一种基于局部拓扑特征和车辆位置信息的城市VANET多跳广播方法技术

本发明专利技术涉及一种基于局部拓扑特征和车辆位置信息的城市VANET多跳广播方法，将道路分割成十字路口预选区(IPA)、十字路口区域(IA)和普通区域。处于IA区域和非IA区域的车辆以不同方式计算退避等待时间。在非IA区域，候选转发车辆依据上一跳车辆局部拓扑的特征信息和相对速度计算退避等待时间，IA区域的车辆依据距十字路口中心点的距离来计算退避等待时间。目标区域的IA中的车辆将具有额外的广播机会，若IA中没有车辆，则IPA中的车辆在进入IA时有机会进行广播。等待时间最先结束的节点会广播紧急消息，新消息可视为隐式ACK，收到来自十字路口ACK的车辆停止计时放弃转发。本发明专利技术能够保障紧急消息的实时可靠传输。

A Multi-hop Broadcasting Method for Urban VANET Based on Local Topological Features and Vehicle Location Information

The invention relates to a city VANET multi-hop broadcasting method based on local topological features and vehicle location information, which divides roads into intersection pre-selected area (IPA), intersection area (IA) and common area. Vehicles in IA area and non-IA area calculate backoff waiting time in different ways. In the non-IA region, the backoff waiting time of candidate forwarding vehicles is calculated based on the local topological information and relative speed of the last hop vehicle, and the backoff waiting time of the vehicles in IA region is calculated based on the distance from the center of the intersection. Vehicles in the IA in the target area will have additional broadcasting opportunities. If there are no vehicles in the IA, the vehicles in the IPA will have the opportunity to broadcast when entering the IA. The node whose waiting time ends first broadcasts the emergency message. The new message can be regarded as an implicit ACK. Vehicles received from the ACK at the intersection stop timing and give up forwarding. The invention can guarantee the real-time and reliable transmission of emergency messages.

