专利名称：车辆无线通信网络中的路由方法及车辆无线通信网络的制作方法
技术领域：
本发明涉及车辆无线通信领域，尤其涉及车辆无线通信网络中的路由方法及车辆无线通信网络，可广泛应用于存在多跳车辆节点的车辆无线通信网络中。
背景技术：
未来的智能交通系统下，车辆自组织网络(Vehicular Ad hoc Network，简称 VANET)作为新兴的车辆通信技术，提出了适用于车载无线环境的新一代无线通信技术，为车上的移动用户提供无缝的连接服务，可以实现车辆与车辆之间，车辆与路边基础设施之间的多跳无线通信，为车辆提供多种安全应用(如协助交通管理，碰撞预测等)和非安全应用(如路况指示，因特网接入等)。这些应用要求网络提供低时延高数据传输率的性能保证。另一方面，不同于传统的移动自组织网络和传感器网络，VANET可能在交通十字路口使用固定的小区网关和无线局域网接入点来连接因特网、收集交通信息或者是为了路由目的。这使得VANET的组网结构更加复杂。无线路由协议的使用能够保证上层应用的正常运行，但严格的网络性能要求与复杂的网络结构，给网络通信提出了一些挑战。车辆自组织网络具有高动态拓扑结构。VANET下移动的节点是汽车，其高速移动会带来网络拓扑的快速变化，而且车辆间建立的通信链路维持时间也不长。如果车辆的通信范围为250米，两辆以时速60公里速度相向行驶的车辆间的通信时间最多只有10秒钟。传统GPS服务获取位置信息的信息更新不够迅速，导致位置信息不够准确。正因为这种不准确性，在高速移动环境下，使用GPS位置信息的路由决策可能会选择一个实际已经远离自己通信范围的节点发送数据，而导致持续的丢包。如何提高位置信息的准确性， 将直接影响路由协议的性能。车辆的移动是受城市道路限制的，因此是有规律的移动。同时，城市中的通信信号会受到建筑物、树木等障碍物的遮挡阻碍而中断。所以即使是通信范围内的车辆，特别是在十字路口附近的车辆，受障碍物影响也无法通信。如何利用车辆移动的规律特性，并且克服实际情况中障碍物遮挡问题对路由链路的影响，也是VANET路由设计需要解决的问题。基于地理信息的路由每次转发实时选择下一跳节点，当选取不当时发包将会造成持续丢包，在没有一个完备的丢包检测的机制防护下会发生持续大规模丢包情况。怎样设计一种有效的预防机制，是路由策略亟待解决的问题。
发明内容
发明目的本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种车辆无线通信网络中的路由方法及车辆无线通信网络。为了解决上述技术问题，本发明公开了一种车辆无线通信网络中的路由方法，包括以下步骤步骤1，路由建立进行路由请求和路由应答，在十字路口建立固定节点，即锚点，在锚点上建立锚点路由，所述锚点路由引导路由路径沿着道路建立，让承载上层业务的数据包传输沿着道路进行；路由建立过程中会使用到路由信令包路由信令包包括路由请求包和路由应答包。步骤2，路由转发采用基于链路预测机制的自适应广播和基于链路预测机制的转发算法进行路由转发；步骤3，路由维护。