基于邻居车辆信息与告警方向的告警中继选择算法的制作方法

本发明属于无线通讯技术领域，基于邻居车辆信息与告警方向的告警中继选择算法。

背景技术：

在车载网络中，支持道路安全的车辆间通信有两种重要的传输信息：周期性广播消息与紧急安全消息紧急信息。周期性广播消息又称为beacon消息，在应用层或网络层生成，是指周期性的一跳广播信息，车辆节点周期性向周围邻居节点广播自身beacon信息包括当前位置、速度等等，使得周围邻居节点能够得知周围环境状况，避免潜在危险。邻居节点在接收到这个广播消息时，会根据其自身情况更新它所需要的信息，然后把广播报文丢弃。

紧急安全消息是一种多跳广播消息，当有事故发生或交通堵塞等情况，节点向一定范围内的其他车辆广播紧急安全信息。这种紧急消息的广播其实也是建立在周期性广播beacon的基础上的。其他节点在接收到这个消息时，会更新它所需要的信息，然后依据当前情况选择把广播报文丢弃或转发。如果它之前已经接受过这个广播报文，则丢弃；如果是第一次接收，则依据广播机制或路由协议转发该报文。

紧急安全消息传播的主要性能目标是快速、高可靠性和高可扩展性。然而，在实际的行车环境里，车辆拓扑结构的快速动态变化和链路的不可靠性会带给信息传输更大的挑战性。在车载网络中，隐藏终端所引起的传输冲突和信道衰减会导致丢包率的增加，但在ieee802.11p协议中并没有为广播制定信道恢复机制，因此，在一个紧密的网络中由于信道拥塞将会产生大量的数据包冲突，从而降低广播的发送成功率。因此一个快速高效的广播算法是安全消息有效扩散的关键。

传统的广播算法中，最直接的方法即简单泛洪(simpleflooding)：任何节点在接收到新的广播分组后均将其向传输范围内的邻居节点转发，同时丢弃已经接收过的广播分组。简单洪泛常常引入大量冗余的数据转发，由此不仅会引发网络风暴现象和传输信道的拥堵，也会导致移动节点传输能量的无用消耗。

高效的广播策略要求用尽可能少的分组转发来覆盖网络中所有节点，以避免以上简单泛洪的弊端。针对这一目标，诸多文献从不同角度给出了一系列算法，概括为基于概率预测的优化泛洪策略、基于区域的优化泛洪策略以及基于邻节点信息的优化泛洪策略等。其中基于邻节点信息的优化泛洪策略利用节点周围n跳(n-hop)内节点的连接拓扑构造局部最优的覆盖节点集合，期望形成具有局部生成特征的分组转发虚拟骨干网络，即连通支配集(connecteddominatingset，cds)。

连通支配集是由网络中部分节点构成的连通子网，具有如下性质：网络中的任一节点要么属于连通支配集，要么有至少一个邻节点是连通支配集中的元素。以连通支配集作为分组转发节点能有效减少广播所需的转发次数。引入集合论中的概念，将集合内元素的个数称为势(cardinality)。很明显，连通支配集的势越小，对应的网络广播所需要的包转发次数也越少。具有最小势的连通支配集称为对应网络的最小连通支配集(minimumconnecteddominatingset，mcds)。用局部拓扑信息分布式地构造mcds被证明是np-c问题，从而只能获得近似解。由于不能获得最优结果，一般采用最优近似系数(approximationfactor，即算法所产生的结果同实际最优解之间的比值)来评价各种近似算法的效果。

通过对现有的安全告警信息的广播策略的研究，可以知道，广播策略的性能评估指标主要有，冗余报文数，时延，可靠性，复杂度等。其中冗余报文数与时延是正相关关系，冗余报文数的减少，可以降低告警报文的时延。有效降低冗余报文数，快速可靠的扩散，复杂度较低是广播算法的研究目标。代表性研究主要有一下两种：

(1)基于地理位置的广播策略(参见文献：benrhiemw,hafidas,sahup.multi-hopreliabilityforbroadcast-basedvanetincityenvironments[c]//ieeeicc.ieee,2016.)：该算法通过将街道划分为多个单元格，形成网格状区域，车辆利用周期性的cams消息估计邻居车辆的无线链路状态，通过选择足够数量的转发车辆，提高了安全告警信息的可靠性。但是，该算法没有考虑车辆密度较高的场景，在高密度场景中，该算法无法满足高车辆密度带来的资源紧缺问题，降低了告警信息发送成功率和可靠性。

