专利名称：车载网络中基于方向的贪婪数据转发方法
技术领域：
本发明涉及一种网络通信。特别是涉及一种车载自组织网络中基于贪婪方向转发、 可靠的传输数据包的路由计算的车载网络中基于方向的贪婪数据转发方法。
背景技术：
当代社会中，车辆发挥着巨大的作用。车辆的使用在给人们的生活带来便利的同时， 也带来一些让人头疼的问题，如频繁发生的交通事故，交通拥堵等。这些问题直接威胁 着人们的生命，给人们的生活带来很大的困扰，成为各国政府亟待解决的问题。随着无 线通信技术的迅速发展和汽车电子技术的不断进歩，很多政府和研究机构都尝试通过建 立车辆间的通信(Inter-vehicle communication ， IVC)系统来解决这些问题。车辆间 通信的需求和蕴含的巨大价值，推动了车载自组织网络(Vehicle Ad hoc Network, VANET) 的出现和发展。
车辆间通信在时间和地点上具有很大的随意性，因此VANET网络是以ad hoc模式建 立起来的一种车辆间通信系统。具体的说，V緒ET是由装备了无线通信收发装置的车辆组 成的一个多跳的临时性的自组织网络。VANET网络的目的是为了提高行车的安全性和效 率。VANET具有极高的应用前景和研究价值。
当前，对于Ad Hoc网络比较成熟的路由协议，V認ET网路中路由算法的研究主要集 中在两种类型，第一种是基于拓扑的路由协议；第二种是基于地理位置的路由协议。第 一种协议通用的标准大多基于跳数或延迟的考虑，在源节点和目的节点间寻找具有最少 跳数或最小延迟的路由，未考虑到网络中的节点由于快速移动，造成的某些节点离开最 初位置而导致路径失效的问题。第二种协议典型代表为贪婪的周边状态路由协议，该协 议独立地实时地决定一个数据分组从源节点路由到目的节点的过程中的每一跳。但是在 VANET网络中，由于节点的快速移动造成的节点间邻居关系的不稳定，使得路由时使用的 位置信息都是过时的。即它保证不了信息的准确性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够及时的获得和维护目的节点的位置信 息，并且通过很好的结合方向转发的思想，使路由算法是满足VANET网络需求的可靠的 基于方向转发的路由算法，实现了数据包的可靠传送的车载网络中基于方向的贪婪数据 转发方法。
本发明所采用的技术方案是 一种车载网络中基于方向的贪婪数据转发方法，包括
依次完成下列几个组成部分(1) 源节点发送目的节点位置请求信息源节点以盲目泛洪的广播方式发送目的节 点的位置信息，该消息到达所请求的目的节点时终结；
(2) 目的节点响应目的节点位置请求信息由源节点发出的目的节点位置请求信息 到达所请求的目的节点时，该目的节点就会启动目的节点的位置信息更新消息的传播， 开始周期性的更新各个节点上的目的节点的位置信息；
(3) 各节点定期的在自己一跳范围内广播发送信标消息，消息中包含自己的位置信 息和节点运动方向信息，这些信息由GPS提供，各节点收到邻居节点发送的信标消息后， 根据其中的节点位置信息和运动方向信息建立和更新邻居表；
(4) 数据包的转发数据按照一般地理位置路由协议中的贪婪转发算法进行包的转
发，如果找不到合适的下一跳，则启用方向转发。
所述的部分(1)源节点发送目的节点位置请求信息，包括以下步骤 (1.1)当源节点有数据分组要发送时，如果源节点还没有获取数据分组预计到达的 目的节点的位置信息，源节点就会向指定的目的节点发出一个目的节点位置请求；
(1. 2)如果源节点搜索其目的节点列表，发现已经存在目的节点的较新位置信息时， 则不用发送目的节点位置请求信息，直接用它现存的目的位置信息判断。 所述的部分(2)包括以下步骤
(2.1) 当目的节点收到位置请求消息后，它就会周期性的向其直接邻居节点广播目
