一种车载网络中多候选复合中继数据传输方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及车载自组织网络的数据传输算法，特别涉及高速公路上紧急信息的传 输。
【背景技术】
[0002] 通过现有地面交通设施与先进信息通信技术的结合，智能交通系统（Intelligent Transportation System, ITS)能够为道路交通问题提供有效的解决方法。车载自组织网络 (Vehicular Ad Hoc networks, VANETs)(以下简称车载网络或者VANETs)由于能够提高道 路安全和驾驶舒适度而成为ITS的重要组成部分。车载网络能够让参与通信的车辆之间相 互交换路况信息，而不需要借助路边固定基础设施的辅助。随着越来越多的汽车都配备无 线通信设备，大规模的车载网络通信能够成为现实。正因为巨大的潜在研究价值，车载网络 早已成为学者重点关注的领域，然而，车载网络拓扑结构的快速变化、链路频繁断开的特点 使得它难以预测和管理。出于以上原因，在车载网络中提供有效的数据传输服务是一项很 有挑战的工作。
[0003] 现存的车载网络数据传输方式可以分成三种模式：推送模式（push)、请求模式 (pull)、混合模式。在推送模式中，通过主动的周期性广播方式来传输数据，而在请求模式 中，则根据需求传输数据。对于那些需要立即响应与安全相关的数据，通常选择推送模式， 而类似于寻找停车位、查询天气这些可以容忍延迟的应用数据则选择请求模式传输。对于 道路上的事故警告信息，如高速公路上某个地方发生两车追尾而发出的警告信息，这类对 实时性要求高的数据传输方式通常采用广播这种推送模式。然而，广播却会引起广播风暴 问题，容易导致网络性能急剧恶化。针对这种情况，已经有许多研究致力于克服广播风暴问 题。
[0004] Tonguz等提出分布式车辆广播算法DV-CAST (参见文献：Tonguz 0 K, ffisitpongphan N, Bai F. DV-CAST: A distributed vehicular broadcast protocol for vehicular ad hoc networks[J]. Wireless Communications, IEEE, 2010, 17(2):47-57.) 来解决广播风暴问题和网络分离问题，DV-CAST利用周期性的信标消息获取一跳邻居节点 的信息建立本地拓扑来决定哪些节点来转发消息（rebroadcast)，适用于稀疏和密集的网 络，在密集网络环境中：采用广播抑制算法降低广播风暴的可能性，稀疏环境中：采用"存 储-携带-转发"的方式来克服网络分离问题。但是，DV-CAST中未考虑速度问题即由于相 对运动产生的相对距离问题。
[0005] Τ· H. Kim等提出基于距离的中继选择算法DBRS (参见文献：Τ· H. Kim, W. K. Hong, H. C.Kim, and Y.D.Lee, An Effective Data Dissemination in Vehicular Ad-Hoc Network, ininformation Networking. Towards Ubiquitous Networking and Services. Springer, 2008, pp. 295 - 304.)是一种较简单数据传输方法。在收到数据包后，车辆节点 不是立即转发而是先保存一段时间（时间长短与到发送车辆的距离倒数成正比），即距离 发送数据车辆越远等待时间越短越早转发，其他车辆在收到相同副本时就不再转发该消 息，这样减少了转发的节点数目，可以减少广播风暴出现的可能性。该方法可以有效解决广 播风暴问题，但他的缺点是：网络时延会比较高，因为不能保证时延较小的车辆节点一定存 在；覆盖范围会减小，因为当接收到相同数据包的时候车辆节点会任意地取消传输消息。
[0006] Villas L A等提出的数据传输算法DRIFT (参见文献：Villas L A，de Andrade T Ρ C, da Fonseca Ν L S.An efficient and robust protocol to disseminate data in highway environments with different traffic conditions[C]//Computers and Communication(ISCC), 2014IEEE Symposium on. IEEE, 2014:1-6.和文南犬：Villas L A, Boukerche A, Araujo R B, et al. Network partition-aware geographical data dissemination[C]//Communications(ICC), 2013IEEE International Conference on. IEEE, 2013:1439-1443.)是关于高速公路环境下的分布式数据传输协议，采用车与车 (V2V)之间直接通信的方式，不需要依靠任何基础设施，也不需要维护邻居表。源节点将消 息广播出去，由接收车辆根据自身与源节点之间的距离计算一个等待时间，等待时间结束 就立即广播消息。与DBRS类似，其他车辆在收到相同副本时就不再转发该消息。但是，由 于可能出现两个或者两个以上的车辆并行或者他们之间的距离较小，这样根据距离计算的 等待时间长短相近，就可能出现同时转发消息的情况，这样容易导致冲突出现，从而使消 息转发失败影响投递率和时延。
