基于簇的公路车载自组织网络数据服务通信系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于簇的公路车载自组织网络数据服务通信系统，包括车辆节点、路边单元（RSU）以及数据库服务器，其中车辆节点中的簇头节点将所在簇的其他成员发送的交通/环境信息数据及服务需求信息进行整合上传到路边单元RSU，再将从路边单元RSU收到的数据传输给其所在簇的其他成员车辆；本发明专利技术还公开了该系统的通信方法，结合了车联网特性，将车辆行驶速度、车辆速度、连接性、驾驶员行为考虑在簇头选择指标内。本发明专利技术将大部分通信过程从功率损耗更大的车与路边基元的通信转为车间通信，有效延长车载电池续航时间，减轻网络中数据通信的冲突与时延，并提供实时的交通及环境信息，以便协助驾驶员进行路径规划，减少拥堵和交通事故的发生。

【技术实现步骤摘要】
基于簇的公路车载自组织网络数据服务通信系统及方法
本专利技术涉及一种基于分簇的公路信息服务系统，属于车载自组织网络

技术介绍
随着车辆数量的大幅增加和更复杂的道路网络的发展，交通拥堵、交通事故和更大的能量消耗日益成为影响包括电动汽车在内的智能交通系统(ITS)发展的挑战。由于驾驶员无法及时获取较远地区的相关交通情况，很容易造成交通堵塞，影响出行效率。在车辆间进行与道路交通及环境相关信息(车辆速度、密度、天气、道路情况等)的有效传输有助于帮助驾驶员规划出行路线和计划，以便提高道路安全和交通效率。行驶在道路上的车辆同时可以通过车载传感器和定位系统收集本地相关数据并通过合理有效的车间网络进行信息交互，以此协助优化行驶体验。车载自组织网络(VANET)是由移动自组织网络(MANET)发展而来的网络体系，适用于道路环境，通过车间通信(V2V)和车与基础设施通信(V2I)提高道路安全和交通效率。车辆读取传感器中收集的交通环境数据并和路边单元(RSU)进行交互，从而协助更新基站数据库并获取其兴趣区域的相关数据。路边单元作为车辆和基站及网络的接口，使车辆能够从其获取路况、道路环境等服务信息，也能将本区域数据传输至网络中的其他区域。在道路环境中，V2V和V2I两种通信模式所需的通信时延和发送功率是有很大区别的。在纯V2I通信中，车辆和路边单元的通信需要消耗较多时间和能量，车辆的高速移动也使数据传输的稳定性和有效性受到很大威胁。另外，电动汽车渐渐发展并成为一种热门趋势，电池提供的电力支持是在进行系统设计时需要考虑的重要方面。电动车辆的行驶、数据收集、信道监听、信息传输等需要持续进行的功能都需要车载电池的电力支持，尤其是为保证传输质量，V2I通信往往需要比V2V需要更多的能量支持。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：针对上述问题，提出了一种基于分簇技术的交通环境信息数据服务系统，运用分簇技术将V2V和V2I通信结合在一起，减少更多V2I过程以提高传输及能量效率。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种基于簇的公路车载自组织网络数据服务通信系统，包括装载有车载单元OBU的车辆节点、路边单元RSU以及数据库服务器，所述车辆节点包括簇头节点和簇成员节点，其中：簇成员节点，负责通过车载传感装置收集交通/环境信息数据及记录服务需求，并在簇头被选出之后记录簇头编号，将本地数据和需求一起上传给簇头节点后等待簇头节点传回服务数据；簇头节点，将所在簇的其他成员发送的交通/环境信息数据及服务需求信息进行整合上传到路边单元RSU，再将从路边单元RSU收到的数据传输给其所在簇的其他成员车辆；路边单元RSU，负责用接收到的当地交通/环境信息数据更新数据库服务器的数据，并向数据库服务器发送簇头节点整合的服务需求信息，同时将从数据库服务器获取的被请求的服务需求信息发送给簇头节点；所述数据库服务器，用以和多个区域中的路边单元RSU相连，通过接收各路边单元RSU发来的数据进行更新和维护数据库的实时性和准确性，并向各路边单元RSU回传请求的服务需求信息。