一种基于消息类型和网络连通状态的车联网多跳广播方法

1.本发明属于车联网的通信领域，涉及在各种车辆通信网络下不同类型的紧急消息的广播策略，具体涉及一种基于消息类型和网络连通状态的车联网多跳广播方法。


背景技术：

2.根据一些统计结果显示，国内车辆的保有数一直呈增长的趋势，这使得因为车辆扩张所带来的道路安全的问题也变得日趋显著。很多事故问题，是因为驾驶员对周围发发生的危险没有预先的警觉，无法提前采取行动所导致的二次伤害。而目前的交通通信系统，不足以支撑起对现有的复杂交通环境的快速预警，这就使得车辆之间的相互通信，相互预警变得十分的必要。车联网是实现车辆互通，车辆与本地通信互通的核心技术。紧急消息的快速广播则是车联网中预防事故发生和减缓事故后果的关键。
3.不同类型的消息的紧急程度是不一样的，因此不同类型的消息对传播性能的要求是不一样。紧急程度高的消息，例如车祸，道路塌方等则对时延的要求高，反之对于紧急程度低的，例如交通管制，道路堵塞等则对时延的要求低，但是对覆盖范围和传输速度有更高的要求。因此对不同类型的紧急消息针对其要求的不同应该采用不同的策略。
4.考虑到车联网复杂的道路结构和车辆高移动性，这使得车辆的通信环境不像传统物联网一样具有可靠的传输信道和稳定的拓扑结构。因此在考虑紧急消息传播的时候，不但要考虑到连接网络下紧急消息传播的高效和低时延，更要考虑到断续网络下，紧急消息传播可能丢失的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于消息类型和网络连通状态的车联网多跳广播方法，实现各种网络连通状态下的不同紧急类型消息的广播，保证消息传输的可达性、低时延、高效。
6.本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
7.一种基于消息类型和网络连通状态的车联网多跳广播方法，所述车联网多跳广播方法包括以下步骤：
8.s1、检测到紧急事件的源车辆，根据紧急事件的严重程度，确定待广播的紧急消息类型，所述紧急消息类型包括时延敏感信息和非时延敏感信息；
9.s2、根据一跳邻居信息表和重传次数，当前中继车辆确定网络连通状态；
10.s3、根据网络连通状态和紧急消息类型，当前中继车辆确定中继策略，更新控制消息并以确定的中继策略广播紧急消息；
11.s4、根据控制消息，候选中继车辆设置相应等待时间或采取责任转交机制；
12.s5、最先广播的候选中继车辆升级为当前中继车辆，并重复上述s2-s4步骤，直至紧急消息传输到目标区域。
13.进一步地，所述步骤s1中，若源车辆检测到的紧急事件具有不可避免且破坏性高
的属性，则判定紧急消息为时延敏感消息，否则为非时延敏感消息；紧急事件的不可避免性指接收到该紧急消息的车辆是否都受到影响，紧急消息的高破坏性置指该紧急消息是否会造成人员伤亡或重大破坏；当传输时延敏感的消息时，中继策略会更加注重减少传输时延和传输成功率，反之更加注重提高传输效率和减少开销；本发明可根据紧急消息类型自适应调整中继策略，满足不同紧急消息的需求，适用与多样的场景；
14.进一步地，所述步骤s2中一跳邻居信息表建立过程为：
15.车辆定期广播基本安全消息，所述基本安全消息的内容包括：车辆id、车辆位置、车辆速度、前向最远邻居id、后向最远邻居id；车辆通过收集传输范围内其他车辆广播的基本安全消息，建立一跳邻居信息表；车辆可以通过一跳邻居信息表获取道路拓扑结构和网络连通状态，为多跳广播传输紧急消息挑选中继时提高数据支持。
16.进一步地，所述步骤s2中车辆通信网络分为连接网络和断连网络，当车辆存在下一跳中继，则为连接网络，否则为断连网络；
17.现有研究只考虑了断连网络和连接网络下如何中继紧急消息，而忽略通信网络之间切换时，网络连通状态的变化，因此网络连通状态可分为连接状态(connected status，cs)、连接到断连状态(connected to disconnected status，c2ds)、断连状态(disconnected status，ds)、断连到连接状态(disconnected to connected status，d2cs)四种；
18.所述步骤s2中当前中继车辆确定网络连通状态分为四种情况，具体如下：
