一种基于交叉路口的分布式城市车联网路由方法技术

本发明专利技术公开了一种基于交叉路口的分布式城市车联网路由方法，将等待在交叉路口的车辆组成车辆雾，先应式地建立与相邻交叉路口间的多跳链路，使得相邻的交叉路口保持着多跳连接状态，能够减少消息在交叉路口间的传输延时；同时，交叉路口车辆雾采用模糊逻辑评估相邻路段的路况，反映了道路的车辆密度，在路由决策时根据路段路况优先选择出车辆密度高的线路作为路由线路。在每次路由决策，交叉路口车辆雾根据目的车辆实时位置使用蚁群优化算法为数据包路由搜索一条最优路由路径，通过该路由路径上的多跳链路将数据包传递至一个离目的交叉路口更近的中间目的交叉路口，通过多次的路由制定，数据包最终到达传送至目的车辆。

A distributed urban vehicle network routing method based on crossroads

The invention discloses a distributed urban vehicle network routing method based on intersections. Vehicles waiting at intersections are composed of vehicle fog, and multi-hop links between adjacent intersections are established in advance, so that adjacent intersections maintain multi-hop connection state, and message transmission between intersections can be reduced. At the same time, the fuzzy logic is used to evaluate the condition of the adjacent road sections, which reflects the density of the road vehicles. In the routing decision-making, the route with high density of vehicles is selected as the routing route according to the condition of the road sections. In each routing decision, the vehicle fog at the intersection searches an optimal routing path for packet routing according to the real-time location of the destination vehicle using ant colony optimization algorithm. Finally, packets arrive at the destination vehicle.

【技术实现步骤摘要】
一种基于交叉路口的分布式城市车联网路由方法
本专利技术属于车辆自组织网络
，具体涉及一种基于交叉路口的分布式城市车联网路由方法的设计。
技术介绍
现如今，汽车行业正处于第二次革命的尖峰，将向新能源化、智能化和共享化方向发展。而车联网技术对于汽车行业的发展至关重要，是新能源汽车的基础配置、无人驾驶的基础，同时能提升共享汽车业务的用户体验。车联网(VANET)是多跳、自组织、无中心的无线分布式结构网络，是MANET(移动自组织网络)的一个特例。VANET是无线自组织网络的一个重要分支，主要应用在城市道路交通中，通过网络节点的自身特性，为车辆驾驶员提供安全服务和网络接入服务。VANET网络环境中，每个车辆装配有一个无线通信设备，道路周边分布固定的无线通信设备，通过这些设备，车辆驾驶员不仅可以获取城市交通信息，还可以与其他驾驶员通信，而且可以连接Internet，享受各种娱乐服务。因此VANET可以应用于驾驶导航、交通事故预警、道路信息统计等交通安全领域，同时可以为驾驶员或者乘客提供各种网络服务，通过这些应用，会有新的媒体平台和广告平台应运而生。车与一切事物的通信(V2X)是车联网研究的重要内容之一。车辆不仅与彼此进行交互，而且还与基础设施中的其他基础设施交互，以改善交通堵塞并提高安全性。车辆自组织网络主要包括车辆与车辆、车辆与路旁设备以及车辆与行人之间的直接或多跳通信，使得在现有道路网中动态、快速构建一个自组织、分布式控制的车辆专用短距离通信网络成为现实。