一种基于自适应功率的车载网可靠通信方法技术

本发明专利技术公开了一种基于自适应功率的车载网可靠通信方法，属于数字通信领域。传统的路由协议中车辆采用固定的传输范围，但是由于车辆的高速移动导致车载自组织网络中的车辆密度快速变化，为了配合不同时当车辆选择不同的传输范围和传输功率，本发明专利技术提出基于自适应功率的车载网可靠通信方法。本发明专利技术提供的方法在道路段和道路交叉口根据车辆的速度的方向计算车辆间通信链路的通信时间，综合节点的链路的可靠性，地理前进距离及竞争窗口的大小等设置邻居节点的定时器，做出路由决策，更高优先级的节点具有更小的等待时间，在所有邻居节点中的拥有最高优先级的节点将最先发送数据包，保证车辆之间通信时的数据包投递的成功率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于自适应功率的车载网可靠通信方法
本专利技术涉及VANET网络的特点以及路由协议设计中存在数据包的投递率较低的问题，尤其涉及一种适用于城市场景下的基于功率控制的可靠通信方法(ReliableCommunicationMethodBasedonAdaptivePowerControl，APCRC)，属于数字通信了领域。
技术介绍
近年来，随着汽车工业技术、通信技术、计算机技术等领域的飞速发展，智能交通系统(IntelligentTransportationSystem，ITS)应运而生。车载自组织网络(VehicularAd-HocNetworks，VANETs)是一种应用场景下的移动自组织网络(MobileAd-HocNetworks，MANETs)，是由配备通信传输模块的车辆为节点组成的、无中心、自组织、拓扑变化较频繁的实体网络。在车载自组织网络的车车通信(Vehicles-to-Vehicles，V2V)中，通信协议的性能好坏对数据传输可靠性与有效性起到关键作用。传统路由协议由于其工作机制，反应机理上存在差异，导致在不同路由协议下分组投递率(PacketDeliveryRatio，PDR)，平均端到端时延(EndtoEndDelay，E2ED)和网络负载(OverheadRatio，OR)存在不同差异。因此，设计出适应城市环境下的路由协议算法。现阶段的大部分路由协议一般都是采用固定的传输范围，它们没有解决根据本地交通状况调整QoS参数或调整传输功率的问题。但是在实际的城市环境中车辆密度的不均匀，在车辆间通信的过程中通信链路的持续时间对消息的传输是至关重要的。在稀疏的交通环境下通过扩大传输范围可以增加通信链路的持续时间，然而较大的车辆传输范围将会产生高水平的干扰和较高的网络开销。因此在城市交通环境中，选择适当的车辆传输范围是十分重要的。目前链路可靠性模型的重点应用在高速公路场景中，在本专利技术中创新性的将其优化为适用城市场景中，以增强通信链路的可靠性。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于自适应功率的车载网可靠通信方法，目的在于改善VANET中车辆结点在城市不同交通环境下的通讯状况。在城市环境中，车辆节点固定的传输范围的，不能解决由于城市环境中的车辆密度分布不均匀在通信传输中带来的不利影响。在车辆密度较小时，即道路上的车辆较为稀疏的情况下，本地节点传输范围内的车辆很少，导致通信中断，增大传输范围有利于提高通信的连通性。由于在城市环境中的车辆高速移动导致VANET的拓扑快速变化，车辆之间的链路可靠性较差，所以在决策时采用链路可靠性模型。本专利技术综合考虑车辆移动性信息，道路车辆密度信息，节点链路可靠性等方面的影响，提出一种适用于城市场景下的基于自适应功率的车载网可靠通信方法(ReliableRoutingProtocolBasedonAdaptivePowerControl，APCRC)，根据道路上的车辆密度的不同动态的设置节点的传输范围，设置相应的传输功率。在节点决策时综合考虑链路可靠性和地理前进距离两方面的因素。如果还未找到合适下一跳节点，采用路由存储转发机制，提高转发率。APCRC路由协议主要分为两个阶段：邻居节点发现阶段和数据包转发阶段，邻居节点发现过程中主要完成网络中节点捕捉与消息流交换，这些信息是判定最佳下一跳选择的参考。当网络中任意一个节点需要向目标节点发送数据时，则切换到数据包转发过程。数据发送阶段主要是将发送车辆的数据以最可靠的路径及高效率发送给接收车辆。APCRC路由协议流程如附图1所示。本专利技术采用的技术方案是：步骤一：首先采用动态广播机制，接收广播信息流更新直接邻居列表信息。不同于以往经典路由协议中采用主动式固定周期信标交换机制，本专利技术采用一种动态信息流广播机制来维护实时性更高的直接邻居列表。动态信息广播机制是VANET中车辆节点通过定位导航设备获得各自节点的位置信息和驾驶信息后，传输范围内相邻车辆节点进行周期性信标信息交换，当每个车辆节点捕获一跳范围内各个车辆节点信息后，建立属于自己的直接邻居列表。当交通网络中有数据包需要传输的时候，再执行路由转发策略，从符合传输条件的直接邻居表中选择最优的下一跳转发节点。