一种车联网环境下协作数据传输方法与流程

1.本发明属于车联网通信技术领域，涉及一种车联网环境下协作数据传输方法。


背景技术：

2.智能网联汽车作为智能交通系统(intelligent traffic system，its)不可缺少的重要组成部分，通过配备无线通信设备，即车载单元(on board unit，obu)，可以完成交互通信、感应以及计算。同时将交通工具及路边设施通过v2v(vehicle to vehicle)、v2i(vehicle to infrastructure)等通信技术有机结合，将会大大改善出行安全性和效率。
3.网络中的车辆和路侧单元等资源节点，具有很好的数据文件存储和应用数据计算等能力，并且路侧单元相对于车辆节点，具有更广阔的通信范围和更大的通信带宽，可同时容纳覆盖范围内的多个资源节点接入其中，进行信息数据的下载。这些信息数据不仅包括天气或地图等应用信息，也有道路交通状况或警报等安全信息。但是，由于高速公路上rsu部署成本问题，再加上车辆的高移动性，rsu通信范围有限，很难为所有车辆节点提供无缝覆盖，对于过大的数据就会发生传输中断的情况。
4.对此，合理的协作数据传输机制对于提升数据传输量，改善用户体验十分重要。该机制可以利用网络中双向车辆和rsu等资源节点的传输能力，使其协作为目标车辆传输数据，进一步地，考虑了影响数据传输的因素如节点间竞争传输等，使得车辆行驶在盲区时能持续进行数据传输，减少了盲区数据传输中断的影响。
5.目前多数研究关注于吞吐量和时延，典型的比如车辆存储
‑
携带
‑
转发(cscf)机制，通过选取同向及反向车辆进行辅助目标车辆的数据传输，但是同向和反向作者只选取了两个中继辅助接点，没有充分利用v2v通信资源。以及基于车辆移动性预测和节点间吞吐量估计，所构造的存储时间聚合图(stag)计划传输方案，为了满足在车载网络中需要高吞吐量和低延迟的服务和应用，提出了一种在同类车辆网络中的v2v、v2i协作下载机制，并设计一个迭代贪婪驱动算法以导出次优解决方案从而以近似最佳的方式分发给车辆。然而，上述协助数据传输机制忽略了对于双向节点资源的充分利用，接入网络的稳定性，以及数据转发过程中车辆之间的数据流动问题。并且，当前协助下载大致根据应用场景分为高速公路场景和城市道路场景。城市道路结构复杂，车辆行驶速度不一，轨迹多变，车流密度大，这种情况下研究一般围绕车辆行驶轨迹和路设单元rsu的部署展开。而高速环境中，rsu部署稀疏，车辆行驶速度较为稳定，车流密度不大，车辆轨迹易预测，因此该场景中的协助下载主要研究如何提升相邻rsu之间的盲区利用率以及协助车辆的选择。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的目的在于针对车联网中盲区下载数据量受限的问题，从而增加盲区数据传输量，减少数据传输中断的影响，提升用户体验，提供一种车联网环境下协作数据传输方法。
7.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种车联网环境下协作数据传输方法，包括以下步骤：
9.s1：形成协助下载车辆集群；
10.s2：车辆向rsu注册自身信息；
11.s3：目标车辆向rsu发送下载请求并从中下载数据；
12.s4：下一个rsu协调并选定反向协助车辆，进行数据下载；
13.s5：反向车辆转发下载数据；
14.s6：目标车辆接收数据，重复步骤s1。
15.进一步，步骤s1中，目标车辆进入第i个路侧单元rsu
i
之前，发送广播协助请求，形成协助下载车辆集群。
16.进一步，步骤s2中，车辆进入到rsu覆盖范围内时向rsu注册自身信息，包括id、车速以及进入该rsu的时间。
17.进一步，步骤s3具体包括：
18.s31：目标车辆和同向协助车辆进入rsu
i
，向rsu
i
发送下载请求，并从中下载部分数据，集群内部车辆数目由如下公式(1)计算：
[0019][0020]
其中p
d
是车辆成为集群内部最后一辆车的概率，ρ
s
为目标车辆行驶方向车流密度，车辆通信半径为r
v
；
[0021]
s32：在rsu中停留时间t内平均每个车辆接收到的数据量计算如下：
[0022][0023]
其中与目标车辆同向车辆车速为v
s
，λ
s
＝ρ
s
v
s
为泊松分布中车辆到达率，c表示rsu覆盖范围所能容纳的最大车辆数，r
i
为rsu覆盖半径，f(0)和f(c)即为系统空闲和阻塞的概率，由下式计算得出：
[0024][0025]
数据传输速率b
i
与所处区域相关，车辆在区域c
i
对应的停留时间为其中l
i
为区域c
i
的长度，是车辆在rsu内停留的总时间，目标车辆获得的同向协助下载数据量表示为：
[0026][0027]
进一步，步骤s4中，目标车辆离开rsu
i
，rsu
i
将剩余文件数据传输给下一个路侧单元rsu
i+1
，rsu
i+1
协调并选定反向协助车辆，并从自身下载数据。
[0028]
进一步，步骤s5具体包括：
[0029]
同向集群中协助车辆竞争性地转发自身携带的下载数据给目标车辆，其中，同向协助车辆的转发时间表示为：
[0030]
[0031]
γ
