车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法及系统的制作方法
【专利摘要】一种车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法及系统，采用了泊松分布模型建立了交通流与车联网连通性模型之间的联系，针对高速公路交通场景，将连通概率、连通集长度、连通集数目等重要参数应用于紧急消息通道分配方法中来。亦即，车辆节点根据在控制通道所获取的临近节点的车辆节点密度、占用通道时隙情况等资讯，通过自我调整控制发射功率来调整最大通信距离，从而有效控制某路段竞争安全通道频段时隙的节点规模，进而保证任一节点发送资料的成功率和时延。
【专利说明】车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法及系统
【技术领域】
[0001] 本发明是有关于一种车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法及系统，尤指可 改善紧急消息的传递交通流与无线通道竞争状况的一种面向高速公路交通场景的车联网 紧急消息传输通道的分配方法及系统。
【背景技术】
[0002] 人们对道路交通安全问题的关注度持续上升，使得车联网（Vehicular Ad Hoc Network;简称VANET)的研究成为当前学术界和工业界的热点课题。车联网的本质是在车 辆与车辆之间、车辆与路边设施之间实现单跳或者多跳的无线通讯，并能够自组织地建立 起一个临时的无线网络环境，通信内容包括交通事故位置资讯、车辆速度资讯、车辆故障预 警资讯、道路拥塞状况资讯、以及其他应用资讯等等。比如：在实际应用中，VANET网络能够 传递紧急事故等即时资讯来辅助驾驶员避免交通事故，能够实现道路行驶过程中的导航， 保持警车或者救火车跟其他车辆节点的通信以让出警车或者救火车的紧急秘密频道，进行 交通资讯的相关查询，实现高速公路不停车缴费，实现交通资讯广播，实现车辆之间的语音 视频通信，车联网的部署可以使驾驶更加安全、高效、舒适。鉴于VANET网络的应用前景，ITS America协会的数十位学术界、工业界顶尖级专家在2008年12月向美国国会（Congress) 提交建议书，呼吁国会资助并将基于WAVE/802. lip的ITS系统的研究和部署，即将基于 VANET网络在智能交通领域的研究和部署，纳入到美国基础架构（Infrastructure)的建设 中来。
[0003] 从中国的情况来看，随着汽车车辆总数的增加，中国每年因交通事故死亡的人数 在几十万人以上，并且呈逐年上升的趋势，交通拥堵的现象也愈加严峻。事故报警及事故隐 患预警资讯在同一路段行驶的车辆之间是否能够可靠地、快速地、无差错地、时间可预测地 传输是减少甚至避免交通事故的关键所在。早期的智能交通系统由于投入费用代价昂贵 等原因并没有真正地部署起来，近些年来借助于成熟的2G、3G技术发展起来的智能交通系 统，也存在传输紧急资料时延大，经济费用过高等不足。另外传统意义上的智能交通系统 都是以监测为主的辅助交通管理方式，而车联网网络技术是在道路上动态地构建出一个自 组织、易部署、费用低、开放的无线通讯网络，提供超视距范围内的车辆之间有效地传递资 料资讯，及时有效地将事故、路况等警示资讯在同一路段行驶的车辆之间传递，降低二次事 故的发生，从而减少交通事故的危害，其进展性研究成果的实用价值是非常大的。可预测 VANET技术成熟后，因其对行车便利性与安全性的改善，短期内将成为机动车的标准配备， 市场与经济效益看好。2011年10月，中国首届车联网大会上，谢光选、何积丰等五位院士积 极倡议在国内"加快实施车联网工程"。
[0004] 学术界最初提出VANET概念的想法是作为无线感测器网络的衍生应用，VANET 的实体层、资料连结层及网络层协议基本沿用了无线感测器网络或者移动自组织网络 (Mobile Ad hoc Network，MANET)的相关协议。但是车辆高速移动的特点使得支援MANET网 络的ZigBee、Bluetooth等协议并不适用于VANET网络，另外由于频繁的通信间断，A0DV和 DSR等路由式通讯协议也不再适合VANET网络。国外相关研究机构近几年来在VANET网络的 资料连结层/实体层的协议研究上逐步达成一致并取得了一定的突破，即基于IEEE802. 11 技术来开展研究，目前的标准IEEE802. lip协议正处于草案最终完善之中，而对于VANET路 由层、传输层、应用层协议的研究工作正处于起步阶段，IEEE1609工作组致力于该部分协议 的标准化工作，但只是提出了有利于互通性的介面规范以及一些技术指标，对于具体的可 靠传输协议演算法涉及不深。
