智能網(wǎng)聯(lián)車-車通信中繼節(jié)點選擇技術指南

智能網(wǎng)聯(lián)車-車通信中繼節(jié)點選擇技術指南范圍本文件提供了車聯(lián)網(wǎng)中的中繼節(jié)點選擇技術指南，場景包括直道、十字形平面交叉路口、彎道和不利情形。本文件適用于在高速公路、城市道路和普通公路等不同類型的道路范圍，指導指定場景中車輛安裝了定位導航系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)的車-車通信中繼節(jié)點選擇工作。本文件適用范圍可參考總則。規(guī)范性引用文件本文件沒有規(guī)范性引用文件。術語和定義下列術語和定義適用于本文件。包packet在數(shù)據(jù)傳輸中，一組類和接口的集合。分割partition將通信范圍分成多個不重疊區(qū)域的過程。迭代分割iterativepartitioning分割方式符合迭代方式的分割。分割范圍partitionrange通信范圍中分割區(qū)域的長度。指數(shù)分割exponentialpartitioning區(qū)域寬度符合指數(shù)規(guī)律的分割。廣播協(xié)議broadcastprotocol車輛路側單元通過無線電與其通信范圍內(nèi)所有車輛實現(xiàn)點對多點通信的方式。清除廣播clear-to-broadcast車輛在確定自己為中繼節(jié)點后，向其廣播發(fā)起車輛發(fā)出清除廣播報文的過程。請求廣播request-to-broadcast廣播發(fā)起車輛向其通信范圍內(nèi)所有車輛發(fā)起廣播通信請求報文的過程。沖突conflict多于一個節(jié)點退避時間最先結束的同時，廣播清除廣播包，所造成的沖突。中繼節(jié)點relaynode用于距離太遠而無法直接接收信息的車輛和消息源車輛之間傳遞信息的通信節(jié)點。競爭contention迭代分割后，兩個或多于兩個車輛在最后區(qū)域內(nèi)，作為候選中繼節(jié)點的同時發(fā)送清除廣播包，對中繼節(jié)點資格的競爭。標準幀間空隙standardinter-framespace無線設備在接收幀和響應幀之間所需的標準時間間隔。最小分布式幀間時隙mini-distributeinter-framespace在載波偵聽多路訪問/沖突避免中，信道空閑時，車輛所等待的一個最小設定時間。緊急消息emergencymessage在廣播通信過程中，遇到緊急情況，所發(fā)送的信息?？斩蝒mptysegment未被發(fā)送端和中繼節(jié)點通信范圍覆蓋的彎道段。彎曲率curvingrate分割范圍的道路長度和通信半徑的比值。信道阻塞信號blackburst在分布式處理中，用于協(xié)調(diào)各節(jié)點工作的單頻信號。消息傳播方向directionofmessagedissemination由消息源指向消息感興趣區(qū)域的方向。最優(yōu)位置optimalposition發(fā)送方消息廣播方向上消息覆蓋比例最大的點。符號和縮略語符號下列符號適用于本文件：BC競爭階段的信道阻塞信號（Blackburstinthecontentionphase）BP分割階段的信道阻塞信號（Blackburstinthepartitionphase）NC十字形平面交叉路口中繼節(jié)點（Relaynodeatcrossroads）NH獵節(jié)點（Hunternode）Popt最優(yōu)位置（Optimalposition）縮略語下列縮略語適用于本文件：CTB清除廣播（Clear-To-Broadcast）EM緊急消息（EmergencyMessage）EPBP基于指數(shù)分割的廣播協(xié)議（Exponent-basedPartitioningBroadcastProtocol）GIS地理信息系統(tǒng)（GeographicInformationSystem）Mini-DIFS最小分布式幀間時隙（Mini-DistributeInter-frameSpace）RTB請求廣播（Request-To-Broadcast）SIFS標準幀間空隙（StandardInter-FrameSpace）總則總體原則為了使消息能覆蓋更廣的范圍，提供了車-車通信中繼節(jié)點選擇的指南。