一种基于节点运动趋势的城市车辆网络消息多播路由方法
【专利摘要】一种基于节点运动趋势的城市车辆网络消息多播路由方法，根据对城市道路交通及通信网络建立的模型，提出一种基于运动趋势的目标区域划分方法，根据节点的运动状态实时动态地对节点进行分组并安排路由活动。由于考虑了实际道路的情况，所以该多播路由算法更加适合在城市车辆网络中组织消息的扩散，它能够在不明显损失投递成功率的前提下大大减少网络的额外开销，并且能保障绝大数(约80％)的消息在较短的时间(约300秒)内投递到目标节点位置。
【专利说明】一种基于节点运动趋势的城市车辆网络消息多播路由方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及网络通信领域，特别是车辆网络中的消息转发和扩散问题，具体来说是一种消息多播路由方法，适用于城市车辆网络的信息传播。
【背景技术】
[0002]车辆网络(VehicularNetworks)是指装载在车辆上的电子元器件通过无线射频等识别技术，实现在信息网络平台上对所有车辆的属性信息和静、动态信息进行提取和有效利用，并根据不同的功能需求对所有车辆的运行状态进行有效的监管和提供综合服务的一类网络。作为物联网技术在智能交通系统(Intelligent Transportation System, ITS)中的重要应用，车辆网络技术具有较高的技术和经济可行性，拥有十分广阔的前景。
[0003]智能交通系统所依赖的网络与传统的节点固定、链路变化较少的网络有着很大的不同，特别是当面对城市复杂道路情况、车辆间链路拓扑结构动态变化剧烈等情况时，如何保障各传感、通信节点之间的信息传输成为构建城市智能交通系统的关键问题之一。研究者通过引入延迟容忍网络(Delay Tolerant Networks, DTNs)技术来解决这一问题，DTNs利用“存储-携带-转发”机制来完成消息的传递(参见Chuah M C，Ma I Integratedbuffer and route management in a DTN with message ferry [C]//Military CommunicationsConference, 2006.MILC0M2006.1EEE.Washington, DC, IEEE, 2006:1-7)。这种机制的本质是通过引入时间维度，不再仅仅利用底层链路拓扑的空间连通关系进行数据的通信，而是综合利用底层链路在空间和时间两个维度上的连通关系进行数据传递，因而能够利用更多的通信机会，将在单一的空间维度上的低连通性、间断连通性结构，扩充为在空间时间两个维度上的强连通性、持续连通性结构，增强了网络通信能力，使得在车辆网络环境下，网络仍然能够为上层协议提供可靠的分组投递服务。
[0004]与此同时，随着移动自组网络(Mobile Ad-hoc Networks,MANETs)和车辆自组织网络(Vehicular Ad-hoc Networks, VANETs)的发展，车辆网络中的应用日益广泛，车辆节点间交换的消息内容也日益丰富，不仅仅局限于路况、事故等基于交通系统的应急警报信息，甚至包括基于位置服务系统(Location Based Service, LBS)中各种应用娱乐信息、商业广告等。不难看出，由于车辆网络的特殊性，这些信息都与车辆的位置、运动密切相关。例如，用户更加关心车辆行驶前方的交通拥堵信息，或者是车辆当前位置附近的停车场、加油站、餐馆等相关信息。而现有车辆网络中的研究中缺乏对用户不同信息偏好的考虑，传统的车辆网络中的路由协议也不能根据消息的内容进行有效区分，从而造成大量通信资源的浪费。
[0005]现有车辆网络中的路由协议主要有两种分类方式:根据路由选取信息和根据路由传输策略(参见 Li F，Wang Y.Routing in vehicular ad hoc networks: A survey [J].Vehicular Technology Magazine, IEEE, 2007，2 (2): 12-22.)。根据路由选取信息可以将车联网内的路由协议分为两大类，分别是基于拓扑信息和基于位置信息。基于拓扑的协议中，节点对网络拓扑较敏感，转发消息主要利用在网络中处于连接状态的节点；基于位置的协议中，对节点的位置信息更加敏感。路由传输策略用于指导消息从源节点投递到目的节点，根据目的节点的数量和有无分组情况可以分为以下四类:无分组单一目标节点(单播，Unicast)、有分组组内单一目标节点(选播，Anycast)、无分组多目标节点(广播，Boardcast)、有分组组内多目标节点(多播，Multicast)。多播协议又可以根据分组所依据的信息不同分为地理位置辅助多播(GeoCast)(参见Maihofer C.A surveyof geocast routing protocols[J].Communications Surveys and Tutorials, IEEE, 2004，6 (2): 32-42.)、社会属性辅助多播(SocialCast)(参见 Deng X，Chang L, Tao J, etal.Social profile-based multicast routing scheme for delay-tolerant networks [C] //Communications(ICC), 2013IEEE International Conference on.1EEE, 2013:1857-1861.)
