基于分布式擁塞控制策略的車聯(lián)網(wǎng)跨層機(jī)會路由方法與流程

本發(fā)明屬于車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及基于分布式擁塞控制策略的車聯(lián)網(wǎng)跨層機(jī)會路由方法，可用于車聯(lián)網(wǎng)安全信息的公平可靠性傳輸和車聯(lián)網(wǎng)路由協(xié)議擁塞控制。

背景技術(shù)：

車聯(lián)網(wǎng)由于能夠?qū)崟r感知周圍的交通環(huán)境，實(shí)現(xiàn)車與周圍車輛、道路設(shè)施和行人之間的實(shí)時信息交互，而成為智能交通和智能駕駛的重要組成部分。然而，受車輛節(jié)點(diǎn)高速移動、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖僮兓纫蛩氐挠绊?，車載自組織網(wǎng)絡(luò)難以維持穩(wěn)定的通信鏈路。隨著車載自組織網(wǎng)絡(luò)的不斷成熟，車載機(jī)會路由協(xié)議不斷發(fā)展，研究者基于地理位置信息等對車載機(jī)會路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。車載機(jī)會路由協(xié)議性能依賴于底層協(xié)議(mac層和phy層)，路由決策取決于獲取的輔助信息。為了選擇合適的轉(zhuǎn)發(fā)時機(jī)和中繼節(jié)點(diǎn)，提高分組投遞率，各車輛節(jié)點(diǎn)間需要實(shí)時交互車輛狀態(tài)信息，由此易造成嚴(yán)重的通信負(fù)載。受無線信道資源的限制，車載機(jī)會路由協(xié)議設(shè)計必須考慮底層特點(diǎn)。然而，眾多研究都忽略了底層協(xié)議的限制，特別是在交通密度較大的城市場景中，目前已有的車輛節(jié)點(diǎn)廣播周期安全信息基本都是盡最大能力地擴(kuò)散消息，由于交通擁堵網(wǎng)絡(luò)擁塞，周期廣播安全信息易造成安全信息的長時間隨機(jī)退避等待和分組丟棄，這對機(jī)會路由過程中中繼車輛節(jié)點(diǎn)和目的車輛節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息更新是很不利的，且實(shí)時性較差，易導(dǎo)致路由決策發(fā)生誤判。

作為第一個專門為在道路上通信而設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)，ieee802.11pmac的主要缺點(diǎn)是當(dāng)信道負(fù)載嚴(yán)重時性能較差，具有低可靠性、隱藏節(jié)點(diǎn)、無限時延和間歇v2i連通性等問題。分布式擁塞控制方法可以增強(qiáng)ieee802.11p的mac性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有車載機(jī)會路由協(xié)議和ieee802.11pmac的缺點(diǎn)，提出一種基于分布式擁塞控制策略的車聯(lián)網(wǎng)跨層機(jī)會路由方法，以緩解信道擁塞，在不同交通密度情況下，實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)安全信息的可靠性傳輸，提高路由消息投遞率。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下步驟：

(1)多態(tài)分布式擁塞控制狀態(tài)機(jī)設(shè)計：多態(tài)分布式擁塞控制狀態(tài)機(jī)有八種狀態(tài)(s)，依次記為relaxed(“0”)、active(“1～6”)和restrictive(“7”)，狀態(tài)取值為0～7，每個狀態(tài)對發(fā)射功率、發(fā)射數(shù)據(jù)速率和接收靈敏度進(jìn)行設(shè)置，狀態(tài)值越大，發(fā)射功率和接收靈敏度越低，發(fā)射數(shù)據(jù)速率越高；

(2)車輛節(jié)點(diǎn)記錄當(dāng)前狀態(tài)值s(初始化為s＝0)，以1s的時間間隔周期統(tǒng)計介質(zhì)訪問控制層(mac層)信道負(fù)載cl(1s)及其所有鄰居節(jié)點(diǎn)狀態(tài)均值as；

(3)車輛節(jié)點(diǎn)根據(jù)cl(1s)、s和as對狀態(tài)機(jī)進(jìn)行更新：

cl(s→s+1)表示從狀態(tài)s到狀態(tài)s+1轉(zhuǎn)換條件中的信道負(fù)載閾值，cl(s→s-1)表示從狀態(tài)s到狀態(tài)s-1轉(zhuǎn)換條件中的信道負(fù)載閾值，min(s,k)表示取s和k兩者的較小值，max(s,k)表示取s和k兩者的較大值，計數(shù)time初始化為0；

3.1)狀態(tài)機(jī)初始化狀態(tài)為relaxed(“0”)，計數(shù)time初始化為0；

3.2)每秒觸發(fā)統(tǒng)計信道負(fù)載cl(1s)、狀態(tài)均值as，記錄當(dāng)前狀態(tài)值s；

3.3)若同時滿足cl(1s)≥cl(s→s+1)和s<as兩個條件，則time設(shè)置為0，執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，s取值為min(s+1,7)；若滿足cl(1s)≥cl(s→s+1)而不滿足s<as，則time設(shè)置為0，進(jìn)入步驟3.2)；若不滿足cl(1s)≥cl(s→s+1)，則進(jìn)入下一步；

