一種基于功率和速率聯合調整的車聯網擁塞控制方法

一種基于功率和速率聯合調整的車聯網擁塞控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于功率和速率聯合調整的車聯網擁塞控制方法，車聯網中當前車輛節點與鄰居車輛節點之間交互信息，所述信息包括信標消息和緊急安全消息，該方法包括以下步驟：1)當前車輛節點維持一個鄰居節點列表；2)當前車輛節點以信道利用率、包通過率和平均傳輸時延為車聯網狀況的評估標準，得到觀測間隔內當前車聯網的擁塞程度；3)當前車輛節點根據當前車聯網的擁塞程度進行不同車聯網狀況下的擁塞控制。與現有技術相比，本發明對車載自組織網絡中的擁塞程度進行綜合評估，同時根據該評估結果進行信標消息的功率和速率聯合調整，控制緊急安全消息的發送功率，有效緩解車載自組織網絡的擁塞程度。
【專利說明】
-種基于功率和速率聯合調整的車聯網擁塞控制方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種通信技術領域，尤其是設及一種基于功率和速率聯合調整的車聯 網擁塞控制方法。
【背景技術】
[0002] 隨著經濟社會的發展，車輛已成為人們日常生活不可缺少的工具。然而，車輛在為 人們出行帶來便捷的同時也帶來了一定的安全隱患。為了保證交通安全，車聯網技術VANET (Vehicle Ad hoc Networks)應運而生。VA肥T是利用先進傳感技術、網絡技術、計算技術、 控制技術、智能技術，對道路和交通進行全面感知，使得車輛之間及車輛與路邊設施之間保 持高可靠性低時延數據傳輸的專口控制網絡。
[0003] VA肥T中行車安全通過在控制信道上交互廣播信息來實現，其中有兩種安全相關 f目息：
[0004] 一是信標消息，包括車輛位置、速度W及方向，車輛交換信標消息W提高彼此的辨 識度和獲得對周圍環境的感知，并據此做出正確的行車決策；
[0005] 另外一種消息是緊急安全消息，用于發送緊急剎車、交通事故等設及生命財產安 全的消息。
[0006] 配備車載設備的車輛很多并且要發送大量數據時，會造成信道上負載過重，即出 現擁塞的現象。當網絡發生擁塞時，不論緊急安全消息還是信標消息都會因為無線信道資 源處于擁擠狀態而不能及時可靠地發送出去，運對于駕駛員和車輛而言危害極大甚至是致 命的。
[0007] 目前，在控制信標消息產生的信道擁塞方面，主要有=個步驟：1、監測網絡的狀 況，2、對擁塞狀況進行探測，將擁塞信息傳送到相關的協議層，3、調節網絡的參數，W緩解 擁塞狀況。其中，探測擁塞發生和調節網絡參數是難點，下面從兩個方面分別說明：
[000引1、為了衡量網絡的狀況，研究者提出了一些度量參數，如信道忙碌比、車流量密 度、信道負載等。通過對運些參數進行實時的檢測，探測網絡是否發生擁塞，再應用能夠控 制某些參數的擁塞控制機制，車輛間通過相互協作盡量避免或者緩解信道的擁塞狀況。但 是，傳統的擁塞探測機制多為單一層的檢測，若只對單一的指標進行監測來判斷網絡是否 發生擁塞有比較大的偶然性，從而造成擁塞控制不必要或者不及時。
[0009] 2、不同的擁塞控制機制的調整參數不同，但是從根本上說主要有=個參數： Beacon的發送速率、Beacon的發送功率W及競爭窗口的大小。通過降低信標消息的發送速 率，減小其發送速率，或者增大競爭窗口，使得接入信道的節點數更少，減小網絡的負載，緩 解網絡的擁塞程度。但是單一的對運些參數進行控制，往往會造成調整速率過慢，網絡的擁 塞狀況無法快速有效的緩解，影響緊急安全消息的及時傳輸;而對于采用運些參數的聯合 調整策略，目前的研究多為統一的調整，而忽略網絡的擁塞程度，運樣會導致擁塞控制不靈 活，造成信道資源利用率不高或者調節太慢。

【發明內容】