19.当前中继车辆根据紧急消息的重传次数和一跳邻居表信息确定网络连通状态；
20.情况1：若上一跳的网络连通状态为ds，且当前中继检测到新的车辆或有新的车辆中继该紧急消息，表明通信网络正由断连网络往连接网络切换中，则当前网络连通状态为d2cs；
21.情况2：若当前中继车辆已重传紧急消息3次，表明没有下一跳中继可用，则当前的网络连通状态为ds；
22.情况3：若上一跳网络连通状态为不为d2cs和ds，且当前中继车辆的一跳邻居表中，存在车辆在消息的传播方向上的最远邻居不是当前中继车辆的邻居，表明存在下一跳中继可用，则当前网络连通状态为cs；
23.情况4：若上一跳网络连通状态为不为d2cs和ds，且当前中继车辆的一跳邻居表中，所有车辆在消息传播方向上的最远邻居都是当前中继的邻居，表明通信网络正由连接网络往断连网络切换中，则当前的网络连通状态为c2ds。
24.进一步地，所述步骤s3中控制消息包括六个字段，前四个字段分别为nscf、pscf、rscf、escf，这四个字段用于指示当前所采取的中继策略；
25.第五个字段为集合ω，用于存储候选中继车辆的id和等待时间，只有当前中继车辆采用集中式的方式挑选中继时，当前中继车辆才往集合ω中填入候选中继的id和等待时间，否则ω为空；
26.第六个字段为s，用于指示紧急消息是否时延敏感，紧急消息是时延敏感消息，则将s置1，反之置0；
27.在传输过程中，控制消息可随着网络连通状态的变化自适应更新，以指示车辆采取何种策略中继紧急消息。
28.进一步地，所述步骤s3过程如下：
29.连接状态下，多跳广播的主要目标是降低端到端时延，减少通信干扰；连接到断连和断连到连接两种状态下，多跳广播的主要目标是避免紧急消息丢失，提高紧急消息传输到目标区域的概率。断连状态下，多跳广播的主要目标主要是最大化传输效率，减少紧急数据包的传输开销；本发明中继策略可根据网络连通状态的不同自适应调整中继策略，达成不同网络连通状态的传输目标。
30.若网络连通状态为cs，则当前中继将控制消息中nscf置1；根据紧急消息是否是时延敏感消息，可分为两种情况：
31.情况1：若紧急消息是时延敏感消息，，当前中继车辆将控制消息中s置1；为降低端到端时延，提高传输可靠性，当前中继采用集中式的方式挑选中继，以降低通信冲突，并根据链路质量和距离计算候选中继的优先级；对于当前中继车辆i，则每一个候选中继车辆j的广播优先级pj为：
[0032][0033]
其中ω是链路质量的权重，是车辆j的接收到车辆i广播紧急消息的信噪比，是能可靠的接收广播消息的最小信噪比，d
ij
是车辆i与车辆j之间的距离，dr是车辆的最大传输范围。此时候选中继车辆j的等待时间为：
[0034][0035]
其中mj是候选中继车辆的广播顺序，由广播优先级pj决定，广播优先级越高，广播顺序mj越靠前，参数δ是车辆之间不发生广播不发生碰撞的最小时间间隔，前中继车辆将候选中继的广播等待时间和id存入集合ω中，并广播紧急消息；当前中继车辆将候选中继的广播等待时间和id存入集合ω中，并广播紧急消息；
[0036]
情况2：若紧急消息是非时延敏感消息，当前中继车辆将s置0，并立即广播紧急消息；
[0037]
若网络连通状态为c2ds，则当前中继将控制消息中pscf置1，根据紧急消息是否是时延敏感消息，可分为两种情况：
[0038]
情况1：若紧急消息是时延敏感消息，当前中继车辆将控制消息中s置1；为提高紧急消息传输到目标区域的概率，给予紧急消息传输方向上的车辆更高的优先级；当前中继车辆采用集中式的方式挑选中继，根据链路质量、距离和相对速度计算候选中继的优先级，对于当前中继车辆i，则每一个候选中继车辆j的广播优先级pj为：
[0039][0040]
其中是车辆i和车辆j之间的相对速度，v
max
是车辆的最大行驶速度；此时候选中继车辆j的等待时间为：
[0041][0042]
当前中继车辆将候选中继的广播等待时间和id存入集合ω中，并广播紧急消息；
[0043]
情况2：若紧急消息是非时延敏感消息，当前中继车辆将s置0，并立即广播紧急消息；
[0044]
若网络连通状态为ds，当前中继将控制消息中rscf置1，并采用携带存储转发的策略，以时间τ周期性广播紧急消息；根据紧急消息的类型，τ的取值可分为两种情况：
[0045]
