一种基于车联网技术的快速数据传输方法与流程

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及无线传感网技术领域，具体是指一种基于车联网技术的快速数据传输方法。

背景技术：

在当今生活生产中，公路运输和交通活动已经占据了极其重要的地位，但是随着交通的快速发展，道路上的车辆数量大幅上升，导致很多交通拥堵和交通事故发生。在全世界范围内，每年有50万的人死于交通事故，且逐年增加。因此车联网技术被越来越多的人所注意。目前国内外车联网的发展十分迅速，美国交通部在2010-2014战略计划书中首次提出了“车联网”的构想，目的是为了建立一个全面性、多模式的地面交通系统。日本、欧洲紧随其后提出了车联网的构想。我国也在2010年提出车联网建设，同年被列为国家重大专项中的重要项目。车联网技术是利用无线网络技术实现车辆与车辆之间或者车辆与路边设施之间的通信，可实现交通监测、路径规划、智能提醒等功能，目前受到了国内外学者和企业的广泛关注。

在车联网vanet(vehicleadhocnetwork)中，数据通常采用无线传输。但是在无线传输过程中，车辆也在快速移动。因此信息传输的实时性要求是车联网急需要解决的关键问题之一，高效的路由协议是必不可少的。到目前为止，一些国内外的学者在研究车用自组织网络的路由方法方面取得了一些成果，一些学者利用多路径防止车辆节点间距太大造成的通信链路中断，从而实现了数据有效和稳定传输，还有学者研究除了城市或高速公路的研究背景之外的车联网路由方法，为实现全面车联网都献出了一份力量。虽然这些方法能够在一定程度上实现车联网的通信，但仍存在一些不足：1)主要利用路由协议提高了数据传输的可靠性，并没有提高车辆数据的传输效率和扩展速度：2)仅在模拟的理想环境下进行测试，并没有考虑到不同道路的复杂性和数据传输的干扰。

技术实现要素：

本发明为了解决以上技术问题，在此的目的在于提供一种能够减少数据传输的干扰，提高数据传输的效率和扩散速度的基于车联网技术的快速数据传输方法。

为了实现本发明的目的，所提供的基于车联网技术的快速数据传输方法，首先对车辆节点和中继节点进行初始信道分配，中继节点和车辆节点在分配的信道中进行数据传输，数据传输过程中根据车辆节点的移动状态切换车辆节点的数据传输信道。该方法先进行信道分配，中继节点和车辆节点在预先分配的信道中进行数据传输，避免了信道之间的相互干扰，提高了数据传输的效率和扩散速度。

具体的，所述初始信道分配的具体步骤为：

a1：分析电子地图信息，划分成m个区域，并用数字编号每一个区域和其区域内的所有道路；

a2：在每一个道路一端开始沿着道路两边部署若干中继节点，并对各中继节点的地址命名；

a3：根据每条道路规定的车辆节点行驶方向分配紧挨该条道路的中继节点的初始信道；

a4：根据车辆节点自身的行驶方向分配车辆节点的初始信道。

具体的，所述中继节点的初始信道分配如下：道路规定的车辆节点行驶方向为北，中继节点的初始信道设定为信道1；道路规定的车辆节点行驶方向为南，中继节点初始信道设定为信道2；道路规定的车辆节点行驶方向为东，中继节点初始信道设定为信道3；道路规定的车辆节点行驶方向为西，中继节点初始信道设定为信道4。

具体的，所述车辆节点的初始信道分配如下：车辆节点行驶方向为北，车辆节点初始信道设定为信道1；车辆节点行驶方向为南，车辆节点初始信道设定为信道2；车辆节点行驶方向为东，车辆节点初始信道设定为信道3；车辆节点行驶方向为西，车辆节点初始信道设定为信道4。

具体的，所述中继节点地址命名采用如下方式：第1～4字节为区域的编号；第5～8字节为区域内道路的编号；第9～12字节为当前道路上中继节点的编号；第13字节为信道编号。

