一种智慧交通中无线链路资源管理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种计算机网络技术，特别涉及一种智慧交通中无线链路资源管理方 法。
【背景技术】
[0002] 近年来交通拥堵问题越来越得到全世界的广泛关注，为此，智慧道路 (IntelligentRoad,简称iRoad)的建设理念应运而生，为改善交通提供了一个解决问题 的方向和手段。例如监控系统可以将交通路口的实时视频信号和交通数据传输到总控制室 是一项很好的控制手段，但是如果将该措施应用到每个交通路口，无疑开销是巨大的，因为 需要开挖路面，铺设电缆等。所以，低成本的无线解决方案更加诱人。可以利用现有的无线 技术定制无线设备（称为智慧节点，也称iNode)安装于各个交通路口的信号灯处（易于接 入电源），彼此之间通过无线链路完成通信。
[0003] iRoad系统可以承载各种应用，例如之前提到的视频监控，可以通过若干节点的转 发将视频信号送达控制室；每个iNode还可以通过传感器收集街道交通信息，并汇总到中 央服务器，形成一个实时的交通图；iNode还可以改进交通信号灯的工作，即每个节点收集 各自路口的交通情况并彼此之间交换信息，来改善交通灯的工作状态。iRoad本身也是一个 普适性的无线网络，可以应用于商业服务平台。驾驶者可以通过最近的iNode来查询附近 沿街服务，例如附近有哪些旅馆，酒吧，餐馆等，甚至可以查看顾客评分，具体菜系等。为了 能支撑以上应用，需要对无线带宽资源进行综合管理。由于无线带宽受到物理条件的限制， 所以如何合理高效的利用有限的带宽资源是智慧道路建设所面临的一个难题。其中一个重 点就是如何为各种应用产生的数据流设定不同的优先级。例如邻近交通灯之间的通信具有 最高的优先级，因为它的误操作会导致威胁生命的后果。对事故现场的监控视频信号也具 有较高的优先级，而一些实时交通图信号，就近服务信号等可以分配给较低的优先级。不同 优先级的数据流竞争相同的带宽，对它们进行区分服务就成为了必然。
【发明内容】
[0004] 本发明是针对如何合理高效的利用有限的带宽资源进行智慧道路管理的问题，提 出了一种智慧交通中无线链路资源管理方法，从两个方面来对智慧道路的工作机制进行创 新。一个是从节点与节点之间的公平性问题进行创新，避免有些节点获取较多的带宽，而有 些节点得不到带宽，一直处于饥饿的状态；另一个是从不同优先级数据的区分服务上进行 创新，让优先级较高的数据流能够以更快的速度发送出去。在保证公平的前提下又能实现 整体吞吐量的提高。
[0005] 本发明的技术方案为：一种智慧交通中无线链路资源管理方法，包括两部分，第一 部分是通过带宽估测算法来实现无线节点直接的公平性，第二部分是通过资源预留模型来 实现不同优先级数据的服务区分，
[0006] 第一部分的带宽估测算法具体为：定义Wi代表站点i的实际吞吐量，Li代表站点 i的负载，巾i代表站点i预先分配到的权重分配系数，为满足一个公平的Mac层协议，
[0007] 当所有站点的负载之和明显低于信道容量时，每个站点的传输要求都应该得到满 足，即对于每个站点有Wi=Li;
[0008] 当站点的负载之和超过信道容量时，每个站点首先，依据站点的权重分配系数按 比例分配到带宽，然后，站点通过接收到的数据包种类来计算传输时间从而估算出本站点 的吞吐量以及其他竞争站点的吞吐量，再调整竞争窗口；
[0009] 第二部分中资源预留机制的实现分两步，第一步链路层模型为不同数据流分配优 先级大小P1，利用调度算法对各个优先级的队列Q1取出对应的数据包放入发送队列；第二 步则是当节点竞争到信道以后根据优先级大小发送对应个数的数据包，维护一个计数器用 来记录当前需要发送的某优先级数据包的个数Ci，并根据第一个待发送的数据包的优先级 对计数器进行初始化，然后估算出发送Ci个数据包需要的时间Tdd，并赋值给Duration字 段，其他站点根据Duration字段来设定NAV的值，以保证站点A连续发送数据包的过程中 不会受到其他站点的干扰。
[0010] 所述依据站点的权重分配系数按比例分配到带宽：根据站点的重要程度为其分配 权重系数，权重分配系数分配的原则是在站点所处彼此竞争无线信道资源的范围内根据其 地理位置的重要性进行分配，地理位置中对于交通枢纽地段分配的系数越高，系数大小根 据统计结果进行修正；根据公平性原则，每个站点所获得的带宽除于它所分配到的权重系 数后的值是相等的。
