基于交通流理论的自适应分簇及簇型转发方法

技术领域

本发明属于车载自组织数据网络数据传输技术领域，具体涉及一种基于交通流理论的自适应分簇及簇型转发方法。

背景技术

随着信息化产业的不断进步与发展，数据通信已经深入到社会的各个层次和环节，深刻影响着我们的生活，其中，以实现车辆之间通信为目的的车载自组织网络(VANET)就是一种典型例证。车载自组织网络的传输大体可以分成三种类型：基于拓扑的路由协议、基于位置的路由协议以及基于集群的路由协议。分簇算法作为基于集群路由协议的一种形式，其实质就是根据分簇算法建立一种虚拟的组合，每一个簇都需要一个簇头来对簇内的成员节点的数据传输进行管理，通过这种层次化的形式，降低车辆网络的连接规模，增加数据传输效率。然而，在中低车辆密度的高速公路和城市快速路上，现有的分簇算法无法根据车辆密度动态分簇，存在分簇稳定性低,环境适应性弱，分簇开销较大的问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种一种基于交通流理论的自适应分簇及簇型转发方法，本发明通过与车辆密度结合解决现有技术中无法动态分簇，环境适应性较弱的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种基于交通流理论的自适应分簇方法，包括：

步骤1，任选一段道路作为当前道路，将当前道路上的车辆划分为多个簇，包括：

步骤11，在当前道路中任选一个车辆节点作为当前车辆节点A，若当前车辆节点A的前方距离d内没有与当前车辆节点A同方向行驶的车辆节点，且当前车辆节点A的后方距离d内有与当前车辆节点A同方向行驶的车辆节点，则当前车辆节点A为簇首；其中，d为簇间间距。

步骤12，在当前道路中任选一车辆节点作为当前车辆节点B，若当前车辆节点B的前方距离d内有与当前车辆节点B同方向行驶的车辆节点，且当前车辆节点B的后方距离d内没有与当前车辆节点B同方向行驶的车辆节点，则当前车辆节点B为簇尾；其中，d为簇间间距。

步骤13，重复步骤11和步骤12，直至当前道路中的所有车辆节点均被作为当前车辆节点A或当前车辆节点B，得到当前道路中的多个簇头和多个簇尾，其中簇头和簇尾在同一行驶方向上交替出现，则相邻两个簇头和簇尾之间的车辆节点为一个簇；

步骤14，获取当前道路上每个簇的簇头；

步骤2，每隔预设时间T对当前道路上的每个簇进行更新，包括：

步骤21，从当前道路上任选一个簇作为当前簇，若该当前簇的簇头驶离该当前簇，则重复步骤1重新划分当前道路上的簇；

若该当前簇的簇头没有驶离该当前簇，且该当前簇的簇首的前方距离d或当前簇的簇尾的后方距离d内含有车辆节点，则重复步骤1重新划分当前道路上的簇；

若该当前簇的簇头没有驶离该当前簇，且该当前簇的簇首的前方距离d或当前簇的簇尾的后方距离d内未含有车辆节点，则该当前簇不进行更新。

进一步地，通过式(1)得到簇间间距d：

式(1)中，ρ为当前道路的车流密度；

l_max为车辆节点之间的通信半径；l_min为当前道路的宽度；ρ为当前道路的车流密度。

进一步地，通过式(2)得到所述当前道路的车流密度ρ：

式(2)中，ρ_j为若当前道路上车辆节点的平均速度为0时的交通流密度；v_f为车辆自由行驶时的平均车速，v为由路测单元得到的当前道路上车辆节点的平均速度。

进一步地，所述获取当前道路上每个簇的簇头，包括：

从所述当前道路上的多个簇中任选一个簇作为当前簇，设所述当前簇中车辆节点的平均速度为当前簇的中心为M，则当前簇中满足与当前簇中车辆节点的平均速度且与当前簇的中心M距离最小的车辆节点为该当前簇的簇头。

