專利名稱：一種基于車流密度的物聯(lián)網(wǎng)組播數(shù)據(jù)傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于物聯(lián)網(wǎng)通信領(lǐng)域，涉及一種基于車流密度的物聯(lián)網(wǎng)組播數(shù)據(jù)傳輸方法，用于從運動的車輛向一組固定位置的目標(biāo)節(jié)點投遞數(shù)據(jù)。在該技術(shù)中提出了一種基于實時車流密度量化，并基于路網(wǎng)拓?fù)涞奈锫?lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的組播方法。應(yīng)用該技術(shù)能夠以低開銷實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)組播，同時具備較低的數(shù)據(jù)投遞延時。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及的物聯(lián)網(wǎng)特指由多個具有車載短距離無線通信設(shè)備的車輛自組織形成的移動自組網(wǎng)。在這類物聯(lián)網(wǎng)中，節(jié)點移動速度快，拓?fù)渥兓l繁，同時車輛運動受城市道路約束，這些特點使物聯(lián)網(wǎng)顯著區(qū)別于一般的移動無線自組網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸可以通過無線方式多跳傳輸，也可以通過車輛攜帶方式，也可以“多跳方式”、“車輛攜帶”兩種方式交替進(jìn)行。目前物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的數(shù)據(jù)組播機(jī)制，可以分作三類，分別為基于組播樹、基于主干節(jié)點和無結(jié)構(gòu)組播。在基于組播樹的組播中，數(shù)據(jù)包需要沿著由節(jié)點組成的完整的組播樹發(fā)往目標(biāo)節(jié)點。這一類組播機(jī)制由于需要長期維護(hù)組播樹，導(dǎo)致開銷過大，因此不適用于拓?fù)涓叨葎討B(tài)的物聯(lián)網(wǎng)?；谥鞲晒?jié)點的組播選擇網(wǎng)絡(luò)中一部分運動或位置相對穩(wěn)定的節(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)主干接點，形成·虛擬拓?fù)?，在主干?jié)點上維護(hù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，并管理周邊非主干節(jié)點。主干節(jié)點間的組播采用基于組播樹的方式?；谥鞲山狱c的組播雖然不需要再全網(wǎng)范圍維護(hù)組播樹信息，但對于快速移動的物聯(lián)網(wǎng)，仍然需要頻繁更新主干節(jié)點上維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，開銷仍然過大。而對于節(jié)點全移動的物聯(lián)網(wǎng)，可能并不容易找到運動相對穩(wěn)定的主干節(jié)點。無結(jié)構(gòu)組播將消息的目的節(jié)點信息全部放入數(shù)據(jù)包包頭中，中繼節(jié)點將根據(jù)這些信息為每個消息拷貝選擇合適的下一跳節(jié)點。無結(jié)構(gòu)組播所需控制信息最少，但當(dāng)目標(biāo)組成員較多時，消息包頭過長，帶寬有效利用率將因此降低。

發(fā)明內(nèi)容
為克服上述方案缺陷與不足，本發(fā)明涉及一種基于車流密度的物聯(lián)網(wǎng)組播數(shù)據(jù)傳輸方法，結(jié)合道路拓?fù)渑c量化后的道路車流狀態(tài)，以路口為單位逐跳的實現(xiàn)數(shù)據(jù)組播。本發(fā)明涉及的技術(shù)使用雙向車流轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，使路段上具備短距離無線通信能力的車輛可參與該路段上任意方向的數(shù)據(jù)發(fā)送。與僅依賴單向車流的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制相比較而言，車輛間有更充分的通信機(jī)會，從而提高數(shù)據(jù)投遞成功率，以及縮短數(shù)據(jù)投遞延時。