一种多模式切换的车联网路由方法技术

本发明专利技术公开了一种多模式切换的车联网路由方法，包括RSU节点根据自身数据包的发送情况和缓存栈的使用情况进行切换判决，并在V2I2V贪婪转发模式、“预测+副本传输”模式、负载均衡模式之间进行切换。本发明专利技术利用RSU有线网络辅助投递车辆间多跳消息，根据数据包的剩余生存时间结合在RSU消息等待队列中的预估等待时间执行负载均衡，使原本聚集在重负荷RSU的数据包分摊到各个轻负荷RSU，减轻重负荷RSU的网络压力，避免数据包在重负荷RSU的消息等待队列中长时间等待而导致超时丢包；同时为RSU设计三种工作模式使路由协议能适应低车辆节点密度和高车辆节点密度的工作环境，降低车联网路由的端到端时延，提升投递率。

A multi-mode switching routing method for Internet of vehicles

The invention discloses a multi-mode switching route method for the Internet of vehicles, which includes RSU nodes making switching decisions according to their own data packet sending conditions and the use of cache stack, and switching between v2i2v greedy forwarding mode, prediction + copy transmission mode and load balancing mode. The invention uses RSU wired network to assist the delivery of multi hop messages between vehicles, performs load balancing according to the remaining life time of data packets combined with the estimated waiting time in the RSU message waiting queue, allocates the data packets originally gathered in the heavy load RSU to each light load RSU, reduces the network pressure of the heavy load RSU, and avoids the long time of data packets in the message waiting queue of the heavy load RSU At the same time, three working modes are designed for RSU to make routing protocol adapt to the working environment of low vehicle node density and high vehicle node density, reduce the end-to-end delay and improve the delivery rate.

【技术实现步骤摘要】
一种多模式切换的车联网路由方法
本专利技术涉及车联网通信
，具体涉及一种多模式切换的车联网路由方法。
技术介绍
车联网技术是指借助新一代信息和通信技术，实现车内、车与人、车与车、车与路、车与服务平台的全方位网络连接，提升汽车智能化水平和自动驾驶能力，构建汽车和交通服务新业态，从而提高交通效率，改善汽车驾乘感受，为用户提供智能、舒适、安全、节能、高效的综合服务。路侧单元(RoadSideUnits，RSU)作为车联网中一种重要的基础设施，不仅是车联网同外部网络连接的物理接口，同时也为远距离、高速度、大容量的V2V(VehicletoVehicle)通信提供有线、无线混合的异构网络链路。路由技术是车联网通信中实现可靠多跳传输的关键，基于路侧单元的路由协议可以利用路侧单元组成的有线网络辅助远距离多跳传输，同时路侧单元收集的周边节点信息也可以为路由判决提供依据。目前，车联网中典型的基于路侧单元的路由协议有V2I2V等。