进一步地，所述预设时间T为路测单元周期。

本发明还提供了一种基于交通流理论的自适应簇型转发方法，包括以下步骤：

步骤1，根据权利要求1至4任一项所述的分簇方法将当前道路上的车辆节点划分为多个簇；

步骤2，在当前道路中任选一车辆作为请求车辆节点，设请求车辆节点产生消息并需要将该消息转发至目的节点；

若目的节点与源节点属于同一簇，则源节点将消息转发给目的节点；

若目的节点与源节点不属于同一簇，且源节点所在簇的簇头的路由信息中含有目的节点所在簇的簇头的路由信息，则按照源节点所在簇的簇头路由信息发送消息；

若目的节点与源节点不属于同一簇，且源节点所在簇的簇头的路由信息中不含有目的节点所在簇的簇头的路由信息，则源节点将消息通过相邻簇的簇头依次转发至目的节点。

进一步地，所述源节点将消息通过相邻簇的簇头依次转发至目的节点，包括：

步骤21，设源节点所在簇的相邻簇为当前相邻簇；所述源节点将消息通过簇边节点转发给当前相邻簇的簇头；

步骤22，若目的节点属于当前相邻簇，则当前相邻簇的簇头将消息转发给目的节点，否则当前相邻簇的簇头将消息转发给该当前相邻簇的相邻簇的簇头；

步骤23，将当前相邻簇的相邻簇作为当前相邻簇，重复步骤22，直至消息的转发次数大于预设阈值时为止。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

(1)本发明通过将将动态的交通流密度加入到簇群划分过程，从而使得簇群大小根据不同的交通流密度和交通环境自适应的进行更新；

(2)本发明通过动态的分簇与簇头选取过程，经过簇头对簇内车辆消息进行收集分发，采用层次化的路由传输方法，降低网络的规模，节约信道资源与节点花销，增加数据传输效率。

附图说明

图1是本发明中自适应分簇方法的流程图；

图2是本发明中自适应簇型转发方法的流程图。

以下结合附图对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

需要说明的是本发明中的车辆节点均为同向行驶的车辆节点。

本发明适用于中低密度的快速道路，车辆间相互影响不大，即车流行驶较为随机的情况下，且道路在一定间隔内会有路测单元(RSU)辅助检测车辆状况。道路中车辆节点都至少含有一个无线网络通信接口、GPS定位且兼具一定的存储和计算能力，其中车辆节点可周期性通过信标交换位置信息，包括车辆ID、速度V、车辆位置P(x，y)，信标标志位FF、BF、CF。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

如图1所示，本实施例给出一种基于交通流理论的自适应分簇方法，包括：

步骤1，任选一段道路作为当前道路，将当前道路上的车辆划分为多个簇，包括：

步骤11，在当前道路中任选一个车辆节点作为当前车辆节点A，若当前车辆节点A的前方距离d内没有与当前车辆节点A同方向行驶的车辆节点，且当前车辆节点A的后方距离d内有与当前车辆节点A同方向行驶的车辆节点，则当前车辆节点A为簇首；其中，d为簇间间距。

本实施例中若确定当前节点A为簇首时，需将当前节点A的簇首节点标志位FF设为1。

步骤12，在当前道路中任选一车辆节点作为当前车辆节点B，若当前车辆节点B的前方距离d内有与当前车辆节点B同方向行驶的车辆节点，且当前车辆节点B的后方距离d内没有与当前车辆节点B同方向行驶的车辆节点，则当前车辆节点为簇尾；其中，d为簇间间距。

本实施例中若确定当前节点B为簇尾时，需将当前节点B的簇尾节点标志位BF设为1。

步骤13，重复步骤11和步骤12，直至当前道路中的所有车辆节点均被作为当前车辆节点A或当前车辆节点B，得到当前道路中的多个簇头和多个簇尾，其中簇头和簇尾在同一行驶方向上交替出现，则相邻两个簇头和簇尾之间的车辆节点为一个簇；

