一種基于功率和速率聯(lián)合調(diào)整的車聯(lián)網(wǎng)擁塞控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于功率和速率聯(lián)合調(diào)整的車聯(lián)網(wǎng)擁塞控制方法，車聯(lián)網(wǎng)中當(dāng)前車輛節(jié)點與鄰居車輛節(jié)點之間交互信息，所述信息包括信標(biāo)消息和緊急安全消息，該方法包括以下步驟：1)當(dāng)前車輛節(jié)點維持一個鄰居節(jié)點列表；2)當(dāng)前車輛節(jié)點以信道利用率、包通過率和平均傳輸時延為車聯(lián)網(wǎng)狀況的評估標(biāo)準(zhǔn)，得到觀測間隔內(nèi)當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)的擁塞程度；3)當(dāng)前車輛節(jié)點根據(jù)當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)的擁塞程度進行不同車聯(lián)網(wǎng)狀況下的擁塞控制。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明對車載自組織網(wǎng)絡(luò)中的擁塞程度進行綜合評估，同時根據(jù)該評估結(jié)果進行信標(biāo)消息的功率和速率聯(lián)合調(diào)整，控制緊急安全消息的發(fā)送功率，有效緩解車載自組織網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度。
【專利說明】
-種基于功率和速率聯(lián)合調(diào)整的車聯(lián)網(wǎng)擁塞控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其是設(shè)及一種基于功率和速率聯(lián)合調(diào)整的車聯(lián) 網(wǎng)擁塞控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，車輛已成為人們?nèi)粘Ｉ畈豢扇鄙俚墓ぞ?。然而，車輛在為 人們出行帶來便捷的同時也帶來了一定的安全隱患。為了保證交通安全，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)VANET (Vehicle Ad hoc Networks)應(yīng)運而生。VA肥T是利用先進傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算技術(shù)、 控制技術(shù)、智能技術(shù)，對道路和交通進行全面感知，使得車輛之間及車輛與路邊設(shè)施之間保 持高可靠性低時延數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶？诳刂凭W(wǎng)絡(luò)。
[0003] VA肥T中行車安全通過在控制信道上交互廣播信息來實現(xiàn)，其中有兩種安全相關(guān) f目息：
[0004] 一是信標(biāo)消息，包括車輛位置、速度W及方向，車輛交換信標(biāo)消息W提高彼此的辨 識度和獲得對周圍環(huán)境的感知，并據(jù)此做出正確的行車決策；
[0005] 另外一種消息是緊急安全消息，用于發(fā)送緊急剎車、交通事故等設(shè)及生命財產(chǎn)安 全的消息。
[0006] 配備車載設(shè)備的車輛很多并且要發(fā)送大量數(shù)據(jù)時，會造成信道上負載過重，即出 現(xiàn)擁塞的現(xiàn)象。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時，不論緊急安全消息還是信標(biāo)消息都會因為無線信道資 源處于擁擠狀態(tài)而不能及時可靠地發(fā)送出去，運對于駕駛員和車輛而言危害極大甚至是致 命的。
[0007] 目前，在控制信標(biāo)消息產(chǎn)生的信道擁塞方面，主要有=個步驟：1、監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的狀 況，2、對擁塞狀況進行探測，將擁塞信息傳送到相關(guān)的協(xié)議層，3、調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，W緩解 擁塞狀況。其中，探測擁塞發(fā)生和調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)是難點，下面從兩個方面分別說明：
[000引1、為了衡量網(wǎng)絡(luò)的狀況，研究者提出了一些度量參數(shù)，如信道忙碌比、車流量密 度、信道負載等。通過對運些參數(shù)進行實時的檢測，探測網(wǎng)絡(luò)是否發(fā)生擁塞，再應(yīng)用能夠控 制某些參數(shù)的擁塞控制機制，車輛間通過相互協(xié)作盡量避免或者緩解信道的擁塞狀況。但 是，傳統(tǒng)的擁塞探測機制多為單一層的檢測，若只對單一的指標(biāo)進行監(jiān)測來判斷網(wǎng)絡(luò)是否 發(fā)生擁塞有比較大的偶然性，從而造成擁塞控制不必要或者不及時。