作为一种特殊的自组织网络，车辆自组织网络是以移动车辆为主要节点的移动自组织网络，具有其独有的特点：(1)网络拓扑结构变化快，路径寿命短：由于车辆节点移动速度快，同一时刻对于网络会有多个车辆的离开和加入，网络链路变化快，拓扑结构也随时变化。(2)通信信道质量不稳定：受车辆速度，通信障碍物，道路交通情况等多种因素影响，车辆间的通信质量不稳定。(3)节点移动具有一维性：车辆只能沿着道路单向或双向行驶，因此可以根据移行驶方向，预测车辆节点的下一位置。(4)能量和空间不受限制：车辆可以放置大容量供电装置为设备源源不断地提供电源支持，大尺寸的天线也可以安装在车上来提高无线覆盖半径。(5)GPS、电子导航等仪器设备的支持：GPS能够精确定位车辆位置，提供准确时钟信息，利于进行时钟同步，配合电子地图可以为VANET提供地图等信息，导航仪可以根据实时更新的道路交通信息制定合理行驶路线。正是由于车联网所独有的特点，传统的移动自组织网络的路由协议不能适应车联网的动态变化，如何设计适应于车联网的高效的路由协议始终是车联网面临的一大挑战。而作为车联网研究的关键技术，路由协议对车联网性能好坏起着至关重要的作用，因此设计高效、可靠、实时的车联网路由协议具有一定的实际意义和研究价值。降低端到端的延时、提高包传输率和提高Qos是设计高效路由协议的目标。从目前的研究情况来看，车联网的主要路由方式包括：根据网络拓扑进行路由、根据车辆移动预测进行路由以及根据地理位置进行路由。根据网络拓扑信息的路由是基于车辆与车辆彼此之间连接状态，投递报文。基于拓扑路由主要包括两种：先应式和反应式。对于先应式路由，车辆之间的连接情况一旦有变化时，所维护的路由表就需要跟着变化。对于VANET网络来说，拓扑几乎每一刻都在更新，不管是采用单播还是广播的方式来通知路由消息，势必带来太大的网络负担，甚至可能导致VANET通信严重超荷而崩溃。对于反应式路由，节点只有在需要发送消息的时候，开启发现路由模式，并且车辆单单维护从源点要目的点的路由信息，当消息投递到最终的接收点时，这些路由表也会被老化。大量的研究表明，当车辆快速移动时，这两种路由不能及时收敛，路由表中存在很多不正确的路由信息，基于网络拓扑的路由对于VANET来说性能并不乐观。根据车辆移动预测的路由是根据当前车辆和道路的基本信息，估算出潜在的一些链路信息，在投递数据包时就可以避免选择那些即将失效的链路，提高报文的投递率。但是它的信息开销量很大，当节点高速运动时，车辆的位置以及相关数据都是瞬息万变的，车辆需要实时获取并且统计信息，并且快速计算，此解决方案不适用于道路拥堵的情况，所以移动预测路由的适用性不是很好。根据地理位置进行路由是基于节点地理位置信息进行路由判决。每辆车辆通过配备GPS，能够实时得到自己的地理位置坐标，节点不需要提前建立、存储和维护路由表，减少了很多网络开销，因此地理路由在车联网中应用最为广泛。然而车联网节点分布不均匀、运动轨迹受限等特性造成部分网络稀疏，而在稀疏的网络中很难找到下一跳中继从而造成路由性能差。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决城市车联网环境中的路由问题，提出了一种基于交叉路口的分布式城市车联网路由方法，旨在降低端到端的延时并提高包传输率。本专利技术的技术方案为：一种基于交叉路口的分布式城市车联网路由方法，包括以下步骤：S1、根据城市交通路段的交叉路口构建交叉路口模型。S2、在交叉路口模型中建立车辆雾并对车辆雾进行维护。S3、建立交叉路口的车辆雾与相邻交叉路口的多跳链路。S4、利用交叉路口的车辆雾对相邻路段进行质量评估。S5、根据步骤S3建立的多跳链路以及步骤S4得到的质量评估结果，为数据包路由制定路由线路并完成数据传递。本专利技术的有益效果是：(1)对基础设施的依赖性低：本专利技术利用等待在交叉路口的车辆形成车辆雾，以用来代替基础设施，充分利用了交叉路口等待车辆的计算、存储资源，减少了建立基础设施的开销，降低了车联网对基础设施的依赖。(2)对动态变化的城市车联网适应性强：本专利技术采用了分布式的路由策略，根据目的车辆的实时位置信息和道路上的路况制定路由线路，使得数据包的传输方向能够适应目的车辆位置的动态变化和网络拓扑的动态变化。(3)低延时性：本专利技术先应式地建立两个相邻交叉路口的多跳链路，并在制定路由策略时使用蚁群优化算法搜索一条低延时多跳链路。由于数据包在多跳链路上传递过程中，中继车辆节点只需转发数据包，减少了数据包的携带时间，大大降低了路由延时。(4)高传输率：本专利技术在数据路由过程中采用了两种方式传递数据包：只转发过程和携带-转发过程。当交叉路口车辆雾搜索最优路由路径成功时，这时的路由路径是一条多跳链路，因而沿着路由路径传递过程中只有转发过程。当最优路由路径搜索失败时，交叉路口车辆雾利用相邻路段上的车辆以携带-转发的方式将数据包传递至下个交叉路口，两种传递方式的配合使用大大提高了数据传输率。