[0010] 本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種基于功率和速 率聯合調整的車聯網擁塞控制方法，主要設及車輛自組織網絡中信標消息和緊急安全消息 的擁塞控制機制，對車載自組織網絡中的擁塞程度進行綜合評估，同時根據該評估結果進 行信標消息的功率和速率聯合調整，控制緊急安全消息的發送功率，有效緩解車載自組織 網絡的擁塞程度。
[0011] 本發明的目的可W通過W下技術方案來實現：
[0012] -種基于功率和速率聯合調整的車聯網擁塞控制方法，車聯網中當前車輛節點與 鄰居車輛節點之間交互信息，所述信息包括信標消息和緊急安全消息，該方法包括W下步 驟：
[0013] 1)當前車輛節點維持一個鄰居節點列表，所述鄰居節點列表由多條鄰居節點信息 構成，每條鄰居節點信息根據鄰居車輛節點接收發送的信息生成，包括發送該信息的鄰居 車輛節點的車輛ID號、鄰居車輛節點發送該信息時的速度、鄰居車輛節點生成消息的時間 和當前車輛節點接收信息的時間；
[0014] 2)當前車輛節點W物理層的信道利用率、MAC層的平均傳輸時延和應用層的包通 過率為車聯網狀況的評估標準，所述車聯網狀況根據擁塞程度的數值從大到小依次劃分為 完全擁塞狀態、嚴重擁塞狀態、中度擁塞狀態和無擁塞狀態，當前車輛根據鄰居節點列表得 到觀測間隔內當前車聯網的擁塞程度；
[0015] 3)當前車輛節點根據當前車聯網的擁塞程度進行不同車聯網狀況下的擁塞控制；
[0016] 所述完全擁塞狀態下的擁塞控制為：當前車輛節點停止發送信標消息，并對緊急 安全消息的發送功率進行控制；
[0017] 所述嚴重擁塞狀態下的擁塞控制為：當前車輛節點分別對信標消息的發送速率和 發送功率進行控制，同時還對緊急安全消息的發送功率進行控制；
[0018] 所述中度擁塞狀態下的擁塞控制為：當前車輛節點一方面先對信標消息的發送速 率進行控制，當信標消息的發送速率減小到信標消息的發送速率最小值且車聯網狀況為中 度擁塞狀態時，維持信標消息的發送速率，并開始對信標消息的發送功率進行控制，另一方 面還對緊急安全消息的發送功率進行控制；
[0019] 所述無擁塞狀態下的擁塞控制為：當前車輛節點W初始設置的發送速率和發送功 率發送消息。
[0020] 所述消息的基本數據內容包括:車輛ID、優先級、速度、生成該消息的時間和數據 信息，所述優先級用于區別信標消息和緊急安全消息。
[0021] 祈冰倍帯未Il田莖繩足W下公式；
[0022]
[0023]
[0024] 式中，CU表示觀測間隔內的信道利用率，OT表示觀測間隔，每個觀測間隔OT劃分成 N個時隙OTs，當第i個時隙OTs內信道檢測是忙時，bi記為I，否則，b功0。
[0025] 所述包通過率滿足W下公式：
[0026]
[0027] 式中，PTR表示觀測間隔內的包通過率，OT表示觀測間隔，n表示觀測間隔OT內節點 收到消息的個數，Pkti表示第i個消息的大小，e表示歸一化的網絡流量。
[0028] 所沐平挽倍輪時巧滿思W下公擊，
[0029]
[0030] 式中，AD表示觀測間隔內的平均傳輸時延，M表示觀測間隔OT內鄰居節點列表中鄰 居節點信息的個數，Trew表示第i個鄰居節點信息中鄰居車輛節點生成消息的時間，Tgen,1 表示第i個鄰居節點信息中當前車輛節點接收信息的時間，P表示消息傳遞時延最短的時 間。
[0031] 所述擁塞程度滿足W下公式：
[00；32] CL = Q ? CU+0 ? PTR+ 丫 ? AD
[0033] 日+0+丫 =1
[0034] 式中，CL表示觀測間隔內當前車聯網的擁塞程度，CU表示觀測間隔內的信道利用 率，PTR表示觀測間隔內的平均傳輸時延，AD表示觀測間隔內的包通過率，a、0、丫分別對應 表示CU、PTR、AD的加權因子。
[0035] 所述對緊急安全消息的發送功率進行控制的方法包括W下步驟：
