专利名称：车载自组网中基于节点密度分布的自适应数据分发方法
技术领域：
本发明属于自组网技术领域，尤其是一种用于车载自组网的基于节点密度分布的自适应数据分发方法。
背景技术：
车载自组网(Vehicular Ad-hoc Networks，简称VANET)是安装在车辆上的无线节点(本文简称节点)和路边基础设置(Road side Unit，简称RSU)组成的自组织异构无线多跳网络，通信模式包括节点之间自组织多跳通信和节点与RSU之间的通信。车载自组网是无线传感网和无线自组网在智能交通领域的特殊应用。它具有明显的新特性网络规模大、节点移动速度快、节点空间分布不均勻、节点移动轨迹受道路限制、节点具有较强的计算能力和充足的电源供应等。车载自组网的典型应用包括交通管理、交通安全和城市监测寸。复杂的城市交通环境对VANET的数据分发提出了挑战。首先，节点的高移动性造成链路生存期短，现有研究表明在车辆平均速度100km/h时，如果节点的覆盖半径为250m， 则链路存在15s的概率仅为57%，频繁变化的网络拓扑结构使基于路由发现与维护的同步路由机制难以有效应用。其次，由于地理位置、交通状况等因素，车辆节点往往呈现强烈的不均勻分布，节点密集区域和稀疏区域同时存在，网络连通度呈现较大差异，这要求数据分发策略具有自适应机制，能够动态调整消息转发模式，获得高转发性能和低资源消耗的平衡折中。(1)传染性路由协议传染性路由协议(印idemic routing protocol)使用“存储携带转发”(store-carry-forward)的模式进行消息转发节点接收到消息后暂时缓存(store)， 在移动过程中携带(carry)数据等到下一次与合适节点相遇才进行转发(forward)。转发过程模仿病毒扩散传播的原理源节点产生消息后，在移动过程中将消息复制后转发给所有相遇节点，接收到副本的节点以同样的方法将消息分发给所有未携带该消息的相遇节点，最终带有消息副本的节点与目的节点相遇，消息转发成功。传染性路由协议假设节点使用固定大小的缓冲空间用于暂存接收到的消息。缓存中的消息包含额外的信息①一个32bit消息标识符(message identifier)，其中包括 16bit的节点标识和16bit的消息标识；②消息的跳数限制，规定了消息在网络中可被复制转发的最大次数；③可选的ack request。节点使用Hash表对所有缓存消息的标识符进行索引并建立位向量(bitvector)，称为摘要向量(Summary Vector :SV)，表示本节点暂存消息的目录。若节点A和节点B相遇并建立连接，消息转发过程如下步骤1 节点A将所有暂存消息的标识符进行Hash索引，生成摘要向量SVa并发送给节点B ；步骤2 节点B接收SVa，生成本节点的摘要向量SVb，对二者进行逻辑与运算，发现节点A已缓存但本节点尚未缓存的消息，向节点A发送消息列表，请求转发消息；步骤3 节点A根据请求产生相应消息的冗余副本，转发给节点B。传染性路由协议使用消息跳数限制和缓冲区调度策略控制资源消耗。节点进行消息转发时首先检查跳数限制，若转发次数已经达到跳数限制则不再转发该消息。跳数限制的值对路由协议性能具有重要影响。若将跳数限制设为1，则传染性路由协议退化为直接传输(direct transmission)策略。大的跳数限制的值能够获得更高的传输成功率和更低的平均时延，但增加了网络中的消息副本数，占用更多节点缓存空间和通信带宽。由于缓冲区空间是有限的，必须采用合适的调度策略在缓冲区溢出时选择性地删除部分信息，简单的实现方式是先进先出(first-in-first-out =FIFO)策略，即最先删除最早接收到的消息。基于洪泛转发机制的传染性路由协议的设计目标是获得最大化传输成功率和最小化时延。在节点稀疏或者节点移动没有明显规律的情况下，传染性路由协议是保证传输成功率和低时延的有效方法。在车辆网络环境中，特别在节点稀疏的情况下，由于节点高移动性和网络拓扑结构的不稳定性，传染性路由协议相对于其它方法能够实现较高的可靠性。传染性路由协议的主要缺点是资源浪费问题。由于节点向每个相遇节点转发消息副本，网络中冗余消息副本的数量将以指数速度增长，大量浪费节点缓存空间和通信带宽。 在带宽有限，信道竞争和冲突频发的无线网络环境中，这种协议的缺点非常明显。传染性路由协议中，消息跳数的限制由源节点确定，在消息转发过程中是静态的， 不可变的，这种方法不能适应异质化的网络连通性。真实交通环境中，节点稀疏区域和节点密集区域并存，部分区域网络呈现k连通(k ^ 1)状态。由于节点的高连通概率，任意时刻节点间存在至少一条路径，基于单副本转发的数据分发即可实现理想性能。在这些区域传染性路由协议产生大量无用的冗余副本，极大地浪费了网络资源。(2)散发等待路由协议散发等待路由协议是一种基于一次复制、两跳中继的异步路由算法。消息转发分为散发和等待两个阶段。在散发阶段，源节点将产生的消息复制L个，转发给L个不同的 “中继”节点。在等待阶段，L个“中继”节点携带消息直至与目的节点相遇完成消息转发。 