基于车辆－簇－通信小区三层架构的数据传输系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于数据通信领域，尤其设及一种基于车辆一簇一通信小区=层架构的数 据传输系统及方法。
【背景技术】
[0002] 道路交通系统是典型的复杂巨系统，依靠传统的智能交通管理方式，单从车辆或 道路的角度考虑，很难解决不断恶化的事故频发、交通拥堵W及由此导致的环境污染等问 题。无线传感器网络等现代科学技术推动了 W车车、车路通信为基础的车路协同技术的发 展。车路协同系统（Cooperative Vehicle Infrastructure System,CVIS)基于无线通信、 传感器检测等技术获取车辆和道路信息，通过车车、车路通信进行信息交互和共享，W实现 车辆和道路基础设施之间的智能协同与配合，达到优化利用系统资源、提高道路交通安全、 缓解交通拥堵的目的。车路协同系统不仅是国际智能交通领域研究的热点问题之一，更是 各国智能交通发展路线图中的关键环节，并将主导未来智能交通的发展方向。
[0003] 车路协同系统中的"车"指的是装配有车辆状态监测、无线通信等设备的车辆单 元，"路"指的是路侧设施，如信号控制器、信息基站等。一定范围内的车车、车路之间相互交 换信息，并自动连接建立一种移动的无线传感器网络，即车辆自组织网络(Vehicle Ad hoc Networks, VA肥T)。车辆自组织网络中车车、车路之间的可靠通信是实现车路协同的基础。 通过车载终端对车辆及道路状态信息的准确检测和无线通信网络的实时信息传输，可W实 现车路协同系统中数据的高效共享，并服务于各种高实时性和高可靠性的车路协同应用。
[0004] 车路协同系统在应用层面上主要体现在两个方面:一是面向安全的应用，如车车 主动避撞、危险路段预警与控制等;二是面向效率的应用，如交通信号的协调控制、实时动 态路径诱导等。近年来，国内外学者相继开展了一系列面向安全的车路协同应用研究，并取 得了一些满意的阶段性成果。
[000引随着交通需求的不断提高，W改善交通运行效率为目标的车路协同控制技术及其 相关理论，也逐渐引起国内外学者的重视。有别于面向安全的车路协同技术研究，面向效率 的车路协同技术通常W宏观路网及其建立的通信网络为研究对象，网络一般包含有海量的 车辆节点并覆盖大范围的地理空间，具有大规模通信网络的特点。例如，在基于车路协同的 交通诱导系统中，道路交通状态的获取和最优路径规划，都需要W整个城市路网中的行驶 车辆和道路及交通设施为对象进行研究，诱导系统不仅需要实时采集和处理来自路网中各 个道路或区域的交通状态信息，还必须通过车路通信网络将实时的交通状态信息准确传输 至目标车辆。
[0006]然而，车路通信网络的自组织、分布式及拓扑易变等特性给大规模车路通信网络 的数据传输带来了严峻挑战。在车路通信网络中，消息源节点和目的节点之间的地理距离 越远，通信链路建立过程中需要考虑的节点数越多，在此情形下，网络规模激增，直接导致 数据传输路由的建立与维护需要更加庞大的控制开销。另外，随着网络规模的增大，路网交 通状态的随机性增强，车辆分布及运动规律更加难W预测，网络拓扑更具多变性，使得数据 传输路由的维护更加困难。
[0007] 大规模车路通信网络中数据传输的低可靠性和时延已成为制约车路协同系统相 关应用的瓶颈，研究适应其高性能要求的数据传输方法与通信协议，对于推动大规模车路 通信网络的研究，W及车路协同技术的发展都具有十分重要的理论和现实意义。
【发明内容】
[0008] 为了解决现有技术的缺点，本发明一种基于车辆一簇一通信小区=层架构的数据 传输系统及方法，本发明采用车辆一簇一通信小区=层架构进行实现消息源节点无线通信 装置与目的节点无线通信装置之间的通信，可W大大缩短W车-车无线多跳方式进行通信 的距离，从而可W有效降低路网中车辆高速移动给链路带来的不良影响，减少断链次数，降 低丢包率。
[0009] 为实现上述目的，本发明采用W下技术方案：
[0010] -种基于车辆一簇一通信小区=层架构的数据传输系统，包括：