[0009] 2、不同的擁塞控制機制的調(diào)整參數(shù)不同，但是從根本上說主要有=個參數(shù)： Beacon的發(fā)送速率、Beacon的發(fā)送功率W及競爭窗口的大小。通過降低信標(biāo)消息的發(fā)送速 率，減小其發(fā)送速率，或者增大競爭窗口，使得接入信道的節(jié)點數(shù)更少，減小網(wǎng)絡(luò)的負載，緩 解網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度。但是單一的對運些參數(shù)進行控制，往往會造成調(diào)整速率過慢，網(wǎng)絡(luò)的擁 塞狀況無法快速有效的緩解，影響緊急安全消息的及時傳輸;而對于采用運些參數(shù)的聯(lián)合 調(diào)整策略，目前的研究多為統(tǒng)一的調(diào)整，而忽略網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，運樣會導(dǎo)致?lián)砣刂撇混` 活，造成信道資源利用率不高或者調(diào)節(jié)太慢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于功率和速 率聯(lián)合調(diào)整的車聯(lián)網(wǎng)擁塞控制方法，主要設(shè)及車輛自組織網(wǎng)絡(luò)中信標(biāo)消息和緊急安全消息 的擁塞控制機制，對車載自組織網(wǎng)絡(luò)中的擁塞程度進行綜合評估，同時根據(jù)該評估結(jié)果進 行信標(biāo)消息的功率和速率聯(lián)合調(diào)整，控制緊急安全消息的發(fā)送功率，有效緩解車載自組織 網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度。
[0011] 本發(fā)明的目的可W通過W下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0012] -種基于功率和速率聯(lián)合調(diào)整的車聯(lián)網(wǎng)擁塞控制方法，車聯(lián)網(wǎng)中當(dāng)前車輛節(jié)點與 鄰居車輛節(jié)點之間交互信息，所述信息包括信標(biāo)消息和緊急安全消息，該方法包括W下步 驟：
[0013] 1)當(dāng)前車輛節(jié)點維持一個鄰居節(jié)點列表，所述鄰居節(jié)點列表由多條鄰居節(jié)點信息 構(gòu)成，每條鄰居節(jié)點信息根據(jù)鄰居車輛節(jié)點接收發(fā)送的信息生成，包括發(fā)送該信息的鄰居 車輛節(jié)點的車輛ID號、鄰居車輛節(jié)點發(fā)送該信息時的速度、鄰居車輛節(jié)點生成消息的時間 和當(dāng)前車輛節(jié)點接收信息的時間；
[0014] 2)當(dāng)前車輛節(jié)點W物理層的信道利用率、MAC層的平均傳輸時延和應(yīng)用層的包通 過率為車聯(lián)網(wǎng)狀況的評估標(biāo)準(zhǔn)，所述車聯(lián)網(wǎng)狀況根據(jù)擁塞程度的數(shù)值從大到小依次劃分為 完全擁塞狀態(tài)、嚴重擁塞狀態(tài)、中度擁塞狀態(tài)和無擁塞狀態(tài)，當(dāng)前車輛根據(jù)鄰居節(jié)點列表得 到觀測間隔內(nèi)當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)的擁塞程度；
[0015] 3)當(dāng)前車輛節(jié)點根據(jù)當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)的擁塞程度進行不同車聯(lián)網(wǎng)狀況下的擁塞控制；
[0016] 所述完全擁塞狀態(tài)下的擁塞控制為：當(dāng)前車輛節(jié)點停止發(fā)送信標(biāo)消息，并對緊急 安全消息的發(fā)送功率進行控制；
[0017] 所述嚴重擁塞狀態(tài)下的擁塞控制為：當(dāng)前車輛節(jié)點分別對信標(biāo)消息的發(fā)送速率和 發(fā)送功率進行控制，同時還對緊急安全消息的發(fā)送功率進行控制；
[0018] 所述中度擁塞狀態(tài)下的擁塞控制為：當(dāng)前車輛節(jié)點一方面先對信標(biāo)消息的發(fā)送速 率進行控制，當(dāng)信標(biāo)消息的發(fā)送速率減小到信標(biāo)消息的發(fā)送速率最小值且車聯(lián)網(wǎng)狀況為中 度擁塞狀態(tài)時，維持信標(biāo)消息的發(fā)送速率，并開始對信標(biāo)消息的發(fā)送功率進行控制，另一方 面還對緊急安全消息的發(fā)送功率進行控制；
[0019] 所述無擁塞狀態(tài)下的擁塞控制為：當(dāng)前車輛節(jié)點W初始設(shè)置的發(fā)送速率和發(fā)送功 率發(fā)送消息。
[0020] 所述消息的基本數(shù)據(jù)內(nèi)容包括:車輛ID、優(yōu)先級、速度、生成該消息的時間和數(shù)據(jù) 信息，所述優(yōu)先級用于區(qū)別信標(biāo)消息和緊急安全消息。
[0021] 祈冰倍帯未Il田莖繩足W下公式；
[0022]
[0023]
[0024] 式中，CU表示觀測間隔內(nèi)的信道利用率，OT表示觀測間隔，每個觀測間隔OT劃分成 N個時隙OTs，當(dāng)?shù)趇個時隙OTs內(nèi)信道檢測是忙時，bi記為I，否則，b功0。
[0025] 所述包通過率滿足W下公式：
[0026]
[0027] 式中，PTR表示觀測間隔內(nèi)的包通過率，OT表示觀測間隔，n表示觀測間隔OT內(nèi)節(jié)點 收到消息的個數(shù)，Pkti表示第i個消息的大小，e表示歸一化的網(wǎng)絡(luò)流量。
[0028] 所沐平挽倍輪時巧滿思W下公擊，
[0029]
[0030] 式中，AD表示觀測間隔內(nèi)的平均傳輸時延，M表示觀測間隔OT內(nèi)鄰居節(jié)點列表中鄰 居節(jié)點信息的個數(shù)，Trew表示第i個鄰居節(jié)點信息中鄰居車輛節(jié)點生成消息的時間，Tgen,1 表示第i個鄰居節(jié)點信息中當(dāng)前車輛節(jié)點接收信息的時間，P表示消息傳遞時延最短的時 間。
[0031] 所述擁塞程度滿足W下公式：
[00；32] CL = Q ? CU+0 ? PTR+ 丫 ? AD
[0033] 日+0+丫 =1
[0034] 式中，CL表示觀測間隔內(nèi)當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)的擁塞程度，CU表示觀測間隔內(nèi)的信道利用 率，PTR表示觀測間隔內(nèi)的平均傳輸時延，AD表示觀測間隔內(nèi)的包通過率，a、0、丫分別對應(yīng) 表示CU、PTR、AD的加權(quán)因子。