坐寸ο
[0006]多播协议的分组依据归根结底都是通信节点的属性，包括固有属性(如，社会属性)和时变属性(如，地理位置属性)等。其中尤其以节点的时变属性在车辆网络这种节点高速移动的网络中应用最为广泛，如节点的位置、速度等运动状态等都是时变的。这些与地理信息或节点运动状态有关的信息对消息的准确投递起着至关重要的作用。现有研究中，以地理位置信息最为受到关注。此外，还有基于节点的空时信息进行分组多播，标志的协议就是移动实时多播(MobiCast)。利用节点的趋向特性分组方法也有研究涉及，Allal等人提出了目标区域(ZOR)可以分为若干子分区(sub-ZORs)，而子分区的划分依据即为他们有着共同的趋向目标地点(参见Allal S, Boudjit S.GeocastRouting Protocols for VANETs: Survey and Guidelines[C]//Innovative Mobileand Internet Services in Ubiquitous Computing(IMIS)，2012Sixth InternationalConference on.Palermo, 2012:323-328) ；Chen等人也利用节点的趋向特性，判断趋向“事故区域”的节点为目标节点，进行多播传输事故信息(参见Chen Y，Lin Y, Lee S.Amobicast routing protocol in vehicular ad-hoc networks[J].Mobile Networks andApplications, 2010, 15(1):20-35.)。然而这些方案中，运动趋势所决策出的目标区域是静态的，在协议的实现时需要进行维护，不能有效地应用在大规模的城市车辆网络环境中。
【发明内容】
[0007]本发明的技术解决问题:针对现有车辆网络中多播路由协议的不足，提出一种基于节点运动趋势辅助的消息多播路由方法，通过引入DTNs通信技术，采用“存储-携带-转发”机制保障车辆网络中车辆间在频繁中断情况下的正常通信；利用车辆节点的运动趋势动态判断是否处于消息的目标区域，进而有针对性地组织路由活动，避免了通信资源的巨大浪费。
[0008]本发明的技术解决方案:一种基于节点运动趋势的城市车辆网络消息多播路由方法，具体实现步骤如下:
[0009](I)车辆节点循环判断自身是否处于链接建立状态或运动方向变化状态，若处于链接建立状态，执行步骤(2)，若处于运动方向变化状态，执行步骤(3)；
[0010](2)车辆节点与若干节点建立通信链接，执行消息交换子流程，具体方法为:
[0011](2.1)初始化消息传输需要的资源，资源包括获取消息发送和接收队列，及获取车辆运动状态的基本信息；
[0012](2.2)遍历车辆节点所建立的所有链接，对每个链接执行步骤(2.3)，直到遍历结束；
[0013](2.3)遍历链接两端的接收方节点的发送队列，对每一个消息数据包执行步骤(2.4)，直至遍历结束；
[0014](2.4)判断消息接收方的车辆节点所处位置为消息的何种区域，根据判断结果处理，具体为:
[0015](2.4.1)若处于消息的目标区域，接收该消息，放入ACCEPT队列(消息接收队列)；
[0016](2.4.2)若处于消息的转发区域，接收该消息，放入CARRY队列(消息携带队列);
[0017](2.4.3)若处于消息的无关区域，忽略该消息。
[0018](3)车辆节点前后运动方向发生变化时，执行节点缓存管理子流程，具体方法为:
[0019](3.1)初始化缓存管理需要的资源，资源包括获取消息队列，及获取车辆运动状态的基本信息，判断车辆运动方向的变化类型；
[0020](3.2)遍历车辆节点的缓存队列，对每个消息执行步骤(3.3)，直到遍历结束；
[0021](3.3)若车辆运动方向的变化类型为反向调头，执行(3.3.1);若车辆运动方向的变化类型为左右转弯，执行(3.3.2);若车辆运动方向的变化类型仍为直行，则不做任何处理；
[0022](3.3.1)将该消息所处的ACCEPT队列或CARRY队列进行对调；