[0011] 所述竞争窗口的调整：
[0012] 估算的公平指数为FIe=Ei/Eo,其中Ei表示对站点i自身占用带宽的估算，Eo表示对其他站点占用带宽的估算，设定常数常量C= 1. 01，当FIe的值大于C的值，说明本 节点的占用的带宽大于其他节点，调整竞争窗口的值为原来的两倍，降低节点的信道竞争 能力；当FIe的值在1/Nv和C之间，则维持竞争窗口的大小不变，参数Nv表示当前的竞争 节点数；当FIe的值小于1/Nv，则说明本节点的吞吐量明显低于其他节点，将本节点的竞争 窗口减半，以加强对信道的竞争能力。
[0013]C值通过大量实验统计出最优值为1. 01.如果公平指数大于C的值，说明本节点的 占用的带宽大于其他节点，调整竞争窗口的值为原来的两倍，降低节点的信道竞争能力。如 果FIe的值在1/Nv和C之间，则维持竞争窗口的大小不变。当FIe的值小于1/Nv，则说明 本节点的吞吐量明显低于其他节点，将本节点的竞争窗口减半，以加强对信道的竞争能力。 参数Nv表示当前的竞争节点数，区间值（l/Nv，C)也能够根据竞争节点数动态的变化，算法 的准确度也得到了有效的提高。所以C值的选取很重要，选的小了，竞争窗口的调节频率会 变得很大，导致算法工作很不稳定，如果C的值选的大了，竞争窗口又趋于不变。算法能够 根据竞争节点数及时的调整竞争窗口，更加合理的分配带宽，保证了公平性。
[0014] 所述利用调度算法对各个优先级的队列取出对应的数据包放入发送队列，具体步 骤：
[0015] 首先从优先级最高的队列Qni开始遍历，即以队列Qni为首个当前发送队列，对当前 发送队列Q1，定义一个变量Ci表示将要从该队列取出的数据包的个数，Ci的初始值大小为 队列Q1对应的优先级大小Pi，每次从队列取一个数据包，Ci就减1，一直到Ci的值为0时， 则将状态标量Si变为0,Si初始值为1，表示本轮调度该队列的数据包已经发送结束，继续 选择下一个队列Q1i作为当前队列，每选取一个数据包，就将C1i的值减1，一直到C1i的值 为〇,再继续选择下一个优先级队列，一直到队列仏的C1= 〇,即所有队列的状态标量Si= 〇，表示该轮遍历结束；最后将所有队列的状态标量Si恢复初始值，开始新一轮的遍历；
[0016] 如果某队列在Ci的值变为0之前就无数据包了，则先跳过该队列，继续发送下一 个低优先级的队列Q1 1;
[0017] 当队列Q1i的分组都发送结束后，侦测下Qi是否有分组到来，如果有则进行Q 送，如果还是没有分组到来，则认为在短时间内，该队列不会有新的分组到来，为了保证其 他队列的分组可以及时发出，先将该队列标记为已经发送完毕，即S1= 0随之继续下一队 列的发送。
[0018] 本发明的有益效果在于：本发明智慧交通中无线链路资源管理方法，合理分配节 点所得带宽，在此基础上进行优先级数据的区分服务，在保证公平的前提下又能实现整体 吞吐量的提尚。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明资源预留的流程示意图；
[0020] 图2为本发明路层模型示意图；
[0021] 图3为本发明MAC帧说明示意图；
[0022] 图4为本发明资源预留的实例示意图。
【具体实施方式】
[0023] 本发明提出的智慧交通中无线链路资源管理方法，是适用于智慧道路的无线节点 之间的通信。重在解决在有限的无线链路资源中如何保证节点之间公平性的前提下实现不 同重要程度数据的一个服务区分。
[0024] 本发明主要分成两部分，一部分是通过带宽估测算法来实现无线节点直接的公平 性，第二部分是通过资源预留模型来实现不同优先级数据的服务区分。
[0025] 在带宽估测算法中，某节点A维护两个变量Wra以及W，分别代表对其他节点占用 带宽的估算以及本节点占用带宽的估算。当节点A收到RTS帧时，根据帧中的目的节点信 息来判断是否是发给自己的，如果不是发给自己的，则直接将变量WJ直加上RTS帧的大小 作为其他站点的吞吐量估计值；如果是发给本节点的，则返回一个CTS帧，并且将变量WJ直 更新为原来的值加上RTS帧以及CTS帧的大小之和。当节点A收到的是CTS帧，如果不是 发给自己的，则将变量WJ直更新为原来的值加上CTS帧的时长之和；如果是发送给本节点