本发明中，通过路由请求和路由应答建立基于十字路口的锚点路由表，包括路由请求源节点发起路由请求包，在全网广播以找到目的节点；路由请求包包头包含以下信息类型、广播ID、跳数统计、链路预测特征值、源节点号、目的节点号、锚点节点号和锚点位置；所述链路预测特征值为路由请求包途经路段各中继节点HELLO消息自适应广播周期的最小值；广播过程中，路由请求包每经过一个中继节点，在该节点上建立反向暂态路由，所述反向暂态路由为短生命周期指向源节点的反向路由；反向暂态路由在路由建立过程中引导路由应答包回复；当路由请求包经过锚点覆盖范围时，在锚点上建立反向暂态路由，同时在锚点上建立指向源节点的反向锚点路由，且路由请求包的锚点节点号和锚点位置字段更新到当前所经过的锚点的信息，锚点的信息包括锚点节点号和锚点位置；路由应答目的节点在接到路由请求包后，缓存路由请求包，等待毫秒级时间；对于多条路径的选择，路由方法以跳数最小为优先；当接收的不同路径路由跳数相同，则比较路由请求包中的链路预测特征值；链路预测特征值最大的路由优先选择；确定路由路径后，目的节点产生路由应答包，并沿着之前建立的反向暂态路由回复至源节点，途经锚点和锚点邻居时，更新锚点路由表中的正向锚点路由信息，所述锚点邻居为处于锚点通信范围内的节点；路由应答包包头包含信息如下部分类型，源节点号，目的节点号、目的节点位置、目的节点速度和目的节点更新时刻，锚点节点号和锚点位置，备份锚点节点号和锚点位置；由此在十字路口处的锚点上建立锚点路由的同时，锚点范围内的所有节点也获得这一路由信息。所述锚点路由表包括目的节点号、下一锚点号以及下一锚点位置；所述锚点是无线接入点，通过在自身的HELLO消息中加入anchor标志告知所处十字路口处的节点；所述HELLO消息是每个节点周期交互各自信息的信标信令包。本发明中，所述路由回复过程使用单跳广播的传输方式，路由应答包使用广播形式被路由层接收，判断是否丢包交由路由层决定，通过节点监听邻居节点收到的路由应答包；对于锚点邻居，能够直接获取已经在锚点上建立好的锚点路由表信息。本发明中，所述路由转发包括源节点收到路由应答包后，通过查询锚点路由，为每一个待发送的数据包设定一个锚点目标，所有数据包都通过基于链路预测机制的转发算法找寻下一跳节点并发往锚点目标；如果有缓存的数据包，则优先发送；中继节点收到数据包后，如果自身是锚点邻居， 则先查询锚点路由更新锚点目标后，再使用基于链路预测机制的转发算法进行路由；如果自身不在锚点通信范围内，则直接使用基于链路预测机制的转发算法更新下一跳节点号继续转发；下一跳节点号是转发过程中的每个节点计算得到的下一个转发目标节点号；路由转发过程中，中继节点先判断目的节点是否为自己的邻居，如果是则直接转发；路由转发过程中使用基于链路预测机制的自适应广播通过HELLO消息交互邻居节点信息，由此可以提高转发效率。本发明中，所述基于链路预测机制的转发算法为，通过对周围邻居的链路预测判断选择稳定可靠的传输节点作为下一跳转发节点预测链路时间低于阈值的邻居节点被视为不可靠节点，判定不可靠的潜在链路；在可靠节点中选择到目的节点距离最近的下一跳节点转发。本发明基于链路预测机制的转发算法(Connectivity Estimate Forwarding, CEF)是基于传统贪婪算法的改进。由于在所提路由方法中，CEF只会用于直线方向上的两区域数据传输，不会遇到局部最大问题造成路由失败。节点在选取下一跳节点时，首先查看邻居节点的预测链路时间，如果预测值小于HELLO消息广播周期，则可能在收到下次HELLO 消息之前该邻居节点已经离开通信范围。故首先排除此类不可靠节点。在剩下的邻居节点中使用贪婪算法，需找到目的节点距离最近的邻居，即作为下一跳转发节点。如果无法在剩下节点找到下一跳备选节点，则表明所处通信环境不佳，本着尽力而为的原则，在所有邻居节点中使用贪婪算法以寻找下一跳节点。本发明中，所述基于链路预测机制的自适应广播为车辆节点计算周围邻居节点的预测链路时间，围绕初始广播周期进行加权计算自适应广播周期，作为自己HELLO消息的广播周期。