i,j
为集群内除目标车辆外任意两节点传输的吞吐量，即每次传输中单个节点发送的有效载荷量，表示为：
[0032][0033]
其中p
suc
为某一车辆节点在某一时隙内成功传输的概率，l为有效负载即数据包长度，e[t
slot
]为一个时隙的平均长度；同向协助方式获得的吞吐量为：
[0034][0035]
进一步，步骤s6具体包括：
[0036]
同向转发完成之后，目标车辆逐个接收与之相遇的反向协助车辆携带的数据；对于反向协助车辆最先与目标车辆通信发生在同向协助车辆给目标车辆转发完毕之后；转发反向协助车辆下载总数据量为：
[0037][0038]
其中，n
rev
为反向协助车辆数，为单个反向车辆节点下载的数据量，表示为：
[0039][0040]
其中，v
r
为反向车辆行驶速度，b
v
为车辆之间的数据传输速率，为两车相会用于通信的时间，根据交互通信的数据转发量和时间指导rsu
i+1
用于协调反向协助车辆，主要体现在分发给单个反向车辆的数据量和反向车辆的选择；
[0041]
当rsu
i+1
收到rsu
i
发来的数据即收到协助下载请求时，计算其list列表中每辆车与目标车辆的相遇时间等信息，并存入集合m＝＜(id
n
,v
n
,t
n
,s
n
,e
n
,t
n
)＞中，其中，id
n
即第n辆车的id，t
n
即为进入该rsu的时间，s
n
、e
n
分别表示反向第n辆车与目标车辆开始通信与结束通信的时间，t
n
表示第n辆车在rsu
i+1
中被选为协助车辆的时间，根据注册表中的车辆信息，得出：
[0042][0043][0044]
其中u即rsu之间覆盖盲区的距离，t
s
是目标车辆进入rsu
i
的时间。为避免数据转发失败，协助车辆节点在前一节点转发完成之后进行，对于反向协助车辆i和其后车辆j有：
[0045]
t
i
+e
i
≤t
j
+s
j
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0046]
所以对于反向协助车辆最先与目标车辆通信应该发生在同向协助车辆给目标车辆转发完毕之后，所以满足：
[0047][0048]
并且对于反向协助的最后一个车辆节点应该在目标车辆驶入rsu
i+1
之前就转发数据结束，因为目标车辆一旦进入rsu
i+1
的覆盖范围则可以从rsu
i+1
直接下载未完成的数据量，享受更大带宽，所以得出：
[0049][0050]
对于rsu
i+1
选择的反向协助车辆数n
rev
，通过式(8)得出反向协助车辆下载总数据量d
rev
，反向协助方式下获取的吞吐量为：
[0051][0052]
综上，目标车辆获得的总体吞吐量为：
[0053][0054]
本发明的有益效果在于：本发明使得目标车辆在未覆盖rsu的盲区内仍能获取所需文件数据，提升了目标车辆下载数据量，增大了数据传输吞吐量，减少了盲区内数据传输中断的影响，提高了盲区利用率，改善了高速公路车辆接入网络的中断问题。
[0055]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0056]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0057]
图1为本发明的实际应用场景；
[0058]
图2为本发明的流程图。
具体实施方式
[0059]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0060]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0061]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术
人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0062]
本发明总体方案是：当目标车辆进入rsu覆盖范围时，通过竞争接入的方式，与rsu进行v2i通信从而获得所需文件的部分数据，若在目标车辆驶出rsu覆盖范围时还未完成文件下载，则通过同向协助车辆进行v2v通信进行辅助下载，其中协助车辆为经过rsu时为目标车辆下载部分数据，并且愿意为目标车辆提供帮助的一个集群，在经过盲区时将所下载数据竞争性地转发给目标车辆。同时，由目标车辆行驶方向的下一个rsu选定反向协助车辆，并下载部分数据，在盲区与目标车辆相遇时通过转发的方式传输给目标车辆。如此，将进一步增加目标车辆下载数据量。
[0063]
本文系统模型考虑双向高速道路，如图1所示，路设单元rsu部署在路侧，并具有相同间隔d，两rsu之间盲区距离为u。并且rsu可以通过无线或者有线连接到核心网。每个车辆进入到rsu覆盖范围内时将向rsu注册自身信息，包括id、车速以及进入该rsu的时间。
[0064]
如图2所示，一种车联网环境下协作数据传输方法
[0065]
1)目标车辆进入第i个路侧单元rsu
i
之前，发送广播协助请求，形成协助下载车辆集群；
[0066]
2)车辆进入到rsu覆盖范围内时向rsu注册自身信息，包括id、车速以及进入该rsu的时间；
[0067]
