一种基于节点转发能力估计的车载容迟网络路由方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于车载容迟网络应用领域，具体为一种基于节点转发能力估计的车载容 迟网络路由方法。
【背景技术】
[0002] 车联网作为物联网产业首先落地的项目，日益受到学术界和产业界的关注。当前， 车联网的主要应用服务包括车辆主动安全服务和用户娱乐体验服务。车辆主动安全服务是 指在前方路段发生事故后，由前方车辆通过音视频采集装置将事故发生的状况进行采集， 而后通过车联网的通信模块向后方车辆节点进行数据转发，以主动方式提醒汽车驾驶员前 方有异常情况，从而避免了更大的交通事故。用户娱乐体验服务是一种新兴的车联网业务， 它是指车辆之间以自组织的方式形成移动自组网，然后，在车辆之间共享短音频和短视频 流，从而为用户在旅途中增添乐趣。然而，车联网中这两项核心业务对于数据的传输能力要 求很高，因此，有必要研究车联网环境下的数据传输方法。
[0003] 根据车辆节点的分布和道路状况，车联网可以分为节点间全连通的车载自组织网 络（Vehicular Ad Hoc Networks, VANETs)和节点间间歇性连通的车载容迟网络（Vehicle Delay Tolerant Networks, VDTNs)，因此，当前车联网研究的重点就是针对VANETs和VDTNs 两种环境下的高效数据转发。由于VDTNs中节点间的连接是间歇性的、机会性的，因此， VDTNs相对于VANETs的数据转发条件更加严格、更具挑战性。归纳起来，现有的车联网 路由和数据转发算法可以分为3类：基于连接感知的路由算法、基于地理区域的路由算法 Geocast和基于地图导航的路由算法。其中，基于连接感知的路由算法主要是根据源节点与 目的节点之间的距离、传播功率、传输比率和车辆密度来计算节点之间的连接概率，并以此 来估计数据包被成功接收的概率，继而选出高连接率的节点作为中继节点。这类方法不仅 实现简单，且效率较高。不足之处在于它们均是针对全连通覆盖的VANETs网络，所采用的 路由模式为存储一转发，这种路由转发模式并不适用于VDTNs这种机会性网络。基于地理 区域的路由算法Geocast是一种向特定区域内所有节点传送数据的多播数据转发协议，它 主要适用于地理区域广播这类型的应用。然而，Geocast协议并不适应于Geocast组内节点 稀疏的环境，因此，现有针对Geocast路由的研究仍然是在VANETs环境下。基于地图导航的 路由算法是利用车辆在长途行驶时会开启GPS系统并根据电子地图选路的特性，将驶往 相同或相近目标区域的车辆组合成稳定的连通支配集，从而提高了数据转发的成功率。这 种方法的不足在于它过分依赖于GPS导航系统，因此，对于不使用GPS导航系统或者不使用 相同厂家GPS导航系统的车辆，将无法获得这项服务，这必将进一步降低车联网环境下车 辆节点的稀疏度并导致节点连接间歇性和机会性程度加强，不可预测度加剧。
【发明内容】
[0004] 技术问题：目前，车联网路由和数据转发方法大都还是基于连通覆盖度较高的 VANETs环境，而现有方法应用于节点连接具有间歇性和机会性的VDTNs网络，会导致数据 转发效率降低；数据传输时延、时延抖动及丢包率增大；数据传输的稳定性变弱。
[0005] 技术方案：为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于节点转发能力估计的车 载容迟网络路由方法，该方法针对VDTNs环境的特点，采用了基于节点转发能力估计的存 储一携带一转发路由策略，具体技术方案如下：
[0006] -种基于节点转发能力估计的车载容迟网络路由方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤1 :判断目的节点是否在源节点的通信范围内，若目的节点在源节点的通信 范围内，则源节点直接发送信息至目的节点；否则，执行步骤2 ;
[0008] 步骤2 :估计源节点与其通信范围内的所有邻居节点之间的有效连接时间Ta;
[0009] 步骤3 :将步骤2中所述的源节点与所有邻居节点的有效连接时间1；取平均值，以 所述平均值作为自适应阈值Pth，将Ta值超过阈值P th的邻居节点视为中继候选节点；