此外，本發(fā)明假設(shè)車輛能通過某種定位技術(shù)(如裝配GPS接收設(shè)備)獲取其當(dāng)前位置，并能通過電子地圖獲取城市中的道路實時車流密度情況或最近的歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)信息。每個節(jié)點具有全向通信天線，所有節(jié)點的通信半徑記做R。一般來說，R的取值范圍50米至200米。一種基于車流密度的物聯(lián)網(wǎng)組播數(shù)據(jù)傳輸方法，根據(jù)每個路段上雙向車流密度及其路段長度信息計算該路段的代價，并結(jié)合組播信源S、各組播成員位置和地圖構(gòu)造擴(kuò)展圖，由該擴(kuò)展圖計算網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點間的最短路徑，組播數(shù)據(jù)包針對網(wǎng)絡(luò)中不同的目標(biāo)節(jié)點分別根據(jù)上述路徑計算結(jié)果逐路段、逐跳轉(zhuǎn)發(fā)。所述的傳輸方法，沿最短路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時，包括數(shù)據(jù)包的路段轉(zhuǎn)發(fā)階段和路口轉(zhuǎn)發(fā)階段，路段轉(zhuǎn)發(fā)中優(yōu)先將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給最短路徑中最接近下一跳路口的車輛；路口轉(zhuǎn)發(fā)中將針對每一目標(biāo)節(jié)點的組播數(shù)據(jù)優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)到該目標(biāo)節(jié)點的所有鄰居路口中路徑代價最小、且當(dāng)前路口有車輛向該鄰居路口行使的路口 ；每個組播數(shù)據(jù)包攜帶該數(shù)據(jù)包希望到達(dá)的組播成員集合，該集合含一個或多個成員。在本發(fā)明中，由于僅使用路段平均車流密度進(jìn)行傳輸代價估計，并在計算過程中進(jìn)行了量化處理，因此對交通流信息的精度及實時性要求較低，減少了路由開銷。另一方面，由于道路車流密度變化相對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓臃€(wěn)定，因此基于路口逐跳轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)會使路由過程相對穩(wěn)定。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的路口轉(zhuǎn)發(fā)過程示例。
具體實施例方式I)路段代價計算方法:將城市路網(wǎng)拓?fù)浣３蔁o向加權(quán)圖G(V，E)，每個路口作為一個頂點，V(G)表示路口的集合，E (G)表示路段的集合，則當(dāng)路口 X與路口 y為相鄰路口時，有(x，y) e E(G)。令rxy代表路段(X，y)上的車流密度值，Lxy代表路段(X，y)的長度，Numxy代表路段(X，y)的雙向車輛總數(shù)(包括從路口 X到路口 y和從路口 I到路口 X兩個方向上的所有
車輛)，有 rxy=Numxy/Lxy。假設(shè)車輛密度按照從疏到密`劃分為N個等級，對應(yīng)密度區(qū)間集合為{[O, rj, (r1； r2],…，(rN_2, Tn^1 ], (^1, °ο )}，(Kr1Cr2〈…，00，其中
=IV1-1V2，將道路上的車輛密度信息量化后并編號，記做<.，當(dāng)rxy e
時，<=2;…;當(dāng)rxye (^1, °ο )時=Ν。在道路密度信息量化以后，定義
網(wǎng)絡(luò)中的每個路段(X，y)的路徑代價權(quán)值如下。2)基于信源和信宿的擴(kuò)展圖生成方法:給定信源s位置和信宿t位置和基于流量的拓?fù)鋱DG，構(gòu)造新的擴(kuò)展圖G’，具體方法如下:V (G，)=V (G)，E (G，)=E (G)；如果s處于圖G中某路段(x，y)之中，則在s所在位置加一個新的虛擬路口 0，HG’ )=V(G，) + {0}，E(G，)=E(G，) + {(x, O), (0，y)} - {(x，y)}，其中 “ + ” 代表集合的合并運算，代表集合的減運算，令rx() = r0y = rxy ;否則，如果信源s正處于原圖G中的某一路口，這時，則直接將該路口記做為O ;如果t處于圖G中某路段(i，j之中，則在t所在位置加一個新的虛擬路口 D，V(G’)=V(G’)+ {D}，E(G’)=E(G’)+ {(i，D)，(D，j)} - {(i，j)}，令 riD = rDJ = ru ;否則，如果信宿t正處于原圖G中的某一路口，則直接將該路口記做為D ；構(gòu)造擴(kuò)展圖完畢G’。