这个过程是数据包传输的基础，合理的信息广播机制将对VANET路由协议的性能产生重要的影响。车辆节点在更新自身位置信息的同时周期性广播信息流，利用这一跳信息通知邻居节点。信息流周期对路由协议性能有一定影响，若广播周期较小，信息将会在短时间内不断更新，信息的出错率和路由开销将会变大；反之，若周期较大，则节点相关信息不能保证实时传递，影响下一跳或者多跳节点的选取。在动态信标交换机制中，信标广播的周期大小采用一种动态方法确定，如公式(1)所示，它受车辆节点速度影响。当车辆速度小于一个预设最小值vMIN时，广播周期时间为最大值TMAX。当车辆速度大于一个预设最大值vMAX时，广播周期时间为最小值TMIN。当车辆速度在vMIN+(i)step和vMIN+(i+1)step之间时，则采用TMIN+i·Thr来表示。Thr表示在该速度上选定的阈值，i表示在该速度上所选择的权重。周围邻居节点接收到节点发送的广播信息流后，对相应信息进行添加或删除操作，以达到更新列表的目的。在此过程中记录邻居节点数量，获得这些信息后，这个邻居节点集合中的最佳节点被选取作为转发节点。VANET中剩余节点等待自身是否有数据需要传送给其他节点，同时检查自身是否成为转发节点进行数据转发，若上述两点都不存在，则该车辆节点将继续等待广播；如果有数据需要发送或成为转发节点转发，节点就会进入数据转发阶段。步骤二：然后进行判断是否要转发数据包，如果要转发数据包，进入步骤三；否则返回步骤一，进入邻居节点发现阶段。步骤三：接着进行车辆转发位置判定，要判断是否获得目标节点的信息，如果没有获得目标节点的信息，就要进入位置反馈系统来获取节点的位置信息，接着进入下一步；若已获得目标节点的信息，直接进入步骤四。步骤四：判断目标节点是否在当前节点的通信半径内，如果在通信半径内的话，数据直接发送给目标节点，完成本次的路由转发；如果不在传输范围内，进入到步骤五。步骤五：如果目标节点不在节点的传输范围内，根据本地车辆节点的密度选择节点的传输范围，Hello消息周期性发送给一跳内邻居节点的位置与速度信息，本地节点能够获得传输范围内邻居节点的车辆信息和道路信息，综合以上信息可得出当前道路上车辆节点的密度，然后根据车辆密度设置节点的传输范围。在VANET中每个节点都会周期性向一跳范围内的邻居节点广播自己的Hello消息，Hello消息中包含该节点的道路地址(Road_ID)，车辆编号(Vechicle_ID)，车辆速度、方向、计数(count)等信息。当本地节点接收到邻居节点A发送的Hello消息时，首先根据已经收到的消息和此条Hello消息比较，若邻居节点集合中的N-neighbor_main_addr(第N个邻居节点的主地址)与邻居节点A中的main_addr(节点A的Hello消息的主地址)相同时，则说明本地节点已经收到过邻居节点A的Hello消息，此时更新本地节点的邻居节点集合中节点A的信息，同时刷新消息的有效时间。若邻居节点集合中的N-neigh本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于自适应功率的车载网可靠通信方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：首先采用动态广播机制，接收广播信息流更新直接邻居列表信息；步骤二：然后进行判断是否要转发数据包，如果要转发数据包，进入步骤三；否则返回步骤一，进入邻居节点发现阶段；步骤三：接着进行车辆转发位置判定，要判断是否获得目标节点的信息，如果没有获得目标节点的信息，就要进入位置反馈系统来获取节点的位置信息，接着进入下一步；若已获得目标节点的信息，直接进入步骤四；步骤四：判断目标节点是否在当前节点的通信半径内，如果在通信半径内的话，数据直接发送给目标节点，完成本次的路由转发；如果不在传输范围内，进入到步骤五；步骤五：如果目标节点不在节点的传输范围内，根据本地车辆节点的密度选择节点的传输范围，Hello消息周期性发送给一跳内邻居节点的位置与速度信息，本地节点能够获得传输范围内邻居节点的车辆信息和道路信息，综合以上信息可得出当前道路上车辆节点的密度，然后根据车辆密度设置节点的传输范围；步骤六：为响应不同的传输范围，根据以上的信息在双反射模型传播模型中，计算车辆节点的发送功率；步骤七：根据车辆节点的在道路上的位置，选择适当的链路可靠性模型，当车辆在道路段时，选择基本的链路可靠性模型；当车辆节点道路交叉口时，选择正交速度小链路模型；步骤八：根据步骤六，如果当前节点在同一条道路上，即转发车辆在路段上，采用基本的节点链路可靠性模型；步骤九：根据步骤六的信息如果车辆在道路的交换交叉口，采用转发正交速度下的链路可靠性模型；步骤十：综合节点的链路可靠性和地理前进距离及竞争窗口的大小等因素为计算邻居节点设置定时器，邻居节点将根据等待定时器来分布式的进行转发决策，在所有邻居节点中的拥有最高优先级的节点将最先发送数据包；步骤十一：如果不存在最佳的下一跳，启动存储转发机制，等待固定时间间隔后，进行判断是否有效找到下一跳转发节点，如果找到有效的下一跳，进入步骤六；如果没找到有效的下一跳，丢弃数据包，向上层报告错误，路由过程结束。...