附图说明图1所示为本专利技术实施例提供的一种基于交叉路口的分布式城市车联网路由方法流程图。图2所示为本专利技术实施例提供的步骤S1的分步骤流程图。图3所示为本专利技术实施例提供的交叉路口模型示意图。图4所示为本专利技术实施例提供的建立车辆雾的方法流程图。图5所示为本专利技术实施例提供的对车辆雾进行维护的方法流程图。图6所示为本专利技术实施例提供的多跳链路构建过程流程图。图7所示为本专利技术实施例提供的多跳链路返回过程流程图。图8所示为本专利技术实施例提供的多跳链路存储过程流程图。图9所示为本专利技术实施例提供的步骤S4的分步骤流程图。图10所示为本专利技术实施例提供的路段密度三角形隶属函数示意图。图11所示为本专利技术实施例提供的密度变化量三角形隶属函数示意图。图12所示为本专利技术实施例提供本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于交叉路口的分布式城市车联网路由方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据城市交通路段的交叉路口构建交叉路口模型；S2、在交叉路口模型中建立车辆雾并对车辆雾进行维护；S3、建立交叉路口的车辆雾与相邻交叉路口的多跳链路；S4、利用交叉路口的车辆雾对相邻路段进行质量评估；S5、根据步骤S3建立的多跳链路以及步骤S4得到的质量评估结果，为数据包路由制定路由线路并完成数据传递。

【技术特征摘要】
1.一种基于交叉路口的分布式城市车联网路由方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据城市交通路段的交叉路口构建交叉路口模型；S2、在交叉路口模型中建立车辆雾并对车辆雾进行维护；S3、建立交叉路口的车辆雾与相邻交叉路口的多跳链路；S4、利用交叉路口的车辆雾对相邻路段进行质量评估；S5、根据步骤S3建立的多跳链路以及步骤S4得到的质量评估结果，为数据包路由制定路由线路并完成数据传递。2.根据权利要求1所述的分布式城市车联网路由方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下分步骤：S11、将交叉路口的车道分为进入车道和离开车道：若车道上的车辆驶入交叉路口，则该车道为进入车道，否则该车道为离开车道；S12、在每个进入车道上设置入界线、停止线和出界线3条传感线；所述停止线为位于人行道前的车辆停止标志线，所述入界线设置于停止线前R米处，所述出界线为进入车道和离开车道的分界线；S13、根据入界线、停止线和出界线划分进入域和离开域，完成交叉路口模型的构建；所述入界线和停止线之间的区域为进入域，所述停止线和出界线之间的区域为离开域。3.根据权利要求2所述的分布式城市车联网路由方法，其特征在于，所述步骤S2中建立车辆雾的方法具体为：A1、当有车辆进入交叉路口的进入域时，判断该车辆的邻居节点中是否存在该交叉路口的核心节点，若是则进入步骤A8，否则进入步骤A2；A2、判断该车辆所在车道是否处于红灯信号，若是则进入步骤A3，否则无法找到核心节点，车辆雾建立结束；A3、通过该车辆向所有邻居节点发送核心节点消息CBeacon；A4、当交叉路口内的车辆收到核心节点消息CBeacon时，判断其是否收到多个来自不同车辆发出的核心节点消息CBeacon，若是则进入步骤A6，否则进入步骤A5；A5、将发送核心节点消息CBeacon的车辆作为核心节点，进入步骤A8；A6、为每个发送核心节点消息CBeacon的车辆计算核心节点候选分值，计算公式为：其中Score(i)表示车辆节点Vi的核心节点候选分值，DD(Vi,SL)表示车辆节点Vi与停止线间的驾驶距离，vi表示车辆节点Vi的行驶速度，χ表示阻塞车道和通行车道的区分系数；A7、选择核心节点候选分值最高的车辆作为核心节点，进入步骤A8；A8、将核心节点及其所有邻居节点构成该交叉路口的车辆雾。4.根据权利要求3所述的分布式城市车联网路由方法，其特征在于，所述步骤S2中对车辆雾进行维护的方法具体为：B1、当交叉路口的核心节点进入离开域时，判断核心节点是否存在处于进入车道的邻居车辆，若是则进入步骤B2，否则无法找到核心节点继承人，核心节点离开交叉路口后，该交叉路口不能维持交叉路口信息，维护结束；B2、计算每个处于进入车道的邻居车辆的核心节点候选分值，计算公式为：其中Score(i)表示车辆节点Vi的核心节点候选分值，DD(Vi,SL)表示车辆节点Vi与停止线间的驾驶距离，vi表示车辆节点Vi的行驶速度，χ表示阻塞车道和通行车道的区分系数；B3、选择核心节点候选分值最高的邻居车辆作为核心节点继承人；B4、向核心节点继承人转发交叉路口信息；B5、核心节点继承人收到交叉路口信息后，成为新的核心节点，向其所有的邻居节点发送核心节点消息CBeacon，维护结束。