[0023](3.3.2)减小该消息覆盖道路数量的配额，重置运动趋势计算的消息位置为当前车辆的位置，再判断车辆节点当前所处区域为该消息的何种区域:若为目标区域，置入ACCEPT队列；若为转发区域，置入CARRY队列；若为无关区域，删除该消息。
[0024]其中，步骤(2.4)中判断车辆节点所处位置为消息的何种区域，具体方法为:
[0025]I)确定车辆节点位置到消息源节点位置的方位矢量V1，确定车辆节点此时的方向矢量v2，获得两个矢量间的夹角Q ；
[0026]2)根据夹角Θ的大小判断两个矢量间的方向性特点，具体为:
[0027]2.1)若Θ e [O, /6]，将两个矢量视为同向；若Θ e (π/6, π/3)，执行步骤
(2.2);若Θe [JI/3，2 Ji/3]，将两个矢量视为交叉；若Θ e (2 π/3，5 π/6)，执行步骤
(2.3);若Θe [5 Ji /6, ]，将两个矢量视为反向；
[0028]2.2)利用Probit模型决策两个矢量间的夹角为同向或交叉；
[0029]2.3)利用Probit模型决策两个矢量间的夹角为交叉或反向；
[0030]3)根据两个矢量V1和V2间的方向性特点，获得车辆节点与消息的趋向性特点tendency,具体为:
[0031]3.1)若V1与V2同向，车辆节点趋向于消息源节点位置；
[0032]3.2)若V1与V2反向，车辆节点背离于消息源节点位置；
[0033]3.3)若V1与V2交叉，车辆节点无关于消息源节点位置；
[0034]4)获取消息的趋向性偏好的集合TENDENCYm(为消息的属性，随着消息的产生而具有)，判断车辆节点与消息源节点位置的趋向性tendency是否属于该集合,从而判断消息接收方的车辆节点所处位置为消息的何种区域，具体为:
[0035]4.1)若tendency e TENDENCYm,则处于消息的目标区域；
[0036]4.2)若?tendency e TENDENCYm,则处于消息的转发区域；[0037]4.3)否则，处于消息的无关区域。
[0038]同时，步骤(3.1)中判断车辆运动方向的变化类型，具体方法为:
[0039]I)确定车辆节点前一时刻的运动方向矢量V1，确定车辆节点此时的方向矢量v2，获得两个矢量间的夹角Θ。
[0040]2)根据夹角Θ的大小判断车辆运动方向的变化类型，具体为:
[0041]2.1)若Θ e [O, π /6]，将视车辆运动方向的变化类型为直行；若Θ e (ji/6，π/3)，执行步骤(2.2);若Θ e [ π/3，2 π/3]，将视车辆运动方向的变化类型为左右转弯；若Θ e (2 π/3，5 π/6)，执行步骤(2.3);若Θ e [5 Ji /6, π]，将视车辆运动方向的变化类型为反向调头。
[0042]2.2)利用Probit模型决策车辆运动方向的变化类型为直行或左右转弯。
[0043]2.3)利用Probit模型决策车辆运动方向的变化类型为左右转弯或反向调头。
[0044]此外，本发明中多次利用了 Probit模型进行决策，Probit模型可以被描述为:
【权利要求】
1.一种基于节点运动趋势的城市车辆网络消息多播路由方法，其特征在于:具体实现步骤如下: (1)车辆节点循环判断自身是否处于链接建立状态或运动方向变化状态，若处于链接建立状态，执行步骤(2)，若处于运动方向变化状态，执行步骤(3)； (2)车辆节点与若干节点建立通信链接，执行消息交换子流程，具体方法为: (2.1)初始化消息传输需要的资源，资源包括获取消息发送和接收队列，及获取车辆运动状态的基本信息； (2.2)遍历车辆节点所建立的所有链接，对每个链接执行步骤(2.3)，直到遍历结束；(2.3)遍历链接两端的接收方节点的发送队列，对每一个消息数据包执行步骤(2.4)，直至遍历结束； (2.4)判断消息接收方的车辆节点所处位置为消息的何种区域，根据判断结果处理，具体为: (2.4.1)若处于消息的目标区域，接收该消息，放入消息接收队列，即ACCEPT队列； (2.4.2)若处于消息的转发区域，接收该消息，放入消息携带队列，即CARRY队列； (2.4.3)若处于消息的无关区域，忽略该消息； (3)车辆节点前后运动方向发生变化时，执行节点缓存管理子流程，具体方法为: (3.1)初始化缓存管理需要的资源，资源包括获取消息队列，及获取车辆运动状态的基本信息，判断车辆运动方向的变化类型； (3.2)遍历车辆节点的缓存队列，对每个消息执行步骤(3.3)，直到遍历结束； (3.3)若车辆运动方向的变化类型为反向调头，执行(3.3.1);若车辆运动方向的变化类型为左右转弯，执行(3.3.2);若车辆运动方向的变化类型仍为直行，则不做任何处理；(3.3.1)将该消息所处的ACCEPT队列或CARRY队列进行对调； (3.3.2)减小该消息覆盖道路数量的配额，重置运动趋势计算的消息位置为当前车辆的位置，再判断车辆节点当前所处区域为该消息的何种区域:若为目标区域，置入ACCEPT队列；若为转发区域，置入CARRY队列；若为无关区域，删除该消息。
2.根据权利要求1所述的基于节点运动趋势的城市车辆网络消息多播路由方法，其特征在于:所述步骤(2.4)中的判断消息接收方的车辆节点所处位置为消息的何种区域，具体方法为: (1)确定车辆节点位置到消息源节点位置的方位矢量V1，确定车辆节点此时的方向矢量％，获得两个矢量间的夹角θ ； (2)根据夹角Θ的大小判断两个矢量间的方向性特点，具体为: (2.1)若Θ e [O，Ji /6]，将两个矢量视为同向；若Θ e (Ji /6, Ji /3),执行步骤(2.2)；若Θ e [ Ji/3, 2 Ji/3],将两个矢量视为交叉；若Θ e (2 Ji /3, 5 Ji /6)，执行步骤(2.3);若Θ e [5 π /6, Π ]，将两个矢量视为反向； (2.2)利用Probit模型决策两个矢量间的夹角为同向或交叉； (2.3)利用Probit模型决策两个矢量间的夹角为交叉或反向； (3)根据两个矢量V1和V2间的方向性特点，获得车辆节点与消息的趋向性特点tendency,具体为: (3.1)若V1与V2同向，车辆节点趋向于消息源节点位置；(3.2)若V1与V2反向，车辆节点背离于消息源节点位置； (3.3)若V1与V2交叉，车辆节点无关于消息源节点位置； (4)获取消息的趋向性偏好的集合TENDENCYm,判断车辆节点与消息源节点位置的趋向性tendency是否属于该集合，从而判断消息接收方的车辆节点所处位置为消息的何种区域，具体为: (4.1)若tendency e TENDENCYm,则处于消息的目标区域； (4.2)若~tendency e TENDENCYm,则处于消息的转发区域； (4.3)否则，处于消息的无关区域。
3.根据权利要求1所述的基于节点运动趋势的城市车辆网络消息多播路由方法，其特征在于:所述步骤(3.1)中判断车辆运动方向的变化类型的方法为: (1)确定车辆节点前一时刻的运动方向矢量V1，确定车辆节点此时的运动方向矢量v2，获得两个矢量间的夹角Θ ； (2)根据夹角Θ的大小判断车辆运动方向的变化类型，具体为: (2.1)若Θ e [O, π/6]，将视车辆运动方向的变化类型为直行；若Θ e (ji/6，π/3)，执行步骤(2.2);若Θ e [π/3，2ji/3]，将视车辆运动方向的变化类型为左右转弯；若Θ e (2 π/3，5 π/6)，执行步骤(2.3);若Θ e [5 Ji /6, π ]，将视车辆运动方向的变化类型为反向调头； (2.2)利用Probit模型决策车辆运动方向的变化类型为直行或左右转弯； (2.3)利用Probit模型决策车辆运动方向的变化类型为左右转弯或反向调头。
4.根据权利要求2所述的基于节点运动趋势的城市车辆网络消息多播路由方法，其特征在于:所述步骤(2.2)和(2.3)中利用了 Probit模型进行决策，判断两个矢量间的方向性特点，Probit模型为:
5.根据权利要求3所述的基于节点运动趋势的城市车辆网络消息多播路由方法，其特征在于:所述步骤(2.2)和(2.3)中利用了 Probit模型进行决策，判断车辆运动方向的变化类型，Probit模型为:
【文档编号】H04W40/20GK104010340SQ201410271120
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月17日 优先权日:2014年6月17日
【发明者】王海泉, 朱涛, 杨文静, 李泽西 申请人:北京航空航天大学