[0005] 以高速公路交通场景为应用背景，利用车联网技术在车辆之间传输交通事故安全 相关的紧急消息是最为典型的一类应用。车辆间紧急消息的传递依赖于网络的连通性模 型，而网络中车辆节点的连通性与交通流如何相关联，在通道分配方法中考虑交通流的分 布情况是迫切需要解决的难点问题之一；另一方面，若连通网络内部车辆节点过多，则通过 IEEE802. lip竞争无线通道的时隙来发送资料成功的概率就会降低，往往会导致紧急资料 的传输时延增大，如何在连通网络内控制竞争无线通道时隙的车辆节点规模是另一个难点 问题。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种车联网紧急消息传输信息的分布式分 配方法及系统，采用了泊松分布模型建立了交通流与车联网连通性模型之间的联系，针对 高速公路交通场景，将连通概率、连通集长度、连通集数目等重要参数应用于紧急消息通道 分配方法中来，即车辆节点根据在控制通道所获取的临近节点的车辆节点密度、占用通道 时隙情况等资讯，通过自我调整控制发射功率来调整最大通信距离，从而有效控制某路段 竞争安全通道频段时隙的节点规模，从而保证任一节点发送资料的成功率和时延。
[0007] 于本发明的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法及系统的一实施例中，该 车联网系统包括有沿一方向移动的多个车辆节点以及至少一固定节点；每一个该车辆节点 以及每一个该固定节点至少包括有一收发器，该收发器可以定期性地广播自身的一节点信 息、以及接收来自其他该车辆节点或该固定节点的该收发器所广播的该节点信息。其中，该 车联网系统中的每一车辆节点及固定节点都可实施本发明的车联网紧急消息传输信息的 分布式分配方法，该方法系包括下列步骤：
[0008] 步骤（A):由一第一车辆节点以一第一发射功率值定期性地广播自身的该节点信 息；
[0009] 步骤（B):由该第一车辆节点依据该第一发射功率值，接收来自多个其他车辆节 点或固定节点所广播的节点信息；
[0010] 步骤（C):由该第一车辆节点依据所接收到的该多个节点信息，来计算出一第二 发射功率值；以及
[0011] 步骤（D):由该第一车辆节点组装一广播报文，并以该第二发射功率值将该广播 报文广播出去。
[0012] 于一实施例中，本发明的方法系提供一欲控制的车辆节点规模值为IV并且，步骤 (C)所述的计算该第二发射功率值的方式包括下列步骤：
[0013] 步骤（C1):依据该第一发射功率值推算出该第一车辆节点所能接收到其他车辆 节点或固定节点所广播的节点信息的一第一范围半径值凡；其中，该第一车辆节点于步骤 (C)中所能接收到其他车辆节点或固定节点所广播的节点信息的数量为ηι ;接着，计算出以 该第一车辆节点为中心点且范围半径值为Ri的范围内在沿着该方向的车辆节点或固定节 点的一第一车辆密度值Pi;其中，PfOVOR));
[0014] 步骤（C2):根据该第一车辆密度值P i，由以下公式（1)计算出调整后的一最大通 信距离R2，
[0015] 公式（1) :^=(1^/(2 p J);以及，
[0016] 步骤（C3):依据该最大通信距离R2推算出该第二发射功率值。
[0017] 于一实施例中，于步骤（A)中所述的该第一车辆节点是使用一第一通信通道来广 播自身的该节点信息；并且，于步骤（D)中所述的该第一车辆节点是使用一第二通信通道 来将该广播报文广播出去；其中，该第一通信通道与该第二通信通道为不同的信道。
[0018] 于一实施例中，该第一发射功率值是一最大传输功率值，该第一通信通道是一控 制信道，且该第二通信通道是一广播报文传输信道。
[0019] 于一实施例中，该节点信息包括一四元组信息，该四元组信息包括以下内容：节点 当时位置（position)、节点移动速度（velocity)、节点设备标志码、以及通信频道的时隙 占用情况（slot_occupy)。
[0020] 于一实施例中，该节点设备标志码是该第一车辆节点的一 MAC位址，该节点当时 位置是通过车载GPS/北斗星定位系统获取，该节点移动速度是通过车载位移感测器提供； 该通信频道的时隙占用情况是指该第二通信通道的时隙占用情况。
