車載自組織網絡的單播路由轉發方法、芯片及通信系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及智能交通中的車聯網領域，具體公開了一種車載自組織網絡的單播路由轉發方法、芯片及通信系統,方法包括VSM單播報文轉發過程，VSM單播報文轉發過程包括：查詢MRT步驟：第一車載節點產生或接收到DstIP是第二車載節點的第一VSM單播報文后，以DstIP為索引項，查詢存儲的MRT，從MRT表項中獲取對應的NextHopMAC；發送VSM步驟：根據獲取的NextHopMAC，向對應的下一跳車載節點發送第一VSM單播報文。單播報文轉發基于下一跳技術，只需要從MRT的表項中獲取NextHopMAC而不需要獲取完整的路由信息，轉發過程簡單且不需考慮收斂的問題，高效且靈活，系統開銷小。
【專利說明】車載自組織網絡的單播路由轉發方法、芯片及通信系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及智能交通領域，具體涉及一種車載自組織網絡的單播路由轉發方法、芯片及通信系統。
【背景技術】
[0002]先介紹本領域常用技術術語:
[0003]VANET =Vehicle Ad-hoc NET work，車載自組織網絡；
[0004]VSM:Vehicle Safety Message,車輛安全信息；
[0005]MANET =Mobile Ad-hoc NET work，移動自組織網絡；
[0006]Geocast:位置輔助多播；
[0007]MRT:Message Relation Table,通信關系表；
[0008]DstIP:目的 IP 地址；
[0009]NextHopMAC:下一跳 MAC 地址；
[0010]SrcMAC:源 MAC 地址；
[0011]SrcIP:源 IP 地址;
[0012]DstMAC:目的 MAC 地址；
[0013]DM:Directly Messaging,直接通信；
[0014]MOPR:Movement Prediction based Routing,運動預測算法；
[0015]GPSR:Greedy Perimeter Stateless Routing,貪婪周邊無狀態路由；
[0016]GPCR:Greedy Perimeter Coordinator Routing,貪婪周邊協調路由；
[0017]GPS:Global Positioning System,全球定位系統；
[0018]MAC:Media Access Control,介質訪問控制層；
[0019]FIB:Forward Information Base,轉發信息表；
[0020]RIB:Routing Information Base,路由表或路由擇域信息庫；
[0021]UDP:User Datagram Protocol,用戶數據報協議。
[0022]車載自組織網絡(VANET)是自組織網絡一種特殊形式，依靠短距離通信技術實現車輛與車輛以及車輛與路邊基站之間的通信，在一定通信范圍內的車輛可以相互交換各自的車速、位置等信息和車載傳感器感知的數據，并自動的連接建立起一個移動的網絡。VANET中，通常單跳通信范圍只有幾百米到一千米，每一個車輛不僅是一個收發器，同時還是一個路由器，只有采用多跳的方式才能把數據轉發給更遠的車輛。VANET在交通運輸中的出現，擴展了駕駛員的視野與車載部件的功能，提高道路交通的安全與高效，典型的應用包括:行駛安全預警，利用車輛間相互交換狀態信息，通過車載自組網提前通告給駕駛員，建議駕駛員根據情況作出及時、適當的駕駛行為，有效的提升了駕駛員的注意力，提高駕駛的安全性；協助駕駛，幫助駕駛員快速、安全的通過“盲區”。
[0023]VANET具備傳統自組織網絡(Ad-hoc)所有特點的同時又有車載無線網絡的特殊性=VANET中車載節點快速移動；網絡拓撲動態變化且迅速；車載節點密度分布不均；無線通信信道不穩定；車載節點間通信窗口時間短；車載節點間周期交互安全信息報文。
