基于延迟估计的vanet数据传输协议的制作方法
【专利摘要】本发明目的在于依据车辆的行驶方向，提出了一种新的基于延迟估计的车辆网络数据传输协议，和VADD只从道路角度估计消息延迟不同，本发明针对个体车辆估计延迟，利用车辆的当前位置和转弯方向，来选择最优车辆作为消息的携带者，从而获得最低传输延迟，仿真实验证明，本发明相比VADD具有更低的消息平均传输延迟。
【专利说明】基于延迟估计的VANET数据传输协议
【技术领域】:
[0001]本性明属于交通领域，具体涉及交通中信息传播领域。
【背景技术】
[0002]近年来，随着Ad hoc网络和智能交通系统的发展，车载自组织网络(VANET)应运而生。作为一种新的Ad hoc网络，车载网络具有广阔的应用前景[Xu Qing7Mark T,Ko J，etal.Vehicle-to-vehicle safety messaging in DSRC[C]//Proc of VANET.Philadelphia:ACM,2004.][Eriksson J, Balakrishnan H, Madden S.Cabernet-Vehicular contentdelivery using WiFi [C]//Proc of MobiCom.San Francisco:ACM, 2008.]。例如，通过及时传播交通事故和气象信息，车载网络可以提高驾驶安全性；而实时交通信息的传播，可以帮助驾驶者制定合理的出行路线，提高交通运输的效率；此外，车载网络还能实现数据的共享和传输，为乘客提供互联网接入服务。目前，各大汽车公司和研究纷纷开展车载网络的研究，越来越多的车辆配备了车载通信设备，使得大规模车载自组网应用成为可能。
[0003]作为一种特殊的移动自组网，车载自组织网络具有移动自组网的一般特性，即自组织、自管理、传输距离短、拓扑动态变化等。此外，由于将行驶的车辆作为信息传播载体，车载自组网又具有区别于其他移动自组网的特殊性:(1)网络拓扑变化快。相比其他移动自组网，车辆节点具有非常高的运动速度，从而导致了网络拓扑结构的快速变化；(2 )节点运动受限。节点的分布和移动受道路布局的限制，节点的移动具有一定的规律性和可预测性。基于此特征，利用GPS系统可以实现车辆定位和道路选择；(3)网络间断连通性。网络拓扑的快速变化，以及较小的节点通信半径使得节点间存在时断时续的连通性；(4)充足的电池能量和较强的计算能力。节点以车辆作为载体，相比其他自组织网络可以获得充足的能量和更强大的计算能力。
[0004]以上这些特点，使得传统自组织网络环境的数据传输策略并不适用于车载自组织网络。如何在车载网络环境下，通过快速行驶的车辆来实现高效的数据传输成为一个很大的挑战。由于节点的间断连通性，大多数研究通常采用携带-传递(carry and forward)机制[Davis J, Fagg A, Levine B.Wearable computers as packet transport mechanismsin highly-partitioned Ad-hoc Networks[C]//Proc of International Symposium onWearable Computing, Zurich, 2001.],即在没有更好的下一跳车辆出现时，消息会被当前所在的车辆暂时携带，直至遇到更好的车辆才传递过去。为进行路由决策，通常可利用的信息有:(I)道路地理位置信息；(2)道路交通车流量统计信息。随着目前GPS技术的发展和相关导航设备的普及，上述信息可以很方便地获取。
[0005]Ding提出了 SADV协议[Ding Yong,Wang Chen,Xiao L1.A static-node assistedadaptive routing protocol in vehicular networks[C]//Proc of VANET.Montreal:ACM, 2007.]，其设计思想是在路口设置静态节点对消息进行暂时存储，直到遇到与期望方向一致的车辆才传递消息。
[0006]虽然SADV协议能够保证消息传递给最佳的车辆节点，但由于SADV需要添加额外的路边静态节点，因此增加了成本投入和实施难度。