(2)基于距离的广播策略(参见文献：rehmano,ould-khaouam,bourdoucenh.anadaptiverelaynodesselectionschemeformulti-hopbroadcastinvanets[j].computercommunications,2016,87(c):76-90.)：该文献提出了一种自适应地估计链路质量和源广播和潜在的转发器之间的距离时，选择下一跳节点中继广播消息的广播中继算法，该机制保障了在广播扩散中因为链路质量不稳定导致的报文发送失败。但是，该机制并没有考虑车联网中，告警报文的区域有效性和方向性，广播算法效率不高。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结合了车联网中车辆的地理位置信息、功率信息、信道使用情况、报文发送成功时间等信息，综合性的选择告警的中继车辆，使得告警得到快速的扩散，同时降低了传统告警广播算法带来的巨大冗余告警报文，提高有限的资源的利用率的基于邻居车辆信息与告警方向的告警中继选择算法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于邻居车辆信息与告警方向的告警中继选择算法，包括以下步骤：

s1、在道路上行驶的车辆接收周边车辆信息，根据车联网中各类告警产生的条件判断是否达到产生告警的条件，若达到产生告警的条件则产生告警信息，否则不操作；

s2、告警源车辆通过邻居列表中的车辆信息，从地理位置和功率确定邻居车辆的覆盖范围，根据告警的扩散方向、信道使用情况和贪心思想的地理切分法，确定告警报文中继车辆；

s3、告警源车辆在报文中加入中继信息，形成告警报文，然后竞争信道资源，若信道资源竞争成功则发送告警报文；否则等待下次竞争，直到竞争到信道资源，完成告警报文的发送。

进一步地，所述步骤s2中确定告警报文中继车辆的具体过程包括以下子步骤：

s21、查询告警源车辆的邻居车辆信息，通过信号功率和地理位置计算邻居车辆覆盖范围；

s22、通过邻居车辆信道使用情况，计算告警成功扩散的时间；

s23、通过告警的扩散方向和有效区域信息，选择最佳中继车辆；

s24、根据贪心思想的地理切分法排除重复覆盖的邻居车辆，然后判断是否还有中继车辆可选，若有返回s23，若无则进入s3。

进一步地所述步骤s21中邻居车辆覆盖范围的计算方法为：

si＝max(ri+dsi)

其中，i表示告警源车辆s的第i辆邻居车辆；si表示邻居车辆i的覆盖范围；ri表示邻居车辆i的扩散距离，与车辆的信号发送功率相关；dsi表示告警源车辆s与邻居车辆i的距离。

进一步地，所述步骤s22中采用报文服务时间稳态概率的概率生成函数qi(z)来表示告警扩散时间，其计算方法为：

z表示报文发送成功概率；ω0为竞争窗口的大小；ns(p)是报文发送所需要的信道时隙数总和，其中p表示报文；gi(z)是退避计数器的转移概率生成函数，具体如下所示：

其中pb(i)表示车辆i发送信道忙的概率，具体如下所示：

其中p0是网络内节点尝试发送报文的概率，为车辆i周围的载波监听区域内尝试报文发送的节点数目，n(i)为车辆i载波监听范围内车辆数量。

进一步地，所述步骤s23具体实现方法为：将单位时间内，节点传输的平均距离最大的邻居车辆选择为最佳中继车辆；具体计算方法为：加入方向信息后，得到最佳中继车辆选择公式为：

(ri+dsi)x,y表示车辆i在x方向或者y方向上的扩散距离，qi(z)|z＝1表示报文发送成功概率为1时需要的服务时间。

进一步地，依据步骤s24中采用贪心思想的地理切分法判断是否还有中继可选的具体实现方法为：从告警源车辆的邻居列表中排除步骤s23选择的最佳中继车辆重复覆盖的邻居车辆，然后查看是否还有邻居车辆可选，若是则返回步骤s23，否则执行步骤s3。

本发明的有益效果是：本发明结合了车联网中车辆的地理位置信息、功率信息、信道使用情况、报文发送成功时间等信息，综合性的选择告警的中继车辆，使得告警得到快速的扩散，同时降低了传统告警广播算法带来的巨大冗余告警报文，提高有限的资源的利用率。通过加入告警的方向性信息，使得告警中继算法不再盲目进行扩散，告警扩散更加快速准确，同时处于非告警区域的车辆也不会收到不相关的告警信息，也降低了告警的冗余度。此外，通过加入基于贪婪思想的地理切分法来选择中继，告警源车辆选择了一个中继后，依据地理切分法的规则选择后续的其他中继车辆，为的是达到告警相关区域的告警覆盖率，一定程度上避免处在告警区域的车辆没有收到告警的情况。

