一種車載網絡中多候選復合中繼數據傳輸方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及車載自組織網絡的數據傳輸算法，特別涉及高速公路上緊急信息的傳 輸。
【背景技術】
[0002] 通過現有地面交通設施與先進信息通信技術的結合，智能交通系統（Intelligent Transportation System, ITS)能夠為道路交通問題提供有效的解決方法。車載自組織網絡 (Vehicular Ad Hoc networks, VANETs)(以下簡稱車載網絡或者VANETs)由于能夠提高道 路安全和駕駛舒適度而成為ITS的重要組成部分。車載網絡能夠讓參與通信的車輛之間相 互交換路況信息，而不需要借助路邊固定基礎設施的輔助。隨著越來越多的汽車都配備無 線通信設備，大規模的車載網絡通信能夠成為現實。正因為巨大的潛在研究價值，車載網絡 早已成為學者重點關注的領域，然而，車載網絡拓撲結構的快速變化、鏈路頻繁斷開的特點 使得它難以預測和管理。出于以上原因，在車載網絡中提供有效的數據傳輸服務是一項很 有挑戰的工作。
[0003] 現存的車載網絡數據傳輸方式可以分成三種模式：推送模式（push)、請求模式 (pull)、混合模式。在推送模式中，通過主動的周期性廣播方式來傳輸數據，而在請求模式 中，則根據需求傳輸數據。對于那些需要立即響應與安全相關的數據，通常選擇推送模式， 而類似于尋找停車位、查詢天氣這些可以容忍延遲的應用數據則選擇請求模式傳輸。對于 道路上的事故警告信息，如高速公路上某個地方發生兩車追尾而發出的警告信息，這類對 實時性要求高的數據傳輸方式通常采用廣播這種推送模式。然而，廣播卻會引起廣播風暴 問題，容易導致網絡性能急劇惡化。針對這種情況，已經有許多研究致力于克服廣播風暴問 題。
[0004] Tonguz等提出分布式車輛廣播算法DV-CAST (參見文獻：Tonguz 0 K, ffisitpongphan N, Bai F. DV-CAST: A distributed vehicular broadcast protocol for vehicular ad hoc networks[J]. Wireless Communications, IEEE, 2010, 17(2):47-57.) 來解決廣播風暴問題和網絡分離問題，DV-CAST利用周期性的信標消息獲取一跳鄰居節點 的信息建立本地拓撲來決定哪些節點來轉發消息（rebroadcast)，適用于稀疏和密集的網 絡，在密集網絡環境中：采用廣播抑制算法降低廣播風暴的可能性，稀疏環境中：采用"存 儲-攜帶-轉發"的方式來克服網絡分離問題。但是，DV-CAST中未考慮速度問題即由于相 對運動產生的相對距離問題。
[0005] Τ· H. Kim等提出基于距離的中繼選擇算法DBRS (參見文獻：Τ· H. Kim, W. K. Hong, H. C.Kim, and Y.D.Lee, An Effective Data Dissemination in Vehicular Ad-Hoc Network, ininformation Networking. Towards Ubiquitous Networking and Services. Springer, 2008, pp. 295 - 304.)是一種較簡單數據傳輸方法。在收到數據包后，車輛節點 不是立即轉發而是先保存一段時間（時間長短與到發送車輛的距離倒數成正比），即距離 發送數據車輛越遠等待時間越短越早轉發，其他車輛在收到相同副本時就不再轉發該消 息，這樣減少了轉發的節點數目，可以減少廣播風暴出現的可能性。該方法可以有效解決廣 播風暴問題，但他的缺點是：網絡時延會比較高，因為不能保證時延較小的車輛節點一定存 在；覆蓋范圍會減小，因為當接收到相同數據包的時候車輛節點會任意地取消傳輸消息。
[0006] Villas L A等提出的數據傳輸算法DRIFT (參見文獻：Villas L A，de Andrade T Ρ C, da Fonseca Ν L S.An efficient and robust protocol to disseminate data in highway environments with different traffic conditions[C]//Computers and Communication(ISCC), 2014IEEE Symposium on. IEEE, 2014:1-6.和文南犬：Villas L A, Boukerche A, Araujo R B, et al. Network partition-aware geographical data dissemination[C]//Communications(ICC), 2013IEEE International Conference on. IEEE, 2013:1439-1443.)是關于高速公路環境下的分布式數據傳輸協議，采用車與車 (V2V)之間直接通信的方式，不需要依靠任何基礎設施，也不需要維護鄰居表。源節點將消 息廣播出去，由接收車輛根據自身與源節點之間的距離計算一個等待時間，等待時間結束 就立即廣播消息。與DBRS類似，其他車輛在收到相同副本時就不再轉發該消息。但是，由 于可能出現兩個或者兩個以上的車輛并行或者他們之間的距離較小，這樣根據距離計算的 等待時間長短相近，就可能出現同時轉發消息的情況，這樣容易導致沖突出現，從而使消 息轉發失敗影響投遞率和時延。
