本發(fā)明屬于車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，涉及面向最大交付能力的車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換方法，用于車聯(lián)網(wǎng)下車載設(shè)備選擇不同承載網(wǎng)絡(luò)完成通信傳輸業(yè)務。

背景技術(shù)：

隨著車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)即將迅速的從科學研究轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應用。相較于實驗室場景，真實交通場景下車輛密度更高，車聯(lián)網(wǎng)的信道爭用等相關(guān)技術(shù)將成為車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的瓶頸。由于時頻資源的緊張，我們無法為單一車聯(lián)網(wǎng)承載網(wǎng)絡(luò)分配大量的頻域資源，以保證車聯(lián)網(wǎng)能夠在高密度交通場景正常運行。為此，學術(shù)界提出了車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的概念，即將多種適用于車輛接入的承載網(wǎng)絡(luò)共同組織成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，供車輛完成網(wǎng)絡(luò)接入，實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)應用。目前，包括4G-LTE在內(nèi)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)、DSRC在內(nèi)的車載自組織網(wǎng)絡(luò)以及WiMAX等先進無線通信技術(shù)都被引入到車載通信系統(tǒng)中。

目前關(guān)于車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換方法的研究，主要以最低通信成本、通信時延和QoS為目的，僅針對如何提高切換效率，或針對不同數(shù)據(jù)服務進行研究，沒有面向整個車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最大承載能力。且考慮的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)較為單一，沒有考慮車載終端和網(wǎng)絡(luò)他拓撲動態(tài)變化對網(wǎng)絡(luò)性能的動態(tài)影響，忽視了車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)工作環(huán)境的復雜性和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特殊性，并不能全面的根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和環(huán)境做出切換決策，無法發(fā)揮車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的最大性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于，提供一種面向最大交付能力的車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺乏對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)實時狀態(tài)和車載終端對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)影響的考慮的問題，以提高車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體效用與工作能力。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

面向最大交付能力的車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換方法，包括以下步驟：

步驟1，引入初始值為0的切換計數(shù)器switch_counter1；

步驟2,某一車載終端以專用短程通信為初始通信方式，發(fā)布自身運動信息；所述車載終端同時在不同網(wǎng)絡(luò)上接收其他車輛的運動信息，并根據(jù)接收到的運動信息得到不同網(wǎng)絡(luò)上的車輛數(shù)目，并分別計算不同網(wǎng)絡(luò)上的傳輸時延、丟包率以及時延抖動；

步驟3，利用步驟2得到的專用短程通信上的傳輸時延和丟包率，判斷專用短程通信性能是否滿足需求，若滿足需求，則執(zhí)行步驟4；若不滿足需求，則切換計數(shù)器switch_counter1加1，并生成隨機數(shù)j，當j小于switch_counter1/50時，執(zhí)行步驟5，否則返回步驟2；

步驟4，利用步驟2中所述的車載終端接收到的來自專用短程通信的運動信息進行實時處理，若在一個廣播周期內(nèi)通過所述車載終端感知到的車用短程通信網(wǎng)絡(luò)上的車輛數(shù)大于影響網(wǎng)絡(luò)性能的閾值，執(zhí)行切換判斷流程；否則，返回步驟2；

所述切換判斷流程：計算車載終端切換至非專用短程通信網(wǎng)絡(luò)的概率，生成隨機數(shù)j，若j小于切換概率，執(zhí)行步驟5，否則返回步驟2；

步驟5，針對步驟2得到的不同網(wǎng)絡(luò)上的傳輸時延、丟包率以及時延抖動，進行歸一化處理，得到歸一化后的不同網(wǎng)絡(luò)上的傳輸時延、丟包率以及時延抖動；利用歸一化后的不同網(wǎng)絡(luò)上的傳輸時延、丟包率以及時延抖動采用層次分析法構(gòu)造比較矩陣W；

步驟6，求比較矩陣W的最大特征值，根據(jù)最大特征值計算時延權(quán)重、丟包率權(quán)重和時延抖動權(quán)重；

步驟7，根據(jù)時延權(quán)重、丟包率權(quán)重和時延抖動權(quán)重選擇切換的目標網(wǎng)絡(luò)；

步驟8，將當前網(wǎng)絡(luò)切換至目標網(wǎng)絡(luò)；

步驟9，引入初始值為0的切換計數(shù)器switch_counter2；

步驟10，計算專用短程通信上的傳輸時延和丟包率，判斷專用短程通信性能是否滿足需求，若不滿足需求且switch_counter2不為0，switch_counter2減1，進入步驟11，若switch_counter2為0則直接進入步驟11；若滿足需求，則switch_counter2加1，車載終端生成隨機數(shù)r，若r<(switch_counter2/50),則切換至專用短程通信，并返回步驟1，否則進入步驟11；