3.4)若滿足cl(1s)<cl(s→s-1)，time計數(shù)加1，否則time設(shè)置為0，進(jìn)入步驟3.2)；若滿足time＝5并且s>as，time設(shè)置為0，執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，s取值為max(s-1,0)，即同時滿足連續(xù)五秒cl(1s)<cl(s→s-1)和當(dāng)前狀態(tài)s>as兩個條件，執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換；若滿足time＝5而不滿足s>as，則time設(shè)置為0，進(jìn)入步驟3.2)；若不滿足time＝5，則進(jìn)入步驟3.2)；

(4)協(xié)同感知信息cam周期廣播：車輛節(jié)點(diǎn)根據(jù)更新的狀態(tài)值s設(shè)置對應(yīng)的發(fā)射功率、發(fā)射數(shù)據(jù)速率和接收靈敏度，自適應(yīng)調(diào)整cam的廣播范圍；

(5)路由消息發(fā)送：車輛節(jié)點(diǎn)根據(jù)更新的狀態(tài)值s設(shè)置對應(yīng)的發(fā)射功率、發(fā)射數(shù)據(jù)速率和接收靈敏度，自適應(yīng)調(diào)整路由消息的通信范圍，利用cam實(shí)時更新鄰居節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息，結(jié)合貪婪周邊無狀態(tài)路由gpsr，采用基于地理位置信息的單播多跳機(jī)會路由，選擇離目的節(jié)點(diǎn)更近的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行貪婪轉(zhuǎn)發(fā)，陷入局部最優(yōu)時采用機(jī)會轉(zhuǎn)發(fā)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明由于設(shè)計了聯(lián)合發(fā)射功率、發(fā)射數(shù)據(jù)速率和接收靈敏度的多態(tài)狀態(tài)機(jī)，采用了公平多態(tài)分布式擁塞控制方法，克服了信道負(fù)載嚴(yán)重時ieee802.11pmac性能差的缺點(diǎn)，能自適應(yīng)調(diào)整cam的廣播范圍和路由消息的通信范圍，有效地進(jìn)行擁塞控制，在提供公平的信道分配和接入的同時提高了周期安全信息的接收率和路由消息投遞率，實(shí)現(xiàn)可靠性傳輸。

(2)本發(fā)明由于采用了基于地理信息的跨層機(jī)會路由方法，結(jié)合cam輔助和gpsr路由決策，克服了現(xiàn)有技術(shù)中輔助信息傳輸造成的擁塞問題和信息實(shí)時性較差的問題，有效進(jìn)行擁塞控制和信息實(shí)時交互，在不同交通密度情況下，提高了路由消息投遞率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的總流程圖；

圖2為實(shí)施例中的多態(tài)分布式擁塞控制狀態(tài)機(jī)設(shè)計圖；

圖3為本發(fā)明中的狀態(tài)機(jī)更新的子流程圖；

圖4為實(shí)施例中的通信范圍估算示例圖；

圖5為實(shí)施例與現(xiàn)有路由方法的分組投遞率比較圖；

圖6為實(shí)施例與現(xiàn)有路由方法的平均時延比較圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施和保護(hù)不限于此。

參照圖1，本實(shí)例基于分布式擁塞控制策略的車聯(lián)網(wǎng)跨層機(jī)會路由方法的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟1，多態(tài)分布式擁塞控制狀態(tài)機(jī)設(shè)計。

參照圖2，多態(tài)分布式擁塞控制狀態(tài)機(jī)有八種狀態(tài)(s)，依次記為relaxed(“0”)、active(“1”)、active(“2”)、active(“3”)、active(“4”)、active(“5”)、active(“6”)和restrictive(“7”)，狀態(tài)取值為0～7，每個狀態(tài)對發(fā)射功率txpower(tpc)、發(fā)射數(shù)據(jù)速率txdatarate(tdc)和接收靈敏度cst(dsc)進(jìn)行設(shè)置，狀態(tài)值越大，發(fā)射功率和接收靈敏度越低，發(fā)射數(shù)據(jù)速率越高。

步驟2，車輛節(jié)點(diǎn)記錄當(dāng)前狀態(tài)值s(初始化為s＝0)，以1s的時間間隔周期統(tǒng)計介質(zhì)訪問控制層(mac層)信道負(fù)載cl(1s)及其所有鄰居節(jié)點(diǎn)狀態(tài)均值as。

信道負(fù)載cl定義為接收功率p大于載波監(jiān)聽閾值cst的時間比例，設(shè)探針間隔tp＝10μs，一秒內(nèi)的探針數(shù)np＝1s/tp，則cl統(tǒng)計值為：

