CN107659911B

CN107659911B - 一种稳定的车联网中继节点选择方法

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Publication number: CN107659911B
Application number: CN201710700113.6A
Authority: CN
Inventors: 曹敦; 葛亮
Original assignee: Changsha University of Science and Technology
Current assignee: Changsha University of Science and Technology
Priority date: 2017-08-16
Filing date: 2017-08-16
Publication date: 2020-02-14
Anticipated expiration: 2037-08-16
Also published as: CN107659911A

Abstract

一种稳定的车联网中继节点选择方法，实现单跳区域内中继节点的选择，完成消息的多跳传输。具体为：1)预先使用A优化方法，获得不同车辆密度λ下的压缩系数A的最优值A_opt，存储为保存于各车辆的数据表：A_opt值表；2)利用选择区域的λ估算值，查询A_opt值表。如该λ不在表中，则使用A优化方法。获得λ对应的A_opt；4)利用基于指数的分割方法对选择区域进行迭代分割，寻得最终区域块；5)采用指数退避窗，选择最终区域块中唯一节点作为中继节点，完成中继节点的选择。其特点是：该方法实现的消息传输速度性能相对车辆密度变化独立，克服了传统方法中由于车辆密度过大或过小带来的性能瓶颈。且采用预算A_opt值表及查询的方法，降低了对车辆本地端计算性能的要求和计算时间的消耗。

Description

一种稳定的车联网中继节点选择方法

技术领域

本发明涉及车联自组织网络，特别涉及车联自组织网络中的中继节点的选择。

背景技术

车载自组织网络(Vehicular Ad Hoc Network,VANET)，作为一种适用于道路环境下的新型通信技术，能有效避免车辆碰撞事故的发生，提高车辆的安全和道路交通效率，缓解大气污染。VANET网络具有拓扑结构不稳定，节点受限于道路运动，节点密度变化范围广等特点，这些特点使得在多跳传输中选择中继节点，以确保消息通过中继传递，实时、可靠、稳定地传播成为一项需解决的重要命题。中继节点的选择可以由网络中定时交互的beacon获得邻节点位置信息，来选择合适的节点作为中继节点。但考虑网络的负载，beacon交互的周期不会太短，在VANET中，其值一般为100ms，这使得节点获知的车辆位置信息因不是实时而不准确。另一类方法是利用一种带外信道阻塞信号black burst来实时获知是否存在邻节点来进行中继节点选择。但现研究显示：在不同区域(例如：农村和城市)和不同时段(例如：上下班高峰时段和深夜)，车辆密度广范围变化，这会影响到利用black burst进行中继节点选择方法的性能。尤其在车辆密度极大的时候，中继节点的选择会存在严重的性能瓶颈。此前有文献固定基于指数分割的中继节点选择方法中的压缩系数A，来获得性能改进的中继节点选择方法。但随着车辆密度的变化，性能仍有较大波动。因此，设计一种不受节点密度影响的中继节点选择方法，确保消息能稳定实时地传输是需解决的问题之一。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是，在VANET网络中提供一种中继节点选择方法，来实现不受节点密度变化影响的消息传播。

技术方案：为解决上述的技术问题，本发明提出一种自适应基于指数分割的中继节点选择方法，其具体实施方式如下：

1)预先使用A优化方法，获得不同车辆密度下的压缩系数A的最优值A_opt，存储为一数据表：A_opt值表，保存在各车辆中；

2)利用车联自组织网络中交互的beacon或网络中广播的车流量信息，获得选择区域R即发送节点的通信范围的车辆密度；

3)根据估计的车辆密度，查询A_opt值表，如该车辆密度在表中，则获得A_opt，否则使用A优化方法，计算A_opt；

4)采用优化后的A_opt，利用基于指数的分割方法对选择区域进行迭代分割，寻得最终区域块；

5)采用指数退避窗，选择最终区域块中唯一节点作为中继节点。完成中继节点的选择。

所述步骤1)的详细步骤为：

利用A优化方法，分别计算对应车辆密度{λ_i,i＝1,2,…,N_λ}，中λ_i的A最优值A_opt,i，其中N_λ为预计算的车辆密度值个数。A优化方法描述如下。

