一种基于链路传输能力的跨层车载网路由方法转让专利
申请号 : CN201710216911.1
文献号 : CN107105388B
文献日 : 2019-07-16
发明人 : 朱琦 , 贲挹坤
申请人 : 南京邮电大学
摘要 :
本发明公开了一种基于链路传输能力的车载网络跨层路由方法。本发明方法在车载网络城市场景中，结合已有的MAC层接入协议，考虑因为信道衰落产生的传输失败概率和邻节点信道使用情况，通过定义表征节点之间的通信能力的参数，反映了节点之间传输的有效性；在此基础上给出了一种新的适应城市场景的路由判据，实现了一种网路层与MAC层的协议设计，可以更有效的利用节点进行转发。本发明以提高链路的稳定性为目的，尽量减少了重新建立路由的次数，从而降低了平均端到端时延，减少了丢包率。
权利要求 :
1.一种基于链路传输能力的跨层车载网路由方法，其特征在于，包括以下内容：
1)计算节点在数据流上发送数据的成功概率：设集合 示源节点S到目标节点D的N条路由路径，集合 表示路径Rj所包含的M个节点序列，节点 表示路由路径Rj上的第i跳节点； 表示当节点在数据流S→D上，能成功将信息发送到下一跳节点 的概率；路径损耗下节点 的接收功率为 其中 表示节点 和节点 之间的距离，Pt为距离 节点d0距离处的接收功率，γ为路径损耗系数，K为环境常数；当节点 与节点 之间存在建筑物阻挡时，进行一次发送数据的成功概率为其中erf表示误差函数，ΨdB为发射与接收功率比值的分贝值，服从均值为μdB，标准差为的正态分布，εth表示节点 的接收功率阈值的对数形式；当节点 与节点 之间不存在建筑物阻挡时，进行一次发送数据的成功概率为 其中Pth表示节点 的接收功率阈值；
2).计算节点能够使用业务信道进行发送的概率：定义节点 能够使用业务信道进行发送的概率 表示最近N个长度为T的周期内，能够使用业务信道的时间的平均值，其中 表示节点 在第k个周期内两跳内业务信道都被占用的总时间，在这些时间内节点 无法占用业务信道进行数据发送；
3).计算节点的等待系数：定义等待系数 为节点 在占用业务信道时，距离发送属于数据流S→D的数据分组所需要等待时间的倒数，其中 表示节点 的业务队列中正在等待发送的数据分组数；
4).计算节点能够保持业务信道占用的概率：定义 节点能够保持业务信道占用的概率 表示控制信道的时隙数与节点 两跳内节点数量的比值，其中Nsn表示控制信道的时隙数， 表示节点 两跳内的节点数量，min表示取较小值，当时隙数大于节点数量时取1，表示能够保持占用业务信道；
5).计算路由判据和路由选择：定义数据流S→D上的某个节点 对于该数据流的发送能力 路由选择为 或
说明书 :
一种基于链路传输能力的跨层车载网路由方法
技术领域
[0001] 本发明设计了一种基于链路传输能力的跨层车载网路由方法，属于通信技术领域。
背景技术
[0002] 车载自组织网络(VANET)作为移动自组织网络(MANET)的一个研究方向，在智能交通系统(ITS)中有着重要的应用。VANET将车辆节点与道路基础设施作为网络节点，主要实现车辆间通信(V2V，Vehicle-to-Vehicle Communication)和车辆与路边设施之间的通信(V2I，Vehicle-to-Infrastructure Communication)，构成了实时通信的移动网络，提高了交通的安全性和管理效率，同时也为车辆驾驶提供了更多的服务。由于车辆的高移动型，VANET具有网络拓扑频繁变化的特性，一般的MANET协议在VANET场景下，容易产生网络中断，高时延，高丢包率等问题，无法满足VANET的需求。所以VANET的协议设计成为了解决这些问题的研究热点。
[0003] 车载网络城市场景中，因为建筑物的阻挡和节点的移动性，节点间的链路频繁断开会对于网络性能产生较大的影响；跨层设计结合邻节点的信道使用情况，考虑不同信道衰落产生的传输失败概率，可以更有效的使用无线信道资源，具有广泛的研究与应用前景。
