一種適用於稀疏和稠密多種VANETs場景的方法

2023-05-28 08:18:31

專利名稱：一種適用於稀疏和稠密多種VANETs場景的方法
技術領域：
本發明屬於車載網領域,涉及到利用聯盟博弈理論對VANETs (Vehicular Ad HocNetworks)中的節點進行激勵機制建模,使節點合作轉發消息。給出的模型和方法，能夠適應疏密場景多變的VANETs，能自動根據VANETs的疏密對節點進行不同的激勵，約束節點的自私行為，提聞網絡性能。
背景技術：
VANETs與普通的無線行動網路不同，VANETs中的消息轉發激勵機制試圖針對其特有的特點如節點的快速移動性、變化的網絡密度、以及拓撲變化頻繁和網絡分割等，激勵節點合作轉發消息，約束節點的自私行為。研究人員提出了許多不同的激勵機制，然而每種 激勵機會都有其各自的特點和應用範圍。因此，應該根據VANETs的特點和網絡的實際情況設計新的、更符合實際的激勵機制，這樣更有利於VANETs網絡的性能優化。正如VANETs稀疏時和稠密時網絡所面臨的自私問題是不同的，如圖I和圖2所示。由於節點的高移動性，很容易導致稀疏VANETs的連接斷開，頻繁的網絡連接斷開是稀疏VANETs面臨的一個嚴峻的問題。如

圖1(a)所示的路段中，網絡稀疏，VANET被分割成三個局部連通網絡(Netl、Net2和Net3)，這三個局部網絡內部是連通的，可以實現消息的傳遞。然而如果希望把消息從Src.(在Net3中)傳遞給Dest. (Netl中),由於不存在端到端連接，無法實現，只能在節點移動的過程中，三個分割的網絡中的節點之間建立起連接，充分利用這些連接機會，才有可能實現消息的傳遞。在圖Ia中，Net3中節點是連通的，每個節點都收到了消息m，經過Tl時刻後，如圖1(b)，原來在Tl時刻的Net3中的節點B與此刻的Net2中的節點建立起連接，B利用此次連接機會把消息m傳遞給Net2中的節點，T2時刻後(T2>T1)，如圖I (c) ,Tl時刻時Net2中的節點C與此刻Netl中的節點相遇，C利用此次連接機會把消息傳遞給D,此時，Dest.恰好在Netl中，D中轉把消息傳遞給了 Dest。稀疏的VANETs，由於經常不存在端到端的連接，為了使端到端的消息能夠傳送成功，充分利用節點連接的機會來轉發消息很有必要。然而，由於VANETs的節點是一組智能車輛，每個節點都有自主性，比如，有的節點不願免費為其他節點服務，有的節點不願意浪費自己的存儲空間和帶寬為其他節點轉發消息，節點就表現出這樣的自私性。正是由於這種自私性的存在，節點不轉發消息，導致網絡分割的情況更加嚴重，如圖1(a)，Net3中的節點A表現出自私性，不給其他車輛轉發Src.發出的消息，則網絡分割由原來的3部分轉變為5部分，如圖1(d)所示。節點的自私行為加重了 VANETs中的網絡分割，此時的Src.想把消息傳遞給Dest.，需要5個分割的網絡中的節點之間建立連接，因此車輛在移動過程中需要更多的節點之間能有連接機會，隨著對連接的要求增高，消息傳遞成功的概率相應的減小。另一方面，如果VANETs中的節點數過於稠密，網絡的主要問題從缺少端到端連接轉變到中間轉發節點過多導致的頻頻的消息交互和開銷問題。在這種VANET的場景中，如果節點出於某種目的表現出自私行為，都不轉發消息，消息無法成功傳遞。另一方面，如果激勵這些節點都轉發消息，網絡中會出現大量冗餘包，消耗網絡資源如帶寬、存儲空間等。如果節點過度稠密，如堵車情景，甚至會引發廣播風暴)甚至發生廣播風暴，對消息的傳遞會產生很大的負面影響。如圖2所示，消息的源節點Src.想給目的節點Dest.傳數據，最優方式是Src.先傳數據給A，然後A—跳傳給Dest.。但是如果使用和稀疏網絡一樣的機制，激勵所有節點碰到鄰節點就轉發消息，由於網絡稠密，在他的覆蓋範圍內有28輛車(假設這些車的通信距離相同)，Src.會傳送28個數據副本給鄰節點，然後鄰節點同樣傳送大量副本給其他節點。網絡中會存在大量消息副本，最壞情況會出現廣播風暴。因此應提出一種能適應VANET的疏密場景多變的激勵機制。激勵機制要能夠自動根據VANET的疏密對節點進行不同的激勵，約束VANET所有節點的自私行為。即能提高稀疏VANET的連通性，同時能在保證稠密VANET連通性的同時，控制中間轉發節點數量，減少網絡中的冗餘包。現階段激勵機制的研究主要分為以下兩類(I)基於聲望的激勵機制。基於聲望的方法通過觀察鄰節點的行為懲罰偵測到的自私節點，來激勵合作(T. Chen, F. ffu, andS. Zhong, 「FITS: A Finite-Time Reputation System for Cooperation in Wireless AdHoc Networks, 」 IEEE Transactions on Computers, vol. 60, no. 7, pp. 1045-1056，Jul. 2011.