的节点位置更新消息，各邻居节点根据这个消息通过检索它的目的节点列表来创建或更
新相应的位置信息记录；
(2. 2)除了目的节点之外的各节点周期性的向它们的直接邻居节点广播目的节点位 置交互消息，通过该消息各个节点相互交流它们保存的关于某个目的节点的位置信息， 使得各个节点都能保存一份"相对最新"的关于该目的节点的位置信息的记录；
(2.3) 目的节点的任何一个直接邻居节点在接收到节点位置更新消息之后，所 执行的动作是在它们的目的节点列表中为指定的目的节点创建或更新相应的位置 信息记录；
(2.4) 在一个节点收到节点位置交互消息后，用接收到的节点位置交互消息中携带 的目的节点的目的节点的标识符ID，检索在该节点上保存的目的节点列表，寻找相对应 的节点的记录；然后，比较该detlnfo消息中的时间戳tsl和刚检索到的目的节点记录 中的时间戳ts2;如果tsl〉ts2，则说明destlnfo消息中的目的位置信息是相对更新的， 则用destlnfo消息中携带的目的位置信息来更新该节点的目的节点列表中的相应位置信 息，否则不作任何出理。
所述的部分(4)包括以下步骤
(4. 1)当节点有数据要发送时，从邻居表中搜索目的节点是否在自己的一跳范围内， 如果在就直接转发； '
(4.2) 如果目的节点不在自己的一跳范围内，则按照一般地理位置中的贪婪转发策略进行转发。
(4.3)如果贪婪转发没有找到合适的下一跳，则启用方向转发。遍历邻居表，找出 运动方向离目的节点方向最近的那个节点进行包的转发。
本发明的车载网络中基于方向的贪婪数据转发方法，从各角度考虑由于网络拓扑结 构的快速变化带来的各种问题，提出了贪婪方向转发路由协议，该协议具有以下优点
(1) 它是一种基于位置的路由算法，采用的转发策略是"贪婪转发"，也就是说， 当传输数据分组时，才实时地决定数据分组应该到达的下一跳。不需要预先建立一条完 整的路径，不需要路由建立和路由维护的过程。
(2) 该路由算法使用了方向转发的策略，在贪婪转发失败后进一歩寻找可利用的下 一跳，实现了数据包转发的可靠性。方向转发的实质就是一种重试机制。
(3) 该路由算法使用两种相互独立的消息机制对目的节点的位置信息进行维护和更 新。这种更新信息的方式，能够应对可能出现的网络分割的情况。即使出现网络分割， 也可以确保各个节点上维护一份相对最新的目的节点位置信息。因此，该路由算法从最 大程度上确保了计算路由时使用的目的节点位置信息的准确性和一致性，提高了数据传 输的质量。
本发明由当前车载AdHoc网络内典型的基于位置的路由协议发展而来，在其基础上 对其路由准则加以改进，引进了方向转发的思想，进而实现了可靠性和信息的准确性。 这种与传统标准路由协议相结合的方式，使得本发明很好的保留了现有成熟路由协议的 许多优点，同时无需经过大范围的变更就可以被简易应用在现有网络中，效果理想，应 用前景看好。
图1是本发明基本构架原理的示意图2是本发明两种消息机制应用的示意图3是本发明使用的请求目的节点位置的消息格式；
图4是本发明使用的更新目的节点位置的消息格式；
图5是本发明使用的交互目的节点位置的消息格式；
图6是本发明使用的方向的概念的示意图7是本发明使用的方向的计算和选择方法的示例图8是本发明实验阶段使用的网络示例拓扑图。
具体实施例方式
下面结合实施例和附图对本发明的车载网络中基于方向的贪婪数据转发方法做出详 细说明。
如图1所示，本发明的车载网络中基于方向的贪婪数据转发方法的基本构架原理一车载自组织网络贪婪方向转发路由协议研究。节点有数据发送时，根据收到的目的节点 定期发送的目的节点位置更新消息来更新目的节点的位置信息，并根据定期的hello (信 标)消息建立和更新邻居表。之后采取贪婪转发的策略进行包的转发，如果没有找到合 适的下一跳，则进入方向转发机制重新寻找下一跳。方向转发失败的话则丢弃该数据包， 继续处理数据分组队列中其它分组。
