[发明专利]车联网自组织网络的多角色分类社区聚类方法

摘要

现有针对车联网的社区聚类方法多采用当前速度与行驶方向等预估车辆未来时刻位置来判断未来节点间保持连接的时长，并以此作为聚类依据之一以提高社区稳定性。但由于车辆未来时刻位置受多重因素影响，预估通信连接时间的准确度较低，导致车联网中的社区多呈现生命周期短，节点社区归属变化迅速的特点。同时，现有的车联网社区路由协议将社区中的关键节点作为转发的主要节点，造成关键节点负载过高的问题。本发明针对以上问题给出“车联网自组织网络的多角色分类社区聚类方法”，在社区聚类过程中考虑车辆未来时刻位置，并在社区中细化角色分配。社区属性以及社区节点角色定义包括社区属性，社区节点角色。社区聚类与角色分配方法包括社区形成，社区维护。

主权项

1.一种车联网自组织网络的多角色分类社区聚类方法，其特征在于，包括两部分，一、社区属性以及社区节点角色定义步骤1.1、所述社区属性，定义如下：将VANET抽象成带权无向图的结构；车辆节点作为无向图中的点，车辆之间的无线连接作为点与点之间的边；带权无向图记为G＝(VG，EG)；其中VG＝{ve1，ve2，...vek}代表顶点集，vek表示顶点k；EG＝{e1，e2，...ej}代表边集，ej表示边j；社区以顶点集和边集来表示，社区则抽象为G的子图的形式，记为如果两辆车彼此在对方的传输范围内，则认为这两辆车所抽象的节点之间存在一条边；(1)定义1 车辆直接连通因子TRF(Trasmission Factor)：表示两个车辆节点之间连接的可靠程度，满足公式(2)；其中，TR(Transmission Range)表示车辆通信的最大传输范围；distt(vei，vej)表示t时刻车辆i与车辆j之间的距离；当车辆之间的距离大于最大传输范围时，TRF为0，表明两个车辆节点不存在连接；反映在拓扑图上即是两个节点之间不存在边；当车辆之间的距离小于或等于最大传输范围时，TRF与车辆之间的距离成负相关；距离越近，TRF越大，两个车辆节点之间连接的可靠程度越高，联系越紧密，反映到拓扑图上边的权重就越大；(2)定义2 邻居节点：如果车辆A与车辆B满足TRF(veA，veB)＞0，则称A与B互为邻居节点；反映在拓扑图中，即是veA与veB之间存在一条边；这里定义节点邻居连接中心性来表示车辆当前邻居节点的个数以及车辆与邻居节点之间联系的紧密程度；(3)定义3 邻居连接中心度(NCC)：表示节点与邻居节点的直接连通因子之和；将vei节点在t时刻的NCC值记为Ci，t，则有：其中NSi表示i节点的邻居节点集；NCC越大，表示该节点与其周围节点连接的可靠程度越高，联系越紧密；(4)定义4 预期邻居连接中心度(ENCC)：表示从当前时刻开始，未来一段时间节点NCC值的加权平均；将t时刻节点ve_i的ENCC值记为则有：其中DTS表示时间间隔集合{dt|dt＝0，Δt，2Δt，3Δt，...}，WS表示权重集合{w|w＝w1，w2，...}，Wk代表t+(i‑1)Δt时刻NCC值对应的权值；ENCC值越大，表明车辆在DTS表示的未来一段时间内与周围节点的连接可靠度越高，联系越紧密；(5)定义5 社区邻居连接中心度(CNCC)：表示节点在当前时刻对指定社区内节点的直接连通因子之和；将t时刻ve_i节点对社区COM_k的CNCC值记为则有其中表示ve_i节点在社区COM_k中的邻居节点集；CNCC表示车辆节点与某社区总体的直接连接质量；CNCC值越大，表示该节点当前与社区COM_k总体的直接连接质量越高，联系越紧密；(6)定义6 预期社区邻居连接中心度(ENC)：表示节点在当前时刻以后的一段时间对指定社区的CNCC值的加权平均；将t时刻ve_i节点对社区COM_k的ENC值记作有其中，ENC值越大，则表示该节点在未来一段时间与社区COMk总体的直接连接质量越高，联系越紧密；(7)定义7 