情况1：若紧急消息为时延敏感消息，当前中继车辆将控制消息中s置1，为尽可能紧急消息传输到目标区域，并设置广播周期τ为最小时间间隔δ，以避免因信道衰落导致紧急消息传输失败；
[0046]
情况2：若紧急消息为非时延敏感消息，当前中继车辆将控制消息中s置0，并根据车辆的最大传输范围和相对速度设置广播周期，以减少紧急消息的传输开销，则广播周期τ为：
[0047][0048]
若网络连通状态为d2cs，则将控制消息中escf置1，根据紧急消息的类型，可分为两种情况：
[0049]
情况1：若紧急消息为时延敏感消息，当前中继车辆将控制消息中s置1，并立即广播紧急消息；
[0050]
情况2：若紧急消息为非时延敏感消息，当前中继车辆将控制消息中s置0；为减少通信冲突，提高传输可靠性，当前中继车辆以集中式的方式挑选中继；当前中继车辆根据链路质量、距离和相对速度计算候选中继的优先级，出于对后续通信网络的未知性，给予车辆相对速度更高的权重，以避免紧急消息丢失；对于当前中继车辆i，则每一个候选中继车辆j的广播优先级pj为：
[0051][0052]
其中λ是相对速度的权重；此时候选中继j的等待时间为:
[0053][0054]
当前中继将候选中继的广播等待时间和id存入集合ω中，并广播紧急消息。
[0055]
进一步地，所述步骤s4过程如下：
[0056]
若控制消息中nscf为1，则候选中继车辆设置等待时间分为以下情况：情况1：集合ω为不空时，若候选中继车辆的id存在集合ω中，则候选中继车辆按照集合ω中的值设置等待时间，否则不参与中继。
[0057]
情况2：集合ω为空，表明此时紧急消息是非时延敏感消息，为提高传输效率，候选中继车辆以分布式竞争广播，以距离和其后车辆数设置等待时间；为减少连接状态下严重的通信冲突，本发明设置相邻候选中继车辆之间的等待时间间隔不小于δ；对于当前中继车辆i，则候选中继车辆j的等待时间为：
[0058][0059]
其中m是在车辆i的传输范围内位于候选车辆j后的车辆数目，是候选中继车辆的最大等待时间；
[0060]
若控制消息中pscf为1，则候选中继车辆设置等待时间分为以下情况：
[0061]
情况1：集合ω为不空时，若车辆的id存在集合ω中，则候选中继按照集合中的值设置相应等待时间，否则不参与中继；
[0062]
情况2：集合ω为空，表明紧急消息为非时延敏感的消息，为提高传输效率和紧急消息传输到目标区域的概率，候选中继车辆以距离和相对速度设置等待时间，对于当前中继车辆i，则候选中继车辆j的等待时间t
jwait
为：
[0063][0064]
若控制消息中rscf为1，车辆将判断是否采用责任转交机制，责任转交机制如下：
[0065]
若当前中继车辆的行驶方向与紧急消息传播方向不一致，且责任车与消息的传播方向一致，当责任车与当前中继车辆之间的距离小于r时，则当前中继将紧急消息转交给责任车，责任车升级为当前中继车辆，并负责中继该消息，距离r为：
[0066]
r＝v
rela
×
τ
[0067]
其中τ是当前中继车辆周期性广播的时间间隔，v
rela
是责任车与当前中继车辆之间的相对速度；采用责任转交机制，可使得由距离目标区域更近，且行驶方向与紧急消息传输方向相同的车辆承担存储携带转发的责任，最大化传输效率，减少紧急消息丢失的概率；
[0068]
若控制消息中escf为1，则候选中继车辆设置等待时间分为以下情况：
[0069]
情况1：集合ω为不空时，若候选中继车辆的id存在集合ω中，则候选中继按照集合中的值设置相应等待时间，否则不参与中继；
[0070]
情况2：集合ω为空时，表明紧急消息为时延敏感的消息，在断连到连接状态下，候选中继车辆一般位于传输范围的边缘，且候选中继的数目较少，发生通信冲突的概率小，出于对后续通信网络的未知性，避免紧急消息丢失，候选中继车辆以相对速度设置等待时间，对于当前中继车辆i，则候选中继车辆j的等待时间为：
[0071][0072]
进一步地，所述步骤s5过程如下：
[0073]
等待时间内没有收到相同紧急消息候选中继车辆，将升级为当前中继车辆，并根据控制消息中s确定紧急消息的类型，执行下一跳的中继，并重复步骤s2-s4，直至紧急消息传输到目标区域，否则取消中继计划。
[0074]