发明内容
[0004] 技术问题：本发明所要解决的技术问题在于克服传统路由在VANET下的缺点，提供一种综合考虑城市场景中影响链路传输能力的路由方法，确保链路的稳定传输能力，提高网络资源的利用率。
[0005] 本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题。
[0006] 技术方案：本发明旨在提供一种基于链路传输能力的跨层车载网路由方法，该方法包括：
[0007] 1).计算节点在数据流上发送数据的成功概率：设集合 示源节点S到目标节点D的N条路由路径，集合 表示路径Rj所包含的M
个节点序列，节点 表示路由路径Rj上的第i跳节点。 表示当
节点 在数据流S→D上，能成功将信息发送到下一跳节点 的概率。路径损耗下节点的接收功率为 其中 表示节点 和节点 之间的距离，Pt为距离 节
点d0距离处的接收功率，γ为路径损耗系数，K为环境常数。当节点 与节点 之间存在建筑物阻挡时，进行一次发送数据的成功概率为
其中erf表示误差函数，ΨdB为发射与接收功率比值的分贝值，服从均值为μdB，标准差为的正态分布，εth表示节点 的接收功率阈值的对数形式；当节点 与节点 之间不存在建筑物阻挡时，进行一次发送数据的成功概率为 其
中Pth表示节点 的接收功率阈值。
个节点序列，节点 表示路由路径Rj上的第i跳节点。 表示当
节点 在数据流S→D上，能成功将信息发送到下一跳节点 的概率。路径损耗下节点的接收功率为 其中 表示节点 和节点 之间的距离，Pt为距离 节
点d0距离处的接收功率，γ为路径损耗系数，K为环境常数。当节点 与节点 之间存在建筑物阻挡时，进行一次发送数据的成功概率为
其中erf表示误差函数，ΨdB为发射与接收功率比值的分贝值，服从均值为μdB，标准差为的正态分布，εth表示节点 的接收功率阈值的对数形式；当节点 与节点 之间不存在建筑物阻挡时，进行一次发送数据的成功概率为 其
中Pth表示节点 的接收功率阈值。
[0008] 2).计算节点能够使用业务信道进行发送的概率：定义节点 能够使用业务信道进行发送的概率 表示最近N个长度为T的周期内，能够使用业务信道的时间的平均值，其中 表示节点 在第k个周期内两跳内业务信道都被占用的总时间，在这些时间内节 无法占用业务信道进行数据发送。
[0009] 3).计算节点的等待系数：定义等待系数 为节点 在占用业务信道时，距离发送属于数据流S→D的数据分组所需要等待时间的倒数，其中 表示节点 的业务队列中正在等待发送的数据分组数。
[0010] 4).计算节点能够保持业务信道占用的概率：定义 节点能够保持业务信道占用的概率 表示控制信道的时隙数与节点 两跳内节点数量的比值，其中Nsn表示控制信道的时隙数， 表示节点 两跳内的节点数量，min表示取较小值，当时隙数大于节点数量时取1，表示能够保持占用业务信道。
[0011] 5)计算路由判据和路由选择：定义数据流S→D上的某个节点 对于该数据流的发送能力 路由选择为
[0012] 有益效果
[0013] 本发明利用了跨层的机制提出了一种VANET中基于链路传输能力的跨层车载网路由方法，利用该方法建立的路由能提高链路的稳定性，可以显著地改善平均端到端延时、吞吐量、丢包率等网络性能。
附图说明
[0014] 图1是路由选择的流程图。
[0015] 图2是节点链路示意图。
[0016] 图3是LCPR跨层结构示意图
[0017] 图4是路由算法的算法流程图。
具体实施方式
[0018] 以下结合附图具体说明。
[0019] 车载自组织网络中车辆的移动性使得网络拓扑频繁变化，城市场景中存在建筑物的遮挡，路由链路相比一般的移动自组织网络更加容易变动。传统的路由协议是通过维护路由链路表进行路由选择算法的，如果因为节点的移动导致链路频繁断开对于网络通信的有效性会产生很大的影响.
