[发明专利]一种城市场景中有基础设施的车联网连通性模型推演方法

摘要

一种城市场景中有基础设施的车联网连通性模型推演方法。本发明定义了主干路网：由若干路口网关i₁,i₂,...,i_m组成，这些路口网关与一组道路r₁,r₂,...,r_n相邻，其中n＝m‑1。通过获取主干路网中每条道路上所有车辆的行驶速度和所配备的车联网无线通信装置的传输范围以及统计这些道路上的车辆密度，对主干路网的连通性的四种属性进行建模。本发明针对城市场景中车联网客观存在互连互通耦合度低、应用程序需求存在差异等问题，研究了消息经由城市道路及路口网关组成的主干路网传播，形成车联网互联互通时的四种连通性质，根据这些性质提出了城市场景中有基础设施的车联网连通性模型，这对车联网大规模网络应用的发展有着重要的理论指导意义。

主权项

1.一种城市场景中有基础设施的车联网连通性模型推演方法，其特征在于，步骤一、将基础设施部署在道路交叉口，这些基础设施称为车联网路口网关，由这些网关负责对车辆需要发送和接收的消息进行中继；城市场景基础设施的车联网大规模异构网络由行驶中的车辆和固定在每一个道路交叉路口中基于基础的车联网路口网关组成；车辆配备了与其他车辆进行V2V通信的接口以及与路口网关进行V2I通信的接口，同时车辆还具有蜂窝网络的通信功能，并借此接入移动互联网；位于路口的车联网路口网关则具备了与车辆进行I2V通信的接口，并且通过有线的方式接入了互联网；路口网关的I2V范围只覆盖了它所在路口周围的车辆；步骤二、车辆通过全球定位系统接收器或其它定位服务获得其地理位置；同时车辆还确定与自己相邻的交叉路口的位置；步骤三、将城市街道地图抽象为图G(I,R)，包括路口网关i∈I和连接这些路口的道路r∈R；对于任何两个路口网关IGA和IGB，(IGA,IGB)∈G当且仅当有一段道路连接IGA和IGB并且车辆可以在该段道路上行驶；步骤四、基于以上步骤的基本概念，本发明定义了主干路网：定义1 主干路网R：由若干路口网关i1,i2,...,im组成，这些路口网关与一组道路r1,r2,...,rn相邻，其中n＝m‑1，通过获取主干路网中每条道路上所有车辆的行驶速度和所配备的车联网无线通信装置的传输范围以及统计这些道路上的车辆密度，可以对主干路网的连通性的四种属性进行建模，它们分别是表示在一定车辆密度和传输范围下主干路网连通时的可能性，不可靠性，非实时性和消耗程度；(1)连通的可能性下面考虑一条双向单车道道路的情况，其中车辆可以沿着道路朝着两个相反的方向行驶；每一段道路具有两个车道，每条车道都被分成相等间隔的区域，每个区域对应于一个传输范围Tr，即根据车辆的传输范围把双向车道等分为长度为Tr的区域，消息由同向行驶的车辆逐跳转发，或者由沿相反的方向移动的车辆负责中继；现假设可以获取到关于在道路图G每段道路的统计数据，这些统计数据包括如下：i)道路r_j上车辆的平均速度(记为)和ii)平均车辆密度(由ρ_w和ρ_e分别表示西向和东向车道的平均密度)，其中平均车辆密度为单条车道上单位长度内车辆的数目；记主干路网R的连通可能性为Pc；为了计算Pc，首先需要推导出道路rj(rj∈{r1,r2,...,rn})的连通可能性Pcj；车辆在道路上行驶过程中，数据分组优先沿车辆的行驶方向同向传播；为了增加连通的可能性，可以利用双向车道场景中反方向行驶的车辆，同时在路口附近，可以利用路口网关进行消息的中继；在这样的设计下，断链定义为在道路rj上两辆同向行驶的前后车辆Vk和Vk+1之间的距离Dk＞Tr时的链路；如果在这两辆车彼此的传输范围内有对向车辆或者路口网关可以将Vk和Vk+1连通，则称这个断链是可被修复的；随机变量vw和ve分别表示西向和东向车道中每一段长度为Tr的间隔中的车辆数；假设两条车道内的车辆均服从正态分布，则vw和ve服从泊松分布，有如下的概率质量函数：由于两条对向车道互相之间是平等的，下面以往西行驶的车辆为例，使用(2)式，东向车道上某条链路由于西向车道无车导致的不可修复的概率Pnf为：考虑到当路口网关可以参与消息的中继，该链路的不可修复概率降低为Pnf′：其中L是该道路的总长；两辆同向行驶的前后车辆Vk和Vk+1间断链可修复概率Pf可由下式给出其中，Dk表示车辆Vk和Vk+1之间的距离；由于西向车道内Tr间隔的车辆服从泊松分布，Dk服从参数为ρw的指数分布，为了计算Pcj，考虑到西向车道上可能有多条断链，随机变量Q表示西向车道上断链的数量；如果所有的Q条链路都是可修复的，道路rj就可以被视为连通的；Pw|Q表示假如有Q条断链时的连通条件概率，Pw|Q可以写作其中，Nj表示在道路rj西向车道上行驶的车辆的数量，α表示道路长度与通信传输范围比；N表示自然数；为了获得道路rj的总连通可能性，还应当求出Q的概率质量函数，即PQ(q)；根据定义，断链是指当两辆同向行驶的前后车辆的距离比Tr大；Pb表示链路为断链的概率，任意两辆同向行驶的前后车辆之间的距离呈指数分布，因此它的表达式是对于Nj‑1条链路来说，其中q条链路是断链的概率服从二项分布：所以，道路rj的总连通可能性可以表示为最后，由n条道路形成的主干路网的连通可能性可由下式给出(2)连通的非实时性一旦主干路网处于连通状态，对于任何经由该主干路网传输的数据包来说，从它从源车辆发送出来到送达到目标车辆所花费的时间可以用来表征连通时的非实时性，所谓连通的非实时性，即一个数据分组通过主干路网R传输时从离开源车辆上的车联通信设备直至到达目标车辆上的车联网通信设备的过程中所花费的时间T，鉴于主干路网R由n段道路组成，且每一条道路rj的非实时性为Tj，那么T可以表示为：非实时性Tj取决于在道路rj西向车道上行驶的车辆的数量Nj和消息经由在道路rj上行驶的车辆Vk和Vk+1之间或者车辆Vk和路口网关IG之间传送所需的时间；数据分组从车辆Vk传送到车辆Vk+1所需的时间取决于Vk用来转发消息的策略；如果Vk采用逐跳贪婪转发，非实时性是处理和发送消息所需的时间，用tp表示；另一方面，如果Vk使用携带转发策略，用Vk所携带的消息将以与作为该车辆的Vk相同的速度Sk行进；因此，该非实时性取决于Sk和由Vk携带该消息直到它能够将消息转发给下一辆车Vk+1时所行进的距离，即当它进入Vk+1的传输范围内时，为了估计非实时性T，下面分为两种情况考虑：如果道路长度L小于一个传输范围Tr，即α≤1时，该道路的非实时性为tp，其中tp是车辆或者路口网关用于处理和发送消息的时间；如果道路长度比传输范围大，即α≥1，消息将通过多跳技术沿道路上的中继车辆转发，设随机变量v表示两条车道上长度为Tr的对应间隔上的车辆数；同样，v服从泊松分布具有以下概率密度函数：为了计算在道路上的非实时性，需要考虑车辆转发消息所使用的策略；如果消息被逐跳转发，该链路上的非实时性将和第一种情况一样为tp；另一方面，如果该消息由车辆携带并转发，需要估计道路中的不具有任何车辆转发该消息的部分β；在这种情况下，在该部分上接收到该消息的最后一辆车会沿该部分携带