V2I2V的路由模式分为三个步骤：(1)消息源车辆节点将数据包经过多跳无线通信转发至距离自身最近的路侧单元入口节点；(2)路侧单元入口节点将数据包转发至距离消息目的车辆节点最近的路侧单元出口节点；(3)路侧单元出口节点将数据包经过多跳无线通信转发至消息目的车辆节点，投递结束。但是，由于车辆节点在道路上分布不均匀，当某些路侧单元附近形成高密度的车流时，会增大这些路侧单元的通信负荷量，从而增加了数据包在消息等待队列中等待时间过长而导致超时丢包的风险；当某些路侧单元附近车流密度极低时，这些RSU附近容易产生路由拓扑空洞，引发局部最大问题，导致投递率低下，时延偏高。因此，为RSU节点设计多种路由工作模式，使其能较好地适应车联网环境中车辆密度变化大且变化频繁的特点，在车辆节点密度极高或极低的场景下仍能保持较低的端到端时延和较高的投递成功率是亟待需要解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有车联网技术中由于车辆节点密度极高或极低，导致的投递成功率低，端到端时延大的缺陷，提供一种多模式切换的车联网路由方法。本专利技术的目的可以通过采取如下技术方案达到：一种多模式切换的车联网路由方法，所述的车联网路由方法包括以下步骤：S1、消息源节点产生数据包，设定距离自身最近的RSU节点作为第一阶段投递目标，记为RSU入口节点，数据包经多跳V2V通信转发至RSU入口节点；S2、RSU入口节点判断自身是否处于负载均衡模式，若是，则进入步骤S3；否则，进入步骤S4；S3、此时RSU入口节点处于负载均衡模式，执行以下步骤：S3.1、中心服务器从RSU入口和出口方案集合Φ中删除含有处于“预测+副本传输”模式的RSU节点的方案；S3.2、中心服务器预估数据包通过RSU网络的时长TimeThrough(i,j)，该变量表示以编号为i的RSU作为入口并以编号为j的RSU作为出口时，数据包通过RSU网络所需的时长；S3.3、中心服务器检查TimeThrough(i,j)是否满足预估通过时长约束该约束用于判断数据包是否有足够的剩余生存时间去通过RSU有线网络：TimeThrough(i,j)≤α×TimeRest其中，TimeRest是数据包的剩余生存时间，α是一个常数且满足0＜α≤1，设计系数α的主要原因是数据包通过了RSU有线网络后还可能要经过多跳V2V通信才最终到达目的节点，所以在进行判决时需要为这部分多跳传输预留时间。若否，则进入步骤S3.4，若是，则进入步骤S3.5；S3.4、中心服务器从RSU入口和出口方案集合Φ中删除不满足约束的方案Φ(i,j)，其中Φ(i,j)表示在方案集合Φ中以编号为i的RSU作为入口并以编号为j的RSU作为出口的方案，并从剩余的RSU入口和出口方案集合Φ中再选出一组新的方案，再次执行步骤S3.2；S3.5、中心服务器将通过约束的Φ(i,j)告知RSU入口节点，然后数据包将按照指定的RSU入口节点进入RSU网络；S3.6、RSU入口节点将数据包转发至指定的RSU出口节点，然后进入步骤S5；S4、RSU入口节点按照V2I2V贪婪转发模式，将数据包转发至距离目的节点最近的RSU出口节点；S5、RSU出口判断自身是否处于“预测+副本传输”模式，若是，则进入步骤S6，否则，进入步骤S7；S6、此时RSU出口节点处于“预测+副本传输”模式，执行以下步骤：S6.1、中心服务器利用马尔科夫链预测目的节点下一步可能到达的RSU节点集合PRsu；S6.2、中心服务器从PRsu中删除处于负载均衡模式的RSU节点；S6.3、陷入局部最大的RSU出口节点按照副本传输策略向PRsu发送数据包副本，然后进入步骤S7。S7、数据包离开RSU网络后，继续按照地理贪婪策略进行转发，直至到达目的节点。进一步地，所述的步骤S3、步骤S4和步骤S6中，RSU的三种工作模式：V2I2V贪婪转发模式、“预测+副本传输”模式以及负载均衡模式按照如下规则进行切换：切换规则a：假设RSU节点当前工作于V2I2V贪婪转发模式，若该RSU节点陷入局部最大问题，则会切换至“预测+副本传输”模式，该状态将维持一个时间窗口T；假设RSU节点当前工作于V2I2V贪婪转发模式，若该RSU节点缓存栈中出现超时丢包的现象，则会切换至负载均衡模式，该状态将维持一个时间窗口T；切换规则b：假设RSU节点当前工作于“预测+副本传输”模式，若该RSU节点缓存栈中出现超时丢包的现象，则会切换至负载均衡模式，该状态将维持一个时间窗口T；假设RSU节点当前工作于“预测+副本传输”模式，若该模式维持时间T已到期，则会切换至V2I2V贪婪转发模式，该状态会一直维持下去直至发生其他切换条件；切换规则c：假设RSU节点当前工作于负载均衡模式，若该RSU节点陷入局部最大问题，则会切换至“预测+副本传输”模式，该状态将维持一个时间窗口T；假设RSU节点当前工作于负载均衡模式，若该模式维持时间T已到期，则会切换至V2I2V贪婪转发模式，该状态会一直维持下去直至发生其他切换条件。