[发明专利]一种基于网络编码的车联网信标广播方法

摘要

本发明公开了一种基于网络编码的车联网信标广播方法，该方法通过选择不同行驶方向的两个合适的信标消息进行编码。本发明的车辆节点通过采样可以估算出邻近节点信标消息的接收概率，再使用编码候选节点收集机制维护两个方向的候选节点权重表。车辆节点在转发时会从这两个权重表中分别选择一个权重最大的信标消息进行异或编码，这样选出的候选编码包是属于不同行驶方向的车辆节点，并且由此产生的编码包有很大的概率能够被解码。

主权项

1.一种基于网络编码的车联网信标广播方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1：建立一个双向四车道的高速公路场景，节点B、C和D都在节点A的广播范围之内，而节点C和节点D都处于对方的广播范围之外；步骤2：建立邻近车辆状态信息表，包括：车载自组织网络VANETs中每个车辆节点都需要维护一个邻近车辆状态信息表，用来存储邻近车辆最新的状态信息，并以此为基础对一些可能发生的安全事故进行预警，邻近车辆状态信息表中每条记录包括：(1)车辆ID：每个车辆节点的唯一标识；(2)序列号(SequenceNum)：用来标记相同车辆节点发送的不同信标包；(3)当前位置(Position)：车辆节点最新的位置信息；(4)行驶方向(Direction)：车辆节点最新的行驶方向；(5)加速度(Acceleration)：车辆节点的加速度；(6)信标源码：保存最新一条信标消息的源码，用于对可能收到的编码信标包进行解码；(7)更新时间Tlast：记录最近一次更新这条记录的时间，如果这条记录在一个生命周期Tlife内还未更新，则删除这条记录，通过相互之间周期性的广播信标消息，车辆节点能一直保存自己周围的所有邻近节点的最新的状态信息，车辆节点在接收到一个信标包后，依据车辆ID到邻近车辆状态信息表中查找是否已有该车辆节点的记录，如果没有则建立一个新的记录，填入相应信息；如果已有，则更新这条记录，并修改更新时间Tlast；步骤3：接收概率估计，包括：车载自组织网络VANETs中，每个车辆节点都以一定的时间间隔周期性的广播自身的安全信标消息，将这类正在广播自身信标消息的车辆节点称为源节点，假设这个广播时间间隔使用τxb表示，若选定τxb＝0.1s，则表示车辆节点每隔0.1s的时间就会广播一次自己最新的信标消息，根据信标帧的序号以及信标广播间隔τxb就能抽样得到一段时间内一个车辆节点接收源节点信标广播的接收率，将这类接收到原始信标广播消息的车辆节点称为源接收节点，使用τc表示抽样间隔，假设抽样间隔τc＝1s，在一个采样间隔τc中，车辆节点E接收到周围节点发送的信标包，其中节点C发送了τc/τxb＝10个信标包，通过分析节点E每个抽样间隔内接收到的源节点C的信标包序列，能得到所接收的信标包总量N，最小信标包序列Smin和最大信标包序列Smax，由此能得到信标包的抽样接收概率为： S R R = N S max - S min S max - S min ≥ τ c / τ x b N τ c / τ x b , S max - S min < τ c / τ x b - - - ( 2.1 ) ]]>Smax-Smin表示节点C在抽样间隔τc内应该接收到节点A的信标包总数，但是，在一些特殊的情况下，在抽样间隔的最后一个或多个信标包丢失的情况下，使用Smax-Smin统计出的应接收信标包总数就会小于实际数量，此时能使用理论应接收信标包总数τc/τxb代替；在得到某一抽样间隔i内的信标包抽样接收概率SRRi之后，就能使用修正因子α来计算下一个抽样间隔(i+1)内的信标包的估计接收概率ERRi+1：ERRi+1＝(1-α)×ERRi+α×SRRi (2.2)其中，α为修正因子(0＜α＜1)，表示由抽样间隔(i-1)内估计出的抽样间隔i的估计接收概率，修正因子α表示的是ERR对车辆节点周围环境变化的修正力度，α越大，ERR对周围环境变化的修正力度越大；步骤4：建立编码候选节点收集机制，包括：在车载自组织网络VANETs中的所有车辆节点在告诉其他车辆节点自己对编码包的需求的同时，也会收集其他车辆对编码包的需求，以便于自己成为转发节点时选择合适的信标包进行编码转发，编码候选节点选择机制应该尽可能少的占用网络资源，并且需要传递关键性的数据，而在每个车辆节点为了告知转发节点自己所需要的编码包类型时，并不需要将自己对所有邻近节点估计的ERR都发送给转发节点，只需要将车辆节点计算出的ERR中大于门限值的节点ID发送给邻近转发节点即可，同时，在节点E所计算的所有候选节点的ERR中，大于门限值ERRmin的候选节点比较多的情况下，为了进一步的减少网络开销，并不需要将所有候选节点的ID都发送给邻近转发节点，只需要选择其中ERR最大的几个候选节点即可，将选定的候选节点ID附加到信标消息上，然后通过信标消息发送给邻近车辆节点，VANETs中车辆节点接收到了一个信标消息，就可以获得该信标消息中包含的候选车辆ID，该节点也会将自己的候选车辆ID附加到自己发出去的信标消息中，每个车辆节点都可以获得邻近车辆的候选车辆ID，为了能够引导编码包的选择过程，每个车辆节点还需建立并维护两个候选节点权重表same-dir和reverse-dir，权重表same-dir记录的是与本节点同向行驶的候选节点相关信息，权重表reverse-dir记录的是与本节点逆向行驶的候选节点相关信息，这两个权重表唯一不同之处在于他们保存的车辆节点相对于本节点的行驶方向是相反的，里面每条记录的信息是相同的，包含有：车辆节点ID、候选权重W、信标最近接收时间Tx以及更新时间Tlast，候选权重W初始值为0，车辆节点A接收到节点E的一个信标广播，其中含有节点E推荐的候选节点ID，此时称节点E为推荐节点，此时对权重表中相应记录的权重W的计算方法如下所述：(1)在候选节点与节点A同向行驶的情况下：如果候选节点和推荐节点E同向，则将same-dir表中该候选节点的权重W加1，如果候选节点和推荐节点E反向；则将same-dir表中该候选节点的权重W减1；(2)在候选节点和节点A反向行驶的情况下：如果候选节点和推荐节点E同向，则将reverse-dir表中该候选节点的权重W加1；如果候选节点和推荐节点E反向，则将reverse-dir表中该候选节点的权重W减1；这两个权重表的更新机制如下所述：(1)车辆节点每收到一个信标，除了获取到发送节点的状态信息外，还获取到发送节点推荐的候选节点ID，使用这些候选节点ID去邻近车辆状态信息表中查找该候选节点的记录，如果没有该候选节点的记录，则丢弃这个ID；如果有该候选节点的记录，则根据候选节点的行驶方向，分别查找表same-dir(与本节点行驶方向相同)和表reverse-dir(与本节点行驶方向相反)中是否已经含有该候选节点的权重，如果有，则跳到第(3)步，否则，继续执行第(2)步操作；(2)在相应的权重表中创建该候选节点的记录，初始权重为0；(3)更新该记录的权重W和Tlast；步骤5：建立编码转发机制，包括：车载自组织网络VANETs中，对于每个车辆节点而言，都能将所有的车辆划分为两个行驶方向，一个是同向行驶，另一个则是逆向行驶，在选择候选编码包时，是基于行驶方向的，选取的是不同行驶方向的两个车辆节点的信标包，假设P1是选取的同向行驶的一个候选节点的信标包，而P2则是逆向行驶的一个候选节点的信标包，为了能够选出满足条件的P1和P2，需要借助于候选节点权重表same-dir和reverse-dir，按照候选节点权重表的更新机制，权重表same-dir和reverse-dir中权重最大的两个候选节点的原始信标消息就是满足上述条件的。