车辆无线通信网络下路由协议多为基于地理信息的路由方案，对各个邻居节点的位置速度信息精确度有较高的要求。各节点通过广播HELLO消息获取更新邻居位置速度信息。节点通过计算各邻居节点的预测链路时间，加权平均后计算自身的广播周期，并围绕一个既定的广播周期浮动变化。由于各预测链路时间反应了周围通信环境状况，从而使广播周期能随视周围通信质量自适应调整。本发明中，所述预测链路时间为两个节点具有不同的移动速度，随着两者的移动，相互间位置的变化，当两者间距离将超过可信赖的通信距离，由此变为不连通状态，从连通状态到不连通状态的时间预测；预测链路时间CT的计算方法如下预测链路时间CT通过计算两点间距离函数r(t)得到其中，「。= ,, 二、一 二 一二:. — 了 -!；■<-,其中，二.... = '... - :·. - -； — ■“‘= ‘,Δ χ和Δ y表示两节点i、j位置坐标差，XiYi和^yj是两节点i、j的坐标，1 1 ‘ 是节点j的速度分量，t.tj是两节点获得位置速度信息的更新时刻；所述基于链路预测机制的广播周期计算方法如下
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其中，T0是一个固定的基准广播周期值，设置为ls，CTi为节点到邻居i的预测链路时间，Vali为广播周期计算的中间值，^为节点i所计算广播周期，它围绕Ttl上下波动。本发明中，所述路由维护包括源节点移动的路由维护和目的节点移动的路由维护；对于源节点移动的路由维护，如果源节点移动通过一个十字路口后，认为当前锚点路由表信息失效，则源节点进行路由建立；如果源节点不移动，每间隔一定时段，判定锚点路由表信息过时，源节点将进行一次路由建立；若在上一个时段内已经进行过由于源节点移动触发的路由建立，则本次时段到时不进行路由建立；对于目的节点移动的路由维护，在一次路由生命期内目的节点最多移过一个十字路口 ；若通过的十字路口为已建立的锚点路由的最后一个锚点，则该节点把自身位置和速度信息通过HELLO消息传给锚点和锚点的邻居；当数据包传到该十字路口时，该范围内节点利用目的节点留下的位置和速度信息更新数据包包头信息，然后用基于链路预测机制的转发算法进行路由转发；若通过的十字路口为已建立的锚点路由以外的一个新的锚点所在地，则该节点把位置和速度信息传播到该十字路口范围内节点；数据包按源路由信息传到该节点原来位置时，其原邻居节点通过该节点之前留下的位置速度信息更新该目的节点的当前位置，进而把数据包发送到新的十字路口范围；数据包利用目的节点留下的位置和速度信息更新包头信息，最后用基于链路预测机制的转发算法传输到在新位置的目的节点。本发明中链路预测机制包括如下内容固定通信距离R内的一对节点被认定为相互连通，即可预见的通信链路。由于这两个节点具有不同的移动速度，则随着两者的移动， 相互间位置的变化，在将来的某一时刻起，两者间距离将超过可以信赖的通信距离R，由此变为不连通状态。这一段从连通状态到不连通状态的时间预测，即双方链路预测。对于这一段时间的预测，考虑了通信双方节点的移动状态变化，是一种基于状态的动态预测，更适应车辆通信网络各状态时刻变化的特点。车辆通信网络下的节点通过周期性的HELLO消息交互信令信息，从而获取邻居节点的位置、速度等信息，进而根据自身信息，完成对相关节点的链路预测。本发明还公开了一种车辆无线通信网络，每一辆汽车都安装搭载专用短程通信协议IEEE802. Ilp的无线通信模块，共同构成分布式的自组织网络，每一辆汽车就成为一个节占.