3)結(jié)合擴(kuò)展圖的最短路徑計算方法:根據(jù)道路拓?fù)鋱DG’和G’中每一個路段的代價，則可根據(jù)Dijkstra最短路算法計算從圖中路口 i到目標(biāo)路口 D的最短路徑及其路徑代價估計值CiD，路徑計算完畢后，即可執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。4)結(jié)合上述路徑計算方法的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)方法:根據(jù)數(shù)據(jù)包所處位置，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程分為兩階段:當(dāng)數(shù)據(jù)包處于路段上時，為路段轉(zhuǎn)發(fā)階段；當(dāng)數(shù)據(jù)包處于路口處時，為路口轉(zhuǎn)發(fā)階段。在路段轉(zhuǎn)發(fā)中，對于每個持有數(shù)據(jù)包的車輛來說，如果鄰居節(jié)點中存在更接近下一跳路口的車輛，則將分組轉(zhuǎn)發(fā)給該車輛，如果存在多個這樣的鄰居，則轉(zhuǎn)發(fā)給最靠近下一跳路口的車輛，如果不存在這樣的鄰居，該車輛則自己攜帶該分組，直至到達(dá)下一跳路口，或遇到比自己更靠近下一跳路口的車輛；如果行進(jìn)過程中遇到一個目標(biāo)組播節(jié)點，則直接將分組轉(zhuǎn)交給目標(biāo)組播節(jié)點，如果數(shù)據(jù)包仍存在其它目標(biāo)組播節(jié)點，則繼續(xù)沿該路段轉(zhuǎn)發(fā)，否則停止轉(zhuǎn)發(fā)；路段上的中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點不允許改變分組的下一跳路口方向。在路口轉(zhuǎn)發(fā)中，當(dāng)持有數(shù)據(jù)包m的車輛V位于路口 X時，X e V(G’)，會首先確定X的鄰居路口集N(X)，然后根據(jù)量化后的車流密度擴(kuò)展圖G’和數(shù)據(jù)包m的目標(biāo)組播節(jié)點集合t(m)，計算當(dāng)前路口的每個鄰居路口 y到每個目標(biāo)組播成員t的最小投遞代價值Cyt，其中，y e N(x)，t e t(m);隨后，對于每個組播成員t根據(jù)計算得到的每個鄰居路口 y的Cyt值對N(X)集合中的各個路口按到該目標(biāo)節(jié)點t的最小投遞代價值從 小到大的順序進(jìn)行排序，得到排序后的路口集合，從中選擇優(yōu)先級最高，且正有車輛行駛的路口方向作為到t的下一跳路口，記做Next*⑴；隨后，V將m的目標(biāo)組播節(jié)點集t(m)依據(jù)計算得到的{Next*(t) 11 e t(m)}劃分為 k 個子集 It1 (m)，t2(m),...，tk(m)},對于所有的 x e t^m),
k，這些組播信宿都具有相同的下一跳路口方向，并將數(shù)據(jù)包復(fù)制k份，對第i個數(shù)據(jù)拷貝，V將其數(shù)據(jù)包頭中的目標(biāo)節(jié)點集合t (m)更改為對應(yīng)的目標(biāo)節(jié)點子集\ (m)，并選擇所對應(yīng)的下一跳路口作為分組轉(zhuǎn)發(fā)方向，將該方向上另一端路口作為分組的下一跳路口存入數(shù)據(jù)包頭中，并將數(shù)據(jù)包發(fā)往該方向上的最接近下一跳路口的鄰居車輛。具體實施例一:I)車輛密度量化參數(shù)r” Iv1, N的選擇方法示例。首先對路段長度進(jìn)行歸一化，路段(X，y)的長度歸一化為Lxy=Lxy/R。如果rxy〈l/3，則認(rèn)為車輛太稀疏，很難進(jìn)行多跳傳輸，因此，可設(shè)定6=1，!., —^ΙΟ,Ν=^)。2)下面結(jié)合附圖對數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)過程中的路口轉(zhuǎn)發(fā)作進(jìn)一步的說明。