[0007] 為了有效解決由于沖突帶來的時延增加和投遞率下降以及速度對于最佳轉發節 點選擇的影響，提出一種多候選復合中繼數據分發機制，既能夠有效解決網絡分離問題，又 能夠讓安全警告信息及時可靠的傳給危險警告區域的車輛。
[0008] 本發明所要解決的問題是：在高速公路上車輛行駛速度快，由于視線、駕駛疏忽等 原因常發生意外交通事故導致前后車輛追尾碰撞，而后方車輛在不知道前方發生交通事故 的情況下繼續高速前行這樣容易導致更大的連環追尾事故的發生。現有的關于事故警告信 息的數據傳輸算法雖然能夠從一定程度上克服廣播風暴和網絡分離問題，為了進一步提高 數據傳輸協議的性能從而讓警告信息能夠傳輸到事故地點后方的車輛。
【發明內容】
[0009] 針對現有技術的不足，提出了一種一定程度上克服廣播風暴和網絡分離問題、進 一步提高數據傳輸協議的性能從而讓警告信息能夠傳輸到事故地點后方的車載網絡中多 候選復合中繼數據傳輸方法。本發明的技術方案如下：一種車載網絡中多候選復合中繼數 據傳輸方法，其包括以下步驟：
[0010] 101、車輛節點之間建立兩跳鄰居表的步驟；
[0011] 102、當車輛源節點S發生碰撞時，車輛源節點S產生警告消息；
[0012] 103、車輛源節點S將產生的警告消息，依據兩跳鄰居表中的節點信息，計算出 當前時刻車輛i與源節點S的距離山(tramnt)，并與設定通信半徑R進行比較，定義公式 P - R -}若Pl< 0,說明車輛i不在S的通信半徑R內，鏈路斷開；若p 0,說明 車輛i在S的通信半徑R內能夠進行通信，根據A =^1^1計算源節點周圍兩跳鄰居 節點的復合參數Pi的值，按從小到大的順利將對應的車輛id放在步驟102產生的警告消 息的相應字段中，廣播警告消息；
[0013] 104、源節點S周圍的鄰居節點收到警告消息后，比較消息中的相應字段，確定自 己是否為下一個轉發節點，若是下一個轉發節點則轉到步驟/103,若不是下一個轉發節點 則進行步驟105 ;
[0014] 105、進入等待階段，等待時間
[0016] 其中，tDIFS表示MAC層的長幀間間隔時間，W _為廣播消息遇到的最大退避窗口數， σ表示一個退避窗口的時隙大小，t_d表示發送一個包所需的時間。等待時間結束未收到 廣播消息，則回到步驟104,若等待時間T內收到同樣的廣播消息，說明已經有節點進行了 消息轉發則立即結束等待，刪除多余消息。
[0017] 進一步的，步驟101中車輛節點之間建立兩跳鄰居表的步驟具體為；在每一次交 換Hello消息時都把自己的信息和自己的一跳鄰居信息放入Hello消息中發給下一個鄰居 節點。這樣每個節點的鄰居表中都保存著兩跳鄰居的信息。
[0018] 進一步的，所述Hello消息的格式為：
[0020] 其中，Vehicle ID為每個車輛節點的唯一標識；Position表示車輛的當前位置， 用二元組（xi, yi)表示；Speed表示的是車輛的行駛速度v ;Timestamp表示時間戳，即產生 消息的時刻；Driving Direction表示車輛的行駛方向，每個移動車輛都安裝有全向天線覆 蓋半徑R。
[0021] 進一步的，步驟103中計算當前時刻車輛i與源節點S的距離山具體為： 根據兩跳鄰居表中的鄰居節點信息計算車輛i在時刻t與源節點S直接的距離
[0023] 車輛節點i與源節點S間的相對速度
[0024] Δ ν；= v ；-￥〇
[0025] 若相對速度AVi>〇表示車輛i速度大于源節點S的速度，若AVi<〇則表示車 輛i的速度小于源節點S的速度；
[0026] 然后再通過相對速度計算Δ t內行駛的距離：
[0028] 其中，為發送消息的當前時間，t為源節點S的鄰居表中車輛i時間戳，因 此，當前時刻車輛i與源節點S的距離為：
[0030] 本發明的優點及有益效果如下：
[0031] 本發明在時刻h車輛3位于源節點0的半徑外邊緣附近，而在時刻t 1+1車輛3可 能進入源節點〇的通信半徑內。如果采用一跳鄰居表就會漏掉這種情況，因此我們采用兩 跳鄰居表。
[0032] 當車輛碰撞時，產生警告信息并周期性地向周圍廣播，對于消息的傳輸我們采取 的方式是：當警告消息產生時，源節點根據自己兩跳鄰居表中的所保存的關于鄰居節點的 位置、速度和時間戳等信息，首先計算出記錄時間戳時刻t車輛與源節點直接的距離山(t)， 以及相對速度AVl，然后根據當前時間與時間戳記錄時間之間的差值At計算這段時間內 產生的相對距離Ac^，再由前面計算出來的兩個距離djt)和△山求出當前時刻車輛與源 節點之間的距離di ，最后根據通信半徑R和di 之間的關系確定出的一個復 合參數P的