以及 J. J. Jaramillo and R. Srikant, 「DARWIN: Distributed andadaptive reputation mechanism for wireless ad-hoc networks, 」 in ACM MOBICOM, 2007.) VANETs中，因為相同節點再次相遇的概率很低，很難監聽一個鄰節點是否轉發了數據包。因此這種依賴於觀察鄰節點歷史信息的方法在VANETs中不易實現。(2)基於信譽的激勵機制。現有的基於信譽的激勵機制存在VANETs的適用局限性問題。有的激勵機制通過給轉發消息的節點獎勵，激勵了網絡中的自私節點合作，這種激勵機制對於收到消息和轉發消息的節點，給與同樣的獎勵(M. E. Mahmoud and X. Shen, 「PIS: A practicalincentive system for multi-hop wireless networks, 」 IEEE Transactions onVehicular Technology, vol. 59, no. 8, pp. 4012 - 4025, Oct. 2010.)。但是在很多場景下如晚間的高速公路，車輛分布稀疏，節點間的連接是間斷性的，收到消息的節點在遇到下一跳節點之前，消息的生存期已到，被迫丟棄。這些節點不屬於自私節點，但是因為沒有轉發消息給下一跳，沒有得到獎勵，這是不合理的。有的激勵機制對所有轉發的節點給予相同的獎勵，忽略了不同節點對消息轉發的重要程度不同(T. Chen, L. Zhu, F. ffu, andS. Zhong, 「Stimulating Cooperation in Vehicular Ad Hoc Networks: A CoalitionalGame Theoretic Approach，， IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 60,no. 2，pp. 566-579，Feb. 2011.)。另外，大多激勵機制都是激勵自私節點轉發消息，對於節點是否轉發以及是否過度轉發問題缺少很好的權衡。

發明內容
本發明要解決的技術問題是在VANETs特殊網絡環境下，提供一種適應VANETs中節點的快速移動性、變化的網絡密度、以及拓撲變化頻繁和網絡分割等實際問題的消息轉發激勵機制。該機制能夠自動根據VANETs的疏密對節點進行不同的激勵，其整體框架如圖3所示。本發明的技術方案如下通過VANETs模型的構建和網絡中節點的分類，建立了激勵機制，機制是通過聯盟博弈的方法構建的，包括兩部分建立聯盟博弈模型和設置合理的收益分配函數。分別針對源節點和中間節點在博弈中的不同角色設置了不同的收益函數。找出聯盟博弈模型有核的充分條件，並進行正確性和有效性的證明。該方法包括四個主要部分VANETs模型、構建消息轉發聯盟博弈模型、收益分配、博弈有核的充分條件。本發明的具體步驟如下(I)VANETs 模型VANETs包括一定量的基礎設施和智能車輛，這些車輛安裝有通信設備、GPS (Global Positioning System),只要兩個節點在他們的傳輸範圍內，就可以進行V2V (Vehicle to Vehicle)通信，節點與基礎設施直接能進行V2I (Vehicle toInfrastructure)通信。VANETs中，消息直接或通過轉發傳到目的地。另外,VANETs中還有一個GCPC (全局控制處理中心)，節點通過基礎設施與GCPC連接。GCPC來決定VANETs消息傳輸中每個節點的信譽和收益的分配，這種分配依賴於節點提交的票據、meet報告以及DLO報告，只要節點接收或轉發一次消息，就產生一個meet報告和DLO報告，並保存票據。 (2)消息轉發聯盟博弈模型VANETs與其他網絡的主要不同在於特殊的移動方式和快速的拓撲變化、車輛的快速移動性、頻繁的網絡不連通以及變化的車輛密度。提出的博弈模型(N，V)，其中N是參與者，是VANETs中消息傳遞過程中，用到的所有節點的集合，分為兩類只接收消息的節點，稱為Rnode ;既接收消息，也轉發消息的節點，稱為RFnode。V是為每個聯盟分配聯盟收益的函數。由於VANETs中節點的加入與離開是動態的,端到端的連接不能保證,在消息攜帶者遇到轉發者之前，不能確定轉發消息的下一跳是誰。N的這種設置結合一種meet報告(記錄這些節點)，適應了 VAENTs拓撲的動態變化。頻繁的網絡不連通以及變化的車輛密度等VANETs特點將在收益分配部分得以體現。聯盟博弈中V包括三部分成功傳遞到目的節點的獎勵、幫助決定參與者的獎勵以及抽獎的獎勵。