专利名称：考虑车辆交通特性的vanet分簇方法
技术领域：
本发明涉及车载无线自组网的分簇方法。
背景技术：
在传统的移动自组网中，为解决网络的稳定和负载平衡问题，研究人员提出了一些分层广播的方法。即把整个网络划分成若干个簇(Cluster)，每个簇由一个簇首和多个成员组成。簇与簇之间由网关(Gateway)连接。簇成员之间的通信通过簇首进行，簇之间的通信则可经过簇首或者网关转发。其优点是可扩展性好，网络规模不受限制。目前，网络分簇的算法主要分别如下四类(1)基于节点ID的分簇算法链路分簇算法(Link Clustering Algorithm, LCA)是一种基于最高节点ID的分簇算法。LCA算法中，邻居节点具有最高ID的节点成为簇首，并且如果一个节点是其某个邻居节点的ID最高的邻居节点，此节点也可成为簇首。该分簇方法首先选择ID最高的节点成为簇首。如果次高ID的节点所覆盖的范围内存在没有被ID最高的簇首覆盖的节点，那么次高ID的节点也成为簇首，否则继续检查下一个ID较高的节点，直到所有节点都属于某个簇。这种分簇方法实现简单，但是会产生过多的簇首，特别是当节点按ID递增的顺序线性排列时，此时除第一个节点外，其他节点都是簇首。另一种基于节点ID的分簇算法是最小ID(LoWest-ID，LID)分簇算法。在LID分簇算法中，为每个节点根本唯一的ID。节点定期期向其邻居节点广播自己的ID值。每个节点通过比较自己的ID值与其邻居节点的ID 大小来确定自己是的ID值是否为没有确定状态的节点中最小的。若本节点ID最小且邻居中不存在簇首节点，则此节点声明为簇首节点。一个节点收到一个簇首声明，则加入该簇， 并声明自己为成员，同时收到两个簇首声明的节点为网关。此类基于节点ID的方法的主要缺点是节点一旦分配到小ID则其成为簇首的可能性要远高于其他节点，会使这样的节点经常被选举为簇首，从而使其负载远远大于其它节点，使网络的公平性降低，负载不平衡。(2)最高节点度分簇算法最高节点度(Max-Degree)分簇算法[通过比较的连通度(degree)，即节点邻居数量来选择簇首节点。实现方法与最小算法类似，节点通过广播其邻居个数，即连通度与其邻节点比较连通度，选择连通度最大的节点为簇首。在移动自组网中，尤其是拓扑变化快的网络中，由于节点的连通度随拓扑变化，所以其形成的簇结构的稳定性较差。(3)最低移动性分簇算法在分簇算法中，生成簇结构的稳定性对网络性能影响最大。为了提高簇结构的稳定性，出现了最小移动速度(Lowest speed)算法，该算法通过比较节点移动速度来选择移动速度小的节点优先成为簇首节点。认为移动速度低的节点作为簇首形成的簇结构稳定， 簇变化频率低。但是这种算法只适合节点移动速率低的网络，对于如VANET(车载无线自组网)的节点高速移动的网络，尤其是节点的相对移动性高的网络，其形成的簇结构不稳定， 簇改变频率高。
(4)基于位置预测的算法Sivavakeesar和I^avlou提出了基于位置预测的簇首选择算法。该算法中提出了 “虚簇”的概念，将整个网络覆盖区域划分成多个“虚簇”区域，将每个节点同与其在同一个 “虚簇”内的其它节点进行比较，选择所在“虚簇”概率最小或与当前“虚簇”中心的距离最短的节点作为簇首。节点可通过GPS或者其它定位方法获取其地理信息，并确定所属“虚簇”。该算法在节点移动性较弱时形成的簇结构稳定，且簇首数量较为固定，具有较好的性能。但是，在节点移动速度较高，拓扑变化快的网络中形成的分簇结构不稳定，簇首变化频率以及成员变化频率较高。在VANET中，节点规模大，密度变化大，尤其在某些时候车辆跟驶，自然分成簇状， 也适合采用分层的方法来进行数据广播。