如图2所示，目的节点和它的一跳邻居节点之间用目的节点位置更新消息q (query 消息)进行交互。而在除目的节点之外的其他节点间用目的节点位置交互消息d(destlnfo 消息)进行交互来更新目的节点的位置信息。并且当网络出现分割的情况时，其他节点 间还可以用destlnfo消息来传播最新的目的节点的位置信息。位置信息都由车上的GPS 系统得到。这就保证了在网络中的各节点都保存了一份相对一致的目的节点信息。图中H， I， J节点是目的节点D的一跳邻居节点。节点K， L， M是节点A的一跳邻居节点。
如果节点有数据发送，先用贪婪转发策略确定下一跳，如果用贪婪转发策略没有找 到合适的下一跳，则转入方向转发机制重试。
本发明的车载网络中基于方向的贪婪数据转发方法，包括依次完成下列几个组成部
分
(1) 源节点发送目的节点位置请求信息消息格式如图3所示，其中字段id给出 了请求其位置信息的目的节点的编号。源节点以盲目泛洪的广播方式发送目的节点的位 置信息，该消息到达所请求的目的节点时终结；包括以下步骤
(1.1)当源节点有数据分组要发送时，如果源节点还没有获取数据分组预计到达的 目的节点的位置信息，源节点就会向指定的目的节点发出一个目的节点位置请求；
(1. 2)如果源节点搜索其目的节点列表，发现已经存在目的节点的较新位置信息时， 则不用发送目的节点位置请求信息，直接用它现存的目的位置信息判断。
(2) 目的节点响应目的节点位置请求信息由源节点发出的目的节点位置请求信息 到达所请求的目的节点时，该目的节点就会启动目的节点的位置信息更新消息(query 消息)的传播，开始周期性的更新各个节点上的目的节点的位置信息；包括以下步骤
(2.1) 当目的节点收到位置请求消息后，它就会周期性的向其直接邻居节点广播目 的节点位置更新消息(query消息)，消息格式如图4所示，其中字段x， y中指出了发 送位置更新消息的目的节点的坐标值。各邻居节点根据这个消息通过检索它的目的节点 列表来创建或更新相应的位置信息记录；即，它会给它的直接一跳邻居广播一个目的节 点位置更新消息(query消息)，然后它的直接邻居根据这个消息建立和更新目的位置信 息列表。
(2.2) 除了目的节点之外的其他各节点周期性的向它们的直接邻居节点广播目的节 点位置交互消息(destlnfo消息)，消息格式如图5所示，其中字段id指出了交互消息 中的节点的编号；字段x， y中指出了交互消息中目的节点的坐标值；字段time stamp 指出了交互消息中目的节点的位置信息对应的更新时间。通过该消息各个节点相互交流它们保存的关于某个目的节点的位置信息，使得各个节点都能保存一份"相对最新"的 关于该目的节点的位置信息的记录；
(2.3) 目的节点的任何一个直接邻居节点在接收到节点位置更新消息(query消 息)之后，所执行的动作是在它们的目的节点列表中为指定的目的节点创建或更 新相应的位置信息记录；
(2.4) 在一个节点收到节点位置交互消息(destlnfo消息)后，用接收到的节点位 置交互消息中携带的目的节点的目的节点的标识符ID，检索在该节点上保存的目的节点 列表，寻找相对应的节点的记录；然后，比较该detlnfo消息中的时间戳tsl和刚检索 到的目的节点记录中的时间戳ts2;如果tsl〉ts2，则说明destlnfo消息中的目的位置 信息是相对更新的，则用destlnfo消息中携带的目的位置信息来更新该节点的目的节点 列表中的相应位置信息，否则不作任何处理。
(3) 各节点定斯的在自己一跳范围内广播发送hello (信标)消息，消息中包含自 己的位置信息和节点运动方向信息，这些信息由GPS提供，各节点收到邻居节点发送的 hello消息后，根据其中的节点位置信息和运动方向信息建立和更新邻居表。