步骤14，获取当前道路上每个簇的簇头；

本实施例中若确定某一车辆节点为簇头时，需将该车辆节点的簇头节点标志位CF设为1，并将簇头车辆节点id作为簇群id传输给周围车辆。

步骤2，每隔预设时间T对当前道路上的每个簇进行更新，包括：

本实施例中的预设周期T为路测单元周期。

步骤21，从当前道路上任选一个簇作为当前簇，若该当前簇的簇头驶离该当前簇，则重复步骤1重新划分当前道路上的簇；

若该当前簇的簇头没有驶离该当前簇，且该当前簇的簇首的前方距离d或当前簇的簇尾的后方距离d内含有车辆节点，则重复步骤1重新划分当前道路上的簇；

若该当前簇的簇头没有驶离该当前簇，且该当前簇的簇首的前方距离d或当前簇的簇尾的后方距离d内未含有车辆节点，则该当前簇不进行更新。

本实施例中通过式(1)得到簇间间距d：

式(1)中，ρ为当前道路的车流密度；

l_max为车辆节点之间的通信半径；l_min为当前道路的宽度；ρ为当前道路的车流密度。

由于本发明适用于中低密度的快速道路，在一定距离内分布的车辆节点可以用泊松分布描述：

其中，n为道路上一定距离间隔l内出现的车辆节点数，P(n)为距离间隔l内到达n辆车辆节点的概率。

那么，在距离间隔l内没有车辆节点到达(n＝0)的概率为：P(0)＝e^-(ρl)；若在距离间隔l内，无车辆节点到达，则上次车辆节点到达和下次车辆节点到达之间，两个车头的距离L至少为l，即P(L≥l)＝e^-(ρl)，即当车辆节点到达符合泊松分布时，两个车头距离服从关于l的负指数分布，其中负指数分布的概率密度函数为：可以推出两个车头距离关于l的负指数分布：P(L<l)＝1-e^-(ρl)。

对于邻间间距d而言，最小值d_min必须不小于车辆行驶所在道路宽度，为了能让车辆节点能够在一跳范围内判断自己是否为头尾节点，最大值d_max必须小于节点通信半径R。代入邻间间距d的两个边界条件，从而得到中点概率值：则

本实施例中通过式(2)得到所述当前道路的车流密度ρ：

式(2)中，ρ_j为若当前道路上车辆节点的平均速度为0时的交通流密度，v_f为车辆自由行驶时的平均车速，v为由RSU求得的当前道路上车辆节点的平均速度。

本实施例中获取当前道路上每个簇的簇头，包括：

从所述当前道路上的多个簇中任选一个簇作为当前簇，设所述当前簇中车辆节点的平均速度为当前簇的中心为M，则当前簇中满足与当前簇中车辆节点的平均速度且与当前簇的中心M距离最小的车辆节点为该当前簇的簇头。

实施例2

如图2，本实施例在实施例1的基础上提供了一种基于交通流理论的自适应簇型转发方法，包括以下步骤：

根据权利要求1至4任一项所述的分簇方法将当前道路上的车辆节点划分为多个簇；

在当前道路中任选一车辆作为请求车辆节点，设请求车辆节点产生消息并需要将该消息转发至目的节点；

若目的节点与源节点属于同一簇，则源节点将消息转发给目的节点；

若目的节点与源节点不属于同一簇，且源节点所在簇的簇头的路由信息中含有目的节点所在簇的簇头的路由信息，则按照源节点所在簇的簇头路由信息发送消息；

若目的节点与源节点不属于同一簇，且源节点所在簇的簇头的路由信息中不含有目的节点所在簇的簇头的路由信息，则通过簇边节点连接与源节点所在簇的相邻簇的簇头进行消息转发。

其中，源节点将消息通过相邻簇的簇头依次转发至目的节点，包括：

步骤21，设源节点所在簇的相邻簇为当前相邻簇；所述源节点将消息通过簇边节点转发给当前相邻簇的簇头；

步骤22，若目的节点属于当前相邻簇，则当前相邻簇的簇头将消息转发给目的节点，否则当前相邻簇的簇头将消息转发给该当前相邻簇的相邻簇的簇头；

步骤23，将当前相邻簇的相邻簇作为当前相邻簇，重复步骤22，直至消息的转发次数大于预设阈值时为止。

本实施例中的预设阈值通过设置一个定时器进行实现，本实施例中定时器设置计数值为5。

由于要限制开销和网络风暴，同时增加信道利用率，转发不能无限制进行，所以要设置一个定时器字段进行转发次数控制，若转发次数大于所设定阈值仍未找到目的节点路由信息，则丢弃该消息。