[0036] A:獲取觀測間隔內實時的緊急安全消息有效距離ER,滿足W下公式：
[0037]
[003引式中，ER2表示與緊急安全消息對應的初始有效距離，F表示觀測間隔OT內鄰居車 輛節點的平均速度，并由鄰居節點列表獲得，V表示設定的速度標準值，sgn( ?)表示符號函 數，e表示自然底數。
[0039] B:通過查找緊急安全信息的傳輸距離所對應的發送功率表，根據ER得到匹配的功 率值作為當前緊急安全消息的發送功率。
[0040] 所述對信標消息的發送速率進行控制的方法包括W下步驟：
[0041 ] a，巧取觀娜I間腐內主流音密度指數K，滿足W下公式：
[0042]
[0043] 式中，A表示預設的車輛節點靈敏度歸一化參數，Q表示預設的交通運輸網絡的服 務質量，參數fS與交通流和車輛移動速度有關，fS E [0，1 ]，且隨著交通流從自由流到擁塞流 變化，f S逐漸增加；
[0044] b:獲取下一個觀測間隔內信標消息的發送速率，滿足W下公式：
[0045]
[0046] 式中，RbeaU)表示第i個觀測間隔OT內信標消息的發送速率，RBEA(i+l)表示第Q+ 1)個觀測間隔OT內信標消息的發送速率，S是權衡擁塞程度化與車流量密度指數K的權重因 子，S e [ 0，1 ]，Rbea "in表示信標消息的發送速率最小值。
[0047] 所述對信標消息的發送功率進行控制的方法為:根據信標消息發送功率調整公式 獲取下一個觀測間隔內信標消息的發送功率，信標消息發送功率調整公式如下：
[004引
[00例式中，PbeaU)表示第i個觀測間隔OT內信標消息的發送功率，PBEA(i+l)表示第Q+ 1)個觀測間隔OT內信標消息的發送功率，Pmin為信標消息允許的最小發送功率。
[0050] 當前車聯網狀況劃分為完全擁塞狀態的條件為:觀測間隔內當前車聯網的擁塞程 度化滿足化^ 90%;
[0051] 當前車聯網狀況劃分為嚴重擁塞狀態的條件為:觀測間隔內當前車聯網的擁塞程 度化滿足90%〉化^ 60%;
[0052] 當前車聯網狀況劃分為中度擁塞狀態的條件為:觀測間隔內當前車聯網的擁塞程 度化滿足60%〉化^ 30%;
[0053] 當前車聯網狀況劃分為無擁塞狀態的條件為:觀測間隔內當前車聯網的擁塞程度 化滿足化<30 %。
[0054] 與現有技術相比，本發明具有W下優點：
[0055] 1、本發明針對VA肥T中CCH信道資源有限，當高速公路場景或者城市道路上車輛密 度過于集中，容易導致網絡發生嚴重擁塞，造成緊急安全消息無法可靠傳輸，給交通安全帶 來隱患的情況，在探測結果差異化的基礎上，實現基于功率和速率聯合調整的擁塞控制，對 網絡的擁塞程度進行比較全面的度量，有效減輕網絡的擁塞程度，特別是網絡擁塞程度非 常大時可盡快緩解該狀況，可靠性較高，成本相對較低。
[0056] 2、本發明提供了一種VA肥T中的擁塞探測度量方法，相比于傳統的擁塞探測機制 多為單一層的檢測從而具有較大的偶然性，該方法借鑒跨層的思想，從物理層、MAC層及應 用層獲取不同的信息，包括信道利用率、包通過率和平均傳輸時延，對VANET的擁塞狀況進 行全面的評估，得出網絡的擁塞程度，為接下來的擁塞調整做出精確的判斷，使得基于全面 評估結構的擁塞控制效果好；
[0057] 3、本發明將VA肥T的擁塞程度量化，分為不同的擁塞程度，包括完全擁塞狀態、嚴 重擁塞狀態、中度擁塞狀態和無擁塞狀態，針對不同的擁塞程度進行不同的擁塞控制，比統 一進行擁塞控制能更高效的緩解網絡擁塞程度或者利用信道資源；
[005引 4、本發明采用功率和速率的聯合調整機制，比單一的功率和單一的速率調整能快 有效的緩解網絡的擁塞程度，同時考慮到了信標消息的最小發送功率和最小發送速率，從 而使得車輛對周圍的感知能力保持在可接受的水平，保證車輛相關應用的正常運行；