进一步，本专利技术的基于簇的公路车载自组织网络数据服务通信系统，每个车辆节点均包括一个定时器，用于簇成员在定时器设定时间阈值之后仍然未能收到服务数据，则生成一个新的请求并再次发送给它的簇头。本专利技术还提出一种基于簇的公路车载自组织网络数据服务通信方法，包括如下步骤：步骤(1)、采用分簇算法建立车载自组织网络，根据设定的簇头选择参数自适应动态的选择簇头，只考虑各车辆节点的一跳邻节点，每个簇的大小由簇头的传输范围决定；步骤(2)、从车载传感器装置中收集当前的交通及环境信息并记录服务需求，每一个簇成员节点生成包括收集的本地交通/环境信息、车辆ID、服务请求ID和簇头ID的数据包一起发送到簇头节点CH，然后设置定时器等待服务响应；步骤(3)、簇头节点将类似的交通/环境信息和服务请求进行聚合成数据包，然后发送给路边单元RSU；步骤(4)、当路边单元RSU接收到簇头节点发来的数据包时，用收集的信息来更新数据库服务器中相关服务信息，并根据所有的请求数据生成服务信息包；随后将这些数据通过车与基础设施通信模式V2I传送到簇头节点；步骤(5)、簇头节点通过车间通信模式V2V不断地向其簇成员广播每个服务包，一旦监听到相对应的服务ID和簇头ID，簇成员将存储数据包并标记接收到服务的请求为满足；如果簇成员在一段等待时间阈值之后仍然未能收到服务数据，则该请求被认为是失败的，该成员将生成一个新的请求并再次发送给它的簇头。进一步的，本专利技术的通信方法中，所述交通/环境信息包括流量当前的平均速度、位置、天气，以及包含车辆流量或交通密度的交通状况。进一步的，本专利技术的通信方法中，采用复合权值Wi来进行簇头选择，拥有最低权值的车辆成为簇头，Wi定义为：Wi＝Pi'+Vi'+Ci'+Di'，其中，Pmax是当前车辆与其通信范围中最远车辆的距离，Vmax是交通规则中规定的车辆可达到的最大速度，Dmax该车在行驶时能达到的最大加速度的绝对值；Pi是当前车辆i和各个簇成员之间的平均距离，Vi是当前车辆i的速度与簇成员的平均速度之差的绝对值，Ci为当前车辆i的连接度，Di表示当前车辆的驾驶员行为，σ＝2Rt×133×nl/1000Ci＝|Ni-σ|Di＝|ai|其中，Ni是节点ni的邻节点个数，x，y分别是相对应节点的位置坐标值；vj是节点ni第j个邻节点的速度，σ代表理想连接度，Rt是传输距离，nl是车道数；常数133代表车道在不堵塞情况下可能达到的最大密度为133，单位是：辆/车道/公里；Ni代表邻节点个数，ai表示车辆加速度。进一步的，本专利技术的通信方法中，步骤(1)中车辆分簇及维护过程如下：A、当车辆节点检测到自己是一个空闲节点时，即向它的邻节点发送自身的车辆信息包VIP以启动分簇过程；所述车辆信息包VIP包括：车辆ID、行驶速度、车辆位置、权重值；B、各车辆节点之间通过发送VIP使每个节点能够计算出其权值Wi，，其中拥有最小权值的车辆将成为簇头节点CH；C、如果一个车辆节点j的加速度小于平均值，则将向其邻节点广播簇头声明包CHA来宣布其适用性，当一个车辆节点i收到一个CHA时，则把收到的权值Wj与自身的权值Wi进行比较，若Wi<Wj，则该节点将发送CHA来竞争簇头，否则，该节点将继续等待簇头维护包CHM来确认簇头ID；D、在一辆车发送了CHA后，若经过一个阈值时间后没有收到任何竞争CHA，它会生成并发送CHM向邻节点声明它簇头的身份；每辆接收到这个CHM的车辆都将把该车的ID标记为其簇头ID；如果一辆簇成员车在标记第一个簇头之后又收到另一个CHM，它就会比较两个节点发来的权重值，并决定它的簇头是拥有较小权值的那个节点，若簇成员连续收到两个新节点发来的CHM，就标记自己为新节点的簇成员，若一段时限后簇成员未收到任何CHM，则将发送VIP发起新的分簇过程。进一步的，本专利技术的通信方法中，包括设置一个簇头节点的权值阈值WThreshold，若簇头节点的权重低于阈值WThreshold，车辆将保持当前的簇头/簇成员的状态，否则，权值超过阈值WThreshold的车辆节点发出新的VIP来启动新一轮的分簇过程。