其中pi表示第i個時刻的接收功率，若pi>cst，則否則

鄰居節(jié)點(diǎn)狀態(tài)均值as統(tǒng)計包括如下步驟：

2.1)每輛車在廣播的周期安全信息中攜帶其當(dāng)前狀態(tài)值信息；

2.2)車輛節(jié)點(diǎn)匯總收到安全信息的狀態(tài)值，求出所有鄰居節(jié)點(diǎn)(包括自身)的狀態(tài)平均值as。

步驟3，車輛節(jié)點(diǎn)根據(jù)cl(1s)、s和as對狀態(tài)機(jī)進(jìn)行更新。

參照圖3，本步驟的具體實(shí)現(xiàn)如下：

cl(s→s+1)表示從狀態(tài)s到狀態(tài)s+1轉(zhuǎn)換條件中的信道負(fù)載閾值，cl(s→s-1)表示從狀態(tài)s到狀態(tài)s-1轉(zhuǎn)換條件中的信道負(fù)載閾值，min(s,k)表示取s和k兩者的較小值，max(s,k)表示取s和k兩者的較大值，計數(shù)time初始化為0；

3.1)狀態(tài)機(jī)初始化狀態(tài)為relaxed(“0”)，計數(shù)time初始化為0；

3.2)每秒觸發(fā)統(tǒng)計信道負(fù)載cl(1s)、狀態(tài)均值as，記錄當(dāng)前狀態(tài)值s；

3.3)若同時滿足cl(1s)≥cl(s→s+1)和s<as兩個條件，則time設(shè)置為0，執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，s取值為min(s+1,7)；若滿足cl(1s)≥cl(s→s+1)而不滿足s<as，則time設(shè)置為0，進(jìn)入步驟3.2)；若不滿足cl(1s)≥cl(s→s+1)，則進(jìn)入下一步；

3.4)若滿足cl(1s)<cl(s→s-1)，time計數(shù)加1，否則time設(shè)置為0，進(jìn)入步驟3.2)；若滿足time＝5并且s>as，time設(shè)置為0，執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，s取值為max(s-1,0)，即同時滿足連續(xù)五秒cl(1s)<cl(s→s-1)和當(dāng)前狀態(tài)s>as兩個條件，執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換；若滿足time＝5而不滿足s>as，則time設(shè)置為0，進(jìn)入步驟3.2)；若不滿足time＝5，則進(jìn)入步驟3.2)；

步驟4，協(xié)同感知信息cam周期廣播。

車輛節(jié)點(diǎn)根據(jù)更新的狀態(tài)值s設(shè)置對應(yīng)的發(fā)射功率、發(fā)射數(shù)據(jù)速率和接收靈敏度，自適應(yīng)調(diào)整cam的廣播范圍。

步驟5，路由消息發(fā)送。

車輛節(jié)點(diǎn)根據(jù)更新的狀態(tài)值s設(shè)置對應(yīng)的發(fā)射功率、發(fā)射數(shù)據(jù)速率和接收靈敏度，自適應(yīng)調(diào)整路由消息的通信范圍，利用步驟4獲取的cam實(shí)時更新鄰居節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息，結(jié)合貪婪周邊無狀態(tài)路由gpsr，采用基于地理位置信息的單播多跳機(jī)會路由，選擇離目的節(jié)點(diǎn)更近的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行貪婪轉(zhuǎn)發(fā)，陷入局部最優(yōu)時采用機(jī)會轉(zhuǎn)發(fā)。

自適應(yīng)調(diào)整cam的廣播范圍和路由消息的通信范圍cr，其估算公式如下：

其中，txpower是發(fā)射功率，datarate是發(fā)射數(shù)據(jù)速率，δsnr(datarate)是datarate對應(yīng)的信噪比退避值，參照表1，表1為本發(fā)明的信噪比退避值δsnr取值，rxpower是接收功率，dcs是接收靈敏度的默認(rèn)值，當(dāng)rxpower與dcs相等時達(dá)到最遠(yuǎn)的通信范圍，即rxpower-dcs＝0，maxcsrange是最大的監(jiān)聽范圍，默認(rèn)值為1000m，refpathloss是路徑損耗，默認(rèn)取值為2.5。圖4展示了不同狀態(tài)值s相應(yīng)的通信范圍估算，當(dāng)s＝0時，通信范圍估算為1000m，當(dāng)s＝1時，通信范圍估算為724m，以此類推。

表1

表2

實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表2所示，表2為實(shí)施例中的實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置；按照以上步驟得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5所示的是不同車輛密度(100～1500個車輛節(jié)點(diǎn)數(shù))場景下的分組投遞率。由圖5可以看出，相比于傳統(tǒng)的路由方法，本發(fā)明所使用的跨層機(jī)會路由方法能有效地提高路由消息的分組投遞率，提高路由性能。

圖6所示的是不同車輛密度(100～1500個車輛節(jié)點(diǎn)數(shù))場景下的平均時延。由圖6可以看出，相比于傳統(tǒng)的路由方法，本發(fā)明所使用的跨層機(jī)會路由方法能有效地降低路由消息的平均時延，提高路由性能。