[0059] 5、對于緊急安全消息，本發明將緊急安全消息的發送功率調整為有效距離匹配對 應的發送功率，避免功率過大造成額外的網絡開銷，或者功率過小無法將其傳遞給所需車 輛而造成安全隱患。
【附圖說明】
[0060] 圖1為本發明方法流程示意圖。
【具體實施方式】
[0061] 下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。本實施例W本發明技術方案 為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于 下述的實施例。
[0062] -種基于功率和速率聯合調整的車聯網擁塞控制方法，應用于車輛節點構成的車 聯網中，車輛節點上設置有車載終端，車輛終端包括GPS模塊與DSRC無線通信模塊，GPS模塊 獲取本車的實時位置及速度信息，DSR對莫塊用于車輛間的通信，本車打開車載終端后，當前 車輛節點與鄰居車輛節點之間交互信息，信息包括信標消息和緊急安全消息，信標消息和 緊急安全消息的基本數據帖格式如表1所示：
[0063] 表 1
[0065] 其中，車輛ID為車輛節點的唯一標識符;優先級表示該消息為信標消息或者緊急 安全消息，分別為1和2;位置信息為消息產生時車輛的地理位置，即經締度;速度及加速度 為車輛的速度信息;生成時間為該消息產生時的時間;Data表示消息中數據信息。
[0066] 如圖1所示，基于功率和速率聯合調整的車聯網擁塞控制方法包括W下步驟：
[0067] 1)當前車輛節點維持一個鄰居節點列表，鄰居節點列表由多條鄰居節點信息構 成，每條鄰居節點信息根據鄰居車輛節點接收發送的信息生成，包括發送該信息的鄰居車 輛節點的車輛ID號、位置信息、鄰居車輛節點發送該信息時的速度及加速度、鄰居車輛節點 生成消息的時間和當前車輛節點接收信息的時間等基本信息，鄰居節點列表中一條鄰居節 點信息如表2所示：
[0068] 表 2
[0070]其中，車輛ID:代表當前該條信息的發送車輛，每個車輛對應著唯一的一個ID號； [0071 ]位置信息:代表當信息產生時，發送車輛的位置坐標，包括經締度坐標；
[0072] 速度及加速度:發送車輛在發送時刻時的瞬間速度及瞬時加速度；
[0073] 生成時間：記錄消息產生的時刻，鄰居節點列表中，永遠維護著當前車輛收到的最 新消息；
[0074] 接收時間:本車接收到該信標消息的時刻。
[0075] 2)每個車輛節點不斷的廣播消息，當前車輛節點通過接收到的消息，對物理層的 信道利用率CU、MAC層的平均傳輸時延ADW及應用層的包通過率PTR實時計算，得到網絡當 前的擁塞程度化值。具體步驟如下：
[0076] 21:首先計算信道利用率CU
[0077] 將觀測間隔OT劃分成若干個時隙OTs,在每個OTs運行CCA(Clear Channel Assessment，空閑信道評估)機制。在某個時隙OTs內，若物理層監測到信道上的能量大于 CCA給定的闊值，則認為信道忙;反之，則信道閑。通過對觀測間隔OT內每個觀測時隙OTs的 結果進行統計平均，得到信道利用率CU,其中，當第i個小時隙OTs內信道檢測是忙時，bi記為 1，否則，b功0，N為觀測間隔OT內時隙OTs的個數且N取整數。由于CCA方法是車輛通信網絡現 存協議，因而通過CCA來評估信道利用率，就不需要車輛對硬件設備進行改造。則觀測間隔 內的信道利用率CU滿足W下公式：
[007引
[0079]
[0080] 22:計算包通過率PTR
[0081 ] 觀測間隔內的包通過率PTR計算表達如下：
[0082]
[0083] 式中，n表示觀測間隔OT內當前車輛節點收到廣播消息的個數，Pkt康示第i個接 收到廣播消息的大小，單位為比特，e表示歸一化的網絡流量，取參考值3Mbit/s。
[0084] 23:計算平均傳輸時延AD
[0085] 觀測間隔內的平均傳輸時延AD的計算公式為：
[0086]
