一种基于数据优先级、链路状态和交通流密度的多链路选择方法与流程

本发明属于车联网中网络功能虚拟化(Network Functions Virtualization,NFV)和异构网络融合技术领域，涉及到一种适用于集成多个物理网络接口的设备在发送网络报文时如何在数据链路层(LLC)中根据发送内容的优先级别、链路状态以及当前交通流密度进行某物理网络接口的选择方法。

背景技术：

随着无线接入技术的发展，诸如LTE、IEEE 802.11p、WiMAX甚至5G等技术的出现，越来越多研究人员开始关注于将各种无线接入技术应用在车联网上。相关协议标准也日益成熟，例如，美国提出的WAVE标准协议群，用来传输安全服务相关信息、交通效率相关信息、娱乐方面信息等。但单一的无线接入技术已经不能满足车联网的应用需求，两种或多种无线通信技术相结合搭建车联网，以提高车联网网络的健壮性、可靠性，是目前相关研究的主要趋势。在车联网终端设备上集成多种网络接口，融合多种网络资源，不但可以提供一个覆盖大范围地区所有车辆的大规模网络，还可以满足该地区的实时性安全信息的传输和分布需求，减少交通事故的发生。但是目前异构网络融合中，数据传输主要还是基于TCP/IP框架，缺乏有效地面向数据内容和当前的交通流情况进行分发的策略。如何结合环境因素针对数据优先级、提高安全短消息(WAVE Short Message,WSM)的传输速率和安全服务的QoE(Quality of Experience)，同时保证非安全服务的QoE，目前缺乏有效的技术方案。

技术实现要素：

本发明的目的是在于克服现存技术的不足，提供一种融合多种不同类型物理网络接口，并基于数据优先级、链路状态以及交通流密度的链路选择算法，克服目前车联网所使用链路选择算法链路利用率过低的缺点，同时也解决了现有关于车联网异构网络融合研究中忽视了WSM传输需求、导致WSM延时过高的问题。其接口扩展如图1所示。

本发明所述的一种车联网中面向多网网络融合中基于数据优先级、链路状态以及交通流密度的链路选择算法。在车联网通信过程中，车载设备或者路侧设备，为了提高网络通信的容量，往往集成了多个网卡。如果用专门的网卡用来传输WSM，会导致该网卡链路的利用率过低。如果让所有网络通信服务无差别的共用所有网卡，可能会导致WSM通信延时过长。为了解决以上问题，本发明方法利用车联网特有的四种数据优先级(在车联网中IEEE802.11p采用了增强型分布式信道访问(Enhanced Distributed Channel Access，EDCA)机制定义了介质访问规则，重新定义了四种不同的访问类别(access categories，AC)，根据消息内容的重要性和紧迫性，由创建信息的应用为每一帧指派一种AC，通过AC索引(AC Index，ACI)确定AC，ACI一共分为四种：0、1、2和3，分别对应四种不同紧急程度和优先级的信息，ACI越大，优先级越大)，以及实时获取的各链路的延时和负载，并结合当前的交通流密度，从而设计一个链路选择算法，对当前所有链路进行计算并选择，当一个数据报文从上层到达数据链路层时，通过该算法选出最适合的链路进行传输，达到在保证WSM有较低延迟的前提下，降低了非WSM的延时，同时提高了链路的利用率，增强车联网整体传输效率的目的。

为了达到上述目的，本发明提供了一种面向车联网的基于数据优先级、链路状态以及交通流密度的链路调度算法，该方法是在现有TCP/IP协议架构中LLC协议层的基础上的一个扩充。安装时，需要将该方法加到LLC层中。同时该方法所需要的数据优先级、链路状态与交通流密度三个参数信息，都是网络中可以直接获得的数据，无需额外特殊处理。其中，数据优先级可以根据数据报文中的固定字段信息获得，这部分是协议中规定的。链路状态可以根据所连接的物理网络接口直接获得。交通流密度也是车联网协议中所传输的基本数据，可以在相关协议中直接获得。该方法包括下列操作步骤：

1)当从上层有数据报文到达数据链路层时，提取该数据报文的优先级，如果优先级为最高，即该数据报文的类型为WSM，则直接把数据报文分发到IEEE802.11p链路上进行传输；

