面向车联网的紧急消息的协作通信方法与流程

本发明涉及车联网技术领域，特别涉及一种面向车联网的紧急消息的协作通信方法。

背景技术：

车联网是智能交通系统的重要部分，其中，每辆车都配备有车载单元(On-board Unit,OBU)且道路上设有路边单元(Roadside Units,RSU)。通过OBUs和RSUs可以实现车与车(Vehicle to Vehicle,V2V)通信和车与基础设施通信。

车联网中传输的最重要的消息即安全消息，安全消息又分为信标消息和紧急消息。信标消息是指周期性发送的车辆状态信息，如车辆的速度，加速度，方向，位置等。紧急安全消息一般是指多跳广播消息，当道路上发生交通事故或者交通拥堵等情况时，车辆节点就会向一定范围内的其它车辆节点广播这种类型的紧急安全消息。它建立在信标消息的基础之上，由于其重要性，它接收成功率的要求更严格。

车联网中，无线信道的不可靠性是阻碍信道容量增加和安全消息传输性能改善的主要原因，而空间分集可有效抑制信道衰落，协作通信是一种可以获取空间分集的有效方法。现有技术中将协作通信应用于车联网中紧急消息的传输，但是这种方式牺牲了信标消息的性能，较低的信标消息产生频率严重影响了车联网的性能。

目前对车联网中紧急消息的接收率无法满足服务质量的要求，或者只有在牺牲信标消息性能的情况下才能提升紧急消息接收率的问题。

技术实现要素：

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种面向车联网的紧急消息的协作通信方法，可以实现在不影响信标消息性能的情况下可提升紧急消息的接收率，提高紧急消息的传输可靠性，有利于降低交通事故的发生率。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种面向车联网的紧急消息的协作通信方法，包括如下步骤：

步骤S1，通过查询接收到的数据包中是否包括预设字段，以识别接收到的紧急信息中的失败节点，并将识别出失败节点的节点设置为候选辅助节点；

步骤S2，从多个所述候选辅助节点中选择一个或多个辅助节点，包括：每个候选辅助节点更新一张邻居失败节点表Tun(h)，该Tun(h)用于存放未成功接收包的下一跳邻居节点的标号，失败节点表Tun(h)的值等于该节点下一跳邻居节点范围内所有失败节点的数目；每个候选辅助节点决策是否进行协作传输，如果进行协作传输，则在包头中加入请求协作字段，当产生紧急消息节点SMi从所有的候选辅助节点接收到请求协作消息时，从多个候选辅助节点中选择一个或多个作为最佳候选节点；

步骤S3，通过接收失败节点与辅助节点之间的信道重新上传数据包。

进一步，在所述步骤S1中，当非产生紧急消息的节点SMj接收到产生紧急消息节点SMi的广播的紧急消息包时，将预设字段加入到紧急消息报的包头中，并在下一个信报间隔传输出去，SMj节点的邻居节点侦听到紧急信报包的传输，如传输的数据包不包括所述预设字段ACK，则邻居节点识别SMj节点为失败节点，并将本节点视为候选辅助节点。

进一步，所述预设字段ACK字段包括：包的序号，源节点的标号以及包传输的时隙号。

进一步，在所述步骤S2中，

当候选辅助节点SMh侦听到一个未包含预设字段的数据包时，开始计算数据包的信号强度，如果信号强度大于预设门限值，则表明信道质量好，候选辅助节点SMh将该节点的序号加入它的失败节点表Tun(h)中；

当所有非产生紧急消息的节点SMj在对应时隙完成预设字段ACKACK消息传输时，每个候选辅助节点将识别出所有该节点下一跳邻居范围内的失败节点号，失败节点表Tun(h)值等于该节点下一跳邻居节点范围内所有失败节点的数目。

进一步，(1)产生紧急消息节点SMi对所有的|Tun(h)|进行排序；

(2)在每个时隙中，选择|Tun(h)|值最大的节点作为候选辅助节点；

(3)如果候选辅助节点选择的节点数大于1，则在其中选择最先发出协作传输请求的节点，并将选择的节点标号放入用于存储辅助节点的SP集合，同时选择时隙号最小的空闲额外时隙号放入用于存储额外的时隙号的SE集合；

(4)从用于存储所有的候选辅助节点的集合P中删除上述选择的辅助节点k，并将Tun(k)中包含的节点从用于存储所有的失败节点的集合U中删除，对于P中其他候选辅助节点h，如果Tun(h)中有节点存在于Tun(k)中，则将其从Tun(h)中删除，并从用于存储分配的额外的时隙号的集合E中删除上一步骤选择的时隙号。

