一种基于类哈夫曼编码的紧急消息广播方法与流程

本发明涉及一种基于类哈夫曼编码的紧急消息广播方法，属于车联网中紧急消息广播领域的核心技术。

背景技术：

城市的快速发展在为人们带来生活便利的同时也为城市交通带来了新的挑战，尤其是在交通安全保障方面。紧急消息广播作为及时告警城市交通事故，降低突发事故危害的手段，成为了当前城市交通问题的主要关注点之一。

城市道路中，车辆的快速移动带来了车联网网络拓扑的快速变化，而紧急消息的广播却需要达成高可靠性和低时延等服务质量要求。由于无线传输距离的限制，为了覆盖足够的范围，紧急消息往往需要通过多跳广播才能够完全覆盖目标区域，因此快速选择合适的中继节点就成为了研究的焦点。

现有的紧急消息广播方法依照中继选择策略的不同主要可以分为三大类：(1)基于概率的紧急消息广播方法。(2)基于距离-等待时间的紧急消息广播方法。(3)基于Black-burst迭代分区的紧急消息广播方法。基于概率的广播方法一定程度上减少了消息冗余和冲突，但是难以在高度动态的交通环境下确定一个合适的转发概率。基于距离-等待时间的广播方法的性能极大地受到中继节点位置的影响，例如在车流稀疏情况下，中继节点可能非常靠近转发车辆，其会等待一段较长的时间才开始转发紧急消息。基于Black-burst的方法是利用Black-burst干扰帧进行通信范围内区域快速划分的广播方法，能够在单个时隙内确定一片区域是否存在候选车辆，进而可以在极短时间内以指数倍数缩小候选区域的范围，极大的减少消息冗余，提高无线信道资源利用率。

Black-burst帧是一种每一位编码都为高位的干扰帧。通过发送Black-burst帧，保证即使在与其他广播信号发生冲突时Black-burst帧仍然能够被侦测到，因此更适用于紧急消息的广播。然而现有采用Black-burst帧的广播方法一般依靠相对固定的策略来使用Black-burst帧，而对不同交通环境下的车辆密度缺乏针对性研究，难以最优化其利用效率。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于类哈夫曼编码的紧急消息广播方法。

本发明的技术方案为一种基于类哈夫曼编码的紧急消息广播方法，包括如下步骤：

步骤1，建立道路与通信模型，车辆与车辆使用无线信道进行通信，R表示车辆间通信范围；将道路划分为长度为L连续的段落，每一个段落称为一个槽位；广播发起车辆A在发起广播时，只有距离A小于R的车辆才能成为候选车辆，并参与紧急消息的转发；

步骤2，源节点等待mini-DIFS的信道空闲时间后，发送携带自身位置和车辆密度信息的RTB报文，声明紧急消息广播开始；

步骤3，候选车辆收到RTB报文后，在下一个GPS同步时间，同时发送Black-burst帧，表明当前通信范围内存在候选车辆；

步骤4，候选车辆计算出最优候选车辆位于道路各槽位的概率，并根据概率值利用类哈夫曼编码算法对各槽位进行编码；

步骤5，候选车辆根据自身所处槽位的编号，执行Black-burst帧分区过程，依据编码结果依次监听和发送Black-burst帧，确定出最优候选车辆所在分区；

步骤6，最优候选车辆所在分区内的车辆开始进行基于竞争窗口的冲突避免操作，直至选中唯一转发车辆将紧急消息进行转发，结束流程。

而且，步骤4中，在已知道路车辆平均密度ρ的情况下，最优候选车辆分布概率计算如下，

假定道路包含M车道，源节点通信半径R能够划分出N个长度为L槽位，则最优候选车辆位于道路第n个槽位需要同时满足两个条件，

(1)所有车道m∈[1,M]中比第n个槽位更远的槽位slot∈(n,N)均没有车辆；

(2)车道m∈[1,M]中，至少有一个车道的第n个槽位slot＝n存在车辆；

车辆分布概率用P表示，则车道m第n个槽位slot＝(m,n)中存在车辆的概率P|_slot＝(m,n)彼此独立且等于p_slot＝1-e^-ρ·L，条件1和条件2发生的概率和P|_slot＝(m,n)计算如下，

P|_slot＝(m,n)＝p_slot

而条件1和条件2互为独立事件，最优候选车辆位于槽位slot＝(m,n)的概率计算如下，

而且，步骤4中，在已知通信范围内车辆数目N_car的情况下，最优候选车辆分布概率计算如下，

受车辆长度和vLen和安全距离minGap的限制，车辆之间的最小间隔L_min为L_min＝vLen+minGap，将通信半径R划分为N个长度为L_min的槽位，则车辆在道路中的分布转换为槽位占用组合问题；