I— /、、、 在十字路口处装有固定的静态无线节点，静态无线节点搭载专用短程通信协议 IEEE802. Ilp的无线通信模块作为锚点，用于辅助路上节点通信或是收集十字路口信息；锚点与路上节点共同组成车辆无线通信网络，锚点与路上节点通信无需入网过程。本发明中车辆无线通信网络通信协议栈主要包括了物理层，媒体接入层，网络层， 传输层和应用层，本发明主要涉及网络层路由部分。有益效果本发明采用基于链路预测的自适应广播机制保证了邻居节点信息充分交互，又根据周围通信环境状况自适应调整广播周期，可以减小网络路由信令包开销，提高路由性能。CEF转发算法的使用，保证了每跳传输的可靠性。在锚点协作下，建立基于十字路口的路由策略，在实际应用中让数据包沿着道路传输，可以有效避免传输信号被路边障碍物遮挡的问题。链路预测特征值在路由线路选取时的综合考虑，保证了所选路由在时延和可靠性上的最优选择。综合起来，本发明大大提高了路由在车辆无线通信网络中的使用性能，降低了端到端时延，保证了路由的可靠性。本发明可以给不同业务类型的业务提供服务质量保证，适应车辆无线通信网络应用需求，并能快速建立低时延高性能的可靠点到点
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下面结合附图和具体实施方式
对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和 /或其他方面的优点将会变得更加清楚。图1是基于链路预测最优选择机制的可靠路由方法结构框图。图2是基于链路预测机制的转发算法CEF流程图。图3是源节点数据包发送流程图。图4是中继节点数据包转发流程图。图5是基于链路预测最优选择机制的可靠路由方法流程框图。
具体实施例方式如图1所示，本发明包括一种车辆无线通信网络中的路由方法，包括以下步骤步骤1，路由建立进行路由请求和路由应答，在十字路口建立固定节点，即锚点， 在锚点上建立锚点路由，所述锚点路由引导路由路径沿着道路建立，让承载上层业务的数据包传输沿着道路进行；步骤2，路由转发采用基于链路预测机制的自适应广播和基于链路预测机制的转发算法进行路由转发；步骤3，路由维护。所述通过路由请求和路由应答建立基于十字路口的锚点路由表，包括路由请求源节点发起路由请求包，在全网广播以找到目的节点；路由请求包包头包含以下信息类型、广播ID、跳数统计、链路预测特征值、源节点号、目的节点号、锚点节点号和锚点位置；所述链路预测特征值为路由请求包途经路段各中继节点HELLO消息自适应广播周期的最小值；广播过程中，路由请求包每经过一个中继节点，在该节点上建立反向暂态路由，所述反向暂态路由为短生命周期指向源节点的反向路由；反向暂态路由在路由建立过程中引导路由应答包回复；当路由请求包经过锚点覆盖范围时，在锚点上建立反向暂态路由，同时在锚点上建立指向源节点的反向锚点路由，且路由请求包的锚点节点号和锚点位置字段更新到当前所经过的锚点的信息，锚点的信息包括锚点节点号和锚点位置。路由应答目的节点在接到路由请求包后，缓存路由请求包，等待毫秒级时间；对于多条路径的选择，路由方法以跳数最小为优先；当接收的不同路径路由跳数相同，则比较路由请求包中的链路预测特征值；链路预测特征值最大的路由优先选择；确定路由路径后，目的节点产生路由应答包，并沿着之前建立的反向暂态路由回复至源节点，途经锚点和锚点邻居时，更新锚点路由表中的正向锚点路由信息，所述锚点邻居为处于锚点通信范围内的节点；路由应答包包头包含信息如下部分类型，源节点号，目的节点号、目的节点位置、目的节点速度和目的节点更新时刻，锚点节点号和锚点位置，备份锚点节点号和锚点位置。所述锚点路由表包括目的节点号、下一锚点号以及下一锚点位置；所述锚点是无线接入点，通过在自身的HELLO消息中加入anchor标志告知所处十字路口处的节点；所述HELLO消息是每个节点周期交互各自信息的信标信令包。