(5)重复步骤(1)～(4)直到集合U或E为空。

进一步，在所述步骤S2中，所述请求协作RoC字段包括：请求协作标志位，失败节点编号，失败包的编号。

进一步，在所述步骤S2中，当满足以下条件时，所述候选辅助节点进行协作传输：

(1)直接传输失败：当产生紧急消息节点和目标节点之间直接传输消息失败。

(2)辅助节点从到产生紧急消息节点成功接收消息：只有当一个节点成功接收消息时才可作为候选辅助节点；

(3)目标节点可达：只有当目标节点在辅助节点的传输范围之内，辅助节点才可将消息重传给目标节点。

进一步，在所述步骤S3中，

当选择好辅助节点时，产生紧急消息节点SMi利用确认协作AoC消息通知选择的辅助节点进行重传并让其他候选辅助节点停止传输，其中，AoC在第一个额外时隙进行传输。

进一步，所述确认协作AoC消息包括：选择的辅助节点的标号，传输失败的包的标号和重传的时隙号。

根据本发明实施例的面向车联网的紧急消息的协作通信方法，通过识别接收紧急消息失败的节点、选择辅助节点、在空闲时隙重传消息，在不影响信标消息性能的情况下可提升紧急消息的接收率，从而提高紧急消息的传输可靠性，有利于降低交通事故的发生率。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的一种面向车联网的紧急消息的协作通信方法的流程图；

图2为根据本发明实施例的ACK、Roc和AoC字段的数据结构；

图3为根据本发明实施例的选择辅助节点的算法流程图；

图4为根据本发明实施例的数据重传的流程图；

图5为根据本发明实施例的协作传输过程中传递消息(i＝5)的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明实施例提出一种面向车联网的紧急消息的协作通信方法，该方法可以在不影响信标消息性能的情况下提升紧急消息性能。

如图1所示，本发明实施例的种面向车联网的紧急消息的协作通信方法，包括如下步骤：

步骤S1，通过查询接收到的数据包中是否包括预设字段，以识别接收到的紧急信息中的失败节点，并将识别出失败节点的节点设置为候选辅助节点。

具体地，为确保可靠通信，发送包的节点需要确认接收节点是否成功接收包。为此，本发明在数据包头中使用确认(Acknowledgement)字段来确认包的接收。设产生紧急消息的节点为SMi，其他节点(非产生紧急消息的节点)为SMj(i≠j)。当非产生紧急消息的节点SMj接收到产生紧急消息节点SMi的广播的紧急消息包时，将预设字段ACK字段加入到紧急消息报的包头中，并在下一个信报间隔BI传输出去。同时，SMj节点的邻居节点侦听到紧急信报包的传输，如传输的数据包不包括预设字段ACK，则邻居节点已经成功接收到包的节点会识别SMj节点为失败节点，并将本节点视为候选辅助节点。

在本发明的一个实施例中，参考图2，预设字段ACK字段包括：包的序号，源节点的标号以及包传输的时隙号。

步骤S2，从多个候选辅助节点中选择一个或多个辅助节点，包括：

每个候选辅助节点更新一张邻居失败节点表Tun(h)，该Tun(h)用于存放未成功接收包的下一跳邻居节点的标号，失败节点表Tun(h)的值等于该节点下一跳邻居节点范围内所有失败节点的数目。

在本发明的一个实施例中，候选辅助节点需要满足以下两个条件：

(1)该节点已经成功接收包。

(2)目标节点在该节点的传输范围内并且信道质量良好。

通过侦听周围节点所传包头中的ACK字段，SMj可以发现邻居节点是否未能成功接收紧急消息。每个候选辅助节点需要更新一张邻居失败节点表Tun(h)，该Tun(h)用于存放未能成功接收包的一跳邻居节点的标号。

当候选辅助节点SMh侦听到一个未包含ACK字段的包时，开始计算包的信号强度，如果信号强度大于预定义的门限值就表明信道质量好，则SMh将该节点的序号加入它的失败节点表Tun(h)中。当所有非产生紧急消息的节点SSMj在对应时隙完成ACK消息传输时，每个候选辅助节点将识别出所有该节点一跳邻居范围内的失败节点号，即|Tun(h)|的值等于该节点一跳邻居节点范围内所有失败节点的数目。

当所有非产生紧急消息的节点SMj在对应时隙完成预设字段ACK消息传输时，每个候选辅助节点将识别出所有该节点下一跳邻居范围内的失败节点号，失败节点表Tun(h)值等于该节点下一跳邻居节点范围内所有失败节点的数目。

