆到告警消息源之间的距离dis。

dis的计算公式为：

其中α₁和α₂分别表示两车的经度(单位为弧度)，其中β₁和β₂分别表示两车的纬度(单位为弧度)，R表示地球的平均半径，其值为6371.4km。

上述dis的公式推导如下：

示意图见图2。

令地球平均半径为R，则可以推导出以下结果：

在直角三角形△AOC与△BOD中：

|AC|＝|DE|＝R*sinα₁

|OC|＝R*cosα₁

|BD|＝R*sinα₂

|OD|＝R*cosα₂

在三角形△COD中：

在直角三角形△ABE中：

|AE|＝|CD|

|BE|＝|BD|-|DE|＝R*(sinα₂-sinα₁)

综合上面三步推导，可以推导出边AB的长度：

又在等腰三角形△AOB中：

因为

所以

因此可以得出：

当计算出车辆到告警消息源之间的距离dis之后，计算车辆车载终端对告警消息转发时的优先级：

若dis＜200m，设该车辆的转发优先级为10；

若200m＜dis＜400m，设该车辆的转发优先级为9；

若dis＞400m，设该车辆的转发优先级为7。

当车辆的转发优先级为7时，

消息竞争信道遇到信道阻塞后的等待时间值back_off_time取0～2⁷(ms)之间的随机值。

当车辆的转发优先级为9时，

消息竞争信道遇到信道阻塞后的等待时间值back_off_time2⁷～2⁹(ms)之间的随机值。

当车辆的转发优先级为10时，

消息竞争信道遇到信道阻塞后的等待时间值back_off_time2⁹～2¹⁰(ms)之间的随机值。

如果车辆距离告警消息源较近时，该车辆转发优先级的数值就会较大，即消息转发遇到阻塞后的等待时间值back_off_time就会较大，也就是会以较少比例的时间使用带宽来转发消息，因为离告警消息源较近的车辆往往都早已接收到告警消息。

如果车辆距离告警消息源较远时，该车辆转发优先级的数值就会较小，即消息转发遇到阻塞后的等待时间值back_off_time就会较小，也就是会以较大比例的时间使用带宽来转发消息，因为离告警消息源较远的车辆往往都尚未接收到告警消息。

综上，紧急事件发生后可以大量减少冗余告警消息的的数量，从而提高带宽的使用率，减少消息的拥塞。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于车车通信的中继节点告警消息转发方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01：车载终端接收到告警消息之后，判断告警消息是否过期，丢弃过期消息，对于未过期消息执行步骤S02；

S02：根据车辆在δt时间内的GPS坐标变化，计算出车辆在δt时间内的位移向量根据车辆与告警消息源的GPS坐标，计算出位置向量计算根据的值判断车辆是接近还是远离告警消息源，丢弃正在远离的消息，对于正在接近的消息执行步骤S03；

S03：计算车辆与消息源之间的距离dis；根据车辆与消息源之间的距离设置转发优先级以及转发延迟；

所述转发优先级以及转发延迟为：

若dis＜200m，设该车辆的转发优先级为10；

若200m＜dis＜400m，设该车辆的转发优先级为9；

若dis＞400m，设该车辆的转发优先级为7；

当车辆的转发优先级为7时，如果消息转发遇到信道阻塞，则将等待时间取0～2⁷(ms)之间的随机值；

当车辆的转发优先级为9时，如果消息转发遇到信道阻塞，则将等待时间取2⁷～2⁹(ms)之间的随机值；

当车辆的转发优先级为10时，如果消息转发遇到信道阻塞，则将等待时间取2⁹～2¹⁰(ms)之间的随机值。

2.根据权利要求1所述的基于车车通信的中继节点告警消息转发方法，其特征在于，步骤S01中告警消息是否过期的判断方法为：

当告警消息源发出一条告警消息时，在告警消息中附上告警消息源的***时间send_time，当车辆收到消息时，将车辆的***时间receive_time与send_time+t比较，其中t是消息生存周期，其中，receive_time≤send_time+t，表示告警消息未过期；receive_time＞send_time+t，表示告警消息过期。

3.根据权利要求1所述的基于车车通信的中继节点告警消息转发方法，其特征在于，步骤S02中判断车辆与告警消息源相对位置关系的方法为：表示车辆远离告警消息源，表示车辆靠近告警消息源。

4.根据权利要求1所述的基于车车通信的中继节点告警消息转发方法，其特征在于，步骤S03中计算车辆与消息源之间的距离的公式为：

其中，α₁和α₂分别表示两车的经度(单位为弧度)，其中β₁和β₂分别表示两车的纬度(单位为弧度)，R表示地球的平均半径，其值为6371.4km。