(4) 数据包的转发数据按照一般地理位置路由协议中的贪婪转发算法进行包的转 发，如果找不到合适的下一跳，则启用方向转发；包括以下歩骤-
(4.1) 当节点有数据要发送时，先遍历邻居表，从邻居表中搜索目的节点是否在 自己的一跳范围内，如果在就直接转发；
(4.2) 如果目的节点不在自己的一跳范围内，则按照一般地理位置中的贪婪转发策 略进行转发。
(4.3) 如果贪婪转发没有找到合适的下一跳，则启用方向转发。遍历邻居表，找出 运动方向离目的节点方向最近的那个节点进行包的转发。g卩，如果贪婪转发失败，则用 方向转发机制重试。方向转发的概念如图6所示，其中A代表转发数据包节点的邻居节 点，D代表目的节点，A'代表A经过很短的一段时间后移动到的位置，a代表AD和AA'间 的夹角。利用余弦定理计算出转发节点的邻居节点跟目的节点间的夹角余弦值。选择其 中正值中值最大的那个节点。这就确保了数据包沿着正确的方向朝目的节点转发。
方向角的计算过程如图7所示，其中A代表转发数据包节点的邻居节点，D代表目的 节点，A'代表A经过很短的一段时间移动到的位置。a代表AD和AA'间的夹角。括号中分 别是这几个节点的位置坐标信息。利用短时间内邻居节点的移动方向，重新判断它的位 置，然后再用余弦定理计算出它跟目的节点的方向夹角。其中用到了转发节点，邻居节 点和目的节点的位置和运动方向信息。这些信息是由GPS系统提供的。
本发明的车载网络中基于方向的贪婪数据转发方法，通过使用两个独立的消息， 对各节点上保存的目的节点的位置信息进行更新，减少了由于VANET网络处于不连通状 态造成节点间通信滞后引起的节点保存的目的位置信息不准确的情况。基于方向的转发， 使数据能够按照一定的方向性快速的到达目的地。贪婪方向转发路由协议算法使用这两个特性，目的是为了确保路由选择时所用的目的节点位置信息的准确性，进而提高数据 传输的质量。该方法作为一种比较理想、可靠性高、实用性强的技术方案，能够及时的 获得和维护目的节点的位置信息，并且很好的结合了方向转发的思想，使得该路由算法 是一种满足了 VANET网络需求的可靠的基于方向转发的路由算法，实现了数据包的可靠传送。
下面以图8的网络场景为例，配合之甜描述的机制，简要介绍本发明的工作流程
(1) 车辆节点以一定的加速度，行驶在最高速度约为50m/s的公路上，公路路段使 用2个车道。
(2) 使用的业务流为CBR业务流，发送的分组的大小(packetSize)为256字节， 每秒发送4个数据分组。这里定义的业务流对应的是车载自组织网络中的Internet多媒 体应用。
(3) 假设节点10向节点15发送数据包，判断泛洪广播目的节点位置请求消息。由 图10可知，节点5和节点24是节点10的一跳邻居，它们定期发送hello消息，通过GPS 把自己的位置信息告诉源节点。而目的节点收到目的节点位置请求消息后定时地发送的 自己的位置消息，其他节点定时发送目的位置交互消息，及时更新目的节点的位置信息， 这些位置信息都是通过GPS获得。用dl、 d2分别代表节点5和节点24到目的节点15的 距离，可知此时刻，dl<d2。则根据贪婪转发策略，数据包先转发给节点4，在之后的时 间内根据同样的判断，进行数据包的转发，最终传到目的节点15。
(4) 如果在其中某一跳中未找到合适的下一跳，则用阶段(2)提到的方向转发机 制重新寻找下一跳。
(5) 车辆作为移动节点不受能量条件的限制，所以无线传输的发送功率可以在现实 可满足的情况下应用较大的功率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原 则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。.