图3为根据本发明实施例的选择辅助节点的算法流程图。

如图3所示，初始化：SH中包含两个集合，P集合包括所有的候选辅助节点，U集合包含所有的失败节点。当SMi从节点SMh接收到一个协作传输请求RoC消息，则将该节点的标号放入集合P。同时，如果该协作传输请求RoC消息中包含的节点标号m不在U集合中，则SH就把节点m加入U中，E表示分配的额外的时隙号。输出：设定SP为选择的辅助节点，SE为选择的额外时隙。

(1)产生紧急消息节点SMi对所有的|Tun(h)|进行排序；

(2)在每个时隙中，选择|Tun(h)|值最大的节点作为候选辅助节点。

(3)如果步骤(2)中候选辅助节点选择的节点数大于1，则在其中选择最先发出协作传输请求的节点，并将选择的节点标号放入用于存储辅助节点的SP集合，同时选择时隙号最小的空闲额外时隙号放入用于存储额外的时隙号的SE集合。

(4)从用于存储所有的候选辅助节点的集合P中删除上述选择的辅助节点k，并将Tun(k)中包含的节点从用于存储所有的失败节点的集合U中删除，对于P中其他候选辅助节点h，如果Tun(h)中有节点存在于Tun(k)中，则将其从Tun(h)中删除，并从用于存储分配的额外的时隙号的集合E中删除步骤(3)选择的时隙号。

(5)重复步骤(1)～(4)直到集合U或E为空。

由于源节点到目标节点之间的信道质量在很短的时间内变化不大，所以如果由源节点重传消息给接收失败的节点会浪费信道资源。而协作通信可以通过一个独立的信道(辅助节点和接收失败节点之间的信道)来重传消息，因而即使源节点和目标节点之间的信道质量很差，通过协作通信也能提高传输可靠性。

每个候选辅助节点决策是否进行协作传输，需要满足以下条件：

(1)直接传输失败：当源节点(产生紧急消息节点)和目标节点之间直接传输消息失败。

(2)辅助节点从源节点成功接收消息：只有当一个节点成功接收消息时才可作为候选辅助节点。

(3)目标节点可达：只有当目标节点在辅助节点的传输范围之内，辅助节点才可将消息重传给目标节点。

(4)存在空闲时隙：当满足以上三个条件并且存在空闲时隙时，辅助节点可以开始协作传输。

如果进行协作传输，则在包头中加入请求协作RoC(Request of Cooperation)字段，当产生紧急消息节点SMi从所有的候选辅助节点接收到请求协作RoC消息时，从多个候选辅助节点中选择一个或多个作为最佳候选节点。

在本发明的一个实施例中，参考图2，请求协作RoC字段包括：请求协作标志位，失败节点编号，失败包的编号。

需要说明的是，一个辅助节点可能无法覆盖所有的失败SM，所以SMi可选择两个辅助节点。下面给出选择辅助节点时用到的协作增益的定义。对于每一个候选辅助节点，都有一个Tun(h)表，代表所有可以从SMi接收到紧急消息的节点，那么称Tun(h)中的节点数为协作增益。

步骤S3，通过接收失败节点与辅助节点之间的信道重新上传数据包。

具体地，如图4所示，一个接收失败的节点可能存在两个或更多的候选辅助节点。如果这些候选辅助节点都在同一个时隙传输就会产生碰撞。为了避免此类碰撞，当选择好辅助节点时，SMi会利用确认协作(Acknowledge of Cooperation,AoC)消息来通知选择的辅助节点进行重传并让其他候选辅助节点停止传输。为了减小传输时延，AoC会在第一个额外时隙进行传输。

在本发明的一个实施例中，参考图2，确认协作AoC消息包括：选择的辅助节点的标号，传输失败的包的标号和重传的时隙号。

AoC消息包含以下内容：选择的辅助节点的标号，传输失败的包的标号和重传的时隙号。当选择的辅助节点接收到AoC消息时，它就会根据AoC中指定的时隙进行重传。

图5为根据本发明实施例的协作传输过程中传递消息(i＝5)的示意图。其中，图5(a)至(d)分别示出了广播消息、ACK消息、RoC消息和AoC消息在各个节点之间的传输过程。图5(e)和(f)分别示出了SM1和SM4节点的重传。通过上述协作传输机制，提高了紧急消息的接收率，从而保证了紧急消息的传输可靠性。

根据本发明实施例的面向车联网的紧急消息的协作通信方法，通过识别接收紧急消息失败的节点、选择辅助节点、在空闲时隙重传消息，在不影响信标消息性能的情况下可提升紧急消息的接收率，从而提高紧急消息的传输可靠性，有利于降低交通事故的发生率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。