由式(2.1)获得对应车辆密度λ_i的A最优值A_opt,i，

其中，β和T_d分别是对应于平均单跳覆盖比例和单跳时延；(2.1)式中β、T_d、

和可以分别由式(2.2)、(2.8)、(2.13)和(2.18)获得。

β能由式(2.2)得到

其中，

是当第k个区域块为最终区域块时的平均单跳覆盖比例；

是第k个区域块被选中的概率。W_seg(k)和μ_k是第k个区域块的相对宽度和平均车辆个数。μ_{seg_bro}(k)是第k个区域块消息传输方向上其他区域块的平均车辆个数。W_seg(k),μ_k和μ_{seg_bro}(k)能由下式得到，

单跳时延T_d能由下式得到

T_d＝T_init+T_part+T_cont+T_data， (2.8)

式中，T_init,T_part,T_cont和T_data分别是接入时延，分割时延，竞争时延，和数据传输时延。在这四个性能指标中，A的不同选择会影响到T_part和T_cont的值。它们可由下式得到，

式中，

为当最终区域块是第k个区域块，发送B所需的时隙个数；T_slot为时隙持续时长；

为第k个区域块被选中为最终区域块所耗平均时延。T_col和T_suc分别是冲突和成功状态的平均时延。

的表达式可由式(2.13)得到，如下

其中，

式(2.14)中的

和可由下式得到，

的表达式可由式(2.18)得到，表达式如下，

其中，

式(2.20)中，

根据A优化方法，计算所有{λ_i},i＝1,2,…,N_λ对应的A最优值{A_opt,i},i＝1,2,…,N_λ。将计算所得{A_opt,i},i＝1,2,…,N_λ存于A_opt值表中。

所述步骤2)的详细步骤为：发送节点根据周期内接收到的邻节点beacon，判断选择区域R内车辆的个数N_v，计算对应的车辆密度

或根据网络广播的车流量信息获得车辆密度λ。

所述步骤3)的详细步骤为：利用步骤2)获得的车辆密度的粗估计值，查询A_opt值表。如该车辆密度在表中，则获得最优A，否则使用A优化方法，计算A_opt。包括A_opt在RTB包中，通知所有通信范围内的车辆；

所述步骤4)的详细步骤为：选择区域内的所有车辆接收到RTB包，采用RTB包中的A_opt，根据公式(2.5)对区域R进行指数分割。确定其所在的W_seg(k)，决定在第k个slot发送black burst(B)。在发送自己的B之前，侦听信道，是否有其他的B被发送。所有通信范围内的节点如果在发送自己的B前侦听到其他节点发送的B，则退出中继节点选择；否者如果不是在本次迭代的第N_part个区域块内，则发送B通知其他节点，否者则直接进入下次迭代或直接进入竞争阶段；

所述步骤5)的详细步骤为：最终区域块里的节点随机从Cw中选择一个退避时钟，时钟结束后发送CTB包。如果CTB包发生冲突，则退避时钟个数翻倍，即Cw＝2Cw，重新进入竞争阶段。直到中继节点选择成功，或重试次数达到预设的次数N_recon。

有益效果：本发明提供的车联网中继节点选择方法，具有如下优点：

1、本方法相对于已有的车辆自组织网络的中继节点选择方法，该方法获得的消息传输速度性能稳定，不受车辆密度变化的影响，克服了传统方法中由于车辆密度过大或过小带来的性能瓶颈；

2、采用A最优值预算，表查询的方法，降低了车辆本地端计算性能的要求和计算时间的消耗。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1本发明方法的流程图；

