一种基于车载互联网的路由调度方法与流程

本发明涉及通信网络的路由调度领域，具体涉及一种基于车载互联网的路由调度方法。

背景技术：

在排队网络中，背压算法能在保证网络稳定性的前提下使得网络吞吐量最大化，并且能有力地解决整体网络参数条件随时间不断变化的情况。由于近几年来频谱带宽资源的缺乏，背压算法得到了广泛的关注。基于动态的资源配置和路径选择，背压算法能够通过拥塞梯度实现在多跳网络中的传输。但是传统的背压算法很可能导致较大的端到端延迟，尤其是在网络负载比较小的时候这一弊端体现的更加明显。因为在网络负载较小时，背压算法需要搜索很多不必要的路径来保持网络的稳定性。考虑一种极端条件环境：只有一个数据包进入该网络，由于没有已经成型的指向目的节点压力梯度，该数据包会随机地选择路径，在网络中漫步，并且极有可能永远都到达不了目的节点。该算法的另一个缺点是：背压算法完全忽视目的节点信息的特点导致了路径选择具有一定的盲目性，可能会造成路由环路或选择了不必要的长路径等。因而在后续的背压算法的研究过程中，如何保证最大吞吐量和网络稳定性一直以来都是研究的重点。

另一方面，移动自组织网络(MANET，Mobile Ad hoc network)仍然是学术界的研究热点，尤其随着物联网和车联网(VANET，Vehicular Ad hoc network)的发展，移动自组织网络更加引人关注。而路由协议是其中一个重要的研究课题。传统的移动自组织网络路由算法主要可以分为主动式路由和按需路由。主动式路由算法，例如OLSR(Optimized Link State Routing)，需要周期性更新和维护路由表，而在车载网中，由于节点的高度移动性，会造成路由频繁地失效，主动式路由就会频繁地更新路由，路由控制包就会加重网络的负载，降低网络使用效率。而按需路由算法，例如AODV(Ad hoc On-demand Distance Vector Routing)，在没有可用路由时才会启动路由发现的过程，虽然缓解了主动式路由周期性更新带来的开销，但在缺少可用路由时会带来额外的路由发现的延时。背压路由算法有别于传统的主动式路由和按需路由，它是根据邻居节点的积压和距离向量，对转发的每个数据包进行动态决策，因而能够有效适应节点高度移动、拓扑高度动态的网络。

完整的车联网解决方案除了路由算法，还要考虑网络架构，而网络架构应该从具体的应用场景出发。为了满足移动车载数据业务，以及实现对车辆信息和路况信息的收集，车载网络中必须提供接入点。接入点可以采用已有蜂窝网络，因为蜂窝网络是成熟的移动通信方案，有着良好的信号覆盖率、QoS控制以及移动性管理。但是由于4G网络资费昂贵，因此人们转而寻求代价更低的WLAN方案，例如在路边架设WIFI接入点，或者在道路交叉点的交通灯设置WIFI接入点。WLAN方案存在一个问题，就是在城市交通网范围建立这样一个通信网以满足覆盖率，需要较高昂的部署成本。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，为解决传统背压算法在网络负载较小时由于没有足够的拥塞梯度而无法正确发送至目的节点从而造成较大的传输延时甚至循环路径的问题，以及系统由于对目的节点位置的未知造成背压算法搜索，探寻不必要的长路径的问题，提供了一种基于车载互联网的路由调度方法。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

一种基于车载互联网的路由调度方法，所述方法包括以下步骤：

S1、利用在道路旁边部署的通信基础设施作为Internet接入的网关，如果移动车辆节点处于接入点的覆盖范围内，则直接与接入点进行通信，如果移动车辆节点不处于接入点的覆盖范围内，则利用其它移动车辆作为转发节点，以无线多跳的方式与接入点进行通信；

S2、建立队列模型：移动车辆节点网络层按照数据包的目的IP地址，将数据包划分到不同的队列，并计算每个队列的数据包累积数量，即积压，对于移动车辆节点访问互联网的上行数据包，只要路由到任意一个接入点即可，因此将发给接入点的上行数据包归于同一个队列，对于移动车辆节点访问互联网的下行数据包，则按照目的移动车辆节点的IP地址划分到不同的队列；

S3、移动车辆节点的路由协议周期性地广播自己的队列积压信息；

S4、移动车辆节点接收来自邻居移动车辆节点的路由控制包，在邻居表中记录每个邻居移动车辆节点的IP地址、队列积压信息，同时删除过期的邻居条目；

S5、进行路由调度：对移动车辆节点网络层的数据包进行动态的路由决策，基于加权网络吞吐量最大化的原则，选择最优目的移动车辆节点对应的队列进行转发，其中所述最优目的移动车辆节点的计算是根据邻居移动车辆节点的积压以及相对目的移动车辆节点的距离向量，来求出使链路加权积压差最大的邻居移动车辆节点和目的移动车辆节点。

进一步地，在步骤S4邻居表进行更新的过程中，首先移动车辆节点接收来自邻居移动车辆节点的路由控制包，包括邻居移动车辆节点的IP地址和队列积压信息，如果邻居表中已存在该IP地址的条目，则对其队列积压信息进行更新，否则，为该IP地址建立新的条目，并记录下其当前的队列积压信息，同时删除过期的邻居条目。

进一步地，步骤S5中所述的链路加权积压差通过以下公式确定：

其中，L表示链路集合，l_ab∈L表示移动车辆节点a和移动车辆节点b相邻；Q_ab表示链路ab的加权积压差，表示链路ab对应的最优目的移动车辆节点，表示移动车辆节点a的缓冲区中储存的目的移动车辆节点为c且尚未发送的数据包的量，表示移动车辆节点b的缓冲区中储存的目的移动车辆节点为c且尚未发送的数据包的量，移动车辆节点a到目的移动车辆节点为c的地理距离，移动车辆节点b到目的移动车辆节点为c的地理距离，和分别为使从移动车辆节点a出发的所有链路中加权积压差最大的目的移动车辆节点和邻居移动车辆节点，即选择进行路由调度的目的移动车辆节点以及对应的下一跳。