3)目标车辆和同向协助车辆进入rsu
i
，向rsu
i
发送下载请求，并从中下载部分数据；
[0068]
4)目标车辆离开rsu
i
，则rsu
i
将剩余文件数据传输给下一个路侧单元rsu
i+1
，rsu
i+1
协调并选定反向协助车辆，从自身下载数据；
[0069]
5)同向集群中协助车辆竞争性地转发自身携带的下载数据给目标车辆；
[0070]
6)同向转发完成之后，目标车辆接收与之相遇的反向协助车辆携带的数据；
[0071]
7)目标车辆离开rsu覆盖盲区，一个协作下载周期完成，重复步骤1。
[0072]
以下举例说明本实施例：
[0073]
第一步：目标车辆进入rsu
i
之前，发送广播协助请求，形成协助下载车辆集群。
[0074]
第二步：车辆进入到rsu覆盖范围内时向rsu注册自身信息，包括id、车速以及进入该rsu的时间。
[0075]
第三步：目标车辆和同向协助车辆进入rsu
i
，向rsu
i
发送下载请求，并从中下载部分数据，集群内部车辆数目由如下公式(1)计算：
[0076][0077]
其中p
d
是车辆成为集群内部最后一辆车的概率，ρ
s
为目标车辆行驶方向车流密度，与目标车辆同向车辆车速为v
s
，车辆通信半径为r
v
；
[0078]
在rsu中停留时间t内平均每个车辆接收到的数据量计算如下：
[0079][0080]
其中与目标车辆同向车辆车速为v
s
，λ
s
＝ρ
s
v
s
为泊松分布中车辆到达率，c表示rsu覆盖范围所能容纳的最大车辆数，r
i
为rsu覆盖半径，f(0)和f(c)即为系统空闲和阻塞的概率，由下式计算得出：
[0081][0082]
数据传输速率b
i
与所处区域相关，车辆在区域c
i
对应的停留时间为其中l
i
为区域c
i
的长度，是车辆在rsu内停留的总时间，目标车辆获得的同向协助下载数据量表示为：
[0083][0084]
第四步：目标车辆离开rsu
i
，rsu
i
将剩余文件数据传输给rsu
i+1
，rsu
i+1
协调并选定反向协助车辆，并从自身下载数据。
[0085]
第五步：同向集群中协助车辆竞争性地转发自身携带的下载数据给目标车辆，其中，同向协助车辆的转发时间表示为：
[0086][0087]
γ
i,j
为集群内除目标车辆外任意两节点传输的吞吐量，即每次传输中单个节点发送的有效载荷量，表示为：
[0088][0089]
其中p
suc
为某一车辆节点在某一时隙内成功传输的概率，l为有效负载即数据包长度，e[t
slot
]为一个时隙的平均长度；同向协助方式获得的吞吐量为：
[0090][0091]
第六步：同向转发完成之后，目标车辆逐个接收与之相遇的反向协助车辆携带的数据；对于反向协助车辆最先与目标车辆通信发生在同向协助车辆给目标车辆转发完毕之后；转发反向协助车辆下载总数据量为：
[0092][0093]
其中，n
rev
为反向协助车辆数，为单个反向车辆节点下载的数据量，表示为：
[0094][0095]
其中，v
r
为反向车辆行驶速度，b
v
为车辆之间的数据传输速率，为两车相会用于通信的时间，根据交互通信的数据转发量和时间指导rsu
i+1
用于协调反向协助车辆，主要体现在分发给单个反向车辆的数据量和反向车辆的选择；
[0096]
当rsu
i+1
收到rsu
i
发来的数据即收到协助下载请求时，计算其list列表中每辆车与目标车辆的相遇时间等信息，并存入集合m＝＜(id
n
,v
n
,t
n
,s
n
,e
n
,t
n
)＞中，其中，id
n
即第n辆车的id，t
n
即为进入该rsu的时间，s
n
、e
n
分别表示反向第n辆车与目标车辆开始通信与结束通信的时间，t
n
表示第n辆车在rsu
i+1
中被选为协助车辆的时间，根据注册表中的车辆信息，得出：
[0097][0098][0099]
其中u即rsu之间覆盖盲区的距离，t
s
是目标车辆进入rsu
i
的时间。为避免数据转发失败，协助车辆节点在前一节点转发完成之后进行，所以对于反向协助车辆i和其后车辆j有：
[0100]
t
i
+e
i
≤t
j
+s
j
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0101]
而对于反向协助车辆最先与目标车辆通信应该发生在同向协助车辆给目标车辆转发完毕之后，所以应满足：
[0102][0103]
并且对于反向协助的最后一个车辆节点应该在目标车辆驶入rsu
i+1
之前就转发数据结束，因为目标车辆一旦进入rsu
i+1
的覆盖范围则可以从rsu
i+1
直接下载未完成的数据量，享受更大带宽，所以得出：
[0104][0105]
对于rsu
i+1
选择的反向协助车辆数n
rev
，通过式(8)得出反向协助车辆下载总数据量d
rev
，反向协助方式下获取的吞吐量为：
[0106][0107]
综上，目标车辆获得的总体吞吐量为：
[0108][0109]
第七步：目标车辆离开rsu覆盖盲区，一个协作下载周期完成，重复步骤s1。
[0110]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。