2)当数据链路层从上层收到的是非WSM类型的数据报文时，此时需要获取各链路的往返延时(Round-Trip Time，RTT)和负载情况，同时也要获取当前车辆所处环境的交通流密度，利用数据优先级计算优先级系数，用RTT和负载情况分别计算各链路的延时占比因子和负载占比因子，最后用以上三个参数计算数据报文与链路的匹配程度，如果计算的是数据报文与IEEE802.11p链路的匹配度，还要加上交通流密度作为参数，最后将该数据报文分配到最匹配的链路进行传输。

3)如果以上的非WSM数据报文被分配到IEEE802.11p链路，此时需要根据WSM的发送周期、IEEE802.11p链路的最大吞吐量和IEEE802.11p链路的负载计算IEEE802.11p链路当前的非WSM最大分发频率，再利用最新到达IEEE 802.11p链路的两个非WSM数据报文，计算此时IEEE 802.11p链路的瞬时分发频率，(i)如果瞬时分发频率比最大分发频率小，则该数据报文成功进入IEEE802.11p链路的发送缓冲区，分发成功；(ii)如果瞬时分发频率比最大分发频率大，则分发失败，该数据报文进入LLC层的待分发队列重新等待分发。

本发明的有益效果是：利用本发明方法可以使车载通信节点融合多种不同类型的网络接口，实现异构网络融合，同时在保证WSM类型数据传输需求的前提下，降低各种类型数据的延时，并提高链路资源的利用率，保障各种类型服务的QoE。

附图说明

附图1是本发明的一种基于数据优先级、链路状态以及交通流密度的链路x选择算法的协议结构示意图。

附图2是本发明的一种基于数据优先级、链路状态以及交通流密度的链路调度算法的具体操作步骤示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

参见图1，介绍了本发明的一种基于数据优先级、链路状态以及交通流密度的链路调度算法的协议结构，即在LLC层中实现了多路并发传输(Multi LLC)，并融合了多种不同类型的MAC层设配，如LTE，IEEE802.11p等等，实现了异构网络融合，利用多种无线接入技术的优势进行互补，克服了单一技术的局限性，同时利用本发明的基于数据优先级、链路状态以及交通流密度的链路调度算法，在保证各类型数据的传输效率的同时，提高了链路资源的利用率，提升了车联网整体的传输性能。

参见图2，结合本发明一种基于数据优先级、链路状态以及交通流密度的链路选择算法的下述各个具体操作步骤：

步骤1，获取数据类型。每当车辆想要发送数据时，数据报文向下传递到达LLC层，缓存在LLC层的待发送数据报文队列。LLC层每次获取待发送数据报文队列的首个报文，根据该数据报文的优先级对数据的类型进行判断，如果该数据报文是WSM，则直接把该数据报文分发到IEEE 802.11p链路上进行传输，分发完成。

步骤2，计算并比较各链路的数据优先级匹配度(Data Priority Match Degree，DPMD)。若传递到LLC层的是传统TCP/IP的数据报文，即非安全数据报文，此时就需要对链路当前的状态进行判断和分析，并结合数据优先级与交通流密度，选择最适合该数据报文的链路进行传输。

链路状态通过两个方面进行分析：RTT与链路负载。

定义1延时占比因子(RTT Factor)用于表示链路某时刻的延时在判断链路的DPMD时所占的权重，用REi(t)表示。其表达式如下

其中，Ri(t)表示链路i在t时刻的RTT，Rimax表示链路i的最大延迟响应容忍时间常数，超出这个时间就认为报文丢失。由定义可知，当Ri(t)≤Rimax时，报文没有发生丢失，REi(t)∈(0,1]；当Ri(t)＞Rimax时，报文丢失，此时将REi(t)取值为1。因此，REi(t)的最终取值范围为(0,1]。

定义2负载占比因子(Load Factor)表示链路某时刻的负载在判断链路的DPMD时所占的权重，用LEi(t)表示。表达式如下

其中，Li(t)表示链路i在t时刻的负载值，Limax表示链路i的最大负载值，超出该值，则表明该链路发送缓冲区已满，出现拥塞情况。根据拥塞定理可知，发送缓冲区使用情况的变化一般分为两个阶段：增长阶段和拥塞阶段。在增长阶段，发送缓冲区的被占用区间一直增加，但并没达到峰值，在这阶段Li(t)＜Limax，0≤LEi(t)＜1；而在拥塞阶段，发送缓冲区已被完全占用，此时Li(t)＝Limax，LEi(t)＝1。因此，LEi(t)的取值范围为[0,1]。