消息，直到它进入另一车辆的传输范围内再转发，该部分β的估计表达式为同样的，由于车辆在路口时可以通过路口网关进行消息的转发，因此这部分还应该排除车辆在路口网关通信范围的情况：在这种情况下，平均非实时性可以利用关于道路rj上车辆的平均速度计算得到；如前所述，Nj是道路rj在西向车道上行驶的车辆的数量，因此，道路rj中的平均非实时性为：其中，是车辆在道路r_j上的平均速度，记为其中，SV表示车辆V的在道路rj平均速度(3)连通的消耗度显然主干路网的连通能力不是无限的，数据包在主干路网中传输时会消耗这条主干路网的连通能力，因此可以将这种消耗定义连通的消耗度；对于给定的主干路网R，数据包对于某条道路rj上的消耗度可以通过数据包在该道路上传输过程中所经过的中继车辆数来表示，这与道路的长度L和行驶在该道路中的车辆的传输范围Tr有关；如果L小于Tr，即α≤1，那么无须中继车辆就足以在该道路上传送消息；如果车辆在路口网关的覆盖范围内，那么可以将消息转发给路口网关；如果L比Tr大并且车辆不在路口网关的通信覆盖范围内，即α≥2，那么消息或逐跳传输，或携带并转发；因此，数据包对于道路rj中的平均连通消耗度的可写作：相应的，数据包对于由n条道路形成的主干路网R的连通消耗度可由下式给出：(4)连通的不可靠性数据包在主干路网的传输过程中可能发生某些数据位损坏或者丢失，这就导致了主干路网的连通不是百分之一百可靠的；采用路径质量的衡量标准之一误码率来表示城市场景车联网中主干路网的连通不可靠性；误码率主要是受传输范围的影响，随着传输范围的增大，由于信道衰落和干扰的存在，误码率随之提高，每连续两台车辆之间的链路上的误码率可以被给定义为：其中α₁是一个常数，P_t为发送功率，P_therm＝α₂R_b是热噪声功率，α₂为常数，R_b是数据传输速率，是由Rayleigh密度函数描述的信号包络均方值；z是连续的两台车辆之间的距离，鉴于两车之间的距离Z为指数分布，Z的概率密度函数可以写成如下：ρ表示两车所在道路的车辆平均密度其表示两辆同向行驶的前后车辆之间距离的条件概率，并且它们之间的距离小于或等于传输范围Tr；因此，对于两辆同向行驶的前后车之间的一条链路的误码率数学期望经计算可得：并且，道路rj的连通不可靠性URj的表达式如下：URj＝1‑(1‑E[BERl(Z)])            (22)最后，由n条道路组成的主干路网R的连通不可靠性由下式给出：连通性模型表征为：主干路网R包括由一组道路r1,r2,...,rn连接的路口所在的基础设施路口网关i1，i2,……,im，其中n＝m‑1；路口网关i1是主干路网中源车辆连接的第一个路口网关，im是主干路网中的最后一个路口网关，它连接到目标车辆；其中非实时性约束可以转换成一个上限Tth，其值取决于源车辆的车联网应用程序的需求，同样的连通的消耗和不可靠性也有相应的上限Dth和URth，在城市场景中有基础设施的车联网内，数据分组从源车辆发出，由中继车辆通过逐跳转发和携带转发模式进行转发，直至到达目标车辆的过程中为了在满足可容忍的连通的非实时性T(R)，消耗D(R)和不可靠性UR(R)的限制下连通可能性最高Pc(R)所经过的道路和交叉路口组成的主干路网R的连通性模型通过下列形式表示：满足：其中，C(R)为数据分组从源车辆Vs发出直至到达目标车辆Vd的连通性，Pc(R)为主干路网R的连通可能性，Tth，Dth和URth分别表示这一条主干路网上可容忍的连通的非实时性、消耗和稳定性的阈值。