具体的，所述中继节点和车辆节点在分配的信道中进行数据传输，该数据传输遵循以下步骤：

b1：初始化参数：初始化中继节点和车辆节点的队列和路由表，并根据初始信道分配方法选择对应的信道；

b2：广播数据包：中继节点和车辆节点分别判断自身状态，广播包含源地址、目标地址、数据包编号、数据包跳数、源节点的位置信息、源节点所发送的数据和校验位的中继节点数据包和车辆节点数据包；

b3：接收数据包：根据接收主体和所接收到的对象不同，分别执行以下步骤之一：

1、中继节点接收到中继节点数据包，则首先判断该数据包中的中继节点地址是否大于自身节点地址；若大于，则发送自身数据包，并根据所接收到的中继节点数据包中的信息更新自身路由表,否则不发送自身数据包；其次判断所接收到的中继节点数据包的紧急情况标志位，并根据判断结果执行以下步骤：

1-1：若中继节点数据包的紧急情况标志位不是1,则执行步骤1-3，否则为紧急数据包，需判断接收到的紧急数据包的转发跳数是否小于7，若小于7，执行步骤1-2；若不小于7，则执行步骤b4；

1-2：分析紧急数据包中下一个转发节点是否为自身节点，若是，则将紧急数据包中的数据存入自身紧急队列中，执行步骤b4；若不是则直接执行步骤b4；

1-3：判断中继节点数据包的转发跳数是否小于5，若小于5，将数据包中的数据存入自身常规队列，跳到步骤b4；若不小于5则直接跳到步骤b4；

2、中继节点接收到车辆节点数据包，反馈自身中继节点数据包；并分析接收到的车辆节点数据包的紧急情况标志位，判断车辆节点是否发生紧急事件，若车辆节点数据包的紧急情况标志位是1,则车辆节点发生紧急事件，将车辆节点数据存入紧急队列，跳到步骤b5；否则不存在紧急事件，则将车辆节点数据存入常规队列，跳到步骤b5；

3、车辆节点接收到中继节点数据包，判断与电子地图中查询到的中继节点信道是否一致，如果一致，则验证通过，更新该车辆节点的路由表，根据电子地图和车辆行驶状态，分析车辆的行驶情况，切换车辆节点的数据传输信道；否则查找当前车辆节点所处道路右侧且距离最近的中继节点地址；

b4：判断紧急队列是否存在等待发送的紧急数据，若有，则立即利用快速扩散方法发送该紧急数据包，跳到步骤b5；若无则直接跳到步骤b5；

b5：判断紧急队列是否为空且常规队列存在等待发送的常规数据，若是，则常规数据传输给路由表中物理位置最远的后方中继节点，跳到步骤b2；反之则直接跳到步骤b2。

具体的，所述快速扩散方法如下：

在路由表中，确定当前中继节点与路由表中物理位置最远的中继节点，选择该中继节点作为下一个转发节点，并广播发送数据包；如果接收到其他中继节点的数据包，并根据数据包中信息判断自身是否作为该数据包的下一个转发节点，如果是，则将其收到的数据包广播发送，否则监听其他中继节点的数据包，不转发该数据包。

具体的，所述切换车辆节点的数据传输信道根据车辆节点行驶状态及车辆节点所行驶的道路情况进行切换，具体方式如下：

1、如果车辆沿着当前道路不改变行驶道路，则根据电子地图和车辆行驶状态，判断当前道路情况，并根据道路情况进行以下步骤之一：

1)如果当前道路允许直行和调头，车辆节点在直行通过路口时，不切换信道，仍在当前信道中进行数据传输；如果当前道路允许左转、直行和调头，车辆节点在直行通过路口时，不切换信道，仍在当前信道中进行数据传输；

2)如果当前道路允许右转、直行和调头，车辆节点在直行通过路口时，依次切换到当前车辆节点行驶方向所对应道路的中继节点编号为1的中继节点信道和当前道路的反向道路的中继节点信道，各发送一个数据包，车辆直行通过路口后切换回当前道路信道进行数据传输；

3)如果当前道路允许左转、右转、直行和调头，车辆节点在直行通过路口时，依次切换到当前车辆节点行驶方向所对应两个道路的右侧中继节点的两种信道和当前道路的反向道路的中继节点信道，各发送一个数据包，车辆直行通过路口后切换回当前道路信道进行数据传输；