[0021] 于一实施例中，步骤（D)所述的该广播报文包括以下栏位：节点设备标志码、节点 移动速度、消息类型（Type of Service,简称ToS)、生命期（Time To Live,简称TTL)、记录 路由、以及使用者紧急资料资讯。
[0022] 于一实施例中，该消息类型栏位是用于区分不同广播报文的优先顺序；该生命期 栏位是用于控制该广播报文的最大转发跳数，以此来限制泛洪机制下的广播报文数目；其 中，该生命期栏位的初始值E (TTL)设置步骤细化为步骤（D1)至步骤（D4):
[0023] 步骤（D1):根据以下公式（2)计算一连通集合直径期望的值为E(Cluster_size)，
【权利要求】
1. 一种车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法，其特征在于，适用于一车联网系 统中，该车联网系统包括有沿一方向移动的多个车辆节点以及至少一固定节点，每一个该 车辆节点以及每一个该固定节点至少都可以定期性地广播自身的一节点信息、以及接收来 自其他该车辆节点或该固定节点所广播的节点信息；该方法包括： 步骤（A):由一第一车辆节点以一第一发射功率值定期性地广播自身的该节点信息； 步骤（B):由该第一车辆节点依据该第一发射功率值，接收来自多个其他车辆节点或 固定节点所广播的节点信息； 步骤（C):由该第一车辆节点依据所接收到的该多个节点信息，来计算出一第二发射 功率值；以及 步骤（D):由该第一车辆节点组装一广播报文，并以该第二发射功率值将该广播报文 广播出去。
2. 根据权利要求1所述的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法，其特征在于， 提供一欲控制的车辆节点规模值为rv并且，步骤（C)所述的计算该第二发射功率值的方式 包括下列步骤： 步骤（C1):依据该第一发射功率值推算出该第一车辆节点所能接收到其他车辆节点 或固定节点所广播的节点信息的一第一范围半径值凡；其中，该第一车辆节点于步骤（C) 中所能接收到其他车辆节点或固定节点所广播的节点信息的数量为^ ;接着，计算出以该 第一车辆节点为中心点且范围半径值为&的范围内在沿着该方向的车辆节点或固定节点 的一第一车辆密度值Pi;其中，PfOVOR)); 步骤（C2):根据该第一车辆密度值Pl，由以下公式（1)计算出调整后的一最大通信距 离R2， 公式（1):馬=(11。/(2 01));以及， 步骤（C3):依据该最大通信距离R2推算出该第二发射功率值。
3. 根据权利要求1所述的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法，其特征在于， 于步骤（A)中所述的该第一车辆节点是使用一第一通信通道来广播自身的该节点信息；并 且，于步骤（D)中所述的该第一车辆节点是使用一第二通信通道来将该广播报文广播出 去；其中，该第一通信通道与该第二通信通道为不同的信道。
4. 根据权利要求3所述的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法，其特征在于， 该第一发射功率值是一最大传输功率值，该第一通信通道是一控制信道，且该第二通信通 道是一广播报文传输信道。
5. 根据权利要求3所述的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法，其特征在于， 该节点信息包括一四元组信息，该四元组信息包括以下内容：节点当时位置、节点移动速 度、节点设备标志码、以及通信频道的时隙占用情况。
6. 根据权利要求5所述的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法，其特征在于， 该节点设备标志码是该第一车辆节点的一 MAC位址，该节点当时位置是通过车载GPS/北斗 星定位系统获取，该节点移动速度是通过车载位移感测器提供；该通信频道的时隙占用情 况是指该第二通信通道的时隙占用情况。
7. 根据权利要求2所述的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法，其特征在于， 步骤（D)所述的该广播报文包括以下栏位：节点设备标志码、节点移动速度、消息类型、生 命期、记录路由、以及使用者紧急资料资讯。