[0010] 步骤4 :构造所述中继候选节点吞吐量函数F(x)，并结合步骤2计算所述中继候选 节点的平均转发能力估计值；
[0011] 步骤5 :选择平均转发能力估计值最大的中继候选节点作为下一跳中继节点；
[0012] 步骤6 :源节点选出所述中继节点，将信息发送至所述中继节点；并将所述中继节 点作为新的源节点；
[0013] 步骤7 :依次循环执行步骤1至步骤6,直至流媒体信息被成功传送至目的节点。
[0014] 进一步，步骤2所述的估计源节点与其通信范围内的所有邻居节点之间的有效连 接时间！；的方法为：
[0015] 步骤2. 1 :首先计算源节点以及其通信范围内的邻居节点在水平和垂直方向的速 度和距离；
[0016] 步骤2. 2 :在At时间之后，源节点和其通信范围内的邻居节点之间直线距离为r， 根据欧几里得距离可得标准的一元二次方程式；
[0017] 步骤2. 3:由一元二次方程的判别式定理，可以求得源节点与其通信范围内的邻 居节点之间的有效连接时间Ta的估计值；
[0018] 步骤2. 4 :重复步骤2. 1至步骤2. 3计算出源节点与其通信范围内的所有邻居节 点之间的有效连接时间Ta的估计值。
[0019] 进一步，步骤4所述的计算所述中继候选节点的平均转发能力估计值的方法为：
[0020] 步骤4. 1 :根据车联网历史流量特征，构建车辆流量模型；
[0021] 步骤4. 2 :由车辆流量模型拟合出车辆节点吞吐量函数；
[0022] 步骤4. 3 :对中继候选节点在有效连接时间区间[0, TJ内的吞吐量函数F(x)求 积分得到中继候选节点的平均转发能力估计值Enfc。
[0023] 进一步，所述步骤4. 1中所述的车辆流量模型为：基于小波神经网络车辆流量预 测模型；所述小波神经网络车辆流量预测模型采用三层神经网络结构，并且以小波函数代 替常规神经网络的Sigmoid作为神经网络的隐节点激励函数、以小波的尺度和平移参数作 为神经网络的权值和阈值参数，构成一个前馈型神经网络。
[0024] 进一步，所述步骤6中所述信息为Bundle束消息，所述Bundle束消息包括：车辆 间交互的车辆位置坐标、方向和移动速度，车辆与中继节点交互的车辆的历史流量数据以 及车辆间的流媒体数据。
[0025] 本发明的有益效果：
[0026] (1)数据包的投递率较高
[0027] 本发明提出的车载容迟网络路由方法是基于节点转发能力，它总是主动选择转发 能力估计值最大的节点转发数据，因此，该方法随着网络负载的增加，始终能够维持较高的 数据包成功投递率。
[0028] (2)平均传输时延较低
[0029] 传输时延由节点间传输的带宽决定，只选择连通概率最大的节点来转发数据，而 不考虑到节点间传输的网络带宽，极可能导致数据传输时延和传输次数的增加。本发明首 先根据车辆节点的运动方向和运动速度估计出节点的有效连接时间，然后根据车联网的流 量特征为车辆构建流量模型并将其作为车辆节点的吞吐量函数，之后，通过对有效连接时 间区间内的吞吐量函数求积分得到节点转发能力的估计值，根据节点转发能力的估计值构 造高效的车载容迟网络路由算法。本发明的算法综合考虑到节点连通概率与网络带宽，能 很好地解决该问题，并获得较低的平均传输时延。
[0030] (3)低时延抖动
[0031 ] -般来讲，随着车辆节点的快速运动和网络负载的增大，必然引起车辆间路径的 改变和网络拥塞发生，并导致数据包传输时的时延抖动，这是不可避免的，但是希望能将 时延抖动控制到合理范围之内，以保障VDTNs环境下多媒体服务的服务质量。本发明提出 的方法会选择吞吐量较大的窗口（通过对有效连接时间区间内的吞吐量函数求积分得到 节点转发能力的估计值继而比较选择出来的平均转发能力最大的节点，其吞吐量窗口是较 大的）进行数据转发，因此，它能够容纳的数据量就更大；随着网络中发送消息数量的增 加，本发明提出的方法产生的时延抖动就会减小。
[0032] (4)丢包率低
[0033] 丢包率与网络的带宽、缓冲区大小以及节点间的连接时间有密切的关联，这三个 因素会从不同的方面影响着算法的丢包率这一重要性能指标。因此，单独考虑其中的一项 因素，而忽略另一个因素，都会导致丢包率的升高，严重影响网络的服务质量和用户体验。 缓冲区大小的设置一定的情况下，丢包率指标仅与网络的带宽和节点间的连接时间正相 关。本发明的算法