所述路由回复过程使用单跳广播的传输方式，路由应答包使用广播形式被路由层接收，判断是否丢包交由路由层决定，通过节点监听邻居节点收到的路由应答包；对于锚点邻居，能够直接获取已经在锚点上建立好的锚点路由表信息。所述路由转发包括源节点收到路由应答包后，通过查询锚点路由，为每一个待发送的数据包设定一个锚点目标，所有数据包都通过基于链路预测机制的转发算法找寻下一跳节点并发往锚点目标；如果有缓存的数据包，则优先发送；中继节点收到数据包后，如果自身是锚点邻居，则先查询锚点路由更新锚点目标后，再使用基于链路预测机制的转发算法进行路由；如果自身不在锚点通信范围内，则直接使用基于链路预测机制的转发算法更新下一跳节点号继续转发；下一跳节点号是转发过程中的每个节点计算得到的下一个转发目标节点号；路由转发过程中，中继节点先判断目的节点是否为自己的邻居，如果是则直接转发；路由转发过程中使用基于链路预测机制的自适应广播通过HELLO消息交互邻居节点 fn息ο所述基于链路预测机制的转发算法为，通过对周围邻居的链路预测判断选择稳定可靠的传输节点作为下一跳转发节点预测链路时间低于阈值的邻居节点被视为不可靠节点，判定不可靠的潜在链路；在可靠节点中选择到目的节点距离最近的下一跳节点转发。所述基于链路预测机制的自适应广播为车辆节点计算周围邻居节点的预测链路时间，围绕初始广播周期进行加权计算自适应广播周期，作为自己HELLO消息的广播周期。所述预测链路时间为两个节点具有不同的移动速度，随着两者的移动，相互间位置的变化，当两者间距离将超过可信赖的通信距离，由此变为不连通状态，从连通状态到不连通状态的时间预测。预测链路时间CT的计算方法如下
权利要求
1.一种车辆无线通信网络中的路由方法，其特征在于包括以下步骤步骤1，路由建立进行路由请求和路由应答，在十字路口建立固定节点，即锚点，在锚点上建立锚点路由，所述锚点路由引导路由路径沿着道路建立，让承载上层业务的数据包传输沿着道路进行；步骤2，路由转发采用基于链路预测机制的自适应广播和基于链路预测机制的转发算法进行路由转发；步骤3，路由维护。
2.根据权利要求1所述的车辆无线通信网络中的路由方法，其特征在于通过路由请求和路由应答建立基于十字路口的锚点路由表，包括路由请求源节点发起路由请求包，在全网广播以找到目的节点；路由请求包包头包含以下信息类型、广播ID、跳数统计、链路预测特征值、源节点号、目的节点号、锚点节点号和锚点位置；所述链路预测特征值为路由请求包途经路段各中继节点HELLO消息自适应广播周期的最小值；广播过程中，路由请求包每经过一个中继节点，在该节点上建立反向暂态路由，所述反向暂态路由为短生命周期指向源节点的反向路由；反向暂态路由在路由建立过程中引导路由应答包回复；当路由请求包经过锚点覆盖范围时，在锚点上建立反向暂态路由，同时在锚点上建立指向源节点的反向锚点路由，且路由请求包的锚点节点号和锚点位置字段更新到当前所经过的锚点的信息，锚点的信息包括锚点节点号和锚点位置；路由应答目的节点在接到路由请求包后，缓存路由请求包，等待毫秒级时间；对于多条路径的选择，路由方法以跳数最小为优先；当接收的不同路径路由跳数相同，则比较路由请求包中的链路预测特征值；链路预测特征值最大的路由优先选择；确定路由路径后，目的节点产生路由应答包，并沿着之前建立的反向暂态路由回复至源节点，途经锚点和锚点邻居时，更新锚点路由表中的正向锚点路由信息，所述锚点邻居为处于锚点通信范围内的节点；路由应答包包头包含信息如下部分类型，源节点号，目的节点号、目的节点位置、目的节点速度和目的节点更新时刻，锚点节点号和锚点位置，备份锚点节点号和锚点位置；所述锚点路由表包括目的节点号、下一锚点号以及下一锚点位置；所述锚点是无线接入点，通过在自身的HELLO消息中加入anchor_标志告知所处十字路口处的节点；所述HELLO消息是每个节点周期交互各自信息的信标信令包。