但VANET是一种临时性网络，拓扑变化大，节点速度快，链路存在时间短，这些特点会影响到簇的结构。同时，簇的稳定性是分簇算法的一个重要问题，簇的变化不可避免，但应力求簇结构变化最小，算法应该能够探测并应对拓扑结构的变化以保持合适的簇结构。此时若采用基于信息交换的方法来维护一个分层网络需要通过定期广播控制信息来维持，需要较大的控制开销，从而增加了网络负载。传统的VANET分簇算法一般针对影响分簇结构的连通性、稳定性、负载平衡等因素中的某一个因素来进行，而不考虑影响分簇的其它方面。
发明内容
本发明的目的是提供一种考虑车辆交通特性的VANET分簇方法，以解决车载无线自组网传统的分簇算法针对影响分簇结构的连通性、稳定性、负载平衡等因素中的某一个因素来进行，而不考虑影响分簇的其它方面的缺点。本发明包括下述步骤一、车载无线自组网中的节点分为多个组，每个组内的所有节点构成一个簇；二、确定每个簇中的簇首节点；三、确定每两个相邻簇的网关节点；第二步骤中确定每个簇中簇首节点的方法如下综合考虑节点的位置、速度、连通和行驶行为，选择簇首节点的权计算公式如下Wi = w1Ci+w2Di+w3Vi+w4Li(4-2)式中Ci——连通度分量，用于表示节点的连通状况；Di——距离分量，表示节点与邻居节点距离的平均值；Vi——综合权的速度分量，表示节点速度与其邻居平均速度的差值；Li——节点i的行驶车道分量，即根据节点行驶规则设计的加权项，表示节点行驶车道与基准车道号差值；其中，取Ci= Ni-S |，其中，Ni为节点i的邻居个数，即实际连通度，δ为理想连通度；S值按下面公式计算δ = 2RtX133Xm/1000(4-3)其中Rt——节点传输距离；m——公路的车道数；Di通过下面公式计算
权利要求
1.考虑车辆交通特性的VANET分簇方法，它包括下述步骤一、车载无线自组网中的节点分为多个组，每个组内的所有节点构成一个簇；二、确定每个簇中的簇首节点；三、确定每两个相邻簇的网关节点；其特征在于第二步骤中确定每个簇中簇首节点的方法如下综合考虑节点的位置、速度、连通和行驶行为，选择簇首节点的权计算公式如下 Wi = w1Ci+w2Di+w3Vi+w4Li(4-2)式中Ci——连通度分量，用于表示节点的连通状况； Di——距离分量，表示节点与邻居节点距离的平均值； Vi——综合权的速度分量，表示节点速度与其邻居平均速度的差值； Li——节点i的行驶车道分量，即根据节点行驶规则设计的加权项，表示节点行驶车道与基准车道号差值；其中，取Ci= I Ni-δ I，其中，Ni为节点i的邻居个数，即实际连通度，δ为理想连通度； δ值按下面公式计算δ = 2RtX133Xm/1000(4-3)其中Rt——节点传输距离； m——公路的车道数； Di通过下面公式计算D1 =^fjDistiiJ)(4-4)n M其中Dist (i，j)—节点i到节点j的距离； η——节点的邻居数； Vi通过下面公式计算(4-5)其中Vi——节点i的速度； V——邻节点平均速度，其值按公式(4-6)计算V=-YjVj(4-6)η产ι车道分量Li通过下面公式计算 Li=Ili-LsI(4-7)其中Ii——节点所行驶的车道号； Ls——基准车道号；通过Ii与Ls求差来确定节点处于正常车道的机会大小；W1 W4是每个分量的系数，用以调节每个分量在综合权值中的比重，应满足 w1+w2+w3+w4 = 1,0 ^ w1 w2, W3 W4 ^ 1。
2.根据权利要求1所述的考虑车辆交通特性的VANET分簇方法，其特征在于步骤二中簇首节点不保存成员列表，只由成员记录簇首ID，表示其与这个簇的归属性。