[0011] 无线通信装置，所述无线通信装置安装于车辆上，其中，在预设区域内划分的每个 通信小区的每条单向行驶路段的所有车辆上的无线通信装置均设置为一个簇结构的簇成 员；所述簇结构还包括从簇成员筛选出的簇首，所述簇首用于接收该簇结构中所有簇成员 的状态信息并向簇首对应的所有簇成员广播声明信息；
[0012] 所述无线通信装置包括消息源节点无线通信装置和目的节点无线通信装置；
[0013] 在消息源节点无线通信装置和目的节点无线通信装置属于同一通信小区的情况 下，所述消息源节点无线通信装置用于将接收到的声明信息经簇结构中的簇成员转发至目 的节点无线通信装置，实现消息源节点无线通信装置与目的节点无线通信装置之间的通 信。
[0014] -种基于车辆一簇一通信小区=层架构的数据传输系统，包括：
[0015] 无线通信装置，所述无线通信装置安装于车辆上，其中，在预设区域内划分的每个 通信小区的每条单向行驶路段的所有车辆上的无线通信装置均设置为一个簇结构的簇成 员；所述簇结构还包括从簇成员筛选出的簇首，所述簇首用于接收该簇结构中所有簇成员 的状态信息并向簇首对应的所有簇成员广播声明信息；
[0016] 所述无线通信装置包括消息源节点无线通信装置和目的节点无线通信装置；
[0017] 在消息源节点无线通信装置和目的节点无线通信装置归属于不同通信小区的情 况下，消息源节点无线通信装置用于将接收到的声明消息依次经过设置于所述消息源节点 无线通信装置所在通信小区的消息源路侧单元W及设置于所述目的节点无线通信装置所 在通信小区的目的路侧单元，最后转发至目的节点无线通信装置，实现消息源节点无线通 信装置与目的节点无线通信装置之间的通信。
[0018] -种基于车辆一簇一通信小区=层架构的数据传输系统的传输方法，包括：
[0019] 进入预设区域内划分的每个通信小区的每条单向行驶路段的所有车辆上的无线 通信装置作为簇成员并组建为一个簇结构；
[0020] 从簇成员筛选出的簇首，簇首接收簇结构中所有簇成员的状态信息并向簇首对应 的所有簇成员广播声明信息；
[0021] 在消息源节点无线通信装置和目的节点无线通信装置归属于同一通信小区的情 况下，所述消息源节点无线通信装置将接收到的声明消息经簇结构中簇成员的转发至目的 节点无线通信装置，实现消息源节点无线通信装置与目的节点无线通信装置之间的通信。
[0022] 在一个簇结构中，采用随机争用与先声明先得原则从簇成员中选取簇首，簇首用 于接收该簇结构中所有簇成员的状态信息并向簇首对应的所有簇成员广播声明信息，簇成 员根据接收到的声明消息自适应调整下一次发送自身状态信息的时间。
[0023] 采用分水岭算法将预设区域划分为若干个通信小区，其具体过程为：
[0024] 在预设区域中，构建由路段和交叉口组成的车路网络拓扑图，其中，点代表各个路 段，连线代表交叉口，路段的关联路段代表与路段两侧最近交叉口相连通的路段集合；
[0025] 计算车路网络拓扑图中路段与路段之间的连通概率，根据路段连通概率分布W及 预设连通概率阔值，最终将预设区域划分成若干个通信小区。
[0026] 采用基于动态时间戳策略进行维护簇结构，其维护过程包括：
[0027] 簇首W广播的方式来进行传递声明消息，簇成员接收声明消息并及时转发;在簇 成员的状态信息采集阶段，簇成员根据所维护的路由信息向簇首发送自己的期望状态信 息，并由簇首进行融合处理;当簇首消失或簇结构中有无线通信装置加入时，分别重新选择 相应的簇首。
[0028] -种基于车辆一簇一通信小区=层架构的数据传输系统的传输方法，包括：
[0029] 进入预设区域内划分的每个通信小区的每条单向行驶路段的所有车辆上的无线 通信装置作为簇成员并组建为一个簇结构；
[0030] 从簇成员筛选出的簇首，簇首接收簇结构中所有簇成员的状态信息并向簇首对应 的所有簇成员广播声明信息；
[0031] 在消息源节点无线通信装置和目的节点无线通信装置归属于不同通信小区的情 况下，消息源节点无线通信装置将接收到的声明消息发送至与设置于所述消息源节点无线 通信装置所在通信小区的消息源路侧单元;消息源路侧单元将接收的信息转发至设置于所 述目的节点无线通信装置所在通信小区的目的路侧单元；目的路侧单元将接收的信息转发 至目的节点无线通信装置，实现消息源节点无线通信装置与目的节点无线通信装置之间的 通信。
[0032] 在一个簇结构中，采用随机争用与先声明先得原则从簇成员中