进一步地，在步骤S5的路由调度过程中，每个移动车辆节点的目的移动车辆节点按照链路加权积压差的公式进行计算，在确定计算参数时，对于移动车辆节点访问互联网的上行数据包，只需要路由到任意一个接入点即可，因此在每个移动车辆节点处理上行数据包队列时，选择当前最近接入点的坐标作为计算的目的地址坐标；对于移动车辆节点访问互联网的下行数据包，每个转发节点都是根据链路加权积压差的公式进行计算，下行数据包根据不同的目的IP地址对应不同的队列，各目的移动车辆节点的坐标通过定位系统获得。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明结合实际应用中的定位系统，将位置距离变量与传统的背压算法中节点积压的定义相结合，重新定义了链路上的积压差，引入位置距离的信息，借用位置距离梯度解决了传统背压算法在网络负载较小时由于没有足够的拥塞梯度而无法正确发送至目的节点从而造成较大的传输延时甚至循环路径的问题，也避免了系统由于对目的节点位置的未知造成背压算法搜索，探寻不必要长路径的问题。

2、本发明引入的路由算法有效解决了传统移动自组织网络路由算法的不足，具体体现在背压路由不需要显式的路由计算，不用维护路由表，只需要维护邻居节点表，同时对转发的每个数据包都是根据该时刻邻居节点的积压和距离向量进行动态决策。既缓解了主动式路由的额外开销，又比按需路由更加及时，因而能够有效适应节点高度移动、拓扑高度动态的网络。同时，所述方法基于路边基础设施和无线多跳网络混合的新型车载网络架构，可以降低车载网的建设成本，同时实现较好的移动覆盖率。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于车载互联网的路由调度方法的流程图。

图2为本发明实施例中移动车辆节点及链路示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

本实施例提供了一种基于车载互联网的路由调度方法，所述方法的流程图如图1所示，包括以下步骤：

S1、利用在道路旁边部署的通信基础设施作为Internet接入的网关，如果移动车辆节点处于接入点的覆盖范围内，则直接与接入点进行通信，如果移动车辆节点不处于接入点的覆盖范围内，则利用其它移动车辆作为转发节点，以无线多跳的方式与接入点进行通信；

S2、建立队列模型：移动车辆节点网络层按照数据包的目的IP地址，将数据包划分到不同的队列，并计算每个队列的数据包累积数量，即积压，对于移动车辆节点访问互联网的上行数据包，只要路由到任意一个接入点即可，因此将发给接入点的上行数据包归于同一个队列，对于移动车辆节点访问互联网的下行数据包，则按照目的移动车辆节点的IP地址划分到不同的队列；

S3、移动车辆节点的路由协议周期性地广播自己的队列积压信息；

所述的周期性广播是一种周期性更新网络拓扑信息的机制，具体表现为：在移动无线网络环境下，节点的位置随时在变化，而无线信号传播的范围是有限的，节点的移动可能导致原有通信链路的断裂或者新的链路的形成，节点通过周期性广播来通知其他节点。

S4、移动车辆节点接收来自邻居移动车辆节点的路由控制包，在邻居表中记录每个邻居移动车辆节点的IP地址、队列积压信息，同时删除过期的邻居条目；

S5、进行路由调度：对移动车辆节点网络层的数据包进行动态的路由决策，基于加权网络吞吐量最大化的原则，选择最优目的移动车辆节点对应的队列进行转发，其中所述最优目的移动车辆节点的计算是根据邻居移动车辆节点的积压以及相对目的移动车辆节点的距离向量，来求出使链路加权积压差最大的邻居移动车辆节点和目的移动车辆节点。其中，所述的链路加权积压差通过以下公式确定：

其中，L表示链路集合，l_ab∈L表示移动车辆节点a和移动车辆节点b相邻；Q_ab表示链路ab的加权积压差，表示链路ab对应的最优目的移动车辆节点，表示移动车辆节点a的缓冲区中储存的目的移动车辆节点为c且尚未发送的数据包的量，表示移动车辆节点b的缓冲区中储存的目的移动车辆节点为c且尚未发送的数据包的量，移动车辆节点a到目的移动车辆节点为c的地理距离，移动车辆节点b到目的移动车辆节点为c的地理距离，和分别为使从移动车辆节点a出发的所有链路中加权积压差最大的目的移动车辆节点和邻居移动车辆节点，即选择进行路由调度的目的移动车辆节点以及对应的下一跳。

具体地，以图2所示的移动车辆节点及链路为例，网络结构中共包括4个移动车辆节点，4个移动车辆节点通过无线信道通信：其中移动车辆节点A、B、C互为邻居，B、C、D互为邻居，且D是路边固定基础设施，通过有线信道接入核心网。现在假设A发送数据包到D。各移动车辆节点的队列积压和到目的移动车辆节点的地理距离如下：

节点A：队列积压U_a＝30，到目的节点的距离D_a＝300；

节点B：队列积压U_b＝10，到目的节点的距离D_b＝150；

节点C：队列积压U_c＝4，到目的节点的距离D_c＝150；

节点D：队列积压U_d＝0；

节点A为转发数据包时，选择下一跳节点的步骤如下：

1)、计算移动车辆节点A和各邻居移动车辆节点(图2中的B、C)之间的加权链路积压差，得到：Q_ab＝25，Q_ac＝28；

2)选择和移动车辆节点A积压差最大的移动车辆节点C作为转发数据包的下一跳。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。