8. 根据权利要求7所述的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法，其特征在于， 该消息类型栏位是用于区分不同广播报文的优先顺序；该生命期栏位是用于控制该广播报 文的最大转发跳数，以此来限制泛洪机制下的广播报文数目；其中，该生命期栏位的初始值 E(TTL)设置步骤细化为步骤（D1)至步骤（D4): 步骤（D1):根据以下公式（2)计算一连通集合直径期望的值为E(ClUSter_si ze)， ]._ f "ιΑ 公式（2) : E(( 、./::〇=)=--'-τ ； - A ·e 步骤（D2):根据以下公式（3)计算一连通集个数期望的值为E(Cluster_number)，其 中，U是该移动方向上某一路段的地理距离， d L . e-PlRl 公式（3) : Ε(? number) ---; 、 一 y 1 - 0~P\R\ 步骤（D2):根据R2={ g，Rl_Um ,得到该第一车辆节点调整后的该最大通信距离设为 R2 ;并且，令该移动方向的上源车辆节点所期望的广播地理距离为Lb，则ClUSter_si ze'为 实际的广播范围，其中， Clustei^size' ={Cluster_size, Lb}min ;之后，根据以下情形其中的一来设置生命期 栏位的初始值E(TTL): nn 情况（a):如果且 Cluster_size〈Lb,则 _f〇_ E(TTLM Pl4-(- + ^7) 3 ; I -e * 情况（b):如果^"〈Ri，且 Cluster_size 兰 Lb，则 E(777;)=[^^l]; ' no f.l.、 ^ 情况（C):如果且 Cluster_size〈Lb，则 E(畔+ ； 情况（d):如果且 Cluster_size $ Lb，贝Ij E(TTL)=[警]。
9. 根据权利要求8所述的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法，其特征在于， 在步骤（D)后更包括以下步骤： 步骤（E):由一第二车辆节点，接收到由该第一车辆节点以该第二发射功率值所广播 的该广播报文，并由该第二车辆节点在该广播报文一首部的可选部分纪录一中继转发节点 信息后，再由该第二车辆节点广播出去； 步骤（F):由该第二车辆节点解析该广播报文查看是否包含有一紧急消息，若有，则发 出警示。
10. 根据权利要求9所述的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法，其特征在于， 若是该第二车辆节点在同一时间段收到多条包含该紧急消息的广播报文，则该第二车辆节 点根据包含该紧急消息的广播报文的该消息类型栏位的值来排定一优先顺序情况、以及根 据包含该紧急消息的广播报文的来源车辆节点相对于该第二车辆节点的相对位置，给出最 终的一紧急消息处理优先顺序。
11. 根据权利要求3所述的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法，其特征在于， 该第一通信通道以及该第二通信通道都是符合IEEE802. lip标准的通信通道。
12. -种车联网系统，其特征在于，包括有沿一方向移动的多个车辆节点以及至少一固 定节点；每一个该车辆节点以及每一个该固定节点至少包括有一收发器，该收发器可以定 期性地广播自身的一节点信息、以及接收来自其他该车辆节点或该固定节点的该收发器所 广播的该节点信息；其中，所述的该多个车辆节点包括有一第一车辆节点，其是执行一紧急 消息传输信息的分布式分配方法，该方法包括： 步骤（A):由该第一车辆节点以一第一发射功率值定期性地广播自身的该节点信息； 步骤（B):由该第一车辆节点依据该第一发射功率值，接收来自多个其他车辆节点或 固定节点所广播的节点信息； 步骤（C):由该第一车辆节点依据所接收到的该多个节点信息，来计算出一第二发射 功率值；以及 步骤（D):由该第一车辆节点组装一广播报文，并以该第二发射功率值将该广播报文 广播出去。
13. 根据权利要求12所述的车联网系统，其特征在于，提供一欲控制的车辆节点规模 值为IV并且，步骤（C)所述的计算该第二发射功率值的方式包括下列步骤： 步骤（C1):依据该第一发射功率值推算出该第一车辆节点所能接收到其他车辆节点 或固定节点所广播的节点信息的一第一范围半径值凡；其中，该第一车辆节点于步骤（C) 中所能接收到其他车辆节点或固定节点所广播的节点信息的数量为^ ;接着，计算出以该 第一车辆节点为中心点且范围半径值为&的范围内在沿着该方向的车辆节点或固定节点 的一第一车辆密度值Pi;其中，PfOVOR)); 步骤（C2):根据该第一车辆密度值Pl，由以下公式（1)计算出调整后的一最大通信距 离R2， 公式（1):馬=(11。/(2 01));以及， 步骤（C3):依据该最大通信距离R2推算出该第二发射功率值。