在本文件描述的場景中，均采用迭代分割的方式來選擇中繼節(jié)點。適用場景依據(jù)道路拓撲結構的差異，在車輛密度符合泊松分布的前提下，提供了本文件中適用直道、十字形平面交叉路口、彎道三種場景的中繼節(jié)點選擇指南；在任意道路拓撲結構下，車輛密度不符合泊松分布的前提下，提供了本文件中適用不利場景的中繼節(jié)點選擇指南。直道場景中繼節(jié)點選擇場景概述道路線形的彎曲率持續(xù)小于一個閾值的場景。直道場景下車輛通信區(qū)域覆蓋的區(qū)域都近似為一個矩形區(qū)域。中繼節(jié)點選擇和傳輸過程發(fā)送節(jié)點（車輛）在等待Mini-DIFS時間后，發(fā)送攜帶發(fā)送節(jié)點位置信息及最優(yōu)位置信息的RTB包，其中最優(yōu)位置為發(fā)送節(jié)點消息廣播方向上消息覆蓋道路中心線最遠位置，即點Popt。在定位系統(tǒng)的支持下，所有接收到RTB包的節(jié)點（車輛），即在發(fā)送節(jié)點通信覆蓋范圍R內(nèi)的所有節(jié)點依據(jù)RTB中最優(yōu)位置信息，在等待BP時間后，對分割范圍進行迭代分割，初始的分割范圍為發(fā)送節(jié)點的通信范圍。在每次迭代分割中，節(jié)點根據(jù)自己所處區(qū)域塊決定廣播一個信道阻塞信號的時刻，離最優(yōu)位置越近的區(qū)域塊內(nèi)的節(jié)點會越早發(fā)送信道阻塞信號。每次迭代分割時，所有節(jié)點在發(fā)送信道阻塞信號前會偵聽信道，如未偵聽到信道阻塞信號，則會在決定的時刻發(fā)送信道阻塞信號，偵聽到信道阻塞信號的節(jié)點會退出中繼節(jié)點選擇。新的迭代分割開始時，發(fā)送信道阻塞信號節(jié)點所在的區(qū)域會成為新的分割區(qū)域，進行分割，直到迭代結束。最后迭代中，發(fā)送過信道阻塞信號的節(jié)點成為候選中繼節(jié)點，在時間窗中隨機選擇符合均勻分布的時長進行退避，在退避時間結束立即發(fā)送CTB包對信道進行競爭。最先且唯一發(fā)送CTB包的節(jié)點會被選中為中繼節(jié)點。倘若有多于一個節(jié)點發(fā)送CTB包，則發(fā)生CTB沖突，所有候選中繼節(jié)點會在等待BC時間后，進行再次CTB競爭，直到CTB成功或重試次數(shù)達到上限。發(fā)送節(jié)點在收到中繼節(jié)點發(fā)送的CTB包后，等待SIFS時間后，傳輸數(shù)據(jù)包，完成EM消息的傳遞，見圖1。直道場景中繼節(jié)點選擇方法中繼節(jié)點信息格式通過EPBP協(xié)議來完成中繼節(jié)點選擇，實現(xiàn)消息的傳輸。EPBP協(xié)議見圖2。EPBP協(xié)議十字形平面交叉路口場景中繼節(jié)點選擇場景概述十字形平面交叉路口為2條道路的相交，有四條支路，機動車輛在這4條支路上行駛，車輛通信區(qū)域覆蓋的區(qū)域被描述為一個以車輛為圓心的正圓形。中繼節(jié)點的選擇和傳輸過程十字形平面交叉路口消息傳輸?shù)礁髦返闹欣^節(jié)點的選擇步驟包括2個階段，第1階段為路口階段，第2階段為支路階段，見圖3。