一種車載網絡rsu部署及其數據轉發方法
2023-05-15 23:16:36 2
專利名稱：一種車載網絡rsu部署及其數據轉發方法
技術領域：
本發明涉及一種車載網絡RSU部署及其數據轉發方法，屬於車載網絡通信技術領域。
背景技術：
車載自組網(Vehicular Ad-hoc Networks，簡稱VANET)是安裝在車輛上的無線節點(本文簡稱節點)和路邊單元(Roadside Unit，簡稱RSU)組成的自組織異構無線多跳網絡，通信模式包括節點之間自組織多跳通信(V-2-V =Vehicle to Vehicle)和節點與RSU之間通信(V-2-I =Vehicle to hfrastructure)。車載自組織網相對於傳統的MANET (Mobile Ad-hoc Networks)具有明顯的新特性網絡規模大、節點移動速度快、節點空間分布不均勻、節點移動軌跡受道路限制、節點具有較強的計算能力和充足的電源供應等。車載自組網的典型應用包括交通管理、交通安全和城市監測等。目前常用的RSU部署方式為基於規則形狀的RSU部署方式，此方法將地理空間劃分成若干個同等大小的規則幾何形狀，然後在每個小區域中部署一個RSU，鄰近的RSU之間使用無線或有線方式連接，形成骨幹網，車輛節點既可以進行V-2-V方式的數據轉發，也可以將數據包轉發給RSU，從骨幹網進行轉發。如使用正方形將地理空間劃分為網格狀，在每個正方形中部署一個RSU，每個RSU與相鄰的四個RSU連接，RSU之間構成了網格狀骨幹網拓撲。此方法的特點是簡單可靠，網絡中任意兩個RSU之間存在多個冗餘路徑，當部分 RSU發生故障或者數據擁塞時，可以通過重新計算路由避開這些RSU，因此能夠提供良好的可靠性。由於車輛節點在地理空間中呈現不均勻分布，存在車輛高密度的「熱點」區域。這些區域內網絡連通性較強，節點間的多跳鏈路較為穩定，即使不部署RSU也能獲得良好的數據分發性能。由於此技術在任意區域以同等密度部署RSU，因此造成了資源的浪費，無法實現網絡性能增強與部署成本降低之間的折中平衡。目前所用到的RSU輔助的數據轉發方法為RSU周期性地廣播發送beacon消息， 接收到此消息的車輛節點通過發送回應消息與RSU建立連接。接入RSU的車輛節點首先計算目的節點的距離，然後向RSU發送消息查詢RSU骨幹網中是否存在距離目的節點更近的RSU，然後根據查詢結果確定是否將數據包上傳至RSU進行輔助轉發。此方法中能夠接入 RSU的車輛節點的數量受到RSU無線傳輸範圍和部署密度的限制，出於成本考慮，RSU 一般採用稀疏部署方式，RSU的密度遠不能提供整個地理空間的全覆蓋。只有行駛到RSU無線傳輸範圍內的車輛節點能夠接入RSU，限制了接入RSU的車輛數量，沒有接入RSU的車輛節點無法獲知RSU的位置以及骨幹網的覆蓋範圍，不能較好地利用RSU骨幹網帶來的優勢，對網絡性能造成不利影響。
發明內容
本發明的目的是解決目前車載網絡RSU部署方法中因資源浪費所造成的部署成本高的問題以及RSU數據轉發過程中出現的沒有接入RSU的車輛節點無法獲知RSU的位置以及骨幹網的覆蓋範圍造成的網絡性能不好的問題。本發明為解決上述技術問題而提出一種車載網絡RSU部署方法，該RSU部署方法的步驟如下1).利用地理網格將待部署RSU的區域進行離散化處理；2).根據車輛在該區域中的車輛軌跡，計算每個網格中車輛位置點的個數，確定該區域中的熱點位置；3).利用無向有權圖H = (V, E)表示各熱點之間的關係，V是頂點集表示熱點，E 是邊集，邊的權值Wab代表在相應兩個熱點之間部署一條骨幹鏈路的效率，效率定義為連通度增強效果與部署成本的比值，邊權值使用兩個「熱點」區域中節點個數的和與地理距離的比值代替；4).建立鄰接矩陣C = (Cu)kxk，使用近似方法計算邊權值並存入相應的矩陣元；5).利用I^rim算法計算熱點關係圖H的最大生成樹；6).確定最大生成樹後，對樹中的每條邊，計算道路拓撲中相應兩個熱點之間最短距離的道路，即確定RSU的部署位置。所述的步驟2)的具體步驟如下1).根據車輛位置信息，計算每個地理空間網格中的車輛數目；2).計算所有時刻中每個待部署地理空間網格中的車輛數目的平均值；3).設定閾值，得到車輛密度比所設定閾值高的網格集合；4).調整閾值大小，確定不同數目車輛的熱點區域及熱點區域的個數。本發明為解決上述技術問題還提供了一種車載網絡RSU數據轉發方法，該RSU數據轉發方法的步驟如下1).利用地理網格將待部署RSU的區域進行離散化處理；2).根據車輛在該區域中的車輛軌跡，計算每個網格中車輛位置點的個數，確定該區域中的熱點位置；3).