附图说明

图1为本发明的基于邻居车辆信息与告警方向的告警中继选择算法流程图；

图2为本发明的选择告警报文中继车辆的流程图；

图3为本发明的基于贪婪思想的地理切分法示意图；

图4为本发明实施例的基于邻居车辆信息与告警方向的告警中继选择算法示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

本发明应用的网络场景为：车辆模型为普通轿车，车辆随机分布在城市中的直线道路上，车辆速度随机分布，每个车辆的广播信号覆盖范围随机分布；车辆间周期性广播和交互自身信息的cams消息，每个车辆都知道自身周围邻居车辆的身份id、对应的精确位置和运动状态。基于上述思想，本发明提供了一种基于邻居车辆信息与告警方向的告警中继选择算法，其流程如图1所示，包括以下步骤：

s1、在道路上行驶的车辆接收周边车辆信息，例如车辆类型，车辆状态，车辆碰撞，根据车联网中各类告警产生的条件判断是否达到产生告警的条件，若达到产生告警的条件则产生告警信息，否则不操作；车辆网中各类告警有相关的定义，根据定义判定是否形成相应告警是本领域惯用的技术手段，此处不再具体描述。

s2、告警源车辆通过邻居列表中的车辆信息，从地理位置和功率确定邻居车辆的覆盖范围，根据告警的扩散方向、信道使用情况和贪心思想的地理切分法，确定告警报文中继车辆；告警报文中继车辆的选择流程如图2所示，具体过程包括以下子步骤：

s21、查询告警源车辆的邻居车辆信息，通过信号功率和地理位置计算邻居车辆覆盖范围；邻居车辆覆盖范围的计算方法为：

si＝max(ri+dsi)

其中，i表示告警源车辆s的第i辆邻居车辆；si表示邻居车辆i的覆盖范围；ri表示邻居车辆i的扩散距离，与车辆的信号发送功率相关；dsi表示告警源车辆s与邻居车辆i的距离；

s22、通过邻居车辆信道使用情况，计算告警成功扩散的时间；本步骤中采用报文服务时间稳态概率的概率生成函数qi(z)来表示告警扩散时间，其计算方法为：

z表示报文发送成功概率；ω0为竞争窗口的大小；ns(p)是报文发送所需要的信道时隙数总和，其中p表示报文；gi(z)是退避计数器的转移概率生成函数，具体如下所示：

其中pb(i)表示车辆i发送信道忙的概率，具体如下所示：

其中p0是网络内节点尝试发送报文的概率，为车辆i周围的载波监听区域内尝试报文发送的节点数目，n(i)为车辆i载波监听范围内车辆数量；

s23、通过告警的扩散方向和有效区域信息，选择最佳中继车辆；具体实现方法为：将单位时间内，节点传输的平均距离最大的邻居车辆选择为最佳中继车辆；具体计算方法为：加入方向信息后，得到最佳中继车辆选择公式为：

(ri+dsi)x,y表示车辆i在x方向或者y方向上的扩散距离，qi(z)|z＝1表示报文发送成功概率为1时需要的服务时间；

s24、根据贪心思想的地理切分法排除重复覆盖的邻居车辆，然后判断是否还有中继车辆可选，若有返回s23，若无则进入s3；如图3所示，贪心思想的地理切分法进行剩余中继车辆的选择的具体实现方法为：从告警源车辆的邻居列表中排除步骤s23选择的最佳中继车辆重复覆盖的邻居车辆，然后查看是否还有邻居车辆可选，若是则返回步骤s23，否则执行步骤s3。

s3、告警源车辆在报文中加入中继信息，形成告警报文，然后竞争信道资源，若信道资源竞争成功则发送告警报文；否则等待下次竞争，直到竞争到信道资源完成告警报文的发送；这里的资源分配机制采用wave定义。

中继算法的场景如图4所示，车辆v1与车辆v2产生碰撞，形成告警，告警区域如alarmcoverarea所示，告警源车辆v1依据中继选择算法，选择车辆v3，v4作为告警中继车辆。车辆v4作为新的告警源车辆继续选择车辆v5作为告警中继车辆，直到告警扩散到告警区域alarmcoverarea。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。