[发明专利]车载自组网中基于节点密度分布的自适应数据分发方法

说明书

技术领域

本发明属于自组网技术领域，尤其是一种用于车载自组网的基于节点密度分布的自适应数据分发方法。

背景技术

车载自组网(Vehicular Ad-hoc Networks，简称VANET)是安装在车辆上的无线节点(本文简称节点)和路边基础设置(Road side Unit，简称RSU)组成的自组织异构无线多跳网络，通信模式包括节点之间自组织多跳通信和节点与RSU之间的通信。车载自组网是无线传感网和无线自组网在智能交通领域的特殊应用。它具有明显的新特性：网络规模大、节点移动速度快、节点空间分布不均匀、节点移动轨迹受道路限制、节点具有较强的计算能力和充足的电源供应等。车载自组网的典型应用包括交通管理、交通安全和城市监测等。

复杂的城市交通环境对VANET的数据分发提出了挑战。首先，节点的高移动性造成链路生存期短，现有研究表明在车辆平均速度100km/h时，如果节点的覆盖半径为250m，则链路存在15s的概率仅为57％，频繁变化的网络拓扑结构使基于路由发现与维护的同步路由机制难以有效应用。其次，由于地理位置、交通状况等因素，车辆节点往往呈现强烈的不均匀分布，节点密集区域和稀疏区域同时存在，网络连通度呈现较大差异，这要求数据分发策略具有自适应机制，能够动态调整消息转发模式，获得高转发性能和低资源消耗的平衡折中。

(1)传染性路由协议

传染性路由协议(epidemic routing protocol)使用“存储携带转发”(store-carry-forward)的模式进行消息转发：节点接收到消息后暂时缓存(store)，在移动过程中携带(carry)数据等到下一次与合适节点相遇才进行转发(forward)。转发过程模仿病毒扩散传播的原理：源节点产生消息后，在移动过程中将消息复制后转发给所有相遇节点，接收到副本的节点以同样的方法将消息分发给所有未携带该消息的相遇节点，最终带有消息副本的节点与目的节点相遇，消息转发成功。

传染性路由协议假设节点使用固定大小的缓冲空间用于暂存接收到的消息。缓存中的消息包含额外的信息：①一个32bit消息标识符(message identifier)，其中包括16bit的节点标识和16bit的消息标识；②消息的跳数限制，规定了消息在网络中可被复制转发的最大次数；③可选的ack request。节点使用Hash表对所有缓存消息的标识符进行索引并建立位向量(bitvector)，称为摘要向量(Summary Vector：SV)，表示本节点暂存消息的目录。

若节点A和节点B相遇并建立连接，消息转发过程如下：

步骤1：节点A将所有暂存消息的标识符进行Hash索引，生成摘要向量SV_a并发送给节点B；

步骤2：节点B接收SV_a，生成本节点的摘要向量SV_b，对二者进行逻辑与运算，发现节点A已缓存但本节点尚未缓存的消息，向节点A发送消息列表，请求转发消息；

步骤3：节点A根据请求产生相应消息的冗余副本，转发给节点B。

传染性路由协议使用消息跳数限制和缓冲区调度策略控制资源消耗。节点进行消息转发时首先检查跳数限制，若转发次数已经达到跳数限制则不再转发该消息。跳数限制的值对路由协议性能具有重要影响。若将跳数限制设为1，则传染性路由协议退化为直接传输(direct transmission)策略。大的跳数限制的值能够获得更高的传输成功率和更低的平均时延，但增加了网络中的消息副本数，占用更多节点缓存空间和通信带宽。由于缓冲区空间是有限的，必须采用合适的调度策略在缓冲区溢出时选择性地删除部分信息，简单的实现方式是先进先出(first-in-first-out：FIFO)策略，即最先删除最早接收到的消息。

基于洪泛转发机制的传染性路由协议的设计目标是获得最大化传输成功率和最小化时延。在节点稀疏或者节点移动没有明显规律的情况下，传染性路由协议是保证传输成功率和低时延的有效方法。在车辆网络环境中，特别在节点稀疏的情况下，由于节点高移动性和网络拓扑结构的不稳定性，传染性路由协议相对于其它方法能够实现较高的可靠性。

传染性路由协议的主要缺点是资源浪费问题。由于节点向每个相遇节点转发消息副本，网络中冗余消息副本的数量将以指数速度增长，大量浪费节点缓存空间和通信带宽。在带宽有限，信道竞争和冲突频发的无线网络环境中，这种协议的缺点非常明显。