专利名称：一种车载网络rsu部署及其数据转发方法
技术领域：
本发明涉及一种车载网络RSU部署及其数据转发方法，属于车载网络通信技术领域。
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)和路边单元(Roadside 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(V-2-V =Vehicle to Vehicle)和节点与RSU之间通信(V-2-I =Vehicle to hfrastructure)。车载自组织网相对于传统的MANET (Mobile Ad-hoc Networks)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等。目前常用的RSU部署方式为基于规则形状的RSU部署方式，此方法将地理空间划分成若干个同等大小的规则几何形状，然后在每个小区域中部署一个RSU，邻近的RSU之间使用无线或有线方式连接，形成骨干网，车辆节点既可以进行V-2-V方式的数据转发，也可以将数据包转发给RSU，从骨干网进行转发。如使用正方形将地理空间划分为网格状，在每个正方形中部署一个RSU，每个RSU与相邻的四个RSU连接，RSU之间构成了网格状骨干网拓扑。此方法的特点是简单可靠，网络中任意两个RSU之间存在多个冗余路径，当部分 RSU发生故障或者数据拥塞时，可以通过重新计算路由避开这些RSU，因此能够提供良好的可靠性。由于车辆节点在地理空间中呈现不均勻分布，存在车辆高密度的“热点”区域。这些区域内网络连通性较强，节点间的多跳链路较为稳定，即使不部署RSU也能获得良好的数据分发性能。由于此技术在任意区域以同等密度部署RSU，因此造成了资源的浪费，无法实现网络性能增强与部署成本降低之间的折中平衡。目前所用到的RSU辅助的数据转发方法为RSU周期性地广播发送beacon消息， 接收到此消息的车辆节点通过发送回应消息与RSU建立连接。接入RSU的车辆节点首先计算目的节点的距离，然后向RSU发送消息查询RSU骨干网中是否存在距离目的节点更近的RSU，然后根据查询结果确定是否将数据包上传至RSU进行辅助转发。此方法中能够接入 RSU的车辆节点的数量受到RSU无线传输范围和部署密度的限制，出于成本考虑，RSU 一般采用稀疏部署方式，RSU的密度远不能提供整个地理空间的全覆盖。只有行驶到RSU无线传输范围内的车辆节点能够接入RSU，限制了接入RSU的车辆数量，没有接入RSU的车辆节点无法获知RSU的位置以及骨干网的覆盖范围，不能较好地利用RSU骨干网带来的优势，对网络性能造成不利影响。
发明内容
本发明的目的是解决目前车载网络RSU部署方法中因资源浪费所造成的部署成本高的问题以及RSU数据转发过程中出现的没有接入RSU的车辆节点无法获知RSU的位置以及骨干网的覆盖范围造成的网络性能不好的问题。本发明为解决上述技术问题而提出一种车载网络RSU部署方法，该RSU部署方法的步骤如下1).利用地理网格将待部署RSU的区域进行离散化处理；2).根据车辆在该区域中的车辆轨迹，计算每个网格中车辆位置点的个数，确定该区域中的热点位置；3).利用无向有权图H = (V, E)表示各热点之间的关系，V是顶点集表示热点，E 是边集，边的权值Wab代表在相应两个热点之间部署一条骨干链路的效率，效率定义为连通度增强效果与部署成本的比值，边权值使用两个“热点”区域中节点个数的和与地理距离的比值代替；4).建立邻接矩阵C = (Cu)kxk，使用近似方法计算边权值并存入相应的矩阵元；5).利用I^rim算法计算热点关系图H的最大生成树；6).确定最大生成树后，对树中的每条边，计算道路拓扑中相应两个热点之间最短距离的道路，即确定RSU的部署位置。所述的步骤2)的具体步骤如下1).根据车辆位置信息，计算每个地理空间网格中的车辆数目；2).计算所有时刻中每个待部署地理空间网格中的车辆数目的平均值；3).设定阈值，得到车辆密度比所设定阈值高的网格集合；4).调整阈值大小，确定不同数目车辆的热点区域及热点区域的个数。本发明为解决上述技术问题还提供了一种车载网络RSU数据转发方法，该RSU数据转发方法的步骤如下1).利用地理网格将待部署RSU的区域进行离散化处理；2).根据车辆在该区域中的车辆轨迹，计算每个网格中车辆位置点的个数，确定该区域中的热点位置；3).