[0087] 式中，M表示觀測間隔OT內鄰居節點列表中鄰居節點信息的個數，Tree,康示第i個 鄰居節點信息中鄰居車輛節點生成消息的時間，Tgen,1表示第i個鄰居節點信息中當前車輛 節點接收信息的時間，P表示消息傳遞時延最短的時間，取P = 9ms。
[0088] 24:則觀測間隔內當前車聯網的擁塞程度化為：
[0089] CL = Q ? CU+0 ? PTR+ 丫 ? AD
[0090] 式中，a、e、丫分別對應表示CU、PTR、AD運S個參數的加權因子，且a+e+丫 =1。
[0091] 當前車輛節點計算得到網絡的擁塞程度化后，根據化的值從大到小依次將網絡劃 分為四種不同的擁塞狀況，分別進行不同的擁塞控制。CL與擁塞狀況對應關系如下：
[0092] 化>90%，稱此時網絡為完全擁塞（CC，Complete Congestion)狀態，表明此時信 道中處于完全的擁塞狀況；
[0093] 90%〉CL> 60%，稱此時網絡為嚴重擁塞（SC,Sever Congestion)狀態；
[0094] 60%〉化>30%，稱此時網絡為中度擁塞(MC，Moderate Congestion)狀態；
[00巧]CL<30%，稱此時網絡為無擁塞(CF,Congestion Free)狀態。
[0096] 3)由于信標消息通過基于802. Up協議的DSRC無線通信模塊，采用單跳廣播周期 性的方式進行發送與接收，其產生的網絡負載主要占用了大部分的信道資源，而緊急安全 消息是在緊急情況下產生的，所W本發明主要對信標消息的發送功率和發送速率及緊急安 全消息的發送功率進行調整。當前車輛節點根據步驟2)獲得的當前車聯網的擁塞程度，進 行不同車聯網狀況下的擁塞控制，具體如下：
[0097] 31:完全擁塞狀態下的擁塞控制：
[0098] 為了盡快緩解擁塞狀況，此時當前車輛節點僅發送緊急安全消息外，不發送信標 消息，并對緊急安全消息的發送功率進行控制；
[0099] 32:嚴重擁塞狀態下的擁塞控制：
[0100] 當前車輛節點分別對信標消息的發送速率和發送功率進行控制，同時還對緊急安 全消息的發送功率進行控制；
[0101 ] 33:中度擁塞狀態下的擁塞控制：
[0102] 當前車輛節點一方面先對信標消息的發送速率進行控制，當信標消息的發送速率 減小到信標消息的發送速率最小值化EA min且車聯網狀況為中度擁塞狀態時，維持信標消息 的發送速率，并開始對信標消息的發送功率進行控制，另一方面還對緊急安全消息的發送 功率進行控制；
[0103] 34:無擁塞狀態下的擁塞控制：
[0104] 當前車輛節點W初始設置的發送速率和發送功率發送消息，不進行調整，只需實 時對網絡狀況進行探測，達到擁塞控制的目的。
[0105] 其中，上述步驟31-33中，當前車輛節點發生緊急狀況時在應用層產生相應的緊急 安全消息，對緊急安全消息的發送功率進行控制的方法包括W下步驟：
[0106] A:獲取觀測間隔內實時的緊急安全消息有效距離ER,滿足W下公式：
[0107]
[0108] 式中，ER2表示歐標中設定的與緊急安全消息對應的初始有效距離，并由鄰居節點 列表獲得，V表示設定的速度標準值，即初始有效距離對應的車速，可W參考道路限速來進 行設定，sgn( ?)表示符號函數，e表示自然底數，F表示觀測間隔OT內本車周圍鄰居車輛節 點的平均速度，其計算公式如下：
[0109]
[0110] 式中，k為某時刻鄰居節點列表中一跳范圍內車輛的數目，即觀測間隔內鄰居節點 列表中鄰居節點消息的個數，Vj為第j個鄰居節點消息的車輛速度。
[0111] B:通過查找緊急安全信息的傳輸距離所對應的發送功率表，根據ER得到匹配的功 率值作為當前緊急安全消息的發送功率，緊急安全信息的傳輸距離所對應的發送功率表如 表3所不：
[0112] 表3 「01191