2、如果车辆调头改变行驶道路，在车辆调头时，对当前道路的中继节点发送一个数据包，车辆完成调头后切换到反向道路的中继节点信道进行数据传输；

3、如果车辆沿着当前道路左转改变行驶道路，则根据电子地图和车辆行驶状态，判断当前道路情况，并根据道路情况进行以下步骤之一：

1)如果当前道路允许左转和右转，车辆在左转通过路口时，切换到当前车辆节点行驶方向所对应两个道路的右侧中继节点的信道发送一个数据包，在转入左侧道路后，切换到当前车辆节点行驶方向所对应道路的右侧中继节点的信道进行数据传输；

2)如果当前道路允许左转、直行和调头，车辆在左转通过路口时，根据车辆行驶方向依次切换到车辆行驶方向对应的左侧道路上中继节点编号为1的中继节点信道和当前道路的反向道路的中继节点信道，各发送一个数据包，在左转通过路口后切换到对应车道的右侧中继节点信道进行数据传输；

3)如果当前道路允许左转、右转、直行和调头，车辆在左转通过路口时，依次切换到当前车辆节点行驶方向所对应两个道路的右侧中继节点的两种信道和当前道路的反向道路的中继节点信道，各发送一个数据包，在左转通过路口后切换到对应车道的右侧中继节点的信道进行数据传输；

4、如果车辆沿着当前道路右转改变行驶道路，则根据电子地图和车辆行驶状态，判断当前道路情况，并根据道路情况进行以下步骤之一；

1)如果当前道路允许左转和右转或当前道路允许左转、右转、直行和调头，则车辆在右转通过路口时，依次切换到当前车辆节点行驶方向所对应两个道路的右侧中继节点的两种信道，各发送一个数据包，在完成转入当前道路的右侧道路后，切换到车辆节点行驶方向对应车道的右侧中继节点的信道进行数据传输；

2)如果当前道路允许右转、直行和调头，车辆在右转通过路口时，切换到当前道路的右侧中继节点的信道进行数据传输；

5、如果车辆在其他特殊道路情况下，切换到当前道路的右侧中继节点的信道进行数据传输。

具体的，所述数据包的格式如下：

第1～8比特为源地址；第9～16比特为目标地址；第17～24比特为数据包编号；第25～28比特为数据包跳数；第29～32比特为源节点的位置信息；第33～50比特为源节点所发送的数据；第51比特为紧急情况标志位，当紧急情况标志位为0时，表示当前数据包为常规数据包，当紧急情况标志位为1时，表示当前数据包为紧急数据包；第52～53比特为校验位。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要表现在：根据车辆的行驶方向进行节点的分类，分配不同的信道。车辆节点和中继节点只能在所分配的信道中通信，减少了数据传输的干扰。本方法还包括信道切换，解决车辆节点的行驶过程中的信道切换问题。规定了中继节点的传输方向限制，通过快速扩散方法和紧急数据包优先传输，不仅保障了数据的可靠性，也提高了数据传输的效率和速度。本方法提高信息的传输时间，可适用于快速变化的车辆行驶环境。此外，本方法考虑车辆节点、中继节点和汇聚节点组成的三层网络。

附图说明

图1为本发明的初始信道分配流程图；

图2为本发明的数据传输流程图；

图3为本发明的直行道路分析示例图；

图4为本发明的t型道路分析示例图；

图5为本发明的十字路口分析示例图。

具体实施方式

在此结合附图本发明的技术方案作进一步的详细说明。

参照图1至图5，本发明不仅考虑了车辆节点、中继节点，还考虑了汇聚节点，三种节点共同组成了三层网络结构，提供了一种基于车联网技术的快速数据传输方法，该方法首先对车辆节点和中继节点进行初始信道分配，中继节点和车辆节点在分配的信道中进行数据传输，数据传输过程中根据车辆节点的移动状态切换车辆节点的数据传输信道。其中中继节点是指信号传输点，在实际应用过程中，基站或用户不直接将信号发送给彼此，而是通过中继节点，信号经中继节点放大或再生处理进行转发。而车辆节点则是人们所驾驶的汽车，其上集成有定位装置，如gps定位仪，且车辆节点的行驶方向定义如下：当车辆节点的行驶方向与正北方向的夹角小于或等于45度，则车辆节点的行驶方向为北；当车辆节点的行驶方向与正南方向的夹角小于或等于45度，则车辆节点的行驶方向为南；当车辆节点的行驶方向与正东方向的夹角小于45度，则车辆节点的行驶方向为东；当车辆节点的行驶方向与正西方向的夹角小于45度，则车辆节点的行驶方向为西。