5.根据权利要求4所述的分布式城市车联网路由方法，其特征在于，所述步骤S3包括多跳链路的构建过程、返回过程和存储过程；所述构建过程具体为：C1、通过交叉路口i的核心节点CNi生成目标为交叉路口j的多跳链路搜索消息MLSMessage，并将CNi的ID加入到MLSMessage的多跳链路表中；C2、判断CNi的邻居节点中是否存在满足下一个中继节点选取原则的车辆节点，若是则进入步骤C3，否则多跳链路构建失败，构建过程结束；所述下一个中继节点选取原则包括“距离更近”原则和“连接时间最长”原则，所述“距离更近”原则指下一个中继节点到目的交叉路口的距离比当前中继节点到目的交叉路口的距离更近；所述“连接时间最长”原则指在当前中继节点的所有满足“距离更近”原则的邻居节点中与当前中继节点的连接时间最长的那个节点将作为下一个中继节点；C3、将MLSMessage消息转发给下一个中继节点；C4、若交叉路口i和交叉路口j之间道路上的车辆节点收到MLSMessage消息，则将自己的ID加入到MLSMessage的多跳链路表中；C5、判断每个车辆节点的邻居节点中是否存在目的交叉路口j的核心节点，若是则进入步骤C8，否则进入步骤C6；C6、判断每个车辆节点的邻居节点中是否存在满足下一个中继节点选取原则的车辆节点，若是则返回步骤C3，否则进入步骤C7；C7、生成失败响应消息FRMessage，将MLSMessage中的路由表封装在FRMessage的路由表中，并将FRMessage转发给路由表中的上个中继节点，构建过程结束；C8、将MLSMessage消息转发给目的交叉路口j的核心节点；C9、若目的交叉路口j的核心节点收到MLSMessage消息，则将自己的ID加入到MLSMessage的多跳链路表中；C10、生成成功响应消息SRMessage，将MLSMessage中的路由表封装在SRMessage的路由表中，并将SRMessage转发给路由表中的上个中继节点，构建过程结束；所述返回过程具体为：D1、通过交叉路口i和交叉路口j之间道路上的车辆节点接收多跳链路构建响应消息；D2、判断该响应消息是否为成功响应消息SRMessage，若是则进入步骤D3，否则进入步骤D4；D3、将与上个转发节点间的单跳链路连接生命期记录在SRMessage中，并将SRMessage转发给路由表中的上个中继节点，返回过程结束；D4、将FRMessage转发给路由表中的上个中继节点，返回过程结束。所述存储过程具体为：E1、通过交叉路口i的核心节点CNi接收多跳链路构建响应消息；E2、判断该响应消息是否为成功响应消息SRMessage，若是则进入步骤E3，否则存储过程结束；E3、计算SRMessage中保存的多跳链路的生命期；所述多跳链路的生命期的计算公式为：其中MLT(P)表示由节点V1,V2,...,Vq组成的多跳链路P＝{l1,2,l2,3,...,lq-1,q}的生命期，LT(li,i+1)表示车辆Vi、Vi+1之间单跳链路li,i+1的连接生命期；任意两个车辆Vi、Vj之间单跳链路li,j的连接生命期LT(li,j)为：LT(li,j)＝rt(li,j)×T(li,j)(3)其中T(li,j)表示任意两个车辆Vi、Vj之间的连接时间，其计算公式为：公式(4)中：其中R为车辆之间的通信半径，矢量ΔD和ΔV分别表示t时刻车辆Vi、Vj之间的距离和速度差；rt(li,j)表示t时刻车辆Vi、Vj之间的单跳通信将会在接下来的T(li,j)内连续可用的概率，其计算公式为：公式(6)中：其中车辆Vi、Vj的速度差服从高斯分布，μ为高斯分布的均值，σ为高斯分布的标准差，T表示车辆Vi、Vj间的连接时间，即T(li,j)；E4、将该多跳链路及其生命期保存到本地多跳链路表中，存储过程结束。6.根据权利要求5所述的分布式城市车联网路由方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下分步骤：S41、通过交叉路口的核心节点收集路段信息；所述路段信息包括当前路段车数即将离开路段的车辆数和即将进入路段的车辆数S42、根据路段信息计算当前路段密度和密度变化量并将其作为模糊逻辑输入值；当前路段密度的计算公式为：其中表示当前路段的长度；当前路段密度变化量的计算公式为：S43、对模糊逻辑输入值进行模糊化处理，计算得到路段密度的隶属度集合μD(d)＝[αLow(d),αMediam(d),αHigh(d)]和密度变化量的隶属度集合μΔD(Δd)＝[αWorse(Δd),αBad(...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙健，张益静，孙罡，廖丹，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51