利用无向有权图H = (V, E)表示各热点之间的关系，V是顶点集表示热点，E 是边集，边的权值Wab代表在相应两个热点之间部署一条骨干链路的效率，效率定义为连通度增强效果与部署成本的比值，边权值使用两个“热点”区域中节点个数的和与地理距离的比值代替；4).建立邻接矩阵C = (Cu)kxk，使用近似方法计算边权值并存入相应的矩阵元；5).利用算法计算热点关系图H的最大生成树；6).确定最大生成树后，对树中的每条边，计算道路拓扑中相应两个热点之间最短距离的道路，即确定RSU的部署位置；7).部署完成后的RSU将自身的标识符和地理位置进行周期性的广播发送，处于 RSU覆盖范围内的节点通过发送回应消息直接接入RSU，并使用概率洪泛法扩散RSU信息；8).节点检查是否收到RSU消息，若没有收到RSU信息则选择与目的节点最接近的邻居节点作为下一跳中继，若收到RSU消息，则根据目的节点的位置计算自身与目的节点的距离，并向RSU发送包含目的节点位置的查询消息后进入步骤9)；9). RSU收到消息后计算骨干网中距离目的节点最近的RSU的位置及其与目的节点的距离并返回查询结果；
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10).车辆节点比较二者之间的大小，如果查询到的骨干网中距离目的节点最近的 RSU的位置与目的节点的距离大于该节点自身与目的节点的距离，则无需使用RSU辅助转发，车辆在当前邻居中寻找合适的下一跳中继，否则车辆将数据包发送至RSU进行辅助转发，数据包被RSU骨干网转发至距离目的节点最近的RSU后，由该RSU寻找距离目的节点最近的车辆节点作为下一跳中继节点。所述的步骤2)的具体步骤如下a.根据车辆位置信息，计算每个地理空间网格中的车辆数目；b.计算所有时刻中每个待部署地理空间网格中的车辆数目的平均值；c.设定阈值，得到车辆密度比所设定阈值高的网格集合；d.调整阈值大小，确定不同数目车辆的热点区域及热点区域的个数。所述的步骤7)中RSU是通过beacon消息周期性地广播发送RSU信息的，且每个接收到此信息的车辆节点依该信息被转发次数的负指数函数为概率向邻居节点广播此信息。本发明的有益效果是本发明将相邻的RSU放置于彼此的无线传输范围之内，能够进行直接数据包转发，并将多个RSU沿道路排列形成一条“骨干链路”，为两个地理距离较远的位置提供连通性，能够显著地提高整个网络的连通性，增强远距离数据分发的性能， RSU将自身的标识符和地理位置附在beacon消息中周期性地广播发送，处于RSU覆盖范围之内的节点通过发送回应消息直接接入RSU，并且使用概率洪泛的方法扩散RSU信息，使处在RSU无线传输范围之外的节点也能够获知附近的RSU的部署信息。通过调整转发概率函数的参数，能够保证广播被限制在局部范围，避免了网络资源浪费和广播风暴的发生。
图1是本发明的RSU部署方法示意图；图2是本发明的RSU数据转发过程的流程图；图3是本发明的一种车载网络RSU部署方法实施例中的车辆行驶轨迹图；图4是本发明的一种车载网络RSU部署方法实施例中的车辆密度分布图；图5是本发明的一种车载网络RSU部署方法实施例中的规则部署示意图；图6是本发明的一种车载网络RSU部署方法实施例中的RDS部署示意图；图7是本发明的一种车载网络RSU部署方法实施例中的RSU部署数量示意图；图8是本发明的一种车载网络RSU部署方法实施例中的三种部署方式的网络连通比较图；图9是本发明的一种车载网络RSU数据转发方法实施例中的三种部署方式的平均时延结果比较图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
做进一步说明。本发明的一种车载网络RSU部署方法的实施例本实施例是基于预采集的真实车辆轨迹，计算得出了不同热点阈值下RSU的部署方法，分析了对网络连通性的增强效果以及与现有技术的对比分析。该丰富的仿真工具采用赫尔辛基理工大学开发的基于Java环境的开源仿真工具ONE (Opportunistic NetworkEnvironment simulator)，仿真具体参数设置见表一。表一仿真实验参数设置
权利要求
1.一种车载网络RSU部署方法，其特征在于该RSU部署方法的步骤如下1).利用地理网格将待部署RSU的区域进行离散化处理；2).根据车辆在该区域中的车辆轨迹，计算每个网格中车辆位置点的个数，确定该区域中的热点位置；3).利用无向有权图H=(V，E)表示各热点之间的关系，V是顶点集表示热点，E是边集， 边的权值 代表在相应两个热点之间部署一条骨干链路的效率，效率定义为连通度增强效果与部署成本的比值，边权值使用两个“热点”区域中节点个数的和与地理距离的比值代替；4).建立邻接矩阵C=(Cjj)kxk,使用近似方法计算边权值并存入相应的矩阵元；5).利用I^rim算法计算热点关系图H的最大生成树；6).确定最大生成树后，对树中的每条边，计算道路拓扑中相应两个热点之间最短距离的道路，即确定RSU的部署位置。