3.根据权利要求1所述的考虑车辆交通特性的VANET分簇方法，其特征在于分簇过程中使用了七种数据包，具体如下广播数据包指承载着实际广播消息内容的数据包，由包头和数据区组成，在包头中定义包ID、发起节点ID、上一跳ID、头ID和包生成时间；节点信息交换包用以在发起簇建立，交换节点信息的数据包，内容包括节点的速度、位置、车道号；簇首声明包节点在认为自己具有较小权值时发此包向其邻居声明自己的权值，收到簇首声明包的节点若具有更小的权值也发簇首声明包表示异议；头维持包节点在被选举成头节点后发送此包以表明自己为头节点，并在监测自身状态认为自己仍为簇首后定期发送；收到头维持包的节点成为该簇的成员；网关维持包节点在成为网关后发送此包以告诉自己邻居自己连接的二个簇首中间已有网关；收到网关维持包的节点收到二个簇首的头维持包后也不竞争网关；网关辞职包网关节点无法轮流收到两个簇首的头维持包时，即认为自己不适合再作网关，此时发网关辞职包以告诉周围节点可以竞争网关。分布式网关询问包节点在需要建立分布式网关时发此包以寻找配对网关，其内容包括节点ID和头ID。
4.根据权利要求3所述的考虑车辆交通特性的VANET分簇方法，其特征在于第一步骤中簇建立可由任意节点发起，通过在邻节点间发送节点信息交换包来交换速度、位置、车道信息计算本节点的综合权，并以此进行簇首选举；当节点计算自己的权后认为自己的权较小，则发簇首声明包，每个收到簇首声明包的节点从中提取声明包里的权值，并与自己权值进行比较，若自己权值更小，则发簇首声明包以表示异议，否则不再发声明包，等待其它节点发头维持包；发出头声明包的节点等待一定时间后未收到异议声明，则发头维持包表示自己是簇首；收到此头维持包的节点即为该簇的成员，并记该节点ID为自己的头节点；第一个收到两个簇首头维持包的节点发网关维持包声明自己为网关节点。
5.根据权利要求3所述的考虑车辆交通特性的VANET分簇方法，其特征在于在一轮簇选举结束后在某节点恰好未被任何簇首覆盖，且其权值大于某些已成为成员的邻节点，则在这些节点间重选簇首。
6.根据权利要求3所述的考虑车辆交通特性的VANET分簇方法，其特征在于在一轮簇首选举后形成的两个相邻簇首覆盖无重叠区域或其重叠区域内无节点，则采用分布式网关来连接两个簇；若节点在成为成员Tg时间后仍未收到任何有效的网关维持包声明，即其周围无网关，则发分布式网关询问包包寻找配对网关，第一个听到此消息的非同簇节点回应此网关维持包与之形成配对的分布式网关；其中Tg用来控制节点的等待时长，以使处于簇首节点覆盖边缘的节点发分布式网关询问包，形成连通的网络。
全文摘要
考虑车辆交通特性的VANET分簇方法，本发明涉及车载无线自组网的分簇方法。它解决了车载无线自组网传统的分簇算法针对影响分簇结构的连通性、稳定性、负载平衡等因素中的某一个因素来进行，而不考虑影响分簇的其它方面的缺点。本发明包括下述步骤1、车载无线自组网中的节点分为多个组，每个组内的所有节点构成一个簇；2、确定每个簇中的簇首节点；3、确定每两个相邻簇的网关节点；第二步骤中确定每个簇中簇首节点的方法如下综合考虑节点的位置、速度、连通和行驶行为，选择簇首节点的权计算公式如下Wi＝w1Ci+w2Di+w3Vi+w4Li。
文档编号H04W84/18GK102307373SQ20111024347
公开日2012年1月4日 申请日期2011年8月23日 优先权日2011年8月23日
发明者付忠传, 刘永文, 周连科, 崔刚, 张必英, 张策, 暴建民, 朱东杰, 王秀峰, 莫毓昌 申请人:哈尔滨工业大学