图2本发明实施例公开的不同N_part下A_opt值曲线图；

图3本发明实施例公开的消息的传输平均速度性能比较。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

一种稳定的车联网中继节点选择方法主要指拓扑结构快速变化的VANET中，选择合适中继节点，从而完成消息多跳传输到达目的位置的方法。以下述场景为例，方法具体如下。

在VANET中，网络参数设置为表1所示。

表1场景中网络的主要参数

所以

且(N_part,N_iter,C_w)＝(4,2,4)，消息沿道路单向传播，车辆密度{λ_i}＝{0.001,0.002,0.003,…,1}，相当于双向十车道道路上，通信区域内车辆数从只存在1辆车开始，以增加1辆车的变化，到单车道上相邻车相距平均为10米的情况。N_recon＝5。

1、联立下列方程，求得{λ_i}＝{0.001,0.002,0.003,…,1}分别对应的A_opt。

T_d＝T_init+T_part+T_cont+T_data (3.8)

对应不同{λ_i},i＝1,2,…,1000计算所得A最优值{A_opt,i},i＝1,2,…,1000，存入A_opt值表中，存储于各车辆本地端。其结果可展示为图2中N_part＝4所对应曲线。

2、发送节点根据周期内接收到的邻节点beacon，判断选择区域R内车辆的个数N_v，计算对应的车辆密度。例如在beacon周期T_beacon＝100ms时间内，发送节点收到100个beacon，认为其通信范围内有100辆车，于是推断车密度为

或根据网络广播的车流量信息获得车辆密度λ。

3、由步骤2获得的车辆密度的粗估计值，查询A_opt值表。如上例所示λ＝0.11，可知其对应A_opt＝2。如该车辆密度不在表中，则使用A优化方法计算A_opt。例如车辆密度λ＝1.11，代入步骤1中的方程中，可求得A_opt＝14.39。将A_opt在RTB包中，通知所有通信范围内的车辆；

4、选择区域内的所有车辆接收到RTB包，提取RTB包中的A_opt，根据公式(3.5)，可知各区域块相对于分割区域的大小。例当λ＝0.11时，计算所得{W_seg(k),k＝1,2,3,4}＝{0.1580 0.2080 0.2737 0.3602}。各车辆根据车载定位***获知自己的位置及RTB包中包括的发送节点的位置信息，确定自己所在的区域块，决定在对应的slot发送black burst(B)。例如，在第一次迭代中，某车辆计算出其与发送节点的距离为580m，则其相对距离为

由各区域块的大小，可判断自己在第2个区域块内，于是在第一个时隙侦听信道，看是否有B，如若侦听到有B在信道上(即有车辆位于距离发送节点757.8～900m区域内)，则退出中继节点选择。否则则在第2个时隙发送B，其他区域块(即第3、4区域块)内的节点会在第2时隙侦听到此B，则退出中继节点选择。发送过B的车辆参与到下次迭代，下次迭代的分割区域为发送过B车辆所在的区域。如上所述第2个区域块内节点发送了B，所以第二次迭代的分割区域为距离发送节点570.6～757.8m的范围。此迭代共进行N_iter＝2次。在最后迭代中，发送过B的节点所在的区域块为最终区域块。但如果在最后一次迭代，只有节点存在在第4区域块内，则直接进入竞争阶段；

5、最终区域块里的节点随机从Cw＝4中选择一个退避时钟，时钟结束后发送CTB包。如果CTB包发生冲突，则时钟个数翻倍。例如在冲突1次后，Cw＝8，最终区域块里的节点重新进入竞争阶段。直到中继节点选择成功，或重试次数达到预设的次数N_recon＝5。

以上述场景设置，比较本文方法与已存方法EPBP、3P3B、BPAB和PMBP的消息传输速度，如图3。可看到本文方法性能最为稳定，传输速度基本稳定在2500km/s附近。

Claims

1.一种稳定的车联网中继节点选择方法，其特征在于：根据车辆密度，自适应选择基于指数分割方法中的压缩系数A，获得消息传输速度性能稳定的中继节点选择；所述方法具体为：