以上方法中所记载的信道分配可以采用现有的任何一种方式；如图1所示，本申请在此提供的信道分配方法如下：

a1：分析电子地图信息，划分成m个区域，并用数字编号每一个区域和其区域内的所有道路；

a2：在每一个道路一端开始沿着道路两边部署等间距或不等距的若干中继节点，如两中继节点之间间隔350m；部署完中继节点后，对各中继节点的地址命名；中继节点的命名方式可以采用现有的任何一种方式，本申请在此所采用的命名方式为：第1～4字节为区域的编号；第5～8字节为区域内道路的编号；第9～12字节为当前道路上中继节点的编号；第13字节为信道编号；

a3：根据每条道路规定的车辆节点行驶方向分配紧挨该条道路或者距离该条道路最近的中继节点的初始信道；中继节点的初始信道与道路规定的车辆节点行驶方向之间的关系可以是任意，例如：道路规定的车辆节点行驶方向为北时，中继节点的初始信道设定为信道1；道路规定的车辆节点行驶方向为南时，中继节点初始信道设定为信道2；道路规定的车辆节点行驶方向为东时，中继节点初始信道设定为信道3；道路规定的车辆节点行驶方向为西时，中继节点初始信道设定为信道4。当然除了上述假设的情况外，还可以根据规定的车辆行驶方向任意分配中继节点的初始信道。

a4：利用卫星定位模块，分析车辆节点的行驶方向，对车辆节点进行信道初始分配，车辆节点的初始信道可以任意分配，例如：车辆节点行驶方向为北，车辆节点初始信道设定为信道1；车辆节点行驶方向为南，车辆节点初始信道设定为信道2；车辆节点行驶方向为东，车辆节点初始信道设定为信道3；车辆节点行驶方向为西，车辆节点初始信道设定为信道4。

中继节点与车辆节点的初始信道分配完后，中继节点之间、中继节点与车辆节点之间通过所分配的信道进行数据传输，中继节点最终将相关数据传输至基站，供控制中心或监控中心使用。而中继节点之间，以及中继节点与车辆节点之间的数据传输遵循了一定的步骤，如图2所示；所遵循的步骤如下：

b1：初始化参数：初始化中继节点和车辆节点的队列和路由表，并根据初始信道分配方法选择对应的信道；

b2：广播数据包：中继节点和车辆节点分别判断自身状态，广播包含源地址、目标地址、数据包编号、数据包跳数、源节点的位置信息、源节点所发送的数据和校验位的中继节点数据包和车辆节点数据包；

b3：接收数据包：根据接收主体和所接收到的对象不同，分别执行以下步骤之一：

1、中继节点接收到中继节点数据包，则首先判断该数据包中的中继节点地址是否大于自身节点地址；若大于，则发送自身数据包，并根据所接收到的中继节点数据包中的信息更新自身路由表,否则不发送自身数据包；其次判断所接收到的中继节点数据包的紧急情况标志位，并根据判断结果执行以下步骤：

1-1：若中继节点数据包的紧急情况标志位不是1,则执行步骤1-3，否则为紧急数据包，需判断接收到的紧急数据包的转发跳数是否小于7，若小于7，执行步骤1-2；若不小于7，则执行步骤b4；