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
[0075]
1、本发明基于通信网络状态变化设计了一种自适应的多跳广播方法，可以根据通
信网络状态的不同，选择合适的中继策略，以降低cs下的通信干扰，提高ds下的传输效率，提高c2ds和d2cs下紧急消息的广播成功率。
[0076]
2、本发明公开的车联网多跳广播方法，可根据消息是否时延敏感，自适应切换中继策略，以满足不同紧急消息的传输需求，降低时延敏感消息的传输时延，提高非时延敏感消息的传输效率。
[0077]
3、本发明考虑在断连网络下，根据车辆的速度、位置、链路质量等，挑选出最优的车辆作为中继，可提高传输的效率，保证传输可靠性，保证紧急消息以高概率传输到目标区域。
附图说明
[0078]
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0079]
图1是本发明中公开的基于消息类型和网络连通状态的车联网多跳紧急消息广播方法的步骤流程图；
[0080]
图2是本发明中车辆定时广播的基本安全消息结构示意图；
[0081]
图3是本发明中车辆广播紧急消息时附带的控制消息示意图；
[0082]
图4是本发明中实施例中发生车祸时的车辆的实际分布情况图；
[0083]
图5是本发明中实施例中紧急消息传输一段时间后的车辆分布情况示例图；
[0084]
图6是本发明实施例中当前中继车辆采用escf策略时车辆实际分布情况图；
[0085]
图7是本发明实施例中的仿真环境的道路结构图；
[0086]
图8是四种广播方法在断续网络下传输紧急消息到目标区域的端到端时延对比图；
[0087]
图9是四种广播方法在断续网络传输紧急消息到目标区域的广播成功率对比图。
具体实施方式
[0088]
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。
[0089]
实施例1
[0090]
如图1所示，本实施例公开了一种基于紧急消息类型和网络连通状态的车联网多跳广播方法，包括以下步骤：
[0091]
s1、源车辆x检测到前方发生碰撞事故(如图4)，通过查询紧急消息类型示例表(如表1)，源车辆x判断该紧急消息为时延敏感的消息。
[0092]
表1.紧急消息类型示例
[0093]
紧急事件示例破坏性是否可避免消息类型高速车祸高不时延敏感城市道路塌陷高可以时延不敏感交通管制低不时延不敏感
城市道路堵车低可以时延不敏感
[0094]
s2、当前中继车辆x通过查询其一跳邻居信息表(如表2)，检测发现存在邻居的前向最远的邻居车辆e、f不在其邻居表内，则判定此时网络连通状态为cs。
[0095]
表2.车辆x的一跳邻居表
[0096]
id速度距离前向最远邻居id后向最远邻居ida80200fdb60220exc-30250xed20-200a无
[0097]
s3、车辆x将控制消息中nscf和s置1，并将车辆a、b、c、d的等待时间和id存入集合ω中，并广播紧急消息。
[0098]
s4、根据控制消息，a，b，c设置各自的等待时间为3δ，2δ，δ，以提高此时中继覆盖范围。车辆d不在消息的传播方向上，因此不参与中继。
[0099]
s5、车辆c的等待时间最短，则最先广播，则此次中继覆盖范围达到所。然后车辆c升级为当前中继，并重复步骤s2-s5。
[0100]
s2、车辆c在广播之前，会重新检测当前网络状态。此时车辆c检查自己的一跳邻居表(表3)，发现所有邻居的在消息传播方向上的最远邻居的id都在一跳邻居表里面，则判断当前网络连通状态变为c2ds。
[0101]
表3.车辆c的邻居信息表
[0102]
id速度距离前向最远邻居id后向最远邻居ida70-100fdb50-50exx0-250dce-60250c无f80200ea
[0103]
s3、车辆c将控制消息中nscf和s置1，并将车辆e、f的等待时间和id存入集合ω中，以提高紧急消息成功传输到目标区域的概率。
[0104]
s4、根据控制消息，车辆e、f设置等待时间为2δ，δ。
[0105]
s5、车辆f的等待时间最短，则最先广播，避免了选择e车作为中继时紧急消息的丢失，然后车辆f升级为当前中继，重复步骤s2-s5。
[0106]
s2、车辆f连续广播三次后，都没有新的车辆中继转发该消息，因此车辆f判断网络连通状态为ds。