散发等待路由协议的本质是带有副本数限制的两跳消息转发模式，能够显著减少网络中冗余消息副本的数量。虽然散发等待路由协议能够显著减少资源消耗，但由于受“中继”节点数目的限制，这种协议的传输成功率、平均时延等性能指标相对于传染性路由明显降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种车载自组网中基于节点密度分布的自适应数据分发方法，以针对车载自组网中节点高移动性、节点分布不均勻的特性，在实现接近最优化性能的前提下减少冗余消息副本数量来降低网络资源消耗。为实现上述目的，本发明车载自组网中基于节点密度分布的自适应数据分发方法的技术方案如下根据车载自组网中节点密度将网络覆盖的地理空间划分为热点区域和非热点区域；节点相遇需要发送消息时，首先判断节点当前位置，当处于热点区域内部时，从当前邻居节点中寻找具有最大节点度的节点转发消息；当处于非热点区域时，采用传染性路由协议数据分发机制，产生消息副本并直接转发消息。进一步的，所述非热点区域分为远离热点区域和邻近热点区域，当节点远离热点区域时，采用传染性路由协议数据分发机制，产生消息副本并直接转发消息；当节点与热点区域的距离小于预定义阈值即位于邻近热点区域时，节点使用动态跳数限制函数计算消息转发至热点区域所需的跳数，产生消息副本并设置跳数限制，使消息在到达热点区域之前停止产生副本。进一步的，所述车载自组网中各节点移动时记录经过区域的节点密度信息，发现热点区域，两节点相遇时交换各自记录的密度信息，并交换节点消息列表，若发现本节点尚未存储的信息，则向另一节点发送请求传输的消息列表。进一步的，所述车载自组网中每个节点建立并存储一个mXn的密度矩阵M，其中 m和η是离散化地理空间中网格的数目；位于密度矩阵M中第i行第j列的矩阵元
权利要求
1.车载自组网中基于节点密度分布的自适应数据分发方法，其特征在于，根据车载自组网中节点密度将网络覆盖的地理空间划分为热点区域和非热点区域；节点相遇需要发送消息时，首先判断节点当前位置，当处于热点区域内部时，从当前邻居节点中寻找具有最大节点度的节点转发消息；当处于非热点区域时，采用传染性路由协议数据分发机制，产生消息副本并直接转发消息。
2.根据权利要求1所述的车载自组网中基于节点密度分布的自适应数据分发方法，其特征在于，所述非热点区域分为远离热点区域和邻近热点区域，当节点远离热点区域时，采用传染性路由协议数据分发机制，产生消息副本并直接转发消息；当节点与热点区域的距离小于预定义阈值即位于邻近热点区域时，节点使用动态跳数限制函数计算消息转发至热点区域所需的跳数，产生消息副本并设置跳数限制，使消息在到达热点区域之前停止产生副本。
3.根据权利要求2所述的车载自组网中基于节点密度分布的自适应数据分发方法，其特征在于，所述车载自组网中各节点移动时记录经过区域的节点密度信息，发现热点区域， 两节点相遇时交换各自记录的密度信息，并交换节点消息列表，若发现本节点尚未存储的信息，则向另一节点发送请求传输的消息列表。
4.根据权利要求3所述的车载自组网中基于节点密度分布的自适应数据分发方法，其特征在于，所述车载自组网中每个节点建立并存储一个mXn的密度矩阵M，其中m和η是离散化地理空间中网格的数目；位于密度矩阵M中第i行第j列的矩阵元Hli,」的密度信息格式为
5.根据权利要求4所述的车载自组网中基于节点密度分布的自适应数据分发方法，所述网格平均邻居节点数表示网格内的节点密度，是时刻t网格Gridi,」中所有节点在连通图 Gt中度均值
6.根据权利要求5所述的车载自组网中基于节点密度分布的自适应数据分发方法，其特征在于，所述热点区域是通过定义网格平均邻居节点数阈值的方式来确定网格的平均邻居节点数阈值记为h0、id，节点通过对比节点密度矩阵μ中
7.根据权利要求6所述的车载自组网中基于节点密度分布的自适应数据分发方法，其特征在于所述热点区域阈值根据节点密度临界值确定。
8.根据权利要求2-7中任一项所述的车载自组网中基于节点密度分布的自适应数据分发方法，其特征在于，所述动态跳数限制函数如下
全文摘要
本发明涉及车载自组网中基于节点密度分布的自适应数据分发方法，车载自组网中节点相遇需要发送消息时，根据节点当前位置判断处于热点区域还是非热点区域，当处于热点区域内部时，从当前邻居节点中寻找具有最大节点度的节点转发消息；当处于非热点区域时，采用传染性路由协议数据分发机制，产生消息副本并直接转发消息；使用分布式密度感知算法快速获知网络节点和热点区域的空间分布信息，使用基于图论和复杂网络理论的跳数限制函数估计消息转发至热点区域的平均距离，使用节点空间分布的先验知识对消息进行动态跳数限制，实现消息转发模式的动态调整，获得接近传染性路由的高性能，同时显著减少冗余消息副本数量。
文档编号H04L29/08GK102355406SQ20111023148
公开日2012年2月15日 申请日期2011年8月12日 优先权日2011年8月12日
发明者冯琳琳, 刘伎昭, 孙利民, 张德贤, 李攀, 李琳, 杨卫东, 沈策, 王献荣, 王珂 申请人:河南工业大学