[0035] 所述對緊急安全消息的發(fā)送功率進行控制的方法包括W下步驟：
[0036] A:獲取觀測間隔內(nèi)實時的緊急安全消息有效距離ER,滿足W下公式：
[0037]
[003引式中，ER2表示與緊急安全消息對應(yīng)的初始有效距離，F(xiàn)表示觀測間隔OT內(nèi)鄰居車 輛節(jié)點的平均速度，并由鄰居節(jié)點列表獲得，V表示設(shè)定的速度標(biāo)準(zhǔn)值，sgn( ?)表示符號函 數(shù)，e表示自然底數(shù)。
[0039] B:通過查找緊急安全信息的傳輸距離所對應(yīng)的發(fā)送功率表，根據(jù)ER得到匹配的功 率值作為當(dāng)前緊急安全消息的發(fā)送功率。
[0040] 所述對信標(biāo)消息的發(fā)送速率進行控制的方法包括W下步驟：
[0041 ] a，巧取觀娜I間腐內(nèi)主流音密度指數(shù)K，滿足W下公式：
[0042]
[0043] 式中，A表示預(yù)設(shè)的車輛節(jié)點靈敏度歸一化參數(shù)，Q表示預(yù)設(shè)的交通運輸網(wǎng)絡(luò)的服 務(wù)質(zhì)量，參數(shù)fS與交通流和車輛移動速度有關(guān)，fS E [0，1 ]，且隨著交通流從自由流到擁塞流 變化，f S逐漸增加；
[0044] b:獲取下一個觀測間隔內(nèi)信標(biāo)消息的發(fā)送速率，滿足W下公式：
[0045]
[0046] 式中，RbeaU)表示第i個觀測間隔OT內(nèi)信標(biāo)消息的發(fā)送速率，RBEA(i+l)表示第Q+ 1)個觀測間隔OT內(nèi)信標(biāo)消息的發(fā)送速率，S是權(quán)衡擁塞程度化與車流量密度指數(shù)K的權(quán)重因 子，S e [ 0，1 ]，Rbea "in表示信標(biāo)消息的發(fā)送速率最小值。
[0047] 所述對信標(biāo)消息的發(fā)送功率進行控制的方法為:根據(jù)信標(biāo)消息發(fā)送功率調(diào)整公式 獲取下一個觀測間隔內(nèi)信標(biāo)消息的發(fā)送功率，信標(biāo)消息發(fā)送功率調(diào)整公式如下：
[004引
[00例式中，PbeaU)表示第i個觀測間隔OT內(nèi)信標(biāo)消息的發(fā)送功率，PBEA(i+l)表示第Q+ 1)個觀測間隔OT內(nèi)信標(biāo)消息的發(fā)送功率，Pmin為信標(biāo)消息允許的最小發(fā)送功率。
[0050] 當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)狀況劃分為完全擁塞狀態(tài)的條件為:觀測間隔內(nèi)當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)的擁塞程 度化滿足化^ 90%;
[0051] 當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)狀況劃分為嚴重擁塞狀態(tài)的條件為:觀測間隔內(nèi)當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)的擁塞程 度化滿足90%〉化^ 60%;
[0052] 當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)狀況劃分為中度擁塞狀態(tài)的條件為:觀測間隔內(nèi)當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)的擁塞程 度化滿足60%〉化^ 30%;
[0053] 當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)狀況劃分為無擁塞狀態(tài)的條件為:觀測間隔內(nèi)當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)的擁塞程度 化滿足化<30 %。
[0054] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有W下優(yōu)點：
[0055] 1、本發(fā)明針對VA肥T中CCH信道資源有限，當(dāng)高速公路場景或者城市道路上車輛密 度過于集中，容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)發(fā)生嚴重擁塞，造成緊急安全消息無法可靠傳輸，給交通安全帶 來隱患的情況，在探測結(jié)果差異化的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)基于功率和速率聯(lián)合調(diào)整的擁塞控制，對 網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度進行比較全面的度量，有效減輕網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，特別是網(wǎng)絡(luò)擁塞程度非 常大時可盡快緩解該狀況，可靠性較高，成本相對較低。
[0056] 2、本發(fā)明提供了一種VA肥T中的擁塞探測度量方法，相比于傳統(tǒng)的擁塞探測機制 多為單一層的檢測從而具有較大的偶然性，該方法借鑒跨層的思想，從物理層、MAC層及應(yīng) 用層獲取不同的信息，包括信道利用率、包通過率和平均傳輸時延，對VANET的擁塞狀況進 行全面的評估，得出網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，為接下來的擁塞調(diào)整做出精確的判斷，使得基于全面 評估結(jié)構(gòu)的擁塞控制效果好；