定义3数据报文优先级β用以表示当前数据报文的紧急程度。其表达式如下

其中，ACI∈{0,1,2,3}，表示数据帧的发送优先级，数值越大，优先级越高。ACNum为ACI的种类，在车联网环境中，有四种ACI，所以ACNum＝4，公式的分子和分母加1是为了去0。由定义可知，ACI的取值为0、1、2或3，ACNum取值为4，因此ACI＜ACNum，数据优先级β∈(0,1)。

研究表明，IEEE 802.11p的通信需求随着车辆移动环境的变化而改变，车辆移动环境影响着IEEE 802.11p的协议性能和通信质量。针对以上性质，提出了基于交通流密度的车联网节点通信量估算，用以保证IEEE 802.11p链路的传输性能。某车辆在t时刻与其他车辆的通信量估计值可以由以下公式获得

x(t)＝fPRρ (4)

其中，f为IEEE 802.11p协议广播车辆状态消息的频率，当前车辆网通信协议标准所规定的状态消息广播频率为1Hz-10Hz，频率越高，车辆的安全消息交换会越频繁，车辆移动环境就越安全，因此本文选择f＝10来考虑车辆的通信情况；P为当前网络中，每辆通信车辆所运行安全类应用的平均数量，安全类应用比较通用，所以该数值可以直接从系统获取；R为车辆的通信距离，ρ是当前车辆移动环境的交通流密度，这两个数值皆可以从车联网的相关协议中获得。Rρ即为当前在车辆通信半径范围内存在的车辆数，PRρ为车辆通信半径范围内所有正在运行的安全类应用，因此可以得出x为该通信半径范围内安全类应用的总通信量。

最后，结合以上的各参数，计算各链路的DPMD值，并进行选择。

定义4链路的数据优先级匹配度(DPMD)表示某时刻链路对当前数据报文的合适程度。

其中，si(t)表示链路i在t时刻关于数据报文p的DPMD值，βp是非安全数据报文p的优先级，REi(t)和LEi(t)分别是链路i在t时刻的延时占比因子和负载占比因子，x(t)是该车辆当前的通信量估计值，为了保证安全信息的传输需求，在计算IEEE 802.11p链路的DPMD值时，需要在负载占比因子的分母部分减去当前车辆通信量的估计值，作为车辆安全信息的交互和转发的预留空间，当时，取根据(5)式，计算出所有链路的DPMD值，并选取DPMD值最小的链路，将数据报文p分发到相应的链路进行传输。如果数据报文p分发到非IEEE802.11p链路，则分发完成，算法结束，重新回到步骤1；如果数据报文p分发到IEEE 802.11p链路，则还需要经过步骤3。

步骤3，计算IEEE802.11p链路的非安全数据报文最大分发频率。经过以上两个步骤，若数据报文p被分发到IEEE 802.11p链路，此时需要利用(7)计算IEEE 802.11p链路的非WSM最大分发频率fumax。据车联网通信协议标准的规定，WSM的发送具有周期性，发送频率为1-10Hz。因此，在一个WSM周期内IEEE 802.11p链路所能发送的非WSM数量c为

c＝kT (6)

其中，k是WSM的发送周期，可以通过车联网相关协议获得；T是IEEE802.11p链路的最大吞吐量，可以在IEEE802.11p协议的物理网络接口获得。

在理想状态下，在发送完c大小的非WSM数据报文后，下一个WSM可以不需等待直接发送，不会影响WSM的发送需求。因此，在实际情况下，以MAC层发送缓冲区的剩余空间是否比c大为判断条件，可得IEEE 802.11p链路的非WSM最大分发频率

其中，Lmax是IEEE802.11p链路的发送缓冲区大小，Li(t)是IEEE802.11p链路当前已经使用的发送缓冲区大小。由(7)可知，当IEEE 802.11p链路的非WSM分发频率达到fumax时，WSM和非WSM达到帕累托最优，双方获得最大的传输效益。

然后，利用最新被分发到IEEE 802.11p链路的两个非WSM数据报文，计算此时IEEE 802.11p链路的瞬时分发频率fu

其中，t1和t2是两个非WSM报文分别分发到IEEE 802.11p链路的时刻。

最后，使用fu与fumax进行比较，若fu≤fumax，分发成功，算法结束，重新执行步骤1；若fu＞fumax，分发失败，该报文进入LLC层的待分发队列重新等待分发，算法结束，重新执行步骤1。