如附圖1所示，假設(shè)路段長度為單位長度，路口 X處有車輛、攜帶數(shù)據(jù)包m需要發(fā)往目標(biāo)節(jié)點h、t2、t3，路段xy上有車輛V2行駛，路段XZ上有車輛V3行駛。使用步驟4)中所述路口轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，可以得知目標(biāo)組節(jié)點h與t2對應(yīng)下一跳路口 y，t3對應(yīng)下一跳路口Z0因車輛V1將數(shù)據(jù)包復(fù)制成兩份，其中一份的目標(biāo)節(jié)點域更改為t2，轉(zhuǎn)發(fā)在路段xy上行駛的車輛v2，另外一份則更改為t3，并轉(zhuǎn)發(fā)給路段XZ上行駛的車輛v3。當(dāng)這兩份數(shù)據(jù)拷貝分別進(jìn)入下一跳路口 I和z后，則會重復(fù)上述過程，直至被最終投遞給目標(biāo)組節(jié)點。
權(quán)利要求
1.一種基于車流密度的物聯(lián)網(wǎng)組播數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于: 根據(jù)每個路段上雙向車流密度及其路段長度信息計算該路段的代價，并結(jié)合組播信源s位置、各組播成員位置和地圖構(gòu)造擴(kuò)展圖，由該擴(kuò)展圖計算網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點間的最短路徑，組播數(shù)據(jù)包針對網(wǎng)絡(luò)中不同的組播信宿分別根據(jù)上述路徑計算結(jié)果逐路段、逐跳轉(zhuǎn)發(fā)，每個組播成員也稱為組播信宿或目標(biāo)節(jié)點。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳輸方法，其特征在于: 沿最短路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時，包括數(shù)據(jù)包的路段轉(zhuǎn)發(fā)階段和路口轉(zhuǎn)發(fā)階段，路段轉(zhuǎn)發(fā)中優(yōu)先將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給最短路徑中最接近下一跳路口的車輛；路口轉(zhuǎn)發(fā)中將針對每一目標(biāo)節(jié)點的組播數(shù)據(jù)優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)到所有鄰居路口中距離該目標(biāo)節(jié)點的路徑代價最小、且當(dāng)前路口有車輛正向該鄰居路口行使的路口 ；每個組播數(shù)據(jù)包攜帶該數(shù)據(jù)包希望到達(dá)的組播成員集合，該集合含一個或多個成員。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳輸方法，其特征在于其中根據(jù)每個路段上雙向車流密度及其路段長度信息計算該路段的代價，包括如下步驟: 將城市路網(wǎng)拓?fù)浣３蔁o向加權(quán)圖G(V，E)，每個路口作為一個頂點，V(G)表示路口的集合，E(G)表示路段的集合，則當(dāng)路口 X與路口 y為相鄰路口時，有(X，y) e E(G)； 令rxy代表路段(X，y)上的車流密度值，Lxy代表路段(X，y)的長度，Numxy代表路段(X，y)的雙向車輛總數(shù)，有rxy=Numxy/Lxy ； 將車輛密度按照從疏到密劃分為N個等級，對應(yīng)密度區(qū)間集合為{
，
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳輸方法，其特征在于，所述組播信源s位置、各組播成員位置和地圖構(gòu)造道路拓?fù)鋽U(kuò)展圖G’，其中各組播目標(biāo)成員t，t e M，M代表組播成員集合，具體包括如下步驟:
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳輸方法，其特征在于，所述由該擴(kuò)展圖計算網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點間的最短路徑包括: 根據(jù)道路拓?fù)鋽U(kuò)展圖G’和擴(kuò)展圖G’中每一個路段的路徑代價權(quán)值，利用Dijkstra最短路算法計算拓?fù)鋱D中任意路口 i到任意組播信宿所在路口 D的最小代價路徑及其路徑代價CiD，i將隨數(shù)據(jù)包的逐路段轉(zhuǎn)發(fā)而變，組播信宿路口可以是實際路口，也可以是虛擬路□。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳輸方法，其特征在于，組播數(shù)據(jù)包針對網(wǎng)絡(luò)中不同的目標(biāo)節(jié)點分別根據(jù)所述路徑計算結(jié)果逐路段、逐跳轉(zhuǎn)發(fā)包括路段轉(zhuǎn)發(fā)階段和路口轉(zhuǎn)發(fā)階段: 在路段轉(zhuǎn)發(fā)中，對于每個持有數(shù)據(jù)包的車輛來說，如果鄰居節(jié)點中存在更接近下一跳路口的車輛，則將分組轉(zhuǎn)發(fā)給該車輛，如果存在多個這樣的鄰居，則轉(zhuǎn)發(fā)給最靠近下一跳路口的車輛，如果不存在這樣的鄰居，該車輛則自己攜帶該分組，直至到達(dá)下一跳路口，或遇到比自己更靠近下一跳路口的車輛；如果行進(jìn)過程中遇到一個目標(biāo)組播節(jié)點，則直接將分組轉(zhuǎn)交給目標(biāo)組播節(jié)點，如果數(shù)據(jù)包仍存在其它目標(biāo)組播節(jié)點，則繼續(xù)沿該路段轉(zhuǎn)發(fā)，否則停止轉(zhuǎn)發(fā)；路段上的中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點不允許改變分組的下一跳路口方向； 在路口轉(zhuǎn)發(fā)中，當(dāng)持有數(shù)據(jù)包m的車輛V位于路口 X時，X e V(G’)，會首先確定X的鄰居路口集N(X)，然后根據(jù)車流密度量化后的擴(kuò)展圖G’和數(shù)據(jù)包m的目標(biāo)組播節(jié)點集合t(m)，計算當(dāng)前路口的每個鄰居路口 y到每個目標(biāo)組播成員t的最小投遞代價值Cyt，其中，y e N(x)，t e t(m);隨后，對于每個組播成員t根據(jù)計算得到的每個鄰居路口 y的Cyt值對N(X)集合中的各個路口按到該目標(biāo)節(jié)點t的最小投遞代價值從小到大的順序進(jìn)行排序，得到排序后的路口集合，從中選擇優(yōu)先級最高，且正有車輛行駛的路口方向作為到t的下一跳路口，記做Next*⑴；隨后，V將m的目標(biāo)組播節(jié)點集t(m)依據(jù)計算得到的{Next*(t) 11 e t(m)}劃分為 k 個子集 It1 (m)，t2(m),...，tk(m)},對于所有的 x e t^m),k，這些組播信宿都具有相同的下一跳路口方向，并將數(shù)據(jù)包復(fù)制k份，對第i個數(shù)據(jù)拷貝，V將其數(shù)據(jù)包頭中的目標(biāo)節(jié)點集合t (m)更改為對應(yīng)的目標(biāo)節(jié)點子集\ (m)，并選擇所對應(yīng)的下一跳路口作為分組轉(zhuǎn)發(fā)方向，將該方向上另一端路口作為分組的下一跳路口存入數(shù)據(jù)包頭中，并將數(shù)據(jù)包發(fā) 往該方向上的最接近下一跳路口的鄰居車輛。
全文摘要
本發(fā)明屬于無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于車流密度的物聯(lián)網(wǎng)組播數(shù)據(jù)傳輸方法，根據(jù)每個路段上雙向車流密度及其路段長度信息計算該路段的代價，并結(jié)合組播信源s位置、各組播成員位置和地圖構(gòu)造擴(kuò)展圖，由該擴(kuò)展圖計算網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點間的最短路徑，組播數(shù)據(jù)包針對網(wǎng)絡(luò)中不同的目標(biāo)節(jié)點分別根據(jù)上述路徑計算結(jié)果逐路段、逐跳轉(zhuǎn)發(fā)。
文檔編號H04W84/18GK103079249SQ201210545788
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月16日
發(fā)明者趙壯, 賀靜, 梅武鋼, 尹崇祿 申請人:北京泛聯(lián)至誠科技有限公司