1)预先使用A优化方法，获得不同车辆密度对应的压缩系数A的最优值A_opt，存储为A_opt值表，保存于各车辆中，A优化方法描述如下：

由式(1.1)获得对应车辆密度λ的A_opt

其中，β和T_d分别是对应于平均单跳覆盖比例和单跳时延，(1.1)式中β、T_d、

和

可以分别由式(1.2)、(1.8)、(1.13)和(1.18)获得，

β能由式(1.2)得到

其中，

是当第k个区域块为最终区域块时的平均单跳覆盖比例，

是第k个区域块被选中的概率，N_part为每次迭代分割的区域块个数，W_seg(k)和μ_k是第k个区域块的相对宽度和平均车辆个数，μ_{seg_bro}(k)是第k个区域块消息传输方向上其他区域块的平均车辆个数，W_seg(k)、μ_k和μ_{seg_bro}(k)能由下式得到，

其中，R为选择区域，λ为车辆密度，单跳时延T_d能由下式得到

T_d＝T_init+T_part+T_cont+T_data (1.8)

式中，T_init、T_part、T_cont和T_data分别是接入时延、分割时延、竞争时延和数据传输时延，在这四个性能指标中，A的不同选择会影响到T_part和T_cont的值，它们可由下式得到，

式中，

为当最终区域块是第k个区域块发送B所耗的时隙个数，T_slot为时隙持续时长，

为第k个区域块被选中为最终区域块所耗平均时延，T_col和T_suc分别是冲突和成功状态的平均时延，

为退避窗被选中的概率，Cw为退避窗最大宽度，

的表达式可由式(1.13)得到，如下

其中，

式(1.14)中的

和可分别由式(1.16)、(1.17)得到，

的表达式可由式(1.18)得到，表达式如下，

其中，

式(1.20)中，

根据A优化方法，计算{λ_i}，i＝1，2，…，N_λ对应的A最优值{A_opt，i}，i＝1，2，…，N_λ，其中N_λ为预计算的车辆密度值个数，将计算所得{A_opt，i}，i＝1，2，…，N_λ存于A_opt值表中；

2)利用车联自组织网络中交互的beacon或网络中广播的车流量信息，估计选择区域R内的车辆密度λ，选择区域R为发送节点的通信范围；

3)根据估计的车辆密度λ，查询A_opt值表，如该车辆密度在表中，则获得A_opt，否则使用A优化方法，计算A_opt；

4)采用优化后的A_opt，利用基于指数的分割方法寻得最终区域块，具体过程如下：根据公式(1.5)，以W_seg(k)为宽度对区域R进行分割，各节点确定其所在的区域块序号k，在其对应的第k个slot发送black burst(B)，在发送自己的B之前，侦听信道，是否有其他的B被发送，所有通信范围内的节点如果在发送自己的B前侦听到其他节点发送的B，则退出中继节点选择，否则如果该节点不是在本次迭代的第N_part个区域块内，则发送B通知其他节点，否则直接进入下次迭代或直接进入竞争阶段；

5)采用指数退避窗，选择最终区域块中唯一节点作为中继节点，完成中继节点的选择。

2.根据权利要求1所述的一种稳定的车联网中继节点选择方法，其特征在于，所述步骤2)的详细步骤为：

发送节点根据周期内接收到的邻节点beacon，判断选择区域R内车辆的个数N_v，计算对应的车辆密度

或根据网络广播的车流量信息获得车辆密度λ。

3.根据权利要求1所述的一种稳定的车联网中继节点选择方法，其特征在于，所述步骤3)的详细步骤为：利用步骤2)获得的车辆密度的粗估计值λ，查询A_opt值表；如该车辆密度在表中，则获得A_opt，否则使用A优化方法，计算A_opt；包括A_opt在RTB包中，通知所有通信范围内的车辆。

4.根据权利要求1所述的一种稳定的车联网中继节点选择方法，其特征在于，所述步骤5)的详细步骤为：最终区域块里的节点随机从Cw中选择一个退避时钟，时钟结束后发送CTB包；如果CTB包发生冲突，则退避窗最大宽度翻倍，即Cw＝2Cw，重新进入竞争阶段；直到中继节点选择成功，或重试次数达到预设的次数N_recon。