节点剩余负载能力(AWL)：表示节点在当前时刻剩余的用于转发数据的缓冲空间；将vei节点在t时刻的AWL值记为AWLi，t；在t时刻向vei节点发送大于AWLi，t的数据包将导致该数据包丢失；步骤1.2所述社区节点角色定义平衡头节点和网关节点的负载，定义头节点守候节点和网关节点守候节点，将社区中的节点角色划分为头节点、网关节点、头节点守候节点、网关节点守候节点与普通成员节点五类；将未归入社区的节点角色定义为游离节点；(1)定义8 头节点(CH)：为社区中ENC值最高的节点；有则节点ve_i被认为在未来一段时间内处于社区中连接质量最好；该节点被选作COM_k的CH节点；如果ENC值最高的节点有多个，则选择编号最低的节点作为CH节点；(2)定义9 头节点守候节点(BCH)：为社区中预期社区邻接中心度相对较高的节点；假设对于社区COMk来说，CH节点为veh，则该社区的BCH节点需满足：h表示CH节点的编号；这里δ是BCH节点选取数量的控制因子；在社区形成之初，CH节点和BCH节点传输数据的负载较低，δ可以设置为一个较大的值，降低BCH节点的数量，使得选取的BCH节点在社区中的连接质量更接近于CH节点，从而使BCH节点的转发特性更接近于CH节点；随着社区中数据包转发任务的加重，CH节点与已选取的BCH节点都达到了很高的数据负载时，可以适当降低δ，选取更多的BCH节点，协助数据转发；(3)定义10 社区COMk对社区COMl的网关节点集(GWS)：定义为集合GWSk，l，满足：即社区COMk对社区COMl的网关节点集的所有节点均属于社区COMk，并与社区COMl中的部分或者全部节点直接相连；(4)定义11 社区COMk对社区COMl的网关节点GWk，l：定义为集合GWSk，l中对社区COMl的ENC值最大的节点；即如果vei∈GWSk，l，则需满足：如果GWSk，l在社区COMl的ENC最大值的节点有多个，则选取编号最低的节点作为社区COMk对社区COMl的网关节点(GW)；(5)定义12 社区COMk对社区COMl的网关节点守候节点集BGWSk，l：定义为GWSk，l中除去网关节点GWk，l之外的其他所有节点，即BGWSk，l＝{vei|vei≠GWk，l，vei∈GWSk，l}          (11)BGWSk，l中的节点定义为社区COMk对社区COMl的网关节点守候节点BGWk，l；普通成员节点(CM)指社区中CH节点、BCH节点、GW节点以及BGW节点之外的其他所有社区节点；CM节点符合以下两条特性：●CM节点与是社区CH节点的单跳邻居节点；即对于社区COM_k，CH节点为CH_k，则CM节点与CH_k之间必存在一条边●对于节点CMi，其所属社区为COMk，则满足公式(12)；不属于任何社区的节点定义为游离节点(SN)；二、社区聚类与角色分配方法车联网社区聚类是将车联网中的节点划分到不同社区中的过程；在车联网自组织网络初始化阶段，每个车辆节点均初始化为SN节点；之后无论是在社区形成阶段还是社区维护阶段，节点总是周期性地向邻居节点广播心跳控制(HB)数据包；HB数据包携带节点的状态信息，包括节点当前位置，节点通过基于车辆位置预测模型预测得到的未来1s、2s、3s的位置，节点所属社区，节点ENCC值，节点ENC值和节点AWL值等；所有节点维护一个邻居信息表NeighborTable，用以计算和对比邻居节点的ENCC和ENC等指标数据；信息表的单项内容如表1所示；表中BEAT_LENGTH表示相邻两次HB数据包发送的时间间隔；较长时间的HB数据包缺失则被认为该邻居节点与vei节点连接断开，将其信息从邻居信息表中移除。