[0114] 上述步驟32、33中，對信標消息的發送速率進行控制（簡稱RCM)的方法包括W下步 驟：
[0115] a:獲取觀測間隔內車流量密度指數K，滿足W下公式：
[0116]
[0117] 式中，A表示預設的車輛節點靈敏度歸一化參數，A 3 〇.〇27，Q表示預設的交通運輸 網絡的服務質量，Q - 0，參數fS與交通流和車輛移動速度有關，fS E [0，1 ]，且隨著交通流從 自由流到擁塞流變化，fS逐漸增加；
[0118] b:利用信標消息發送速率調整機制公式獲取下一個觀測間隔內信標消息的發送 速率，信標消息發送速率調整機制公式如下：
[0119]
[0120] 式中，RbeaU)表示第i個觀測間隔OT內信標消息的發送速率，RBEA(i+l)表示第Q+ 1)個觀測間隔OT內信標消息的發送速率，S是權衡擁塞程度化與車流量密度指數K的權重因 子，S e [0，1 ]，因為信標消息的發送速率有最小值限制，所W信標消息發送速率調整機制公 式更新為：
[0121]
[0122] 式中，Rbea min表示信標消息的發送速率最小值，當信標消息的發送速率減小為最 小值后就維持該最小值不變。
[0123] 上述步驟32、33中，對信標消息的發送功率進行控制（簡稱PCM)的方法為:根據信 標消息發送功率調整公式獲取下一個觀測間隔內信標消息的發送功率，信標消息發送功率 調整公式如下：
[0124]
[012引式中，PbeaU)表示第i個觀測間隔OT內信標消息的發送功率，PBEA(i + l)表示第（i + 1)個觀測間隔OT內信標消息的發送功率，Pmin為信標消息允許的最小發送功率。
[0126] W車輛節點A的車聯網擁塞控制為例，車輛節點A最初W-定的功率和速率周期性 的發送信標消息，記錄下此時車輛節點A發送信標消息的速率為化EA(O)和發送功率Pbea(O), 則擁塞控制過程為(為說明實施方式，下面計算中先預設了一些場景數值，運些數值均可W 通過實車通過車載終端獲取，同時利用相關硬件實現空閑信道評估，預設數組僅作為說明 實施例使用）：
[0127] (1)打開車載終端，通過GI^模塊與DSRC無線通信模塊，車輛節點A與周圍鄰居車輛 節點交換消息，車輛通過消息維持一個鄰居節點列表，假設此時車輛節點A維護的鄰居節點 列表中有30個鄰居節點消息。
[0128] (2)利用鄰居節點列表，通過對車聯網進行探測得到網絡當前的擁塞程度化值。
[0129] ①首先計算信道利用率CU
[0130] 假巧觀測間隔OT為50ms，時隙OTs為2ms，有19個時隙OTs內CCA評估為信道忙，利用 公式
I到此時的信道利用率CU為0.76。
[0131] ②計算包通過率PTR
[0132] 假設此時收到的總的數據量為2.46Mbit/s，利用公得到此時 的包通過率PTR為0.82。
[0133] ③計算平均傳輸時延AD
[0134] 假設此時通過對鄰居節點列表中毎個鄰居節點消息對應的牛成時間和接收時間 計算出平均傳輸時延為Wms,則根據公式.
得到平均傳 輸時支
[0135] ④計算網絡的擁塞程度化
[0136] 假設a、0、丫均為1/3，則對應的擁塞程度化=(0.76+0.82+0.74)/3 = 77.3%，判斷 此時網絡為嚴重擁塞。
[0137] (3)通過擁塞探測判斷此時網絡為嚴重擁塞狀態，車輛節點A-方面進行信標消息 的發送功率和信標消息的發送速率聯合調整，即計算出當前的車流量密度指數K，利用信標 消息發送速率調整機制公式計算出下一個觀測間隔內的信標消息發送速率，當信標消息的 發送速率減小為最小值后就維持該最小值，同時利用信標消息發送功率機制公式計算出下 一個觀測間隔內的信標消息發送功率;另一方面對緊急安全消息的發送功率進行控制。
[013引假設參數fs取0.9,A 3 0.027，Q S 0,根據公5
尋到車流量密 度 K = O.213;