14. 根据权利要求12所述的车联网系统，其特征在于，于步骤（A)中所述的该第一车辆 节点是使用一第一通信通道来广播自身的该节点信息；并且，于步骤（D)中所述的该第一 车辆节点是使用一第二通信通道来将该广播报文广播出去；其中，该第一通信通道与该第 二通信通道为不同的信道。
15. 根据权利要求14所述的车联网系统，其特征在于，该第一发射功率值是一最大传 输功率值，该第一通信通道是一控制信道，且该第二通信通道是一广播报文传输信道。
16. 根据权利要求14所述的车联网系统，其特征在于，该节点信息包括一四元组信息， 该四元组信息包括以下内容：节点当时位置、节点移动速度、节点设备标志码、以及通信频 道的时隙占用情况。
17. 根据权利要求16所述的车联网系统，其特征在于，该节点设备标志码是该第一车 辆节点的一 MAC位址，该节点当时位置是通过车载GPS/北斗星定位系统获取，该节点移动 速度是通过车载位移感测器提供；该通信频道的时隙占用情况是指该第二通信通道的时隙 占用情况。
18. 根据权利要求13所述的车联网系统，其特征在于，步骤（D)所述的该广播报文包括 以下栏位：节点设备标志码、节点移动速度、消息类型、生命期、记录路由、以及使用者紧急 资料资讯。
19. 根据权利要求18所述的车联网系统，其特征在于，该消息类型栏位是用于区分不 同广播报文的优先顺序；该生命期栏位是用于控制该广播报文的最大转发跳数，以此来限 制泛洪机制下的广播报文数目；其中，该生命期栏位的初始值E设置步骤细化为步骤（D1) 至步骤（D4): 步骤（D1):根据以下公式（2)计算一连通集合直径期望的值为E(ClUSter_si ze)， 公式（2) : E((7/,/,vkr ·ν/::β)=
步骤（D2):根据以下公式（3)计算一连通集个数期望的值为E(Cluster_number)，其 中，U是该移动方向上某一路段的地理距离， 公式（3) : E(('/N.sUer number)=
步骤（D2):根振
得到该第一车辆节点调整后的该最大通信距离设 为R2;并且，令该移动方向的上源车辆节点所期望的广播地理距离为Lb，则ClUSt er_size' 为实际的广播范围，其中， Clustei^size' ={Cluster_size, Lb}min ;之后，根据以下情形其中的一来设置生命期 栏位的初始值E(TTL): n0 情况（a):如果 ，且 ciuster_size〈Lb,贝lj
nn " 情况（b):如果且 Cluster_size 兰 Lb，则
情况（C):如果
，且 Cluster_size〈Lb，贝lj
y] 情况（d):如果^且 Cluster_size 兰 Lb，则
〇
20. 根据权利要求19项所述的车联网系统，其特征在于，在步骤（D)后更包括以下步 骤： 步骤（E):由一第二车辆节点，接收到由该第一车辆节点以该第二发射功率值所广播 的该广播报文，并由该第二车辆节点在该广播报文一首部的可选部分纪录一中继转发节点 信息后，再由该第二车辆节点广播出去； 步骤（F):由该第二车辆节点解析该广播报文查看是否包含有一紧急消息，若有，则发 出警示。
21. 根据权利要求20所述的车联网系统，其特征在于，若是该第二车辆节点在同一时 间段收到多条包含该紧急消息的广播报文，则该第二车辆节点根据包含该紧急消息的广播 报文的该消息类型栏位的值来排定一优先顺序情况、以及根据包含该紧急消息的广播报文 的来源车辆节点相对于该第二车辆节点的相对位置，给出最终的一紧急消息处理优先顺 序。
22. 根据权利要求15所述的车联网紧急消息传输信息的分布式分配方法，其特征在 于，该第一通信通道以及该第二通信通道都是符合IEEE802. lip标准的通信通道。
【文档编号】H04L29/08GK104144193SQ201310173381
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2013年5月10日 优先权日:2013年5月10日
【发明者】刘业 申请人:阳立电子（苏州）有限公司