进一步地，所述的车联网路由方法在工作于不同模式下的RSU之间的通信存在以下规则的限制：限制1：处于负载均衡模式的RSU节点在执行负载均衡策略时，应预先从RSU入口和出口方案集合Φ中删除处于“预测+副本传输”模式下的RSU节点，即不应该选择处于“预测+副本传输”模式下的RSU节点作为RSU入口或出口节点；限制2：处于“预测+副本传输”模式下的RSU节点在执行副本传输方案时，应该从预测RSU集合PRsu中删除处于负载均衡模式下的RSU节点，即不应该把数据包副本传输给处于负载均衡模式下的RSU节点；限制3：当RSU中某一个算法流程处于已完成判决但尚未执行的阶段，此时其他RSU节点工作模式的改变不会影响已作出的判决，如某个RSU执行负载均衡算法已确定RSU入口和出口节点，但数据包还在缓存栈中等待被传输，此时即使RSU入口和出口节点的工作模式发生变化也不会重新执行负载均衡算法。数据包将按照既定的RSU入口和出口进行转发。进一步地，所述的步骤S3.2、中心服务器预估数据包通过RSU网络的时长的过程如下：S3.2.1、RSU节点周期上传包括自身消息队列负载量和消息队列平均吞吐速率在内的信息至中心服务器，中心服务器将这些信息汇本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多模式切换的车联网路由方法，其特征在于，所述的车联网路由方法包括以下步骤：S1、消息源节点产生数据包，设定距离自身最近的RSU节点作为第一阶段投递目标，记为RSU入口节点，数据包经多跳V2V通信转发至RSU入口节点；S2、RSU入口节点判断自身是否处于负载均衡模式，若是，则进入步骤S3；否则，进入步骤S4；S3、此时RSU入口节点处于负载均衡模式，执行以下步骤：S3.1、中心服务器从RSU入口和出口方案集合Φ中删除含有处于“预测+副本传输”模式的RSU节点的方案；S3.2、中心服务器预估数据包通过RSU网络的时长TimeThrough(i,j)，其中，i作为RSU入口节点，j作为RSU出口节点；S3.3、中心服务器检查TimeThrough(i,j)是否满足预估通过时长约束该约束用于判断数据包是否有足够的剩余生存时间去通过RSU有线网络：TimeThrough(i,j)≤α×TimeRest其中，α是一个常数且满足0＜α≤1，TimeRest是数据包的剩余生存时间；若否，则进入步骤S3.4，若是，则进入步骤S3.5；S3.4、中心服务器从RSU入口和出口方案集合Φ中删除不满足约束的方案Φ(i,j)，其中Φ(i,j)表示在方案集合Φ中以编号为i的RSU作为入口并以编号为j的RSU作为出口的方案，并从剩余的RSU入口和出口方案集合Φ中再选出一组新的方案，再次执行步骤S3.2；S3.5、中心服务器将通过约束的Φ(i,j)告知RSU入口节点，然后数据包将按照指定的RSU入口节点进入RSU网络；S3.6、RSU入口节点将数据包转发至指定的RSU出口节点，然后进入步骤S5；S4、RSU入口节点按照V2I2V贪婪转发模式，将数据包转发至距离目的节点最近的RSU出口节点；S5、RSU出口判断自身是否处于“预测+副本传输”模式，若是，则进入步骤S6，否则，进入步骤S7；S6、此时RSU出口节点处于“预测+副本传输”模式，执行以下步骤：S6.1、中心服务器利用马尔科夫链预测目的节点下一步可能到达的RSU节点集合PRsu，其中PRsu的含义是：在满足预测概率之和不小于概率阈值Pα的前提下，所选出的具有最少元素数量的RSU节点集合；S6.2、中心服务器从PRsu中删除处于负载均衡模式的RSU节点；S6.3、陷入局部最大的RSU出口节点按照副本传输策略向PRsu发送数据包副本，然后进入步骤S7。S7、数据包离开RSU网络后，继续按照地理贪婪策略进行转发，直至到达目的节点。...