[0024]區別于傳統的Ad-hoc，VANET絕大部分由車載節點所組成，其余部分由路邊節點組成，車載節點安裝在車輛上，隨車輛移動，使每個車載節點間保持較快的相對位移速度，因而使得車載節點間通信時多普勒頻移引起的碼間干擾問題凸顯，車載節點間相對速度越大碼間干擾越大，正因如此，道路兩側相向行駛的車輛在通信時，即使雙方速度較低，其較大的相對位移速度同樣會導致顯著的碼間干擾現象，這一問題在高速公路環境中相向而行的車輛間通信時會更加嚴重，主要體現在:一方面，由于道路的局限，尤其在城市道路兩旁多為密集的建筑物時，VANET拓撲多呈現帶狀結構，車輛發出的無線電波在垂直于車輛行駛的兩個方向上不能有效的傳播，雖然，道路兩旁的建筑物或其它物體能夠反射無線電波，但是多徑傳播時延同樣會引起碼間干擾；另一方面，VANET的帶狀結構相較圓形或蜂窩網絡，對網絡拓撲和網絡環境更加敏感，當道路環境復雜時(尤其在城市環境中)，VANET的無線通信信道會異常糟糕且不穩定，這些問題綜合導致VANET中不同車載節點間的可通信窗口時間短暫且不穩定。從網絡拓撲角度看，車載節點的快速移動導致網絡拓撲呈現極不穩定的狀態，拓撲實時變化且迅速，當兩個車載節點間的通信需要其它多個中間車載節點轉發時，中間車載節點快速變化的網絡拓撲將導致這兩個車載節點間的通信舉步維艱，其通信效率低下且網絡帶寬占用量大，中間車載節點的可用通信能力將大打折扣，傳統的基于路由學習的全網路由方法變得不適用。
【發明內容】
[0025]為了實現VANET中車載節點間的穩定通信，本發明提供一種車載自組織網絡的單播路由轉發方法、芯片及通信系統。為了實現該目的，本發明采用如下技術方案:
[0026]根據本發明的第一方面，本發明提供一種車載自組織網絡的單播路由轉發方法，包括車輛安全信息單播報文轉發過程，車輛安全信息單播報文轉發過程包括:
[0027]查詢通信關系表步驟:第一車載節點產生或接收到目的IP地址是第二車載節點的第一車輛安全信息單播報文后，以目的IP地址為索引項，查詢存儲的通信關系表，從通信關系表表項中獲取對應的下一跳MAC地址；
[0028]發送車輛安全信息步驟:根據獲取的下一跳MAC地址，向對應的下一跳車載節點發送第一車輛安全信息單播報文。
[0029]作為優選，車載自組織網絡的單播路由轉發方法還包括通信關系表表項建立過程，通信關系表表項建立過程包括:
[0030]首次接收步驟:第一車載節點接收第二車載節點發送的第二車輛安全信息單播報文，第二車輛安全信息單播報文的報頭信息包括源IP地址和第一源MAC地址；
[0031]建立表項步驟:以源IP地址為索引項，第一車載節點查詢通信關系表中對應于第二車載節點的表項，若無，第一車載節點提取第一源MAC地址和源IP地址，并存儲于通信關系表表項中，在通信關系表中建立對應于第二車載節點的表項。
[0032]第一車載節點根據獲取的下一跳MAC地址，向與下一跳MAC地址對應的下一跳車載節點發送第一車輛安全信息單播報文，第一車輛安全信息單播報文轉發基于下一跳技術，第一車載節點不需要獲取完整的路由信息，也不會因為車載節點的移動速度或密度而影響報文的轉發，且轉發過程簡單還不需考慮收斂的問題，高效且靈活。[0033]根據本發明的第二方面，本發明提供一種芯片，芯片采用如上任一所述的單播路由轉發方法進行信息的發送或接收。
[0034]根據本發明的第三方面，本發明提供一種通信系統，包括多個車載單元，多個車載單元之間采用如上任一所述的單播路由轉發方法進行通信。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0035]圖1為本發明實施例中基于位置的路由的報文轉發示意圖之一；
[0036]圖2為本發明實施例中基于位置的路由的報文轉發示意圖之二 ；
[0037]圖3為本發明實施例中VANET單播路由網絡環境之一；
[0038]圖4為本發明實施例中VANET單播路由網絡環境之二 ；
[0039]圖5為本發明實施例中VANET單播路由報文轉發示意圖；
[0040]圖6為本發明實施例中VANET單播路由網絡環境之三。
【具體實施方式】