[0057] 3、本發(fā)明將VA肥T的擁塞程度量化，分為不同的擁塞程度，包括完全擁塞狀態(tài)、嚴 重擁塞狀態(tài)、中度擁塞狀態(tài)和無擁塞狀態(tài)，針對不同的擁塞程度進行不同的擁塞控制，比統(tǒng) 一進行擁塞控制能更高效的緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞程度或者利用信道資源；
[005引 4、本發(fā)明采用功率和速率的聯(lián)合調(diào)整機制，比單一的功率和單一的速率調(diào)整能快 有效的緩解網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，同時考慮到了信標(biāo)消息的最小發(fā)送功率和最小發(fā)送速率，從 而使得車輛對周圍的感知能力保持在可接受的水平，保證車輛相關(guān)應(yīng)用的正常運行；
[0059] 5、對于緊急安全消息，本發(fā)明將緊急安全消息的發(fā)送功率調(diào)整為有效距離匹配對 應(yīng)的發(fā)送功率，避免功率過大造成額外的網(wǎng)絡(luò)開銷，或者功率過小無法將其傳遞給所需車 輛而造成安全隱患。
【附圖說明】
[0060] 圖1為本發(fā)明方法流程示意圖。
【具體實施方式】
[0061] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。本實施例W本發(fā)明技術(shù)方案 為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于 下述的實施例。
[0062] -種基于功率和速率聯(lián)合調(diào)整的車聯(lián)網(wǎng)擁塞控制方法，應(yīng)用于車輛節(jié)點構(gòu)成的車 聯(lián)網(wǎng)中，車輛節(jié)點上設(shè)置有車載終端，車輛終端包括GPS模塊與DSRC無線通信模塊，GPS模塊 獲取本車的實時位置及速度信息，DSR對莫塊用于車輛間的通信，本車打開車載終端后，當(dāng)前 車輛節(jié)點與鄰居車輛節(jié)點之間交互信息，信息包括信標(biāo)消息和緊急安全消息，信標(biāo)消息和 緊急安全消息的基本數(shù)據(jù)帖格式如表1所示：
[0063] 表 1
[0065] 其中，車輛ID為車輛節(jié)點的唯一標(biāo)識符;優(yōu)先級表示該消息為信標(biāo)消息或者緊急 安全消息，分別為1和2;位置信息為消息產(chǎn)生時車輛的地理位置，即經(jīng)締度;速度及加速度 為車輛的速度信息;生成時間為該消息產(chǎn)生時的時間;Data表示消息中數(shù)據(jù)信息。
[0066] 如圖1所示，基于功率和速率聯(lián)合調(diào)整的車聯(lián)網(wǎng)擁塞控制方法包括W下步驟：
[0067] 1)當(dāng)前車輛節(jié)點維持一個鄰居節(jié)點列表，鄰居節(jié)點列表由多條鄰居節(jié)點信息構(gòu) 成，每條鄰居節(jié)點信息根據(jù)鄰居車輛節(jié)點接收發(fā)送的信息生成，包括發(fā)送該信息的鄰居車 輛節(jié)點的車輛ID號、位置信息、鄰居車輛節(jié)點發(fā)送該信息時的速度及加速度、鄰居車輛節(jié)點 生成消息的時間和當(dāng)前車輛節(jié)點接收信息的時間等基本信息，鄰居節(jié)點列表中一條鄰居節(jié) 點信息如表2所示：
[0068] 表 2
[0070]其中，車輛ID:代表當(dāng)前該條信息的發(fā)送車輛，每個車輛對應(yīng)著唯一的一個ID號； [0071 ]位置信息:代表當(dāng)信息產(chǎn)生時，發(fā)送車輛的位置坐標(biāo)，包括經(jīng)締度坐標(biāo)；
[0072] 速度及加速度:發(fā)送車輛在發(fā)送時刻時的瞬間速度及瞬時加速度；
[0073] 生成時間：記錄消息產(chǎn)生的時刻，鄰居節(jié)點列表中，永遠維護著當(dāng)前車輛收到的最 新消息；
[0074] 接收時間:本車接收到該信標(biāo)消息的時刻。
[0075] 2)每個車輛節(jié)點不斷的廣播消息，當(dāng)前車輛節(jié)點通過接收到的消息，對物理層的 信道利用率CU、MAC層的平均傳輸時延ADW及應(yīng)用層的包通過率PTR實時計算，得到網(wǎng)絡(luò)當(dāng) 前的擁塞程度化值。具體步驟如下：
[0076] 21:首先計算信道利用率CU
[0077] 將觀測間隔OT劃分成若干個時隙OTs,在每個OTs運行CCA(Clear Channel Assessment，空閑信道評估)機制。在某個時隙OTs內(nèi)，若物理層監(jiān)測到信道上的能量大于 CCA給定的闊值，則認為信道忙;反之，則信道閑。通過對觀測間隔OT內(nèi)每個觀測時隙OTs的 結(jié)果進行統(tǒng)計平均，得到信道利用率CU,其中，當(dāng)?shù)趇個小時隙OTs內(nèi)信道檢測是忙時，bi記為 1，否則，b功0，N為觀測間隔OT內(nèi)時隙OTs的個數(shù)且N取整數(shù)。由于CCA方法是車輛通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn) 存協(xié)議，因而通過CCA來評估信道利用率，就不需要車輛對硬件設(shè)備進行改造。則觀測間隔 內(nèi)的信道利用率CU滿足W下公式：
[007引
[0079]
[0080] 22:計算包通過率PTR
[0081 ] 觀測間隔內(nèi)的包通過率PTR計算表達如下：
[0082]
[0083] 式中，n表示觀測間隔OT內(nèi)當(dāng)前車輛節(jié)點收到廣播消息的個數(shù)，Pkt康示第i個接 收到廣播消息的大小，單位為比特，e表示歸一化的網(wǎng)絡(luò)流量，取參考值3Mbit/s。
[0084] 23:計算平均傳輸時延AD
[0085] 觀測間隔內(nèi)的平均傳輸時延AD的計算公式為：
[0086]