[0139] Rbea(O)表示當前OT內車輛節點A發送信標消息的發送速率，Rbea(I)為下一個OT內 車輛節點A發送信標消息的發送速率，S取0.6，則
[0140] I?bea( 1) =min)0.578Rbea(0)，I^BEtain)
[0141] Pbea(O)表示當前OT內車輛節點A發送信標消息的發送功率，Pbea(I)表示下一個OT 內車輛節點A發送信標消息的發送功率，貝U
[0142]

[0144]
[0143] 當車輛節點A發生緊急事故，如緊急剎車，應用層產生相關的緊急安全消息，并標 記其優先級為2,初始有效距離ER2為200m，對應的速度標準值V為80KMA。假設通過對車輛 ^ ^At^n節點列表中的鄰居節點車速進行計算得到此時A附近車輛的平均速度 叫實時有效距離為：
[0145] 查找表3,找到匹配的功率值為14地m，則此時緊急安全消息的發送功率為14地m。
[0146] (4)車輛節點A在下一個觀測間隔OT內重復步驟（1)(2)，同時根據不同的擁塞程 度，選擇不同的擁塞控制方法。
[0147] 綜上，本發明提供了一直全新的基于車車之間的通信對網絡的擁塞狀況進行探測 的方法，能夠實時、準確的對網絡的擁塞程度進行評估，提高了擁塞探測的準確性，同時，本 發明還提供了基于功率和速率聯合調整的方式，能快速降低網絡負載，有效緩解網絡的擁 塞狀況，提高了緊急安全消息廣播的可靠性，從而減小因網絡過于擁塞導致緊急安全消息 無法發送造成的安全隱患，在VANET中的擁塞探測及擁塞控制方面具有重要意義。
【主權項】
1. 一種基于功率和速率聯合調整的車聯網擁塞控制方法，車聯網中當前車輛節點與鄰 居車輛節點之間交互信息，所述信息包括信標消息和緊急安全消息，其特征在于，該方法包 括W下步驟： 1) 當前車輛節點維持一個鄰居節點列表，所述鄰居節點列表由多條鄰居節點信息構 成，每條鄰居節點信息根據鄰居車輛節點接收發送的信息生成，包括發送該信息的鄰居車 輛節點的車輛ID號、鄰居車輛節點發送該信息時的速度、鄰居車輛節點生成消息的時間和 當前車輛節點接收信息的時間； 2) 當前車輛節點W信道利用率、包通過率和平均傳輸時延為車聯網狀況的評估標準， 所述車聯網狀況根據擁塞程度的數值從大到小依次劃分為完全擁塞狀態、嚴重擁塞狀態、 中度擁塞狀態和無擁塞狀態，當前車輛根據鄰居節點列表得到觀測間隔內當前車聯網的擁 塞程度； 3) 當前車輛節點根據當前車聯網的擁塞程度進行不同車聯網狀況下的擁塞控制； 所述完全擁塞狀態下的擁塞控制為：當前車輛節點停止發送信標消息，并對緊急安全 消息的發送功率進行控制； 所述嚴重擁塞狀態下的擁塞控制為：當前車輛節點分別對信標消息的發送速率和發送 功率進行控制，同時還對緊急安全消息的發送功率進行控制； 所述中度擁塞狀態下的擁塞控制為：當前車輛節點一方面先對信標消息的發送速率進 行控制，當信標消息的發送速率減小到信標消息的發送速率最小值且車聯網狀況為中度擁 塞狀態時，維持信標消息的發送速率，并開始對信標消息的發送功率進行控制，另一方面還 對緊急安全消息的發送功率進行控制； 所述無擁塞狀態下的擁塞控制為：當前車輛節點W初始設置的發送速率和發送功率發 送消息。2. 根據權利要求1所述的一種基于功率和速率聯合調整的車聯網擁塞控制方法，其特 征在于，所述消息的基本數據內容包括:車輛ID、優先級、速度、生成該消息的時間和數據信 息，所述優先級用于區別信標消息和緊急安全消息。3. 根據權利要求1所述的一種基于功率和速率聯合調整的車聯網擁塞控制方法，其特 征在于，所述信道利用率滿足W下公式：式中，CU表示觀測間隔內的信道利用率，0T表示觀測間隔，每個觀測間隔0T劃分成N個 時隙OTs，當第i個時隙OTs內信道檢測是忙時，bi記為1，否則，b功0。4. 