步驟11，計算當前網(wǎng)絡(luò)上的傳輸時延和丟包率，判斷當前網(wǎng)絡(luò)性能是否滿足需求，若滿足，則返回步驟5，否則執(zhí)行步驟10。

具體地，所述步驟2中的計算不同網(wǎng)絡(luò)上的傳輸時延、丟包率以及時延抖動，采用的公式如下：

其中，t₀為車載終端收到的信標的本地時間；t_j為第i個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)第j輛車的信標內(nèi)包含的時間戳；n_iamount為最近1s內(nèi)車載終端通過信標感知到第i個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的車輛總數(shù)；n_i為當前0.1s周期內(nèi)載終端通過信標感知到第i個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的車輛數(shù)；f_jtRTT為當前周期內(nèi)車載終端與第i個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)第j輛車的通信時延，f_j(t-1)RTT為上一個beacon周期車載終端與第i個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)第j輛車的通信時延；f_iRTT為第i個網(wǎng)絡(luò)上的傳輸時延，f_iPLR為第i個網(wǎng)絡(luò)上的丟包率，f_i(jit)為第i個網(wǎng)絡(luò)上的時延抖動。

具體地，所述步驟3中的利用步驟2得到的專用短程通信上的傳輸時延和丟包率，判斷專用短程通信性能是否滿足需求，具體方法如下：

若專用短程通信上的傳輸時延大于車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)所能接受的最大RTT時延且專用短程通信上的丟包率大于車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)所能接受的最大丟包率，則專用短程通信性能不滿足需求；否則，專用短程通信性能滿足需求。

具體地，所述步驟5中的針對步驟2得到的不同網(wǎng)絡(luò)上的傳輸時延、丟包率以及時延抖動，進行歸一化處理，得到歸一化后的不同網(wǎng)絡(luò)上的傳輸時延、丟包率以及時延抖動；采用公式如下：

其中，F(xiàn)_RTT為車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)所能接受的最大RTT時延；F_PLR為車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)所能接受的最大丟包率；和分別為歸一化后的不同網(wǎng)絡(luò)上的傳輸時延、丟包率以及時延抖動。

具體地，所述步驟7中的根據(jù)時延權(quán)重、丟包率權(quán)重和時延抖動權(quán)重選擇切換的目標網(wǎng)絡(luò)；具體包括以下步驟：

計算各個網(wǎng)絡(luò)對應的效用值：

其中W₁為時延權(quán)重，W₂為丟包率權(quán)重，W₃為時延抖動權(quán)重。

選取最大的效用值對應的網(wǎng)絡(luò)，作為目標網(wǎng)絡(luò)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：

1)本發(fā)明利用車聯(lián)網(wǎng)中車載終端廣播包含車輛運動數(shù)據(jù)的Beacon信息，對車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進行實時跟蹤，判斷異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中不同承載網(wǎng)絡(luò)真實條件下的網(wǎng)絡(luò)性能，而不是利用網(wǎng)絡(luò)的固有特性和性能，依據(jù)經(jīng)驗對網(wǎng)絡(luò)進行評價。車聯(lián)網(wǎng)承載網(wǎng)絡(luò)的實時狀態(tài)不僅是承載網(wǎng)絡(luò)性能的反映，也是車輛運動狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的體現(xiàn)。通過本發(fā)明的車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換方法，車聯(lián)網(wǎng)消息能夠在不同場景、環(huán)境下選擇性能更佳的承載網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，同時兼顧其他車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)終端，以達到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)條件下不同網(wǎng)絡(luò)的負載均衡。

2)本發(fā)明所采用的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換方式中，每個車載設(shè)備自主選擇承載網(wǎng)絡(luò)接入車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，完成車聯(lián)網(wǎng)應用。不同車載設(shè)備由于所處環(huán)境和自身狀態(tài)的不同，將會選擇不同的接入網(wǎng)絡(luò)，從而降低了單一網(wǎng)絡(luò)接入導致的網(wǎng)絡(luò)擁堵，提高系統(tǒng)性能。

3)本發(fā)明為了盡可能的減少由于網(wǎng)絡(luò)垂直切換造成的不必要損失，設(shè)計了一種網(wǎng)絡(luò)切換概率函數(shù)，減少切換次數(shù)，提升終端附著承載網(wǎng)絡(luò)的準確性，減少多次切換造成的乒乓效應對承載網(wǎng)絡(luò)的壓力。

4)本發(fā)明切換函數(shù)等條件均可通過車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)beacon信息獲得，相較于其他異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換方法，不增加網(wǎng)絡(luò)的額外開銷，有更強的可行性和實用性。