利用無向有權圖H = (V, E)表示各熱點之間的關係，V是頂點集表示熱點，E 是邊集，邊的權值Wab代表在相應兩個熱點之間部署一條骨幹鏈路的效率，效率定義為連通度增強效果與部署成本的比值，邊權值使用兩個「熱點」區域中節點個數的和與地理距離的比值代替；4).建立鄰接矩陣C = (Cu)kxk，使用近似方法計算邊權值並存入相應的矩陣元；5).利用算法計算熱點關係圖H的最大生成樹；6).確定最大生成樹後，對樹中的每條邊，計算道路拓撲中相應兩個熱點之間最短距離的道路，即確定RSU的部署位置；7).部署完成後的RSU將自身的標識符和地理位置進行周期性的廣播發送，處於 RSU覆蓋範圍內的節點通過發送回應消息直接接入RSU，並使用概率洪泛法擴散RSU信息；8).節點檢查是否收到RSU消息，若沒有收到RSU信息則選擇與目的節點最接近的鄰居節點作為下一跳中繼，若收到RSU消息，則根據目的節點的位置計算自身與目的節點的距離，並向RSU發送包含目的節點位置的查詢消息後進入步驟9)；9). RSU收到消息後計算骨幹網中距離目的節點最近的RSU的位置及其與目的節點的距離並返回查詢結果；
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10).車輛節點比較二者之間的大小，如果查詢到的骨幹網中距離目的節點最近的 RSU的位置與目的節點的距離大於該節點自身與目的節點的距離，則無需使用RSU輔助轉發，車輛在當前鄰居中尋找合適的下一跳中繼，否則車輛將數據包發送至RSU進行輔助轉發，數據包被RSU骨幹網轉發至距離目的節點最近的RSU後，由該RSU尋找距離目的節點最近的車輛節點作為下一跳中繼節點。所述的步驟2)的具體步驟如下a.根據車輛位置信息，計算每個地理空間網格中的車輛數目；b.計算所有時刻中每個待部署地理空間網格中的車輛數目的平均值；c.設定閾值，得到車輛密度比所設定閾值高的網格集合；d.調整閾值大小，確定不同數目車輛的熱點區域及熱點區域的個數。所述的步驟7)中RSU是通過beacon消息周期性地廣播發送RSU信息的，且每個接收到此信息的車輛節點依該信息被轉發次數的負指數函數為概率向鄰居節點廣播此信息。本發明的有益效果是本發明將相鄰的RSU放置於彼此的無線傳輸範圍之內，能夠進行直接數據包轉發，並將多個RSU沿道路排列形成一條「骨幹鏈路」，為兩個地理距離較遠的位置提供連通性，能夠顯著地提高整個網絡的連通性，增強遠距離數據分發的性能， RSU將自身的標識符和地理位置附在beacon消息中周期性地廣播發送，處於RSU覆蓋範圍之內的節點通過發送回應消息直接接入RSU，並且使用概率洪泛的方法擴散RSU信息，使處在RSU無線傳輸範圍之外的節點也能夠獲知附近的RSU的部署信息。通過調整轉發概率函數的參數，能夠保證廣播被限制在局部範圍，避免了網絡資源浪費和廣播風暴的發生。
圖1是本發明的RSU部署方法示意圖；圖2是本發明的RSU數據轉發過程的流程圖；圖3是本發明的一種車載網絡RSU部署方法實施例中的車輛行駛軌跡圖；圖4是本發明的一種車載網絡RSU部署方法實施例中的車輛密度分布圖；圖5是本發明的一種車載網絡RSU部署方法實施例中的規則部署示意圖；圖6是本發明的一種車載網絡RSU部署方法實施例中的RDS部署示意圖；圖7是本發明的一種車載網絡RSU部署方法實施例中的RSU部署數量示意圖；圖8是本發明的一種車載網絡RSU部署方法實施例中的三種部署方式的網絡連通比較圖；圖9是本發明的一種車載網絡RSU數據轉發方法實施例中的三種部署方式的平均時延結果比較圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做進一步說明。本發明的一種車載網絡RSU部署方法的實施例本實施例是基於預採集的真實車輛軌跡，計算得出了不同熱點閾值下RSU的部署方法，分析了對網絡連通性的增強效果以及與現有技術的對比分析。該豐富的仿真工具採用赫爾辛基理工大學開發的基於Java環境的開源仿真工具ONE (Opportunistic NetworkEnvironment simulator)，仿真具體參數設置見表一。表一仿真實驗參數設置
權利要求