[0041]下面通過【具體實施方式】結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0042]VANET中的路由方式主要有單播、多播、廣播、選播和位置輔助多播(Geocast)，本發明只討論單播路由。對于單播路由，目前已經有較多的路由算法，主要分成兩大類:基于拓撲的路由和基于位置的路由，以下對這兩種單播路由進行簡單介紹。
[0043]基于拓撲的路由最先在移動自組織網絡(MANET)中提出，進行一定的修改和改善后應用于VANET中，基于拓撲的路由中，當兩個車載節點的在無線信號通信范圍內時，它們互為鄰居，可以相互通信；同時，基于拓撲的路由是層次式的，所有的路由學習完全依靠鄰居，交換的是路由項，鏈路狀態協議通告給鄰居一些鏈路狀態。基于拓撲的路由需要知道全網的拓撲結構，然而VANET是高度動態的，路徑頻繁斷裂，很難維護已經找好的最短路徑，而頻繁恢復和維護路徑會帶來很大的帶寬消耗。
[0044]目前，基于拓撲的路由主要分成兩大類:主動路由和被動路由。主動路由的基本思想是主動地定期進行路由表(RIB)的廣播和更新，在主動路由中，可以實時更新RIB，信息轉發時延小，投遞成功率高，但是頻繁更新RIB會占用大量網絡資源，利用率低，特別是在車載節點密度很大時很容易造成網絡擁塞；被動路由是只有源車載節點在有通信需求時才創建路由，通信結束后不維護路由，直到收到下一次的需求，被動路由模式下總的路由開銷較小，但是實時性不好，導致時延較大，成功率低。
[0045]基于拓撲的路由發送路由信息到互聯網上的所有車載節點，目前運動預測算法(MOPR)是使用較多的一種，它通過車載節點的位置、速度和方向等信息來改善路由算法。通過M0PR，通過車載節點現在的位置來其預測未來可能出現的位置，從而估計一條鏈路的生存時間，即源車載節點可以根據生存時間估計報文的傳輸時間從而選出一條最穩定的鏈路。其它基于拓撲的路由基本思想也是類似的，都是根據車載節點的移動信息來預測一個給定的鏈路可以維持多長時間或者在這條鏈路破壞之前發現一條新的鏈路需要多長時間。
[0046]總之，雖然基于拓撲的路由算法快速收斂，找出的路徑也是源車載節點到目的車載節點的比較短的路徑，但是仍具有如下缺陷=VANET拓撲變化非常頻繁，特別是在高速公路或者車載節點密度不是很大情況下，車載節點移動速度很快，往往在報文還沒有從源車載節點轉發到目的車載節點時，鏈路車載節點已經移動，鏈路頻繁斷裂，在轉發報文時找不到車載節點，造成丟包，這樣，基于拓撲的路由將變得極不穩定，還未收斂就已經失效、不夠靈活，并且，在網絡拓撲結構較大或者車載節點密度很大時，車載節點間交換的路由項信息報文數量極其龐大，想要實時知道整個網絡的拓撲是不現實的，也將造成相當大的網絡負載，導致網絡擁塞嚴重影響網絡性能。
[0047]基于位置的路由投遞策略思想幾乎都遵循貪婪算法，即每一次總是選擇距目的車載節點更近的鄰居車載節點，因為基于位置的路由只知道本地的位置信息，并不知道全網的位置信息，所以很容易陷入局部最優，也就是鄰居車載節點到目的車載節點的距離都比本車載節點到目的車載節點的距離遠，從而使投遞陷入死循環中。一般來說，基于位置的路由都有針對于局部最優的修復策略，相對于基于拓撲的路由，基于位置的路由不需要維護太多的路由信息，因此比較適合高度動態的車載自組織網絡。
[0048]由于VANET拓撲結構高度變化，基于位置的路由，只需要知道本車載節點、鄰居車載節點和目的車載節點的位置信息就可以進行路由轉發，大大降低了路由開銷。目前使用比較廣泛的就是貪婪周邊無狀態路由(GPSR)算法，GPSR算法的核心思想是貪婪路由和修復策略。所謂的貪婪路由就是永遠朝著離目的車載節點更近的下一個車載節點投遞報文，如圖1所示，A、B、C、D和S為不同的車載節點，其中D為目的車載節點，當S有報文要向D發送時，S會發送給離D更近的下一跳車載節點，此時是B，S選擇發送數據給B。修正策略，就是指當S要向D發送數據時，S找不到離D更近的車載節點，如圖2所示，S從它的鄰居A收到一個報文，然后把報文轉發給它的第一個逆時針方向上的鄰居C，這個修正策略就是著名的右手定則。由于城市環境中，有許多障礙物阻擋，使得貪婪路由性能不是很好，對此貪婪周邊協調路由(GPCR)引入了協調節點即協調車載節點，所謂的協調車載節點指的就是十字路口的交叉點，如果下一跳中有協調車載節點時，優先把報文轉發給協調車載節點，否則按照貪婪路由思想處理，當陷入局部最優時采用右手定則進行修復。