当前条件下，存在的所有组合数目C_all等价于所有槽位slot＝(m,n),m∈[1,M]n∈[1,N]中选取N_car个槽位有车，计算如下，

条件1和条件2同时满足的组合情况为第n个槽位slot＝n中至少有一辆车，而其他车辆分布于槽位slot<n中；

组合数目C_nfar＝n计算如下，

其中，表示第n个槽位有i辆车的情况下车辆分布在M个车道的组合数，而则表示剩下的N_car-i辆车分布在M个车道槽位slot<n的组合数；

已知通信范围内车辆数目情况下，最优候选车辆位于槽位slot＝n的概率计算如下，

而且，步骤4中类哈夫曼编码算法流程为，

首先按照槽位位置索引，使用各槽位最优车辆出现概率构造槽位节点列表Slots，Slots由Slot[1]，Slot[2]，…Slot[n]组成，其中Slot[n]表示最优候选车辆分布在第n个槽位的概率；然后，由远至近依次遍历所有相邻槽位，找出概率和最小的两个相邻槽位，设记为Slot[i]和Slot[j]；找到Slot[i]和Slot[j]之后，以Slot[i]+Slot[j]为概率构造新节点，设记为Slot[k]，并将Slot[i]和Slot[j]分别设置为Slot[k]节点的左右子节点；最后使用Slot[k]代替节点列表Slots中的Slot[i]和Slot[j]；

循环进行以上过程直至槽位节点列表Slots中只有一个节点为止，该节点记为Root；之后通过遍历Root为根节点的二叉树，获得每个槽位对应的编码结果。

而且，步骤5中，Black‐burst分区过程开始的第一轮，第1位编码为1的节点首先发送Black‐burst帧，而第一位编码为0的节点则仅进行监听，如果第一轮存在编码为1的节点，则编码为0的节点退出竞争；分区第一轮完成后，没有退出竞争的节点按照所处槽位的第2位编码继续进行第二轮竞争，直至编码结束选出对应编码的槽位为止，此时Black‐burst分区结束，确定出最优候选车辆所在分区。

本发明的有益效果是：一种基于类哈夫曼编码的紧急消息广播方法，通过分析最优候选车辆出现在不同位置的概率分布，并以此为依据，利用哈夫曼编码的原理，提出了一种快速确定最优转发车辆所在分区的方法，并基于这种方法设计了一种采用类哈夫曼编码的紧急消息广播方法。该方法能够降低紧急消息广播延迟，提高紧急消息传播速度。

附图说明

图1为本发明实施例的城市道路模型示意图。

图2为本发明实施例的类哈夫曼编码算法流程图。

图3为本发明实施例的类哈夫曼广播方法整体步骤图。

具体实施方式

本发明研究发现，基于Black-burst迭代分区的紧急消息广播方法能够最大程度减少广播风暴，并且可以选择尽可能远的中继节点，有利于紧急消息的快速广播。然而现有采用Black-burst帧的广播方法一般依靠相对固定的策略来使用Black-burst帧，而对不同交通环境下的车辆密度缺乏针对性研究，难以最优化其利用效率。本发明据此提供了新的基于Black-burst的紧急消息广播方法，首先对最优候选车辆出现位置进行详细归纳和推导，分析两种情况下最优候选车辆出现在不同位置的概率分布，并以此为依据，利用基于Black-burst帧的类哈夫曼编码算法进行快速分区，确定最优候选车辆所在区域，然后在该区域内进行基于竞争窗口的冲突避免操作，选中唯一转发车辆进行紧急消息的转发。该方法依据当前道路的车辆密度，动态的决定每一轮Black-burst分区过程的分区比例，达到最优化分区性能的目的。

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

本发明实施例的流程如下：

如图1所示，步骤1：建立道路与通信模型。城市道路由双向4车道构成，L0、L1表示向左行驶的两条车道，而R0、R1则表示向右行驶的两条车道。将道路划分为长度为L的连续段落，每一个段落称为一个槽位(S0～S17)，空槽位表示该槽位没有车辆。A为广播车辆，是紧急消息的发起车辆。车辆与车辆使用无线信道进行通信，R表示车辆间通信范围，距离A小于R的车辆为候选中继车辆。

如图3示，步骤2：源节点等待最小分布式帧间间隙(mini‐DIFS)的信道空闲时间后，发送携带自身位置和车辆密度信息的RTB(request to broadcast)报文，声明紧急消息广播开始。转步骤3。

如图3示，步骤3：候选车辆收到RTB报文后，在下一个GPS同步时间，同时发送Black-burst帧，表明当前通信范围内存在候选车辆。转步骤4。

步骤4：候选车辆计算出最优候选车辆位于道路各槽位的概率，并根据概率值利用类哈夫曼编码算法对各槽位进行编码。其中，最优候选车辆分布概率分两种情况进行计算：①已知道路车辆平均密度；②已知通信范围内车辆数目。道路车辆平均密度可以通过道路监测手段获取，而使用基于Beacon消息的邻居节点感知方法，则能够获得通信半径内具体的车辆数目。

