[发明专利]一种VANET中基于连通性的多因素决策路由协议

摘要

本发明涉及一种结合城市VANET网络的特点以及路由协议设计中存在的问题适用于城市场景下的VANET中基于连通性的多因素决策路由协议。本发明的多因素决策路由协议，网络中每个车辆节点都配备有导航定位系统和电子地图设备，周期性的获取自身信息，同时，获得RSU的位置以及道路拓扑结构；当网络中有车辆节点需要发送数据包到目标节点时，目标节点的实时信息通过位置服务反馈系统来获取，获取后添加到数据包包头中。本发明通过车辆节点与部署在路边RSU信息交互、以及多类别的V2R消息统计来获取道路上车辆的分布情况，从而计算出道路密度，以保证连通性与短路径优先为原则选择一条连接源节点到目标节点的最优路径。

主权项

1.一种VANET中基于连通性的多因素决策路由协议方法，网络中每个车辆节点都配备有导航定位系统和电子地图设备，周期性的获取自身信息，同时，获得RSU的位置以及道路拓扑结构；当网络中有车辆节点需要发送数据包到目标节点时，目标节点的实时信息通过位置服务反馈系统来获取，获取后添加到数据包包头中；电子地图中每个道路段具有唯一编号，车辆节点通过电子地图获取自身所属道路的编号，采用宏观路径选择模块与微观转发模块相结合实现网络中数据包的可靠有效传输，同时引入相应的路由恢复模块，基于RSU辅助的宏观路径选择模块，利用多类别的V2R消息统计，在获取道路实时密度后，选择一条当前时刻由源节点到目标节点的最优传输路径，引入目标节点追踪模块，在数据包传输中，追踪目标节点以及所属目标道路段的变化情况，采用动态的方式更新实时性更高的最优路径；动态信标交换机制模块将直接邻居列表中的信息在单播多跳路由传输中作为下一跳转发节点选择的依据；微观转发模块在选择好的既定路径上进行数据包的单播多跳传输时，采用道路段转发算法和交叉路口转发算法；路由恢复模块根据MDCR协议提供相应的路由恢复策略，其特征在于，具体流程如下：步骤一：运行动态信标交换模块，使网络中的每个车辆节点接收邻居Beacon信息流，维护各自的直接邻居列表信息；步骤二：判断是否要转发数据包，若要转发数据包，进入步骤三；否则返回步骤一；步骤三：对需要转发数据包的车辆进行是否获知目标节点信息的判断，若无目标节点信息，通过位置服务系统获取该信息，并进入步骤四；否则，直接进入步骤四；步骤四：启动基于RSU辅助的宏观路径选择模块，判断最优路径是否获取成功，若获取成功直接进入步骤五；否则，启动路由恢复中的重试模块，若重试不成功丢弃数据包，向上层报告错误，路由结束；若重试成功，进入步骤五；步骤五：将组成最优路径的路口序列添加到数据包包头中启动微观转发模块；步骤六：判断目标节点是否属于当前节点的直接邻居列表，若属于，直接发送数据包给目标节点，路由结束；否则，判断车辆所属类别，执行相应的转发算法，当转发数据包的车辆属于路口车辆时，执行交叉路口转发算法，反之，执行道路段转发算法，通过转发算法决定下一跳转发节点；(a)道路段转发算法采用节点轨迹预测机制获得更加准确的邻居节点信息，缩小当前时刻与信标交换时刻时间差所引起的信息误差，减小链路中断的概率；进而根据当前节点与邻居节点间的相对速度、邻居节点距离目标节点的距离以及邻居节点行驶方向等因素定义节点重要度的概念，依赖每个邻居节点的重要度大小选出最佳下一跳转发节点；当邻居节点轨迹预测机制后，距离函数D_AB满足D_AB＜R时，即两节点间的欧式距离小于节点的一跳传输半径称为邻居节点，车辆节点A和B的坐标位置为(x_A,y_A)和(x_B,y_B)，则：根据节点轨迹预测机制，预测得到当前时刻车辆节点位置信息采用公式(3)计算出：其中(x_in,y_in)为预测的坐标位置，即用作选择最佳节点的依据信息，(x_ih,y_ih)和speed_ih是t_h时刻节点i的坐标位置、速度信息；t_h时刻为上一次信标消息交换时直接邻居列表中更新的时间戳，t_n为当前时间；θ_i为节点i的行驶方向，表示与二维坐标轴中X坐标轴的夹角；公式(5)中，(x₁,y₁)、(x₂,y₂)分别为节点i连续两个时间戳下对应的位置信息；当使用节点轨迹预测机制后，直接邻居列表中更新了实时性更高的节点位置信息后，在MDCR协议中以直接邻居列表中节点信息为依据，在综合考虑邻居节点的相对速度、距离以及行驶方向因素上，提出了节点重要度的概念，求得节点重要度最