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应功率的车载网可靠通信方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：首先采用动态广播机制，接收广播信息流更新直接邻居列表信息；步骤二：然后进行判断是否要转发数据包，如果要转发数据包，进入步骤三；否则返回步骤一，进入邻居节点发现阶段；步骤三：接着进行车辆转发位置判定，要判断是否获得目标节点的信息，如果没有获得目标节点的信息，就要进入位置反馈系统来获取节点的位置信息，接着进入下一步；若已获得目标节点的信息，直接进入步骤四；步骤四：判断目标节点是否在当前节点的通信半径内，如果在通信半径内的话，数据直接发送给目标节点，完成本次的路由转发；如果不在传输范围内，进入到步骤五；步骤五：如果目标节点不在节点的传输范围内，根据本地车辆节点的密度选择节点的传输范围，Hello消息周期性发送给一跳内邻居节点的位置与速度信息，本地节点能够获得传输范围内邻居节点的车辆信息和道路信息，综合以上信息可得出当前道路上车辆节点的密度，然后根据车辆密度设置节点的传输范围；步骤六：为响应不同的传输范围，根据以上的信息在双反射模型传播模型中，计算车辆节点的发送功率；步骤七：根据车辆节点的在道路上的位置，选择适当的链路可靠性模型，当车辆在道路段时，选择基本的链路可靠性模型；当车辆节点道路交叉口时，选择正交速度小链路模型；步骤八：根据步骤六，如果当前节点在同一条道路上，即转发车辆在路段上，采用基本的节点链路可靠性模型；步骤九：根据步骤六的信息如果车辆在道路的交换交叉口，采用转发正交速度下的链路可靠性模型；步骤十：综合节点的链路可靠性和地理前进距离及竞争窗口的大小等因素为计算邻居节点设置定时器，邻居节点将根据等待定时器来分布式的进行转发决策，在所有邻居节点中的拥有最高优先级的节点将最先发送数据包；步骤十一：如果不存在最佳的下一跳，启动存储转发机制，等待固定时间间隔后，进行判断是否有效找到下一跳转发节点，如果找到有效的下一跳，进入步骤六；如果没找到有效的下一跳，丢弃数据包，向上层报告错误，路由过程结束。2.根据权利要求1所述的一种基于自适应功率的车载网可靠通信方法，其特征在于：步骤一中所述的动态信息广播机制是：车载自组织网络中车辆节点通过定位导航设备获得各自节点的位置信息和驾驶信息后，传输范围内相邻车辆节点进行周期性信标信息交换，当每个车辆节点捕获一跳范围内各个车辆节点信息后，建立属于自己的直接邻居列表，当交通网络中有数据包需要传输的时候，再执行路由转发策略，从符合传输条件的直接邻居表中选择最优的下一跳转发节点；车辆节点在更新自身位置信息的同时周期性广播信息流，利用这一跳信息通知邻居节点；在动态信标交换机制中，信标广播的周期大小采用一种动态方法确定，如公式(1)所示，它受车辆节点速度影响。当车辆速度小于一个预设最小值vMIN时，广播周期时间为最大值TMAX，当车辆速度大于一个预设最大值vMAX时，广播周期时间为最小值TMIN，当车辆速度在vMIN+(i)step和vMIN+(i+1)step之间时，则采用TMIN+i·Thr来表示，Thr表示在该速度上选定的阈值，i表示在该速度上所选择的权重。3.根据权利要求1所述的一种基于自适应功率的车载网可靠通信方法，其特征在于：步骤五中所述的Hello消息中包含该节点的道路地址，车辆编号，车辆速度、方向、计数信息，当本地节点接收到邻居节点A发送的Hello消息时，首先根据已经收到的消息和此条Hello消息比较，若邻居节点集合中的第N个邻居节点的主地址与邻居节点A中节点A的Hello消息的主地址相同时，则说明本地节点已经收到过邻居节点A的Hello消息，此时更新本地节点的邻居节点集合中节点A的信息，同时刷新消息的有效时间，若邻居节点集合中的第N的邻居节点的主地址与邻居节点A中节点A的Hello消息的主地址不相同，则将节点A进入到本地节点的邻居节点集合中，同时计数加1。4.根据权利要求1所述的一种基于自适应功率的车载网可靠通信方法，其特征在于：步骤五中所述的设置节点的传输范围过程如下：依靠本地节点密度的传输范围：其中，是交通流量的理论常数，L是其车辆估计其初始本地车辆密度的路段长度，K为给定车辆的局部车辆密度，以道路上存在于其范围内的实际车辆数AN与当前传输...

【专利技术属性】
技术研发人员：王桐，李娜，李升波，张健锋，杨光新，高山，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23