這是因為，聯盟的總收益應該能反應消息成功轉發到目的節點，其次，也應該給提供meet報告幫助決定參與者N的獎勵。此外，為了激勵參與者合作，加入了中獎獎勵，融合了抽獎的方法，巧妙的利用了參與者希望中獎的心理。這裡，用q*Rn(S)表示幫助決定參與者的獎勵以及抽獎的獎勵，其中，q是節點提交報告記錄的單位獎勵，Rn(S)是提交的記錄總數。c⑶-Dn⑶表示成功傳遞到目的節點的獎勵，c(S)是成功傳遞消息到目的地的單位獎勵，Dn(S)是成功傳到目的節點的消息數。wp⑶表示中獎的獎勵，w是中獎獎勵，P(S)是聯盟S中所有參與者的中獎概率。聯盟S的收益V表示如下V (S) =q Rn⑶+c⑶ 口卩⑶+界^卩⑶ ⑴(3)收益分配當VANETs稠密時，為了對節點進行不同的激勵，需要對節點進行分類，根據車輛的位置和運動方向把車輛的鄰節點劃分為四類，如圖4，其中，Oi的值表示這四類情況，第一類中，Oi=I,即圖中位於A區域的節點，第二類中，0i=2，即圖中位於B區域的節點，第三類中，0i=3，即圖中位於C區域的節點，第四類中，Oi=I即圖中位於D區域的節點。Oi值越大，表示這些鄰節點轉發消息越利於消息傳遞到目的節點。源節點和中間節點在博弈中扮演的角色不同，因此，對其進行不同的激勵，設置不同的收益分配函數。通過合理的收益分配，可以激勵節點合作轉發消息。①中間節點收益分配
中間節點的收益由四部分組成接收消息的收益、轉發消息的收益、消息成功傳遞到目的節點分配給轉發過此消息的中間節點的收益、以及節點抽獎獲得的收益。其中，接收消息的收益與轉發消息的收益分開獎勵，是為了適應VANETs網絡的頻繁斷開(間歇的連通性)，接收消息的節點不一定能轉發消息。中間轉發節點的收益定義如下
權利要求
1.一種適用於稀疏和稠密多種VANETs場景的方法，該方法包括四個主要部分VANETs模型、構建消息轉發聯盟博弈模型、收益分配、博弈有核的充分條件；其特徵在於如下步驟 (1)建立VANETs模型 建立一種VANETs，包括基礎設施和智能車輛，這些車輛安裝有通信設備、 GPS ；VANETs中，消息直接或通過轉發傳到目的地；另外，VANETs中還有一個全局控制處理中心GCPC，節點通過基礎設施與GCPC連接；GCPC來決定VANETs消息傳輸中每個節點的信譽和收益的分配，這種分配依賴於節點提交的票據、meet報告和DLO報告，只要節點接收或轉發一次消息，就產生一個meet報告和DLO報告，並保存票據；GCPC給每個節點分發證書；節點不需要一直與GCPC保持連接，節點只需臨時保存票據和報告，票據和報告能通過基礎設施轉發給GCPC ;票據是由源節點產生並隨消息一起傳遞的一個很小的加密標識，用key (M)表示；票據用來識別中間節點是為哪個消息參與消息傳遞行為；DL0報告是節點每次轉發消息時，對接收消息的節點的Oi值報告，方便GCPC計算收益； (2)構建消息轉發聯盟博弈模型 聯盟博弈(N，V)，其中N是參與者，是VANETs中消息傳遞過程中，用到的所有節點的集合，分為兩類只接收消息的節點，稱為Rnode ;既接收消息，也轉發消息的節點，稱為RFnode ；v是為每個聯盟分配聯盟收益的函數，聯盟S的收益v表示如下 V (S) =q · Rn (S) +c (S) · Dn (S) +w · p (s) (I) 其中，q是節點提交報告記錄的單位獎勵，Rn(S)是提交的記錄總數，c(S)是成功傳遞消息到目的地的單位獎勵，Dn⑶是成功傳到目的節點的消息數，w是中獎獎勵，p(S)是聯盟S中所有參與者的中獎概率； (3)收益分配 首先進行節點分類，根據車輛的位置和運動方向把車輛的鄰節點劃分為四類，用Oi表示，分別為Oi=I, 0i=2, 0i=3, 0i=4 ；0i值越大,表示鄰節點i轉發消息越利於消息傳遞到目的節點；然後根據網絡中的兩類節點分別進行收益分配 ①中間節點收益分配
全文摘要
本發明公開了一種適用於稀疏和稠密多種VANETs場景的方法。首先當VANETs稀疏時，針對稀疏的VANETs往往不存在端到端的連接，它能有效的激勵了每個節點(VANETs中的車輛)相互合作，提高消息傳遞成功率，降低傳遞延時。當VANETs稠密時，ISSDV能使轉發節點選擇部分優質節點轉發消息，有效的控制轉發節點數量，減少網絡中的冗餘包，同時保證了網絡的連通性，提高傳遞成功率。本發明的激勵機制在解決節點轉發消息自私問題下，能夠很好的適應VANETs中節點的快速移動性、變化的網絡密度、以及拓撲變化頻繁和網絡分割等實際問題，使得提出的機制能夠被真正的實施並且實際可行。
文檔編號H04L29/08GK102984200SQ20121033676
公開日2013年3月20日 申請日期2012年9月13日 優先權日2012年9月13日
發明者吳迪, 高豔榮, 劉江川, 孫利民, 譚國真 申請人:大連理工大學