[0107]
s3、车辆f将控制消息中rscf和s置1，车辆f以周期为δ定期广播紧急消息，以避免紧急消息因信道衰落传输失败。
[0108]
s4、行驶一段时间后(如图5)，车辆g收到车辆f广播的紧急消息。根据控制消息，车辆g设置等待时间为δ。
[0109]
s5、车辆g的等待时间最短，则最先广播，因此车辆g升级为当前中继，重复步骤s2-s5。
[0110]
s2、车辆g连续广播三次后，都没有新的车辆中继转发该消息，因此车辆g判定网络
连通状态为ds。
[0111]
s3、车辆g将控制消息中rscf和s置1，车辆g以周期为δ定期广播紧急消息。
[0112]
s4、行驶一段时间后(如图6)，车辆f与车辆g之间的距离小于r，车辆f发起责任转交机制，车辆f检测到新车辆h，将控制消息中escf和s置1，并广播紧急消息。车辆h在收到车辆f广播的紧急消息，设置相应的等待时间。
[0113]
s5、车辆h等待时间结束后，升级为当前中继。此时紧急消息已传输到目标区域，因此车辆h结束多跳广播。
[0114]
实施例1表明，本发明可根据紧急消息类型和网络连通状态自适应调整中继策略，使得所选中继能够满足不同类型紧急消息的传输需求和达成不同网络连通状态的传输目标。
[0115]
实施例2
[0116]
本文设置了不同流速的车流，以模拟车联网中断连网络的严重程度，单位时间内道路通过的车辆数越小，则断连程度越严重。仿真的道路模型如图7所示。图8、图9为本实例的多跳广播方法anscns与孙等人提出的3p3b-dnt、tonguz等人提出的dv-cast、kad等人提出的pbsad在不同车流量下的广播成功率和端到端时延的对比。图中anscns-i和anscns-s分别表示传输时延敏感消息和非时延敏感消息的性能。
[0117]
图8中，随着车流量变大，网络连通状态处于断连状态的可能性下降，当前中继车辆将以更大的可能性将紧急消息成功中继出去，车辆采用scf策略的时间显著降低，因此四种中继策略的端到端时延，都随着车流量变大而显著降低。在低车流量下，车辆之间距离较远，dv-cast没有冗余的重传机制，易紧急消息丢失，因此时延最大，而3p3b-dnt在挑选中继时没有给予消息传播方向车辆更高优先级，因此也容易造成紧急消息丢失，而pbsad在当前中继车辆在离开消息传播方向时，会重新广播当前紧急消息，因此优于3p3b-dnt，arsncs-i和arsncs-s在挑选中继时考虑车辆行驶速度且采用的责任转交机制，所选取的当前中继车辆的可达性最高，因此端到端时延低于其他的中继策略，而arsncs-i的广播周期较大，转交责任时必须等待整个广播周期，因此端到端时延大于arsncs-s。在高车流量下，dv-cast基于距离设置候选中继车辆的等待时间，存在严重的通信冲突，，因此端到端时延最大，3p3b-dnt通过三次沟通，减少了参与竞争的车辆，但是三次沟通也增加了额外的时延，pbsad根据速度和距离设置候选中继车辆的等待时间，且给车辆增加了一个额外的小时隙，缓解通信冲突，因此与3p3b-dnt性能相似。arsncs-s和arsncs-i分别采用集中式的预分配方式和统计其后车辆数的方式减少通信冲突，因此表现最佳。
[0118]
图9中，随着车流量变大，四种中继策略的广播成功率都呈上升趋势。随着车流量变大，信道衰落导致的中继失败问题得到缓解，dv-cast的广播成功率增长速度最快。在低车流量下，3p3b-dnt由于没有给予消息传播方向车辆更高的广播优先级，因此广播成功率较低，而在高车流下，3p3b-dnt通过三次沟通，使得紧急消息得到可靠的传输，因此广播成功率达到了95％。pbsad在当前中继车辆在离开消息传播方向时，会重新广播当前紧急消息，降低了紧急消息丢失的概率，因此优于dv-cast和3p3b。由于arsncs-s和arsncs-i在切换网络时给予消息传播方向上的车辆更高的优先级，所选取的当前中继车辆的可达性最高，因此广播成功率高于其他的中继策略。
[0119]
图8、图9表明本实例的多跳广播方法优于另外三种模型，能有效提高广播成功率，
降低端到端时延。
[0120]
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。