[0087] 式中，M表示觀測間隔OT內(nèi)鄰居節(jié)點列表中鄰居節(jié)點信息的個數(shù)，Tree,康示第i個 鄰居節(jié)點信息中鄰居車輛節(jié)點生成消息的時間，Tgen,1表示第i個鄰居節(jié)點信息中當(dāng)前車輛 節(jié)點接收信息的時間，P表示消息傳遞時延最短的時間，取P = 9ms。
[0088] 24:則觀測間隔內(nèi)當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)的擁塞程度化為：
[0089] CL = Q ? CU+0 ? PTR+ 丫 ? AD
[0090] 式中，a、e、丫分別對應(yīng)表示CU、PTR、AD運S個參數(shù)的加權(quán)因子，且a+e+丫 =1。
[0091] 當(dāng)前車輛節(jié)點計算得到網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度化后，根據(jù)化的值從大到小依次將網(wǎng)絡(luò)劃 分為四種不同的擁塞狀況，分別進行不同的擁塞控制。CL與擁塞狀況對應(yīng)關(guān)系如下：
[0092] 化>90%，稱此時網(wǎng)絡(luò)為完全擁塞（CC，Complete Congestion)狀態(tài)，表明此時信 道中處于完全的擁塞狀況；
[0093] 90%〉CL> 60%，稱此時網(wǎng)絡(luò)為嚴重擁塞（SC,Sever Congestion)狀態(tài)；
[0094] 60%〉化>30%，稱此時網(wǎng)絡(luò)為中度擁塞(MC，Moderate Congestion)狀態(tài)；
[00巧]CL<30%，稱此時網(wǎng)絡(luò)為無擁塞(CF,Congestion Free)狀態(tài)。
[0096] 3)由于信標(biāo)消息通過基于802. Up協(xié)議的DSRC無線通信模塊，采用單跳廣播周期 性的方式進行發(fā)送與接收，其產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)負載主要占用了大部分的信道資源，而緊急安全 消息是在緊急情況下產(chǎn)生的，所W本發(fā)明主要對信標(biāo)消息的發(fā)送功率和發(fā)送速率及緊急安 全消息的發(fā)送功率進行調(diào)整。當(dāng)前車輛節(jié)點根據(jù)步驟2)獲得的當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)的擁塞程度，進 行不同車聯(lián)網(wǎng)狀況下的擁塞控制，具體如下：
[0097] 31:完全擁塞狀態(tài)下的擁塞控制：
[0098] 為了盡快緩解擁塞狀況，此時當(dāng)前車輛節(jié)點僅發(fā)送緊急安全消息外，不發(fā)送信標(biāo) 消息，并對緊急安全消息的發(fā)送功率進行控制；
[0099] 32:嚴重擁塞狀態(tài)下的擁塞控制：
[0100] 當(dāng)前車輛節(jié)點分別對信標(biāo)消息的發(fā)送速率和發(fā)送功率進行控制，同時還對緊急安 全消息的發(fā)送功率進行控制；
[0101 ] 33:中度擁塞狀態(tài)下的擁塞控制：
[0102] 當(dāng)前車輛節(jié)點一方面先對信標(biāo)消息的發(fā)送速率進行控制，當(dāng)信標(biāo)消息的發(fā)送速率 減小到信標(biāo)消息的發(fā)送速率最小值化EA min且車聯(lián)網(wǎng)狀況為中度擁塞狀態(tài)時，維持信標(biāo)消息 的發(fā)送速率，并開始對信標(biāo)消息的發(fā)送功率進行控制，另一方面還對緊急安全消息的發(fā)送 功率進行控制；
[0103] 34:無擁塞狀態(tài)下的擁塞控制：
[0104] 當(dāng)前車輛節(jié)點W初始設(shè)置的發(fā)送速率和發(fā)送功率發(fā)送消息，不進行調(diào)整，只需實 時對網(wǎng)絡(luò)狀況進行探測，達到擁塞控制的目的。
[0105] 其中，上述步驟31-33中，當(dāng)前車輛節(jié)點發(fā)生緊急狀況時在應(yīng)用層產(chǎn)生相應(yīng)的緊急 安全消息，對緊急安全消息的發(fā)送功率進行控制的方法包括W下步驟：
[0106] A:獲取觀測間隔內(nèi)實時的緊急安全消息有效距離ER,滿足W下公式：
[0107]
[0108] 式中，ER2表示歐標(biāo)中設(shè)定的與緊急安全消息對應(yīng)的初始有效距離，并由鄰居節(jié)點 列表獲得，V表示設(shè)定的速度標(biāo)準(zhǔn)值，即初始有效距離對應(yīng)的車速，可W參考道路限速來進 行設(shè)定，sgn( ?)表示符號函數(shù)，e表示自然底數(shù)，F(xiàn)表示觀測間隔OT內(nèi)本車周圍鄰居車輛節(jié) 點的平均速度，其計算公式如下：
[0109]
[0110] 式中，k為某時刻鄰居節(jié)點列表中一跳范圍內(nèi)車輛的數(shù)目，即觀測間隔內(nèi)鄰居節(jié)點 列表中鄰居節(jié)點消息的個數(shù)，Vj為第j個鄰居節(jié)點消息的車輛速度。
[0111] B:通過查找緊急安全信息的傳輸距離所對應(yīng)的發(fā)送功率表，根據(jù)ER得到匹配的功 率值作為當(dāng)前緊急安全消息的發(fā)送功率，緊急安全信息的傳輸距離所對應(yīng)的發(fā)送功率表如 表3所不：
[0112] 表3 「01191
[0114] 上述步驟32、33中，對信標(biāo)消息的發(fā)送速率進行控制（簡稱RCM)的方法包括W下步 驟：
[0115] a:獲取觀測間隔內(nèi)車流量密度指數(shù)K，滿足W下公式：
[0116]
[0117] 式中，A表示預(yù)設(shè)的車輛節(jié)點靈敏度歸一化參數(shù)，A 3 〇.〇27，Q表示預(yù)設(shè)的交通運輸 網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，Q - 0，參數(shù)fS與交通流和車輛移動速度有關(guān)，fS E [0，1 ]，且隨著交通流從 自由流到擁塞流變化，fS逐漸增加；