【技术实现步骤摘要】
一种基于局部拓扑特征和车辆位置信息的城市VANET多跳广播方法
本专利技术属于车载自组网通信
，具体是一种为了实现紧急消息在城市VANET中实时可靠传输的基于局部拓扑特征和车辆位置信息的多跳广播方法。
技术介绍
VANET(VehicularAdHocNetwork)是一种特殊的移动自组织网络，具有传统自组织网络不同的特性，主要表现在车辆节点高速移动、网络拓扑快速变化、无线信道质量不稳定、自组织性、去中心化等特点。利用VANET，移动车辆能够快速准确的收集实时道路交通信息，并及时通知邻近车辆前方潜在的危险事件，避免产生更严重的事故，对于构建智慧交通系统有着非凡意义。本专利技术提出的方法主要服务于这一类行车安全性应用。对于车载网络面向安全应用的消息传输，主要采用广播的方式，包括单跳和多跳通信。然而，不同于高速公路，城市交通环境更为复杂，因为道路拓扑形式更多样导致车辆行驶方向多变，高楼大厦等障碍物对无线通信信号的传输造成严重的阴影效应，导致数据包的丢失。现有VANET多跳广播方法大多是着眼于端到端通信，即已知源节点和终点，通过多跳广播把消息从源节点传到终点，一般在直路有很好的消息覆盖效果，而在十字路口往往只能保障消息在其中一个路段传输而未能完全覆盖其它路段。在挑选中继节点时，现有多数方法都会考虑车辆节点之间固定的相对距离这一因素，为了能更快地将消息传向远方，往往退避等待时间与相对距离成反比，然而在低车流密度场景下可能存在较远处并没有候选车辆，而较近处的候选车辆仍需等待较久的时间才能转发，从而出现“慢反应”问题，降低了转发效率；而有些方法在计算退避等待时间时仅考虑距离因素，导致有着与发送节点相同距离的候选车辆冗余广播，造成“局部广播风暴”问题。有些广播方法过分依赖路边通信单元(RSU)，导致实际应用场景有所局限。最后，现有大多数方法都忽略了十字路口周边障碍物的影响，将直线路段与十字路口区域同等考虑。不能兼顾消息传输的实时性和可靠性需求。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提出了一种适用于城市环境下基于局部拓扑特征和车辆位置信息的多跳广播方法，以实现由事故触发的紧急消息在城市VANET中的实时可靠传输。根据接收到消息时车辆所处的区域来决定是否转发该消息以及相对应的退避过程。本专利技术采用如下技术方案：一种基于局部拓扑特征和车辆位置信息的城市VANET多跳广播方法，其特征在于：定义每个车辆节点都配备有电子地图和传感器收集自身位置、速度信息，并通过周期性广播的信标消息与其他节点互换这类信息，每个车辆节点Vi会在本地维护一个消息调度表S(i)，每个表项内容包括接收到的消息ID、消息的生存时间、是否是十字路口预选车标志(Flag)、重传次数、等待计时器、重广播等待计时器；广播方法包含以下步骤：S1：最先获悉某一交通事故的车辆作为源节点在自身通信范围内广播一个紧急消息，该紧急消息包括：紧急消息的基本信息：包括消息ID、消息的类型(type)、消息的产生时间(t0)和生存时间(T)；上一跳转发车辆的相关信息：包括行驶方向θ、位置坐标(x0,y0)和速度典型的特征信息：包括基于预测的有效通信距离(de)、交通密度(ρ)；S2：收到紧急消息的车辆节点首先检查自身的消息调度表查看该消息ID是否在表中已存在，并根据判断结果选择执行：若不在，表明接收到的是新消息，按步骤S3执行；若在，表明收到的是已接收过的消息，按步骤S4执行；S3：车辆根据消息中消息的类型、消息的传播方向和上一跳转发车辆的行驶方向信息判断自己是否在目标区域；若不在，则丢弃该消息；否则，将该消息放入数据缓存区，并将该消息的相关信息初始化后插入消息调度表中；然后车辆将根据自己是否处于IA区域，使用不同的方法来计算等待时间；若车辆处于IA区域，计算IWT，并将等待计时器的值置为IWT；若车辆不在IA区域，计算WT，将等待计时器的值置为WT，此时，如果车辆处于IPA区域，则将消息调度表中的Flag置为1；随后进入等待过程；S4：查看等待计时器是否正在运行，如果它的等待计时器还未停止，为了防止冗余广播，只有当该消息来自非IA区域且车辆处于十字路口且未收到所有来自连接路口各条路段上的隐式ACK时，继续计时，否则，取消等待计时；并且如果该消息在调度表中的Flag为1，即该车辆是十字路口预选车(IPV)时，若收到的消息来自IA，则将Flag置为0，此时该车辆不再是IPV；S5：等待时间最先结束的消息接收者成为转发节点，转发节点更新紧急消息调度表；只有此消息的生存时间还未结束，转发节点才会将此消息广播给周围节点，否则丢弃该紧急消息不再转发；如果是等待计时器时间结束，则车辆广播该紧急消息，并设置重广播等待计时，更新消息调度表；如果是重广播等待计时器时间结束，则车辆广播该紧急消息，并将重广播次数(Times)加一，判断当前重广播次数是否小于最大重广播次数(Tmax)，若小于，则重新设置重广播等待计时，否则，丢弃该紧急消息；终止自身等待过程，放弃新一轮广播紧急消息的资格；转发节点新广播的紧急消息可视作一种隐式ACK信号。在上述一种局部拓扑特征和车辆位置信息的城市VANET多跳广播方法，步骤S1中，为了帮助接收车辆做出最佳的中继决策，防止“慢反应”和“局部广播风暴”问题，发送车辆会将感知到局部拓扑信息嵌入到紧急消息的广播报文中；第一个典型特征信息：基于预测的有效通信距离de计算如下：假设当前发送节点为Vs，位置坐标为(xs,ys)，Ni为Vs的第i个邻居车辆，邻居表中记录着上一次交换信标消息的时间Told及当时该邻居车辆的速度Vold；首先，基于动力学预测Ni在当前时刻T所处的位置坐标(xi,yi)：然后，算出所有邻居车辆Ni与当前车辆Vs的距离dNi：则第二个典型特征信息：车流密度ρ计算如下：引用格林希尔治的速度-密度模型来估计实时的车流密度ρ，得到的实时密度的估计值为：在上述一种局部拓扑特征和车辆位置信息的城市VANET多跳广播方法，步骤S2中，紧急消息的接收者们会根据所处区域的不同，结合接收到的消息中发送车辆的特征信息，以两种不同的方式计算自己的等待时间：方式一、处于非IA区域的候选转发车辆等待时间WT计算如下：其中，R是车辆的最大通信距离，dij是发送车辆和接收车辆之间的距离，是该场景下的最大相对速度，WTmax为最大等待时间(根据以往研究的经验值，设置为100ms)，β是权重值，决定了各因素的影响大小，在我们的场景中，距离的影响要比相对速度更重要，所以β∈(0.5,1)，α是平衡因子来保证WT在一个合理的范围；方式二、处于IA区域的候选转发车辆等待时间IWT计算如下：为了最小限度的受到十字路口周边建筑物的干扰，我们会让最靠近十字路口中心的车辆优先转发；所以，djc是车辆和十字路口中心点之间的距离，dc是IA区域中距十字路口中心的最远距离。本专利技术提出的多跳广播方法是完全分布式的，不依赖RSU等设施，在挑选转发节点时不仅考虑了车辆移动还考虑了车辆局部拓扑特征和位置信息等因素，再配以消息确认和重传机制，不易受到网络拓扑频繁变化的影响，能有力保障紧急消息在城市VANET中的实时可靠传输。附图说明图1是本专利技术实施例的紧急消息数据帧格式示意图。图2是本专利技术实施例的道路划分区域的示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于局部拓扑特征和车辆位置信息的城市VANET多跳广播方法，其特征在于：定义每个车辆节点都配备有电子地图和传感器收集自身位置、速度信息，并通过周期性广播的信标消息与其他节点互换这类信息，每个车辆节点Vi会在本地维护一个消息调度表S(i)，每个表项内容包括接收到的消息ID、消息的生存时间、是否是十字路口预选车标志(Flag)、重传次数、等待计时器、重广播等待计时器；广播方法包含以下步骤：S1：最先获悉某一交通事故的车辆作为源节点在自身通信范围内广播一个紧急消息，该紧急消息包括：紧急消息的基本信息：包括消息ID、消息的类型(type)、消息的产生时间(t0)和生存时间(T)；上一跳转发车辆的相关信息：包括行驶方向θ、位置坐标(x0,y0)和速度

