一种路侧单元辅助的车联网负载均衡路由方法与流程

本发明涉及车联网通信
技术领域：
，具体涉及一种路侧单元辅助的车联网负载均衡路由方法。
背景技术：
：车联网技术是指借助新一代信息和通信技术，实现车内、车与人、车与车、车与路、车与服务平台的全方位网络连接，提升汽车智能化水平和自动驾驶能力，构建汽车和交通服务新业态，从而提高交通效率，改善汽车驾乘感受，为用户提供智能、舒适、安全、节能、高效的综合服务。路侧单元(roadsideunits，rsu)作为车联网中一种重要的基础设施，不仅是车联网同外部网络连接的物理接口，同时也为远距离、高速度、大容量的v2v(vehicletovehicle)通信提供有线、无线混合的异构网络链路。路由技术是车联网通信中实现可靠多跳传输的关键，基于路侧单元的路由协议可以利用路侧单元组成的有线网络辅助远距离多跳传输，同时路侧单元收集的周边节点信息也可以为路由判决提供依据。目前，车联网中典型的基于路侧单元的路由协议有greedyv2i2v等。greedyv2i2v的路由模式分为三个步骤：(1)消息源车辆节点将数据包经过多跳无线通信转发至距离自身最近的路侧单元入口节点；(2)路侧单元入口节点将数据包转发至距离消息目的车辆节点最近的路侧单元出口节点；(3)路侧单元出口节点将数据包经过多跳无线通信转发至消息目的车辆节点，投递结束。但是，由于车辆节点在道路上分布不均匀，容易在某些路侧单元附近形成高密度的车流，当需要通信的车辆节点集中于某些路侧单元附近，会增大这些路侧单元的通信负荷量，从而增加了数据包在消息等待队列中等待时间过长而导致超时丢包的风险。因此，在车联网环境中结合数据包的剩余生存时间和各个路侧单元的队列使用情况进行有效的负载均衡，使路由协议在车辆节点分布不均，车辆节点密度大的场景下仍能保持较低的端到端时延和较高的投递成功率是亟待需要解决的问题。技术实现要素：本发明的目的是为了解决现有车联网技术中由于车辆节点密度大、分布不均而导致的投递成功率低、端到端时延大的缺陷，提供一种路侧单元辅助的车联网负载均衡路由方法。本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：一种路侧单元辅助的车联网负载均衡路由方法，所述的车联网负载均衡路由方法包括以下步骤：s1、车辆节点以地理贪婪转发策略将数据包转发至rsu网络入口附近的车辆节点，该车辆节点向rsu节点发送请求rsu网络服务探针包；s2、rsu节点上传探针包至中心服务器，中心服务器根据探针包的信息预估该数据包通过rsu网络所需的时间timethrough，对比该数据包的剩余生存时间timerest，执行负载均衡策略，确定适合的rsu网络入口和出口，具体过程如下：s21、中心服务器计算该数据包在rsui的消息队列中等待服务的时间timewait(i)，计算公式如下：其中，i为数据包进入rsu网络的入口节点的编号，load(i)为rsui的消息队列负载量，throughput(i)为rsui的消息队列平均吞吐速率；s22、中心服务器计算经过timewait(i)的时间后，rsuj的消息队列预计负载量futureload(j)，计算公式如下：其中，j为数据包离开rsu网络的出口节点的编号，load(j)为rsuj的消息队列负载量，throughput(j)为rsuj的消息队列平均吞吐速率，sendload(k,j)表示在timewait(i)的时间内rsuk预计会发送到rsuj的数据量；s23、中心服务器预估该数据包以rsui为入口，rsuj为出口，通过rsu网络所需的时间timethrough(i,j)，计算公式如下：s24、中心服务器检查timethrough(i,j)和该数据包剩余生存时间timerest是否满足预估通过时延约束：timethrough(i,j)≤α×timerest其中，0＜α≤1；若满足，则中心服务器将适合的rsu入口节点编号i告知车辆节点；否则，中心服务器从方案集合φ中删除入口为i且出口为j的方案φ(i,j)，并从剩余的方案集合中选取另一组φ(i,j)，使其满足：其中，s为当前携带消息的车辆节点的编号，d为该消息的目的车辆节点的编号，并重复步骤s21至s24直至φ(i,j)满足约束timethrough(i,j)≤α×timerest；s3、车辆节点将数据包经一跳或多跳无线链路转发至中心服务器告知的rsu入口节点rsui，rsui将数据包经有线链路转发至中心服务器告知的rsu出口节点rsuj，rsuj将数据包以地理贪婪转发策略转发至目的车辆节点，投递结束。进一步地，所述的步骤s1中，若区域内不存在rsu，则车辆节点将采用地理贪婪转发策略转发数据包直至数据包到达目的车辆节点。进一步地，所述的中心服务器的类型包括但不限于云计算中心服务器、边缘服务器以及某些rsu节点。进一步地，所述的步骤s2中，数据包的剩余生存时间timerest从数据包的报头字段中获取。进一步地，所述的步骤s21中，rsu节点周期上传包括自身消息队列负载量和消息队列平均吞吐速率在内的信息至中心服务器，中心服务器能够获取各个rsu的消息队列负载量和消息队列平均吞吐速率。进一步地，所述的步骤s22中，中心服务器知悉各个rsu的消息等待队列负荷情况，故由以下表达式计算sendload(k,j)：其中，load(k,j,t)表示在rsuk的消息等待队列中，以rsuj为投递目标且预计等待服务时间为t的数据包大小。本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：1、本发明根据数据包的剩余生存时间结合在rsu消息等待队列中的预估等待时间执行负载均衡，使原本聚集在重负荷rsu的数据包分摊到各个轻负荷rsu，减轻了重负荷rsu的网络压力。