[0049]協調車載節點的判定準則如下:每個車載節點根據自己的鄰居車載節點的位置坐標判定本車載節點是否為協調車載節點，判定準則遵循:
【權利要求】
1.一種車載自組織網絡的單播路由轉發方法，包括車輛安全信息單播報文轉發過程，車輛安全信息單播報文轉發過程包括: 查詢通信關系表步驟:第一車載節點產生或接收到目的IP地址是第二車載節點的第一車輛安全信息單播報文后，以目的IP地址為索引項，查詢存儲的通信關系表，從通信關系表表項中獲取對應的下一跳MAC地址； 發送車輛安全信息步驟:根據獲取的下一跳MAC地址，向對應的下一跳車載節點發送第一車輛安全信息單播報文。
2.如權利要求1所述的單播路由轉發方法，其特征在于，還包括通信關系表表項建立過程，通信關系表表項建立過程包括: 首次接收步驟:第一車載節點接收第二車載節點發送的第二車輛安全信息單播報文，第二車輛安全信息單播報文的報頭信息包括源IP地址和第一源MAC地址； 建立表項步驟:以源IP地址為索引項，第一車載節點查詢通信關系表中對應于第二車載節點的表項，若無，第一車載節點提取第一源MAC地址和源IP地址，并存儲于通信關系表表項中，在通信關系表中建立對應于第二車載節點的表項。
3.如權利要求2所述的單播路由轉發方法，其特征在于， 通信關系表表項包括源MAC地址欄、源IP地址欄、距離欄和表項更新時間欄； 建立表項步驟中，根據源IP地址和第一源MAC地址，第一車載節點還獲得第二車輛安全信息單播報文發送`過程中經過的第一距離，并分別將源IP地址、第一源MAC地址和第一距離對應存儲在源IP地址欄、源MAC地址欄和距離欄，同時將建立表項的實時時間作為第一更新時間對應存儲在`表項更新時間欄。
4.如權利要求3所述的單播路由轉發方法，其特征在于，還包括通信關系表更新維護過程，通信關系表更新維護過程包括: 再次接收步驟:第一車載節點接收第二車載節點發送的第三車輛安全信息單播報文，第三車輛安全信息單播報文的報頭信息包括第二源MAC地址和源IP地址，根據第二源MAC地址和源IP地址，獲得第三車輛安全信息單播報文發送過程中經過的第二距離； 查詢第二車載節點表項步驟:以源IP地址為索引項，第一車載節點查詢通信關系表，從對應于第二車載節點的表項中獲取第一源MAC地址、第一距離和第一更新時間； 比對步驟:第一車載節點提取第二源MAC地址和第二距離，將第二源MAC地址與第一源MAC地址比對，第二距離和第一距離比對； 更新維護通信關系表步驟:根據比對結果及更新策略，第一車載節點對通信關系表中對應于第二車載節點的表項進行更新或不更新操作。
5.如權利要求1-4任一所述的單播路由轉發方法，其特征在于，車輛安全信息單播報文轉發過程還包括: 判斷單播報文子步驟:第一車載節點接收到目的IP地址為第二車載節點的車載自組織網絡數據，先判斷車載自組織網絡數據是否為需要轉發的第一車輛安全信息單播報文，若是，則依次執行查詢通信關系表步驟和發送車輛安全信息步驟。
6.如權利要求3或4所述的單播路由轉發方法，其特征在于，查詢通信關系表步驟具體包括: 生成通信關系表查詢視圖子步驟:第一車載節點產生或接收到目的IP地址為第二車載節點的第一車輛安全信息單播報文后，根據存儲的通信關系表生成通信關系表查詢視圖，生成的通信關系表查詢視圖的表項包括下一跳MAC地址欄、目的IP地址欄，距離欄和表項更新時間欄，依次對應于通信關系表表項的源MAC地址欄、源IP地址欄、距離欄和表項更新時間欄； 獲取下一跳MAC地址子步驟:以目的IP地址為索引項，第一車載節點從通信關系表查詢視圖的下一跳MAC地址欄中獲取對應的下一跳MAC地址，之后執行發送車輛安全信息步驟。