[0007] 为了有效解决由于冲突带来的时延增加和投递率下降以及速度对于最佳转发节 点选择的影响，提出一种多候选复合中继数据分发机制，既能够有效解决网络分离问题，又 能够让安全警告信息及时可靠的传给危险警告区域的车辆。
[0008] 本发明所要解决的问题是：在高速公路上车辆行驶速度快，由于视线、驾驶疏忽等 原因常发生意外交通事故导致前后车辆追尾碰撞，而后方车辆在不知道前方发生交通事故 的情况下继续高速前行这样容易导致更大的连环追尾事故的发生。现有的关于事故警告信 息的数据传输算法虽然能够从一定程度上克服广播风暴和网络分离问题，为了进一步提高 数据传输协议的性能从而让警告信息能够传输到事故地点后方的车辆。
【发明内容】
[0009] 针对现有技术的不足，提出了一种一定程度上克服广播风暴和网络分离问题、进 一步提高数据传输协议的性能从而让警告信息能够传输到事故地点后方的车载网络中多 候选复合中继数据传输方法。本发明的技术方案如下：一种车载网络中多候选复合中继数 据传输方法，其包括以下步骤：
[0010] 101、车辆节点之间建立两跳邻居表的步骤；
[0011] 102、当车辆源节点S发生碰撞时，车辆源节点S产生警告消息；
[0012] 103、车辆源节点S将产生的警告消息，依据两跳邻居表中的节点信息，计算出 当前时刻车辆i与源节点S的距离山(tramnt)，并与设定通信半径R进行比较，定义公式 P - R -}若Pl< 0,说明车辆i不在S的通信半径R内，链路断开；若p 0,说明 车辆i在S的通信半径R内能够进行通信，根据A =^1^1计算源节点周围两跳邻居 节点的复合参数Pi的值，按从小到大的顺利将对应的车辆id放在步骤102产生的警告消 息的相应字段中，广播警告消息；
[0013] 104、源节点S周围的邻居节点收到警告消息后，比较消息中的相应字段，确定自 己是否为下一个转发节点，若是下一个转发节点则转到步骤/103,若不是下一个转发节点 则进行步骤105 ;
[0014] 105、进入等待阶段，等待时间
[0016] 其中，tDIFS表示MAC层的长帧间间隔时间，W _为广播消息遇到的最大退避窗口数， σ表示一个退避窗口的时隙大小，t_d表示发送一个包所需的时间。等待时间结束未收到 广播消息，则回到步骤104,若等待时间T内收到同样的广播消息，说明已经有节点进行了 消息转发则立即结束等待，删除多余消息。
[0017] 进一步的，步骤101中车辆节点之间建立两跳邻居表的步骤具体为；在每一次交 换Hello消息时都把自己的信息和自己的一跳邻居信息放入Hello消息中发给下一个邻居 节点。这样每个节点的邻居表中都保存着两跳邻居的信息。
[0018] 进一步的，所述Hello消息的格式为：
[0020] 其中，Vehicle ID为每个车辆节点的唯一标识；Position表示车辆的当前位置， 用二元组（xi, yi)表示；Speed表示的是车辆的行驶速度v ;Timestamp表示时间戳，即产生 消息的时刻；Driving Direction表示车辆的行驶方向，每个移动车辆都安装有全向天线覆 盖半径R。
[0021] 进一步的，步骤103中计算当前时刻车辆i与源节点S的距离山具体为： 根据两跳邻居表中的邻居节点信息计算车辆i在时刻t与源节点S直接的距离
[0023] 车辆节点i与源节点S间的相对速度
[0024] Δ ν；= v ；-￥〇
[0025] 若相对速度AVi>〇表示车辆i速度大于源节点S的速度，若AVi<〇则表示车 辆i的速度小于源节点S的速度；
[0026] 然后再通过相对速度计算Δ t内行驶的距离：
[0028] 其中，为发送消息的当前时间，t为源节点S的邻居表中车辆i时间戳，因 此，当前时刻车辆i与源节点S的距离为：
[0030] 本发明的优点及有益效果如下：
[0031] 本发明在时刻h车辆3位于源节点0的半径外边缘附近，而在时刻t 1+1车辆3可 能进入源节点〇的通信半径内。如果采用一跳邻居表就会漏掉这种情况，因此我们采用两 跳邻居表。
[0032] 当车辆碰撞时，产生警告信息并周期性地向周围广播，对于消息的传输我们采取 的方式是：当警告消息产生时，源节点根据自己两跳邻居表中的所保存的关于邻居节点的 位置、速度和时间戳等信息，首先计算出记录时间戳时刻t车辆与源节点直接的距离山(t)， 以及相对速度AVl，然后根据当前时间与时间戳记录时间之间的差值At计算这段时间内 产生的相对距离Ac^，再由前面计算出来的两个距离djt)和△山求出当前时刻车辆与源 节点之间的距离di ，最后根据通信半径R和di 之间的关系确定出的一个复 合参数P的