[0007]GeOpps (Geographical Opportunistic Routing) [Leontiadis I, MascoloC.GeOpps:Geographical opportunistic routing for vehicular networks[C].Proc ofthe IEEE International Symposium on World of Wireless, Mobile and MultimediaNetworks.Piscataway, NJ:1nst of Elec and Elec Eng Inc, 2007:1-6.]利用车辆的导航系统获取到达目的节点的备选路径，通过从备选路径上选择距离目的节点更近的车辆进行数据转发，通过计算目的节点到车辆备选路径上最近点的距离，估算数据包到达目的节点的时间，选最近点离目的节点距离最短的备选路径转发数据。
[0008]GeOpps比基于位置的路由算法具有更高数据包投递率；为找到离目的节点更近的转发节点仅需要很少的遇见；数据包投递率依赖于移动模型和道路拓扑，而不依赖车辆的高密度；但由于导航信息对网络是开放的，存在隐私，如车辆行踪暴露等问题。
[0009]为了合理选择低延迟路径传递消息，Zhao等人提出VADD协议[Zhao Jing, CaoGuohong.VADD:Vehicle-assisted data deliveryin vehicular Ad hoc Networks[J].1EEE Transactions on Vehicular Technology, 2008, 57 (3):1910-1922.]。该协议利用车流量统计信息，来计算消息在路口的不同方向上的可传递概率，以及消息通过每个路段的传输延迟。在此基础上，VADD估计经由不同路段将消息传递到目的地所需的端到端(End-to-End，E2E)延迟，并规定消息传递总是选择可用的具有最小E2E延迟的路段。
[0010]虽然VADD算法具有相对较好的性能，但仍存在以下不足:
[0011](I)直路模式不够灵活。虽然VADD允许消息在进入一个路段后，可以根据计算得到两端路口的期望延迟来确定消息的传输应向哪端。但实际上，消息从路段中传输至路口也需要时间，且该时间的长短与消息当前的位置和车辆速度、密度有关；不同状况下，为保证消息传输的低延迟，消息的最佳传输方向可能不同。
[0012](2) VADD直路模式采用贪婪算法使消息尽可能快地通过多跳传至路口，然而由于最前端车辆的行驶方向不确定，可能导致消息在快速到达路口后，却无法遇到最优路段车辆而不得不传递至高延迟路段。这种因路段错误导致的延迟将大大延缓消息的传递。当消息在直路中传递时，若遇到某车辆即将驶向低延迟的路段方向，将消息传递至该车辆并由其携带至期望路段，可能会比采用贪婪方法快速传输至路口具有更小的消息递交延迟。
[0013]需要说明的是，虽然TBD 协议[Jeong J，Guo S，Gu Y，et al.TBD:Trajectory-based data forwarding for light-traffic vehicular networks[C]//Procof ICDCS.Montreal:IEEE, 2009.]也依据个体车辆估计延迟，但其利用车辆轨迹来计算延迟的方法并不准确，后面将进行说明。
【发明内容】
[0014]发明目的:针对VADD的上述不足，依据车辆的行驶方向，提出了一种新的基于延迟估计的车辆网络数据传输协议DEDD (Delay Evaluation-based Data Delivery)。和VADD只从道路角度估计消息延迟不同，DEDD针对个体车辆估计延迟，利用车辆的当前位置和转弯方向，来选择最优车辆作为消息的携带者，从而获得最低传输延迟。
[0015]技术方案:个体车辆传输消息的期望延迟
[0016]本文的DEDD协议依据车辆的当前位置和行驶方向，计算不同车辆传输消息所需要的期望传输延迟(Expected Delivery Delay, EDD)。考虑在路段eu上以速度v行驶的车辆V1，其当前位置到路口 L的距离为I。该车传递消息的EDD可分为两部分:(I)车辆V1携带消息至路口 L的时间tM?y ；(2)从路口 L经由各可能路段到达消息目的地的E2E期望延迟te2e。对tM?y的计算，可简单通过tM?y= 1/v得到，也可由实际统计进行更准确估算。下面主要描述如何计算消息由路口 Ij传输至目的地的E2E延迟te2e。
[0017](I)选路决策:
[0018]为进行选路决策，VADD估计不同路段的传输延迟。令Clij表示消息经过路段eij(由路口 Ii至路口 IP的传输延迟，其值可根据路段长度、车辆密度和平均速度等计算。此外，假设消息从路口 Ii发出，经过路段eu并最终到达目的地所需要的E2E期望传输延迟为Dijo令N(j)表示与路口 L相邻的所有路口的集合，则有:
[0020](I)公式(I)中Pjk表示消息在路口 Ij传递至路段ejk的概率。由于网络的间断连通，消息的携带者在经过路口 Ij时，可能遇不到合适车辆使消息传递至预期方向，因此消息
的实际传递方向具有概率性。由此可知，^即是消息从路口 Ij出发(经由各路段)传
输至目的地所需要的期望延迟；而Dij等于消息通过的时间，再加上由L传递至目的地的期望延迟。利用公式(1)，针对道路网络中任一路段e.(m、n为路口编号且m古η)均可列出其对应的Dmn等式。例如，如图1所示的道路网络，若消息传输的目的地为路口 I。，则对应的等式如下:
Dab = dab + PbaDba + Pb Dlc
Dac ^dCiC
Dbu = ^ba + P D + PacDac
<
[0021]Dbc = dbc
Αα=ο
Ab = 0
(2)
[0022]求解该方程组，即可求得任意路段emn所对应的Dmn。VADD将利用Dmn进行选路决策。
[0023]为降低消息递交延迟，VADD总是选择可用的、具有最小E2E期望延迟的路段来传递消息。例如，对与路口 L相连的η个路段，设ef &2，…，表示将此η个路段按照其Ε2Ε期望延迟的升序排列，因此该序列满足Djl ( Dj2 (…(Djn0当消息的携带者进入路口Ij,为发送消息，首先寻找驶向路段％的车辆，因该路段具有最低Ε2Ε期望延迟；若失败，则继续寻找驶入％的车辆……以此类推，直到找到一个车辆，其行驶方向在所有遇到的邻居车辆中具有最低的Ε2Ε延迟期望，随后将消息传递至该车。一种特殊情况是，若未发现比消息当前携带者的驶入路段更优的车辆，则消息将被当前携带车辆继续携带。
[0024](2)期望传输延迟
[0025]以上是VADD的选路决策。本文的DEDD协议中，消息在路口 Ij的路段选择仍遵循由VADD协议计算得到的路段方向优先级，从而使消息总是选择可以利用的、具有最低Ε2Ε期望延迟的路段方向传递。如前所述，与路口 Ij相连的各路段，按其E2E期望延迟升序排序为ejl，ej2，…，ejn，与之对应的E2E延迟分别为Djl, Dj2，…，Djn。假设消息由车辆V1携带至路口 Ij,而V1行驶方向为eja(l≤a≤η)，则最坏的情况下，消息将由车辆V1携带驶入eja ;因此对于比~有更高传输延迟的路段，消息通过概率为O。虽然公式(I)的计算比较简单，但如何得到P#却比较复杂，将对其简要描述，详细过程可参见文献[Zhao Jing, CaoGuohong.VADD:Vehicle-assisted data deliveryin vehicular Ad hoc Networks[J].1EEE Transactions on Vehicular Technology,2008,57 (3):1910-1922.]。在 VADD 中，假设车辆行驶到路口满足泊松分布，因此，在消息的携带者通过路口 L的L时间内，能够遇到至少一辆车辆驶向路段e#的概率为:
[0026]CPjk = l_e]JkTJ (3)
[0027]CPjk也称作接触概率(contacting probability),它表示消息可以通过其他车辆传递至路段4,的概率。公式(3)中的λΛ可由实际统计得到。基于公式(3)，消息传输至路段ejm(l≤m<a)的概率Pjm为:
【权利要求】
1.一种基于延迟估计的VANET数据传输协议，其特征在于，包括: 和VADD只从道路角度估计消息延迟不同，针对个体车辆估计延迟用利用车辆的当前位置和转弯方向，来选择最优车辆作为消息的携带者，从而获得最低传输延迟。
2.根据权利要求1所述的基于延迟估计的VANET数据传输协议，其特征在于， 获得最低传输延迟包括: (1)选路决策 为进行选路决策，VADD估计不同路段的传输延迟；令dL表示消息经过路段(由路口 Ii至路口 IP的传输延迟，其值可根据路段长度、车辆密度和平均速度等计算；此外，假设消息从路口 Ii发出，经过路段eu并最终到达目的地所需要的E2E期望传输延迟为Dij ；令N(j)表示与路口 L相邻的所有路口的集合，则有:
【文档编号】H04L29/08GK103475715SQ201310410530
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月10日 优先权日:2013年9月10日
【发明者】宋文广, 李大鹏, 陶运铮, 赵海涛 申请人:镇江青思网络科技有限公司