[0118] b:利用信標(biāo)消息發(fā)送速率調(diào)整機制公式獲取下一個觀測間隔內(nèi)信標(biāo)消息的發(fā)送 速率，信標(biāo)消息發(fā)送速率調(diào)整機制公式如下：
[0119]
[0120] 式中，RbeaU)表示第i個觀測間隔OT內(nèi)信標(biāo)消息的發(fā)送速率，RBEA(i+l)表示第Q+ 1)個觀測間隔OT內(nèi)信標(biāo)消息的發(fā)送速率，S是權(quán)衡擁塞程度化與車流量密度指數(shù)K的權(quán)重因 子，S e [0，1 ]，因為信標(biāo)消息的發(fā)送速率有最小值限制，所W信標(biāo)消息發(fā)送速率調(diào)整機制公 式更新為：
[0121]
[0122] 式中，Rbea min表示信標(biāo)消息的發(fā)送速率最小值，當(dāng)信標(biāo)消息的發(fā)送速率減小為最 小值后就維持該最小值不變。
[0123] 上述步驟32、33中，對信標(biāo)消息的發(fā)送功率進行控制（簡稱PCM)的方法為:根據(jù)信 標(biāo)消息發(fā)送功率調(diào)整公式獲取下一個觀測間隔內(nèi)信標(biāo)消息的發(fā)送功率，信標(biāo)消息發(fā)送功率 調(diào)整公式如下：
[0124]
[012引式中，PbeaU)表示第i個觀測間隔OT內(nèi)信標(biāo)消息的發(fā)送功率，PBEA(i + l)表示第（i + 1)個觀測間隔OT內(nèi)信標(biāo)消息的發(fā)送功率，Pmin為信標(biāo)消息允許的最小發(fā)送功率。
[0126] W車輛節(jié)點A的車聯(lián)網(wǎng)擁塞控制為例，車輛節(jié)點A最初W-定的功率和速率周期性 的發(fā)送信標(biāo)消息，記錄下此時車輛節(jié)點A發(fā)送信標(biāo)消息的速率為化EA(O)和發(fā)送功率Pbea(O), 則擁塞控制過程為(為說明實施方式，下面計算中先預(yù)設(shè)了一些場景數(shù)值，運些數(shù)值均可W 通過實車通過車載終端獲取，同時利用相關(guān)硬件實現(xiàn)空閑信道評估，預(yù)設(shè)數(shù)組僅作為說明 實施例使用）：
[0127] (1)打開車載終端，通過GI^模塊與DSRC無線通信模塊，車輛節(jié)點A與周圍鄰居車輛 節(jié)點交換消息，車輛通過消息維持一個鄰居節(jié)點列表，假設(shè)此時車輛節(jié)點A維護的鄰居節(jié)點 列表中有30個鄰居節(jié)點消息。
[0128] (2)利用鄰居節(jié)點列表，通過對車聯(lián)網(wǎng)進行探測得到網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的擁塞程度化值。
[0129] ①首先計算信道利用率CU
[0130] 假巧觀測間隔OT為50ms，時隙OTs為2ms，有19個時隙OTs內(nèi)CCA評估為信道忙，利用 公式
I到此時的信道利用率CU為0.76。
[0131] ②計算包通過率PTR
[0132] 假設(shè)此時收到的總的數(shù)據(jù)量為2.46Mbit/s，利用公得到此時 的包通過率PTR為0.82。
[0133] ③計算平均傳輸時延AD
[0134] 假設(shè)此時通過對鄰居節(jié)點列表中毎個鄰居節(jié)點消息對應(yīng)的牛成時間和接收時間 計算出平均傳輸時延為Wms,則根據(jù)公式.
得到平均傳 輸時支
[0135] ④計算網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度化
[0136] 假設(shè)a、0、丫均為1/3，則對應(yīng)的擁塞程度化=(0.76+0.82+0.74)/3 = 77.3%，判斷 此時網(wǎng)絡(luò)為嚴重擁塞。
[0137] (3)通過擁塞探測判斷此時網(wǎng)絡(luò)為嚴重擁塞狀態(tài)，車輛節(jié)點A-方面進行信標(biāo)消息 的發(fā)送功率和信標(biāo)消息的發(fā)送速率聯(lián)合調(diào)整，即計算出當(dāng)前的車流量密度指數(shù)K，利用信標(biāo) 消息發(fā)送速率調(diào)整機制公式計算出下一個觀測間隔內(nèi)的信標(biāo)消息發(fā)送速率，當(dāng)信標(biāo)消息的 發(fā)送速率減小為最小值后就維持該最小值，同時利用信標(biāo)消息發(fā)送功率機制公式計算出下 一個觀測間隔內(nèi)的信標(biāo)消息發(fā)送功率;另一方面對緊急安全消息的發(fā)送功率進行控制。
[013引假設(shè)參數(shù)fs取0.9,A 3 0.027，Q S 0,根據(jù)公5
尋到車流量密 度 K = O.213;
[0139] Rbea(O)表示當(dāng)前OT內(nèi)車輛節(jié)點A發(fā)送信標(biāo)消息的發(fā)送速率，Rbea(I)為下一個OT內(nèi) 車輛節(jié)點A發(fā)送信標(biāo)消息的發(fā)送速率，S取0.6，則
[0140] I?bea( 1) =min)0.578Rbea(0)，I^BEtain)
[0141] Pbea(O)表示當(dāng)前OT內(nèi)車輛節(jié)點A發(fā)送信標(biāo)消息的發(fā)送功率，Pbea(I)表示下一個OT 內(nèi)車輛節(jié)點A發(fā)送信標(biāo)消息的發(fā)送功率，貝U
[0142]

[0144]
[0143] 當(dāng)車輛節(jié)點A發(fā)生緊急事故，如緊急剎車，應(yīng)用層產(chǎn)生相關(guān)的緊急安全消息，并標(biāo) 記其優(yōu)先級為2,初始有效距離ER2為200m，對應(yīng)的速度標(biāo)準(zhǔn)值V為80KMA。假設(shè)通過對車輛 ^ ^At^n節(jié)點列表中的鄰居節(jié)點車速進行計算得到此時A附近車輛的平均速度 叫實時有效距離為：