2、本发明根据数据包的剩余生存时间结合在rsu消息等待队列中的预估等待时间执行负载均衡，避免数据包在重负荷rsu的消息等待队列中长时间等待而导致超时丢包，从而降低端到端时延，提升投递成功率。附图说明图1是本发明中负载均衡路由方法流程图；图2是本发明中车辆节点与rsu节点通信系统框图；图3是本发明中车辆节点与rsu节点通信流程示意图；图4是本发明中城市环境下车联网场景示意图；图5是本发明实施例与gpsr及v2i2v路由协议的投递率比较示意图；图6是本发明实施例与gpsr及v2i2v路由协议的端到端时延比较示意图；图7是本发明实施例与v2i2v路由协议的各rsu平均吞吐量比较示意图。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例本实施例中，如图4所示，城市公路路口处部署rsu节点，一定范围内的rsu节点以有线连接组成rsu有线网络，并由中心服务器调度数据包的转发。图示中包含4个路口，分别部署rsu1、rsu2、rsu3、rsu4，其中rsu1和rsu2无线覆盖范围内存在较多车辆节点，通信任务重，网络压力大，属于重负荷rsu；而rsu3和rsu4网络压力小，属于轻负荷rsu。图示中车辆节点s为消息源节点，车辆节点d为消息目的节点。结合图1、图2和图3，本实施例公开的一种路侧单元辅助的车联网负载均衡路由方法，包括如下步骤：s1、车辆节点s为数据包包头添加开始时间戳timestart，并向rsu1发送请求rsu网络服务探针包，该探针包所含字段包括：数据包uid、当前节点地理位置信息、目的节点地理位置信息、数据包大小、时延阈值、开始时间戳。s2、rsu1收到请求rsu网络服务探针包，将探针包的信息上传至中心服务器。中心服务器根据探针包的信息预估该数据包通过rsu网络所需的时间timethrough，对比该数据包的剩余生存时间timerest，执行负载均衡策略，确定适合的rsu网络入口和出口。本步骤包括以下子步骤：s21、中心服务器计算该数据包在rsui的消息队列中等待服务的时间timewait(i)：其中，i为数据包进入rsu网络的入口节点的编号，在本实施例中，i＝1；load(i)为rsui的消息队列负载量；throughput(i)为rsui的消息队列平均吞吐速率。s22、中心服务器计算经过timewait(i)的时间后，rsuj的消息队列预计负载量futureload(j)：其中，j为数据包离开rsu网络的出口节点的编号，在本实施例中，j＝2；load(j)为rsuj的消息队列负载量；throughput(j)为rsuj的消息队列平均吞吐速率；sendload(k,j)表示在timewait(i)的时间内rsuk预计会发送到rsuj的数据量。s23、中心服务器预估该数据包通过rsu网络所需的时间timethrough(i,j)：s24、中心服务器检查timethrough(i,j)和该数据包剩余生存时间timerest是否满足预估通过时延约束：timethrough(i,j)≤α×timerest本实施例中，设置α＝0.5。若满足，则中心服务器将适合的rsu入口节点编号i告知车辆节点；否则，中心服务器从方案集合φ中删除入口为i且出口为j的方案φ(i,j)，并从剩余的方案集合中选取另一组φ(i,j)，使其满足：其中，s为当前携带消息的车辆节点的编号，d为该消息的目的车辆节点的编号。并重复步骤s21至s24直至φ(i,j)满足约束条timethrough(i,j)≤α×timerest。在本实施例中，由于rsu1和rsu2为重负荷节点，不能满足预估通过时延约束；经中心服务器重复步骤s2.1至s2.4，最终确定满足预估通过时延约束的rsu网络入口和出口，即rsu3和rsu4，并通过发送回复rsu服务请求包告知消息源节点s。s3、消息源节点s将数据包经多跳无线链路转发至中心服务器告知的rsu网络入口节点rsu3，然后rsu3将数据包经有线链路转发至中心服务器告知的rsu网络出口节点rsu4，rsu4将数据包以地理贪婪转发策略转发至目的车辆节点，端到端投递路径为：s→v1→v2→v3→rsu3→v4→v5→v6→rsu4→d，投递结束。在ns3网络仿真平台上分别对本发明所述方法与车联网中典型的基于路侧单元的路由协议v2i2v进行仿真和比较，仿真参数设置如表1所示，仿真结果为图5所示的投递率对比图、图6所示的端到端时延对比图、图7所示的各rsu平均吞吐量对比图。表1.仿真参数设置表仿真参数值地图大小2450m*3700m仿真时间2000s车辆节点数目[800；1000；1200；1400；1600]个车辆速度10～100km/h传输速率6mbps车辆节点传输范围300m数据包大小[250；500；1000；2000]b数据包生存时间[250；500；1000；2000]ms数据包产生速率16个/s路侧单元数目24路侧单元覆盖范围300m其中，图5所示是随着车辆节点数的变化，本方法较之车联网中经典的路由协议gpsr和v2i2v在投递率上有明显的提升，优化了网络性能。图6所示是随着车辆节点数的变化，本方法较之车联网中经典的路由协议gpsr和v2i2v在端到端时延上有明显的降低，优化了网络性能。图7所示是本方法较之车联网中经典的路由协议v2i2v在各个rsu平均吞吐量上表现得更为均衡，确实均衡了网络中的通信负载。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12