【技术特征摘要】
1.一种多模式切换的车联网路由方法，其特征在于，所述的车联网路由方法包括以下步骤：S1、消息源节点产生数据包，设定距离自身最近的RSU节点作为第一阶段投递目标，记为RSU入口节点，数据包经多跳V2V通信转发至RSU入口节点；S2、RSU入口节点判断自身是否处于负载均衡模式，若是，则进入步骤S3；否则，进入步骤S4；S3、此时RSU入口节点处于负载均衡模式，执行以下步骤：S3.1、中心服务器从RSU入口和出口方案集合Φ中删除含有处于“预测+副本传输”模式的RSU节点的方案；S3.2、中心服务器预估数据包通过RSU网络的时长TimeThrough(i,j)，其中，i作为RSU入口节点，j作为RSU出口节点；S3.3、中心服务器检查TimeThrough(i,j)是否满足预估通过时长约束该约束用于判断数据包是否有足够的剩余生存时间去通过RSU有线网络：TimeThrough(i,j)≤α×TimeRest其中，α是一个常数且满足0＜α≤1，TimeRest是数据包的剩余生存时间；若否，则进入步骤S3.4，若是，则进入步骤S3.5；S3.4、中心服务器从RSU入口和出口方案集合Φ中删除不满足约束的方案Φ(i,j)，其中Φ(i,j)表示在方案集合Φ中以编号为i的RSU作为入口并以编号为j的RSU作为出口的方案，并从剩余的RSU入口和出口方案集合Φ中再选出一组新的方案，再次执行步骤S3.2；S3.5、中心服务器将通过约束的Φ(i,j)告知RSU入口节点，然后数据包将按照指定的RSU入口节点进入RSU网络；S3.6、RSU入口节点将数据包转发至指定的RSU出口节点，然后进入步骤S5；S4、RSU入口节点按照V2I2V贪婪转发模式，将数据包转发至距离目的节点最近的RSU出口节点；S5、RSU出口判断自身是否处于“预测+副本传输”模式，若是，则进入步骤S6，否则，进入步骤S7；S6、此时RSU出口节点处于“预测+副本传输”模式，执行以下步骤：S6.1、中心服务器利用马尔科夫链预测目的节点下一步可能到达的RSU节点集合PRsu，其中PRsu的含义是：在满足预测概率之和不小于概率阈值Pα的前提下，所选出的具有最少元素数量的RSU节点集合；S6.2、中心服务器从PRsu中删除处于负载均衡模式的RSU节点；S6.3、陷入局部最大的RSU出口节点按照副本传输策略向PRsu发送数据包副本，然后进入步骤S7。S7、数据包离开RSU网络后，继续按照地理贪婪策略进行转发，直至到达目的节点。2.根据权利要求1所述的一种多模式切换的车联网路由方法，其特征在于，所述的步骤S3、步骤S4和步骤S6中，RSU的三种工作模式：V2I2V贪婪转发模式、“预测+副本传输”模式以及负载均衡模式按照如下规则进行切换：切换规则a：假设RSU节点当前工作于V2I2V贪婪转发模式，若该RSU节点陷入局部最大问题，则会切换至“预测+副本传输”模式，该状态将维持一个时间窗口T；假设RSU节点当前工作于V2I2V贪婪转发模式，若该RSU节点缓存栈中出现超时丢包的现象，则会切换至负载均衡模式，该状态将维持一个时间窗口T；切换规则b：假设RSU节点当前工作于“预测+副本传输”模式，若该RSU节点缓存栈中出现超时丢包的现象，则会切换至负载均衡模式，该状态将维持一个时间窗口T；假设RSU节点当前工作于“预测+副本传输”模式，若该模式维持时间T已到期，则会切换至V2I2V贪婪转发模式，该状态会一直维持下去直至发生其他切换条件；切换规则c：假设RSU节点当前工作于负载均衡模式，若该RSU节点陷入局部最大问题，则会切换至“预测+副本传输”模式，该状态将维持一个时间窗口T；假设RSU节点当前工作于负载均衡模式，若该模式维持时间T已到期，则会切换至V2I2V贪婪转发模式，该状态会一直维持下去直至发生其他切换条件。3.根据权利要求1所述的一种多模式切换的车联网路由方法，其特征在于，所述的车联网路由方法在工作于不同模式下的RSU之间的通信存在以下规则的限制：限制1：处于负载均衡模式的RSU节点在执行负载均衡策略时，应预先从RSU入口和出口方案集合Φ中删除处于“预测+副本传输”模式下的RSU节点，即不应该选择处于“预测+副本传输”模式下的RSU节点作为RSU入口或出口节点；限制2：处于“预测+副本传输”模式下的RSU节点在执行副本传输方案时，应该从预测RSU集合PRsu中删除处于负载均衡模式下的RSU节点，即不应该把数据包副本传输给处于负载均衡模式下的RSU节点；限制3：当RSU中某一个算法流程处于已完成判决但尚未执行的阶段，此时其他RSU节点工作模式的改变不会影响已作出的判决。4.根据权利要求1所述的一种多模式切换的车联网路由方法，其特征在于，所述的步骤S3.2、中心服务器预估数据包通过RSU网络的时长的过程如下：S3.2.1、RSU节点周期上传包括自身消息队列负载量和消息队列平均吞吐速率在内的信息至中心服务器，中心服务器将这些信息汇总并统计成一张RSU缓存栈汇总表；S3.2.2、假设...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡斌杰，林霖，温清机，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44