高的邻居节点为下一跳转发节点，如公式(6)所示；其中n_i为当前节点，f_i为预测机制后一跳范围内的邻居节点，d_k为目标节点，α_speed、α_dist、α_direc为三个影响函数各自对应的影响因子，且满足α_speed+α_dist+α_direc＝1，节点重要度的大小由三个影响函数以及各自的影响因子决定；其中表示邻居节点速度因素的影响作用，当邻居节点f_i的速度与当前节点n_i的速度越相近时，速度因素的影响函数值越大，则更高概率被选中成为下一跳转发节点；如公式(7)所示，表示当前节点n_i的速度；定义距离因素的影响函数为其中当前节点n_i到目标节点d_k的距离是最大距离，表示当前节点n_i的任意一个邻居节点f_i到目标节点d_k的距离，在符合条件下，邻居节点f_i到达目标节点d_k越小，距离因素的影响函数值越大，则更高概率被选中为下一跳转发节点；如公式(8)所示；在邻居节点范围内，车辆节点行驶方向更靠近目标节点d_k方向的节点具有更高概率被选择为下一跳转发节点，因此在道路段转发算法中考虑行驶方向因素有利于提高节点选择的准确性，公式(9)中给出了方向因素的影响函数的定义，其中为邻居节点f_i的速度向量，表示从邻居节点f_i到目标节点d_k的向量；(b)交叉路口转发算法称为节点权重值，在交叉路口转发算法中，对于路口车辆，其邻居节点具有的权重值越高，具有更高的概率被选为下一跳转发节点；灰色路径表示当前转发下的最优传输路径，车辆节点S为需要转发数据包的路口车辆，d_k为目标车辆节点，在既定路径上的邻居车辆节点为F_i；在公式(10)中，代表方向信息的影响函数，邻居节点中更加靠近源节点与目标节点连线的节点具有更高概率被选为下一跳节点，则影响函数具有更高的权重；车辆节点获取得到的位置信息为S(S.x,d_k.y)，F_i(F_i.x,F_i.y)，d_k(d_k.x,d_k.y)，方向信息的影响函数定义如公式(11)所示；定义交叉路口处的车辆位置信息影响函数为其中分别表示邻居节点F_i、源节点S到达目标节点d_k的距离；如公式(12)所示；定义在无线车载环境中，通讯范围内的相邻车辆间无线链路传输损耗如公式(13)所示；其中α表示车辆间通信的路径损耗指数，该值的大小来源于场景中通信两端的距离与接收功率衰减性的关系，VANET场景中一般取4～8之间，表示信道的衰落特性，服从零均值的高斯分布，表示当前节点S与邻居节点F_i之间的距离；当前节点S与邻居节点F_i间输入输出的最大互信息量如公式(14)所示；其中SNR表示通信两端的信噪比；定义车辆间数据包的传输速率为V_packet，单位为bit/(s·Hz)，使用来表征相邻车辆间直接通信时的中断概率；其中定义VANET中无线传输损耗服从瑞利衰落，且随通信两端的距离函数呈指数分布，推导出当前车辆S与邻居车辆F_i间直接通信的中断概率如公式(15)所示；无线链路衰落影响函数如公式(16)所示；判断矩阵P＝(p_ij)_n×n,i,j∈{1,2,...,n}，满足其中w_i表示第i个因素的权重系数；p_ij表示第i个因素相比于第j个因素的重要性；MDCR协议中提出的两类转发算法都是基于三个因素的决策来选择下一跳节点，建立三阶的判断矩阵；步骤1：对于三阶矩阵P，使用P‑λE＝0求得λ_max；步骤2：定义特征值λ_max对应的特征向量为W＝[w₁ w₂ w₃]^T，满足P·W＝λ_max·W；步骤3：对求得的特征向量进行归一化处理；步骤4：进行利用公式，若获得的CR值满足CR＜0.1则认为判断矩阵保持一致性，分配的权重比较符合，若不满足CR＜0.1，则需要对判断矩阵P进行调整，重复以上步骤直到满足一致性检验：步骤五：一致性检验通过后的最终得到的权重系数为：步骤七：判断最佳下一跳转发节点是否获取成功，若成功，进入步骤八；否则，启动“存储‑转发”机制，等待固定时间间隔后，依据实时车辆所属类别，执行相应算法，同时判断是否找到有效下一跳转发节点，若寻找成功，进入步骤八；否则，丢弃数据包，向上层报告错误，路由结束；步骤八：将数据包转发给选定的下一跳转发节点；步骤九：依赖计算得到的路径动态更新周期，判断目标节点是否偏离目标道路段，若目标节点未偏离目标道路段，返回步骤六，携带数据包的车辆节点继续进行下一跳节点的选择传输；若偏离目标道路段，启动目标节点追踪模块，更新实时最优路径，返回步骤四。