1-2：分析紧急数据包中下一个转发节点是否为自身节点，若是，则将紧急数据包中的数据存入自身紧急队列中，执行步骤b4；若不是则直接执行步骤b4；

1-3：判断中继节点数据包的转发跳数是否小于5，若小于5，将数据包中的数据存入自身常规队列，跳到步骤b4；若不小于5则直接跳到步骤b4；

2、中继节点接收到车辆节点数据包，反馈自身中继节点数据包；并分析接收到的车辆节点数据包的紧急情况标志位，判断车辆节点是否发生紧急事件，若车辆节点数据包的紧急情况标志位是1,则车辆节点发生紧急事件，将车辆节点数据存入紧急队列，跳到步骤b5；否则不存在紧急事件，则将车辆节点数据存入常规队列，跳到步骤b5；

3、车辆节点接收到中继节点数据包，判断与电子地图中查询到的中继节点信道是否一致，如果一致，则验证通过，更新该车辆节点的路由表，根据电子地图和车辆行驶状态，分析车辆的行驶情况，切换车辆节点的数据传输信道；否则查找当前车辆节点所处道路右侧且距离最近的中继节点地址；

b4：判断紧急队列是否存在等待发送的紧急数据，若有，则立即利用快速扩散方法发送该紧急数据包，跳到步骤b5；若无则直接跳到步骤b5；

b5：判断紧急队列是否为空且常规队列存在等待发送的常规数据，若是，则常规数据传输给路由表中物理位置最远的后方中继节点，跳到步骤b2；反之则直接跳到步骤b2。

在上述数据传输步骤中，所广播的中继节点数据包和车辆节点数据包分别包括：

第1～8比特为源地址；第9～16比特为目标地址；第17～24比特为数据包编号；第25～28比特为数据包跳数；第29～32比特为源节点的位置信息；第33～50比特为源节点所发送的数据；第51比特为紧急情况标志位，当紧急情况标志位为0时，表示当前数据包为常规数据包，当紧急情况标志位为1时，表示当前数据包为紧急数据包；第52～53比特为校验位。

而所记载的快速扩散方法传输数据则可以采用现有的任何一种数据传输方法，本申请在此所采用的数据传输为在中继节点路由表中，确定当前中继节点与其路由表中物理位置最远的中继节点，选择该中继节点作为下一个转发节点，并广播发送数据包；如果接收到其他中继节点的数据包，并根据数据包中信息判断自身是否作为该数据包的下一个转发节点，如果是，则将其收到的数据包广播发送，否则监听其他中继节点的数据包，不转发该数据包。

由于在车辆节点在移动过程中，随时可能会改变行驶方向，也会遇到各种各样的汇聚路口，如直行路口、十字路口、t字路口。根据电子地图和车辆行驶状态，分析车辆的行驶情况，执行信道切换方法。参照图3，在双向行驶道路上，中继节点b1，b2，b3和车辆节点v3和v4采用信道b通信。中继节点a1，a2，a3和车辆节点v1、v2采用信道a通信。车辆节点v4在信道b中广播数据，中继节点b2接收到数据并往中继节点b3发送数据包，车辆节点v3接收车辆节点v4和前方中继节点b2的数据包；车辆节点v1与车辆节点v2则在信道a中通信，与b信道互不干扰。参照图4，在t字路口上，车辆v1沿着道路b行驶，行驶的过程中只需要在信道b中广播数据；车辆v2由道路d左转进入道路b，在行驶的过程中，左转经过t型路口的过程中，在信道b、d上广播车辆数据；车辆v3在道路d上行驶，仅在信道d上广播；车辆v4沿着道路c经过t型路口，对信道c进行广播；车辆v5由道路d右转进入道路c，在信道c、d中广播。参照图5，在十字路口上，车辆v1在道路d上行驶，仅对信道上的车辆节点和中继节点进行数据通信；车辆v2由道路d左转进入道路a，转向经过其他道路，因此在转向的过程中，在全信道内广播数据；车辆v3进入道路a，仅在信道a上进行数据通信；车辆v4在道路a上行驶经过十字路口，在信道c中广播数据；车辆v5由道路d右转进入道路c，仅对信道c和信道d有影响，所以仅在信道c和信道d中广播数据。

各汇聚路口存在信道复合，为了能够保证在汇聚路口车辆节点和中继节点也能按照各自的信道进行数据传输，本申请在上述数据传输过程还记载了切换车辆节点的数据传输信道，即车辆节点的信道切换，如正在行驶的车辆节点的信道为1，在汇聚路口时则切换成信道2，或者切换成车辆节点将要转入的道路，与该道路距离最近的中继节点的信道。