进一步的，本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于簇的公路车载自组织网络数据服务通信系统，包括装有车载单元OBU的车辆节点、路边单元RSU以及数据库服务器，其特征在于，所述车辆节点包括簇头节点和簇成员节点，其中：簇成员节点，负责通过车载传感装置收集交通/环境信息数据及记录服务需求，并在簇头被选出之后记录簇头编号，将本地数据和需求一起上传给簇头节点后等待簇头节点传回服务数据；簇头节点，将所在簇的其他成员发送的交通/环境信息数据及服务需求信息进行整合上传到路边单元RSU，再将从RSU收到的数据传输给其所在簇的其他成员车辆；路边单元RSU，负责用接收到的当地交通/环境信息数据更新数据库服务器的数据，并向数据库服务器发送簇头节点整合的服务需求信息，同时将从数据库服务器获取的被请求的服务需求信息发送给簇头节点；所述数据库服务器，用以和多个区域中的路边单元RSU相连，通过接收各RSU发来的数据进行更新和维护数据库的实时性和准确性，并向各RSU回传请求的服务需求信息。

【技术特征摘要】
1.一种基于簇的公路车载自组织网络数据服务通信系统，包括装有车载单元OBU的车辆节点、路边单元RSU以及数据库服务器，其特征在于，所述车辆节点包括簇头节点和簇成员节点，其中：簇成员节点，负责通过车载传感装置收集交通/环境信息数据及记录服务需求，并在簇头被选出之后记录簇头编号，将本地数据和需求一起上传给簇头节点后等待簇头节点传回服务数据；簇头节点，将所在簇的其他成员发送的交通/环境信息数据及服务需求信息进行整合上传到路边单元RSU，再将从RSU收到的数据传输给其所在簇的其他成员车辆；路边单元RSU，负责用接收到的当地交通/环境信息数据更新数据库服务器的数据，并向数据库服务器发送簇头节点整合的服务需求信息，同时将从数据库服务器获取的被请求的服务需求信息发送给簇头节点；所述数据库服务器，用以和多个区域中的路边单元RSU相连，通过接收各RSU发来的数据进行更新和维护数据库的实时性和准确性，并向各RSU回传请求的服务需求信息。2.根据权利要求1所述的一种基于簇的公路车载自组织网络数据服务通信系统，其特征在于：每个车辆节点均包括一个定时器，用于簇成员在定时器设定时间阈值之后仍然未能收到服务数据，则生成一个新的请求并再次发送给它的簇头节点。3.一种基于簇的公路车载自组织网络数据服务通信方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)、采用分簇算法建立车载自组织网络，根据设定的簇头选择参数自适应动态的选择簇头，只考虑各车辆节点的一跳邻节点，每个簇的大小由簇头的传输范围决定；步骤(2)、从车载传感器装置中收集当前的交通及环境信息并记录服务需求，每一个簇成员节点生成包括收集的本地交通/环境信息、车辆ID、服务请求ID和簇头ID的数据包一起发送到簇头节点CH，然后设置定时器等待服务响应；步骤(3)、簇头节点将类似的交通/环境信息和服务请求进行聚合成数据包，然后发送给路边单元RSU；步骤(4)、当路边单元RSU接收到簇头节点发来的数据包时，用收集的信息来更新数据库服务器中相关服务信息，并根据所有的请求数据生成服务信息包；随后将这些数据通过车与基础设施通信模式V2I传送到簇头节点；步骤(5)、簇头节点通过车间通信模式V2V不断地向其簇成员广播每个服务包，一旦监听到相对应的服务ID和簇头ID，簇成员将存储数据包并标记接收到服务的请求为满足；如果簇成员在一段等待时间阈值之后仍然未能收到服务数据，则该请求被认为是失败的，该成员将生成一个新的请求并再次发送给它的簇头。4.根据权利要求3所述的通信方法，其特征在于，所述交通/环境信息包括流量当前的平均速度、位置、天气，以及包含车辆流量或交通密度的交通状况。5.根据权利要求3所述的通信方法，其特征在于，采用复合权值Wi来进行簇头选择，拥有最低权值的车辆成为簇头，Wi定义为：Wi＝Pi'+Vi'+Ci'+Di'，其中，Pmax是当前车辆与其通信范围中最远车辆的距离，Vmax是交通规则中规定的车辆可达到的最大速度，...

【专利技术属性】
技术研发人员：白光伟，施咏月，沈航，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32