权利要求
1. 一种车载网络中基于方向的贪婪数据转发方法，其特征在于，包括依次完成下列几个组成部分(1)源节点发送目的节点位置请求信息源节点以盲目泛洪的广播方式发送目的节点的位置信息，该消息到达所请求的目的节点时终结；(2)目的节点响应目的节点位置请求信息由源节点发出的目的节点位置请求信息到达所请求的目的节点时，该目的节点就会启动目的节点的位置信息更新消息的传播，开始周期性的更新各个节点上的目的节点的位置信息；(3)各节点定期的在自己一跳范围内广播发送信标消息，消息中包含自己的位置信息和节点运动方向信息，这些信息由GPS提供，各节点收到邻居节点发送的信标消息后，根据其中的节点位置信息和运动方向信息建立和更新邻居表；(4)数据包的转发数据按照一般地理位置路由协议中的贪婪转发算法进行包的转发，如果找不到合适的下一跳，则启用方向转发。
2. 根据权利要求l所述的车载网络中基于方向的贪婪数据转发方法，其特征在于， 所述的部分(1)源节点发送目的节点位置请求信息，包括以下歩骤(1.1) 当源节点有数据分组要发送时，如果源节点还没有获取数据分组预计到达的 目的节点的位置信息，源节点就会向指定的目的节点发出一个目的节点位置请求；(1.2) 如果源节点搜索其目的节点列表，发现已经存在目的节点的较新位置信息时， 则不用发送目的节点位置请求信息，直接用它现存的目的位置信息判断。
3. 根据权利要求l所述的车载网络中基于方向的贪婪数据转发方法，其特征在于， 所述的部分(2)包括以下步骤(2.1) 当目的节点收到位置请求消息后，它就会周期性的向其直接邻居节点广播目 的节点位置更新消息，各邻居节点根据这个消息通过检索它的目的节点列表来创建或更 新相应的位置信息记录；(2.2) 除了目的节点之外的各节点周期性的向它们的直接邻居节点广播目的节点位 置交互消息，通过该消息各个节点相互交流它们保存的关于某个目的节点的位置信息， 使得各个节点都能保存一份"相对最新"的关于该目的节点的位置信息的记录；(2.3) 目的节点的任何一个直接邻居节点在接收到节点位置更新消息之后，所 执行的动作是在它们的目的节点列表中为指定的目的节点创建或更新相应的位置 信息记录；(2.4) 在一个节点收到节点位置交互消息后，用接收到的节点位置交互消息中携带 的目的节点的目的节点的标识符ID，检索在该节点上保存的目的节点列表，寻找相对应 的节点的记录；然后，比较该detlnfo消息中的时间戳tsl和刚检索到的目的节点记录 中的时间戳ts2;如果tsl>ts2，则说明destlnfo消息中的目的位置信息是相对更新的， 则用destlnfo消息中携带的目的位置信息来更新该节点的目的节点列表中的相应位置信息，否则不作任何出理。
4.根据权利要求l所述的车载网络中基于方向的贪婪数据转发方法，其特征在于， 所述的部分(4)包括以下步骤-(4. l)当节点有数据要发送时，从邻居表中搜索目的节点是否在自己的一跳范围内， 如果在就直接转发；(4.2) 如果目的节点不在自己的一跳范围内，则按照一般地理位置中的贪婪转发策 略进行转发。(4.3) 如果贪婪转发没有找到合适的下一跳，则启用方向转发。遍历邻居表，找出 运动方向离目的节点方向最近的那个节点进行包的转发。
全文摘要
一种车载网络中基于方向的贪婪数据转发方法，有源节点发送目的节点位置请求信息源节点以盲目泛洪的广播方式发送目的节点的位置信息；目的节点响应目的节点位置请求信息，开始周期性的更新各个节点上的目的节点的位置信息；各节点定期的在自己一跳范围内广播发送信标消息，这些信息由GPS提供，各节点收到邻居节点发送的信标消息后，根据其中的节点位置信息和运动方向信息建立和更新邻居表；数据包的转发数据按照一般地理位置路由协议中的贪婪转发算法进行包的转发，如果找不到合适的下一跳，则启用方向转发。本发明的这种与传统标准路由协议相结合的方式，即保留了现有成熟路由协议的许多优点，同时无需经过大范围的变更就可以被简易应用在现有网络中。
文档编号H04L29/08GK101431468SQ20081015376
公开日2009年5月13日 申请日期2008年12月5日 优先权日2008年12月5日
发明者张赛男, 罗咏梅, 金志刚, 闫宁霄 申请人:天津大学