7.如權利要求4所述的單播路由轉發方法，其特征在于，更新維護通信關系表步驟具體包括: 若第一更新時間顯示表項剛剛更新，第一源MAC地址與第二源MAC地址不同，且第一距離大于第二距離，則第一車載節點將對應于第二車載節點的表項中的第一源MAC地址和第一距離對應更新為第二源MAC地址和第二距離并存儲，同時將更新的實時時間作為第二更新時間，對第一更新時間進行更新并存儲。
8.如權利要求4所述的單播路由轉發方法，其特征在于， 更新維護通信關系表步驟具體還包括: 若第一更新時間顯示表項剛剛更新，第一源MAC地址與第二源MAC地址相同，且第一距離小于第二距離，則第一車載節點不更新對應于第二車載節點的表項。
9.如權利要求4所述的單播路由轉發方法，其特征在于， 更新維護通信關系表步驟具體還包括: 若第一更新時間顯示表項久未更新，第一源MAC地址與第二源MAC地址不同，且第一距離小于第二距離，則第一車載節點將對應于第二車載節點的表項中的第一源MAC地址和第一距離分別更新為第二源MAC地址和第二距離并存儲，同時將此次更新的實時時間作為第二更新時間，對第一更新時間進行更新并存儲。
10.如權利要求4所述的單播路由轉發方法，其特征在于，更新維護通信關系表步驟具體還包括: 若第一更新時間顯示表項剛剛更新，第一源MAC地址與第二源MAC地址相同，且第一距離大于第二距離，則第一車載節點將對應于第二車載節點的表項中的第一距離更新為第二距離并存儲，同時將此次更新的實時時間作為第二更新時間，對第一更新時間進行更新并存儲； 或，若第一更新時間顯示表項剛剛更新，第一源MAC地址與第二源MAC地址相同，且第一距離等于第二距離，則第一車載節點將比對步驟中比對的實時時間作為第二更新時間，對第一更新時間進行更新并存儲； 或，若第一更新時間顯示表項久未更新，第一源MAC地址與第二源MAC地址相同，且第一距離等于第二距離，則第一車載節點將比對步驟中比對的實時時間作為第二更新時間，對第一更新時間進行更新并存儲； 或，若第一更新時間顯示表項剛剛更新，第一源MAC地址與第二源MAC地址不同，且第一距離等于第二距離，則第一車載節點不更新對應于第二車載節點的表項； 或，若第一更新時間顯示表項剛剛更新，第一源MAC地址與第二源MAC地址不同，且第一距離小于第二距離，則第一車載節點不更新對應于第二車載節點的表項。
11.如權利要求4所述的單播路由轉發方法，其特征在于，更新維護通信關系表步驟具體還包括: 若第一更新時間顯示表項久未更新，第一源MAC地址與第二源MAC地址相同，且第一距離大于第二距離，則第一車載節點將對應于第二車載節點的表項中的第一距離更新為第二距離并存儲，同時將此次更新的實時時間作為第二更新時間，對第一更新時間進行更新并存儲； 或，若第一更新時間顯示表項久未更新，第一源MAC地址與第二源MAC地址相同，且第一距離小于第二距離，則第一車載節點將對應于第二車載節點的表項中的第一距離更新為第二距離并存儲，同時將此次更新的實時時間作為第二更新時間，對第一更新時間進行更新并存儲； 或，若第一更新時間顯示表項久未更新，第一源MAC地址與第二源MAC地址不同，且第一距離大于第二距離，則第一車載節點將對應于第二車載節點的表項中的第一源MAC地址和第一距離分別更新為第二源MAC地址和第二距離并存儲，同時將此次更新的實時時間作為第二更新時間，對第一更新時間進行更新并存儲； 或，若第一更新時間顯示表項久未更新，第一源MAC地址與第二源MAC地址不同，且第一距離等于第二距離，則第一車載節點將對應于第二車載節點的表項中的第一源MAC地址更新為第二源MAC地址并存儲，同時將此次更新的實時時間作為第二更新時間，對第一更新時間進行更新并存儲。
12.一種芯片，采用 如權利要求1-11任一所述的單播路由轉發方法進行信息的發送或接收。
13.—種通信系統，包括多個車載單元，所述多個車載單元之間采用如權利要求1-11任一所述的單播路由轉發方法進行通信。
【文檔編號】H04W40/02GK103781141SQ201310508429
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年10月24日 優先權日:2013年10月24日
【發明者】廖丹, 趙耀, 許都, 李競, 吳嘉誼 申請人:深圳市金溢科技有限公司