3.根据权利要求2所述的车辆无线通信网络中的路由方法，其特征在于所述路由回复过程使用单跳广播的传输方式，路由应答包使用广播形式被路由层接收，判断是否丢包交由路由层决定，通过节点监听邻居节点收到的路由应答包；对于锚点邻居，能够直接获取已经在锚点上建立好的锚点路由表信息。
4.根据权利要求2所述的车辆无线通信网络中的路由方法，其特征在于所述路由转发包括源节点收到路由应答包后，通过查询锚点路由，为每一个待发送的数据包设定一个锚点目标，所有数据包都通过基于链路预测机制的转发算法找寻下一跳节点并发往锚点目标；如果有缓存的数据包，则优先发送；中继节点收到数据包后，如果自身是锚点邻居，则先查询锚点路由更新锚点目标后，再使用基于链路预测机制的转发算法进行路由；如果自身不在锚点通信范围内，则直接使用基于链路预测机制的转发算法更新下一跳节点号继续转发；下一跳节点号是转发过程中的每个节点计算得到的下一个转发目标节点号；路由转发过程中，中继节点先判断目的节点是否为自己的邻居，如果是则直接转发；路由转发过程中使用基于链路预测机制的自适应广播通过HELLO消息交互邻居节点信息。
5.根据权利要求4所述的车辆无线通信网络中的路由方法，其特征在于所述基于链路预测机制的转发算法为，通过对周围邻居的链路预测判断选择稳定可靠的传输节点作为下一跳转发节点预测链路时间低于阈值的邻居节点被视为不可靠节点，判定不可靠的潜在链路；在可靠节点中选择到目的节点距离最近的下一跳节点转发。
6.根据权利要求4所述的车辆无线通信网络中的路由方法，其特征在于所述基于链路预测机制的自适应广播为车辆节点计算周围邻居节点的预测链路时间，围绕初始广播周期进行加权计算自适应广播周期，作为自己HELLO消息的广播周期。
7.根据权利要求5或6中任意一项所述的车辆无线通信网络中的路由方法，其特征在于所述预测链路时间为两个节点具有不同的移动速度，随着两者的移动，相互间位置的变化，当两者间距离将超过可信赖的通信距离，由此变为不连通状态，从连通状态到不连通状态的时间预测；预测链路时间CT的计算方法如下预测链路时间CT通过计算两点间距离函数r(t)得到
8.根据权利要求2所述的车辆无线通信网络中的路由方法，其特征在于所述路由维护包括源节点移动的路由维护和目的节点移动的路由维护；
9. 一种车辆无线通信网络，其特征在于，每一辆汽车都安装搭载专用短程通信协议 IEEE802. Ilp的无线通信模块，共同构成分布式的自组织网络，每一辆汽车就成为一个节占.^ w\ 在十字路口处装有固定的静态无线节点，静态无线节点搭载专用短程通信协议 IEEE802. Ilp的无线通信模块作为锚点，用于辅助路上节点通信或是收集十字路口信息； 锚点与路上节点共同组成车辆无线通信网络，锚点与路上节点通信无需入网过程。
全文摘要
本发明公开了车辆无线通信网络中的路由方法，包括路由建立进行路由请求和路由应答，在十字路口建立固定节点，即锚点，在锚点上建立锚点路由；路由转发采用基于链路预测机制的自适应广播和基于链路预测机制的转发算法进行路由转发；路由维护。本发明还公开了车辆无线通信网络，每一辆汽车都安装搭载专用短程通信协议的无线通信模块，共同构成分布式的自组织网络，每一辆汽车就成为一个节点；在十字路口处装有固定的静态无线节点，静态无线节点搭载专用短程通信协议的无线通信模块作为锚点，用于辅助路上节点通信或是收集十字路口信息；锚点与路上节点共同组成车辆无线通信网络。
文档编号H04W84/18GK102255973SQ20111024308
公开日2011年11月23日 申请日期2011年8月23日 优先权日2011年8月23日
发明者宋扬, 张燕, 许文强, 陆俊, 陈曦 申请人:江苏省邮电规划设计院有限责任公司