與現(xiàn)有車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換算法相比，本發(fā)明能夠提高車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，車載自組織網(wǎng)絡(luò)的利用率，降低應用面端到端傳輸時延和丟包率，提高異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)整體通信性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明適用的基本車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景圖；

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明的方案作進一步詳細地解釋和說明。

具體實施方式

本發(fā)明提供的面向最大交付能力的車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換方法，以使車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能夠隨時適應復雜的交通道路環(huán)境，滿足車聯(lián)網(wǎng)下不同應用復雜的承載網(wǎng)絡(luò)需求，從而為交通參與者提供安全可靠的交通應用服務。

為清楚說明本發(fā)明中的方法，下面給出了應用場景圖，并結(jié)合附圖進行說明。

本發(fā)明應用在如圖1所示的車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景中，該場景為在一個由專用短程通信、第四代移動通信技術(shù)長期演進(4G-LTE)、廣帶無線接入網(wǎng)絡(luò)(WiMAX)和無線保真(Wi-Fi)組成的交通場景下。四種網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍互相重疊。車載網(wǎng)絡(luò)終端以使其他車輛感知到自身為目的，以10Hz的頻率向周圍車輛廣播自身運動信息，運動信息至少包括通過GPS時鐘同步獲得的發(fā)送信息時的時間戳。整個過程中，由于車輛運動狀態(tài)、周圍電磁環(huán)境以及車輛密度等的變化，單一網(wǎng)絡(luò)難以滿足車輛交換信息的需求。車輛同時具備4種網(wǎng)絡(luò)連接中的一種或以上，并從這些網(wǎng)絡(luò)組織成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中獲取其他車輛的運動信息。對于車輛個體，專用短程通信可以提供最低時延，最高可靠的信息，但終端數(shù)量增加會導致網(wǎng)絡(luò)擁堵，降低傳輸效率。為此，車輛需要選擇不同的網(wǎng)絡(luò)廣播自身運動信息，在保證自身運動信息得到及時有效傳輸?shù)耐瑫r，最大化的提高整個車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的交付能力。

本發(fā)明的面向最大交付能力的車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換方法，步驟如下：

步驟1，引入初始值為0的切換計數(shù)器switch_counter1。

步驟2，某一車載終端以專用短程通信為初始通信方式，通過周期性廣播Beacon(信標)的方式發(fā)布自身運動信息，其運動信息中包含根據(jù)GPS確定的消息時間戳和車輛位置。同時在四種不同網(wǎng)絡(luò)上接收其他車輛的運動信息。根據(jù)接收的Beacon中的固有信息可得出有效傳輸距離內(nèi)不同網(wǎng)絡(luò)上車輛數(shù)目n_i和傳輸時延f_iRTT、丟包率f_iPLR以及時延抖動f_i(jit)，其中i代表不同網(wǎng)絡(luò)編號，i＝1表示專用短程通信，i＝2表示第四代移動通信技術(shù)長期演進(4G-LTE)，i＝3表示廣帶無線接入網(wǎng)絡(luò)(WiMAX)，i＝4表示無線保真(Wi-Fi)。

具體計算方法如下：

其中，t₀為車載終端收到的beacon的本地時間，t_j為第i個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)第j輛車的beacon內(nèi)包含的時間戳。n_iamount為最近1s內(nèi)車載終端通過beacon感知到第i個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的車輛總數(shù)。n_i為當前0.1s周期內(nèi)載終端通過beacon感知到第i個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的車輛數(shù)。f_jtRTT為當前beacon周期車載終端與第i個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)第j輛車的通信時延，f_j(t-1)RTT為上一個beacon周期車載終端與第i個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)第j輛車的通信時延。

步驟3，判斷DSRC性能是否滿足需求，若f_iRTT＞F_RTT且f_iPLR＞F_PLR，其中i＝1，則DSRC性能(專用短程通信性能)不滿足需求，切換計數(shù)器switch_counter1加1，并生成隨機數(shù)j屬于(0,，當j小于switch_counter1/50時，執(zhí)行步驟5，否則返回步驟2；當DSRC性能滿足需求時，switch_counter1計數(shù)器減半，進入步驟4。

步驟4，對車載終端收取的來自專用短程通信的車輛運動信息進行實時處理，若在一個廣播周期(0.1s)內(nèi)通過車載終端感知到的采用專用短程通信的車輛數(shù)大于可能影響網(wǎng)絡(luò)性能的閾值，即專用短程通信時頻資源已經(jīng)緊張可能造成擁堵時，進入切換判斷流程；否則返回步驟2。切換判斷流程：首先建立概率函數(shù)，車載終端切換至非專用短程通信的概率為x為閾值，其中p為概率修正參數(shù)，i＝1，以保證盡可能多的車輛保持在車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中。生成隨機數(shù)j屬于(0,1)，當j小于切換概率時進行切換，即執(zhí)行步驟5，否則返回步驟2；