[0145] 查找表3,找到匹配的功率值為14地m，則此時緊急安全消息的發(fā)送功率為14地m。
[0146] (4)車輛節(jié)點A在下一個觀測間隔OT內(nèi)重復(fù)步驟（1)(2)，同時根據(jù)不同的擁塞程 度，選擇不同的擁塞控制方法。
[0147] 綜上，本發(fā)明提供了一直全新的基于車車之間的通信對網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀況進行探測 的方法，能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確的對網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度進行評估，提高了擁塞探測的準(zhǔn)確性，同時，本 發(fā)明還提供了基于功率和速率聯(lián)合調(diào)整的方式，能快速降低網(wǎng)絡(luò)負載，有效緩解網(wǎng)絡(luò)的擁 塞狀況，提高了緊急安全消息廣播的可靠性，從而減小因網(wǎng)絡(luò)過于擁塞導(dǎo)致緊急安全消息 無法發(fā)送造成的安全隱患，在VANET中的擁塞探測及擁塞控制方面具有重要意義。
【主權(quán)項】
1. 一種基于功率和速率聯(lián)合調(diào)整的車聯(lián)網(wǎng)擁塞控制方法，車聯(lián)網(wǎng)中當(dāng)前車輛節(jié)點與鄰 居車輛節(jié)點之間交互信息，所述信息包括信標(biāo)消息和緊急安全消息，其特征在于，該方法包 括W下步驟： 1) 當(dāng)前車輛節(jié)點維持一個鄰居節(jié)點列表，所述鄰居節(jié)點列表由多條鄰居節(jié)點信息構(gòu) 成，每條鄰居節(jié)點信息根據(jù)鄰居車輛節(jié)點接收發(fā)送的信息生成，包括發(fā)送該信息的鄰居車 輛節(jié)點的車輛ID號、鄰居車輛節(jié)點發(fā)送該信息時的速度、鄰居車輛節(jié)點生成消息的時間和 當(dāng)前車輛節(jié)點接收信息的時間； 2) 當(dāng)前車輛節(jié)點W信道利用率、包通過率和平均傳輸時延為車聯(lián)網(wǎng)狀況的評估標(biāo)準(zhǔn)， 所述車聯(lián)網(wǎng)狀況根據(jù)擁塞程度的數(shù)值從大到小依次劃分為完全擁塞狀態(tài)、嚴重擁塞狀態(tài)、 中度擁塞狀態(tài)和無擁塞狀態(tài)，當(dāng)前車輛根據(jù)鄰居節(jié)點列表得到觀測間隔內(nèi)當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)的擁 塞程度； 3) 當(dāng)前車輛節(jié)點根據(jù)當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)的擁塞程度進行不同車聯(lián)網(wǎng)狀況下的擁塞控制； 所述完全擁塞狀態(tài)下的擁塞控制為：當(dāng)前車輛節(jié)點停止發(fā)送信標(biāo)消息，并對緊急安全 消息的發(fā)送功率進行控制； 所述嚴重擁塞狀態(tài)下的擁塞控制為：當(dāng)前車輛節(jié)點分別對信標(biāo)消息的發(fā)送速率和發(fā)送 功率進行控制，同時還對緊急安全消息的發(fā)送功率進行控制； 所述中度擁塞狀態(tài)下的擁塞控制為：當(dāng)前車輛節(jié)點一方面先對信標(biāo)消息的發(fā)送速率進 行控制，當(dāng)信標(biāo)消息的發(fā)送速率減小到信標(biāo)消息的發(fā)送速率最小值且車聯(lián)網(wǎng)狀況為中度擁 塞狀態(tài)時，維持信標(biāo)消息的發(fā)送速率，并開始對信標(biāo)消息的發(fā)送功率進行控制，另一方面還 對緊急安全消息的發(fā)送功率進行控制； 所述無擁塞狀態(tài)下的擁塞控制為：當(dāng)前車輛節(jié)點W初始設(shè)置的發(fā)送速率和發(fā)送功率發(fā) 送消息。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于功率和速率聯(lián)合調(diào)整的車聯(lián)網(wǎng)擁塞控制方法，其特 征在于，所述消息的基本數(shù)據(jù)內(nèi)容包括:車輛ID、優(yōu)先級、速度、生成該消息的時間和數(shù)據(jù)信 息，所述優(yōu)先級用于區(qū)別信標(biāo)消息和緊急安全消息。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于功率和速率聯(lián)合調(diào)整的車聯(lián)網(wǎng)擁塞控制方法，其特 征在于，所述信道利用率滿足W下公式：式中，CU表示觀測間隔內(nèi)的信道利用率，0T表示觀測間隔，每個觀測間隔0T劃分成N個 時隙OTs，當(dāng)?shù)趇個時隙OTs內(nèi)信道檢測是忙時，bi記為1，否則，b功0。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于功率和速率聯(lián)合調(diào)整的車聯(lián)網(wǎng)擁塞控制方法，其特 征在于，所述包通過率滿足W下公式：式中，PTR表示觀測間隔內(nèi)的包通過率，ΟΤ表示觀測間隔，η表示觀測間隔ΟΤ內(nèi)節(jié)點收到 消息的個數(shù)，Pkti表示第i個消息的大小，ε表示歸一化的網(wǎng)絡(luò)流量。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于功率和速率聯(lián)合調(diào)整的車聯(lián)網(wǎng)擁塞控制方法，其特 征在于，所述平均傳輸時延率滿足W下公式：式中，AD表示觀測間隔內(nèi)的平均傳輸時延，Μ表示觀測間隔0Τ內(nèi)鄰居節(jié)點列表中鄰居節(jié) 點信息的個數(shù)，Tre。