EM消息到達路口之前，可假定消息是在直的道路上通過多跳傳輸。每跳中，距離發(fā)送節(jié)點最遠的節(jié)點被選中為中繼節(jié)點，并成為下一跳的發(fā)送節(jié)點。在路口階段，以交叉路口中心位置為圓心（見圖3中C點），以車輛通信范圍的一半為半徑建立路口區(qū)域（見圖3中陰影部分）。將消息傳播方向上首次發(fā)現(xiàn)自己在路口區(qū)域的節(jié)點稱為獵節(jié)點（見圖3中NH）。以NH為發(fā)送節(jié)點，C為最優(yōu)位置，路口區(qū)域為分割區(qū)域，按6.2中設計的方法進行迭代劃分，找到中繼節(jié)點NC。在支路階段，NC尋找與NH在不同的3條支路上，在NC通信范圍內(nèi)找到離自己最遠的節(jié)點做中繼節(jié)點。采用6.2中設計的方法，在此過程中，最優(yōu)位置為NC通信范圍分別與3條支路中線的交點，如圖3中Popt_1、Popt_2和Popt_3，從C到各支路最優(yōu)位置的區(qū)域為分割范圍，最終從中選出中繼節(jié)點RB_1，RB_2，RB_3。十字形平面交叉路口場景中繼節(jié)點選擇方法中繼節(jié)點信息格式路口階段和支路階段均采取EPBP協(xié)議，通過迭代分割找出最佳中繼節(jié)點。EPBP協(xié)議見圖2。彎道場景中繼節(jié)點選擇場景概述當發(fā)送節(jié)點通信范圍覆蓋道路的彎曲率大于閾值時，可判斷為彎道場景。從發(fā)送節(jié)點到其通信范圍內(nèi)沿消息傳播方向道路最遠點之間的路段完全在發(fā)送節(jié)點的通信范圍內(nèi)。受彎道的形狀和信號傳播的限制，從發(fā)送節(jié)點到其通信范圍內(nèi)沿消息傳播方向道路最遠點之間的路段的某些部分在通信區(qū)域外，如圖4所示。中繼節(jié)點的選擇和傳輸過程在8.1.2描述情況下，以通信范圍內(nèi)沿消息傳播方向道路最遠點為最優(yōu)位置Popt，將通信范圍內(nèi)所有車輛位置垂直映射到Popt指向發(fā)送節(jié)點S的坐標軸上，Popt到發(fā)送節(jié)點連線為分割區(qū)域，采用6.2中設計的方法選擇中繼節(jié)點。在8.1.3描述情況下，采用過程選中中繼節(jié)點O作為發(fā)送節(jié)點再選擇下一跳中繼節(jié)點時，在消息傳播方向及其反向，采用方法進行雙向中繼節(jié)點選擇。彎道場景中繼節(jié)點選擇方法中繼節(jié)點信息格式彎道場景下中繼節(jié)點的選擇，由EPBP協(xié)議迭代分割找到最佳中繼節(jié)點，見圖2。不利場景中繼節(jié)點選擇場景概述本文件涉及下列兩種不利場景。當對中繼節(jié)點場景進行判斷時，優(yōu)先考慮道路拓撲結構（直道、十字型平面交叉路口、彎道）影響，再考慮不利場景的出現(xiàn)，兩種不利場景互斥存在（即每次僅會有一種不利場景出現(xiàn)）。當僅有極少的節(jié)點（當車輛泊松分布參數(shù)為0.001時）出現(xiàn)在發(fā)送節(jié)點附近時，稱為第一種不利場景，發(fā)送節(jié)點在EM傳播方向上的分割區(qū)域尋找最優(yōu)位置Popt，見圖5。如果僅在緊鄰發(fā)送節(jié)點的最終區(qū)域塊內(nèi)存在大量節(jié)點（當車輛泊松分布參數(shù)為0.2時），這種場景會出現(xiàn)在消息傳輸方向上靠近發(fā)送位置有一車隊情況下。稱為第二種不利場景，發(fā)送節(jié)點在EM傳播方向上的分割區(qū)域尋找最優(yōu)位置Popt，見圖6。第一種不利場景中繼節(jié)點選擇方法第二種不利場景中繼節(jié)點選擇方法中繼節(jié)點選擇和傳輸過程兩種不利場景都可采用下述設計的中繼節(jié)點選擇方法自適應選擇節(jié)點。