本实施方式在此提供了一种信道切换步骤，该信道切换步骤基于车辆节点行驶的状态和车辆节点所行驶的当前道路的情况实现的，具体如下：

1、如果车辆沿着当前道路不改变行驶道路，则根据电子地图和车辆行驶状态，判断当前道路情况，并根据道路情况进行以下步骤之一：

1)如果当前道路允许直行和调头，车辆节点在直行通过路口时，不切换信道，仍在当前信道中进行数据传输；如果当前道路允许左转、直行和调头，车辆节点在直行通过路口时，不切换信道，仍在当前信道中进行数据传输；

2)如果当前道路允许右转、直行和调头，车辆节点在直行通过路口时，依次切换到当前车辆节点行驶方向所对应道路的中继节点编号为1的中继节点信道和当前道路的反向道路的中继节点信道，各发送一个数据包，车辆直行通过路口后切换回当前道路信道进行数据传输；

3)如果当前道路允许左转、右转、直行和调头，车辆节点在直行通过路口时，依次切换到当前车辆节点行驶方向所对应两个道路的右侧中继节点的两种信道和当前道路的反向道路的中继节点信道，各发送一个数据包，车辆直行通过路口后切换回当前道路信道进行数据传输；

2、如果车辆调头改变行驶道路，在车辆调头时，对当前道路的中继节点发送一个数据包，车辆完成调头后切换到反向道路的中继节点信道进行数据传输；

3、如果车辆沿着当前道路左转改变行驶道路，则根据电子地图和车辆行驶状态，判断当前道路情况，并根据道路情况进行以下步骤之一：

1)如果当前道路允许左转和右转，车辆在左转通过路口时，切换到当前车辆节点行驶方向所对应两个道路的右侧中继节点的信道发送一个数据包，在转入左侧道路后，切换到当前车辆节点行驶方向所对应道路的右侧中继节点的信道进行数据传输；

2)如果当前道路允许左转、直行和调头，车辆在左转通过路口时，根据车辆行驶方向依次切换到车辆行驶方向对应的左侧道路上中继节点编号为1的中继节点信道和当前道路的反向道路的中继节点信道，各发送一个数据包，在左转通过路口后切换到对应车道的右侧中继节点信道进行数据传输；

3)如果当前道路允许左转、右转、直行和调头，车辆在左转通过路口时，依次切换到当前车辆节点行驶方向所对应两个道路的右侧中继节点的两种信道和当前道路的反向道路的中继节点信道，各发送一个数据包，在左转通过路口后切换到对应车道的右侧中继节点的信道进行数据传输；

4、如果车辆沿着当前道路右转改变行驶道路，则根据电子地图和车辆行驶状态，判断当前道路情况，并根据道路情况进行以下步骤之一；

1)如果当前道路允许左转和右转或当前道路允许左转、右转、直行和调头，则车辆在右转通过路口时，依次切换到当前车辆节点行驶方向所对应两个道路的右侧中继节点的两种信道，各发送一个数据包，在完成转入当前道路的右侧道路后，切换到车辆节点行驶方向对应车道的右侧中继节点的信道进行数据传输；

2)如果当前道路允许右转、直行和调头，车辆在右转通过路口时，切换到当前道路的右侧中继节点的信道进行数据传输；

5、如果车辆在其他特殊道路情况下，切换到当前道路的右侧中继节点的信道进行数据传输。

本方法考虑车辆节点、中继节点和汇聚节点组成的三层网络，根据车辆的行驶方向进行节点的分类，分配不同的信道。车辆节点和中继节点只能在所分配的信道中通信，减少了数据传输的干扰。本方法还包括信道切换，解决车辆节点的行驶过程中的信道切换问题。规定了中继节点的传输方向限制，通过快速扩散方法和紧急数据包优先传输，不仅保障了数据的可靠性，也提高了数据传输的效率和速度。本方法提高信息的传输时间，可适用于快速变化的车辆行驶环境。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。