,康示第i個鄰居節(jié)點信息中鄰居車輛節(jié)點生成消息的時間，Tgen,康示 第i個鄰居節(jié)點信息中當(dāng)前車輛節(jié)點接收信息的時間，P表示消息傳遞時延最短的時間。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于功率和速率聯(lián)合調(diào)整的車聯(lián)網(wǎng)擁塞控制方法，其特 征在于，所述擁塞程度滿足W下公式： 化=α . cu+β · PTR+丫 · AD α+β+ γ = 1 式中，CL表示觀測間隔內(nèi)當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)的擁塞程度，CU表示觀測間隔內(nèi)的信道利用率， PTR表不觀測間隔內(nèi)的平均傳輸時延，AD表不觀測間隔內(nèi)的包通過率，α、β、丫分別對應(yīng)表不 CU、PTR、AD的加權(quán)因子。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于功率和速率聯(lián)合調(diào)整的車聯(lián)網(wǎng)擁塞控制方法，其特 征在于，所述對緊急安全消息的發(fā)送功率進行控制的方法包括W下步驟： A:獲取觀測間隔內(nèi)實時的緊急安全消息有效距離ER，滿足W下公式：式中，ER2表示與緊急安全消息對應(yīng)的初始有效距離，戸表示觀測間隔0T內(nèi)鄰居車輛節(jié) 點的平均速度，并由鄰居節(jié)點列表獲得，V表示設(shè)定的速度標(biāo)準(zhǔn)值，sgn( ·)表示符號函數(shù)，e 表示自然底數(shù)。 B:通過查找緊急安全信息的傳輸距離所對應(yīng)的發(fā)送功率表，根據(jù)邸得到匹配的功率值 作為當(dāng)前緊急安全消息的發(fā)送功率。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于功率和速率聯(lián)合調(diào)整的車聯(lián)網(wǎng)擁塞控制方法，其特 征在于，所述對信標(biāo)消息的發(fā)送速率進行控制的方法包括W下步驟： a:獲取觀測間隔內(nèi)車流量密度指數(shù)K，滿足W下公式：式中，λ表示預(yù)設(shè)的車輛節(jié)點靈敏度歸一化參數(shù)，Q表示預(yù)設(shè)的交通運輸網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì) 量，參數(shù)fs與交通流和車輛移動速度有關(guān)，fs Ε [0，1 ]，且隨著交通流從自由流到擁塞流變 化，fs逐漸增加； b:獲取下一個觀測間隔內(nèi)信標(biāo)消息的發(fā)送速率，滿足W下公式：式中，RBEA(i)表示第i個觀測間隔ΟΤ內(nèi)信標(biāo)消息的發(fā)送速率，RbeaU+I)表示第（i+1)個 觀測間隔0T內(nèi)信標(biāo)消息的發(fā)送速率，δ是權(quán)衡擁塞程度化與車流量密度指數(shù)K的權(quán)重因子，δ Ε [ 0，1 ]，RBEMin表示信標(biāo)消息的發(fā)送速率最小值。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于功率和速率聯(lián)合調(diào)整的車聯(lián)網(wǎng)擁塞控制方法，其特 征在于，所述對信標(biāo)消息的發(fā)送功率進行控制的方法為:根據(jù)信標(biāo)消息發(fā)送功率調(diào)整公式 獲取下一個觀測間隔內(nèi)信標(biāo)消息的發(fā)送功率，信標(biāo)消息發(fā)送功率調(diào)整公式如下：式中，PBEA(i)表示第i個觀測間隔0T內(nèi)信標(biāo)消息的發(fā)送功率，PBEA(i + l)表示第（i + 1)個 觀測間隔0T內(nèi)信標(biāo)消息的發(fā)送功率，Pmin為信標(biāo)消息允許的最小發(fā)送功率。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于功率和速率聯(lián)合調(diào)整的車聯(lián)網(wǎng)擁塞控制方法，其特 征在于，當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)狀況劃分為完全擁塞狀態(tài)的條件為:觀測間隔內(nèi)當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)的擁塞程 度化滿足化^90 %; 當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)狀況劃分為嚴重擁塞狀態(tài)的條件為:觀測間隔內(nèi)當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)的擁塞程度化 滿足90%〉化含60%; 當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)狀況劃分為中度擁塞狀態(tài)的條件為:觀測間隔內(nèi)當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)的擁塞程度化 滿足 60%〉CL>30%; 當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)狀況劃分為無擁塞狀態(tài)的條件為:觀測間隔內(nèi)當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)的擁塞程度化滿 足化<30%。
【文檔編號】H04W28/02GK105847177SQ201610146275
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月15日
【發(fā)明人】王平, 劉富強, 王超, 吳偉龍, 寧珍妮
【申請人】同濟大學(xué)