2.根据权利要求1所述的车载网络RSU部署方法，其特征在于所述的步骤2)的具体步骤如下1).根据车辆位置信息，计算每个地理空间网格中的车辆数目；2).计算所有时刻中每个待部署地理空间网格中的车辆数目的平均值；3).设定阈值，得到车辆密度比所设定阈值高的网格集合；4).调整阈值大小，确定不同车辆数目的热点区域及热点区域的个数。
3.一种车载网络RSU数据转发方法，其特征在于该RSU数据转发方法的步骤如下1).利用地理网格将待部署RSU的区域进行离散化处理；2).根据车辆在该区域中的车辆轨迹，计算每个网格中车辆位置点的个数，确定该区域中的热点位置；3).利用无向有权图H=(V，E)表示各热点之间的关系，V是顶点集表示热点，E是边集， 边的权值 代表在相应两个热点之间部署一条骨干链路的效率，效率定义为连通度增强效果与部署成本的比值，边权值使用两个“热点”区域中节点个数的和与地理距离的比值代替；4).建立邻接矩阵C=(Cjj)kxk,使用近似方法计算边权值并存入相应的矩阵元；5).利用I^rim算法计算热点关系图H的最大生成树；6).确定最大生成树后，对树中的每条边，计算道路拓扑中相应两个热点之间最短距离的道路，即确定RSU的部署位置；7).部署完成后的RSU将自身的标识符和地理位置进行周期性的广播发送，处于RSU 覆盖范围内的节点通过发送回应消息直接接入RSU，并使用概率洪泛法扩散RSU信息；8).节点检查是否收到RSU消息，若没有收到RSU信息则选择与目的节点最接近的邻居节点作为下一跳中继，若收到RSU消息，则根据目的节点的位置计算自身与目的节点的距离，并向RSU发送包含目的节点位置的查询消息后进入步骤9)；9). RSU收到消息后计算骨干网中距离目的节点最近的RSU的位置及其与目的节点的距离并返回查询结果；10).车辆节点比较二者之间的大小，如果查询到的骨干网中距离目的节点最近的RSU 的位置与目的节点的距离大于该节点自身与目的节点的距离，则无需使用RSU辅助转发，车辆在当前邻居中寻找合适的下一跳中继，否则车辆将数据包发送至RSU进行辅助转发， 数据包被RSU骨干网转发至距离目的节点最近的RSU后，由该RSU寻找距离目的节点最近的车辆节点作为下一跳中继节点。
4.根据权利要求3所述的车载网络RSU数据转发方法，其特征在于所述的所述的步骤2)的具体步骤如下a.根据车辆位置信息，计算每个地理空间网格中的车辆数目；b.计算所有时刻中每个待部署地理空间网格中的车辆数目的平均值；c.设定阈值，得到车辆密度比所设定阈值高的网格集合；d.调整阈值大小，确定不同数目车辆的热点区域及热点区域的个数。
5.根据权利要求3或4所述的车载网络RSU数据转发方法，其特征在于所述的步骤 7)中RSU是通过beacon消息周期性地广播发送RSU信息的，且每个接收到此信息的车辆节点依该信息被转发次数的负指数函数为概率向邻居节点广播此信息。
全文摘要
本发明涉及一种车载网络RSU部署及其数据转发方法，本发明将相邻的RSU放置于彼此的无线传输范围之内，能够进行直接数据包转发，多个RSU沿道路排列形成一条“骨干链路”，为两个地理距离较远的位置提供连通性。进一步地，利用多条“骨干链路”连接各个“热点”区域，组成“骨干网络”，RSU将自身的标识符和地理位置附在beacon消息中周期性地广播发送，收到RSU信息的车辆节点使用概率洪泛方法扩散该信息，车辆节点转发数据包时，首先检查是否已经接收到RSU信息，若未接收则选择距离目的节点最近的车辆节点作为下一跳中继进行转发，若接收到RSU信息则按照最小距离原则决定是否利用RSU辅助进行数据包转发。本发明能够显著地提高整个网络的连通性，增强远距离数据分发的性能。
文档编号H04W84/18GK102572992SQ20121001465
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月17日 优先权日2012年1月17日
发明者冯琳琳, 刘伎昭, 卢志渊, 李攀, 李静, 杨卫东, 王珂, 陈长宝 申请人:河南工业大学, 百年金海安防科技有限公司