【技术特征摘要】
1.一种基于局部拓扑特征和车辆位置信息的城市VANET多跳广播方法，其特征在于：定义每个车辆节点都配备有电子地图和传感器收集自身位置、速度信息，并通过周期性广播的信标消息与其他节点互换这类信息，每个车辆节点Vi会在本地维护一个消息调度表S(i)，每个表项内容包括接收到的消息ID、消息的生存时间、是否是十字路口预选车标志(Flag)、重传次数、等待计时器、重广播等待计时器；广播方法包含以下步骤：S1：最先获悉某一交通事故的车辆作为源节点在自身通信范围内广播一个紧急消息，该紧急消息包括：紧急消息的基本信息：包括消息ID、消息的类型(type)、消息的产生时间(t0)和生存时间(T)；上一跳转发车辆的相关信息：包括行驶方向θ、位置坐标(x0,y0)和速度典型的特征信息：包括基于预测的有效通信距离(de)、交通密度(ρ)；S2：收到紧急消息的车辆节点首先检查自身的消息调度表查看该消息ID是否在表中已存在，并根据判断结果选择执行：若不在，表明接收到的是新消息，按步骤S3执行；若在，表明收到的是已接收过的消息，按步骤S4执行；S3：车辆根据消息中消息的类型、消息的传播方向和上一跳转发车辆的行驶方向信息判断自己是否在目标区域；若不在，则丢弃该消息；否则，将该消息放入数据缓存区，并将该消息的相关信息初始化后插入消息调度表中；然后车辆将根据自己是否处于IA区域，使用不同的方法来计算等待时间；若车辆处于IA区域，计算IWT，并将等待计时器的值置为IWT；若车辆不在IA区域，计算WT，将等待计时器的值置为WT，此时，如果车辆处于IPA区域，则将消息调度表中的Flag置为1；随后进入等待过程；S4：查看等待计时器是否正在运行，如果它的等待计时器还未停止，为了防止冗余广播，只有当该消息来自非IA区域且车辆处于十字路口且未收到所有来自连接路口各条路段上的隐式ACK时，继续计时，否则，取消等待计时；并且如果该消息在调度表中的Flag为1，即该车辆是十字路口预选车(IPV)时，若收到的消息来自IA，则将Flag置为0，此时该车辆不再是IPV；S5：等待时间最先结束的消息接收者成为转发节点，转发节点更新紧急消息调度表；只有此消息的生存时间还未结束，转发节点才会将此消息广播给周围节点，否则丢弃该紧急消...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄传河，杨金羚，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42