已知道路车辆平均密度ρ情况下，车辆在道路中的分布服从泊松分布。假定道路包含M车道，源节点通信半径R能够划分出N个长度为L槽位。则最优候选车辆位于道路第n个槽位(即slot＝n)需要同时满足两个条件：

(1)所有车道m∈[1,M]中比第n个槽位更远的槽位slot∈(n,N)均没有车辆；

(2)车道m∈[1,M]中，至少有一个车道的第n个槽位slot＝n存在车辆。

车辆分布概率用P表示，则车道m第n个槽位slot＝(m,n)中存在车辆的概率P|_slot＝(m,n)彼此独立且等于p_slot＝1-e^-ρ·L。条件1和条件2发生的概率和P|_slot＝(m,n)分别可由公式(1)和公式(2)计算。

P|_slot＝(m,n)＝p_slot (2)

而条件1和条件2互为独立事件，因此最优候选车辆位于槽位slot＝(m,n)的概率可以通过公式(3)计算。

已知通信范围内车辆数目N_car的情况下，受车辆长度和vLen和安全距离minGap的限制，车辆之间的最小间隔L_min为L_min＝vLen+minGap。将通信半径R划分为N个长度为L_min的槽位，则车辆在道路中的分布可以转换为槽位占用组合问题。当前条件下，存在的所有组合数目C_all等价于所有槽位slot＝(m,n),m∈[1,M]n∈[1,N]中选取N_car个槽位有车，可用公式(4)计算。

条件1和条件2同时满足的组合情况为第n个槽位slot＝n中至少有一辆车，而其他车辆分布于槽位slot<n中。其组合数目C_nfar＝n可以使用公式(5)计算。其中表示第n个槽位有i辆车的情况下车辆分布在M个车道的组合数，而则表示剩下的N_car-i辆车分布在M个车道槽位slot<n的组合数。

因此，已知通信范围内车辆数目情况下，最优候选车辆位于槽位slot＝n的概率可以通过公式(6)计算。

本发明提出一种类哈夫曼编码算法。如图2所示，计算出最优候选车辆分布在各槽位的概率后，利用类哈夫曼编码算法计算各槽位的编码过程为：首先按照槽位位置索引，使用各槽位最优车辆出现概率构造槽位节点列表Slots，Slots由Slot[1]，Slot[2]，…Slot[n]组成，其中Slot[n]表示最优候选车辆分布在第n个槽位的概率。然后，由远至近依次遍历所有相邻槽位，找出概率和最小的两个相邻槽位，设记为Slot[i]和Slot[j]。找到Slot[i]和Slot[j]之后，算法以Slot[i]+Slot[j]为概率(即Slot[i]和Slot[j]的概率和)构造新节点，设记为Slot[k]，并将Slot[i]和Slot[j]分别设置为Slot[k]节点的左右子节点。最后使用Slot[k]代替节点列表Slots中的Slot[i]和Slot[j]。循环进行该过程直至槽位节点列表Slots中只有一个节点(记作Root)为止。之后通过遍历Root为根节点的二叉树即可获得每个槽位对应的编码结果。

步骤5：候选车辆根据自身所处槽位的编号，执行Black-burst帧分区过程，依据编码结果依次监听和发送Black‐burst帧，确定出最优候选车辆所在分区。具体实施过程为：Black‐burst分区过程开始的第一轮，第1位编码为1的节点首先发送Black‐burst帧，而第一位编码为0的节点则仅进行监听。如果第一轮存在编码为1的节点，则编码为0的节点退出竞争。分区第一轮完成后，没有退出竞争的节点按照所处槽位的第2位编码继续进行第二轮竞争，直至编码结束选出对应编码的槽位为止，此时Black‐burst分区结束，确定出最优候选车辆所在分区。

如图3所示，步骤6：最优候选车辆所在分区内的车辆开始进行基于竞争窗口的冲突避免操作，直至选中唯一转发车辆将紧急消息进行转发，结束流程。具体实施过程为：设置最大竞争窗口为1，最优候选车辆所在分区内的车辆在Black‐burst分区完成后立即发送CTB(clear to broadcast)报文。当第一轮退避过程侦测到冲突，证明同一分区范围内存在其他车辆时，则在进行下一轮竞争时将竞争窗口值增大一倍，继续进行退避过程，直到没有冲突完成中继节点选择。中继节点等待短帧间间隔(SIFS)后转发紧急消息数据(Data)。

具体实施时，以上流程可以采用计算机软件技术实现自动运行。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。