[0020] 为了解决这个问题，本发明提出了一种基于链路传输能力的路由机制，算法流程如图1所示。根据邻居节点的位置和信道使用情况，将每一跳可行链路进行预测用来优化路由选择。在MAC层使用VeMAC协议接入，所有节点在多信道场景下的接入控制信道，并在控制信道上广播控制信息，进行信道预约和节点信息交换。定义表征节点之间的通信能力的参数反映了节点之间传输的有效性；在此基础上给出了一种新的适应城市场景的路由判据，实现了一种网路层与MAC层的协议设计。分为路由判据和协议实现两个部分。
[0021] 1、路由判据
[0022] 由于城市中有大量的建筑物，在街道上行驶的车辆两两之间进行通信时，可以分两种情况进行讨论，即节点间不存在障碍物和节点间存在障碍物。
[0023] 当节点之间不存在障碍物时，信道衰落模型可以采用大尺度路径损耗模型，接收功率Pr为：
[0024]
[0025] 其中Pt为发射功率，d0为单位距离，d为发射点和接收点之间的距离，γ路径损耗系数，K为常数。
[0026] 当节点之间的信道存在建筑物时，需要考虑阴影效应，一般采用对数正态阴影模型来表示阴影衰落：
[0027]
[0028] 其中ΨdB为功率发射与接收功率比值的分贝值，它服从均值为μdB，标准差为的正态分布
[0029]
[0030] 因此当两个车辆节点之间有障碍物时，信道衰落为阴影衰落与路径损耗的叠加，接收功率与发射功率比值的分贝值可以表示为：
[0031]
[0032] 对接收功率的概率在接收门限的范围内做变上限积分，则对于存在障碍物时节点之间通信成功的概率为：
[0033]
[0034] 其中erf表示误差函数，这样就得出当存在障碍物时两节点之间的通信成功概率。
[0035] 进一步考虑不存在障碍物的情况，节点之间在城市内的传输存在多径效应对于传输成功的概率有着一定的，考虑瑞利衰落对于信号产生的影响。瑞利信道下节点间的直接传输成功概率为：
[0036]
[0037] 如图2所示，假设网络中存在着10个节点组成多个数据流，对于其中一条数据流S→D，定义流上的某个节点X对于数据流S→D的发送能力：
[0038]
[0039] 式中每项的具体定义如下：
[0040] (1) 表示节点X能够使用业务信道进行发送的概率，其定义为在最近N个长度为T的周期内，节点X能够有可以使用的业务信道的平均值，即 其中N为最近的周期个数，T为周期长度， 表示节点X在第i个周期内两跳内业务信道都被占用的总时间，在这些时间内节点X无法占用业务信道进行数据发送；
[0041] (2) 表示节点X在占用业务信道时，距离发送属于数据流S→D的数据分组所需要等待时间的倒数，即 其中， 表示节点X的业务队列中正在等待发送的数据分组数。
[0042] (3) 表示节点X能够保持业务信道占用的概率，其定义为控制信道的时隙数与节点X空两跳内节点数量的比值，即 Nsn表示控制信道的时隙数，表示节点X两跳内的节点数量，min表示取较小值，当时隙数大于节点数量时取1，表示能够保持占用业务信道。
[0043] (4) 表示当节点X在数据流S→D上，能成功将信息发送到S→D下一跳Y的概率，即 当X点已经是终点时，取最大值1。当X与Y之间存在障碍物时，使用 计算；当X与Y之间不存在障碍物时，使用 计算。
[0044] 上游节点若发送成功，则表示下游节点也成功接收了，所以可以给出节点接收能力的定义，在数据流S→D中对于节点X的上游节点W，
[0045] 设集合 表示源节点S到目标节点D的M条路由路径，结合表示路径Rj所包含的L个节点序列，节点hij表示路由路径Rj上的第
i跳节点。
i跳节点。
[0046] 根据每个节点的综合能力，定义路由判据为：
[0047]
[0048] 或
[0049]
[0050] 2、协议实现
[0051] 基于链路传输能力的车载网络跨层路由协议在AODV的基础上扩展而来，以新的路由判据来重新定义路由表，在路由表中增加了链路总传输能力。MAC层以车载网络多信道接入协议VeMAC为基础，使用无竞争的信道预约，在控制信道上广播更新节点的信息。图3给出了协议中各层之间的工作关系。从图中可以看出，网络层在计算路由判据时，需要获得链路层中邻居节点的信道接入情况、业务情况和传输成功概率；在路由维持过程中，需要不断接收链路层反馈的信息来更新路由表。
[0052] 图4为源节点为S目的节点为D时的路由算法流程图，具体步骤如下：
[0053] (1)如果源节点S不存在到达目的节点D的路由，或者原路由已经过期，向周围节点广播路由请求；
[0054] (2)中间节点接受到源节点S发来的路由请求后，向S建立反向路由，更新路由信息，如果中间节点仍不存在到目的节点D的路由，中间节点继续广播路由请求；
[0055] (3)D收到源节点发来的路由请求后，首先判断是否接收过相同序号的路由请求，如果已经收到过则无视该请求；计算整条路径的路由判据，反向更新路由信息；向源节点S发送包含自身传输能力参数的路由信息；
[0056] (4)源节点S收到来自目的节点D发来的路由消息后，前向更新路由。