步驟5，采用層次分析法，對性能參數(shù)進行歸一化處理，得到歸一化處理后的傳輸時延、丟包率和時延抖動。

其中，F(xiàn)_RTT為車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)所能接受的最大RTT時延，F(xiàn)_PLR為車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)所能接受的最大丟包率，對于時延抖動，并沒有固定的性能需求，即取兩倍最大可接受時延為最大時延抖動，進行歸一化處理。

根據(jù)歸一化處理后的三種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)運用到層次分析法中。根據(jù)傳輸時延、丟包率和時延抖動對車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)性能的不同影響程度分配影響程度等級，各等級的取值范圍為1～9.影響程度越高，數(shù)值越小，影響程度越低，取值越大。c_ij代表第i個性能相較于第j個性能的重要程度，i,j屬于{1,2,3}，分別代表傳輸時延、丟包率和時延抖動。若前者和后者同等重要，則量化值c_ij為1；若前者較后者稍微重要則量化值為3；較強重要則量化值為5；強烈重要則量化值為7；極端重要則量化值為9；兩相鄰判斷的中間值為2,4,6,8。c_ji為c_ij的倒數(shù)。影響程度參數(shù)值c₁₁,c₁₂,c₁₃,c₂₁,c₂₂,c₂₃,c₃₁,c₃₂,c₃₃共同可構(gòu)成由影響程度等級構(gòu)成的比較矩陣W。W為正互反矩陣。

步驟6，求出比較矩陣W的最大特征值λ_max，根據(jù)一致性公式求出CI，其中n為W的維數(shù)，此處取3。再由一致性比率指標公式CR＝CI/RI求出CR，RI為隨機一致性指標，可通過查找隨機一致性指標表得到。當CR＜0.1時認為比較矩陣W可以接受，通過求出最大特征值λ_max對應的特征向量X＝(x₁,x₂,x₃)^T，將求得的x₁,x₂,x₃作為時延、丟包率和抖動的權(quán)重值W₁,W₂,W₃，完成各個狀態(tài)的權(quán)重值求解過程。當CR≥0.1時，認為比較矩陣W不能接受，重新選擇可以接受的比較矩陣W再次計算權(quán)重值，直到計算得到CR＜0.1。

步驟7，根據(jù)獲得的權(quán)重值W₁,W₂,W₃，采用基于多參數(shù)的效用函數(shù)，綜合各種參數(shù)對車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)選取的承載網(wǎng)絡(luò)進行選擇，通過以下函數(shù)式，選擇效用值最大的網(wǎng)絡(luò)并將對應的網(wǎng)絡(luò)序號存儲在net_num中：

計算各個網(wǎng)絡(luò)對應的效用值：

其中W₁為時延權(quán)重，W₂為丟包率權(quán)重，W₃為時延抖動權(quán)重。

選取最大的效用值對應的網(wǎng)絡(luò)，作為目標網(wǎng)絡(luò)。

步驟8，本地網(wǎng)絡(luò)終端切換至目標網(wǎng)絡(luò)。

步驟9，引入初始值為0的切換計數(shù)器switch_counter2。

步驟10,車載終端繼續(xù)跟蹤四種承載網(wǎng)絡(luò)性能，利用步驟2中的方法計算專用短程通信上的傳輸時延f_iRTT、丟包率f_iPLR以及時延抖動f_i(jit)，i＝1；

判斷DSRC性能是否符合f_iRTT＜F_iRTT且f_iPLR＜F_iPLR，i＝1，即DSRC性能是否滿足車載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)性能需求。若DSRC滿足性能需求，則switch_counter2加1，車載終端在[0，1]區(qū)間內(nèi)生成隨機數(shù)r，若r<switch_counter2/50,則切換至專用短程通信，之后從步驟1開始執(zhí)行，否則進入步驟11；

當DSRC不滿足需求且switch_counter2不為0，switch_counter2減1，進入步驟11，若為0則直接進入步驟11。

步驟11，利用步驟2中的方法計算當前網(wǎng)絡(luò)上的傳輸時延f_iRTT、丟包率f_iPLR以及時延抖動f_i(jit)，i＝2,3,4,判斷是否滿足f_iRTT＜F_iRTT且f_iPLR＜F_iPLR，即當前網(wǎng)絡(luò)性能是否滿足需求，若滿足，則返回步驟5，否則執(zhí)行步驟10。