1.一種車載網絡RSU部署方法，其特徵在於該RSU部署方法的步驟如下1).利用地理網格將待部署RSU的區域進行離散化處理；2).根據車輛在該區域中的車輛軌跡，計算每個網格中車輛位置點的個數，確定該區域中的熱點位置；3).利用無向有權圖H=(V，E)表示各熱點之間的關係，V是頂點集表示熱點，E是邊集， 邊的權值 代表在相應兩個熱點之間部署一條骨幹鏈路的效率，效率定義為連通度增強效果與部署成本的比值，邊權值使用兩個「熱點」區域中節點個數的和與地理距離的比值代替；4).建立鄰接矩陣C=(Cjj)kxk,使用近似方法計算邊權值並存入相應的矩陣元；5).利用I^rim算法計算熱點關係圖H的最大生成樹；6).確定最大生成樹後，對樹中的每條邊，計算道路拓撲中相應兩個熱點之間最短距離的道路，即確定RSU的部署位置。
2.根據權利要求1所述的車載網絡RSU部署方法，其特徵在於所述的步驟2)的具體步驟如下1).根據車輛位置信息，計算每個地理空間網格中的車輛數目；2).計算所有時刻中每個待部署地理空間網格中的車輛數目的平均值；3).設定閾值，得到車輛密度比所設定閾值高的網格集合；4).調整閾值大小，確定不同車輛數目的熱點區域及熱點區域的個數。
3.一種車載網絡RSU數據轉發方法，其特徵在於該RSU數據轉發方法的步驟如下1).利用地理網格將待部署RSU的區域進行離散化處理；2).根據車輛在該區域中的車輛軌跡，計算每個網格中車輛位置點的個數，確定該區域中的熱點位置；3).利用無向有權圖H=(V，E)表示各熱點之間的關係，V是頂點集表示熱點，E是邊集， 邊的權值 代表在相應兩個熱點之間部署一條骨幹鏈路的效率，效率定義為連通度增強效果與部署成本的比值，邊權值使用兩個「熱點」區域中節點個數的和與地理距離的比值代替；4).建立鄰接矩陣C=(Cjj)kxk,使用近似方法計算邊權值並存入相應的矩陣元；5).利用I^rim算法計算熱點關係圖H的最大生成樹；6).確定最大生成樹後，對樹中的每條邊，計算道路拓撲中相應兩個熱點之間最短距離的道路，即確定RSU的部署位置；7).部署完成後的RSU將自身的標識符和地理位置進行周期性的廣播發送，處於RSU 覆蓋範圍內的節點通過發送回應消息直接接入RSU，並使用概率洪泛法擴散RSU信息；8).節點檢查是否收到RSU消息，若沒有收到RSU信息則選擇與目的節點最接近的鄰居節點作為下一跳中繼，若收到RSU消息，則根據目的節點的位置計算自身與目的節點的距離，並向RSU發送包含目的節點位置的查詢消息後進入步驟9)；9). RSU收到消息後計算骨幹網中距離目的節點最近的RSU的位置及其與目的節點的距離並返回查詢結果；10).車輛節點比較二者之間的大小，如果查詢到的骨幹網中距離目的節點最近的RSU 的位置與目的節點的距離大於該節點自身與目的節點的距離，則無需使用RSU輔助轉發，車輛在當前鄰居中尋找合適的下一跳中繼，否則車輛將數據包發送至RSU進行輔助轉發， 數據包被RSU骨幹網轉發至距離目的節點最近的RSU後，由該RSU尋找距離目的節點最近的車輛節點作為下一跳中繼節點。
4.根據權利要求3所述的車載網絡RSU數據轉發方法，其特徵在於所述的所述的步驟2)的具體步驟如下a.根據車輛位置信息，計算每個地理空間網格中的車輛數目；b.計算所有時刻中每個待部署地理空間網格中的車輛數目的平均值；c.設定閾值，得到車輛密度比所設定閾值高的網格集合；d.調整閾值大小，確定不同數目車輛的熱點區域及熱點區域的個數。
5.根據權利要求3或4所述的車載網絡RSU數據轉發方法，其特徵在於所述的步驟 7)中RSU是通過beacon消息周期性地廣播發送RSU信息的，且每個接收到此信息的車輛節點依該信息被轉發次數的負指數函數為概率向鄰居節點廣播此信息。
全文摘要
本發明涉及一種車載網絡RSU部署及其數據轉發方法，本發明將相鄰的RSU放置於彼此的無線傳輸範圍之內，能夠進行直接數據包轉發，多個RSU沿道路排列形成一條「骨幹鏈路」，為兩個地理距離較遠的位置提供連通性。進一步地，利用多條「骨幹鏈路」連接各個「熱點」區域，組成「骨幹網絡」，RSU將自身的標識符和地理位置附在beacon消息中周期性地廣播發送，收到RSU信息的車輛節點使用概率洪泛方法擴散該信息，車輛節點轉發數據包時，首先檢查是否已經接收到RSU信息，若未接收則選擇距離目的節點最近的車輛節點作為下一跳中繼進行轉發，若接收到RSU信息則按照最小距離原則決定是否利用RSU輔助進行數據包轉發。本發明能夠顯著地提高整個網絡的連通性，增強遠距離數據分發的性能。
文檔編號H04W84/18GK102572992SQ20121001465
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月17日 優先權日2012年1月17日
發明者馮琳琳, 劉伎昭, 盧志淵, 李攀, 李靜, 楊衛東, 王珂, 陳長寶 申請人:河南工業大學, 百年金海安防科技有限公司