根據權利要求1所述的一種基于功率和速率聯合調整的車聯網擁塞控制方法，其特 征在于，所述包通過率滿足W下公式：式中，PTR表示觀測間隔內的包通過率，ΟΤ表示觀測間隔，η表示觀測間隔ΟΤ內節點收到 消息的個數，Pkti表示第i個消息的大小，ε表示歸一化的網絡流量。5. 根據權利要求1所述的一種基于功率和速率聯合調整的車聯網擁塞控制方法，其特 征在于，所述平均傳輸時延率滿足W下公式：式中，AD表示觀測間隔內的平均傳輸時延，Μ表示觀測間隔0Τ內鄰居節點列表中鄰居節 點信息的個數，Tre。,康示第i個鄰居節點信息中鄰居車輛節點生成消息的時間，Tgen,康示 第i個鄰居節點信息中當前車輛節點接收信息的時間，P表示消息傳遞時延最短的時間。6. 根據權利要求1所述的一種基于功率和速率聯合調整的車聯網擁塞控制方法，其特 征在于，所述擁塞程度滿足W下公式： 化=α . cu+β · PTR+丫 · AD α+β+ γ = 1 式中，CL表示觀測間隔內當前車聯網的擁塞程度，CU表示觀測間隔內的信道利用率， PTR表不觀測間隔內的平均傳輸時延，AD表不觀測間隔內的包通過率，α、β、丫分別對應表不 CU、PTR、AD的加權因子。7. 根據權利要求1所述的一種基于功率和速率聯合調整的車聯網擁塞控制方法，其特 征在于，所述對緊急安全消息的發送功率進行控制的方法包括W下步驟： A:獲取觀測間隔內實時的緊急安全消息有效距離ER，滿足W下公式：式中，ER2表示與緊急安全消息對應的初始有效距離，戸表示觀測間隔0T內鄰居車輛節 點的平均速度，并由鄰居節點列表獲得，V表示設定的速度標準值，sgn( ·)表示符號函數，e 表示自然底數。 B:通過查找緊急安全信息的傳輸距離所對應的發送功率表，根據邸得到匹配的功率值 作為當前緊急安全消息的發送功率。8. 根據權利要求1所述的一種基于功率和速率聯合調整的車聯網擁塞控制方法，其特 征在于，所述對信標消息的發送速率進行控制的方法包括W下步驟： a:獲取觀測間隔內車流量密度指數K，滿足W下公式：式中，λ表示預設的車輛節點靈敏度歸一化參數，Q表示預設的交通運輸網絡的服務質 量，參數fs與交通流和車輛移動速度有關，fs Ε [0，1 ]，且隨著交通流從自由流到擁塞流變 化，fs逐漸增加； b:獲取下一個觀測間隔內信標消息的發送速率，滿足W下公式：式中，RBEA(i)表示第i個觀測間隔ΟΤ內信標消息的發送速率，RbeaU+I)表示第（i+1)個 觀測間隔0T內信標消息的發送速率，δ是權衡擁塞程度化與車流量密度指數K的權重因子，δ Ε [ 0，1 ]，RBEMin表示信標消息的發送速率最小值。9. 根據權利要求1所述的一種基于功率和速率聯合調整的車聯網擁塞控制方法，其特 征在于，所述對信標消息的發送功率進行控制的方法為:根據信標消息發送功率調整公式 獲取下一個觀測間隔內信標消息的發送功率，信標消息發送功率調整公式如下：式中，PBEA(i)表示第i個觀測間隔0T內信標消息的發送功率，PBEA(i + l)表示第（i + 1)個 觀測間隔0T內信標消息的發送功率，Pmin為信標消息允許的最小發送功率。10. 根據權利要求1所述的一種基于功率和速率聯合調整的車聯網擁塞控制方法，其特 征在于，當前車聯網狀況劃分為完全擁塞狀態的條件為:觀測間隔內當前車聯網的擁塞程 度化滿足化^90 %; 當前車聯網狀況劃分為嚴重擁塞狀態的條件為:觀測間隔內當前車聯網的擁塞程度化 滿足90%〉化含60%; 當前車聯網狀況劃分為中度擁塞狀態的條件為:觀測間隔內當前車聯網的擁塞程度化 滿足 60%〉CL>30%; 當前車聯網狀況劃分為無擁塞狀態的條件為:觀測間隔內當前車聯網的擁塞程度化滿 足化<30%。
【文檔編號】H04W28/02GK105847177SQ201610146275
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月15日
【發明人】王平, 劉富強, 王超, 吳偉龍, 寧珍妮
【申請人】同濟大學